第6章PLC模擬量采集及PID控制系統(tǒng)

第6章PLC模擬量采集及PID控制系統(tǒng)6.5PID指令及控制6.4

FX2N系列PLC模擬量輸出模塊6.3FX2N系列PLC模擬量輸入模塊6.2FX2N系列PLC特殊功能模塊編址及操作6.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)6.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)

FX2N系列PLC的模擬量控制模塊，功能齊全，其讀寫操作基本相同，是組成閉環(huán)控制系統(tǒng)和專用控制系統(tǒng)的重要單元。6.1.1模擬信號獲取及變換需要檢測的自然界的模擬量必須首先轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換或A-D轉(zhuǎn)換），然后輸入給計算機進行處理?；跓犭娕紓鞲衅鞯亩€制變送器接線圖分析：1）傳感器接線方式？2）工作過程？6.1.2計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)三菱PLC基礎與應用閉環(huán)負反饋PID控制系統(tǒng)：思考：怎樣實現(xiàn)負反饋？6.1.3數(shù)字PID運算及應用

1．PID運算模擬量PID運算三菱PLC基礎與應用

M（t）：PID運算的輸出，M是時間t的函數(shù)；

e：控制回路偏差，PID運算的輸入?yún)?shù)；

Kp：比例運算系數(shù)（增益）；

Ki：積分運算系數(shù)（增益）；

Kd：微分運算系數(shù)（增益）。數(shù)字化PID運算

計算機處理該表達式，必須將其由模擬量控制的函數(shù)通過周期性地采樣偏差e，離散化后的PID表達式可整理為Mn=Kcen+Kc(Ts/Ti)en+MX+Kc(Td/Ts)(en-en-1)Mn：時間t=n時的回路輸出；

en：時間t=n時采樣的回路偏差，即SVn與PVn之差；

en-1：時間t=n-1時采樣的回路偏差，即SVn-1與PVn-1之差；

Kc：回路總增益，比例運算參數(shù)；

Ts：采樣時間；

Ti：積分時間，積分運算參數(shù)；

Td：微分時間，微分運算參數(shù)；

PID控制算法可以直接導出標準增量PID控制算法為△Mn=Mn-Mn-1=Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2)可以根據(jù)該公式實現(xiàn)PID的數(shù)字化程序設計。

需要說明的是，用戶在FX2n系列PLC實現(xiàn)PID運算時，不需要對上述復雜的算法進行編程，只需要直接通過設置PID回路參數(shù)和執(zhí)行PID控制指令即可完成PID運算。三菱PLC基礎與應用2.PID控制參數(shù)的物理意義

（1）比例控制（P）其控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）成比例關(guān)系。（2）積分控制（I）只要偏差不為零，積分輸出就會逐漸變化，一直要到偏差消失。（3）微分控制（D）控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成微分關(guān)系。

4.PID控制的工程應用（1）控制算法的選擇根據(jù)需求決定（2）控制系統(tǒng)反饋極性的確定

為了保證系統(tǒng)實現(xiàn)負反饋，在控制對象、執(zhí)行機構(gòu)的正反作用確定后，必須正確選擇PID控制器輸入與輸出之間的正、反作用。（3）PID參數(shù)工程整定確定PID算法中的比例、積分、微分系數(shù)（PID參數(shù)設置）PID參數(shù)設置又稱為PID參數(shù)工程整定。三菱PLC基礎與應用6.2.FX2N系列PLC特殊功能模塊

擴展編址及讀寫操作三菱PLC基礎與應用三菱PLC基礎與應用三菱PLC基礎與應用6.3FX2N系列PLC模擬量輸入模塊及應用模擬量輸入輸出模塊是組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要單元。FX2N系列常用的模擬量模塊有

模擬量擴展板（FX1N-2AD-BD、FX1N-1DA-BD）、FX2N-4AD模擬量輸入模塊、模擬量輸入輸出混合模塊（FX0N-3A）、溫度傳感器用輸入模塊及溫度調(diào)節(jié)模塊（FX2N-2LC）等。PLC通過擴展總線可以十分方便地對其進行I/O端口連接、確定地址編號及進行讀寫操作。三菱PLC基礎與應用6.3.1A/D轉(zhuǎn)換模塊

1-FX2N-4AD模塊FX2N-4AD為4通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以同時接收和處理4個模擬量的輸入信號，可以將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量并以二進制的補碼方式存入內(nèi)部16位緩沖寄存器中，通過擴展總線與FX2N基本單元進行數(shù)據(jù)交換。三菱PLC基礎與應用2-FX2N-4AD的外部接線三菱PLC基礎與應用3．緩沖寄存器（BFM）

緩沖寄存器BFM是與PLC基本單元進行數(shù)據(jù)交換，以及對特殊功能模塊工作狀態(tài)進行設定的內(nèi)部存儲單元。FX2N-4AD內(nèi)部有32個16位的緩沖寄存器（BFM），編號為BFM#0~#31，各寄存器功能及含義見表6-3?？梢酝ㄟ^PLC的FROM和TO指令分別對數(shù)據(jù)緩沖寄存器區(qū)的數(shù)據(jù)進行讀/寫操作。三菱PLC基礎與應用

【例】FX-PLC基本單元連接FX2N-4AD模擬量輸入模塊（特殊功能模塊）的0號位置，要求開通CH1和CH2兩個通道作為電壓量輸入通道，計算4次取樣的平均值，結(jié)果存入基本單元數(shù)據(jù)寄存器D0和D1中6.4FX2N系列PLC模擬量輸出模塊及應用

FX2N系列PLC中模擬量輸出模塊用于將PLC輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，以驅(qū)動模擬量負載。

主要型號有FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2NC-4DA及FX3U-4DA等。三菱PLC基礎與應用6.4.1.模擬量輸出模塊FX2N-2DA1．FX2N-2DA的技術(shù)指標FX2N-2DA為2通道D-A轉(zhuǎn)換模塊，它可以將12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為輸出電壓范圍為0~10V（0~5V）、電流范圍4~20mA的模擬量信號。三菱PLC基礎與應用3.FX2N-2DA緩沖寄存器BFMFX2N-2DA內(nèi)部有32個16位的緩沖寄存器BFM，但用來與PLC基本單元進行數(shù)據(jù)交換的編號只有BFM#16、BFM#17，其功能分配見表6-12。

可以通過PLC的FROM和TO指令對數(shù)據(jù)緩沖寄存器進行讀寫操作。4.FX2N-2DA偏置與增益的調(diào)整FX2N-2DA的增益和偏置是通過模塊上的增益電位器和偏置電位器分別進行調(diào)整的。

為了充分利用12位的數(shù)字值（212=4096），F(xiàn)X2N-2DA出廠時偏置值和增益值已經(jīng)設置為數(shù)字值為0~4000，對應電壓輸出為0~10V，故其最大分辨率為10V/4000個數(shù)字量=2.5mV/個數(shù)字量

為此，對于模擬量電壓輸出值10V（最大）或模擬量電流輸出20mA（最大）時，其輸出值數(shù)字值（增益）要分別調(diào)整到4000。三菱PLC基礎與應用5.D-A模塊編程用TO指令實現(xiàn)D-A轉(zhuǎn)換的步驟如下。1）取出需要轉(zhuǎn)換成模擬量的12位數(shù)字量數(shù)據(jù)；2）低8位數(shù)據(jù)寫入到BFM#16；3）執(zhí)行BFM#17的第b2位從“1”變?yōu)椤?”時，保存低8位數(shù)據(jù)；4）寫入高4位數(shù)據(jù)到BFM#16；5）執(zhí)行BFM#17的第b0或b1位從“1”變?yōu)椤?”時，分別對CH2或CH1進行D-A轉(zhuǎn)換。三菱PLC基礎與應用三菱PLC基礎與應用6.5PID指令及閉環(huán)控制6.5.1FX系列PLC的PID指令

FX2N系列PLC實現(xiàn)PID運算十分方便，只需要在PID參數(shù)寫入相關(guān)寄存器的情況下，執(zhí)行一條PID指令即可。1．指令格式及操作數(shù)PID指令（FNC88）格式如圖6-28所示。

圖6-28PID指令格式

三菱PLC基礎與應用1）源操作數(shù)[S1]存放以數(shù)字量表示的當前的設定（目標）值SV。2）[S2]存放當前測定（量）值PV。3）[S3]是設置PID參數(shù)的開始單元，共有[S3]~[S3]+24共25個數(shù)據(jù)寄存器，用于設置PID參數(shù)及數(shù)據(jù)報警等。4）目標操作數(shù)[D]用來存放以數(shù)字量表示的PID運算的輸出結(jié)果（用于控制PWM指令或經(jīng)D-A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動負載）。三菱PLC基礎與應用6.5.2FX2N系列PLC的PID控制系統(tǒng)1.FX2N系列PLC組成的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)FX2N系列PLC組成的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖所示。三菱PLC基礎與應用三菱PL基礎與應用2.PID控制程序結(jié)構(gòu)PID控制程序主要包括:

輸入模塊初始化;

讀取數(shù)據(jù);PID參數(shù)設置;

執(zhí)行PID指令;