《電氣控制與PLC技術(shù)》課件第6章

第6章PLC特殊功能模塊的應(yīng)用6.1FX系列PLC的特殊功能模塊6.2FX-4AD的應(yīng)用6.3FX-2DA的應(yīng)用6.4FX-1N-5DM的應(yīng)用6.5PLC在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用小結(jié)思考與練習(xí)

在一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，控制對象、控制任務(wù)、控制形式是多種多樣的。可編程控制器不僅廣泛用于開關(guān)量的邏輯控制，同時也越來越多地應(yīng)用于模擬量控制。了解可編程控制器的模擬量控制及編程方法，可以進一步擴大可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域。6.1FX系列PLC的特殊功能模塊

PLC本來是專為開關(guān)量邏輯控制而設(shè)計的，但各生產(chǎn)廠家為打開銷路，都為PLC增加了功能指令和模擬量專用模塊，以滿足模擬量控制的要求。FX系列的特殊功能模塊主要有以下幾類：

A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊：這類模塊的型號有FX-2AD、FX-4AD、FX-8AD、FX-2DA、FX-4DA等。

顯示模塊：這類模塊的型號有FX-1N-5DM、FX-1N-10DM等。除此之外，還有其他的特殊功能模塊，如溫度測量與調(diào)節(jié)模塊、高速計數(shù)位置控制模塊及網(wǎng)絡(luò)與通信功能模塊等。本章以模擬量輸入模塊FX-4AD、模擬量輸出模塊FX-2DA和顯示模塊FX-1N-5DM為例，講述其編程方法。6.2FX-4AD的應(yīng)用

1.?FX-4AD概述

FX-4AD模擬量輸入模塊是FX系列PLC的專用模擬量輸入模塊，它有4個輸入通道，通過輸入端子變換，可以任意選擇電壓或電流輸入狀態(tài)。電壓輸入時，輸入信號范圍為DC-10～+10V，輸入阻抗為200kΩ，分辨率為5mV；電流輸入時，輸入信號范圍為DC-20～+20mA，輸入阻抗為250Ω，分辨率為20μA。

FX-4AD模擬量模塊在數(shù)據(jù)傳輸時以12位二進制的數(shù)字量并以補碼的形式存于16位數(shù)據(jù)寄存器中，數(shù)值范圍是－2048～+2047，因此它的傳輸速率提高到15kb/ms,綜合精度為量程1%。

FX-4AD模擬量模塊的工作電源為DC24V，模擬量與數(shù)字量之間采用光電隔離技術(shù)，但各通道之間沒有隔離。FX-4AD模擬量模塊的4個輸入通道，占8個映像表，即在軟件上占8個I/O點數(shù)，在計算PLC的I/O時可以將這8個點作為PLC的輸入點來計算。

2.?FX-4AD緩沖寄存器(BFM)的分配

FX-4AD模擬量模塊內(nèi)部有一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器區(qū)，它由32個16位的寄存器組成，編號為BFM#0～#31，內(nèi)容與作用如表6.1所示。其中帶有#的數(shù)據(jù)緩沖寄存器區(qū)內(nèi)容，可以通過PLC的FROM和TO指令來讀、寫。表6.1FX-4AD緩沖寄存器(BFM)的分配續(xù)表

3.?FX-4AD的接線

FX-4AD的接線如圖6.1所示，圖中模擬輸入信號采用雙絞屏蔽電纜與FX-4AD連接，電纜應(yīng)遠離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸入有電壓波動或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個0.1～0.47μF、25V的電容。如果是電流輸入，應(yīng)將端子V+和I-連接。FX2N-4AD接地端與PLC主單元接地端連接，如果存在過多的電氣干擾，再將外殼地端FG和FX-4AD接地端連接。

4.?FX-4AD的應(yīng)用舉例

FX-4AD模塊在0號位置，其通道CH1和CH2作為電壓輸入，CH3、CH4關(guān)閉，平均值采樣次數(shù)為4，數(shù)據(jù)存儲器D1和D2用于接收CH1、CH2輸入的平均值。程序如圖6.2所示，雖然前兩行程序?qū)ν瓿赡M量讀入來說不是必需的，但它確實是有用的檢查，因此推薦使用。圖6.1FX-4AD的接線圖圖6.2FX-4AD的編程示例6.3FX-2DA的應(yīng)用

1.?FX-2DA概述

FX-2DA模擬量輸出模塊也是FX系列專用的模擬量輸出模塊。該模塊將12位的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出。FX-2DA有2路輸出通道，通過輸出端子變換，也可任意選擇電壓或電流輸出狀態(tài)。電壓輸出時，輸出信號范圍為DC－10～+10V，可接負(fù)載阻抗為1kΩ～1MΩ，分辨率為5mV，綜合精度0.1V；電流輸出時，輸出信號范圍為DC?+4～+20mA，可接負(fù)載阻抗不大于250Ω，分辨率為20μA，綜合精度0.2mA。

FX-2DA模擬量模塊的工作電源為DC24V，模擬量與數(shù)字量之間采用光電隔離技術(shù)。FX-2DA模擬量模塊的2個輸出通道要占用基本單元的8個映像表，即在軟件上占8個I/O點數(shù)，在計算PLC的I/O時可以將這8個點作為PLC的輸出點來計算。

2.?FX-2DA緩沖寄存器(BFM)的分配

FX-2DA模擬量模塊內(nèi)部有一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器區(qū)，它由32個16位的寄存器組成，編號為BFM#0～#31，其內(nèi)容與作用見表6.2。數(shù)據(jù)緩沖寄存器區(qū)內(nèi)容可以通過PIC的FROM和TO指令來讀、寫。

3.?FX-2DA的接線

FX-2DA的接線如圖6.3所示，圖中模擬輸出信號采用雙絞屏蔽電纜與外部執(zhí)行機構(gòu)連接，電纜應(yīng)遠離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。當(dāng)電壓輸出有波動或存在大量噪聲干擾時，可以接一個0.1～0.47μF、25V的電容。對于電壓輸出，應(yīng)將端子I＋和VI－連接。FX-2DA接地端與PLC主單元接地端連接。表6.2FX-2DA緩沖寄存器(BFM)的分配續(xù)表圖6.3FX-2DA的接線圖

4.?FX-2DA偏置與增益的調(diào)整

FX-2DA出廠時偏置值和增益值已經(jīng)設(shè)置成：數(shù)字值為0～4000，電壓輸出為0～10V。當(dāng)FX-2DA用作電流輸出時，必須重新調(diào)整偏置值和增益值。偏置值和增益值的調(diào)節(jié)是對數(shù)字值設(shè)置實際的輸出模擬值，可通過FX-2DA的容量調(diào)節(jié)器并使用電壓和電流表來完成。增益值可設(shè)置為0～4000的任意數(shù)字值。但是，為了得到12位的最大分辨率，電壓輸出時，對于10V的模擬輸出值，數(shù)字值調(diào)整到4000；電流輸出時，對于20mA的模擬輸出值，數(shù)字值調(diào)整到4000。偏置值也可根據(jù)需要任意進行調(diào)整。但一般情況下，電壓輸入時，偏置值設(shè)為0V；電流輸入時，偏置值設(shè)為4mA。調(diào)整偏置與增益時應(yīng)該注意以下幾個問題：

(1)對通道1和通道2分別進行偏置調(diào)整和增益調(diào)整；

(2)反復(fù)交替調(diào)整偏置值和增益值，直到獲得穩(wěn)定的數(shù)值；

(3)當(dāng)調(diào)整偏置和增益時，按照增益調(diào)整和偏置調(diào)整的順序進行。

5.?FX-2DA的應(yīng)用舉例

FX-2DA模塊在1號位置，其通道CH1和CH2作為電壓輸出，將數(shù)據(jù)存儲器D1和D2的內(nèi)容通過CH1、CH2輸出。程序如圖6.4所示，X0接通時，通道1(CH1)執(zhí)行數(shù)字到模擬量的轉(zhuǎn)換；X1接通時，通道2(CH2)執(zhí)行數(shù)字到模擬量的轉(zhuǎn)換。圖6.4FX-2DA的編程示例6.4FX-1N-5DM的應(yīng)用

1.?FX-1N-5DM概述

FX-1N-5DM是安裝在FX1S和FX1N的FX系列專用的顯示器模塊。FX-1N-5DM顯示器模塊占用5個數(shù)據(jù)儲存器(實際上只用了4個)和15個連續(xù)的輔助繼電器(實際上只用了8個)，它們的起始地址分別寫入PLC特殊數(shù)據(jù)寄存器D8158和D8159中。PLC在使用前有初始值，不需要設(shè)定，直接使用就可。FX-1N-5DM可顯示年、月、日及時、分、秒，并可以修改；也可實現(xiàn)位元件監(jiān)控，顯示X、Y、M、S的ON/OFF狀態(tài)；顯示T、C、D的當(dāng)前值及設(shè)定值；顯示FX1N系列的特殊模塊緩沖存儲器；同時PLC發(fā)生錯誤時，顯示錯誤代碼；可強制輸出Y、M、S；清除T、C的當(dāng)前值；修改T、C、D的當(dāng)前值及設(shè)定值。其功能概要如表6.3所示。表6.3FX-1N-5DM功能概要表

2.?FX-1N-5DM外觀示意圖

FX-1N-5DM外觀示意圖如圖6.5所示。

3.?FX-1N-5DM的應(yīng)用舉例使用FX-1N-5DM控制功能時，將控制數(shù)據(jù)寄存器及輔助繼電器的最前面的軟元件編號寫入特殊數(shù)據(jù)寄存器D8158、D8159。D8158、D8159即稱之為FX-1N-5DM的控制參數(shù)。FX-1N-5DM的控制參數(shù)占用表6.4所示的數(shù)據(jù)寄存器(D)5點、輔助繼電器(M)15點。圖6.5FX-1N-5DM外觀示意圖表6.4FX-1N-5DM的數(shù)據(jù)寄存器和輔助繼電器注意：

(1)?D8158占用數(shù)據(jù)寄存器(D)，D8159占用輔助繼電器(M)，不能分配其他軟元件。

(2)?D8158和D8159寫入負(fù)值或超過FX1S、FX1N的D、M軟元件范圍值，則FX-1N-5DM控制功能無效(初始值為－1，無效)

【例6.1】顯示定時器T20(如圖6.6所示)。

【例6.2】FX-1N-5DM使用的軟元件不連續(xù)時，可參考如圖6.7所示程序。圖6.6FX-1N-5DM顯示定時器T20圖6.7例6.2程序6.5PLC在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用

PLC是在開關(guān)量控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工業(yè)控制裝置，為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的需要，其功能在不斷增強，第二代PLC就能實現(xiàn)模擬量控制。當(dāng)今第四代PLC已增加了許多模擬量處理的功能，完全能勝任各種較為復(fù)雜的模擬控制，除具有較強的PID控制外，還具有各種各樣專用的過程控制模塊等。近年來，PLC在模擬量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，已成功地應(yīng)用于冶金、化工、機械等行業(yè)的模擬量控制系統(tǒng)中。1.?PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理輸入信號和輸出信號均為模擬量的控制系統(tǒng)稱為模擬量控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)是指被控制量為溫度、壓力、流量、液位、成分等這一類緩慢連續(xù)變化的模擬量控制系統(tǒng)。圖6.8所示為典型的模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中，虛線部分可由PLC的基本單元加上模擬量輸入/輸出擴展單元來承擔(dān)，即由PLC自動采樣來自檢測元件或變送器的模擬輸入信號，同時將采樣的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存入指定的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過PLC運算處理后輸出給執(zhí)行機構(gòu)去執(zhí)行。圖6.8典型模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖因此，要將PLC應(yīng)用于模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先要求PLC必須具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，能對現(xiàn)場的模擬量信號與PLC內(nèi)部的數(shù)字量信號進行轉(zhuǎn)換；其次PLC必須具有數(shù)據(jù)處理能力，特別是應(yīng)具有較強的算術(shù)運算功能，能根據(jù)控制算法對數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)控制目的；同時還要求PLC有較高的運行速度和較大的用戶程序存儲容量?，F(xiàn)在的PLC一般都有A/D和D/A模塊，許多PLC還設(shè)有PID功能指令，在大、中型PLC中還配有專門的PID過程控制模塊。

2.?PLC與其他模擬量控制裝置的比較傳統(tǒng)的模擬量控制系統(tǒng)主要采用電動組合儀表，常用的有DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型儀表。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但體積大、功耗大、安裝復(fù)雜、通用性和靈活性較差、控制精度和穩(wěn)定性較差。另外，其控制運算功能簡單，不能實現(xiàn)復(fù)雜的過程控制。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型的過程控制計算機不斷涌現(xiàn)，較為流行的有工業(yè)控制計算機(IPC)、可編程調(diào)節(jié)器(PSC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)。

1)?PLC與PSC可編程控制器(PSC)是在DDZ-Ⅲ型儀表的基礎(chǔ)上，采用微處理器技術(shù)發(fā)展起來的第四代儀表。它的強大功能、靈活性、可靠性、控制精度、數(shù)字通信能力是傳統(tǒng)的電動組合儀表無法比擬的。PSC與PLC都是智能化的工業(yè)裝置，各有特色。PLC以開關(guān)量控制為主，模擬量控制為輔；而PSC則以閉環(huán)模擬量控制為主，開關(guān)量控制為輔，并能進行顯示、報警和手動操作。因此，在模擬量控制系統(tǒng)中采用PSC更適合于各種過程控制的要求。而PLC則在可靠性、靈活性、強大的開關(guān)量控制能力和通信聯(lián)網(wǎng)能力以及模擬量控制上富有特色，特別在開關(guān)量、模擬量混合控制系統(tǒng)中更顯示出其獨特的優(yōu)越性。

2)?PLC與DCS集散控制系統(tǒng)(DCS)是1975年問世的，它是3C(Computer，Communication，Control)技術(shù)的產(chǎn)物，它將順序控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、過程控制的模擬量儀表和過程監(jiān)控裝置有機地結(jié)合在一起，產(chǎn)生了滿足各種不同要求的DCS。而今天的PLC加強了模擬量控制功能，多數(shù)配備了各種智能模塊，具有了PID調(diào)節(jié)功能和構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)、組成分級控制的功能，也實現(xiàn)了DCS所能完成的功能。到目前為止，PLC與DCS的發(fā)展越來越接近。就發(fā)展趨勢來看，控制系統(tǒng)將綜合PLC和DCS各自的優(yōu)勢并把兩者有機地結(jié)合起來，形成一種新型的全分布式計算機控制系統(tǒng)。

3)?PLC與IPC工業(yè)控制計算機(IPC)是通過通用微機的推廣應(yīng)用而發(fā)展起來的。其硬件結(jié)構(gòu)和總線的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強，軟件資源豐富。特別是，它有實時操作系統(tǒng)的支持，在要求實時性強、系統(tǒng)模型復(fù)雜的領(lǐng)域占有優(yōu)勢。而PLC的標(biāo)準(zhǔn)化程度較差，產(chǎn)品不能兼容，故開發(fā)較為困難。但PLC的梯形圖編程很受不熟悉計算機的電氣技術(shù)人員的歡迎，同時PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計的，可靠性非常高，被認(rèn)為是不會損壞的設(shè)備，而IPC在可靠性上還不夠理想。

3.?PLC的PID功能介紹

1)?PID控制在工業(yè)控制中，PID控制(比例-積分-微分控制)得到了廣泛的應(yīng)用，這是因為PID控制具有以下優(yōu)點：

(1)不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。實際上大多數(shù)工業(yè)控制對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是無法獲得的，對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。據(jù)統(tǒng)計，目前PID及變型PID約占總控制回路數(shù)的90%左右。

(2)?PID控制器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計簡單，參數(shù)調(diào)整方便。

(3)有較強的靈活性和適應(yīng)性，根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用各種PID控制的變種和改進的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的HD、積分分離式PID、變速積分PID等。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。

2)?PLC實現(xiàn)PID控制的方法圖6.9所示為采用PLC對模擬量實行PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。用PLC對模擬量進行PID控制時，可以采用以下幾種方法。圖6.9用PLC實現(xiàn)模擬量PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1)使用PID過程控制模塊。這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是，這種模塊的價格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用，如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模塊。

(2)使用PID功能指令?，F(xiàn)在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它們實際上是用于PID控制的子程序，與A/D、D/A模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，價格卻便宜得多。

(3)使用自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制指令，有時雖然有PID控制指令，但用戶希望采用變型PID控制算法。在這些情況下，都需要由用戶自己編制PID控制程序。

3)?FX2N的PID指令

PID指令的編號為FNC88，如圖6.10所示，源操作數(shù)[S1]、[S2]、[S3]和目標(biāo)操作數(shù)[D]均為數(shù)據(jù)寄存器D，16位指令，占9個程序步。[S1]和[S2]分別用來存放給定值SV和當(dāng)前測量到的反饋值PV，[S3]～[S3]+6用來存放控制參數(shù)的值，運算結(jié)果MV存放在[D]中。源操作數(shù)[S3]占用從[S3]開始的25個數(shù)據(jù)寄存器。

PID指令是用來調(diào)用PID運算程序的，在PID運算開始之前，應(yīng)使用MOV指令將參數(shù)(見表6.5)設(shè)定值預(yù)先寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中。如果使用有斷電保持功能的數(shù)據(jù)寄存器，不需要重復(fù)寫入。如果目標(biāo)操作數(shù)[D]有斷電保持功能，則應(yīng)使用初始化脈沖M8002的常開觸點將其復(fù)位。圖6.10PID指令

PID指令可以同時多次使用，但是用于運算的[S3]、[D]的數(shù)據(jù)寄存器的元件號不能重復(fù)。PID指令可以在定時中斷、子程序、步進指令和轉(zhuǎn)移指令內(nèi)使用，此時應(yīng)將[S3]+7清零(采用脈沖執(zhí)行的MOV指令)之后才能使用。控制參數(shù)的設(shè)定和PID運算中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，“運算錯誤”標(biāo)志M8067為ON，錯誤代碼存放在D8067中。PID指令采用增量式PID算法，控制算法中還綜合使用了反饋量一階慣性數(shù)字濾波、不完全微分和反饋量微分等措施，使該指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。PID控制是根據(jù)“動作方向”([S3]+1)的設(shè)定內(nèi)容，進行正作用或反作用的PID運算。PID運算公式如下：式中：ΔMV是本次和上一次采樣時PID輸出量的差值；MVn是本次的PID輸出量；EVn和EVn-1分別是本次和上一次采樣時的誤差；SV為設(shè)定值；PVn是本次采樣的反饋值；PVnf、PVnf-1和PVnf-2分別是本次、前一次和前兩次濾波后的反饋值；L是慣性數(shù)字濾波的系數(shù)；Dn和Dn-1分別是本次和上一次采樣時的微分部分；KP是比例增益；TS是采樣周期；TI和TD分別是積分時間和微分時間；αD是不完全微分的濾波時間常數(shù)與微分時間TD的比值。表6.5PID控制參數(shù)及設(shè)定續(xù)表

4)?PID參數(shù)的整定

PID控制器有4個主要的參數(shù)KP、TS、TI和TD需整定，無論哪一個參數(shù)選擇得不合適，都會影響控制效果。在整定參數(shù)時應(yīng)把握住PID參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能之間的關(guān)系。在P(比例)、I(積分)、D(微分)這三種控制作用中，比例部分與誤差信號在時間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點。比例系數(shù)KP越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。但是對于大多數(shù)系統(tǒng)，KP過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，積分部分便不再變化。因此，積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動作緩慢，可能給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時間常數(shù)TI增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能(穩(wěn)定性)可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分部分根據(jù)誤差變化的速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，較比例調(diào)節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預(yù)測的特點。微分時間系數(shù)TD增大時，超調(diào)量減小，動態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。選取采樣周期TS