PLC應(yīng)用技術(shù) 課件 項目十 恒液位PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

恒液位控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)恒液位控制系統(tǒng)01任務(wù)要求02任務(wù)目標(biāo)03知識準(zhǔn)備04任務(wù)實(shí)施05任務(wù)評價06知識拓展CONTENTS項目內(nèi)容07思考與練習(xí)08實(shí)踐中常見問題解析在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多像蒸餾塔這樣大規(guī)模連續(xù)過程，溫度、壓力、流量和液位這四種是常見的過程變量。由于在控制過程中存在進(jìn)料量和出料量的變化，從而導(dǎo)致液位波動。因此，高精度地進(jìn)行液位控制是非常重要的一個課題。01任務(wù)要求1.掌握常用傳感器的基本工作原理及接線方法；2.掌握遞增、遞減等指令的使用方法；3.能完成電氣接線、編寫PLC程序并調(diào)試。02任務(wù)目標(biāo)

在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、速度、旋轉(zhuǎn)速度、pH值、粘度等。這些物理量都是連續(xù)量，而且是非電量。為了實(shí)現(xiàn)自動控制，這些模擬信號都需要被PLC來處理，這就需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊來對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

PLC的模擬量輸入一般包括信號為直流電壓信號DC0～10V、直流電流信號4～20mA兩種，對于不同的輸入，可以通過撥碼開關(guān)、參數(shù)設(shè)定或者接線方式的不同來進(jìn)行區(qū)分。

如圖所示為一個典型的模擬量處理過程，壓力傳感器檢測的壓力值為模擬量，經(jīng)過變送器將其變?yōu)橹绷麟妷盒盘朌C0～10V然后通過A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閿?shù)字量，將此數(shù)字量用于PLC的運(yùn)算。03知識準(zhǔn)備

一、PLC的模擬量控制簡介03知識準(zhǔn)備

圖10-4為EMAE04模擬量輸入模塊的接線示意圖，該模擬量模塊共有4個模擬量輸入端口，每兩個為一組，可以選擇電壓輸入或電流輸入，其測量范圍為±10V、±5V、±2.5V或0到20mA，其滿量程范圍為-27,648到27,648。該模塊可以連接電流變送器送來的電流信號，有兩種接法，分別對應(yīng)2線制傳感器和4線制傳感器，如圖10-5所示。該模塊的電壓測量范圍及數(shù)字量對照見表10-1、電流測量范圍及數(shù)字量對照見表10-2。03知識準(zhǔn)備

二、模擬量輸入模塊EMAE04的使用方法03知識準(zhǔn)備

圖10-4EMAE04模擬量輸入模塊的接線示意圖圖10-5EMAE04模擬量輸入模塊連接傳感器電流變送器示意圖

圖10-4為EMAE04模擬量輸入模塊的接線示意圖，該模擬量模塊共有4個模擬量輸入端口，每兩個為一組，可以選擇電壓輸入或電流輸入，其測量范圍為±10V、±5V、±2.5V或0到20mA，其滿量程范圍為-27,648到27,648。該模塊可以連接電流變送器送來的電流信號，有兩種接法，分別對應(yīng)2線制傳感器和4線制傳感器，如圖10-5所示。03知識準(zhǔn)備

3.模擬量輸出模塊EMAQ02的使用方法

圖為EMAQ02模擬量輸出模塊的接線示意圖，該模擬量模塊共有2個模擬量輸出端口，可以選擇電壓輸出或電流輸出，其輸出范圍為±10V或0到20mA，其滿量程范圍為-27,648到27,648。03知識準(zhǔn)備

4.PID控制的基本工作過程03知識準(zhǔn)備

4.PID控制的基本工作過程03知識準(zhǔn)備

比例：來控制當(dāng)前，誤差值和一個負(fù)常數(shù)Р(表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是10°C，它的預(yù)定值是20°C。那么它在10°C的時候會輸出100%，在15°C的時候會輸出50%，在19°C的時候輸出10%，注意在誤差是0的時候，控制器的輸出也是0。4.PID控制的基本工作過程03知識準(zhǔn)備

積分：來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。I從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預(yù)定值的附近來回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會總是減少。所以，最終這個PID回路系統(tǒng)會在預(yù)定值定下來。4.PID控制的基本工作過程03知識準(zhǔn)備

微分：來控制將來，計算誤差的一階導(dǎo)，并和一個負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。這個導(dǎo)數(shù)的控制會對系統(tǒng)的改變作出反應(yīng)。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。這個D參數(shù)也是PID被稱為可預(yù)測的控制器的原因。D參數(shù)對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實(shí)際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要D參數(shù)。用更專業(yè)的話來講，一個PID控制器可以被稱作一個在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點(diǎn)在計算它是否會最終達(dá)到穩(wěn)定結(jié)果時很有用。如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。1.任務(wù)分析

在本項目中，閥門控制器采用調(diào)節(jié)閥控制，其外觀如圖10-9（a）所示，該調(diào)節(jié)閥能夠接收DC0—10V信號來進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，其中10V代表100%開度，0V表示0%開度。PLC經(jīng)過計算后，通過D/A轉(zhuǎn)換模塊將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為DC0—10V的電壓信號，用于調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)。04任務(wù)實(shí)施

（a）調(diào)節(jié)閥

（b）西門子EM231模擬量模塊

本項目中使用液位傳感器來檢測容器中的實(shí)時液位，并通過變送器將其轉(zhuǎn)換為DC0-10V的電壓量。PLC通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將此電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量用于程序的運(yùn)算，利用液位傳感器的變送器，將0~1000mm的液位值轉(zhuǎn)換為0~10V的電壓信號，送到擴(kuò)展模塊EMAE04的模擬量輸入通道1，擴(kuò)展模塊EMAE04將模擬量輸入0~10V電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，電壓信號與數(shù)字量值呈線性關(guān)系，對應(yīng)數(shù)值范圍為0~27648，傳送到S7-200SMARTCPU中。04任務(wù)實(shí)施

（a）液位傳感器（b）數(shù)字量與液位變送器電壓值的關(guān)系2.準(zhǔn)備元器件04任務(wù)實(shí)施

序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1可編程控制器200SMARTSR301只2模擬量輸入模塊EMAE041只3模擬量輸出模塊EMAQ021只4開關(guān)電源輸入AC220V，輸出DC24V1只5空氣開關(guān)DZ47-C32/2P1只6熔斷器RT18-32/201只7調(diào)節(jié)閥DN20（控制信號DC0-10V）1只8液位傳感器SIN-MP-C1只9網(wǎng)孔板通用1塊10電工工具

1套11端子排TD20/153.電氣原理圖04任務(wù)實(shí)施

4.電氣線路的安裝與測量04任務(wù)實(shí)施

（1）安裝元器件的技術(shù)規(guī)范1).安裝前必須檢查元器件有無損壞。2).安裝要橫平豎直，各器件留有一定的間距。3).不同電壓等級的器件要分開安裝。4).PLC要原理干擾源。5).元器件的安裝要牢固可靠。

4.電氣線路的安裝與測量04任務(wù)實(shí)施

（2）電氣線路安裝的要求1）.布線橫平豎直、不凌亂、不架空，導(dǎo)線連接可靠、不松動；2）.導(dǎo)線顏色、線徑使用正確；3）.導(dǎo)線兩端均使用冷壓插針、不傷線芯、不破皮、不露銅；4）.連接的導(dǎo)線套有寫有編號的號碼管；5）.導(dǎo)線正確進(jìn)線槽，線槽外過長的要使用纏繞管；6）.接地可靠、完整。

（3）測量電路測量電路正確性的目的是為通電調(diào)試做好準(zhǔn)備，排除接線可能出現(xiàn)的錯誤，杜絕安全事故的發(fā)生。應(yīng)測量的部位：電源部分、終端電路部分、輸入電路部分、輸出電路部分。5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

配置硬件組態(tài)及模擬量模塊通道設(shè)置

圖10-12系統(tǒng)塊配置5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（1）在系統(tǒng)塊的“CPU”中更改CPU型號為“CPUST30（DC/DC/DC）”,“EM0”中添加擴(kuò)展模塊“EMAE04（4AI）”，“EM1”中添加擴(kuò)展模塊“EMAQ02（2AQ）”。

圖10-13配置EMAE04模塊5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（2）鼠標(biāo)點(diǎn)擊“EM0”的“EMAE04（4AI）”，彈出對話框如圖10-13所示，勾選“用戶電源”啟用報警。然后鼠標(biāo)點(diǎn)擊左側(cè)“模擬量輸入”的“通道0”對此通道進(jìn)行參數(shù)配置，配置的參數(shù)如圖10-14所示：通道類型選擇為“電壓”、范圍選擇為“+/-10V”、抑制選擇為“50Hz”、濾波選擇為“弱（4個周期）”、勾選“超出上限”和“超出下限”報警。圖10-14模擬量輸入通道0設(shè)置圖10-15模擬量輸出通道0設(shè)置5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（3）鼠標(biāo)點(diǎn)擊“EM1”的“EMAQ02（2AQ）”，同樣勾選“用戶電源”啟用報警。然后鼠標(biāo)點(diǎn)擊左側(cè)“模擬量輸出”的“通道0”對此通道進(jìn)行參數(shù)配置，配置的參數(shù)如圖10-15所示：通道類型選擇為“電壓”、范圍選擇為“+/-10V”、取消勾選“將輸出凍結(jié)在最后一個狀態(tài)”、勾選“超出上限”、“超出下限”和“短路”報警。設(shè)置結(jié)束之后鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確定”按鈕完成配置。5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

2.配置PID向?qū)В?）在菜單欄“工具”向?qū)е?，點(diǎn)擊“PID”向?qū)В趯υ捒蛑泄催x“回路0（Loop0）”，如圖10-16所示

圖10-16配置PID向?qū)?.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（2）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“參數(shù)”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-17所示。其中“增益”為比例作業(yè)、“積分時間”為積分作用、“微分時間”為微分作用、“采樣時間”是PID控制器對反饋采樣以及對重新計算輸出值的時間間隔，此時我們先均采用默認(rèn)值，后面在調(diào)試的過程中自整定。

圖10-17配置參數(shù)5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（3）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“輸入”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-18所示。在這個地方指定回路過程變量的標(biāo)定方式，根據(jù)外界模擬量輸入的情況可以將其選擇為“單極”。在“標(biāo)定”選項中設(shè)置過程變量為“0~27648”，由于我們液位傳感器的檢測范圍是0~1000mm，回路設(shè)置值可設(shè)置為“0~1000”，這樣計算過程中就可以認(rèn)定其為工程量了。

圖10-18配置輸入5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（4）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“輸出”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-19所示。在這個地方指定回路輸出的標(biāo)定方式，根據(jù)外界模擬量輸出的情況可以將其選擇為“單極”。范圍設(shè)置為“0~27648”。

圖10-19配置輸出5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（5）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“報警”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-20所示。勾選“啟動下限報警”、“啟動上限報警”和“啟用模擬量輸入錯誤”報警，報警值使用默認(rèn)。

圖10-20配置報警5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（6）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“代碼”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-21所示。勾選“添加PID的手動控制”，這樣如果處于手動控制時就不執(zhí)行PID運(yùn)算，回路的輸出由程序控制。

圖10-21配置子程序5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（7）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“存儲器分配”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-22所示。PID向?qū)榱送瓿蒔ID運(yùn)算需要120個字節(jié)的位存儲器，我們在編寫其他控制程序的時候一定要注意不再使用這些存儲器。

圖10-22配置存儲器分配5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（8）鼠標(biāo)單擊左側(cè)Loop0中的“組件”節(jié)點(diǎn)，向?qū)υ捒蜃優(yōu)槿鐖D10-23所示。向?qū)Я谐隽薖ID項目自動生成的組件。包括一個用于初始化PID的子程序、一個用于循環(huán)執(zhí)行PID功能的中斷程序、一個120個字節(jié)的數(shù)據(jù)頁以及一個符號表。然后鼠標(biāo)點(diǎn)擊“生成”按鈕，完成此PID的向?qū)гO(shè)置。

圖10-23該P(yáng)ID自動生成的組件5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（9）生成PID組件后，可以在項目樹中展開“程序塊”下的“向?qū)А蔽募A中查看生成的PID初始化子程序“PID0_CTRL(SBR1)”及PID運(yùn)行中斷程序“PID_EXE(INT1)”，可以雙擊打開程序說明。注意：這兩個程序是加密的，無法查看程序內(nèi)容，僅可查看程序說明；中斷程序占用了“定時中斷0”，編程的時候不能重復(fù)使用。在符號表中單擊“PID0_SYM”選項卡可以查看PID的相關(guān)符號及地址信息，用于編程時參考。圖10-24查看PID的初始化子程序和運(yùn)行中斷程序5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

圖10-25查看PID的符號表5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

3.調(diào)用PID生成的子程序編程（1）在項目樹中展開“指令”下的“調(diào)用子例程”文件夾（圖10-26（a）），拖拽“PID0_CTRL(SBR1)”到main程序中，如圖10-26（b）所示。

圖10-26（a）調(diào)用子例程

（b）子程序添加到main程序中5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

（2）子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引腳定義可以參考其變量表（如圖10-27所示）。

圖10-27子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的變量表5.PLC程序解析04任務(wù)實(shí)施

子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引腳6.調(diào)試程序04任務(wù)實(shí)施

1.下載測試（1）將經(jīng)過編譯的程序下載到PLC中，并將PLC的模式置為“RUN”。（2）將PID程序中用到的符號添加到狀態(tài)圖表中，并切換尋址顯示的模式及數(shù)據(jù)顯示格式，然后將狀態(tài)圖表切換為開始監(jiān)控，如圖10-29所示。此時將M0.0置為ON，自動經(jīng)過運(yùn)算后向PID輸出，液位隨之發(fā)生變化。（3）此時可以在狀態(tài)圖表中修改PID的控制參數(shù)，觀察被控對象的變化狀態(tài)。也可以通過觸摸屏+程序的方式來調(diào)整PID的參數(shù)。更方便的是我們可以使用編程軟件中的PID控制面板來自整定控制參數(shù)。6.調(diào)試程序04任務(wù)實(shí)施

狀態(tài)圖表6.調(diào)試程序04任務(wù)實(shí)施

2.使用PID控制面板自整定控制參數(shù)（1）在工具菜單欄中點(diǎn)擊“PID控制面板”按鈕（如圖10-30所示），彈出對話框后，點(diǎn)擊左側(cè)“Loop0（Loop0）”節(jié)點(diǎn)后，變化為PID自整定的控制面板，其各個部分的作用如圖10-31所示。

圖10-30打開PID控制面板6.調(diào)試程序04任務(wù)實(shí)施

PID自整定面板6.調(diào)試程序04任務(wù)實(shí)施

圖中：A：過程變量和設(shè)定值的取值范圍及刻度。B：PID輸出的取值范圍及刻度。C：當(dāng)前的時間。D：以不同顏色表示的設(shè)定值、過程變量及輸出的趨勢圖。1.檢查內(nèi)容05任務(wù)評價

1)檢查選擇的元器件是否齊全，熟悉各元器件功能及作用。2)熟悉電氣控制原理圖，并列出PLC的I/O表。3)檢查電氣線路安裝是否合理及運(yùn)行情況。06知識拓展1.漏水的水缸加水故事

小明接到這樣一個任務(wù):有一個水缸有點(diǎn)漏水(而且漏水的速度還不一定固定不變)，要求水面高度維持在某個位置，一旦發(fā)現(xiàn)水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。小明接到任務(wù)后就一直守在水缸旁邊，時間長就覺得無聊，就跑到房里看小說了，每30分鐘來檢查一次水面高度。但是有時候水漏得太快，每次小明來檢查時,水都快漏完了，離要求的高度相差很遠(yuǎn)，小明改為每3分鐘來檢查一次，結(jié)果每次來水都沒怎么漏，不需要加水，來得太頻繁做的是無用功。幾次試驗(yàn)后，確定每10分鐘來檢查一次。這個檢查時間就稱為采樣周期。06知識拓展1.漏水的水缸加水故事一開始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數(shù)少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕了幾次鞋，小明又動腦筋,不用瓢也不用桶改為用盆，幾次下來，發(fā)現(xiàn)剛剛好，不用跑太多次，也不會讓水溢出。這個加水工具的大小就稱為比例系數(shù)。小明又發(fā)現(xiàn)水雖然不會加過量溢出了，有時會高過要求位置比較多，還是有打濕鞋的危險。他又想了個辦法，在水缸上裝一個漏斗,每次加水不直接倒進(jìn)水缸，而是倒進(jìn)漏斗讓它慢慢加。這樣溢出的問題解決了,但加水的速度又慢了，有時還趕不上漏水的速度。于是他試著變換不同大小口徑的漏斗來控制加水的速度，最后終于找到了滿意的漏斗。漏斗的時間就稱為積分時間。06知識拓展1.漏水的水缸加水故事

小明終于喘了一口氣，但任務(wù)的要求突然嚴(yán)了,水位控制的及時性要求大大提高，一旦水位過低，必須立即將水加到要求位置，而且不能高出太多，否則不給工錢。小明又為難了!于是他又開努腦筋，終于讓它想到一-個辦法，常放一盆備用水在旁邊，一發(fā)現(xiàn)水位低了，不經(jīng)過漏斗就是一盆水下去，這樣及時性是保證了，但水位有時會高多了。他又在要求水面位置上面一點(diǎn)將水缸鑿了一個孔，再接一根管子到下面的備用桶里這樣多出的水會從上面的孔里漏出來。這個水漏出的快慢就稱為微分時間。06知識拓展2.PID控制器參數(shù)整定的一般方法

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類:一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改;二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且肪法簡單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。06知識拓展2.PID控制器參數(shù)整定的一般方法三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。