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1、第6章s7-200plc在模拟量闭环控制中的应用赖指南 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 在在模模拟拟量量闭闭环环控控制制系系统统中中，被被控控量量C(t)(C(t)(例例如如压压力力、温温度度、流流量量、转转速速等等)是是连连续续变变化化的的模模拟拟量量，大大多多数数执执行行机机构构（例例如如晶晶闸闸管管调调速速装装置置、电电动动调调节节阀阀和和变变频频器器等等）要要求求PLCPLC输输出出模模拟拟信信号号MV(t),MV(t),而而PLCPLC的
2、的CPUCPU只只能能处处理理数数字字量量。C(t)C(t)首首先先被被测测量量元元件件（传传感感器器）和和变变送送器器转转换换为为标标准准的的直直流流电电流流信信号号或或直直流流电电压压信信号号PV(t),PV(t),例例如如4 420m 20m A A,1,1，用，用A/DA/D转换器将它们转换为数字量转换器将它们转换为数字量PV(n).PV(n).模模拟拟量量与与数数字字量量之之间间的的相相互互转转换换和和PIDPID程程序序的的执执行行都都是是周周期期性性的的操操作作，其其间间隔隔时时间间称称为为采采样样周周期期T TS S。各各数数字字量量括括号号中中的的n n表表示示该该变变量量是
3、第是第n n次采样计算时的数字量。次采样计算时的数字量。图图6-16-1中中的的SP(n)SP(n)是是给给定定值值，PV(n)PV(n)为为A/DA/D转转换换后后的的反反馈馈量量，误误差差Ev(n)=SP(n)-PV(n)Ev(n)=SP(n)-PV(n)。D/AD/A转转换换器器将将PIDPID控控制制器器输输出出的的数数字字量量M M(n)(n)转转换换为为模模拟拟量量（直直流流电压或直流电流）电压或直流电流）MV(t),MV(t),再去控制执行机构。再去控制执行机构。例例如如在在加加热热炉炉温温度度闭闭环环控控制制系系统统中中，用用热热电电偶偶检检测测炉炉温温，温温度度变变送送器器将
4、将热热电电偶偶输输出出的的微微弱弱的的电电压压信信号号转转换换为为标标准准量量程程的的电电流流或或电电压压，然然后后送送给给模模拟拟量量输输入入模模块块，经经A/DA/D转转换换后后得得到到与与温温度度成成比比例例的的数数字字量量，CPUCPU将将它它与与温温度度设设定定值值比比较较，并并按按某某种种控控制制规规律律（例例如如PIDPID控控制制算算法法）对对误误差差值值进进行行运运算算，将将运运算算结结果果（数数字字量量）送送给给模模拟拟量量输输出出模模块块，经经D/AD/A转转换换后后变变为为电电流流信信号号或或电电压压信信号号，用用来来控控制制电电动动调调节节阀阀的的开开度度，通通过过它
5、它控控制制加加热热用用的的天天然然气气的的流流量量，实实现现对对温温度度的的闭闭环环控控制制。C(t)C(t)为为系统的输出量，即被控量，例如加热炉中的温度。系统的输出量，即被控量，例如加热炉中的温度。模模拟拟量量控控制制系系统统分分为为恒恒值值控控制制系系统统和和随随动动系系统统。恒恒值值控控制制系系统统的的给给定定值值由由操操作作人人员员提提供供，一一般般很很少少变变化化，例例如如温温度度控控制制系系统统，转转速速控控制制系系统统等等。随随动动系系统统的的输输入入量量是是不不断断变变化化的的随随机机变变量量，例例如如高高射射炮炮的的瞄瞄准准控控制制系系统统和和电电动动调调节节阀阀的的开开度
6、度控控制制系系统统就就是是典典型型的的随随动动系系统统。闭闭环环负负反反馈馈控控制制可可以以使使控控制制系系统统的的反反馈馈量量P PV V(n n)等等于于或或跟跟随随给给定定值值S SP P(n n)。以以炉炉温温控控制制系系统统为为例例，假假设设输输出出的的温温度度值值C C(t t)低低于于给给定定的的温温度度值值，反反馈馈量量PV(n)PV(n)小小于于给给定定值值SP(n)SP(n)，误误差差EV(n)EV(n)为为正正，控控制制器器的的输输出出量量MV(t)MV(t)将将增增大大，使使执执行行机机构构（电电动动调调节节阀阀）的的开开度度增增大大，进进入入加加热热炉炉的的天天然然气
7、气流流量量增增加加，加加热热炉炉的的温温度度升升高高，最最终终使使实实际际温温度度接接近近或或等于给定值。等于给定值。天天然然气气压压力力的的波波动动、工工件件进进入入加加热热炉炉，这这些些因因素素称称为为扰扰动动量量，它它们们会会破破坏坏炉炉温温的的稳稳定定。闭闭环环控控制制可可以以有有效效地地抑抑制制闭闭环环中中各各种种扰扰动动的的影影响，使被控量趋近于给定值。响，使被控量趋近于给定值。闭闭环环控控制制系系统统的的结结构构简简单单，容容易易实实现现自自动动控控制制，因因此此在在各各个个领领域域得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。*2.2.复杂的控制系统的结构复杂的控制系统的结构 级级联联控
8、控制制。级级联联控控制制又又称称串串级级控控制制，两两个个控控制制器器串串行行连连接接，第第一一个个控控制制器器（主主控控制制器器）的的输输出出SP2SP2是是伺伺服服控控制制器器的的设设定定值值（见见图图6-6-2 2）。）。级级联联控控制制的的控控制制性性能能可可以以用用附附加加的的过过程程变变量量来来改改进进。为为此此在在系系统统中中适适当当的的地地方方引引出出辅辅助助过过程程变变量量PV2PV2，将将它它与与主主控控制制器器的的输输出出SP2SP2比比较较，得到的误差值作为伺服控制器的输入量。得到的误差值作为伺服控制器的输入量。主主控控制制器器的的给给定定值值为为SP1SP1，反反馈馈
9、值值为为PV1PV1，它它调调整整SP2SP2，以以便便尽尽可可能快地使过程变量能快地使过程变量PV1PV1在没有超调的情况下达到设定值。在没有超调的情况下达到设定值。以以电电动动调调节节阀阀为为执执行行机机构构的的控控制制系系统统就就是是一一个个级级联联控控制制系系统统。电电动动调调节节阀阀有有一一个个位位置置随随动动系系统统，图图6-26-2中中的的PV2PV2是是阀阀门门的的开开度度，即即阀阀芯芯的的位位置置。通通过过辅辅助助回回路路的的调调节节作作用用，阀阀门门的的开开度度与与主主控控制制器器的的输输出出量量SP2SP2成正比。成正比。混合控制器混合控制器 合合控控制制器器总总的的设设
10、定定值值SPSP按按一一定定的的比比例例分分配配给给各各控控制制组组件件，各各混混合系数之和应为合系数之和应为1 1，例如图，例如图6-36-3中的中的FAC1+FAC4=1FAC1+FAC4=1。单闭环比例控制器单闭环比例控制器 对对于于某某些些控控制制系系统统来来说说，控控制制两两个个过过程程变变量量之之间间的的比比例例比比控控制制它它们们的的绝绝对对数数值值更更重重要要，例例如如控控制制两两台台需需要要同同步步的的设设备备的的速速度度，可可以以使使用图用图10-410-4中的单闭环比例控制器。中的单闭环比例控制器。多闭环比例控制器多闭环比例控制器 多多闭闭环环比比例例控控制制使使两两个个
11、过过程程变变量量PV1PV1和和PV2PV2之之比比保保持持为为常常数数。为为此此用用第第一一个个控控制制闭闭环环的的过过程程量量PV1PV1来来计计算算第第2 2个个控控制制闭闭环环的的设设定定值值。在在过过程程变变量量PV1PV1动动态态变变化化的的过过程程中中也也能能保保证证PV1PV1与与PV2PV2之之间间保保持持设设定定的的比比例例。如如图图10-510-5所示。所示。二级控制器二级控制器 二二级级控控制制器器（Two-Step Two-Step ControllerController）只只能能提提供供开开关关量量的的两两个个相相反反的的输输出出状状态态，例例如如开开关关的的接接
12、通通和和断断开开。典典型型控控制制为为通通过过继继电电器器电电器器输输出的脉冲宽度调制信号对加热系统的控制。出的脉冲宽度调制信号对加热系统的控制。三级控制器三级控制器 三三级级控控制制器器只只能能提提供供开开关关量量的的3 3个个输输出出状状态态。应应区区分分脉脉冲冲宽宽度度调调制制（例例如如加加热热和和冷冷却却，加加热热-关关机机-冷冷却却）和和使使用用积积分分式式执执行行机机构构的的步步进进控制（例如右控制（例如右-停止停止-左）之间的区别。左）之间的区别。6.1.2 6.1.2 闭环控制的主要性能指标闭环控制的主要性能指标 给给定定输输入入信信号号或或扰扰动动输输入入信信号号发发生生变变
13、化化时时，会会引引起起输输出出量量发发生生变变化化，系系统统的的输输出出量量达达到到稳稳态态值值之之前前的的变变化化过过程程称称为为过过渡渡过过程程或或动动态态过过程程。系系统统的的动动态态性性能能常常用用阶阶跃跃响响应应（阶阶跃跃输输入入时时输输出出量量的的变变化化）的的参参数来描述。阶跃输入信号在数来描述。阶跃输入信号在t t=0=0之前为之前为0 0，t t0 0时为某一恒定值。时为某一恒定值。输输出出量量第第一一次次达达到到稳稳态态值值的的时时间间t tr r称称为为上上升升时时间间，上上升升时时间间反反映映了系统在响应初期的快速性。了系统在响应初期的快速性。系系统统进进入入并并停停留
14、留在在稳稳态态值值c(c()上上下下5%5%（或或2%2%）的的误误差差带带内内的的时时间间t tS S称为调节时间，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。称为调节时间，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。设设动动态态过过程程中中输输出出量量的的最最大大值值为为cmaxcmax（t t）,稳稳态态值值为为c(c()，则则超超调量为调量为 超超调调量量反反映映了了系系统统的的相相对对稳稳定定性性，它它越越小小动动态态稳稳定定性性越越好好，一一般般希望超调量小于希望超调量小于10%10%。系系统统的的稳稳态态误误差差是是进进入入稳稳态态后后的的期期望望值值与与实实际际值值之之差差，它它反反映映了了系
15、统的稳态精度。系统的稳态精度。6.1.3 6.1.3 闭环控制反馈极性的确定闭环控制反馈极性的确定 闭闭环环控控制制必必须须保保证证系系统统是是负负反反馈馈（误误差差=给给定定值值-反反馈馈值值），而而不不是是正正反反馈馈（误误差差=给给定定值值+反反馈馈值值）。如如果果系系统统接接成成了了正正反反馈馈，将将会会失失控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来极大的威胁。控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来极大的威胁。闭闭环环控控制制系系统统的的反反馈馈极极性性与与很很多多因因素素有有关关，例例如如因因为为接接线线改改变变了了变变送送器器输输出出电电流流或或输输出出电电压压
16、的的极极性性，在在PIDPID控控制制程程序序中中改改变变了了误误差差的的计计算算公公式式，改改变变了了某某些些直直线线位位移移传传感感器器或或转转角角位位移移传传感感器器的的安安装装方方向向，都会改变反馈的极性。都会改变反馈的极性。可可以以用用下下述述的的方方法法来来判判断断反反馈馈的的极极性性：在在调调试试时时断断开开D/AD/A转转换换器器与与执执行行机机构构之之间间的的连连线线，在在开开环环状状态态下下运运行行PIDPID控控制制程程序序。如如果果控控制制器器中中有有积积分分环环节节，因因为为反反馈馈被被断断开开了了，不不能能消消除除误误差差，这这时时D/AD/A转转换换器器的的输输出
17、出电电压压会会向向一一个个方方向向变变化化。这这时时如如果果接接上上执执行行机机构构，形形成成闭闭环环，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。以以温温度度控控制制系系统统为为例例，假假设设开开环环运运行行时时给给定定值值大大于于反反馈馈值值，若若D/AD/A转转换换器器的的输输出出值值不不断断增增大大，如如果果形形成成闭闭环环，将将使使电电动动调调节节阀阀的的开开度度增增大大，闭闭环环后后温温度度反反馈馈值值将将会会增增大大，使使误误差差减减小小，由由此此可可以以判判定定系系统统是是负反馈。负反馈。6.1.4 6.1.4 变送器的选择变送器的选择 变变送送
18、器器用用于于将将传传感感器器提提供供的的电电量量或或非非电电量量转转换换为为标标准准的的直直流流电电流流或或直直流流电电压压信信号号，例例如如DC0DC010V10V和和4 420mA20mA。变变送送器器分分为为电电流流输输出出型型和和电电压压输输出出型型，电电压压输输出出型型变变送送器器具具有有恒恒压压源源的的性性质质，PLCPLC模模拟拟量量输输入入模模块块的的电电压压输输入入端端的的输输入入阻阻抗抗很很高高，例例如如100k100k10M10M。如如果果变变送送器器距距离离PLCPLC较较远远，通通过过线线路路间间的的分分布布电电容容和和分分布布电电感感产产生生的的干干扰扰信信号号电电
19、流流在在模模块块的的输输入入阻阻抗抗上上将将产产生生较较高高的的干干扰扰电电压压。例例如如1A1A干干扰扰电电流流在在10 10 MM输输入入阻阻抗抗上上将将产产生生10V10V的的干干扰扰电电压压信信号号，所所以以远远程程传传送送模模拟量电压信号时抗干扰能力很差。拟量电压信号时抗干扰能力很差。电电流流输输出出具具有有恒恒流流源源的的性性质质，恒恒流流源源的的内内阻阻很很大大。PLCPLC的的模模拟拟量量输输入入模模块块输输入入电电流流时时，输输入入阻阻抗抗较较低低（例例如如250250）。线线路路上上的的干干扰扰信信号号在在模模块块的的输输入入阻阻抗抗上上产产生生的的干干扰扰电电压压很很低低
20、，所所以以模模拟拟量量电电流流信信号号适适于远程传送。于远程传送。电电流流传传送送比比电电压压传传送送的的传传送送距距离离远远得得多多，S7-200S7-200的的模模拟拟量量输输入入模模块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为200m200m。变变送送器器分分为为二二线线式式和和三三线线式式，三三线线式式变变送送器器有有3 3根根线线：电电源源线线、信信号号线线和和公公共共线线。二二线线式式变变送送器器只只有有两两根根外外部部接接线线，如如图图6 6-6 6所所示示。它它们们既既是是电电源源线线，也也是是信信号号线线，输输出出4 42 20 0 m mA
21、A的的信信号号电电流流，D DC C2 24 4V V电电源源串串接接在在回回路路中中。通通过过调调试试，在在被被检检测测信信号号满满量量程程时时输输出出电电流流为为2 20 0mAmA。二线式变送器的接线少，。二线式变送器的接线少，信号可以远传，在工业中得到信号可以远传，在工业中得到了广泛的应用。了广泛的应用。6.1.5 PLC6.1.5 PLC的模拟量输入接口的模拟量输入接口 它它的的作作用用是是把把现现场场连连续续变变化化的的模模拟拟量量标标准准信信号号转转换换成成适适合合可可编编程程序序控控制制器器内内部部处处理理的的由由若若干干位位二二进进制制数数字字表表示示的的信信号号。模模拟拟量
22、量输输入入接接口口接接受受标标准准模模拟拟信信号号，无无论论是是电电压压信信号号还还是是电电流流信信号号均均可可。这这里里标标准准信信号号是是指指符符合合国国际际标标准准的的通通用用交交互互用用电电压压电电流流信信号号值值，如如 4 4 2 20 0m mA A 的的直直流流电电流流信信号号，1 1 1 10 0V V 的的直直流流电电压压信信号号等等。工工业业现现场场中中模模拟拟量量信信号号的的变变化化范范围围一一般般是是不不标标准准的的，在在送送入入模模拟拟量量接接口口时时都都需需经经变变送送处处理理才才能能使使用用。图图6-76-7是是模模拟拟量输入接口的内部电路框图。量输入接口的内部电
23、路框图。模模拟拟量量信信号号输输入入后后一一般般经经运运算算放放大大器器放放大大后后进进行行 A/D A/D 转转换换，再再经经光光电电耦耦合合后后为为可可编编程程控控制制器器提提供供一一定定位数的数字量信号。位数的数字量信号。6.1.6 PLC6.1.6 PLC的模拟量输出接口的模拟量输出接口 它它的的作作用用是是将将可可编编程程控控制制器器运运算算处处理理后后的的若若干干位位数数字字量量信信号号转转换换为为响响应应的的模模拟拟量量信信号号输输出出，以以满满足足生生产产过过程程现现场场连连续续控控制制信信号号的的需需求求。模模拟拟量量输输出出接接口口一一般般由由光光电电隔隔离离、D/A D/
24、A 转转换换和和信信号号驱驱动动等等环环节节组成。其原理框图如图组成。其原理框图如图6-86-8所示所示 。6.2 S7-200PLC6.2 S7-200PLC的模拟量扩展模块的模拟量扩展模块6.2.1 6.2.1 模拟量扩展模块的功能模拟量扩展模块的功能 模模拟拟量量扩扩展展模模块块为为PLCPLC主主机机提提供供了了模模拟拟量量输输入入/输输出出的的功功能能，具具有有以下特点：以下特点：(1)(1)最佳适应性，可适用于复杂的控制场合。最佳适应性，可适用于复杂的控制场合。(2)(2)直直接接与与传传感感器器和和执执行行器器相相连连，12 12 位位的的分分辨辨率率和和多多种种输输入入/输输出
25、出范范围围能能够够在在不不外外加加放放大大器器的的情情况况下下与与传传感感器器和和执执行行器器直直接接相相连连，例如例如EM231RTDEM231RTD模块可直接与模块可直接与PT100 PT100 热电阻相连热电阻相连 (3)(3)灵灵活活性性，当当实实际际应应用用变变化化时时，PLC PLC 可可以以相相应应地地进进行行扩扩展展，并并可非常容易的调整用户程序。可非常容易的调整用户程序。（4 4）扩扩展展模模块块具具有有与与基基本本单单元元相相同同的的设设计计特特点点,S7-200,S7-200（CNCN）PLC PLC 的的扩扩展展模模块块种种类类很很多多，安安装装方方式式与与CPUCPU
26、相相同同。当当需需要要的的扩扩展展模模块块较较多多时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。（5 5）安安装装方方便便，可可以以在在标标准准导导轨轨上上安安装装，模模块块卡卡装装在在紧紧挨挨CPU CPU 右右侧侧的的导导轨轨上上，通通过过总总线线连连接接电电缆缆与与CPU CPU 互互相相连连接接。也也可可以以直直接接安安装装，模模块块上上有有固固定定螺螺孔孔，也也可可以以用用螺螺钉钉将将模模块块固固定定安安装装在在柜柜板板上上，这这种种安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。6.2.2
27、 S7-200 PLC6.2.2 S7-200 PLC模拟量扩展模块的分类模拟量扩展模块的分类 1.1.常规模拟量控制模块常规模拟量控制模块 有有EM231EM231模模拟拟量量输输入入模模块块，有有EM232EM232模模拟拟量量输输出出模模块块,有有EM235EM235模模拟拟量量输输入入输输出出模模块块。适适用用于于CPU CPU 222222、CPU224CPU224、CPU CPU 224XP224XP和和CPU226CPU226系系列的列的PLCPLC。图。图6-96-9为为EM235EM235模块端子接线图。模块端子接线图。2.2.热电阻和热电偶模块热电阻和热电偶模块 RTDRT
28、D（热热电电阻阻）和和热热电电偶偶模模块块适适用用于于CPU CPU 222222、CPU224CPU224、CPU CPU 224XP224XP和和CPU226CPU226模块。模块。RTDRTD和和热热电电偶偶模模块块安安装装在在一一个个稳稳定定的的温温度度环环境境内内时时，具具有有最最佳佳的的性性能能。例例如如，EM231CTEM231CT热热电电偶偶模模块块有有专专门门的的冷冷端端补补偿偿电电路路。该该电电路路在在模模块连接器处测量温度，并对测量值作出必要的修正，以补偿基准温度块连接器处测量温度，并对测量值作出必要的修正，以补偿基准温度和和模模块块处处温温度度之之间间的的温温度度差差。
29、如如果果EM231EM231热热电电偶偶模模块块安安装装环环境境的的温温度度变变化化很很剧剧烈烈，则则会会引引起起附附加加的的误误差差。为为了了达达到到最最大大的的精精度度和和重重复复性性，热热电电阻阻扩扩展展模模块块EM231RTDEM231RTD和和热热电电偶偶模模块块EM231CTEM231CT要要安安装装在在环环境温度稳定的地方。境温度稳定的地方。使使用用屏屏蔽蔽线线是是最最好好的的噪噪声声抑抑制制方方法法。如如果果热热电电偶偶的的输输入入未未使使用用，短短接接未未使使用用的的通通道道，或或将将它它们们并并行连接到其它通道上。行连接到其它通道上。（1 1）EM231RTDEM231RT
30、D热电阻模块热电阻模块 EM231RTDEM231RTD热热电电阻阻模模块块为为S7-200S7-200连连接接各各种种型型号号的的热热电电阻阻提提供供了了方方便便的的接接口口。它它允允许许S7-200PLCS7-200PLC测测量量三三个个不不同同的的电电阻阻范范围围。连连接接到到模模块块的各个热电阻必须是相同的类型。端子接线图如图的各个热电阻必须是相同的类型。端子接线图如图6-106-10所示。所示。组组态态EM231RTDEM231RTD（热热电电阻阻）模模块块使使用用DIPDIP开开关关可可以以选选择择热热电电阻阻的的类类型型，接接线线方方式式，温温度度测测量量单单位位和和传传感感器器
31、熔熔断断方方向向。要要使使DIPDIP开开关关设设置置起作用，在设置好后，需要重新给起作用，在设置好后，需要重新给PLCPLC和和/或用户的或用户的24V24V电源上电。电源上电。（2 2）EM231EM231热电偶模块热电偶模块 为为S7-200S7-200系系列列产产品品提提供供了了连连接接7 7种种类类型型的的热热电电偶偶的的使使用用方方便便的的、带带隔隔离离的的接接口口：J J、K K、E E、N N、S S、T T和和R R。它它可可以以使使S7-200PLCS7-200PLC连连接接低低电电平平模模拟拟信信号号，测测量量范范围围为为80mV80mV。所所有有连连接接到到该该模模块块
32、的的热热电电偶偶都都必必须须是同一类型的。端子接线图如图是同一类型的。端子接线图如图6-116-11所示。所示。配配置置DIPDIP开开关关位位于于模模块块的的底底部部，可可以以选选择择热热电电偶偶模模块块的的类类型型、断断线线检检测测、温温度度范范围围和和冷冷端端补补偿偿。要要使使DIPDIP开开关关设设置置起起作作用用，在在设设置置好好后，需要给后，需要给PLCPLC和和/或用户的或用户的24V24V电源重新上电。电源重新上电。3.3.模拟量扩展模块接线安装的要求模拟量扩展模块接线安装的要求 首首先先确确保保24VDC24VDC传传感感器器电电源源无无噪噪声声、稳稳定定。其其次次传传感感器
33、器线线尽尽可可能能短短，传传感感器器线线使使用用屏屏蔽蔽的的双双绞绞线线，仅仅在在传传感感器器侧侧将将屏屏蔽蔽接接终终端端，避避免免将将导导线线弯弯成成锐锐角角，使使用用电电缆缆槽槽进进行行敷敷线线，避避免免将将信信号号线线与与高高能能量量线线平平行行布布置置，若若两两条条线线必必须须交交叉叉，应应以以直直角角度度相相交交。再再次次,未未用用通通道的输入端应短接，道的输入端应短接，通通过过隔隔离离输输入入信信号号或或输输入入信信号号参参考考于于模模拟拟量量模模块块外外部部24V24V电电源源的公共端，从而确保输入信号范围在技术规范所规定的共模电压内。的公共端，从而确保输入信号范围在技术规范所规
34、定的共模电压内。6.2.3 6.2.3 根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量输入值根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量输入值 1.1.模拟输入量的模拟值数据格式模拟输入量的模拟值数据格式 模模拟拟量量输输入入输输出出模模块块中中模模拟拟量量对对应应的的数数字字称称为为模模拟拟值值，模模拟拟值值用用1616位位二二进进制制补补码码来来表表示示。最最高高位位为为符符号号位位，正正数数的的符符号号位位为为0 0，负负数数的的符符号号位位为为1 1。对对于于单单极极性性输输入入模模拟拟量量满满量量程程对对应应的的模模拟拟值值为为0 03276732767，双极性输入模拟量满量程对应，双极性
35、输入模拟量满量程对应-32768-32768+32767+32767。2.2.应用举例应用举例 例例6-1 6-1 压压力力变变送送器器的的量量程程为为0 010MPa10MPa，输输出出信信号号为为4 420mA20mA，模模拟拟量量输输入入模模块块的的量量程程为为0 020mA20mA，转转换换后后的的数数字字量量为为0 03200032000，设设转转换换后后得得到到的的数数字为字为N N，试求以，试求以kPakPa为单位的压力值为单位的压力值P PN N。解解：由由于于模模拟拟量量输输入入模模块块的的量量程程为为0 020mA20mA，转转换换后后的的数数字字量量为为0 0320003
36、2000，因此，每，因此，每1mA1mA输入电流转换后的数字量为输入电流转换后的数字量为4mA4mA输输入入电电流流转转换换后后的的数数字字量量为为 ，由由此此可可知知，0 010MPa10MPa(0(010000kPa)10000kPa)对应于转换后的数字为对应于转换后的数字为640064003200032000，它们之间的对应，它们之间的对应因此，与转换后的数字因此，与转换后的数字N N相对应的压力相对应的压力关关系系见见图图6-126-12。由由该该图图可可列列出出压压力力P P与与转换后的数字转换后的数字N N之间的方程式之间的方程式(0.1)例例6-2 6-2 某某温温度度变变送送器
37、器的的量量程程为为 200200500500，输输出出信信号号为为4 420mA20mA，某某模模拟拟量量输输入入模模块块将将0 020mA20mA的的电电流流信信号号转转换换为为数数字字0 03200032000，对对应应关关系系见见图图6-126-12，设设转转换换后后得得到到的的数数字字为为N N，求求以以0.10.1为为单单位位的的温度值。温度值。解解：单单位位为为0.10.1的的温温度度值值 2000200050005000对对应应于于数数字字量量640064003200032000，根据比例关系（见图，根据比例关系（见图6-126-12），得出温度），得出温度T TN N的计算公式
38、为的计算公式为:6.3 6.3 数字数字PIDPID控制器控制器 PIDPID是是比比例例、微微分分、积积分分的的缩缩写写，PIDPID控控制制器器是是应应用用最最广广的的闭闭环环控控制制器器，有有人人估估计计现现在在有有9090以以上上的的闭闭环环控控制制采采用用PIDPID控控制制器器。这这是是因因为为PIDPID控制具有以下的优点：控制具有以下的优点：(1)(1)不需要被控对象的数学模型不需要被控对象的数学模型 自自动动控控制制理理论论中中的的分分析析和和设设计计方方法法基基本本上上是是建建立立在在被被控控对对象象的的线线性性定定常常数数学学模模型型的的基基础础上上的的。该该模模型型忽忽
39、略略了了实实际际系系统统中中的的非非线线性性和和时时变变的的因因素素，与与实实际际系系统统有有较较大大的的差差距距。对对于于许许多多工工业业控控制制对对象象，根根本本就就无无法法建建立立较较为为准准确确的的数数学学模模型型，因因此此自自动动控控制制理理论论中中的的设设计计方方法法对对大大多多数数实实际际系系统统是是无无能能为为力力的的。对对于于这这一一类类系系统统，使使用用PIDPID控控制可以得到比较满意的效果。制可以得到比较满意的效果。(2)(2)结构简单，容易实现结构简单，容易实现 PIDPID控控制制器器的的结结构构典典型型，程程序序设设计计简简单单，计计算算工工作作量量较较小小，各各
40、参参数数相相互互独独立立，有有明明确确的的物物理理意意义义，参参数数调调整整方方便便，容容易易实实现现多多回回路路控制、串级控制等复杂的控制。控制、串级控制等复杂的控制。(3)(3)有较强的灵活性和适应性有较强的灵活性和适应性 根根据据被被控控对对象象的的具具体体情情况况，可可以以采采用用PIDPID控控制制器器的的多多种种变变种种和和改改进进的的控控制制方方式式，例例如如PIPI、PDPD、带带死死区区的的PIDPID、积积分分分分离离式式PIDPID和和变变速速积积分分PIDPID等等，但但比比例例控控制制一一般般是是必必不不可可少少的的。随随着着智智能能控控制制技技术术的的发发展展，PI
41、DPID控控制制与与神神经经网网络络控控制制等等现现代代控控制制方方法法相相结结合合，可可以以实实现现PIDPID控控制制器器的参数自整定，使的参数自整定，使PIDPID控制器具有经久不衰的生命力。控制器具有经久不衰的生命力。(4)(4)使用方便使用方便 由由于于用用途途广广泛泛、使使用用灵灵活活，已已有有多多种种控控制制产产品品具具有有PIDPID控控制制功功能能，使使用用中中只只需需设设定定一一些些比比较较容容易易整整定定的的参参数数即即可可，有有的的产产品品还还具具有有参参数数自整定功能。自整定功能。(6-1)(6-2)式中，式中，Mn第第n n次采样时的次采样时的PIDPID回路的输出
42、值，它是时间的函数；回路的输出值，它是时间的函数；en第第n n次采样时的偏差值，次采样时的偏差值，；en-1第第n-1n-1次采样时的偏差值；次采样时的偏差值；Minitial PIDPID回路输出的初始值；回路输出的初始值；ej第第j j次采样时的偏差值；次采样时的偏差值；KI积分项的比例常数，积分项的比例常数，；KD微分项的比例常数，微分项的比例常数，；为为了了能能让让计计算算机机处处理理这这个个算算式式，连连续续算算式式必必须须离离散散化化为为下下述述周周期期性采样偏差算式：性采样偏差算式：从从式式(6-2)(6-2)知知，积积分分项项是是从从第第1 1个个采采样样周周期期到到当当前前
43、采采样样周周期期的的所所有有误误差差项项之之和和的的函函数数，微微分分项项是是当当前前采采样样周周期期与与前前一一个个采采样样周周期期的误差项之差函数，比例项仅是当前采样周期的误差项的函数。的误差项之差函数，比例项仅是当前采样周期的误差项的函数。对对于于式式(6-2)(6-2)中中的的积积分分项项来来说说，随随着着采采样样次次数数n n的的增增加加，该该项项中中的的误误差差项项e1,e2,e3,en会会越越来来越越多多，它它们们所所需需占占用用的的字字存存储储单单元元数数也也会会越越来来越越多多，而而且且求求和和的的计计算算工工作作量量也也会会越越来来越越大大，以以至至于于计计算算机机最最终终
44、无无法法提提供供足足够够多多的的字字存存储储单单元元来来保保存存超超限限量量多多的的误误差差项项，也也无无法法计计算算出出超超限限量量求求和和次次数数的的求求和和值值。因因此此，需需要要对对式式(6-2)(6-2)进行改造，改造后的算式如式进行改造，改造后的算式如式(6-3)(6-3)所示：所示：(6-3)(6-3)式中，式中，MX第第n-1n-1次采样时的积分项，次采样时的积分项，由由于于计计算算机机从从第第一一次次采采样样开开始始，每每采采样样一一次次就就计计算算一一次次积积分分值值，因因此此，每每次次计计算算出出积积分分值值后后，只只需需把把该该积积分分值值保保存存下下来来，作作为为下下
45、一一次次采采样样时时积积分分项项中中的的前前一一次次采采样样时时的的积积分分值值MX，即即可可很很快快计计算算出出下下一一次次采采样样时时的的积积分分项项，这这样样就就大大大大减减轻轻了了每每一一次次求求积积分分项项的的计计算算工工作作量量。这这样样处处理理后后，也也不不需需要要再再保保存存历历次次采采样样时时的的误误差项差项e1,e2,e3,en了，因此，了，因此，还还大大大大节节省了存省了存储单储单元。元。为为了了最最大大限限度度地地减减小小计计算算机机的的计计算算工工作作量量，还还可可对对式式(6-3)(6-3)作作进进一步的改一步的改进进，改，改进进后的算式如下：后的算式如下：(6-4
46、)(6-4)式中，式中，MPn第第n n次采样时的比例项，次采样时的比例项，按下式按下式计计算：算：(6-5)(6-5)MDn第第n n次采样时刻的微分项，次采样时刻的微分项，按下式按下式计计算：算：(6-6)(6-6)(6-7)(6-7)(6-8)(6-8)其中，其中，SPn第第n n采样时刻的给定值；采样时刻的给定值；PVn第第n n采样时刻的过程变量值；采样时刻的过程变量值；MIn第第n n次采样时刻的积分项，次采样时刻的积分项，按下式按下式计计算：算：其中，其中，SPn-1第第n-1n-1采样时刻的给定值；采样时刻的给定值；PVn-1第第n-1n-1采样时刻的过程变量值。采样时刻的过程
47、变量值。为为了了避避免免给给定定值值变变化化的的微微分分作作用用而而引引起起的的跳跳变变，应应使使给给定定值值不变不变(即使即使SPn=SPn-1)。这样，式。这样，式(6-7)(6-7)可改写为：可改写为：为为了了下下一一次次计计算算微微分分项项，必必须须保保存存过过程程变变量量，而而不不是是偏偏差差。在第一次采样时，应初始化在第一次采样时，应初始化PVn-1=PVn。6.4 S7-200PLC6.4 S7-200PLC的的PIDPID控制及其应用控制及其应用6.4.1 PID6.4.1 PID功能功能 S7-200 S7-200 CPUCPU提提供供了了8 8个个回回路路的的PIDPID功
48、功能能，用用以以实实现现需需要要按按照照PIDPID控控制制规规律律进进行行自自动动调调节节的的控控制制任任务务，比比如如温温度度、压压力力和和流流量量控控制制等等。PIDPID运运算算的的任任务务就就是是根根据据反反馈馈与与给给定定的的相相对对差差值值，按按照照PIDPID运运算算规规律律计计算算出出结结果果，输输出出到到固固态态开开关关元元件件（控控制制加加热热棒棒），或或者者变变频频器器（驱驱动动水水泵泵）等等执执行行机机构构进进行行调调节节，以以达达到到自自动动维维持持被被控控制制的的量量跟跟随给定变化的目的。随给定变化的目的。图图6-13 PID6-13 PID指令盒指令盒 1.PI
49、D 1.PID指令指令 S7-200S7-200中中PIDPID功功能能的的核核心心是是PIDPID指指令令。PIDPID指指令令需需要要为为其其指指定定一一个个以以V V变变量量存存储储区区地地址址开开始始的的PIDPID回回路路表表(TBL)(TBL)，以以及及PIDPID回回路路号号(LOOP)(LOOP)。PIDPID回回路路表表提提供供了了给给定定和和反反馈馈，以以及及PIDPID参参数数等等数据入口，数据入口，PIDPID运算的结果也在回路表输出。运算的结果也在回路表输出。PIDPID指指令令（又又称称为为PIDPID回回路路指指令令）的的梯梯形形图图指指令令盒盒的的形形式式如如图
50、图6-136-13所所示示。使使能能输输入入有有效效时时，该该指指令令利利用用回回路路表表中中的的输输入入信信息息和和组组态态信信息息，进进行行PIDPID运运算算。梯梯形形图图的的指指令令盒盒中中有有2 2个个数数据据输输入入端端：TBLTBL，回回路路表表的的起始地址，是由起始地址，是由VBVB指定的字节型数据；指定的字节型数据；LOOPLOOP，回路号，是，回路号，是0 07 7的常数。的常数。STLSTL指令格式：指令格式：PID TBL,LOOPPID TBL,LOOP 在在程程序序中中最最多多可可以以用用8 8条条PIDPID指指令令。如如果果两两个个或或两两个个以以上上的的PID