第六章：PLC 在模拟量与PID控制在应用.ppt

第六章,PLC在模拟量监测与PID控制中的应用,模拟量输入模块,FX2N常用的模拟量输入模块有FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD模拟量输入模块和温度传感器输入模块。FX2AD为2通道12位A／D转换模块。根据外部连接方法及PLC指令，可选择电压输入或电流输入，是一种具有高精确度的输入模块。通过简易的调整或根据可编程控制器的指令可改变模拟量输入的范围。瞬时值和设定值等数据的读出和写入用FROM／TO指令进行。,FX2N-4AD的线路连线,FX2N-4AD模拟量输入与输出的关系,模拟量模块使用,确定模块的编号缓冲寄存器（BFM）分配知识点编程举例,确定模块的编号,在FX系列可编程控制器基本单元的右侧，可以连接最多8块特殊功能模块，它们的编号从最靠近基本单元的那一个开始顺次编为0～7号。如图该配置使用FX2N48点基本单元，连接FX-4AD、FX-4DA、FX-2AD3块模拟量模块，它们的编号分别为0、1、2号。这3块模块不影响右边2块扩展的编号，但会影响到总的输入输出点数。3块模拟量模块共占用24点，那么基本单元和扩展的总输入输出点数只能有232点。,FX2N-4AD缓冲寄存器BFM,可编程控制器基本单元与FX2N-4AD之间的数据通讯是由FROM/TO指令来执行的。FROM是基本单元从FX2N-4AD读数据的指令。TO是基本单元将数据写到FX2N-4AD的指令。实际上读写操作都是对FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM的操作。缓冲区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM0～31。FX2N-4AD缓冲器分配见表8-2所示。,FX-4AD模块BFM的分配表,知识点特殊功能块的读写指令,采用FROM读特殊功能模块指令，将特殊功能块中的数据读出；用T0写功能特殊模块指令，将PLC内部的数据写入到特殊功能块中。在指令中m1的含义接在PLC基本单元右边扩展总线上的功能模块，从最靠基本单元的那个开始编号（指令的m1），m1依次为0～7。n的含义待传送数据的字数，n1～32（16位操作），n1～16（32位操作）。m2的含义特殊功能模块中缓冲寄存器的首元件号。,,X10ON时，将编号m1的特殊功能模块内的编号为m2开始的n个缓冲寄存器BFM的数据读入到PLC，并存到[D]开始的n个数据寄存器中。X20为ON时，将PLC基本单元的从[S]指定的由D0开始的n个字的数据写到编号为m1的特殊功能模块中编号为m2开始的n个缓冲寄存器中。,,Fromk0k5d0k2,编程举例,系统配置除PLC外，需要增加一个FX2N4AD和010V模拟量产生电路；ISA1X0；两路电压模拟量输入；,,程序设计将FX4AD模拟量输入模块中的通道1和通道2的电压值取到D0、Dl内，将模拟量模块连接到基本单元FX2旁，其特殊功能模块号为No．0，开通CHl和CH2为电压量输入通道，计算平均值的取样次数为6次。,,梯形图,,当X0为ON，先用FROM指令从模拟量输入模块的缓冲存储器BFM中取得其识别码，若为20l0，表明是FX4AD，则可开始取值操作。先使通道初始化，用TO指令将H3300送到BFM的0寄存器规定四位十六进制数分别表示0为1010V、1为420mA、2为2020mA、3为关闭通道；最高位数决定通道4，最低位数决定通道1，设置通道输入为电压量；平均值取样次数6次。再用FROM指令取得缓冲存储器状态数据，以示判别。当模拟量输入模块无错，则将两路模拟量分别存入D0和D1中。,,程序运行及调试执行程序，改变CHl和CH2输入电压臣（05V），观察D0、D1中数值的变化，并制成输入电压与D中数值变化关系对应表，为今后应用模拟量输入积累经验。上述过程中，如发现程序运行与控制要求不符，应仔细分析，找出原因，重新修改，直到程序运行与控制要求相符为止。,,1、FX2N-4AD（1）线路图,将外部可调电压（0-9.7V）通过A/D模块输入到PLC中，并通过数码管显示出电压值,,（2）梯形图,模拟量输出模块,FX2N常用的模拟量输出模块有FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2N-8DA模拟量输出模块。FX2DA为2通道12位D／A转换模块，是一种具有高精确度的输出模块。通过简易的调整或根据可编程控制器的指令可改变模拟量输出的范围。瞬时值和设定值等数据的读出和写入用FROM／TO指令进行。,FX2N-4DA的线路连线,,FX2N-4DA的模拟量输入与输出的关系,FX2N-4DA缓冲寄存器BFM,可编程控制器基本单元与FX2N-4DA之间的数据通讯也是由FROM/TO指令来执行的。读写操作是对FX2N-4DA的缓冲寄存器BFM进行操作的，缓冲器区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM﹟0～﹟31。,编程举例,FX2N-4DA实验（1）实验内容①将PLC内部寄存器中的数值传给4DA模块，输出0-10V电压。②通过编程可以实现阶梯波、锯齿波、三角波。,Plc在模拟量闭环控制中的应用,PID控制在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID约占总控制回路数的90左右。2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。,2.PLC实现PID控制的方法,如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法,用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图,1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。2）使用PID功能指令。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。,3.FX2N的PID指令,PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。,,PID指令,PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。,,PID参数调节,PID指令可以同时多次使用，但是用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，但是应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。控制参数的设定和PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为ON，错误代码存放在D8067中。PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。,PID控制是根据“动作方向”（[S3]1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。PID运算公式如下,,,以上公式中△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；Kp是比例增益，TS是采样周期，TI和TD分别是积分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。,4.PID参数的整定,PID控制器有4个主要的参数Kp、TI、TD和TS需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，Kp过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。,,积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。,,微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。,,选取采样周期TS时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，TS越小越好。但是TS太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将TS取得过小。,