项目五 PLC模拟量控制,任务 水箱自动恒温控制系统,模拟量的概念与数字量相对应。模拟量是指在时间和数量上都是连续的物理量，在连续变化的过程中任何一个取值都是一个具体有意义的物理量，如温度、电压、电流、压力、液位等。 在工业控制系统中，经常会用到模拟量，并需要按照一定的控制要求来实现对模拟量的控制。现在的PLC一般都有模拟量的功能模块，本项目主要介绍三菱FX2N系列PLC模拟量的处理模块及其使用方法。,学习目标 知识目标 (1) 了解三菱FX2N系列模拟量处理模块的功能； (2) 掌握模拟量处理方法。 技能目标 (1) 能正确选用模拟量模块并进行编程应用； (2) 能够独立完成模拟量的处理，并且接线调试成功。 工作任务单 任务名称：水箱自动恒温控制系统。,任务 水箱自动恒温控制系统 一、任务引入 在工业控制系统中，会经常用到模拟量，并需要按照一定的控制要求来实现对模拟量的控制。现在的PLC一般都有模拟量的功能模块，本任务以水箱自动恒温控制系统为例，主要介绍三菱FX2N系列PLC模拟量的处理模块及其使用方法。,二、任务分析 水箱恒温控制系统要实现PLC的恒温控制，须通过PLC的模拟输入模块对水箱的温度变送器、水位变送器、功率变送器、流量变送器的模拟量进行处理，然后通过PLC的模拟量输出模块和PID控制模块对水箱的温度进行控制，以实现对水箱的恒温控制。 任务要求：在PLC程序中设定水箱的恒温值，在启动PLC控制后启动水泵向恒温水箱进水，当水位上升到预订液位后启动搅拌电机，测量水箱水温，并与设定值60比较。若比较温度小于5，则采用PID调节加热；若比较水温高于5，则采用进水与风扇冷却同时进行降温控制；若进水时无流量或加热、冷却时水温无变化，则应报警。,要实现设计要求，对PLC的选型至关重要。鉴于系统要实现的功能，需要有优良的PID控制器、模拟量输入/输出，且要有足够的辅助输出元件，所以选择三菱公司的FX2N-80MR-001型PLC。系统的报警装置，可以利用PLC输出继电器直接驱动报警器装置进行报警。,三、相关知识 1AD单元 1) AD单元概述 把模拟量输入给PLC的最简单、最常用的方法是采用模拟量输入单元，简称AD单元或AD模块。它不仅可以完成从模拟量到数字量的转换，有的还可以对信号作相应处理，如滤波、求平均值、按比例转换等。 如图5-1所示，AD(模数转换)单元由滤波、模数转换器A/D、光耦合等部分组成。它既可以处理电流信号，也可以处理电压信号。,图5-1 A/D转换电路的组成,一个AD单元一般只有一个A/D转换器，但可以通过多路选择器的依次切换来实现多路模拟输入信号的处理。转换后，再经光耦合器转存到它自身的内存中。常用的AD单元有2路、4路、8路，还有多达16路的。 2) AD单元的性能 使用AD单元时，要了解它的性能，主要有： (1) 模拟量规格：指可输入或可输出的标准电流或标准电压的规格，一般规格多些便于选择使用。,(2) 数字量位数：指转换后的数字量用多少位二进制数来表达。位数越高，精度越高。 (3) 转换路数：指可实现多少路的模拟量转换。路数越多，可处理的信号越多。 (4) 转换时间：指实现一次模拟量转换的时间。转换时间越短越好。 3) AD单元的使用 使用AD单元的第一步是选用。要选择性能合适的单元，既要与PLC的型号相当，规格、功能也要一致，而且配套的附件或装置也要选好。第二步是接线。第三步是设定，包括硬设定和软设定。,2DA单元 模拟量输出模块是把数字量转换成模拟量输出的PLC工作单元，简称DA(数模转换)单元或DA模块。多数PLC的DA单元是单独的模块，但也有集成到CPU模块中的。 转换前的数字量可以为二进制8位、10位、12位、16位或更高。对应的分辨率分别为量程的1/255、11023、1/4095及1/32767或更小，分辨率越高，精度也越高。转换后的模拟量都是标准电压或电流信号。 如图5-2所示，DA单元由光耦合器、数模转换器D/A和信号驱动等环节组成。由于使用了光耦合器，故其抗干扰能力也很强。 DA单元有2路、4路、8路，少的只有1路。 DA单元的使用步骤与AD单元相同。,图5-2 DA转换电路的组成,3PID控制 1) PID控制概述 所谓PID控制，是指根据系统的偏差信号，利用比例(P)、积分(I)、微分(D)来计算控制量，再通过计算的结果完成对系统的控制和调节。根据实际情况也可以采用PI(比例积分)或PD(比例微分)控制。目前，在工业控制领域中，PID控制仍是应用最为广泛的调节器控制规律。 PID是闭环控制系统的比例-积分-微分控制算法。通常闭环控制系统是由控制器、执行元件、被控对象以及反馈检测元件组成，如图5-3所示。,图5-3 闭环控制系统,在闭环控制系统中，控制器是系统的核心，其控制算法决定了系统的控制特性和控制效果。控制器常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值的检测值b(t)构成控制偏差e(t)，e(t)=r(t)-b(t)，将偏差e(t)的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。,2) PID控制的优点 在工业控制中，PID控制得到了广泛的应用。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。 (2) PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。 (3) PID控制有较强的灵活性和适应性。,3) PID控制的实现 PID控制在PLC中既可用PID硬件模块来实现，也可用软件来实现。 (1) 使用硬件模块时，PID控制程序是由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即可，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这些模块的价格昂贵，一般只在大型控制系统中使用，如三菱PLC的A系列、Q系列的PID控制模块。 (2) 使用软件的方法是根据PID算法编制控制程序或直接调用PID指令，后者较方便，但不是所有的PLC都支持。FX2N系列PLC提供了PID控制指令，且其参数设置灵活，使用方便。,4温度A/D输入模块FX2N-4AD-PT 温度A/D输入模块的功能是把现场的温度的模拟量转换成对应的数字量传送给CPU。FX2N系列PLC有两类温度A/D输入模块，一种是热电偶传感器输入型，另一种是铂温度传感器输入型，两类模块的基本原理相同。下面简述FX2N-4AD-PT模块。 FX2N-4AD-PT模拟特殊模块将来自4个铂温度传感器(Pt100，3线，100)的输入信号放大，并将其转换成12位的可读数据，存储在主处理单元(MPU)中。它与PLC之间通过缓冲存储器交换数据，数据的读出和写入通过FROMTO指令来执行。,1) 接线方式 FX2N-4AD-PT接线图如图5-4所示。 在接线时要注意以下几点： (1) 可以采用压降补偿的方式来提高传感器的精度，为了防止电气干扰，可以将电缆屏蔽层与外壳接地端子连接到FX2N-4AD-PT的接地端和主单元的接地端。 (2) FX2N-4AD-PT应使用Pt100传感器的电缆或双绞屏蔽电缆作为模拟输入电缆，注意要和电线隔开。 (3) FX2N-4AD-PT可以使用PLC外部或内部的24 V电源。,图5-4 FX2N-4AD-PT接线图,2) 技术指标 FX2N-4AD-PT的技术指标如表5-1所示。 3) 应用实例 在图5-5所示的程序中，FX2N-4AD-PT模块占用特殊模块2的位置(这是第三个紧靠PLC的单元)，输入通道CH1到CH4以表示的平均值分别保存到数据寄存器D0到D3中。 初始化步骤检查在位置2的特殊功能模块是否是FX2N-4AD-PT，即它的单元标识码是否是K2040。这一步是可选的，不过它提供了一种用软件来检查系统是否正确配置的方式。,表5-1 FX2N-4AD-PT的技术指标,3) 应用实例 在图5-5所示的程序中，FX2N-4AD-PT模块占用特殊模块2的位置(这是第三个紧靠PLC的单元)，输入通道CH1到CH4以表示的平均值分别保存到数据寄存器D0到D3中。 初始化步骤检查在位置2的特殊功能模块是否是FX2N-4AD-PT，即它的单元标识码是否是K2040。这一步是可选的，不过它提供了一种用软件来检查系统是否正确配置的方式。,图5-5 FX2N-4AD-PT的基本程序,四、任务实施 1PLC外围电路设计 PLC外围电路主要包括模拟输入/输出量、PLC电源电路、光电隔离控制电路。PLC输入/输出电路模块是PLC与现场设备进行信息交换的通道。输入设备：限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关、模拟输入变送接口；输出设备：驱动电磁阀、接触器、电机、光电隔离。通过输入/输出模块PLC既可以检测到所需的过程信息，又可以将处理后的结果传送给外部设备。系统外部电路接线如图5-6所示。,图5-6 水箱自动恒温控制系统外部接线图,2恒温水箱系统 恒温水箱系统中的温度控制是系统实现控制的关键，外围中有许多模拟变送检测器和相关的控制器，系统图如图5-7所示。 3系统PID控制的实现 用PLC对模拟量进行PID控制主要有3种方法，分别是使用PID过程控制模块、使用PID功能指令和自编程序实现。PID过程控制模块价格较高，一般用于大型复杂的控制系统,而自编程序比较复杂，所以系统采用PID功能指令进行PID闭环控制，实现温度的智能控制，PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。,图5-7 恒温水箱系统图,4I/O分配 根据控制要求，I/O分配表见表5-2。 5程序设计流程图 根据I/O地址分配表，程序设计流程图如图5-8所示。 参考程序设计流程图可以设计恒温水箱的控制梯形图，也可以采用状态流程图的方法进行程序设计，两者均可实现，在此不再详细讲解。,表5-2 I/O分配表,图5-8 程序设计流程图,五、知识拓展PID指令的使用 PID指令用来调用PID运算程序，用法如图5-9所示。 S1和S2分别用来存放给定值和当前测量到的反馈值，S3S3+6用来存放控制参数的值，运算结果存放在D中。源操作数S3占用从S3开始的25个数据寄存器。 在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数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，则不需要重复写入；如果目标操作数D有断电保持功能，则应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。,图5-9 PID指令的用法示例,