电气控制与PLC的课件第9章

第9章模拟量扩展模块与PID控制9.1模拟量扩展模块概述9.2模拟量输出模块的使用与仿真9.4模拟量混合模块EM235的使用9.3模拟量输入模块的使用与仿真*9.5PID控制9.1模拟量扩展模块概述9.1.1模拟量扩展模块的种类和连接表9-1模拟量扩展模块型号、点数及消耗电流名称型号输入/输出点数模块消耗电流（mA）+5VDC+24VDC输入模块EM2314路模拟量输入2060输出模块EM2322路模拟量输出2070混合模块EM2354路模拟量输入/1路模拟量输出3060CPU单元与扩展模块如图9-1所示。图9-1CPU与扩展模块的连接S7-200系列PLC主要有三种模拟量扩展模块，各扩展模块的型号、I/O点数及消耗电流见表9-1。9.1.2模拟量输出模块的地址和技术规范模拟量输出在CPU221和CPU222中，其表示形式为：AQW0、AQW2、…、AQW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输出。在CPU224和CPU226中，其表示形式为：AQW0、AQW2、…、AQW62，共有32个字，总共允许有32路模拟量输出。隔离（现场侧到逻辑电路）无信号范围电压输出±10V电流输出0～20mA数据字格式电压−32000～+32000电流0～+32000分辨率：全量程电压12位，加符号位电流11位精度：最差情况（0°～55℃）电压输出±2%满量程电流输出±2%满量程精度：典型情况（25℃）电压输出±0.5%满量程电流输出±0.5%满量程设置时间电压输出100μs电流输出2ms最大驱动电压输出最小5000Ω电流输出最大500Ω24VDC电压范围20.4～28.8VDC（或来自PLC的传感器电源）表9-2模拟量输出模块的主要技术规范9.1.3模拟量输入模块的地址和技术规范模拟量输入在CPU221和CPU222中，其表示形式为：AIW0、AIW2、…、AIW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输入；在CPU224和CPU226中，其表示形式为：AIW0、AIW2、…、AIW62，共有32个字，总共允许有32路模拟量输入。模拟量输入模块的主要技术规范见表9-3。隔离（现场与逻辑电路间）无输入范围电压（单极性）0～10V，0～5V电压（双极性）±5V，±2.5V电流0～20mA输入分辨率电压（单极性）2.5mV（0～10V时）电压（双极性）2.5mV（±5V时）电流5μA（0～20mA时）数据字格式单极性，全量程范围0～+32000双极性，全量程范围−32000～+32000直流输入阻抗电压输入≥10MΩ电流输入250Ω精度单极性12位双极性11位，加1符号位最大输入电压30VDC最大输入电流32mA模数转换时间＜250μs模拟量输入阶跃响应1.5ms～95%共模抑制40dB，DCto60Hz共模电压信号电压+共模电压（必须≤±12V）24VDC电压范围20.4～28.8VDC（或来自PLC的传感器电源）表9-3模拟量输入模块的主要技术规范9.2模拟量输出模块的使用与仿真9.2.1模拟量输出模块的数据字格式和使用注意事项模拟量输出模块存储区中数字量的数据字格式为12位，左端对齐，MSB和LSB分别为最高有效位和最低有效位，如图9-2所示。最高有效位是符号位，0表示正数，1表示负数。最低位是4个连续的0。注意事项：（1）输出范围模拟量输出范围包括−10～+10V，0～20mA。（2）输出类型模拟量输出类型有电压输出和电流输出两种类型，其接线方式不同。（3）对负载的要求模拟量输出模块对负载的要求主要是负载阻抗，在电流输出方式下一般给出最大负载阻抗；在电压输出方式下，则给出最小负载阻抗。（4）抗干扰措施图9-2模拟量输出数据字格式9.2.2模拟量输出模块EM232的使用与仿真模拟量输出模块EM232的上部从左端起的每3个点为一组，共两组，V0端接电压负载，I0端接电流负载，M0端为公共端。第1路的模拟量地址是AQW0，第2路的模拟量地址是AQW2。【例题9.1】使用EM232将给定的数字量转换为模拟电压输出，用数字电压表测量输出电压值，并且记录与分析。（1）将数字量2000，4000，8000，16000，32000转换为对应的模拟电压值。（2）将数字量−2000，−4000，−8000，−16000，−32000转换为对应的模拟电压值。（3）分析数字量与模拟量的对应关系。图9-4例题9.1（1）程序表9-4例题9.1输出模拟电压值VW0数据2000400080001600032000模拟电压（V）0.621.252.505.0010.01（1）（2）表9-5例题9.1输出负的模拟电压值VW0数据−2000−4000−8000−16000−32000模拟电压（V）−0.62−1.25−2.50−5.00−10.01图9-5例题9.1（2）程序数字量与模拟电压值的关系曲线如图9-6所示，可以看出，数字量与模拟电压值成正比关系。图9-6数字量与模拟电压值的关系曲线（3）【例题9.2】通过仿真软件将数字量2000，4000，8000，16000，32000转换为对应的模拟电压值。图9-7例题9.2仿真界面表9-6例题9.2输出仿真模拟电压值数字量2000400080001600032000模拟电压（V）0.611.222.444.889.769.3模拟量输入模块的使用与仿真9.3.1模拟量输入模块的数据字格式和使用注意事项模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性数据格式的全量程范围为0～32000，双极性全量程范围的数字量为−32000～＋32000。模拟量转换为12位的数字量是左对齐的，如图9-8所示。注意事项：（1）模拟量值的输入范围模拟量输入模块有各种输入范围，它们包括0～10V，±5V，0～20mA等。（2）采样循环时间采样循环时间反映了系统处理模拟量输入的响应时间。（3）模拟量输入模块的外部连接方式图9-8模拟量输入数据字的格式9.3.2模拟量输入模块EM231的使用与仿真1．外部接线EM231外部接线如图9-9所示，上部有12个端子，每3个点为一组，共4组，每组可作为1路模拟量的输入通道（电压信号或电流信号）。输入信号为电压信号时，用2个端子（如A+、A−）；输入信号为电流信号时，用3个端子（如RC、C＋、C−），其中RC与C＋端子短接；未用的输入通道应短接（如B＋、B−）。4路模拟量地址分别是AIW0，AIW2，AIW4和AIW6。图9-9EM231的外部接线图模拟量输入模块有多种量程，可以通过模块上的DIP开关来设置所使用的量程，CPU只在电源接通时读取开关设置。用来选择模拟量量程和精度的EM231DIP开关设置表见表9-7。单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0～10V2.5mVONOFF0～5V1.25mV0～20mA5A双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mV2．DIP开关设置表表9-7用来选择模拟量量程和精度的EM231DIP开关设置表【例题9.3】使用CPU226和EM231将模拟电压转换为数字量存入VW0，并且分析模拟电压值与数字量的对应关系。3．EM231的使用图9-10例题9.3程序表9-8例题9.4模拟电压值与对应的数字量模拟电压（V）1.557.759.50数字量50072501331224数字量与模拟电压值的关系曲线如图9-11所示，可以看出，数字量与模拟电压值成正比关系。图9-11输入模拟量与数字量关系曲线在仿真软件中使用CPU226，配置模拟量输入模块EM231，设定EM231量程为0～10V。运行程序，输入模拟电压值，监视变量寄存器VW0中的数据，仿真电路与结果如图9-12所示，并将内存表中的数据填入表9-9中。4．EM231的仿真使用图9-12EM231仿真结果表9-9例题9.4输入仿真模拟电压值模拟电压（V）1.557.759.50数字量50642537631112【例题9.4】量程为0～10MPa的压力变送器的输出信号为直流4～20mA。系统控制要求是，当压力大于8MPa时，指示灯亮，否则灯灭。设控制指示灯的输出端为Q0.0，试编程并仿真。图9-13例题9.4程序在仿真软件中使用CPU224，配置模拟量输入模块EM231，设定EM231量程为0～20mA，运行程序，监视变量寄存器VW10，仿真结果如图9-14所示。（a）（b）图9-14例题9.4仿真结果9.4模拟量混合模块EM235的使用9.4.1模拟量混合模块EM235EM235外部接线如图9-15所示，上部有12个端子，每3个点为一组，共4组，每组可作为1路模拟量的输入通道。下部电源右边的3个端子是1路模拟量输出（电压或电流信号），V0端接电压负载，I0端接电流负载，M0端为公共端。4路输入模拟量地址分别是AIW0，AIW2，AIW4和AIW6；1路输出模拟量地址是AQW0。图9-15EM235接线图表9-10用来选择模拟量量程和精度的EM235DIP开关设置表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0～50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0～100mV25μVONOFFOFFOFFONON0～500mV125μVOFFONOFFOFFONON0～1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0～5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0～20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0～10V2.5mV双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF±25mV12.5μVOFFONOFFONOFFOFF±50mV25μVOFFOFFONONOFFOFF±100mV50μVONOFFOFFOFFONOFF±250mV125μVOFFONOFFOFFONOFF±500mV250μVOFFOFFONOFFONOFF±1V500μVONOFFOFFOFFOFFOFF±2.5V1.25mVOFFONOFFOFFOFFOFF±5V2.5mVOFFOFFONOFFOFFOFF±10V5mV【例题9.5】编写一个输出模拟量与输入模拟量成递减关系的程序。选择EM235的“A+、A−”端为模拟电压输入端，“V0、M0”为模拟电压输出端。0～10V挡作为测量量程，控制程序如图9-16所示图9-16例题9.5程序9.4.2触摸屏与EM235（EM232）控制的变频调速触摸屏上输入0～50（Hz）的数字，通过EM235（或EM232）输出对应的0～10V电压去控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速。其控制示意图如图9-17所示。图9-17调速控制示意图1．变频调速控制电路图9-18变频调速控制电路触摸屏的界面如图9-19所示，启动按钮与PLC的位存储器M0.0关联，停止按钮与M0.1关联。输入控件与变量存储器VW0关联，设置开机频率为30Hz。触摸屏的3个变量如图9-20所示。触摸屏的输入控件VAR_003是16位的内存变量，用来存储输入的频率数值，其属性如图9-21所示。为防止误输入数据，应设置频率的上下限值，默认“最小值”为0，“最大值”修改为50。图9-19触摸屏界面与关联数据图9-20触摸屏的使用变量2．变频器的设定变频器默认参数【73=0】，模拟电压为5V；修改为参数【73=1】，选择模拟电压为10V。3．触摸屏的设定4．PLC程序图9-22PLC程序图9-21VAR_003属性及修改*9.5PID控制9.5.1PID控制概述与PID指令PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，即系统的稳定性、准确性和快速性。1．比例（P）控制比例与误差同步，它的调节作用及时。在误差出现时，比例控制能立即给出控制信号，使被控制量朝着误差减小的方向变化，但仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2．积分（I）控制为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分控制。在积分控制中，控制器的输出量与输入量误差信号对时间的积分成正比关系。随着时间的积累，积分项逐渐增大。这样