【正文】 行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 16 PLC 的工作方式與運(yùn)行框圖 PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式 。 它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 PLC 通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它的 PLC 或計(jì)算機(jī)相連。 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展電源與 基本單元相連 ,使 PLC 的配置更加靈活。 小型整體式可編程控制器內(nèi)部有一個(gè)開關(guān)式穩(wěn)壓電源。另一類是由電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器等來的模擬量輸入信號(hào)。 /輸出接口 輸入 /輸出接口是 PLC 與外界連接的接口。用戶功能存儲(chǔ)器是用來存放（記憶）用戶程序中使用的 ON/OFF 狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)等，它構(gòu)成 PLC 的各種內(nèi)部器件，也稱“軟元件”。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。 PLC 的具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少?zèng)Q定了 PLC性能的強(qiáng)弱。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用。第二部分為用戶指令解釋程序。系統(tǒng)程序質(zhì)量的 好壞，很大程度上決定了 PLC的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。 系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放由 PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 14 來自用戶設(shè)備 至用戶設(shè)備 圖 PLC 的基本組成 (2)PLC 各組成部分的作用 （ CPU） 與一般計(jì)算機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮 PLC有條不紊地進(jìn)行工作，其主要任務(wù)有：控制從編輯器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過 I/O部件接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像存儲(chǔ)器 或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等； PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出影響存儲(chǔ)器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 PLC 的組成及功能 (1)PLC 的基本組成 PLC 實(shí)質(zhì)上一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，只不過它比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適用于控制要求的編程語言，故 PLC 與計(jì)算機(jī)的組成十分相似。 ，能耗低：對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用 PLC 后 ，由于減少了大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，開關(guān)柜的體積比繼電器控制系統(tǒng)小的多。 ，維修方便： PLC 的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試 PLC的用戶程序，用小開關(guān)來模擬輸入信號(hào)，通過個(gè)輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管的狀態(tài)來觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)，調(diào)試的時(shí)間 比繼電器系統(tǒng)少的多。 PLC 的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。 ：梯形圖是使用的最多的 PLC 編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 使用 了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)， PLC 已被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 ，抗干擾能力強(qiáng)： PLC 用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障。 (2)PLC 的特點(diǎn) 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜多樣的，它們對(duì)控制的要求也各不相同。 PLC 基本概述 (1)PLC 的定義 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。可編程序控制器（ Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做 出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。 重點(diǎn) 闡述PLC實(shí)現(xiàn) PID控制的 3種常用方式 ,分析閉環(huán)控制系統(tǒng)中 PID 數(shù)字控制器的原理 ,結(jié)合西門子 S7200 PLC 詳細(xì)介紹 PID 指令使用和輸入 /輸出變量轉(zhuǎn)換的方法 ,為 S7200 PLC 在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一整套解決方案 。上位機(jī)是編寫 PLC 程序以及監(jiān)控溫度的變化。 如果 PID指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤 ,特殊存儲(chǔ)器位 SM (溢出或非法數(shù)值 ) 被置為 1,并將中止 PID 指令的執(zhí)行 ,想要消除這種錯(cuò)誤 ,在下一次執(zhí)行 PID 運(yùn)算之前 ,應(yīng)改變引起運(yùn)算錯(cuò)誤的輸入值 ,而不是更新輸出值?；芈繁砣绫? 所示 ： 圖 PID 指令 表 PID 回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過程變量 PVn 雙字節(jié)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ～ 之間 4 給定值 SPn 雙字節(jié)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ～ 之間 8 輸出值 Mn 雙字節(jié)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ～ 之間 12 增益 Kc 雙字節(jié)數(shù) 輸入 比例常數(shù) ,可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 Ts 雙字節(jié)數(shù) 輸入 單位為 s,必須為正數(shù) 20 積分時(shí)間 Ti 雙字節(jié)數(shù) 輸入 單位為 min,正數(shù) 24 微分時(shí)間 Td 雙字節(jié)數(shù) 輸入 單位為 min,正數(shù) 28 上一次積分值 雙字節(jié)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ～ 之間 32 上一次過程變量 雙字節(jié)數(shù) 輸入 /輸出 最后一次運(yùn)算過程變量值 過程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值 ,在回路表中他們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。編譯時(shí)如果指令指定的回路表起始地址或回路號(hào)超出范圍 ,CPU 將生成編譯錯(cuò)誤 (范圍錯(cuò)誤 ) ,引起編譯失敗。 將回路輸出轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)的程序?yàn)?: MOVR VD108 ,AC0 / / 將回路輸出送入累加器 R ,AC0 / / 僅雙極性數(shù)才有此語句 * R ,AC0 / / 單極性變量應(yīng)乘以 32 000. 0 將代表回路輸出的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 16 位整數(shù)的指令為 : 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 10 ROUND AC0 ,AC0 / / 將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 32 位整數(shù) MOVW AC0 ,AQW0/ / 將 16 位整數(shù)寫入模擬輸出 (D/A)寄存器 PID 指令及其回路表 S7200 PLC的 PID 指令如圖 所示。 用下面的式 (25)將回路輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù) : S p a nOf fs e tMnR s c a l ??? )( (25) 式中 , Rscal 是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值 。 下面的程序?qū)⑸鲜鲛D(zhuǎn)換后得到的 AC0 中的雙極性數(shù) (其中 span = 64 000)轉(zhuǎn)換為～ 之間的實(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換程序?yàn)?: / R ,AC0 / / 將累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 + R ,AC0 / / 加上偏移值 ,使其在 0. 0～ 1. 0 之間 MOVR AC0 ,VD100 / / 將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表內(nèi) 回路輸出即 PID 控制器的輸出 , 它是標(biāo)準(zhǔn)化的 ～ 之間的實(shí)數(shù)。Offset 為偏移量 ,對(duì)單極性變量為 ,對(duì)雙極性變量為 。 首先 ,將給定值或 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù) ,可以用下面的程序?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換 : XORD AC0 , AC0 / / 清 除累加器 MOVW AIW0 ,AC0 / / 將待轉(zhuǎn)換的模擬量存入累加器 LDW = AC0 ,0 / / 如果模擬數(shù)值為正 JMP 0 / / 直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 9 NOT / / 反之 ORD 16 FFFF0000 ,AC0 / / 將 AC0 內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展 ,擴(kuò)展為 32 位負(fù)數(shù) LBL 0 DTR AC0 ,AC0 / / 將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 然后 ,將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成 0. 0～ 1. 0 之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù) ,可用式 (24)對(duì)給定值及過程變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化 : O f f s e tSpanawRor mR RN ?? )( (24) 式中 : RNorm 為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值 。應(yīng)用 PLC 的PID指令對(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算之前 ,必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù) (實(shí)數(shù) )。給定值通常是固定值 ,過程變量通常是經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值。例如 ,可能只要求比例控制或比例與積分控制 ,通過設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路控制類型進(jìn)行選擇。 基于 PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 所示 ,圖中虛線部分在 PLC 內(nèi) , spn ,pvn , en , Mn 分別為模擬量 sp(t) ,pv(t) ,e(t),M(t)在第 n次采樣的數(shù)字量。如果取其中的 1 項(xiàng)或 2 項(xiàng) ,可以組成 P ,PD 或 PI控制器。 TI 為積分時(shí)間常數(shù) , TD 為微分時(shí)間常數(shù)。e(t)=sp(t)pv(t)為誤差信號(hào) 。c(t)為系統(tǒng)的輸出量 , PID 控制器的輸入 /輸出關(guān)系如式 (22)所示 : Modt tdeTdtteTteKctM DI t ???? ? ])(1)(1)([)(0 (22) 式中 :M(t)為控制器輸出 。 sp(t)是給定值 。 PLC 的 PID 控制器的實(shí)現(xiàn) (1)PID 控制器的數(shù)字化 PLC 的 PID 控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù) 的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ) ,將其數(shù)字化 ,寫成離散形式的 PID 方程 ,再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)。 (3)用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID閉環(huán)控制 :在沒有 PID過程控制模塊和功能指令的情況下 ,仍希望采用某種改進(jìn)的 PID控制算法 ,此時(shí)用戶需要自己編制 PID 控制程序。 (2)使用 PID功能指令 :它是用于 PID控制的子程序 ,與模擬量輸入 /輸出模塊一起使用 ,可以得到類似于使用 PID 過程控制的效果 ,但價(jià)格便宜得多。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程的精確控制 ,PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中正得到越來越廣泛的應(yīng)用 ,下面 以西門子公司 S7200 PLC 為例介紹 PLC 在 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 S7200 PLC 在 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)中 ,常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量 ,無論是使用模擬量控制器的模擬控制系統(tǒng)還是使用計(jì)算機(jī) (包括 PLC) 的數(shù)字控制系統(tǒng) ,PID 控制都得到了廣泛應(yīng)用。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。 （ 4） PID 控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的 PID 算法。特別適于 “ 一階慣性環(huán)節(jié) +純滯后 ” 和 “ 二階慣性環(huán)節(jié) +純滯后 ” 的過程控制對(duì)象。此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。微分（ D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來的信息。其中，比例（ P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速?？梢哉f智能 PID 賦予傳統(tǒng) PID 以新的生命。而實(shí)際工業(yè)對(duì)象具有較大的慣性和純滯后特性，以及其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部不確定性和外部干擾的不確定性，所有這些都給 PID 控制帶來了困難和復(fù)雜性。實(shí)踐證明，這種參數(shù)整定的過程，實(shí)際上是對(duì)比例、積分、微分三部分控制作用的折衷。它的缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。 加入積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，雖然減小了靜差，但是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。積分時(shí)間越大，消除靜差越慢，但可以減小超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為了消除比例調(diào)節(jié)器中的殘存的靜差，可以在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)器雖然簡(jiǎn)單快速，但是對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象存在靜差。 PID 控制器的數(shù)字化 增量式數(shù)字 PID 控制算式為： )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? nnnKnKnnKpnU eeeeee DI(21) 其中， TKKIPTI?, DDPTKKT?,T 為采樣周期。 現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。這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(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。它主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用 ,還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多 ,概括起來有如下兩大類： 一是理論計(jì)算整定法。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大 誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的