PLC温度控制技术演示幻灯片.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,-,稻草人自动化,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,-,稻草人自动化,*,PLC,应用技术,第四章,PLC,温度控制技术,1,-,稻草人自动化,第四章,PLC,温度控制技术,温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。锅炉温度是一个大惯性系统，一般采用,PID,调节进行控制。本章首先介绍温度传感器的使用和,S7-300 PLC,中块的基本概念，然后对,PID,控制器的基本概念进行简单介绍，并结合一个水箱温度控制系统的实例，详细介绍,S7-300 PLC,中,PID,控制器的应用。,2,-,稻草人自动化,4,1,温度的采集,温度采集和压力、流量等一样，是一种工业控制中最普及的应用，它可以直接测量各种生产过程中液体、蒸汽、气体介质和固体表面的温度。常用的有热电阻、热电偶两种方式，此外还有非接触型的红外测温等产品，一个典型的应用例子是钢铁厂中的红外测温设备。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。,3,-,稻草人自动化,4.1.1,温度传感器与选型,温度采集和压力、流量等一样，是一种工业控制中最普及的应用，它可以直接测量各种生产过程中液体、蒸汽、气体介质和固体表面的温度。常用的有热电阻、热电偶两种方式，此外还有非接触型的红外测温等产品，一个典型的应用例子是钢铁厂中的红外测温设备。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。,4,-,稻草人自动化,1.,热电偶,工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。若配接输出,4-20mA,、,0-10V,等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。对于实验室等短距离的应用场合，可以直接把热电偶信号引入,PLC,进行测量。,热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端），接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，而和热电偶的长短粗细无关。,5,-,稻草人自动化,1.,热电偶,根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。装配式热电偶由感温元件（热电偶芯）、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点，适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管，可适合不同使用温度的需要，内部充满高密度氧化绝缘体物质，非常适合于环境恶劣的场合。隔爆式热电偶通常应用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体的场合，如果使用普通热电偶极易引起气体爆炸，则在这种场合必须使用隔爆热电偶。,6,-,稻草人自动化,2.,热电阻,热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。,铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可输出,4-20mA,标准电流信号或,0-10V,标准电压信号，使用起来更为方便。,7,-,稻草人自动化,2.,热电阻,热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。,根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。,铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合,IEC,标准。分度号,Pt100,的含义为在,0,时的名义电阻值为,100,，目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有,Pt10,、,Pt200,、,Pt500,和,Pt1000,等铂热电阻，,Cu50,、,Cu100,的铜热电阻等。,8,-,稻草人自动化,2.,热电阻,本章将要介绍的水箱温度控制系统，传感器采用,Pt100,铂热电阻，型号,WZP-035,，测量温度范围,0-300,。表,4-1,列出了范围为,0-100,的,Pt100,铂热电阻的温度和电阻值的对应关系。,9,-,稻草人自动化,表,4-1,10,-,稻草人自动化,4.1.2,模拟量模块与选型,模拟量模块包括模拟量输入模块,SM331,、模拟量输出模块,SM332,和模拟量输入,/,输出混合模块,SM334,。对模拟量输入模块,SM331,，可选择的输入信号类型有电压型、电流型、电阻型、热电阻型、热电偶型，而模拟量输出模块,SM332,提供有电压和电流两种类型的信号输出。有的,CPU,模块集成了这些信号输入输出功能，如,S7-300,的,CPU313C,模块（订货号,6ES7 313-5BE01-0AB0,），不仅提供,24,路的,DI,输入和,16,路的,DO,输出，而且配置了,5,路模拟量输入和,2,路模拟量信号输出。,11,-,稻草人自动化,1.,模拟量模块的主要特性,表,4-2,、,4-3,列出了模拟量输入模块,SM331,的主要特性，更详细的特性说明请参阅相关技术文档。,12,-,稻草人自动化,1.,表,4-3,表,4-3,模拟量输入模块,SM331,的主要特性,13,-,稻草人自动化,1.,表,4-4,表,4-4,模拟量输出模块,SM332,的主要特性,14,-,稻草人自动化,1.,表,4-5,表,4-5,模拟量输出,/,输出混合模块,SM334,的主要特性,15,-,稻草人自动化,2,模拟量模块的测量信号类型及测量范围设定,由于模拟量输入或输出模块提供有不止一种类型信号的输入或输出，每种信号的测量范围又有多种选择，因此必须对模块信号类型和测量范围进行设定。一般采用,STEP7,软件设定和量程卡设定两种方法。,（,1,）通过,STEP7,软件设定,以,CPU313C,模块为例进行设置。如上所述，,CPU313C,不仅是,CPU,模块，而且提供了功能丰富的输入输出信号，其中模拟量输入第,0-3,通道为电压,/,电流信号输入，第,4,通道为电阻,/,铂电阻输入，其设置在,STEP7,软件中进行，方法为：,在图,4-1,所示的,“,HW Config,”,对话框中，双击,“,AI5/AO2,”,项，打开图,4-2,的,“,Properties,”,属性对话框，该对话框有,“,General,”,、,“,Addresses,”,、,“,Inputs,”,、,“,Outputs,”,四个选项,选中,“,Inputs,”,项，画面如图,4-2,所示。,16,-,稻草人自动化,1.,图,4-1,图,4-1,“,HW Config,”,硬件组态对话框,17,-,稻草人自动化,1.,图,4-1,对于第,0-3,通道，可在,“,Measurement type,”,中选择电压或电流输入，在,“,Measuring range,”,中根据需要选择测量范围，对于电压输入有,0-10V,、,10V,两种选择，对于电流输入有,0-20mA,、,4-20mA,、,20mA,三种选择。第,4,通道为电阻,/,铂电阻测量通道，有,R-2L,、,RTD-2L,两种选择，图中测量类型已选为,RTD-2L,，,PT 100,，用于测量传感器为,PT 100,铂热电阻的温度值。,18,-,稻草人自动化,1.,图,4-2,图,4-2,设置,CPU313C,模块模拟量输入信号的类型及量程,19,-,稻草人自动化,1.,图,4-3,图,4-3,设置,CPU313C,模块输出信号的类型及量程,20,-,稻草人自动化,1.,图,4-3,用同样的方法可对,CPU313C,模拟量输出通道进行设置，可以设置为电压输出或电流输出，对于电压输出有,0-10V,、,10V,两种选择，对于电流输出有,0-20mA,、,4-20mA,、,20mA,三种选择，图,4-3,中第,0,通道设置为电压型，范围,+/-10V,，第,1,通道设置为电流型，范围,4-20mA,。,对于其它类型的模拟量输入,/,输出模块，根据模块的不同特性，其具体设置会各有特点，但其基本方法是一样的。,21,-,稻草人自动化,2,模拟量模块的测量信号类型及测量范围设定,（,2,）配有量程卡的模拟量模块的测量信号类型和测量范围的设定配有量程卡的模拟量模块，其量程卡在供货时已插入模块一侧，如果需要更改量程，必须重新调整量程卡，以更改测量信号的类型和测量范围。,量程卡可以设定为,“,A,”,、,“,B,”,、,“,C,”,、,“,D,”,四个位置，各种测量信号类型和测量范围的设定在模拟量模块上有相应的标记指示，可以根据需要进行设定和调整。,调整量程卡的步骤为：,用锣丝刀将量程卡从模拟量模块中松开；,将量程卡按测量要求和范围正确定位，然后插入模拟量模块中。,22,-,稻草人自动化,3,模拟值的表示,模拟值用二进制补码表示，宽度为,16,位，符号总在最高位。模拟量模块的精度最高为,15,位，如果少于,15,位，则模拟值左移调整，然后才保存到模块中。未用的低位填入,“,0,”,，如表,4-6,所示，表中标有,“,x,”,的位为,“,0,”,或,“,1,”,。,23,-,稻草人自动化,表,4-6,模拟值的精度表示,模拟值的精度表示,24,-,稻草人自动化,表,4-7,电压测量范围,10 V-,1V,的模拟值表示,25,-,稻草人自动化,表,4-8,电流测量范围,为,0-20mA,和,4-20mA,的模拟值表示,26,-,稻草人自动化,表,4-9,标准,Pt x100 RTD,温度传感器的模拟值表示如表,4-9,所示以,CPU313C,模块为例，模拟量精度为,12,位，由表,4-6,可知，十六位数 中最后三位为,0,，因此分辨率,为,08,H,。再由表,4-9,可知，对应的温度分辨率为,0.8,。,对于其它模拟量输入信号的模拟值信号以及模拟量输出信号的表示，参阅相关技术文档。,27,-,稻草人自动化,表,4-9,表,4-9,标准,Pt x100 RTD,温度传感器的模拟值表示,28,-,稻草人自动化,4.2 STEP 7,中的块（二）,STEP 7,中的块主要包括组织块（,OB,）、功能（,FC,）、功能块（,FB,）、系统功能（,SFC,）、系统功能块（,SFB,）、背景数据块（,IDB,）、共享数据块（,SDB,），它们是一些独立的程序或数据单元，在,STEP 7,的,Blocks,文件夹下，如图,4-4,所示。组织块和功能在前面已作介绍，本节主要介绍后面五种块。,29,-,稻草人自动化,图,4-4,图,4-4 STEP 7,中的块,30,-,稻草人自动化,4.2.1,功能块,功能块,FB,（,Function Block,）与功能,FC,（,Function,）一样，都是用户自己编写的程序模块，可以被其它程序块（,OB,、,FC,、,FB,）调用，这与,C,语言中的函数非常类似，而且也有自己的参数。在,FB,中以名称的方式给出的参数称作形式参数（形参），在调用,FB,时给形式参数赋的具体值就是实际参数（实参）。,FB,不同于,FC,的是，,FB,拥有自己的存储区，即后面要介绍的背景数据块，而,FC,没有自己的存储区。在调用任何一个,FB,时，都必须指定一个背景数据块。当调用,FB,时，如果没有传送实参，则将使用背景数据块中保存的值。,31,-,稻草人自动化,1,FB,的创建,创建一个,FB,的方法为：在,Blocks,目录下的右侧空白区域单击右键，在弹出的快捷菜单中选择,“,Insert New Object,”,-,“,Function Block,”,，如图,4-5,所示，即插入了一个,FB,，这时弹出如图,4-6,所示的对话框，只要填入,FB,的名称如,FB1,、输入符号名和注释，并选择编程语言，如,LAD,，单击,OK,，就完成了功能块,FB1,的插入和属性设置。,32,-,稻草人自动化,图,4-5,图,4-5,在,Blocks,目录下插入一个,FB,33,-,稻草人自动化,图,4-6,图,4-6 FB,属性设置对话框,34,-,稻草人自动化,图,4-7,在,Blocks,目录下双击,FB1,，打开如图,4-7,梯型图编辑器画面，右上半部分是变量声明表，右下半部分是程序指令区，左边是指令列表。变量声明表示出了,FB1,的参数和变量类型设置界面，用于声明本块中专用的变量即局域变量，包括块的形参和参数的属性。通过设置,IN,（输入变量）、,OUT,（输出变量）和,IN_OUT,（输入,/,输出变量），声明块调用时的软件接口（即形参）。临时变量（,TEMP,）在声明后在局域数据堆栈中开辟有有效的存储空间。,STAT,（静态变量）是,FB,特有的，是为配合使用背景数据块而保留的空间。用户在功能块中声明的变量，除临时变量外，它们将自动出现在功能块对应的背景数据块中。,35,-,稻草人自动化,图,4-7,图,4-7 FB,编辑器界面,36,-,稻草人自动化,2,变量的创建,在图,4-7,中，变量声明表左边给出了该表的总体结构，点击某一变量类型，例如,IN,，在表的右边将显示出该类型变量的详细信息，用户可以在这里创建变量。如图,4-8,所示，在,IN,类型中建立了,Motor_On,、,Motor_Off,、,Motor_Timer,三个变量，在,OUT,类型中建立了变量,Motor_Working,，在,STAT,类型中建立了静态变量,Delay_Time,在,TEMP,类型中建立了临时变量,Temp_Off,，所有变量均作了注释。,37,-,稻草人自动化,图,4-8,（,1-2,）,在变量声明表中建立变量,图,4-8-1,图,4-8-2,38,-,稻草人自动化,图,4-8,（,3-4,）,在变量声明表中建立变量,图,4-8-3,图,4-8-4,39,-,稻草人自动化,功能块的说明,下面是对图,4-8,中所示功能块,5,种类型变量的使用说明：,（,1,）,IN,（输入变量）：由调用,FB,的块提供的输入参数；,（,2,）,OUT,（输出变量）：返回给调用,FB,的块的输出参数；,（,3,）,IN_OUT,（输入,/,输出变量）：初值由调用,FB,的块提供，被,FB,修改后返回给调用它的块；,（,4,）,TEMP,（临时变量）：暂时保存在局域数据区中的变量，只在使用块时使用临时变量，执行完后不再保存临时变量的数值。,（,5,）,STAT,（静态变量）：在功能块的背景数据块中使用。关闭功能块后，其静态数据保持不变。功能,FC,没有静态变量。,需要注意的是，在变量声明表中输入各种参数时，不需要指定存储器地址，只要选择了各变量的数据类型，,STEP7,会自动为所有局域变量指定存储器地址。,40,-,稻草人自动化,3,编制,FB,程序,在图,4-7 FB,编辑器界面的右下半部分是程序指令区，用户可以在这里输入程序。以电机启停控制的功能块,FB1,为例，要求输入启动信号后电机运行状态为,True,，输入停止信号并经一定延时后电机运行状态为,False,。功能块中用到的各变量在图,4-8,中都已建立。,LAD,程序如下所示：,41,-,稻草人自动化,Network(pg1),42,-,稻草人自动化,Network(pg2-3),43,-,稻草人自动化,3,编制,FB,程序,在,FB,编辑器中编好的,FB,程序，可以在其它程序中进行调用。图,4-9,是在,OB1,中调用的一个实例，可以在图形编辑器左侧指令列表的,“,FB blocks,”,下找到,“,FB1 Motor Control,”,功能块，把它直接拖到,OB1,程序编辑区中即可。注意要指定背景数据块，这部分内容在,4.2.4,背景数据块中进行讲解。,44,-,稻草人自动化,图,4-9,FB,的调用,45,-,稻草人自动化,4,2,2,系统功能,系统功能,SFC,（,System Function,）是预先编好的固化在,S7,系列,CPU,中的程序，是可供用户程序调用的,FC,，因此称为,“,系统功能,”,。与,FC,相同，,SFC,不具有存储能力。通常,SFC,提供一些系统级的功能调用，如通讯功能、时间功能、块传送功能等。,SFC,与下面将要介绍的系统功能块,SFB,的差别是，,SFC,没有存储功能。,各种具体的,CPU,支持的,SFC,是不同的，用户可以通过查阅相关,CPU,技术文档了解这方面的详细信息和资料。,46,-,稻草人自动化,4,2,3,系统功能块,系统功能块,SFB,（,System Function Block,）与系统功能,SFC,一样，是为用户提供的固化在,S7,系列,CPU,操作系统中的,FB,。,SFB,作为操作系统的一部分，不占用户程序空间。在用户程序中可以调用这些块，但用户不能进行修改。,与,FB,相同，,SFB,也是,“,具有存储能力,”,的块。用户调用,SFB,时也必须为,SFB,生成背景数据块，或指定背景数据块名，由系统自动生成背景数据块。,SFB,提供一些系统级的功能调用，如,PID,功能块,SFB41,、,SFB42,、,SFB43,。关于,PID,部分内容将在本章后部分内容中作详细介绍，关于其它,SFB,，可通过查阅相关,CPU,技术文档了解这方面的详细信息和资料。,47,-,稻草人自动化,4,2,4,背景数据块,S7,系列,PLC,具有强大的数据块功能。数据块是用于存放执行用户程序所需变量的数据区，分为背景数据块,IDB,（,Instance Data Block,）和共享数据块,SDB,（,Shared Data Block,）。,STEP 7,按数据生成的顺序自动为数据块中的变量分配地址。,IDB,是与,FB,相关联的，只能用来被指定的,FB,访问，因此在创建,IDB,时，必须指定它所属的,FB,，并且该,FB,必须已经存在。在调用一个,FB,时，也必须指明,IDB,的编号或符号。,48,-,稻草人自动化,1,在,Blocks,目录下创建背景数据块,IDB,背景数据块,IDB,中的数据信息是自动生成的，它们是,FB,变量声明表中的内容（不包括临时变量,TEMP,），也即应首先生成功能块,FB,，然后生成它的的背景数据块。功能块,FB,建好后，创建背景数据块的方法为：,在,Blocks,目录下的右侧空白区域单击右键，在弹出的快捷菜单中选择,“,Insert New Object,”,-,“,Data Block,”,插入一个,DB,，弹出如图,4-10,所示的对话框。在,“,Name and type,”,中填入名称为,DB4,、选择背景数据块,“,Instance DB,”,和上面已经建立的功能块,“,FB1,”,，单击,OK,，即完成背景数据块的插入和属性设置。,49,-,稻草人自动化,1,在,Blocks,目录下创建背景数据块,IDB,这时双击,Blocks,中已生成的,DB4,，可以看到,DB4,中已经自动生成了数据，如图,4-11,所示。注意，,DB4,中的内容与功能块,FB1,变量声明表中定义的内容完全一致（临时变量,TEMP,除外）。,可以对图,4-11,中的参数进行修改。背景数据块有两种显示方式：数据显示,“,Data View,”,方式和声明表显示,“,Declaration View,”,方式。点击菜单,View,，若选中数据显示方式,“,Data View,”,选项，可对参数进行修改，如可把定时器的参数,“,Actual Value,”,改为,1000mS,；若选中声明表显示方式,“,Declaration View,”,选项，则不能修改数据,.,。,50,-,稻草人自动化,2,调用,FB,时自动创建背景数据块,IDB,除了按以上方法在,Blocks,文件夹中创建,IDB,，也可以在调用,FB,时自动创建,IDB,。在图,4-9,调用,FB1,时输入背景数据块名称为,DB5,，而这时在,Blocks,目录中并没有名为,DB5,的背景数据块，因此这时系统提示是否自动创建背景数据块，选择自动创建，则在,Blocks,目录中就自动创建了一个背景数据块,FB5,。双击把它打开，并把定时器的参数,“,Actual Value,”,改为,2000mS,。其内容如图,4-12,所示。,51,-,稻草人自动化,图,4-10,创建背景数据块,52,-,稻草人自动化,图,4-(11-12),背景数据块,DB4,中的数据,背景数据块,DB5,中的数据,53,-,稻草人自动化,图,4-13,一个,FB,可以和多个背景数据块相对应，这非常适合于生产工艺相同但配方或生产过程不同的场合。如上例，背景数据块,DB4,和,DB5,的定时器参数不同，调用背景数据,DB5,如图,4-9,，调用背景数据,DB4,如图,4-13,，两者实现的电机停止延时控制过程是不一样的。,需要注意的是，,SFB,虽然是由操作系统提供的，但其背景数据块仍需由用户生成。可以采用上面介绍的两种方法之一。,54,-,稻草人自动化,图,4-13,背景数据块,DB4,的调用,55,-,稻草人自动化,4,2,5,共享数据块,共享数据块,SDB,存储的是全局数据，可被所有的,OB,、,FC,、,FB,读取或将数据写入到,SDB,。与,IDB,一样，,SDB,中的数据是不会被删除的，即具有数据保存功能，其数据的容量与具体的,PLC,有关。,SDB,的生成步骤与,IDB,基本相同。在,Blocks,目录下的右侧空白区域单击右键，在弹出的快捷菜单中选择,“,Insert New Object,”,-,“,Data Block,”,插入一个,DB,，弹出如图,4-14,所示的对话框，在,“,Name and type,”,中填入名称为,SDB1,，选择,Shared Data Block,，则,FB,选项框自动变灰不能选择。,56,-,稻草人自动化,图,4-14,创建共享数据块,SDB,57,-,稻草人自动化,说明,(1),双击,SDB1,，自动打开数据编辑器。共享数据块与背景数据块不同，数据不会自动生成，变量名和数据类型必须一一输入，地址则是自动生成；为提高效率，也可以采用,ARRAY,等复杂数据类型。在菜单,View,中可采用,“,Declaration View,”,声明表显示和,“,Data View,”,数据显示两种方式显示数据，分别如图,4-15,和,4-16,所示。,58,-,稻草人自动化,说明,(2),声明表显示方式用于定义和修改共享数据块中的变量，指定它们的名称、类型和初值并可输入注释，,STEP 7,根据数据类型给出默认的初值，用户可以修改，地址由,CPU,自动指定。图中采用了数组,ARRAY1.20,，其创建方法为：先在,“,Name,”,列输入名称，再在,“,Type,”,中选择,ARRAY,类型，在,“,”,中输入数组的大小，并在下一行紧接着选择数据类型，如,INT,。,数据显示方式下显示声明表中的全部信息和变量的实际值，用户只能改变每个元素的实际值。复杂数据类型变量的元素如数组中的各元素用全名列出。在数据显示状态下用菜单,“,Edit,”,下的,“,Inicialize Data Block,”,可使变量恢复为初始值。,59,-,稻草人自动化,图,4-15,声明表显示方式下的共享数据块,SDB1,60,-,稻草人自动化,图,4-16,数据显示方式下的共享数据块,SDB1,61,-,稻草人自动化,4,2,6,工程数值换算功能,FC105,的应用,工程数值换算功能,FC105,用来将一个输入的整型值（例如模拟量,I/O,格式的整型值）转换为实型值，在工程中具有广泛的应用。,FC105,输入输出参数关系如表,4-10,。,62,-,稻草人自动化,表,4-10,FC105,输入输出参数关系,63,-,稻草人自动化,4,2,6,工程数值换算功能,FC105,的应用,FC105,的数值换算公式为：,OUT,=(,FLOAT,),IN,-,K1,)/(,K2,-,K1,)*(,HI_LIM-LO_LIM,)+,LO_LIM,对双极性，输入值范围为,-27648,到,27648,，对应,K1,=-27648,，,K2,=+27648,，,对单极性，输入值范围为,0,到,27648,，对应,K1,=0,，,K2,=+27648,。,图,4-17,是用,FC105,进行室温温度转换的一个实例，参数设置如下：,采用单极性，即,BIPOLAR=0,因此,K1,=0,，,K2,=+27648.0,程序中设定,HI_LIM,=2764.8,，,LO_LLM,=0,输入信号,IN,来自,CPU313C,模块的模拟量输入第,4,通道，为铂电阻输入信号，采样的是环境温度值，数值为,304,，通过,FC105,变换后，得到实际温度值为,30.4,。,64,-,稻草人自动化,图,4-17,用,FC105,进行温度转换应用实例,65,-,稻草人自动化,4,3 PID,控制原理,4,3,1 PID,控制器基本概念,在过程控制中，按偏差的比例（,P,）、积分（,I,）和微分（,D,）进行控制的,PID,控制器（亦称,PID,调节器）是应用最广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数选定比较简单，调整方便等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象,“,一阶滞后纯滞后,”,与,“,二阶滞后纯滞后,”,的控制对象，,PID,控制器是一种最优控制。,PID,调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（如可为,PI,调节，,PD,调节，等）。长期以来，,PID,控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。,PID,控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用,PID,控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用,PID,控制技术。,66,-,稻草人自动化,4,3,1 PID,控制器基本概念,1,比例（,P,）控制,比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（,Steady-state error,）。,2,积分（,I,）控制,在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（,System with Steady-state Error,）。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入,“,积分项,”,。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例,+,积分,(PI),控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。,67,-,稻草人自动化,4,3,1 PID,控制器基本概念,3,微分（,D,）控制,在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后,(delay),组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化,“,超前,”,，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入,“,比例,”,项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是,“,微分项,”,，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例,+,微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例,+,微分,(PD),控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。,68,-,稻草人自动化,4,3,2,闭环控制系统特点,控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统,(Open-loop Control System),是指被控对象的输出,(,被控制量,),对控制器,(controller),的输出没有影响，在这种控制系统中,不依赖将被控制量反送回来以形成任何闭环回路。闭环控制系统,(Closed-loop Control System),的特点是系统被控对象的输出,(,被控制量,),会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈,(Negative Feedback),；若极性相同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。,69,-,稻草人自动化,4,3,2,闭环控制系统特点,PID,就是应用最广泛的闭环控制器。如图,4-18,所示系统是用于电厂化学水加药系统的,PID,闭环控制系统，常用的有加氨、加联氨、加磷酸盐等多种方法。以加磷酸盐进行协调磷酸盐处理的闭环控制系统为例，系统目标设定值为期望的磷酸盐指标，闭环控制器的反馈值通过化学仪表（磷表）测得，并经,A/D,变换转换为数字量；目标设定值与磷表的反馈信号相减，其差送入,PID,控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行,D/A,变换，输出一个电流信号去控制加药变频器的输入频率，并进而控制加药电机的转速，以控制加药泵的输出流量。该系统的,PID,控制器一般采用,PLC,提供的专用模块，也可以采用编程的方法（如,PLC,编程、高级语言编程或组态软件编程等）生成一个数字,PID,控制器。同时，其它功能如,A/D,、,D/A,都由,PLC,实现，磷表的反馈信号直接送,PLC,采集，控制加药变频器的电流信号也由,PLC,送出，去控制加药变频器的频率，进而控制加药泵的输出量，从而达到控制磷酸盐加药量的目的。,70,-,稻草人自动化,图,4-18,电厂化学水加药系统的闭环控制系统应用实例,71,-,稻草人自动化,4,3,3 PID,控制器的参数整定,PID,控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性，确定,PID,控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。,PID,控制器参数整定的方法很多,概括起来有如下两大类：,一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用,还必须通过工程实际进行调整和修改。,二是工程整定法。它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。,PID,控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。,现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行,PID,控制器参数的整定步骤如下：,(1),首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；,(2),仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；,(3),在一定的控制度下通过公式计算得到,PID,控制器的参数,。,72,-,稻草人自动化,4,3,3 PID,控制器的参数整定,连续系统,PID,控制器的输出为：,U(s)=K.(1+1/T1s+TDs)E(s),增量式数字,PID,控制算式为：,其中，,，为采样周期。,比例调节器对于偏差是及时反应的，一旦偏差产生，调节器立即产生控制作用，使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但是对于具有自平衡性的控制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但过大的比例系数可能导致系统动荡而处于闭环不稳定状态。,为了消除比例调节器中的残存的静差，可以在比例调节的基础上加入积分调节。积分时间大，则积分作用弱，反之积分作用强。积分时间越大，消除静差越慢，但可以减小超调，提高系统的稳定性。但它的不足之处在于积分作用存在滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。,73,-,稻草人自动化,4,3,3 PID,控制器的参数整定,加入积分调节环节，虽然减小了静差，但是降低了系统的响应速度。加入微分环节，能敏感出误差的变化趋势，将有助于减小超调，克服系统震荡，使系统趋于稳定，能改善系统的动态性能。它的缺点是对干扰同样敏感，使系统抑制干扰的能力降低。根据不同的控制对象适当地整定,PID,的三个参数，可以获得比较满意的控制效果。实践证明，这种参数整定的过程，实际上是对比例、积分、微分三部分控制作用的折衷。但是，,PID,本质上是一种线性控制器，并且上面讨论时是忽略了纯滞后时间的，实际系统中，如果（是纯滞后时间，是系统总的惯性时间常数），用,PID,控制器的效果就不理想了。而实际工业对象具有较大的惯性和纯滞后特性，以及其动力学系统的内部不确定性和外部干扰的不确定性，所有这些都给,PID,控制带来了困难和复杂性。,一般来说，要获得满意的控制性能，单纯采用线性控制方式还是不够的，还必须引进一些非线性控制方式，采取灵活有效的手段，如变增益、智能积分、智能采样等多种途径，主要依靠专家经验、启发式直观判断、直觉推理等智能控制方法，有利于解决系统控制中的稳定性和准确性的矛盾。可以说智能,PID,赋予传统,PID,以新的生命。,74,-,稻草人自动化,4,3,5 PID,控制器的主要优点,PID,控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：,（,1,）,PID,算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比例（,P,）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。微分（,D,）在信号变化时有超前控制作用，代表将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分（,I,）代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。此三种作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。,（,2,）,PID,控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。特别适于,“,一阶惯性环节,+,纯滞后,”,和,“,二阶惯性环节,+,纯滞后,”,的过程控制对象。,（,3,）,PID,算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。,75,-,稻草人自动化,4,3,5 PID,控制器的主要优点,（,4,）,PID,控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的,PID,算法。例如，为了克服微分带来的高频干扰的滤波,PID,控制，为克服大偏差时出现饱和超调的,PID,积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益,PID,控制，等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能,PID,控制方法。,76,-,稻草人自动化,4,4 PID,指令及应用,S7-300,及,400,提供有,PID,控制功能块来实现,PID,控制。,STEP7,提供了系统功能块,SFB41,、,SFB42,、,SFB43,实现,PID,闭环控制