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基于PLC和变频器的包装印刷机控制系统的设计 基于PLC和变频器为核心的包装印刷机控制系统的设计姓 名 系 名 专 业 指导老师 5月 6日摘 要利用模拟或数字载体将媒质( 如色料) 转移到承印物上的过程, 叫做印刷。印刷是获得高质量, 大批量印刷品的最重要的复制过程, 卷筒纸胶印机主要用来印刷杂志, 报纸等印刷品, 它的产品质量取决于张力控制。现代印刷机几乎无一例外地采用了变频器张力控制系统, 这种控制方式的特点是: 运行可靠、 机械磨损小、 控制精度高, 适用于高速多套色凹版印刷机。经过本人在日邦印刷厂实习经历和对凹版印刷机的接触与了解, 理论结合实践, PLC, 变频器, 通信技术构建一个以PLC和变频器为核心的完整的卷筒纸胶印机张力控制系统论文主要内容如下: 1概述了变频器与PLC的工作原理和性能; 2推导了浮辊检测系统模型、 变频器交流异步电动机传动模型, 完善了收放料装置的动力学模型、 张力模型、 收料张力控制模型; 3在数学模型的基础上, 开发了系统控制应用程序。4编写出PLC与变频器自由口通信协议, 得出新型的控制方案。关键词: 印刷机; 张力控制; 变频器; PLCAbstractVector using analogue or digital media (eg, pigment) transferred to the substrates on the process, called the printing. Printing is to obtain high-quality, high-volume printed copy of the most important process, web offset press is mainly used to print magazines, newspapers and other printed matter, it depends on the tension control product quality. Modern web offset press has generally followed the transducer tension control system, this control method is characterized by: Run a reliable, mechanical wear is small, high control accuracy. Through my internship in the print factory of the contacts and understanding to integrate theory with practice, through plc, converters, communications and other technology to build a PLC and inverter as the core of a complete web-fed offset press Tension Control System . 1. An overview of inverters and PLC working principle and performance; 2. Derivation of the dancing roller inspection system model, and improved dynamic model Unwinding tension model; 3. In the mathematical model developed on the basis of the system control applications. First, PID control algorithm is used for the control strategy to verify the model is reasonable.Through the completion of the above paper in order to achieve constant tension control, the purpose of improving print quality to meet production needs.Key Words: Tension control; inverter; PLC目录摘 要IVAbstractV第1章 绪论31.11.1课题背景31.1.1 凹版印刷机工艺以及印刷原理31.1.2 凹版印刷机的发展历史31.2 课题的国内外研究现状31.2.1 三电机张力控制系统介绍31.2.2 PLC控制变频调速系统41.3 论文的研究目的和内容41.4 论文结构5第2章 系统总体设计方案62.1 印刷机控制系统的基本设计步骤和设计功能62.1.1 基本设计步骤62.1.2 印刷机变频器控制系统的基本设计功能62.2 基本工作流程72.3 系统的组成方案7第3章 系统的硬件选择及接线原理101.23.1硬件选择103.1.1 电动机103.1.2 张力传感器103.1.3 变频器113.1.4 PLC的选取123.1.5 热继电器的选择123.2 系统的硬件接线123.2.1 系统主电路接线图133.2.2 PLC的I/O分配表133.2.3 PLC外部I/O连接143.2.4 收卷、 放卷变频器(前后牵引变频器)端子接线图143.2.5 主牵引变频器端子接线图16第4章 系统软件设计174.1 系统的软件设计174.1.1 系统总流程图174.1.2 三菱PLC的PID设定184.2 系统梯形图22结论25参考文献26附录一27附录二42附录三43致谢46不要删除行尾的分节符, 此行不会被打印千万不要删除行尾的分节符, 此行不会被打印。在目录上点右键”更新域”, 然后”更新整个目录”。打印前, 不要忘记把上面”Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 1.1课题背景本文来源于对外包装印刷机生产设计实例的研究, 目的是进一步完善一套基于可编程控制器(PLC)技术与变频器技术的电机张力控制系统。1.1.1 凹版印刷机工艺以及印刷原理 凹版印刷方式作为包装印刷市场上最好的印刷方式泛的被应用, 因为对于被用为包装材料的的薄膜、 纸、 铝箔和除此之外的其它材料, 都能够使用该类型的印刷机对其进行印制。此种印刷方式具有以下优点: 1印刷油墨层厚实, 图像色泽好, 层次丰富, 效果高清。 2印刷品无缝隙, 广泛应用于印制连续图印刷品的工业生产中。 3印刷系统使用周期长, 而且具有故障报警维修的特性。 4此种印刷方法对油品要求较低, 因此能够对多种材质的印刷物进行印刷。1.1.2 凹版印刷机的发展历史20世纪五十年代在中国上海建业义华机器制造股份有限公司制成了第一台凹版印刷机。20世纪七十年代上海人民机器厂制成单张纸单色凹印机, 二十世纪八十年代北京人民机器厂制成卷筒纸四色凹印机。随后一些工厂也制成了印刷塑料薄膜的卷筒材料凹印机。凹印机在中国的生产数量不是太多, 品种相对也较少, 在印刷工业中凹版印刷这种印制方式占的比重也比较小。1.2 课题的国内外研究现状19世纪以来, 凹版印刷机的发展经历了如下几个发展阶段。无论在生产率方面还是在操作自动化方面, 都在不断的提高和改进。体现在张力控制方面表现为经历了磁粉张力系统交流电动机变频调速控制系统伺服电动机无轴控制系统几个发展阶段。在中国, 变频驱动系统才起步不久, 在伺服电机无轴驱动方面的研究也不多, 本文基于这种原因, 以变频驱动的凹版印刷机为研究对象, 基于三电机张力控制系统进行理论研究工作, 为以后的五轴驱动开发打下坚实的基础。1.2.1 三电机张力控制系统介绍凹版印刷机控制系统主要是由可编程控制器与三台变频器(分别控制放卷电机、 收卷电机和主电机)组成的, 这种控制方式简称为三电机同步控制方式。实际应用中采用PC机或者可编程控制器作为上位机, 以一台或多台PLC作为下位机, 每台下位机经过PLC扩展模块与若干台智能设备进行通信, 从而实现分布式控制, 能够实现复杂的控制功能。当前最为领先的控制系统当属使用单台可编程控制器, 经过数字量输出控制三个变频器的启动或者停止, 经过模拟量输出扩展模块EM232调整变频器的运转速度指令。这样就节约了可编程控制器通信网络的自身成本, 可是PLC的输入输出点数是有限制的, 使用扩展模块控制变频器影响了整机的功能扩展而且由于模块的模拟量数字量转换影响系统的运行速度。1.2.2 PLC控制变频调速系统由变频器、 电机和可编程控制器组成的印刷机控制系统, 经过控制驱动印刷版筒的主电机以及放卷和收卷两个个电机的线速度同步来达到张力的稳定, 具有影响反应速度的特点, 而且能够提供良好的设定功能, 以满足各种材料的工艺特性。最近几年, 因为变频器的应用范围越来越宽, 而且各个厂家生产的变频器所具有的技术也在日益完善, 因此使用变频器对电动机的电源进行改造已经成为提高能源利用率, 进一步节约能源的主要方法。n60f(1s)/p (1-1)表1-1 式1-1中各量含义式中变量所代表的含义(单位)n电动机的转速(rad/min)f电动机的频率(Hz)s电动机的转差率P电动机的极对数 表1-1为式(1-1)各变量的物理意义。转速n与频率f成正比, 频率f的改变会导致电机速度的变换, 当频率f在050Hz变化的通用范围内时, 转速的变换将会有着很大的幅度和范围。而我们一般所用的变频调速的原理就是经过频率在电源上的改变实现的。交流与直流的转换是变频器的特点, 首先经过转换我们平常见的50Hz频率的交流电变成方向不改变的直流电, 然后经过逆变再变回交流电, 其电压与频率均可控制。1.3 论文的研究目的和内容凹版印刷机是一个复杂的控制对象, 主要表现在几个方面: 首先, 几个环节彼此相关性强, 其中一个环节的张力发生变化, 其它环节的张力也会随之产生变化; 其次, 因为印刷材料的材质不同, 纸卷不圆或纸张的不均匀, 印刷滚筒的凹槽或其它因素都会引起纸带张力的波动; 最后, 各种外界因素(例如机器拖动不稳定)也可能影响到整个系统的工作状态。因此说印刷机系统是一个复杂的控制系统, 本文着重叙述了凹版印刷机的工作过程, 工作原理, 控制系统设计等针对基于PLC的变频器控制凹版印刷机电机转动, 从而达到令张力恒定的目的。以便获得更高品质的印刷制品。本论文的主要工作如下: 本系统将 PLC与变频器有机地结合起来, 采用以被印刷材料的张力数值为主控参数, 实现对印刷机的张力的有效控制, 使印刷机制品达到理想的效果。PLC控制系统具有对印刷机的电机过热保护、 故障报警等功能特点, 为印刷机控制系统提供一条新途径。在介绍印刷机基本结构的基础上, 深入分析了印刷机的工作原理, 阐述了PLC的优点及特点, 重点分析了印刷机的硬件设计和软件设计, 研究并提出了基于PLC凹版印刷机变频器控制系统设计的实现方案。1.4 论文结构论文主要分为个部分: 第一章为绪论, 主要介绍了凹版印刷机的发展历史, 论文的主要研究目的, 论文的研究意义。第二章介绍了印刷机控制系统的总体设计方案, 整个系统需要完成的设计功能。第三章阐述了系统各部分的硬件构成及原理。第四章着重介绍了PID模块的软件编写, 及部分软件设计。第2章 系统总体设计方案2.1 印刷机控制系统的基本设计步骤和设计功能2.1.1 基本设计步骤基于PLC的设计, 首先要确定控制对象及其控制范围, 接下来, 要对PLC的型号进行选定, 针对控制对象的要求, 分配I/O点数。下面分为两个部分, 分别为软件设计和硬件电路的设计, 首先进行硬件设计, 包括外部电路的设计和对PLC的安装配线。软件设计包括对程序的设计和程序编完成以后对程序的调试, 如果程序调试没有经过, 那么就会回到程序编写上来。当硬件和软件编写工作完成之后, 进行工控现场的调试, 根据设计是否符合要求, 调整硬件或者软件, 依次来完成设计要求。基于PLC系统的设计步骤图如图2-1所示。图2-1 系统的设计步骤2.1.2 印刷机变频器控制系统的基本设计功能本设计为满足凹版印刷机张力恒定的要求, 系统的具体设计要求如下: 1本系统的控制对象为对凹版印刷机的变频器进行控制, 进而对整个印刷机各环节的张力进行控制。2本系统为手动和自动两种工作模式, 具有故障报警、 运行指示灯、 控制电机的加速、 减速等功能。3运用张力传感器测定运行系统的张力, 当张力数值超过设定报警上限时, 发出报警信号。当张力数值介于设定数值之间时, 将张力信号转化为电信号输入经PID运算后, 输出给变频器, 控制电动机的运行。2.2 基本工作流程 1在整个系统开始工作之前先按下警铃按钮, 此时是为了避免出现不必要的意外事故。2按下启动按钮, 此时控制凹版印刷机印刷部分的主电机还不开始运行, 而控制前牵引和后牵引的将根据张力传感器所测的张力值大小, 经过张力传感器将张力变化的大小转换为电信号反馈到PLC当中进行比例、 积分、 微分运算后, 再输出给前牵引变频器和后牵引变频器, 经过编码器, 对张力进行进一步的调节。3当印制品的前牵引和后牵引处的张力都达到稳定时, 主牵引才开始运转。4按下加速按钮, 此时主牵引才进行启动加速。5当线速度达到10-15米/分钟的时候, 才对主牵引停止加速, 当人工调节印刷套准之后达到套准要求, 再次按下加速按钮继续加速运行。6前牵引和后牵引初的张力传感器在整个控制过程都检测所在处的张力值是否发生变化, 目的将张力的大小调节到稳定平衡的状态。2.3 系统的组成方案整机控制采用三菱FX2N-16MR系列PLC、 变频器以及张力传感器组成的闭环控制系统。张力传感器将当前的张力转化为电信号, 以模拟信号反馈给可编程控制器; 此时, PLC根据任务要求以及自身程序, 计算出相应输出, 经过自由口通信读取变频器工作状态, 并向变频器发出指令, 保证各个电机工作在同步状态, 使张力保持稳定。系统示意图如图2-2所示, 整台机器的张力控制实际分为三段张力: 放卷、 收卷、 印刷。其中可编程控制器为整个系统组成的核心部分。系统中主要执行元件动作均由可编程控制器输出点控制, PLC根据设计要求, 时刻调整输出指令。图2-2 系统示意图变频器的工作原理如图2-3所示, 将动力电源经过三相全波整流、 直流平滑以后, 经过脉宽调制方式对逆变电路的半导体开关元件进行开启或者关断, 而且经过调整输出脉冲的宽度, 将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源, 来实现对异步电动机的调速控制。图2-3 变频器的结构框图系统上电之后, 可编程控制器即开始扫描各个输入点的状态, 而且检查通信接口是否可用。当连接至PLC 的开关量输入端的启动、 加速等按钮依次动作以后,PLC根据用户编写的程序, 向变频器发送指令。在PLC发送数据包中, 速度指令对应着变频器的模拟量指令输入, 变频器正是根据这个指令来调整PWM控制电路的输出。当张力发生变化(如材料松紧程度、 机器运行速度、 收放卷直径的大小等影响因素), 张力传感器作用, 经过张力传感器转化为电信号把引力信号反馈到PLC进行PID运算后, 输出给前牵引变频器和后牵引变频器, 进行张力调节, 在主牵引运转前薄膜的张力就达到稳定。进而达到张力的稳定。如图2-4所示为基于PLC与变频器的恒张力控制过程示意图。图2-4 基于PLC与变频器的恒张力控制过程示意图第3章 系统的硬件选择及接线原理1.2 3.1硬件选择基于凹版印刷机系统的特点, 需要选择规格一定的电动机、 传感器、 PLC以及变频器, 本节主要介绍硬件的选择过程。3.1.1 电动机本论文中的电动机用于牵引印刷材质, 达到放入印刷系统和从印刷系统中卷取后取出的目的, 同时经过电机的转速达到对整个系统的加速减速的目的, 因此采用交流三相异步电动机, 选取的交流电动机的规格为额定电压为380v、 额定功率为3000w、 转数为3000r/min。下面的简要的介绍一下三相异步交流电动机: 1工作原理: 当电动机的三项定子绕组(各相差120度电角度), 通入三项交流电后, 将产生一个旋转磁场, 该旋转磁场切割转子绕组, 从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路), 载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力, 从而在电机转轴上形成电磁转矩, 驱动电动机旋转, 而且电机旋转方向与旋转磁场方向相同3。图3-1 三相异步电动机的基本构造图3.1.2 张力传感器张力传感器在印刷机变频器控制系统中的作用为: 卷筒纸印刷时, 应保证纸带在印刷过程中张力大小保持恒定不变。原因有三点: 首先, 张力太小会导致纸带松弛、 褶皱、 套印不准等弊病发生; 其次, 张力过大, 会增加机器的负荷和增加纸带的应力, 且超过其强度极限就会断裂; 最后, 张力不稳定, 纸带会发生跳动, 以至于会出现套印不准、 重影等问题。特别是机器启动、 停车时, 张力不稳, 会造成断纸、 拥纸等影响印刷质量的问题。基于以上问题, 本文采用的是测量压力的电位器式压力传感器, 其原理为当张力发生改变时将压力传递给弹簧管, 此时弹簧管发生一定的角位移, 接着电位器产生一个数值的变化, 电阻值也随之改变, 得到一个电压信号, 传递给PLC进行下一步的工作。工作原理如图3-2。图3-2 压力传感器工作原理根据系统设计要求选取施密特公司的TSB1,此款传感器的特点为连续测量低高张力范围的胶片、 绷带、 塑料薄膜等宽体材料的张力。五个张力范围可选: 从0-100cN到0- cN, 导线轮的宽度可在下7mm到20mm之间调节轮子的宽度应与被测材料的宽度相匹配。3.1.3 变频器首先经过转换我们平常见的50Hz频率的交流电变成方向不改变的直流电, 然后经过逆变再变回交流电, 其电压与频率均可控制。本次设计中采用模拟量控制变频器, 三菱PLC有许多的特殊功能模块, 而模拟量模块则是其中的一种, 它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出, 这种转换具有较高的精度。在设计一个控制系统时, 常常会需要对电机的速度进行控制, 利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法4。1模拟量模块输出信号的选择: 经过对模拟量模块连接端子的选择, 能够得到两种信号, 010V或05V电压信号以及420mA电流信号。这里选择0-10V的信号进行控制变频器。 2模拟量模块的增益及偏置调节: 模块的增益可设定为任意值。然而如果要得到最大12位的分辨率可使用04000。可对模块进行偏置调节, 例如数字量04000对应0-10V。本次设计中选取的三个变频器均为MD320型号的, 根据所带动电机的适配功率不同, 分别选择了MD320T7.5GB的变频器和MD320T3.7GB的变频器。1主牵引变频器: 根据系统设计要求选用深圳汇川MD320T7.5GB变频器: 此种变频器含有一个高速脉冲输出端子(可选为开路集电极式), 0kHz50kHz的方波信号输出, 可实现设定频率、 输出频率等物理量的输出。一个数字式输出端子(可扩展至两个)一个继电器输出端子(可扩展至两个)一个模拟输出端子(可扩展至两个), 分别可选0/4mA20mA或0/2V10V, 可实现设定频率、 输出频率等物理量的输出。MD320系列的输入输出端子数: 5个DI(双向输入, 1个高速口), 2个AI, 2个DO(1个高速口), 1个AO, 1个继电器(可扩展I/O)。2收卷、 放卷变频器: 都选用深圳汇川MD320Y3.7GB变频器: 此种变频器输入电压: 单相220V、 三相380V、 电源容量(KVA): 1.040、 输入电流(A): 5.462、 输出电流(A): 2.369、 适配电机(kW): 0.430。3.1.4 PLC的选取选取三菱FX2N-16MR系列, 8个模拟量输入、 8个继电输出输出。编程指令很强, 运行速度很快, 可适用于要求较高的场合。FX2N 是FX系列中功能最强、 运行速度最快的PLC。基本指令执行时间高达 0.08s, 超过了许多大、 中型 PLC, FX2N 的用户存贮器容量可扩展到16K, FX2N 的I/O点数最大可扩展到256点, FX2N 有多种模拟量输入输出模块、 高速计数器模块、 脉冲输出模块、 位置控制模块、 RSRS-232C/RS232C/RS-422/RS422/RS-485485串行通信模块或功能扩展板、 模拟定时器扩展板等。当这些特殊功能的模块和扩展板被使用时, 能够实现对模拟量的控制、 位置的控制和联网通信等功能。3.1.5 热继电器的选择热继电器的原理为当流入热继电器的电流经过继电器中的热元件而且产生热量时, 热继电器中含有的不同膨胀系数的金属片受热膨胀, 发生变形, 当变形到达一定程度时, 这种变形程度就会使连杆也发生相应的变化, 造成整个电路中的控制电路断开, 电路的断开必然导致整个电路没有通电, 从而主电路也就断开, 此时电动机就停止运行, 这就是利用继电器对电动机实现过载保护的基本原理。根据系统设计要求, 当线路发生故障时, 需要切断电路以保证系统整体不会受到损坏, 因此选取热继电器起到保护系统的作用。3.2 系统的硬件接线本节着重介绍了系统主电路、 PLC接线图、 AD和DA模块的接线图以及变频器端子接线图。3.2.1 系统主电路接线图如图3-3所示, 该印刷机变频器控制系统有三台变频器, 分别拖动三台电动机。合上空气开关后, 当KM1、 KM2、 KM3主触点闭合时, 电动机为变频运行模式, 此时变频器控制电动机的动作, 从而改变当前的张力情况。三个热继电器KR1KR3分别对三台电动机进行保护, 避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。图3-3 系统主电路图3.2.2 PLC的I/O分配表本系统中共有三个输入, 分别为启动按钮SB1、 急停按钮SB2、 加速按钮SB3、 减速按钮SB4、 报警按钮SB5。同时, 具有四个输出, 分别为运行指示灯、 警铃、 前牵引变频器、 后牵引变频器、 主牵引变频器。PLC的I/O分配表如表3-1所示。表3-1 PLC的 I/O接口分配表输入输出序号名称地址序号名称地址1启动按钮SB1X0001运行指示灯Y0012急停按钮SB2X0012警铃Y0023加速按钮SB3X0023主牵引变频器Y0044减速按钮SB4X0034后牵引变频器Y0055报警按钮SB5X0045前牵引变频器Y0063.2.3 PLC外部I/O连接根据设计需求, 选取三菱FX2N-16MR CPU 控制核心FX2N系列可编程控制器。控制规模: 16256点内置8K容量的EEPROM存储器,最大能够扩展到16K, CPU运算处理速度0.550.7S/。基本指令: 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块,基本单元内置2轴独立最高100kHz定(晶体管输出型)拥有四个模拟量输入四个模拟量输出通道。如图3-4为PLC外部接线图以及模拟量输入、 模拟量输出模块接线图, 图中X0X7为八个输入继电器接口, Y0Y7为八个输出继电器接口。3.2.4 收卷、 放卷变频器(前后牵引变频器)端子接线图本文采用深圳汇川MD320T3.7GB, 此变频器的特点为控制方式: 无速度传感器矢量控制、 有速度传感器矢量控制、 V/F控制。控制对象: 速度控制与转矩控制两种。经过多种参数的组合能够精确实现实时控制。PID算法: 先进的PID算法, 响应快速且适应性强。十六段速度控制、 摆频控制广泛应用在拉丝、 线缆、 纺织、 化纤、 电梯、 印刷包装机械、 健身机械、 机床等行业。图3-4 PLC外部I/O接线图MD320系列变频器有丰富的扩展卡选配件, 包括I/O扩展卡、 Modbus卡、 RTU总线卡、 供水扩展卡等。多功能输入输出扩展卡有5个(DI6DI10)多功能数字输入端子, 1个(AI3)模拟量输入端子。如图3-5为前牵引变频器和后牵引变频器的端子接线图。图3-5 前、 后牵引变频器的端子接线图3.2.5 主牵引变频器端子接线图主牵引变频器的端子接线图如下图3-6, 主牵引变频器的作用是控制整个系统运行的主电机, 当前后牵引变频器运行达到稳定时, 按下启动按钮, 此时主变频器才起到控制作用。图3-6 主牵引变频器端子接线图第4章 系统软件设计GX DEVELOPER是三菱PLC的编程软件。适用于Q、 QnU、 QS、 QnA、 AnS、 AnA、 FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、 指令表、 SFC、 ST及FB、 Label语言程序设计, 网络参数设定, 可进行程序的线上更改、 监控及调试, 具有异地读写PLC程序功能。4.1 系统的软件设计 本系统的软件部分由GX DEVELOPER VER.7实现, 编程界面如图4-1所示, 基于三菱FX2N-16MR的PLC进行了印刷机系统变频器控制的设计。图4-1 GX DEVELOPER VER.7编程界面4.1.1 系统总流程图系统的控制流程为: 在整个系统开始工作之前先按下警铃按钮, 此时是为了避免出现不必要的意外事故。按下启动按钮, 此时控制凹版印刷机印刷部分的主电机还不开始运行, 而控制前牵引和后牵引的将根据张力传感器所测的张力值大小, 经过张力传感器将张力变化的大小转换为电信号反馈到PLC当中进行比例、 积分、 微分运算后, 再输出给前牵引变频器和后牵引变频器, 经过编码器, 对张力进行进一步的调节。当印制品的前牵引和后牵引处的张力都达到稳定时, 主牵引才开始运转。按下加速按钮, 此时主牵引才进行启动加速。当线速度达到10-15米/分钟的时候, 才对主牵引停止加速, 当人工调节印刷套准之后达到套准要求, 再次按下加速按钮继续加速运行。前牵引和后牵引初的张力传感器在整个控制过程都检测所在处的张力值是否发生变化, 目的将张力的大小调节到稳定平衡的状态。其控制流程图如图4-2。图4-2 系统流程图4.1.2 三菱PLC的PID设定1FX2N的PID指令PID指令的编号为FNC88, 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, S3S36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指令是用来调用PID运算程序, 在PID运算开始之前, 应使用MOV指令d的参数见表4-1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指令能够同时多次使用, 可是用于运算的S3、 D的数据寄存器元件号不能重复。PID指令能够在定时中断、 子程序、 步进指令和转移指令内使用, 可是应将S37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; 可是对于大多数系统, 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, 积分部分才不再变化。因此, 积分部分能够消除稳态误差, 提高控制精度, 可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)可能有所改进, 可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, 因此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, 动态性能得到改进, 可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。可是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, 因此也不宜将TS取得过小。2PID控制说明表4-1 PID控制参数及设定源操作数参 数设定范围或说明备 注S3采样周期(Ts)132767ms不能小于扫描周期S3+ 1动作方向(ACT)Bit0: 0为正作用、 为反作用Bit1: 0为无输入变化量报警1为有输入变化量报警Bit2: 0为无输出变化量报警1为有输出变化量报警Bit3 Bit15不用S3+ 2输入滤波常数(L)099(%)对反馈量的一阶惯性数字滤波环节S3+ 3比例增益(Kp)132767(%)S3+ 4积分时间(TI)032767(100ms)0与作同样处理S3+ 5微分增益(KD)0100(%)S3+ 6微分时间(TD)032767(10ms)0为无微分S3+ 7S3+ 19PID运算占用S3+ 20输入变化量(增方)警报设定值032767由用户设定ACT(S3+ 1)为K2K7时有效, 即ACT的Bit1 和Bit2至少有一个为1时才有效; 当ACT的Bit1 和Bit2都为0时, S3+ 20 S3+ 24无效S3+ 21输入变化量(减方)警报设定值032767S3+ 22输出变化量(增方)警报设定值032767S3+ 23输出变化量(减方)警报设定值032767S3+ 24警报输出Bit0: 输入变化量(增方)超出;Bit1:输入变化量(减方)超出;Bit2: 输出变化量(增方)超出;Bit3:输出变化量(减方)超出PID控制, 实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差, 利用比例、 积分、 微分计算出控制量进行控制的。 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。 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。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, 比例+积分(PI)控制器, 能够使系统在进入稳态后无稳态误差。 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惯性组件(环节)或有滞后组件, 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, 而当前需要增加的是”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, 从而避免了被控量的严重超调。因此对有较大惯性或滞后的被控对象, 比例+微分(PD)控制器能改进系统在调节过程中的动态特性。下面是PID控制器参数整定的一般方法: 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, 概括起来有两大类: 一是理论计算整定法。它主要是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能够直接用, 还必须经过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 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。三种方法各有其特点, 其共同点都是经过试验, 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)在一定的控制度下经过公式计算得到PID控制器的参数。 3PID参数的设定靠经验及工艺的熟悉, 参考测量值跟踪与设定值曲线, 从而调整PID的大小。比例I/微分D=2,