可编程序控制器原理及应用 吉顺平第09章

第9章 特殊控制功能,2,2019/5/18,9.1 PID控制功能 9.2 步进电动机的脉冲控制 9.3 变频器的控制,本章讲述的主要内容:,3,2019/5/18,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，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。在工程实际中可以对理论所得到的计算数据进行调整和修改；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，方法简单、易于掌握，在工程实际中也经常采用。,9.1.1 数字PID调节,4,2019/5/18,在PLC的PID调节中，一般通过PLC系统提供的功能块（或子程序）和向导实现。 通过PLC实现PID调节，是计算机闭环控制的概念。PLC中的PID是数字PID。本节介绍西门子S7-200/300/400 PLC中的PID调节技术。,9.1.1 数字PID调节,5,2019/5/18,在S7-200 PLC中可以使用标准PID功能来实现PID调节，但其使用方法和过程比较复杂。而使用指令向导，生成PID子程序，然后在主程序中进行调用，这种方法简单易行，向导中不使用标准PID功能。本书主要介绍使用指令向导实现PID功能的方法。 在STEP7-Micro/WIN中，在菜单“工具（Tools）”下，选择“指令向导”，然后选择PID，进入PID指令向导中。进入向导后，选择或确定环路号码。这里的“环路”就是指控制回路。S7-200 PLC可以支持最多8个PID环路（07号）。,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,6,2019/5/18,确定设置环路号后，定义环路参数，如图9-1所示。环路定点是指调节的目标值，在调用时设定。也就是说，在调用向导生成的子例行程序时由用户定义。此外，需要指定其可能的范围，而在主程序中调用时，需要给定确切的目标值。增益、抽样时间（采样周期）、积分时间和微分时间是需要确定的“环路参数”，参数的意义和作用与自动控制中的一致。,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,7,2019/5/18,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,图9-1 S7-200 PLC中PID调节的环路参数的确定,8,2019/5/18,确定环路参数后，再设置环路输入和输出选项，如图9-2所示。环路进程变量（PV）是用户为向导生成的子例行程序指定的一个参数。在向导中确定指定环路进程变量（PV）应当如何缩放。可以选择单极（可编辑默认范围032 000）、双极（可编辑默认范围-32 00032 000）和20%偏移量。还需要确定环路输出选项，指定环路输出应当如何缩放。可以选择输出类型（模拟或数字）、缩放（单极、双极或20%偏移量）等设置,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,9,2019/5/18,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,图9-2 S7-200 PLC中PID调节的环路输入/输出选项,10,2019/5/18,按提示完成设置后，S7-200 PLC指令向导将按用户指定的配置生成程序代码和数据块代码。由向导建立的子例行程序和中断例行程序成为项目的一部分。欲在程序中启用该配置，每次扫描循环时，使用SM0.0为条件从主程序块调用该子例行程序，如图9-3所示。该代码配置PID 0。该子例行程序初始化PID控制逻辑使用的变量，并启动PID中断PID_EXE例行程序。根据PID样本（采样）时间循环调用PID中断例行程序。需要强调的是，采样时间也包含在子例行程序中，用户不能再在采样时刻调用子例行程序，而必须如图9-3所示由系统自动完成。,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,11,2019/5/18,9.1.2 西门子S7-200 PLC中PID调节的实现,图9-3 S7-200 PLC中在主程序中调用PID调节子程序,12,2019/5/18,1. S7-300/400 PLC中PID调节基础 在S7-300/400 PLC中，通过调用功能块SFB41/FB41、SFB42/FB42或SFB43/FB43实现PID的运算。功能块计算所需要的数据是保存在指定的DB（背景数据块）中的，允许多次调用该功能块。SFB41/FB41（CONT_C）用于连续控制方式，SFB42/FB42（CONT_S）用于步进控制方式，而SFB43/FB43（PULSEGEN）用于脉冲宽度调制控制方式。,9.1.3 S7-300/400 PLC中PID调节的实现,13,2019/5/18,在程序中，对SFB41/42/43或FB41/42/43的调用，可以在主程序中定时调用，也可以在时间中断程序中调用。调用的时间间隔就是采样周期，应用时需要注意PLC扫描周期的影响，所以一般在时间中断（OB30OB38）中调用的情况更为常见。 SFB41/FB41、SFB42/FB42和SFB43/FB43的使用方法基本相同，本书介绍最常见的连续控制方式（SFB41/FB41）的PID调节的应用知识。,9.1.3 S7-300/400 PLC中PID调节的实现,14,2019/5/18,2. 连续调节功能SFB41/FB41 SFB41/FB41（CONT_C，连续控制器）用于使用连续I/O变量的S7控制系统。SFB41/FB41的输出为连续信号。可以用SFB41/FB41作为单独的PID恒值控制器，或在多闭环控制中实现级联控制器、混合控制器和比例控制器。 在应用时，在工程里插入SFB41/FB41，并确定一个不存在的背景数据块，STEP7会为用户创建一个DB块，然后用户设定DB块的数据，并通过周期性地调用SFB41/FB41，进行PID运算。在用户设定DB块的数据时，除了正常的PID参数设定外，SFB41/FB41（CONT_C）还可以使用手动等设定控制输出量。图9-4是SFB41/FB41的功能设定示意图。,9.1.3 S7-300/400 PLC中PID调节的实现,15,2019/5/18,9.1.3 S7-300/400 PLC中PID调节的实现,图9-4 SFB41/FB41的功能设定示意图,16,2019/5/18,9.1 PID控制功能 9.2 步进电动机的脉冲控制 9.3 变频器的控制,本章讲述的主要内容:,17,2019/5/18,为了配合步进和伺服电动机的控制，西门子PLC内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进和伺服电动机进行控制。 本节将重点讲解西门子S7-200 PLC脉冲输出功能和步进电动机的控制，伺服电动机的控制与步进电动机的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通过FM模块实现步进和伺服控制，思路与S7-200 PLC一致，本节不再介绍。,9.2.1 概述,18,2019/5/18,1. 脉冲输出（PLS）指令 脉冲输出（PLS）指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表9-3所示。,9.2.2 PLC的脉冲输出,19,2019/5/18,2. 用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器 每个PTO/PWM发生器都有一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）、一个时间周期和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表9-4所示。执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。,9.2.2 PLC的脉冲输出,20,2019/5/18,9.2.2 PLC的脉冲输出,21,2019/5/18,3. Q0.0和Q0.1的共用 PTO/PWM生成器和输出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在Q0.0或Q0.1位置没有使用PTO或PWM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低电平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。,9.2.2 PLC的脉冲输出,22,2019/5/18,4. 线性脉冲串输出（PTO） PTO可以实现占空比为1：2的高速脉冲串的输出，脉冲数和周期可以由用户定义。状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时启动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时启动中断程序。 5. 脉宽可调脉冲（PWM）输出 PWM是脉宽可调的高速脉冲输出，通过控制脉宽和脉冲的周期，实现控制任务。,9.2.2 PLC的脉冲输出,23,2019/5/18,步进电动机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电动机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速恒速（高速）减速恒速（低速）停止。步进电动机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电动机的脉冲频率也要经过一个类似变化过程。步进电动机脉冲频率变化规律如图9-5所示。,9.2.3 步进电动机的控制,24,2019/5/18,9.2.3 步进电动机的控制,图9-5 步进电动机脉冲频率变化规律,25,2019/5/18,1. 通过指令向导组态PTO STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向导，可以帮助用户方便地完成PTO、PWM或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。 本小节通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向导来实现PTO控制步进电动机的具体操作过程。,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,26,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-6 PTO的输出点,27,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-7 选择PTO,28,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-8 最高电动机速度和电动机的起动/停止速度的数值,29,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-9 输入加速和减速时间,30,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-10 建新包络,31,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-11 选择包络的操作模式,32,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-12 包络0中的第一步（步0）,33,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-13 包络0中的第二步（步1）,34,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-14 包络0中的第三步（步2）,35,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-15 配置分配存储区,36,2019/5/18,9.2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-16 PTO0_CTRL和PTO0_RUN指令的应用,37,2019/5/18,2. 通过指令向导组态PWM 在PTO的指令向导基础上，通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP 7-Micro/WIN位置控制向导来实现PWM控制步进电动机的具体操作过程。 PWM的指令向导操作过程共有4个主要操作步骤。 操作步骤： 1）、2）两步同PTO向导。 3）在位置控制向导对话框中选择“配置S7-200 PLC内置PTO/PWM操作”。从下拉列表中选择“脉冲宽度调制（PWM）”。选择时间基准为“毫秒”。单击“