任务5.1   水箱水位模拟量控制

PLC不仅可以取代传统的继电器控制系统，实现数字量控制。随着生产的发展，控制系统规模的不断扩大，不仅要求能实现数字量控制，更要求能对更复杂的过程控制系统实现模拟量控制和运动量控制。当现场设备和系统在较大的范围内分布时，依靠单台PLC来完成所有任务不仅不可能，也不合理，这就要求PLC具有组成多层次的工业化自动化网络实现通信控制的功能。 

（1）掌握S7-200 PL系列模拟量输入/输出模块的功能。

（2）掌握PID指令。

（3）掌握PLC在模拟量控制中的应用。

（4）能够编制PLC控制程序实现对水箱水位恒定控制系统的自动控制。

PLC的模拟量处理功能主要通过模拟量输入/输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接收各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中；PLC根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理，并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。模拟量输入/输出模块是PLC模拟量处理的硬件基础，用户程序数据处理是PLC模拟量处理的核心。   

S7-200系列PLC的模拟量I/O模块主要有EM231模拟量4路输入、EM232模拟量2路输出和EM235模拟量4输入/1输出混合模块三种，另还有专门用于温度控制的EM231模拟量输入热电偶模块和EM231模拟量输入热电阻模块。

1．模拟量输入模块—— EM231模拟量输入模块

 功能：把模拟量输入信号转换为数字量信号。

 存储在16位模拟量寄存器AIW中的数据有效位为12位，其格式如图5-1所示。最高有效位是符号位：0表示正数，1表示负数。

图5-2所示为EM231模拟量输入模块端子，模块上部共有12个端子，每3个为一组（如RA、A+、A-）可作为一路模拟量的输入通道，共4组，对应电压信号只用2个端子（如A+、A-），电流信号需用3个端子（如RC、C+、C-），其中RC与C+端子短接。对于未用的输入通道应短接（如B+、B-）。模块下部左端M接24V DC电源负极，L+接电源正极。

 选择好DIP开关后，还需对输入信号进行整定，输入信号的整定就是要确定模拟量输入信号与数字信号转换结果的对应关系。通过调节DIP设定开关左侧的增益旋钮（图5-2）可调整该模块的输入输出关系。

调整步骤如下：

（1）在模块脱离电源的条件下，通过DIP开关选择需要的输入范围；

（2）接通CPU及模块电源，并使模块稳定15分钟；

（3）用一个电压源或电流源，给模块输入一个零值信号；

（4）读取模拟量输入寄存器AIW相应地址中的值，获得偏移误差（输入为0时，模拟量模块产生的数字量偏差值），该误差在该模块中无法得到校正；

（5）将一个工程量的最大值加到模块输入端，调节增益电位器，直到读数为32000或所需要的数值为止。

2．模拟量输出模块

 EM232模拟量输出模块具有两路模拟量输出通道。其功能是将PLC模拟量输出寄存器AQW中的数字量转换为可用于驱动执行元件的模拟量。

 在16位模拟量输出寄存器AQW中的数据有效位为12位，其格式如图5-4所示。数据的最高有效位是符号位，最低4位在转换为模拟量输出值时，将自动屏弊。

 如图5-5所示是EM232模拟量输出模块端子。模块上部有7个端子，左端起的每3个点为一组，作为一路模拟量输出，共两组：第一组V0端接电压负载、I0端接电流负载，M0为公共端；第二组V1、I1、M1的接法与第一组类似。输出模块下部M、L+两端接入DC24V供电电源。

3．模拟量输入/输出模块

 EM235模拟量输入输出模块具有4路模拟量输入和1路模拟量输出，它的输入回路与EM231模拟量输入模块的输入回路稍有不同，如图5-6所示。它增加了一个偏置电压调整回路，通过调节输出接线端子右侧的偏置电位器可以消除偏置误差。其输入特性与EM231模块不同之处主要表现在可供选择的输入信号范围更加细致，以便适应更加广泛的场合。 

某水箱水位控制系统如图所示。因水箱出水速度时高时低，所以采用变速水泵向水箱供水，以实现对水位的恒定控制。

 设给定量为满水位的75％，被控量水位值（为单极性信号）由液位计检测后经A/D转换送入PLC，用于控制电动机转速的控制量信号由PLC执行PID指令后以单极性信号经D/A转换后送出。拟采用PI控制，其增益、采样周期和积分时间分别为：Kc=0.25，T=0.1s，TI=30min。要求开机后先由手动控制水泵，一直到水位上升为75％时，通过输入点I0.0的置位切入自动状态。

1．设计思路

 通过首次扫描调用子程序的方式，初始化PID参数表并为PID运算设置时间间隔（定时中断）。PID参数表的首地址为VD100，定时中断事件为10，子程序编号为0。

 通过定时中断每隔100ms调用一次中断服务程序。在中断服务程序中，采样被控量的水位值并进行标准化处理后送入PID参数表，若系统处于手动工作状态，则做好切换到自动工作方式的准备（将手动时水泵转速的给定值经标准化处理后送PID参数表作为输出值及积分和，将手动时的水位值标准化后送PID参数表作为反馈量前值）；若系统为自动工作状态，则执行PID运算，并将运算结果转换成工程量后送模拟量输出寄存器，通过D/A转换以控制水泵的转速，实现水位恒定控制要求。

2．程序设计

 采用PLC梯形图语言编写的水箱水位控制主程序如图5-9所示，水箱水位控制子程序如图5-10所示，水箱水位控制定时中断服务子程序如图5-11所示。

3．安装配线

     按照图5-8进行配线，完成水箱水位控制系统的接线。

4．运行调试

（1）运行STEP 7-Micro/WIN编程软件，编写控制程序并下载程序文件到PLC，使PLC进入运行方式。

（2）打开状态编辑器，录入VD100、VD104、VD108、VD120、VD124、VD128、VD132，I0.0，I0.1，Q0.0，使其进入监控状态。

（3）通过强制操作I0.1，使Q0.0得电，将变频器接入电源。调节电位器旋钮，使变频器频率由0逐渐上升，水箱水位逐渐提高。观察水位上升过程中，VD100、VD108、VD128、VD132各存储单元数据的变化情况。

（4）待水箱水位接近75%满水位时，强制I0.0得电，使系统进入PID自动调节控制状态。加大或减小水箱水位量，观察系统各量的变化过程。

（5）通过写操作，分别改变增益、积分时间常数的大小，观察系统的运行效果。

PID指令

S7-200系列PLC的PID指令没有设置控制方式，执行PID指令时为自动方式；不执行PID指令时为手动方式。PID指令的功能是进行PID运算。该指令的格式及功能如表5-5所示。

例：某电炉恒温控制系统，温度在50～500℃可调。控制要求如下：

（1）采用PLC的PID调节功能实现。

（2）采用EM231热电偶模块将热电偶检测到的温度实际值送入PLC的AIW0单元中，作为温度反馈信号。

（3）采用EM232模拟量输出模块将PID运算的结果输出到晶闸管调功器，以控制交流电源通过的周期数，实现电炉的恒温控制要求。

小结：

（1）PLC模拟量处理功能通过模拟量输入输出模块来完成。模拟量输入输出模块是PLC内部数字量与外部设备模拟量之间的接口模块。被控过程量经过模拟量输入模块转换成PLC能够接受的数字量后，经过PLC的数据处理，最后输出控制结果。控制结果可以是数字量通断信号的输出，也可以是连续的模拟量电压电流的输出。连续的模拟量电压电流的输出需通过模拟量输出模块输出给执行器件，以达到模拟量控制的目的。

（2）使用PLC的模拟量输入输出模块时，要特别注意过程量信号的性质及范围。采用规定的方法正确设定输入输出信号的范围是用好模拟量输入输出模块的前提。

（3）使用S7-200系列PLC的PID指令时，只需要在程序中正确填写PID回路表，而其PID算法的实现完全由PID指令自己来完成。在填写PID回路表及使用PID回路表的运算结果之前，需要注意过程量参数在写入回路表时的标准化处理及将运算结果工程量处理的问题。