模拟量控制实例

9．3　模拟量PID控制实例

9．3．1　恒压供水控制系统的设计

1．控制系统的要求

恒压供水控制系统的被控对象为需保持一定压力的供水水箱，如图9－15所示。反馈量为水箱水位，给定值为满水位的75%，控制量为水泵电动机的转速。S7－200 PLC控制变频器工作，通过变频器调节水泵电动机转速，实现恒压控制。

图9－15　供水水箱示意图

2．系统设计思路

本系统以S7－200PLC为控制器，采用模拟量模块实现模拟量和数字量的转换，水位测量值通过模拟量输入通道送入S7－200PLC中，PID回路输出值转化为模拟量，用来控制变频器，从而实现对水泵转速的调节。

具体步骤为：开机后先由手动方式控制电动机，一直到水位上升为约75%时，将输入点I0．0置位为1，切换为自动状态。过程变量PV_n为水箱的实际水位，由水位计测出，经A／D转换器转换送入S7－200PLC中；控制信号由S7－200PLC执行PID指令后以单极性信号经D／A转换器转换后送出，用于控制变频器，从而控制电动机转速。

S7－200PLC输出值用来控制水泵电动机的转速，可以从允许最大值的0变到100%；给定值可以预先设定后直接输入到回路表中，过程变量值是来自水位计的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性模拟量，用来控制进水泵的转速。这两个模拟量的标准化范围是0．0到1．0，分辨率为1／32000。

实际应用中，系统采用PI控制，且增益、采样时间和积分时间常数分别选为：K_p ＝0．25，T_s＝100ms，T_i＝30min。

3．系统硬件设计

1）硬件设计

这是一个单体控制的小系统，可以选用一般中小型控制器（S7－200PLC的CPU221～CPU226）。根据控制要求，现选用S7－200PLC的CPU224，其I／O点总数为28个，其中数字量输入点14个，数字量输出点14个。与S7－22XCPU配套的A／D转换器、D／A转换器模块有EM231（4路12位模拟量输入）、EM232（2路12位模拟量输出）、EM235（4路12位模拟量输入／1路12位模拟量输出）。这里模拟量模块选用EM231和EM232，同时考虑到设备的兼容性，变频器选用西门子MM420，如图9－15所示。

2）I／O端子的地址分配

I0．0连接手动／自动切换开关，水位模拟量输入地址为AIW0，当系统工作在手动控制方式时，可以把水泵转速（0．0～1．0之间的实数）通过AIW2写入VD108（VD108是回路表中保存输出的寄存器），控制变频器的模拟量输出地址为AQW0。

4．系统软件设计

PID回路参数表如表9－2所示。

表9－2　PID回路参数表

程序由主程序、初始化子程序和中断子程序构成。主程序用来调用初始化子程序；子程序用来建立PID回路初始化参数表和中断设置，本例采用定时中断0（中断事件号为10）来定时采样，设置定时时间或采样时间为100ms，并写入SMB34。中断程序用于执行PID运算，当I0．0＝1时为自动模式，执行PID运算。标准化时采用单极性（取值范围0～32000）。主程序、初始化子程序和中断子程序的梯形图分别如图9－16，图9－17，图9－18所示（手动控制方式下的程序省略）。

图9－16　主程序梯形图

9．3．2　温度PID控制系统设计

1．控制系统的要求

食品罐头杀菌罐工艺过程如图9－19所示。将罐头食品放入杀菌罐中，按下启动按钮，这时水泵应启动，给水阀打开，向杀菌罐中注入水；当水位到达设定值时，水位开关动作，断开给水阀和水泵，同时打开加热阀向罐中放进蒸汽加热，这时电动阀也开始工作，蒸汽进来使罐内温度逐渐升高，热电阻作为感温元件传递温度信号给温度控制仪；当水温到达设定值时，关闭电动阀，开始进入恒温段，恒温需要30min，如温度超过设定值就将排气阀定时打开，使温度降到设定值；最后打开排液阀，将热水排出到处理罐循环利用。

图9－17　初始化子程序梯形图

具体控制过程及参数要求是：在121℃（150℃的80%）之前全量程开启电动阀，经过PID运算，过程变量当前值越是接近给定值电动阀的开度就越小，温度的变化范围是150℃的0%～100%，输出信号为0～10V电压输出型，是一个单极性信号。

2．系统设计思路

本系统采用PID控制器完成程序的设计，选用S7－200PLC中的PID回路指令实现，依据PLC程序设计的原则，在硬件上增加一块EM235模拟量扩展模块（4输入／1输出）和一个Pt100热电阻，软件上采用PID控制升温和恒温的阶段。

图9－18　中断子程序梯形图

图9－19　食品罐头杀菌罐工艺过程示意图

根据控制过程的要求，S7－200PLC经过PID运算控制电动阀的开度。在恒温期间如温度又低于设定值，则再打开电动阀，开度由PID运算决定，原则是温差越小，开度就越小。如温度超过设定值就将排气阀定时打开，使温度降到设定值。

根据实际情况，设给定值SP_n＝0．8，比例增益K_p＝0．4，采样时间T_s＝0．2s，积分时间T_i＝10min，微分时间T_d＝30min。

3．系统硬件设计

现选用S7－200PLC的CPU226，I／O点总数为40个，其中数字量输入点24个，数字量输出点16个。S7－200PLC外部接线如图9－20所示。进行I／O设置后，I／O端子分配如表9－3所示。其中AIW0为EM235采样模块提供给S7－200PLC的输入寄存器，AQW0为EM235提供给电动阀的输出寄存器。

图9－20　S7－200PLC外部接线图

表9－3　I／O端子分配表

4．系统软件设计

PID回路参数表如表9－4所示。

表9－4　PID回路参数表

程序由主程序和初始化子程序构成。子程序用来建立PID回路初始化参数表，具体参数如表9－4所示。主程序分为6个网络，其主要作用是根据控制要求控制相应设备的正确工作，其核心部分是执行基于PID的温度智能控制。通过读入温度并进行A／D转换，根据实际温度值与用户设定的给定值比较后，决定电动阀的开度以及加热阀、排气阀和排液阀的启停，以此来实现温度的自动控制。

根据控制过程和要求，编写的STL语句表程序及注释如下。

程序中，M0．0表示系统是否运行；M0．1表示水位是否满；M0．2控制定时器是否复位；M0．3表示温度是否达到设定值。注意外部停止按钮SF2（I0．1）触点是常闭触点，外部启动按钮SF1（I0．0）和水位限位开关BG1（I0．2）处于常开状态。