准备知识：EM235电缆连接和设置参数详解

要实现恒压供水, 需采集供水管网的供水压力, 再经PLC 的PID 算法输出控制变量来控制变频器, 使变频器带动供水泵运行。 该过程需使用到模拟量输入和模拟量输出, 通过PLC 程序控制两台水泵的切换。

1. 模拟量I/O 扩展模块EM235

EM235 能够实现4 路模拟量输入和1 路模拟量输出功能, EM235 端子接线图如图4 -4 -2 所示。 对于电压信号, 按正、 负极直接接入X +和X -其中, X 代表A、 B、 C或D; 对于电流信号, 将RX 和X+短接后接入电流输入信号的“ +” 端; 未连接传感器的通道要将X+和X-短接。

图4-4-2　EM235 端子接线图

1) EM235 的设置

EM235 的常用技术参数见表4 -4 -1 所示。

表4-4-1　EM235 的常用技术参数

对于某一模块, 只能将输入端同时设置为一种量程和格式, 即相同的输入量程和分辨率。 6 个DIP 开关决定了所有的输入设置。 也就是说开关的设置应用于整个模块, 开关设置也只有在重新上电后才能生效。

表4 -4 -2 所示为EM235 极性、 增益和衰减的开关表, 开关SW1 到SW6 可选择输入模拟量的单/双极性、 增益和衰减。

表4-4-2　EM235 极性、 增益和衰减的开关表

由表4 -4 -2 可知, 开关SW6 决定输入模拟量的单/双极性, 当SW6 为ON 时, 输入模拟量为单极性的, SW6 为OFF 时, 输入模拟量为双极性的。 SW4 和SW5 决定输入模拟量的增益选择, 而SW1、 SW2、 SW3 共同决定了输入模拟量的衰减选择。 将表4 -4 -2 的6 个DIP 开关的功能进行排列组合, 可得EM235 模拟量输入范围的分辨率的开关表, 如表4 -4 -3 所示。

表4-4-3　EM235 模拟量输入范围和分辨率的开关表

2) EM235 的输入校准

EM235 使用前应进行输入校准。 其实出厂前EM235 已经进行了输入校准, 但如果偏置(OFFSET) 和增益(GAIN) 电位器已被重新调整, 则需要重新进行输入校准。 其步骤如下:

(1) 切断EM235 电源, 选择需要的输入范围;

(2) 接通CPU 和EM235 电源, 使EM235 稳定15 min;

(3) 用一个变送器、 一个电压源或一个电流源, 将零值信号加到一个输入端;

(4) 读取适当的输入通道在CPU 中的测量值;

(5) 调节偏置(OFFSET) 电位器, 直到读数为零, 或所需要的数字数据值;

(6) 将一个满量程信号接到输入端子, 读出送到CPU 的值;

(7) 调节增益(GAIN) 电位器, 直到读数为32 000 或所需要的数字数据值;

(8) 必要时, 重复偏置和增益校准过程。

3) EM235 输入数据字格式

图4 -4 -3 给出了12 位数据值在EM235 的模拟量输入数据字格式中的位置。

可见, 模/数转换器(A/D 转换器, 简称ADC) 的12 位读数是左对齐的。 最高有效位是符号位, 0 表示正值。 在单极性数据中, 3 个连续的0 使得模/数转换器每变化1 个单位,数据字则变化8 个单位。 在双极性数据中, 4 个连续的0 使得模/数转换器每变化1 个单位,数据字则变化16 个单位。

4) EM235 输出数据字格式

图4 -4 -4 给出了12 位数据值在EM235 的模拟量输出数据字格式中的位置。

图4-4-3　EM235 的模拟量输入数据字格式

图4-4-4　EM235 的模拟量输出数据字格式

数/模转换器(D/A 转换器, 简称DAC) 的12 位读数在EM235 的输出数据字格式中是左对齐的, 最高有效位是符号位, 0 表示正值。 数据在装载到DAC 寄存器之前, 4 个连续的0 是被裁断的, 这些位不影响输出信号值。

5) 模拟量值和A/D 转换值的转换

通过A/D 转换器, S7 -200 PLC CPU 可以将外部输入模拟量(电流或电压) 转换成一个字长(16 位) 的数字量(0 ～32 000)。 如前所述, 每个模拟量占用一个字长(16 位),其中数据值占12 位, 依据输入模拟量的极性数据, 数据格式有所不同, 对于单极性数据,其最大数据值为(0111 1111 1111 1000)2 =(32 760)10, 而数字量最大值为32 000, 其差值760 可通过调偏置/增益系统完成。

假设模拟量的标准电信号是A0 ～Am (如4 ～20mA), A/D 转换后数值为D0 ～Dm (如6 400 ～32 000), 设模拟量的标准电信号是A, A/D 转换后的相应数值为D, 由于是线性关系, 函数关系A=f(D) 可以表示为数学方程:

根据该方程式, 可以方便地根据D 值计算出A 值。 将该方程式进行逆变换, 从而函数关系D=f(A) 可以表示为数学方程:(www.xing528.com)

以S7 -200 PLC 和标准电信号4 ～20mA 为例, 经A/D 转换后, 得到的数值是6 400 ～32 000, 即A0 =4, Am =20, D0 =6 400, Dm =32 000, 代入数学方程, 得出:

假设该模拟量与AIW0 的值M 对应, 则当M 的值为12 800 时, 相应的模拟电信号是(12 800 -6 400) ×16/25 600 +4 =8 mA。

又如, 某温度传感器将温度值-10 ～60 ℃与标准电信号4 ～20 mA 相对应, 以T 表示温度值, M 为PLC 模拟量采样值, 则将数据直接代入以上的数学方程中得

则可以用T 直接显示温度值。 模拟量值与D/A 转换值之间的关系与此类似。

2. PID 指令及应用

在模拟控制系统中, 模拟量进行采样后, 通常会进行PID (比例+积分+微分) 运算,然后根据运算结果, 形成对模拟量的控制作用。 PID 三种调节作用中, 微分主要用来减少超调量, 克服振荡, 使系统趋向稳定, 加快系统的动作速度, 减少超调时间, 改善系统的动态特性; 积分主要用来消除静态偏差, 提高精度, 减少超调时间, 改善系统的静态特性; 比例用来对偏差做出及时响应。 图4 -4 -5 为典型PID 回路控制系统。

图4-4-5　典型PID 回路控制系统

1) PID 算法

理想的模拟PID 算式是:

式中,M(t) 为PID 回路的输出;Kc 为PID 回路的增益, 即比例系数;TI 为积分时间;TD 为微分时间;e(t) 为回路偏差; Minitial为e = 0 时的阀位开度, 即PID 回路输出的初始值。

PLC 在处理这个函数关系式时, 需将关系式离散化, 对偏差周期采样后, 计算输出值,PID 的离散化算式是:

式中,Mn 、MPn 、MIn 、MDn 分别为第n 次采样时刻的输出值、 比例项值、 积分项值和微分项值。

控制系统中有时只需要一种或两种回路控制, 假如不需要积分回路, 可以把积分时间设为无穷大; 假如不需要微分回路, 可以把微分时间置为零; 假如不需要比例回路, 可以把增益设为0.0, 系统会在计算积分和微分项时, 把比例放大当作1.0 来处理。

2) PID 指令

S7-200 PLC 中的PID 功能的核心是PID 指令, PID 指令需要指定一个以V 为变量存储器区地址开始的PID 回路表, 以及PID 回路号。 PID 回路表提供了给定和反馈, 以及PID 参数等数据入口, PID 算法的结果也在PID 回路表中输出。 PID 指令的格式及功能如表4-4-4 所示。

表4-4-4　PID 指令的格式及功能

PID 指令中LOOP 为PID 回路号, 可在0 ～7 范围内选取。 每条PID 回路必须赋予不同的回路号, 即PLC 共可以提供8 条PID 回路; TBL 为与LOOP 相对应的PID 回路表的起始地址。

3) PID 回路表

由离散化的PID 算法可知, PLC 在执行PID 指令时, 需要对算法中的9 个参数进行运算,为此需要建立一个PID 回路表, 即PID 指令中的TBL 所指定的回路表, 如表4-4-5 所示。

表4-4-5　PID 回路表

关于PID 回路表有以下几点说明。

(1) PLC 可同时对多个生产过程(回路) 实行闭环控制。 由于每个生产过程的具体情况不同, PID 算法的参数亦不同。 因此, 需建立每个控制过程的PID 回路表, 用于存放控制算法的参数和过程中的其他数据。 当需要执行PID 算法时, 从PID 回路表中把过程数据送至PID 工作台, 待运算完毕后, 将有关数据结果再送至PID 回路表。

(2) 表4 -4 -5 中反馈值PVn 和设定值SPn 为PID 算法的输入, 只可由PID 指令读取而不可更改。 通常反馈值来自模拟量输入模块, 设定值来自人机对话设备, 如TD200、 触摸屏、 组态软件监控系统等。

(3) 表4 -4 -5 中输出值Mn 由PID 指令计算得出, 仅当PID 指令完全执行完毕才予以更新。 该值还需用户按工程量标定通过编程转换为16 位数字值, 送往PLC 的模拟量输出寄存器AQWX。

(4) 表4 -4 -5 中增益Kc 、 采样时间Ts 、 积分时间TI 和微分时间TD 是由用户事先写入的值, 一般是调用一个子程序, 在子程序中, 对PID 回路表进行初始化处理, 通常也可通过人机对话设备输入。

(5) 表4 -4 -5 中积分项前值MX 由PID 算法结果更新, 且此更新值用作下一次PID 算法的输入值。MX 的值必须是0.0 ～1.0 之间的实数, 若计算结果超出范围, 则可根据下式来调整:

4) 输入/输出量的处理

由表4 -4 -5 可知, PID 回路的输入/输出均为0.0 ～1.0 的归一化数据, 而设定值、 反馈值和输出值通常是一个固定的工程量值, 因此在输入端需将模拟量输入值(16 位字整数值) 转换为32 位双字整数, 然后再转换为32 位实数值, 最后再将实数值进一步标准化为0.0 ～1.0 之间的实数, 完成输入数据的归一化。 在输出端需将PID 算法的结果进行逆处理,转换成相应的实际数值。

5) PID 指令的手动/自动方式切换

PID 指令通过使能端控制执行。 所谓的手动方式是指不执行PID 算法的方式, 自动方式是指周期性地执行PID 算法的方式。

为了保证由手动方式向自动方式的切换没有冲击, 切换前应将手动方式中设定的输出值写入到PID 回路表中的输出值Mn 中, 并使设定值=反馈值、 反馈量前值=反馈值、 积分项前值=输出值, 然后才可切换到自动方式。