第六章：PLC 在模拟量与PID控制在应用.

b4 O3
b3 G2b2 O2b1 G1b0 O1
知识点
特殊功能块的读写指令
采用FROM读特殊功能模块指令，将特殊功能块中的 数据读出； 用T0写功能特殊模块指令，将PLC内部的数据写入到 特殊功能块中。
在指令中m1的含义：接在PLC基本单元右边扩展总线 上的功能模块，从最靠基本单元的那个开始编号 （指令的m1），m1依次为0～7。 n的含义：待传送数据的字数，n=1～32（16位操 作），n=1～16（32位操作）。
PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1） 的设定内容，进行正作用或反作用的PID 运算。PID运算公式如下：
以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输 出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn 和 EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV 为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、 PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤 波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和 Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；K p 是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积 分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间 常数与微分时间TD的比值。
［S3］+ 21
［S3］+ 22 ［S3］+ 23 ［S3］+ 24
输入变化量（增方） 警报设定值
输入变化量（增方） 警报设定值 输入变化量（增方） 警报设定值 警报输出
0~32767
0~32767
0~32767 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
第六章
PLC在模拟量监测与PID控制中的 应用
模拟量输入模块
FX2N常用的模拟量输入模块有FX2N2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD模拟量输入模 块和温度传感器输入模块。FX—2AD为2通道 12位A／D转换模块。根据外部连接方法及 PLC指令，可选择电压输入或电流输入，是 一种具有高精确度的输入模块。通过简易的 调整或根据可编程控制器的指令可改变模拟 量输入的范围。瞬时值和设定值等数据的读 出和写入用FROM／TO指令进行。
可编程控制器基本单元与FX2N-4AD之间的数据 通讯是由FROM/TO指令来执行的。FROM是基本 单元从FX2N-4AD读数据的指令。TO是基本单元 将数据写到FX2N-4AD的指令。实际上读写操作 都是对FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM的操作。缓 冲区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0～ #31。FX2N-4AD缓冲器分配见表8-2所示。
程序运行及调试 执行程序，改变CHl和CH2输入电压臣 （0~5V），观察D0、D1中数值的变化，并 制成输入电压与D中数值变化关系对应表， 为今后应用模拟量输入积累经验。 上述过程中，如发现程序运行与控制要求 不符，应仔细分析，找出原因，重新修改， 直到程序运行与控制要求相符为止。
1、FX2N-4AD （1）线路图：
将外部可调电压（0-9.7V）通过A/D模块输入到 PLC中，并通过数码管显示出电压值
（2）梯形图：
模拟量输出模块
FX2N常用的模拟量输出模块有FX2N2DA、FX2N-4DA、FX2N-8DA模拟量输出模 块。FX—2DA为2通道12位D／A转换模块， 是一种具有高精确度的输出模块。通过简易 的调整或根据可编程控制器的指令可改变模 拟量输出的范围。瞬时值和设定值等数据的 读出和写入用FROM／TO指令进行。
编程举例
系统配置 除PLC外，需要增加一个FX2N—4AD和 0~10V模拟量产生电路； I：SA1—X0；两路电压模拟量输入；
程序设计 将FX—4AD模拟量输入模块中的通道 1和通道2的电压值取到D0、Dl内，将模拟 量模块连接到基本单元FX2旁，其特殊功能 模块号为No．0，开通CHl和CH2为电压量 输入通道，计算平均值的取样次数为6次。
编程举例
FX2N-4DA实验 （1）实验内容： ①将PLC内部寄存器中的数值传给4DA模块， 输出0-10V电压。 ②通过编程可以实现阶梯波、锯齿波、三 角波。
Plc在模拟量闭环控制中的应用
PID控制 在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了 广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点： 1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业 对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用 PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID 及变型PID约占总控制回路数的90%左右。 2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调 整方便。 3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况， 可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如 PI、 PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随 着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控 制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整 定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
PID指令
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指令将参数（见表6-3）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参数调节
m2的含义：特殊功能模块中缓冲寄存器的首元件号。
X10=ON时，将编号m1的特殊功能模块内的编号为 m2开始的n个缓冲寄存器BFM的数据读入到PLC，并存 到[D]开始的n个数据寄存器中。X20为ON时，将PLC 基本单元的从[S]指定的由D0开始的n个字的数据写 到编号为m1的特殊功能模块中编号为m2开始的n个缓 From k0 k5 d0 k2 冲寄存器中。
*#23 *#24 #25-28 #29 #30 #31
通道4 通道1 当前值 通道2 通道3 通道4 保留 复位到缺省设定值 缺省值为0 禁止调整偏移、增益值，缺省值为0（1为允许调整） b7 b6 b5 偏移、增益调整 G4 O4 G3 偏移量 缺省值为0 增益值 缺省值为5000 保留 错误状态 识别码K2010 禁用
梯形图
当X0为ON，先用FROM指令从模拟量输入 模块的缓冲存储器BFM中取得其识别码，若为 20l0，表明是FX—4AD，则可开始取值操作。先 使通道初始化，用TO指令将H3300送到BFM的#0 寄存器(规定四位十六进制数分别表示：0为— 10~+10V、1为+4~+20mA、2为—20~+20mA、3 为关闭通道)；最高位数决定通道4，最低位数决 定通道1，设置通道输入为电压量；平均值取样次 数6次。再用FROM指令取得缓冲存储器状态数据， 以示判别。当模拟量输入模块无错，则将两路模 拟量分别存入D0和D1中。
［S3］+ 2
输入滤波常数（L）
对反馈量的一阶惯性 数字滤波环节
［S3］+ 3 ［S3］+ 4 ［S3］+ 5 ［S3］+ 6
比例增益（K p） 积分时间（T I） 微分增益 (K D) 微分时间（T D）
1~32767（%） 0~32767（×100ms） 0~100（%） 0~32767（×10ms） 0为无微分 0与∝作同样处理
FX2N-4AD的线路连线
FX2N-4AD 模拟量输入与输出的关系
模拟量模块使用
确定模块的编号
缓冲寄存器（BFM）分配 知识点 编程举例
确定模块的编号
在FX系列可编程控制器基本单元的右侧，可以连接最多8 块特殊功能模块，它们的编号从最靠近基本单元的那一个开 始顺次编为0～7号。如图:该配置使用FX2N48点基本单元， 连接FX-4AD、FX-4DA、FX-2AD 3块模拟量模块，它们的 编号分别为0、1、2号。这3块模块不影响右边2块扩展的编 号，但会影响到总的输入输出点数。3块模拟量模块共占用 24点，那么基本单元和扩展的总输入输出点数只能有232点。
FX2N-4AD缓冲寄存器BFM
FX-4AD模块BFM的分配表
BFM *#0 *#1 *#2 *#3 *#4 #5 #6 #7 内容 通道初始化 缺省设定值为H0000 通道1 平均值取样次数 缺省值为8 通道2 通道3 通道4 通道1 平均值 通道2 通道3
#8 #9 #10 #11 #12 #13-19 *#20 *#21 *#22
FX2N-4DA的线路连线
FX2N-4DA的模拟量输入与输出的关系
FX2N-4DA缓冲寄存器BFM
可编程控制器基本单元与FX2N-4DA之 间的数据通讯也是由FROM/TO指令来执行 的。读写操作是对FX2N-4DA的缓冲寄存器 BFM进行操作的，缓冲器区由32个16位的 寄存器组成，编号为BFM﹟0～﹟31。
PID指令可以同时多次使用，但是用于运算的[S3]、 [D]的数据寄存器元件号不能重复。 PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令 和转移指令内使用，但是应将［S3］＋7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。
3. FX2N的PID指令
PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源 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，［S3］ ~[S3]＋6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。
源操作数
［S3］ ［S3］+ 1
参 数
采样周期（Ts） 动作方向（ACT）
设定范围或说明
1~32767ms Bit0: 0为正作用、1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 0~99（%）
备
注
不能小于扫描周期 Bit3 ~ Bit15不用
［S3］+ 7 ~ [S3]+ 19
PID运算占用
［S3］+ 20
输入变化量（增方） 警报设定值
0~32767
由用户设定
ACT（［S3］+ 1） 为K2~K7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
2. PLC实现PID控制的方法
如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID 控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行 PID控制时，可以采用以下几种方法：
用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制 程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中， 用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非 常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环 回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控 制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的 PID控制模块。 2）使用PID功能指令。现在很多中小型 PLC都 提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的 PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序， 与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用 PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。 3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没 有有PID过程控制模块和 PID控制指令，有时虽然 有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算 法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID 控制程序。
4.PID参数的整定
PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和 T S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K p越大，比例调节作用越强，系统 的稳态精度越高；但是对于大多数系统，K p过大 会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。