第6章-PLC模拟量处理功能

A+ RA A-
放大器
增益调 节器
B+
RB
BC+
缓存器
RC
CD+
A/D转换器
RD
D输入滤波器
多路转换开关
图6-1 EM231模拟量输入模块输入回路框图
（1）EM231模拟量输入模块的内部结构及数据格式
MSB
LSB
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0
数据值12位
3．回路表
偏移地 址(VB)
0 4 8 12 16 20 24
28
32
变量名
反馈量(PVn) 给定值(SPn) 输出值(Yn)
增益(KC) 采样时间(T) 积分时间(TI) 微分时间(TD) 积分和或称 积分项前值(YX) 反馈量前值
(PVn-1)
数据格式
双字实数 双字实数 双字实数 双字实数 双字实数 双字实数 双字实数 双字实数
（3）EM231模拟量输入模块输入信号的整定
模拟量模块右下侧的DIP设置开关的作用
单极性
满量程
SW1 SW2 SW3 输入
OFF ON 0~10V
ON
0~5V
ON OFF 0~20m A
分辨率
2.5mV 1.25mV
5μA
双极型
SW 1
SW2
OFF
OFF ON
SW3 ON OFF
满量程 输入
+/-5V +/-2.5V
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；图6-4 EM231转换曲线偏置误 差32000010V
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。
经上述调整后，若输入电压范围为0～10V的模拟量信号， 则对应的数字量结果应为0～32000或所需要数字，其关 系如图6-4所示。
32000
偏
置
误 差
0
10V
图6-4 EM231转换曲线
2．EM231热电偶模块及热电阻模块
EM231热电偶模块是专门用于对热电偶输出信号进 行A/D转换的智能模块。它可以连接7种类型的热电偶（J， K，E，N，S，T和R），还可用于测量0到+/-80mV范围 的低电平模拟信号。其接线端子示意图如图6-5所示。
模拟量的输出整定过程是一个线性处理过 程。各输出量的位值，由输出的实际控制量范 围与最大数字量位值的关系确定。
6.3 模拟量PID调节功能
PID系统的组成
在系统稳态运行时，PID控制器的作用就是通 过调节其输出使偏差为零。偏差由给定量(SP，希 望值)与过程变量(PV，实际值)之差来确定。
6.3.1 PID算法
//将AC0中的值标准化
+R 0．5，AC0
//将所得结果转移到范围[0.0，1.0]
MOVR AC0，VDl00 //将标准化结果存入PID运算数据
存储区
数字量信号的滤波方法
工程上的数字滤波方法有：
平均值滤波：算术平均值滤波的效果与采样次 数有关，采样次数越多效果越好。但这种滤波方法 对于强干扰的抑制作用不大
学习内容
● S7-200系列PLC模拟量模块 ● 模拟量数据的处理 ● 模拟量PID调节功能
学习目标:
1.理解各种模拟量输入输出模块的使用方 法及模拟量数据在PLC程序中的处理方法；
2.理解PID调节指令的格式及功能，会编写 PID参数表的初始化程序。
3.能使用模拟量输入输出模块组成PLC模拟 量控制系统，并能根据工艺要求设置模块参数、 编写控制程序。
00 0
单极性数据格式
MSB
LSB
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
数据值12位
00 0 0
双极性数据格式
图6-2 模拟量输入数据的数字量格式
（2）EM231模拟量输入模块的性能 EM231模拟量输入模块的性能主要有以下几项，使用时要特别注意输入 信号的规格，不得超出其使用极限值：
1．连续系统的PID算法
Y tK C e(t)KT 1 Ic0 te(t)d tM ini tK ia C T lDdd (te )t
Y(t):回路控制算法的输出(为时间的函数)； KC:回路增益； e(t):误差(给定值与过程变量之差)； Minitial:回路控制算法输出的初始值; TI :积分时间常数；就是积分项的输出量每增加与比例项输出 量相等的值所需要的时间。 TD :微分时间常数；就是对于相同的输出调节量，微分项超 前于比例项响应的时间。
最大驱动
最小5000Ω 最大500Ω
6.1.3 EM235模拟量输入输出混合模块
图6-9 EM235输入输出混合模块端子、DIP设置开关及校准电位器示意图
1. EM235模拟量输入输出模块的输入输出特性
EM235模拟量输入输出模块的输入回路与 EM231模拟量输入模块的输入回路稍有不同，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（如图6-9所示）可以消除偏 置误差，其输入特性较EM231模块的输入特性，其 不同之处主要表现在可供选择的输入信号范围更加 细致，以便适应其更加广泛的场合。EM235模块的 输出特性同EM232模块，此处不再秉述。
00
R
1
01
S
1
10
N
1
SW2 0 0 1
SW3 0 1 0
E
0
1 1 +/-80mV
1
1
1
表6-3 EM231热电偶模块DIP开关的其它项设置
DIP开 状 关态
作用
项目名称
DIP开 状
关
态
作用
1 SW5
0
负向标定 +3276.7
正向标定3276.7
传感器熔断方 向的检测
SW7
Baidu Nhomakorabea
1 华氏温度测量 0 摄氏温度测量
1 禁止断线检测电 导线断线检测
1 冷端补偿禁止
流
的选择
SW6 0 启动断线检测电
SW8
0 冷端补偿启用
流
项目名称 温度测量单位的选
择
冷端补偿的选择
6.1.2 模拟量输出模块
1. EM232模拟量输出模块的内部结构及数据格式
电压-电流转换 电流输出 器
电压输出
数-模转换器D/A
电压输出缓冲 器
图6-7 EM232模拟量输出模块外部接线图及内部结构图
EM231热电阻模块是专门用于将热电阻信号转为数 字量信号的智能模块，它可以连接四种类型的热电阻 （Pt，Cu，Ni和电阻）。其接线端子示意图如图6-6所示。
图6-5 热电偶输入模块端子示意图
图6-6 热电阻输入模块端子示意图
热电偶类型 J K T
SW1 0 0 0
表6-2 热电偶类型选择
SW2 SW3 热电偶类型 SW1
①数据格式 对单极性为-32000～+32000，对双极性为0～32000 ②输入阻抗 大于等于10MΩ ③最大输入电压 30VDC ④最大输入电流 32mA ⑤分辨率 最小满量程电压输入时，为1.25mV；电流输入时为5μA ⑥输入类型 差分输入型
⑦输入电压电流范围
输入电压范围：对单极性为0～5V或0～10V 对双极性为±5V或±2.5V 输入电流范围：0～20mA ⑧模拟量到数字量的转换时间 小于250μs
6.1 S7-200系列PLC模拟量I/O模块
S7-200系列PLC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）EM231模拟量输入模块的内部结构及数据格式
MOVW AIW0，AC0
//读模拟量存入AC0
LDW>= AC0，0
//若模拟量为正
JMP K0
//则转到标号为K0的程序段进
行直接转换
NOT
//否则(即模拟量为负)
ORD 16#FFFF0000，AC0 //AC0中的符号处理
LBL K0
DTR AC0，AC0
//将32位整数格式转换为实数格式
/R 64000.0，AC0
去极值平均滤波：可有效地消除明显的干扰信 号，消除的方法是对多次采样值进行累加后，找出 最大值和最小值，然后从累加和中减去最大值和最 小值，再进行平均值滤波。
惯性滤波：逐次修正，它类似于较大惯性的低 通滤波功能。
6.2.2 模拟量输出信号的整定
在模拟量输出信号整定过程中，需考虑模 拟量信号的最大范围、D／A转换器可容纳的最 大位值以及系统的偏移量值等因素。
Yn为在采样时刻n计算出的回路控制输出值； SPn为在采样时刻n的给定值； PVn为在采样时刻n的过程变量值。 PVn-1为在采样时刻n-1的过程变量值。 T为采样周期； YX为在采样时刻n-1的积分项(也称为积分和)
6.3.1 PID算法
4．参数确定
=
1）采样周期T的确定
2）KC，TI，TD的确定
2. EM235模拟量输入输出模块的使用
EM235模拟量输入输出混合模块输入信号整定的步骤： 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（见表6-5）。 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调节偏置电位器，使模拟量输入寄存器的读数为零或
分辨率
2.5mV 1.25mV
电流发送器 电压发送器
未用端子
开 关
固定端子块
增益
增益
DIP设定开关
配置开关
没有使用 24VDC电源和公共端
图6-3 EM231模拟量输入模块端 子及DIP开关示意图
输入信号进行整定，输入信号的调整步骤如下：
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；
6.3.1 PID算法 3．离散系统的PID算法
Y nK C enK T C ITi n 1(ei) Y ini tK iC a T T D l (enen 1)
=
K C ( S P n P V n ) K C T T I( S P n P V n ) Y X K C T T D ( P V n 1 P V n )
6.3.2 PID回路(PID Control Loop)指令
1．指令格式
PID EN TBL LOOP
PID TBL，LOOP
LOOP为回路号，可在0-7范围选取；TBL为回路表的起 始地址，指定PID运算的有关参数，可寻址的地址为VB。
2．指令功能 PID回路控制指令利用以TBL为起始地址的回路表中提 供的回路参数，进行PID运算。
6.2 模拟量数据的处理 6.2.1 模拟量输入信号的整定
模拟量输入信号的整定需要考虑以下问题： ●模拟量输入值的数字表示方法 ●模拟量输入值的数字量表示范围 ●过程量的最大变化范围 ●系统偏移量的修正 ●标准化问题 ●线性化问题
模拟输入量的转换及标准化
XORD AC0，AC0
//清累加器AC0
数据值12位
0000
电压输出的数据格式
2. EM232模拟量输出模块的输出性能
项目 电压输出 电流输出
表6-4 EM232模拟量输出模块的输出性能
信号范围 分辨率 数据字格式
精度典型250C
+/-10V 0～20mA
12位 11位
-32000～ +32000
0～+32000
满量程的±0.5% 满量程的±0.5%
双字实数
输入/输出 类型
输入 输入 输入/输出 输入 输入 输入 输入
输入/输出
输入/输出
取值范围
在0．0、1．0之间 在0．0～1．0之间 在0．0—1．0之间 比例常数，可正可负 单位为秒，是正数 单位为分钟，是正数 单位为分钟，是正数
所需要的数值。 ⑤将一个满刻度的信号加到模块输入端，调节增益电位
器，直到读数为32000，或所需要的数值。 经上述调整后，若输入最大值为0～10V的模拟量信号，
则对应的数字量结果应为32000或所需数字，其关系 如图6-10所示。
数字量输出值 32000
模拟量
0
10V
输入值
图6-10 EM235转换曲线
(1)由系统开环单位阶跃响应曲线确定Kc、t和T'；
(2)计算系统响应率 R＝Kc/T'-t；
(3)若只采用比例环节，则取 Kc=T/R.t；
(4)若只取PI环节,则取 Kc=0.9/R.t ，KI=0.27 Kc/R.t2； (5)若采用PID,则取Kc=(1.2~2)·/R.t，KI＝0.5Kc/t， KD=0.5Kc·t。
在16位模拟量输出寄存器AQW中的数字量其有效位为12位， 格式如图6-8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。
MSB 15 0
MSB 15
LSB
14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
数据值11位
0000
电流输出数据格式
LSB
14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0