西门子S7-1200PLC模拟量闭环控制系统

显示全部楼层 · 2024-5-6 19:38:16

在工业生产中，一般用闭环控制方式来控制温度、压力、流量这一类连续变化的模拟量，使用得最多的是PID控制(即比例-积分-微分控制)，这是因为PID控制具有以下优点：
1、即使没有控制系统的数学模型，也能得到比较满意的控制效果。
2、通过调用PID指令来编程，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P、PI、PD和PID等方式，S7-1200的PID指令采用了不完全微分PID和抗积分饱和等改进的控制算法。

模拟量闭环控制系统
典型的模拟量闭环控制系统，以加热炉温度闭环控制系统为例，用热电偶检测被控量c(t)(炉温)，温度变送器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的直流电流或直流电压PV(t)，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器，将它们转换为与温度成比例的多位二进制数过程变量(又称为反馈值)PV(n)。
CPU将它与温度设定值SP(n)比较，误差e(n)=SP(n)-PV(n)。
模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。

PID控制器以误差值e(n)为输入量，进行PID控制运算。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器的数字量输出值M(n)转换为直流电压或直流电流M(t)，用它来控制电动调节阀的开度。用电动调节阀控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。
闭环控制的工作原理
闭环负反馈控制可以使过程变量PV(n)等于或跟随设定值SP(n)。以炉温控制系统为例，假设被控量温度值c(t)低于给定的温度值，过程变量PV(n)小于设定值SP(n)，误差e(n)为正，控制器的输出值M(t)将增大，使执行机构(电动调节阀)的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于设定值。

闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。
变送器的选择
变送器用来将电量或非电量转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块。
变送器分为电流输出型变送器和电压输出型变送器。电压输出型变送器具有恒压源的性质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，例如电压输入时，S7-1200的模拟量输入模块的输入阻抗大于等于9M0。

如果变送器距离PLC较远，微小的干扰信号电流在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。
例如2μA干扰电流在9M输入阻抗上将会产生18 V的干扰电压信号，所以远程传送的模拟量电压信号的抗干扰能力很差。
电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。S7-1200的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗为2802。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适合远程传送。
闭环控制反馈极性的确定
闭环控制必须保证系统是负反馈(误差=设定值一过程变量)，而不是正反馈(误差=设定值+过程变量)。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或减小。

闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关，例如因为接线改变了变送器输出电流或输出电压的极性，或者改变了绝对式位置传感器的安装方向，都会改变反馈的极性。
可以用下述方法来判断反馈的极性：在调试时断开模拟量输出模块与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器中有积分环节，因为反馈被断开了，不能消除误差，模拟量输出模块的输出电压或电流会向一个方向变化。这时如果假设接上执行机构能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。

以温度控制系统为例，假设开环运行时设定值大于过程变量，若模拟量输出模块的输出值磁力不断增大，如果形成闭环，将使电动调节阀的开度增大，闭环后温度测量值将会增大，使误差减小，由此可以判定系统是负反馈。
闭环控制系统主要的性能指标
由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，使系统的输出量发生变化，在系统输出量达到稳态值之前的过程称为过渡过程或动态过程。
阶跃响应是指系统的输入信号阶跃变化(例如从0突变为某一恒定值)时系统的输出。

被控量c(t)从0上升，第一次到达稳态值c(x)的时间称为上升时间t一个系统要正常工作，阶跃响应曲线应该是收敛的，最终能趋近于某一个稳态值c(2)。
系统进入并停留在c(x)上下±5%(或2%)的误差带内的时间1.称为调节时间，到达调节时间表示过渡过程已基本结束。

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