【案例】一文讲解清楚 FX5U PID自动调节控制

一、案例任务控制要求描述

三相异步马达带不同负载时，转速会产生不同的压降。比如说：两级电机的额定转速是3000rpm，但是实际上它并不能达到额定转速，这是因为在运行过程中会收到摩擦力、离心力等影响，就会产生转速压降。由于带了不同的负载，就会产生不同的速度。

现在电机想要恒速保持在1000rpm，如果不加任何负载，1000rpm是没有问题的，但是加上不同负载之后该怎么让电机恒速呢？此时就需要进行闭环控制，闭环控制就需要用到PID技术。利用编码器通过FX5U本身自带的高速脉冲接口，将电机的频率传动给PLC，PLC通过自身内部的PID指令控制驱动变频器提高或降低频率的输出。如图1-1所示。



图 1-1 变频器闭环控制

二、相关基础知识

知识准备：

1.模拟量基本设置（见图2-1）



图 2-1 模拟量输出基本设置

（1）D/A转换允许/禁止设置:设置了D/A转换允许才会有模拟量的输出。

（2）D/A输出允许/禁止设置：设置允许输出数字输出值，设置禁止输出偏置值（HOLD设定值）。

2.模拟量应用设置（见图2-2）



图 2-2 模拟量输出应用设置

（1）报警输出功能：当数字输出值不在报警输出值的范围内，报警输出标志为ON；

（2）比例缩放设置：对要输出的数字值进行换算如图2-3所示。



图 2-3 比例缩放设置

比例缩放值的计算方法：输出范围中使用出厂设置。



（3）移位功能：对数字输入值整体移位。

（4）模拟输出HOLD/CLEAR设置：CLEAR：清除数据为0；上次值（保持）；设置值。（将D/A转换允许/禁止设置设置为禁止时有效）。

3.高速输入基本设置（见图2-4）



图 2-4 高速输入基本设置

（1）运行模式：普通模式：作为一般的高速计数器使用；脉冲密度测定模式：测定从输入脉冲数开始到指定时间内的脉冲数；转速测定模式：测定从输入脉冲数开始到指定时间内的转速。测定单位时间跟每转的脉冲数根据模式进行单独设置。

（2）脉冲输入模式：1相1输入计数器（S/W）--受扫描周期影响如图2-5所示。



图 2-5 1相1输入计数器（S/W）

1相1输入计数器（H/W）--受硬件输入影响如图2-6所示。



图 2-6 1相1输入计数器（H/W）

1相2输入计数器如图2-7所示。



图 2-7 1相2输入计数器

2相2输入计数器[1倍频]如图2-8所示。





图 2-8 2相2输入计数器[1倍频]

2相2输入计数器[2倍频]如图2-9所示。





图 2-9 2相2输入计数器[2倍频]

2相2输入计数器[4倍频]如图2-10所示。





图 2-10 2相2输入计数器[4倍频]

内部时钟如图2-11所示。



图 2-11 内部时钟

内部时钟始终以1Mhz的时钟进行计数递增/递减。不使用来自外部的输入。

（3）预置功能：通过预设值可以提前设置好对应的值。

（4）使能功能：通过使能按钮才能进行处理高速功能。

（5）环形长度设置：根据环长设置，高速计数器的形式为环形计数器。未设置时如图2-12所示，设置时如图2-13所示。



图 2-12 链接长度



图 2-13 环形长度

三、任务的实施

本案例会从电气元件选型—IO地址分配—硬件接线-软件参数设置-程序设计-PID自动调试这六方面进行讲解。

1、电气元件选型

根据任务控制的描述，在本例中需要一个PLC，一台变频器、一个编码器、一台电动机和两个按钮设备。如下表3-1所示。

名称	型号	数量	备注
三菱PLC	FX5U-32MT/ES	1	自带模拟量输入输出
按钮		2	启动与停止使用
变频器	FR-E800	1	控制电动机
编码器		1
电动机		1

表3-1 BOM表

2、 I/O地址分配

根据任务控制的描述，在本例中需要使用到2个输入点1个输出点，I/O分配表如下表3-2所示。

输入点	注释	输出点	注释
X0	启动按钮	Y0	运行
X1	停止按钮

表3-2 I/O地址分配表

3、硬件接线图

FX5U本体PLC可兼容源性和漏型的输入，当S/S跟24V短接时，输入即为漏型输入如图3-1所示；当S/S跟0V短接时，输入即为源性型输入。在本案例中需要用到两个按钮，一个是启动按钮接在X10上面，一个是停止按钮接在X11上面。由于变频器的正反转的控制是触点控制，所以直接把PLC上的COM0接到变频器输入公共端SD，Y0接变频器上的正转端子STF。



图3-1 PLC与变频器之间的接线

由于变频器模拟量给定频率有两个通道，在此我们使用“2”通道，所以PLC左上方的模拟量的输出V+接到变频器2号端子上，V-接到变频器5号端子上。

给编码器供电后，A相接入X0、B相接入X1；FX5U的S/S接入到24V，说明PLC输入低电平有效，如图3-2所示



图3-2 PLC与编码器之间的接线

4、软件参数设置

（1）模拟量输出基本设置：将D/A转换允许/禁止设置改为允许，将D/A输出允许/禁止设置改为允许。如图3-3所示。



图3-3 模拟量输出基本设置

（2）高速计数器设置如图3-4所示。



图3-4 高速计数器设置

（3）由于使用了高速计数器功能，对应的输入响应时间改快一些，设置如图3-5所示。



图3-5 输入响应设置

5、程序设计

当PLC上电的一瞬间，先把目标值赋值为1000，设置为逆动作，并且把输出范围设置为0~4000。当运行一瞬间并且不在运行模式和自整定模式下时把采样时间改为200ms，并且复位所有的输出。





自整定模式中，把采样时间改为1S，输出开始设置为3500，并开始运行PID。



按一下启动按钮，启动PID指令并启动高速计数器通道，按下停止按钮或不在自整定状态下则停止运行。把高速通道中的旋转速度传送给D501用来做PID的测定值。





图3-6 程序设计

1、启用/停止高速计数器计数功能，指令HIOEN

（1）高速计数器的普通模式，则S1为K0；

（2）启用CH1，则S2为2#0000 0000 0000 0001，即H0001；

（3）未使用CH16～CH2，停止功能无需设置，则S3为2#0000 0000 0000 0000，即H0000。



2、读取高速计数器的当前值，指令DHCMOV

（1）将CH1的当前值SD4501、SD4500传送给D1001、D1000

（2） n的值设为为K0，则传送完成后保留s的值。



3、PID指令如下所示：