PLC对模拟量的控制
模块七PLC模拟量及PID控制课件
模拟量信号特点
连续变化，取值范围广泛，易受干扰影响。
PLC模拟量模块介绍
模拟量输入模块
将模拟量信号转换为数字信号，便于 PLC处理。
模拟量输出模块
将PLC输出的数字信号转换为模拟量 信号，控制外部设备。
模拟量输入电路原理与实践
电路原理
通过电阻、电容等元件对模拟量信号进行滤波、放大等处理 ，以保证信号的稳定性和精度。
要点三
衰减曲线法
先将比例度设置为一个较大值，然后 逐步减小比例度，同时加大积分时间 常数，使系统响应出现衰减振荡；此 时的比例度和积分时间常数即为合适 的PID参数；最后加入微分调节，提 高系统响应速度。
03
PLC实现PID控制策略
PLC内置PID功能介绍与设置
PID算法原理
介绍比例、积分、微分三环节的作用及调节规律， 以及PID控制参数的整定方法。
实时监控数据显示和报警功能实现
实时监控数据显示
通过触摸屏界面实时显示PLC采集到的模拟量数据，如温度、压力 、流量等，方便用户随时掌握设备运行状态。
数据曲线绘制
根据实时数据绘制相应的曲线图，可以更加直观地了解设备运行趋 势和历史数据变化情况。
报警功能实现
设定报警阈值，当实时数据超过或低于阈值时，触摸屏界面上显示 报警信息，并触发声光报警装置，提醒用户及时处理。
PID控制故障
PID调节失效，导致系统失控。原因可能包括参 数设置不当、传感器故障等。
故障排查方法和步骤总结
01
观察故障现象
通过查看PLC指示灯、监控画面等 信息，了解故障的具体表现。
03
制定排查方案
针对可能的原因，制定详细的排 查方案，包括检查电源、通信线
PLC
PLC综述可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC,是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。
它能够存储和执行指令，进行位置控制、逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是电子技术、计算机技术与继电器逻辑自动控制系统相结合的产物。
它不仅充分发挥了计算机的优点，以满足各种工业生产过程自动控制的需要，同时又照顾一般电气操作人员的技术水平和习惯，采用梯形图或状态流程图等编辑方式，使PLC的使用始终保持大众化的特点。
PLC可以用于单台机电设备的控制，也可以用于生产流水线的控制。
使用者可根据生产过程和工艺要求编制控制程序。
程序运行后，PLC就根据现场输入信号（按钮、行程开关、接近开关或其他传感信号）按照预先编入的程序对执行机构（如电磁阀、电动机等）的动作进行控制。
一、PLC简介及其特点：1、PLC简介:可编程控制器（Programmable Logic Controller ，简称PLC，下同）是电气自动控制的新技术，目前公开发行适用于技校的教材较少，给广大师生的学习带来诸多不便。
本文介绍PLC的编程设计方案，使电气工程技术人员特别是初学者对PLC技术加深了解和认识；同时帮助学生更好地解决学习PLC技术中最难掌握的编程难题，达到能够牢固掌握、熟练运用、提高应用设计能力和加快推广应用的目的。
程序设计是整个系统设计的关键环节，在PLC程序设计中，可采用梯形图、指令表、SFC（程序流程图）进行编程。
2、可编程控制器的主要功能这是PLC的基本功能，也是最广泛的应用，如机车的电气控制、包装机械的控制、电梯的控制等（1）用于模拟量的控制：PLC通过模拟量I/O模块，实现模数转换，并对模拟量进行控制。
如闭环系统的过程控制、位置控制和速度控制（2）用于工业机器人的控制：PLC作为一种工业控制器，适用于工业机器人。
plc在生活中的运用
plc在生活中的运用
1、开关量的逻辑控制
这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在生产过程中有很多不断变化的量，比如温度、湿度、压力、流速等，使用PLC能够实现模拟量和数字量之间的转换。
将外部电路的模拟量转换成数字量传输给PLC，将PLC的数字量转换成模拟量传输给外部电路。
3、运动控制
大部分PLC都是有双轴或多轴部位控制器来拖拽伺服电机或交流伺服电机。
该作用广泛运用于各类工业设备，如运动控制各种各样数控车床、安装机械设备、智能机器人等。
4、顺序控制
顺序控制是PLC应用广泛的领域，也是适合PLC发挥特长的领域。
用于替代传统继电器顺序控制的PLC顺序控制。
PLC应用于注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀装配线、电梯控制等单机控制、多级群控、生产自动线控制等场景。
PLC对模拟量信号是怎么进行处理的
PLC对模拟量信号是怎么进行处理的模拟量信号是自动化过程控制系统中最基本的过程信号(压力、温度、流量等)输入形式。
系统中的过程信号通过变送器，将这些检测信号转换为统一的电压、电流信号，并将这些信号实时的传送至控制器(PLC)。
PLC通过计算转换，将这些模拟量信号转换为内部的数值信号。
从而实现系统的监控及控制。
从现场的物理信号到PLC内部处理的数值信号，有以下几个步骤：从以上PLC模拟量的信号输入流程可以看到，在自动化过程控制系统中，模拟量信号的输入是非常复杂的。
但是，在现目前的工业现场，对模拟量信号的处理已基本都采用电流信号方式进行传输，相比于电压信号方式，电流信号抗干扰能力更强，传输距离更远，信号稳定。
这里就PLC对模拟量信号的转换过程进行一个简单的分解介绍。
1PLC对模拟量信号的转换西门子S7-200SMART PLC模拟量模块对模拟量信号的转换范围台达DVP系列模拟量模块对模拟量信号的转换范围从以上可以看到：1、模拟量信号接入PLC后，PLC将模拟量信号转换为了整型数据，不是浮点数(如西门子-27,648 到 27,648);2、不同品牌的PLC对模拟量转换范围是有差异的(如西门子-27,648 到 27,648;台达-32,384 到 32,384);3、PLC同一个模块对不同类型的模拟量信号的转换范围是一致的(如西门子对±10 V、±5 V、±2.5 V 或 0 到 20mA的模拟量信号的转换范围均为-27,648 到 27,648);故从以上几点我们可以知道，接入PLC的模拟量信号还需要进行再转换处理，才可以得到与实际物理量相匹配的数据;在进行数据转换处理的时候，还应该与使用的PLC模块的处理数据范围相对应。
2PLC数据转换处理过程1、模拟量信号与PLC转换数据之间的转换从以上内容知道，从PLC直接读取到的模拟量信号为整型数据，整型数据无法直观的反馈出实际的物理量大小，故为了能够直观的反馈出现场的过程信号情况，还应该将这些整型数据转换为反馈直观真实的浮点数信号。
PLC应用技术 第7章 模拟量控制
PLC应用技术（三菱机型）
淄博职业学院 电子电气工程学院
PLC应用技术（三菱机型）
第1章 可编程控制器认知 第2章 FX系统资源 第7章 模拟量控制 第3章 基本指令 第6章 状态法编程
3.模拟量采集（FROM指令）
3.模拟量采集（FROM指令）
由于工业环境干扰，采集到的模拟量如果不很稳定，甚至 明显错误，就需进行滤波。如果设置模块参数进行滤波效 果仍不理想，可考虑进行平均值滤波。 平均值滤波的基本思路是先把采集到的值，存储在某一存 储区域，然后进行排序，去掉不可信的一部分数值，其余 值求和取平均。 由于采集存储，求和取平均已在循环指令中说明，在次只 说明比较法排序，也就是两重循环在PLC中的应用。 如果采集到的模拟量存放在D50-D59中，共10个数据。
第8章 变频器控制 第4章 定时器计数器指令
第9章 工业网络控制 第5章 应用指令 第10章 上位机监控组态
第11章 三菱大中型PLC
第 7章
模拟量控制
3 1 2 3 4
7.1 模拟量采集 7.2 模拟量变换 7.3 模拟量输出 7.4 恒压供水
1.变送器选择
变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准量程的 直流电流或直流电压信号，例如DC0~10V和DC4~20mA。 变送器分为电流输出型和电压输出型。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100K~10MΩ。如果变送器距离PLC较远， 通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流，在 模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1μA干扰电 流在10MΩ输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远 程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。
PLC-模拟量控制
功能指令、特殊模块及应用之三
主要内容
任务 任务 相关 任务 知识 目标 分析 知识 实施 链接
任务目标 ① 熟悉A/D特殊功能模块的连
接、操作和调整。 ② 掌握A/D特殊功能模块程序
编写的基本方法。 ③ 掌握PLC功能指令的应用。
任务分析
电热水炉控制要求
当水位低于低位液位 开关时打开进水电磁 阀加水, 高于高位液位 开关时关闭进水电磁 阀停止加水。加热时, 当水位高于低水位时, 打开电源控制开关开 始加热, 当水烧开时, 停止加热并保温。
4~20mA （ 输 入 阻 抗 为
0~10V DC，0~5V DC（输入阻抗200kW），当输入电 250W），当输入电流超过
压超过-0.5V或+15V DC时，此单位可能损坏
-2mA 或 +60mA 时 ， 此 单
元可能损坏
2.5mV（10V/4000） 1.25mV（5V/4000）
Hale Waihona Puke 4mA{（20-4）/4000}
调节。偏置值和增益值的调节是对实际的模拟输入 设定一个数字值, 这是由FX2N-2AD的容量调节器来 调节的。如图4-57所示为FX2N-2AD容量调节器示 意图, 使用电压发生器和电流发生器来完成。也可 以用FX2N-4DA和FX2N-2DA代替电压和电流发生 器来调节。
（1）增益调整
（2）偏置值调整
在装用时，对于0~10V DC的模拟电压输出，此单元的数字
范 围 是 0~4000 ， 当 使 用 FX2N~2DA 并 通 过 电 流 输 入 或 通 过 0~5VDC输出时，就有必要通过偏置和增益量进行再调节
0~10V DC，0~5V DC（输入阻抗 4~20mA（输入阻抗为
第5讲PLC的模拟量控制
模拟输出范围
0~10VDC
0~5VDC
4~20mADC
仪表显示值
0.040V
0.020V
4.064mA
注：顺时针旋转电位器为数字值增加，从最小值到最大值需要转18圈。 （2）增益校准 1） 输入校准程序（图5.13所示）
图5.13 输入校准程序
2）校准过程 ①运行前面程序，确保X0为ON状态； ②调节D/A GAIN电位器，直到仪表显示到相应的增益电压/电流为止，如表5.8所 示。
【实例19】有一个压力传感器，感应压力范围是0-5MPa，输出电压是0-5V。利用 这个传感器去测量某管道中的油压，当测到的压力<3.5MPa时，PLC的Y10灯亮， 表示压力低；当测到的压力为3.5-4.2MPa的范围内时，Y11灯亮，表示压力正常； 当测到的压力>4.2MPa时，Y12灯亮，表示压力过高。请写出PLC的控制程序。 （1）系统分析 在该系统中，传感器输出的模拟量通过FX0N-3A转换为数字量放在PLC中，然后通 过区间比较指令进行比较判断，控制PLC的输出，假设FX0N-3A接在PLC的0号位置。 （2）根据数值比例进行画图（图5.18所示）
模拟输入范围 偏置校准值
0~10VDC 0.040V
0~5VDC 0.020V
4~20mADC 4.064mA
②运行前面程序，确保X0为ON状态； ③调节A/D OFFSET电位器，直到数字值1读入D0为止。 注：顺时针旋转电位器为数字值增加，从最小值到最大值需要转18圈。
（2）增益校准 校准过程如下： ①选择对应的接线方法，使输入的增益电压/电流符合表5.6。
图5.7 A/D输入程序
程序解释如下：
（1）X1↓，(H00)写入BFM#17，选择输入通道 1 且复位A/D 转换； （2）(H02)写入BFM#17，保持输入通道1 的选 择且启动A/D 转换； （3）读取BFM#0，输入通道1 当前A/D 转换对 应值存储于主机单元(D01)中； （4）X2↓， (H01)写入BFM#17，选择输入通道 2 且复位A/D 转换； （5）(H03)写入BFM#17，保持输入通道2 的选 择且启动A/D 转换； （6）读取BFM#0，输入通道2 当前A/D 转换对 应值存储于主机单元(D02)中。
PLC的模拟量控制
，该数值由模块中的DAC（数模转换器）变换为标准的
202模0/1/拟18 信号。
4
5.1.2 FROM与TO指令
模拟量扩展模块都是特殊功能模块，可用特殊功能模块读指令FROM（FNC78 ）和特殊功能模块写指令TO（FNC79）进行编程。 1.FROM指令 FROM指令用于从特殊单元缓冲存储器（BFM）中读入数据。格式：
拟输出通道的可接受范围为DC 0~10V、DC 0~5V 或
DC 4~20mA。
模拟量输入与输出接线如图5.3、图5.4所示。需要注意
的是两路输入通道均为同一特性，不可以混合使用电压
输入和电流输入。当使用电流输入时，应确保[VIN*]端
子和[IIN*]端子短路连接（电压输入时不可短接）；当
电压输入或输出存在波动或大量噪声时，应在相应处连
2020/1/18
3
图5.1 模拟量模块的作用
图5.1中，测量传感器利用线性膨胀、角度扭转或电
导率变化等原理来测量物理量的变化；测量变送器将传
感器检测到的变化量转换为标准的模拟信号，如: ±
10V, ±Βιβλιοθήκη 20mA, 4...20mA，这些标准的模拟信号将接到
模拟输入模块上。
由于PLC的CPU只能处理数字量信号，因此模拟输
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图5.6 模拟量输出与对应的数值
12
4、模拟量输出规格 FX0N-3A的模拟量输出规格如表5.2所示。
表5.2 FX0N-3A的模拟量输出规格
FX0N-3A的输出特性即模拟量输出与对应的数值如图5.6所示。根据图可以得出： 输出数字值转换模拟电压值: 255×10÷250=10.2 输出数字值转换模拟电流值: 255×(20–4)÷250+4=20.32
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PLC对模拟量的控制作者：黄静毕波来源：《电脑知识与技术》2009年第31期摘要:在工业生产领域中,特别是连续型生产过程中常常需要对电流,电压,温度,压力等物理量进行控制。
用PLC来控制模拟量可以充分利用PLC强大的数字与逻辑处理功能,在控制模拟量的同时,还可以进行开关量的控制。
该文着重介绍了如何用PLC对模拟量进行控制。
关键词:PLC;模拟量;数字量;转换中图分类号:TP335文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)31-pppp-0cPLC Analog Volume ControlHUANG Jing, BI Bo(Vocational & Technical College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)Abstract: In industrial control field, especially continuous production, we often need gather and control some analog signal, just as current, voltage, temperature, pressure and so on. Control analog quantity by PLC can take full advantage of its powerful date and logic process function, and at the same time it also can control switching value. This article mainly introduces how to process analog signal using PLC.Key words: PLC; analog quantity; digital quantity; conversion为了适应现代工业发展的需要,要求作为工业控制电子设备的PLC能对这些量进行控制。
为此,各PLC厂家都在这方面进行了大量的开发。
目前,不仅大中型机可以进行模拟量控制,小型机也可以。
我们都知道模拟量是指一些连续变化的物理量。
而PLC是由继电器控制电路引进微处理器技术后发展而来,可以方便、可靠地进行开关量的控制。
PLC进行模拟量控制,需要将模拟量转换成数字量,数字量的本质也就是开关量。
经转换后的模拟量,对有较强信息处理的PLC并不难。
由于PLC是基于计算机技术的控制器,有很强的数字处理与逻辑处理功能,所以,只要有合适的算法,一般来说多数控制要求总是可以实现的。
用PLC进行模拟量控制有一个明显的好处:在进行模拟量控制的同时,可进行开关量的控制,这是其他控制器所不能与之相比的。
本文主要探讨的就是PLC对模拟量的处理过程。
1 PLC处理模拟量的一般过程模拟量是连续量,如温度,湿度,流量等多数是非电量。
而PLC只能处理数字量、电量。
这就需要有相应的转换装置对信号进行转换。
PIC可以有很多具有特殊功能的扩展模块,模拟量模块则是其中的一种。
它包括数模转换模块和模数转换模块。
例如,数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出,这种转换具有较高的精度。
一般来讲,其控制过程是:首先用传感器采集信息,并把它变换成标准电信号,送到模拟量模块;模拟量模块把标准电信号转换成PLC可处理的数字信息;PLC按要求对此信息进行处理,并产生相应的控制信息送回模拟量模块;模拟量模块得到控制信息后,经变换,再以标准信号的形式传给执行器;执行器对此信号进行放大和变换,产生控制作用,施加到受控对象上。
图1示出以上介绍的模拟量控制过程。
■图1 模拟量控制过程2 模拟量信息的采集模拟量是连续量,多数是非电量。
而PLC只能处理数字量、电量。
需要有传感器接收模拟量信号,并把模拟量信号转换成电信号。
如果转换后的信号不是标准的电信号,如4～20mADC、1～5VDC、0～10VDC,还需要用变送器把非标准信号变换为标准的电信号。
变送器能够将温度、压力、长度、位置等物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出,热电偶电热调节器及电阻温度检测器都是常用的温度测量变送器。
信号经传感器,变送器处理后进入PLC的输入接线端子。
输入接线端子是PLC与外部传感器负载转换信号的端口,输入接线一般指外部传感器与输入端口的接线。
输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN管。
输入器件接通进入,输入端接通,输入线路闭合,同时输入指示的发光二极管亮,输入信号进入PLC等待输入采样。
PLC的模拟量模块能够在同一个端口接收不同的标准信号,只要在模块上的拨动开关上进行相关设定,就可以直接应用。
要注意的是:不同厂家的不同机型对进入其输入通道的信号要求可能会有所不同。
比如三菱的FX2N-2AD不能将一个通道作为模拟电压输入而将另一个作为电流输入。
这是因为两个通道使用相同的偏值量和增益值。
3 模拟量信息的变换和处理接收到的标准电信号是连续量,PLC是不能直接处理的。
为此需要对其进行采样与量化,转换为PLC能够进行处理的数字量。
首先对模拟量按一定时间间隔取值,进行采样。
采样后得到的量即为离散量。
它只能代表采样的瞬间的模拟量值,不能代表其它时刻的模拟量值。
显然,采样时间间隔越短,取样点越密集,就越能体现原始模拟信号的特征。
为了保证采样信号能较少失真地恢复为原来的连续信号,根据采样定理,采样频率一般应大或等于系统最大频率的两倍。
最大频率是系统幅频特性上幅值为零时的频率。
接下来要对离散量进行量化,求与实际的离散量最为接近的数字量。
所谓量化,就是度量采样后离散信号幅度的过程。
量化精度是就是度量时分级,好比一把尺子的刻度划分。
量化后得到的离散量就是PLC可以进行处理的数字量。
由量化的过程可知,数字量在时间上与取值上都是离散的。
转换后的数据量可以是八位二进制数、十二位二进制数、或者更高。
对应的分辨率分别为量程的1/256、1/4096、或更小。
如果选择的位数多,分辨率高,精度也高,量化后的值与模拟量的原值的误差也越小。
但位数多,模块价格也昂贵。
如果高过16 位,还要用双字指令处理,这将在一定程度上增加资源开销与处理时间。
在实际应用中,接收到的模拟信号不可能是理想信号,会受到各种干扰,为了削弱干扰对于模拟信号的影响,需要对模数转换结果按一定的算法进行过滤处理。
这一过程称为数字滤波。
常用的简单滤波设计方法如下:对现场模拟信号连续采样3次,采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。
3次采样数据分别存放在三个不同的数据寄存器中,当最后一次采样结束后,将3次采样数据的平均值作为本次采样结果存放在数据寄存器中,作为实际输入信号。
在实际应用中,可以根据需要适当地增加采样次数,以达到更好的效果。
对输入的模拟量处理好之后,就是根据通道的输入特性,找出实际物理量和数字量的对应关系。
图2列出的是数字量位数为12位的模拟量模块的通道的输入特性。
例如:压力传感器的量程为0～10MPa,输出信号为0～10V,选择FX2N-2AD的量程为0～10V,转换后的数字量为0-4000,假设转换后得到的数字为N,求以kPa为单位的压力值。
显然0～10MPa对应转换后的数字0～4000。
转换公式为:P= (10000×N)/4000=2.5N (kPa)注意: 在运算时一定要先乘后除,否则将会损失原始数据的精度。
找到对应关系后,根据控制要求对数据量进行处理。
再将处理结果输出到执行机构。
如果有输出执行的控制信息(数字量)需要送到输出模拟量模块,模拟量模块得到控制信息后,要经D/A 变换成模拟量,再以标准信号的形式传给执行器,执行器对此信号进行放大和变换,产生控制作用,施加到受控对象上。
4 应用案例现列举一个温控炉的恒温控制的案例来说明如何编程实现PLC对模拟量的控制。
让温控炉的炉温保持在一个设定的温度值上,最简单的控制方法是,不停地读入当前的温度值,并与设定值比较。
如实际温度小于设定值,则控制一个逻辑量处于ON,用其让加热器得电。
反之,如实际温度大于设定值,则控制这个逻辑量处于OFF,让加热器失电。
其控制过程如图3所示。
我们采用一体化温度变送器来检测当前温度,直接将PT100热电阻的阻值变化转换为4～20mA电流(模拟量4～20mA电流信号在工程中最为常用,其主要优点是抗干扰能力强。
),检测范围为0～400℃。
4～20mA电流与0～400℃数据对应,通过4～20mA电流间接可测量和反映实际温度。
在这个控制过程中,有一个模拟量(温度)和一个开关量(温控炉的得失电)。
据此,PLC 选用三菱的FX2N-16MR(16个开关量控制),模拟量输入模块选用三菱的FX2N-2AD(2个模拟量输入通道)。
该模拟量模块的数字量位数为12位,内部共有18个缓冲寄存器(BFM),用来与主机FX2N-16MR进行数据交换,每个缓冲寄存器的位数为l6位,数据传输使用FROM,TO指令。
将FX2N-2AD安装在紧靠基本单元FX2N-16MR的位置,其模块编号为0,选用通道1作为模拟量的输入通道。
图4所示的是当X0接通时,PLC读取模拟量并将其转换为数字量的程序。
通道1转换后的数字量就存放在寄存器D10O中。
如果现场的干扰较大,读取的数字值不稳定,可使用平均值数据,也就是我们前面介绍的滤波处理。
可在图4所示的程序后面添加如下程序(图5)。
得到转换后的数字后,在根据控制要求进行处理。
将其与恒温控制设定的温度值所对应的数字值(设定值)相比较,如果大于设定值,则停止加热。
如果小于设定值,则继续加热。
这一部分的处理是对开关量的处理,就不详细说明了。
5 结束语通过PLC模拟量模块对数据的转换和传递,PLC可以很轻松地实现对模拟量的控制。
此外,PLC模拟量的扩展模块除了普通的模入模块外,还有专门用于处理温度量的温度模块,用于通讯的通讯模块等一些特殊的功能模块。
用PLC进行工业控制,可以很方便地与各种扩展模块组合在一起使用,并可用PID或模糊控制算法实现其控制要求,从而获得很高的控制质量。
参考文献:[1] 杨广才,唐学媛.PLC软件数字滤波的应用[J].自动化技术与应用,2008(2):27.[2] 日本三菱电气公司.三菱FX系列特殊功能模块手册[Z].[3] 宋伯生.可编程序控制器·配置·编程·联网[M].北京:中国劳动出版社,1998.。