经验交流Technical Communications《自动化技术与应用》２００９年第２８卷第１２期基于S7-200 PID指令算法的恒压供水自动化系统
白 金
(安徽机电职业技术学院 电气工程系,安徽 芜湖 241000)
摘 要:恒压供水系统实训装置,以PLC控制技术为核心,变频器技术为基础。PLC将压力的设定值和测量值比较经PID运算得到的
信号控制变频器,通过变频器对频率的调节来完成对泵的转速的控制,实现恒压供水的目的。本文介绍了基于S7-200恒压供水控制系统的PID控制算法的实现。
关键词:恒压供水;PID算法;PLC;变频器
中图分类号:TM571.61 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2009)11-0121-03
A PLC-Based Constant Pressure Water Supply System
BAI Jin
( Anhui Technical College Of Mechanical and Electrical Engineering, Electrical Engineering departments, Wuhu 241000 China )
Abstract: This paper introduces a PLC-based constant pressure water supply system for teaching purposes. The constant pres-sure can be achieved by control the pump speed with the converter. The S7-200 is used for implementation of the PIDcontrol algorithm.
Key words: constant pressure water supply; PID; PLC; converter
1 引言本文介绍恒压供水系统实训教学装置,该实训系统装置采用闭环控制方式实现对供水系统压力变化的控制。PID调节器不需要精确的控制系统模型,具有较强的灵活性和适应性。该恒压供水控制系统是集传感器技术、PLC、变频器技术、自动控制原理等学科为一体的综合应用实验系统,为提高学生的综合应用能力提供了良好的实验平台。
系统采用S7-200CPU224型PLC、EM235模拟量扩展模块、变频器、压力式液位传感器、AI-808变送器及其他控制设备组成。系统结构及方框图如图1及图2所示。
图2恒压供水实训系统方框图[4][5]
2 硬件系统组成及工作原理2.1 硬件系统组成2.2 工作原理被控对象为水箱水位,压力式液位传感器检测水箱水位信号,转换成4~20mA电信号,经AI-808变送器将电流信号转换成1~5V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差,经PID运算后,发出控制信号,控制变频器。变频器的输出频率变化控制泵的速度,来调节入水量的大小,从而达到恒压供水的目的。
图1 恒压供水实训系统结构图
2.3 PID控制器的硬件的实现西门子公司的S7-200系列可编程控制器,它是一种整体式结构的小型PLC,其模拟量扩展模块可以实现将
Techniques of Automation & Applications | 121
收稿日期：２００９－０４－２９
《自动化技术与应用》２００９年第２８卷第１２期 经验交流Technical Communications模拟量转变成为数字量送入PLC内部,经PLC内部PID控制程序可实现PID控制,然后将输出的数字量转换为模拟量输送给被控对象。本控制系统中使用了一个CPU224主机模块和一个EM235模拟量I/O扩展模块,用EM235作为模拟量信号采集和信号处理模块, EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。图3示为S7-200PLC控制系统结构图。
PVn)成正比的调节作用,比例系数Kc越大,比例调节作用越强,系统的静态稳定精度越高,但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧,稳定性降低。
积分项Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx:与偏差有关,只要偏差不为0,PID控制的输出就会因积分作用而不断变化,知道偏差消失,系统处于稳定状态,所以积分的作用是消除稳态误差,提高控制精度,但积分的动作较慢,给系统的动态稳定带来不良影响,很少单独使用。积分时间常数Ti增大,积分作用越强,消除稳态误差的速度减慢。
微分项Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn):根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节,具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时,超调量减少,动态性能得到改善,但Td过大,系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。
许多控制系统内,可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
图3 S7-200PLC控制系统结构图
3 PID算法指令程序设计3.1 PID算法简介在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节[3]。PID调节结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。积分控制器可以消除系统的静差,微分控制器可以改善系统的动态响应速度。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
3.3 PID算法指令程序设计S7-200系列PLC提供了闭环控制PID的运算指令,设计时只需要在PLC的内存中填写一张PID控制参数表再执行“PID Table Loop”即可完成PID运算,其中操作数Table表使用变量存储器来指明控制参数表的表头字节,操作数Loop只可选择0～7号的整数,表示本次PID闭环控制所针对的环路编号,最多8路,在本设计中,我们使用了VB700为参数表的首地址。其中的PID参数用上位机通过变量存储器给定。
恒压供水控制系统PID参数表[2]
3.2 PID的数字化处理PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础,经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程,再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3项,比例项、积分项和微分项。即:输出＝比例项＋积分项＋微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算,算法如下:
[1]
程序:主程序
LD SM0.1CALL SBR0
子程序（建立PID回路参数表,设置中断以执行PID指令）
LD SM0.0
MOVR VD100, VD704MOVR VD104, VD712
Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)
+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)
比例项Kc*(SPn-PVn):能及时地产生与偏差(SPn-122 | Techniques of Automation & Applications 经验交流Technical Communications《自动化技术与应用》２００９年第２８卷第１２期MOVR 0.1, VD716MOVR VD200, VD720MOVR VD204, VD724MOVB 100, SMB34ATCH INT0, 10ENI
中断程序（执行PID指令）LD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0/R 320000.0, AC0MOVR AC0, VD700LD I0.0PID VB700, 0LD SM0.0MOVR VD708, AC0*R 32000.0, AC0ROUND AC0,AC0DTI AC0, AC0MOVW AC0, AQW0(上接第115页)工件平台
0020 DOUT OT#（30）OFF ;放工件0021 TIMER T=300
0022 MOVJ VJ=40 ;在这一程序点处设置立方体干涉区2
0023 JUMP *start0024 END
3.机器人的运行调试
（1）机器人的离线调试,机器人从坐标原点位置,通过示教功能控制机器人到取工件的位置进行抓取大工件,用慢速手动移动机器人到安装位,放置好大工件,将机器人移动离开安装位,等待5秒（目的是待联网时安装站将小工件安装到大工件里）,移动机器人到安装位进行抓取大工件并送至分类站的接工件位置,控制机器人回到坐标原点位置。
选择合适的程序点位置,对机器人再现运行速度进行修改、设定,选择合适的再现运动轨迹插补方式。
所有抓工件,放工件操作要100%准确无误。（2）系统联调,将安装站、分类站与机器人按照输入、输出表连接,在前后站信号配合下,进行程序的连续运行调试。直至机器人及整套MPS的动作安全、流
4 结束语本设计是基于PLC的恒压供水控制系统,在工业生产中应用广泛,在此实训系统中采用模拟现场的方式,利用PLC完成PID控制,输出信号通过控制变频器来控制水泵运行状态,实现恒压供水系统的模拟实训,有较强的实践性和实用性,能适应生产过程自动化所需人才培养模式,学生可以通过此实训设备和实训过程对PLC的PID控制有更深一步的理解。
参考文献:[1] 田淑珍主编.可编程控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2008.
[2] 2004.S7-200可编程序控制器,系统手册[Z].
[3] 胡寿松主编.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2000.[4] 吕慧芳.基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现[J].重庆文理学院学报,2009(1):53-55.
[5] 叶永祥,张旭宁.基于欧母龙PLC的PID调节[J].自动化技术与应用,2009,28(7):71-74.
作者简介：白金（１９８１－），女，助教，研究方向：ＰＬＣ控制和自动控制。
畅,速度符合前、后站要求,能和前、后站协调工作。
4 结束语MOTOMAN机器人应用于MPS系统,大大的提高了系统的工作速度,能及时准确地完成两度的搬运任务,定位准确、动作协调、工作可靠。机器人编程方便快捷,由于机器人有一手提式的示教器,其友好的用户界面,可以让编程人员灵活快速地实现机器人的各种动作。另外,机器人最大的特点是柔性大,可以单轴运动,也可6轴联动完成各种复杂的空间运动,其轨迹可以是各个空间方向的直线、圆周,可以是各种规则或不规则空间曲线。任何结构的生产线,机器人皆可轻易上料、取料。使整套自动化产生加工教学系统的性能得到有效提高。可培训的内容增加。
参考文献:[1] YASNAC XRC 使用说明书[Z].首钢莫托曼机器人有限公司,2002.
[2] YASNAC XRC 操作要领书[Z].首钢莫托曼机器人有限公司,2002.
作者简介：李洪群（１９７４－），讲师，研究方向：电气自动化。
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