《柔性制造系统控制技术》课件第3章.ppt
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1、项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用项目三项目三 柔性制造系统中的柔性制造系统中的PLC控制技术应用控制技术应用任务任务1 PLC在过程控制中的应用在过程控制中的应用任务任务2 PLC在步进电动机中的应用在步进电动机中的应用任务任务3 使用使用MAP库指令控制步进电动机库指令控制步进电动机任务任务4 使用定位模块控制步进电动机使用定位模块控制步进电动机任务任务5 PLC伺服控制中的应用伺服控制中的应用任务任务6 使用使用PPI协议实现两台协议实现两台PLC之间的通信之间的通信任务任务7 使用使用USS协议对协议对MicroMaster变频器进行通信调速变频器进行通信调速项目三 柔性制造系
2、统中的PLC控制技术应用 任务任务1 PLC在过程控制中的应用在过程控制中的应用项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用一、任务引入在过程控制中,PID(比例(P)、积分(I)和微分(D)控制是应用最广泛的一种自动控制方法。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数选定比较简单、调整方便等优点。长期以来,广大科技人员及现场操作人员在PID控制的使用中积累了大量的实践经验。了解PID控制的原理和使用方法,已成为电气和仪表操作人员的必备技能。二、任务分析通过本任务的学习,应实现以下知识目标:(1)了解PID控制的工作原理。(2)掌握PID控制的参数整定方法。(3)掌握S7-200
3、 PLC的PID指令使用方法。(4)掌握PID指令的编程方法和步骤。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用三、相关知识1.PID控制简介在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”,PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效办法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活(如可为PI调节、PD调节等)。1)比例(P)控制比例控制是一种最简单、最常用的控制方式,如放大器、减速器和弹簧等。比例控制器能立即成比例地响应输入的变化量。当仅有比例控制时,系统输出存在稳态误差。2)积分(I)控制在积分控制中,控制器的输出是输入量对时间的积累
4、。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。所以即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而增大,它推动控制器的输出增大,使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用3)微分(D)控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在
5、较大的惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.PID控制器的参数整定1)闭环控制系统的特点控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。开环
6、控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响,在这种控制系统中,不依赖将被控制量反馈回来以形成任何闭环回路。闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反馈回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若负反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈;若极性相同,则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈,又称为负反馈控制系统。可见,闭环控制系统性能远优于开环控制系统。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用2)PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性,确定PID控制器的比例系数、积分时间和微
7、分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有如下两大类:(1)理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用,还必须通过工程实际进行调整和修改。(2)工程整定法。它主要依赖于工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利
8、用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用3)PID控制器的主要优点PID控制器成为应用最广泛的控制器,它具有以下优点:(1)PID算法蕴涵了动态控制过程中的过去、现在、将来的主要信息,而且其配置几乎最优。其中,比例(P)代表了当前的信息,起纠正偏差的作用,使过程反应迅速。微分(D)在信号变化时有超强控制作用,代表将来的信息。在过程开始时强迫过程进行,过程结束时减
9、小超调,克服振荡,提高系统的稳定性,加快系统的过渡过程。积分(I)代表了过去的积累的信息,它能消除静差,改善系统的静态特性。此三种作用配合得当,可使动态过程快速、平稳、准确,收到良好的效果。(2)PID控制适用性好,有较强的鲁棒性,对各种工业应用场合,都可在不同的程度上应用,特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。(3)PID算法简单明了,各个控制参数相对较为独立,参数的选定较为简单,形成了完整的设计和参数调整方法,很容易为工程技术人员所掌握。(4)PID控制根据不同的要求,针对自身的缺陷进行了不少改进,形成了一系列改进的PID算法。例如,为了克服微分带来的高
10、频干扰的滤波PID控制,为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制,为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展,又形成了许多智能PID控制方法。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用3.PID算法PID控制器调节输出,保证偏差(e)为零,使系统达到稳定状态,偏差是给定值(SP)和过程变量(PV)的差。PID控制的原理基于以下公式:式中,M(t)是PID回路的输出;Kc是PID回路的增益;e是PID回路的偏差(给定值与过程变量的差);Minitial是PID回路输出的初始值。由于以上的算式是连续量,必须将以上的连
11、续量离散化才能在计算机中运算,离散处理后的算式如下:式中,Mn是在采样时刻n的PID回路输出的计算值;KL是积分项的比例常数;KD是微分项的比例常数;是采样时刻n的回路的偏差值;是采样时刻n-1的回路的偏差值;是采样时刻x的回路的偏差值。再对式(3-2)进行改进和简化,得出如下计算PID输出的算式:ne1nexe项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用4.S7-200PLC的PID指令S7-200PLC有PID指令,可以比较方便地进行PID控制。S7-200PLC的PID回路指令,当使能有效时,根据表格(TBL)中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID回路计算。PID指令的格式如表3-1所
12、示。使用PID指令时的注意事项如下:(1)程序中最多可以使用8条PID指令,回路号为07,不能重复使用。(2)PID指令不对参数表输入值进行范围检查。必须保证过程变量、给定值积分项前值和过程变量前值在0.01.0之间。(3)使能ENO=0的错误条件:0006(间接地址),SM1.1(溢出,参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号操作数超出范围)。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用在工业生产过程中,模拟信号PID(由比例、积分和微分构成的闭合回路)调节是常见的控制方法。运行PID控制指令,S7-200 PLC将根据参数表中输入测量值、控制设定值及PID参数,进行PID运算,求得输出控
13、制值。参数表中有9个参数,全部是32位的实数,共占用36个字节。PID控制回路的参数表如表3-2所示。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用四、任务实施1.使用PID指令编写控制程序1)控制要求有一台电炉要求炉温控制在一定的范围。电炉的工作原理如下:当设定电炉温度后,S7-200 PLC经过PID运算后由模拟量输出模块EM232输出一个电压信号送到控制板,控制板根据电压信号(弱电信号)的大小控制电热丝的加热电压(强电)的大小(甚至断开),温度传感器测量电炉的温度,温度信号经过控制板的处理后输入到模拟量输入模块EM231,再送到S7-200 PLC进行PID运算,如此循环。整个系统的硬件配置
14、如图3-1所示。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用2)硬件配置系统硬件配置如下:(1)1台CPU226CN PLC。(2)1台EM231。(3)1台EM232。(4)1根编程电缆(或CP5611卡)。(5)1台电炉(含控制板)。3)PID参数表编写程序前,先要填写PID指令的参数表,参数如表3-3所示。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用4)程序编写程序分为三部分:主程序、子程序和中断子程序。主程序在开机时即调用子程序,在子程序中将表3-3中的PID参数进行设置,同时在子程序中设定中断子程序的中断周期为100ms,中断事件为10,中断子程序为INT_0,允许中断。在中断子程序中将
15、EM231采集的模拟量信号AIW0的值进行转换,进行标准化运算,最后将其值作为过程变量(反馈值)存放到VD100中。经过PID运算后,再将PID输出值Mn进行将实数转换为16位整数的逆运算,然后经EM232输出端AQW0输出,最后由控制板控制电阻丝的通断,从而控制电炉的温度。(1)PID控制主程序如图3-2所示。(2)PID控制回路的参数设置在子程序中完成,如图3-3所示。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用(3)程序首先对温度传感器检测来的模拟量信号AIW0进行标准化运算,将运算值存入过程变量VD100中,进行PID运算,再将运算结果VD108
16、中的值进行逆运算,传入AQW0中去对控制板进行控制,从而控制电阻丝的通断。PID运算中断子程序如图3-4所示。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用2.使用指令向导编写PID控制程序使用PID指令编写控制程序,必须对控制过程比较了解,但编写比较麻烦,初学者不容易理解。STEP7编程软件可以使用指令向导进行PID控制程序编写,这样就相对容易实现了。1)PID指令向导设置(1)打开指令向导,选定PID。选中菜单栏的“工具”,单击其子菜单项“指令向导”,弹出如图3-5所示的界面,选定“PID”选项,单击“下一步”按钮。(2)指定回路号。如图3-6所示,本例选定回路号码为“0”,单击“下一步”按钮
17、。(3)设置回路参数。如图3-7所示,本例将比例参数设定为0.05,采用时间设为“35.0”秒,积分时间设为“30.00”分钟,微分时间设为“0.00”分钟,实际上就是不使用微分项“D”,使用PI调节器,最后单击“下一步”按钮。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用(4)设置回路的输入和输出选项。如图3-8所示,标定项中选择“单极性”,过程变量中的参数不变,输出类型中选择“模拟量”(因为本例为EM232输出),单击“下一步”按钮。(5)设置回路报警选项。如图3-9所示,本例没有设置报警,单击“下一步”按钮。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用(6)为计算指定存储区。如图3-10所示,
18、PID指令使用V存储区中的一个36个字节的参数表,存储用于控制回路操作的参数。PID计算还要求一个“暂存区”,用于存储临时结果。先单击“建议地址”按钮,再单击“下一步”按钮,自动分配地址,当然地址也可以根据需要自己来分配。(7)指定子程序和中断程序。如图3-11所示,本例使用默认子程序名,只要单击“下一步”按钮即可。如果项目包含一个激活PID配置,已经建立的中断程序名被设为只读。项目中的所有配置共享一个公用中断程序,项目中增加的任何新配置不得改变公用中断程序的名称。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用2)程序编写在主程序编辑区使用特殊辅助继电器SM0.0直接调用PID0_INIT子程序,
19、如图3-13所示。3)PID的自整定S7-200 CPU V2.3以上版本的硬件支持PID自整定功能,在软件STEP-Micro/WIN V4.0以上提供的版本中增加了PID调节控制面板。可以使用用户程序或PID调节控制面板来启动自整定功能。在同一时刻,最多可以有8个PID回路同时进行自整定。PID自整定的目的是为用户提供一套最优化的整定参数,使用这些整定参数值可以使控制系统达到最佳的控制效果,真正优化控制程序。PID自整定的使用方法如下:在STEP-Micro/WIN V4.0在线的情况下,单击菜单“工具”下的子菜单“PID调节控制面板”,如图3-14所示。项目三 柔性制造系统中的PLC控制
20、技术应用在“PID调节控制面板”上先选定“自动调节”,再单击“开始自动调节”按钮,PID自动调节开始。PID调节控制面板如图3-15所示。为了保证PID自整定的成功,在启动PID自整定前,需要调节PID参数,使PID调节器基本稳定,输出、反馈变化平缓,并且使反馈比较接近给定;设定合适的给定值,使PID调节器的输出远离趋势图的上下坐标轴,以免PID自整定开始后输出值的变化范围受限制。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用 任务任务2 PLC在步进电动机中的应用在步进电动机中的应用项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用一、任务引入在定位控制中,使用
21、PLC控制步进电动机的实例非常多。S7-200 PLC如何通过编程控制步进电动机,就是本节将要完成的任务。二、任务分析通过本任务的学习,应实现以下知识目标:(1)掌握高速脉冲输出指令的使用方法。(2)掌握高速脉冲输出指令控制步进电动机的编程方法。(3)掌握使用位置向导指令控制步进电动机的编程方法。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用三、相关知识1.直接使用S7-200 PLC的高速输出点控制步进电动机1)高速脉冲输出指令介绍高速脉冲输出功能即在PLC的指定输出点上实现脉冲输出(PTO)和脉冲调制(PWM)功能。S7-200 PLC配有两个PTO/PWM 发生器,它们可以产生一个高速脉冲串
22、或一个脉冲调制波形。一个发生器输出点是Q0.0,另一个发生器输出点是Q0.1。Q0.0和Q0.1也可作为普通输出点使用。一般情况下,PTO/PWM输出负载至少为10%的额定负载。脉冲输出指令(PLS)配合特殊存储器用于配置高速输出功能,PLS指令格式见表3-5。脉冲串操作(PTO)按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波(占空比为50%,如图3-16所示)。PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串(使用脉冲包络),单位为s或ms,以指定脉冲宽度和周期。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用PTO脉冲个数范围为1429496295,周期为1065535 s或者265535 ms。2)与PLS指令相
23、关的特殊寄存器的含义如果要装入新的脉冲数(SMD72或SMD82)、脉冲宽度(SMW70或SMW80)和周期(SMW68或SMW78),应在执行PLS指令前装入这些值和控制寄存器,然后PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据。这些特殊寄存器分为3大类:PTO/PWM功能状态字、PTO/PWM功能控制字、PTO/PWM功能寄存器。这些寄存器的含义见表3-6表3-8。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用使用与PTO/PWM功能相关的特殊寄存器SM时有以下几点需要注意:(1)如果要装入新的脉冲数(SMD72或SMD82)、脉冲宽度(SMW70或SMW80
24、)或者周期(SMW68或SMW78),应该在执行PLS指令前装入这些数值到控制寄存器中。(2)如果要手动终止一个正在进行的PTO包络,则应把状态字中的用户终止位SM66.5或者SM76.5)置1。(3)用一个PTO状态字中的空闲位SM66.7(或SM76.7)来表示脉冲输出完成,另外在脉冲串输出完成时,可以执行一段中断服务程序。当使用多段操作时可以在整个包络表之后执行中断服务程序。四、任务实施某设备上有两套步进驱动系统:步进驱动器的型号为SH-2H042Ma;步进电动机的型号为17HS111,是两相四线直流24V步进电动机。要求:按下按钮SB1时,步进电动机带动X方向和Y方向的机构复位,当X方
25、向靠近开关SQ1时停止,当Y方向靠近开关SQ2时停止,复位完成。请画出I/O接线图并编写程序。1.使用高速脉冲输出指令编写程序1)主要软硬件配置(1)1套STEP7-Micro/WIN V4.0。(2)2台型号为17HS111的步进电动机。项目三 柔性制造系统中的PLC控制技术应用(3)2台型号为SH-2H042Ma的步进驱动器。(4)1台CPU226CN。2)系统接线图(1)步进电动机与步进驱动器的接线。本系统选用的步进电动机是两相四线的步进电动机,其型号是17HS111,其接线原理图如图3-17所示(图中只画出一台步进电动机)。其含义是:步进电动机的四根引出线分别是红色、绿色、黄色和蓝色;
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