可编程序控制器

1. 可编程序控制器 主讲：张波

2. 4.6 S7-200PID指令4.6.1 PID算法 • 理解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（e）是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。PID控制的原理基于下面的算式；输出M（t）是比例项、积分项和微分项的函数。 输出= 比例项+ 积分项+ 微分项 • 其中：M（t）是 PID回路的输出，是时间的函数 KC －－PID回路的增益 e －－PID回路的偏差（给定值与过程变量之差） Minitial －－PID回路输出的初始值

3. 为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下：为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下： 其中： • Mn－－在第n个采样时刻，PID回路输出的计算值 • KC －－PID回路比例增益 • en －－第n个采样时刻的回路偏差值 • en - 1 －－上一个采样时刻杜回路偏差 • ei －－第i个采样时刻的回路偏差值 • KI －－积分项的比例常数 • Minitial －－回路输出的初始值 • KD －－微分项的比例常数 • 从这个公式可以看出，积分项是从第1个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数，微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项仅是当前采样的函数。在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。只需将上一次的误差值和上一次积分项的数值保存即可。

4. 由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是：由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是： Mn = Kc * en + KI * en + MX + KD * （en-en - 1） 其中： • Mn－－在第n个采样时刻，PID回路输出的计算值 • KC －－PID回路比例增益 • en －－第n个采样时刻的回路偏差值 • en - 1 －－上一个采样时刻杜回路偏差 • KI －－积分项的比例常数 • MX－－积分项前值 • KD －－微分项的比例常数

5. CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID输出。这个改进型算式是：CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID输出。这个改进型算式是： Mn = MPn + MIn + MDn 输出= 比例项+ 积分项+ 微分项 其中： Mn －－第n采样时刻的计算值 MPn －－第n采样时刻的比例项值 MIn －－第n采样时刻的积分项值 MDn －－第n采样时刻的微分项值

6. （1）理解PID方程的比例项 • 比例项MPn是增益（KC）和偏差（e）的乘积。其中KC决定输出对偏差的灵敏度，偏差（e）是给定值（SP）与过程变量值（PV）之差。 • S7--200解决的求比例项的算式是： MPn = KC * （SPn – PVn） • MPn－－第n个采样时刻比例项的值 • KC －－回路增益 • SPn－－ 第n采样时刻的给定值 • PVn －－第n采样时刻的过程变量值

7. （2）理解PID方程的积分项 • 积分项（MI）是正比于每次采样的误差的积累值。 • S7--200解决的求积分项的算式是： MIn = KC * TS / TI * （SPn -- PVn）+ MX • 其中： • MIn －－第n个采样时刻的积分项值 • KC －－回路增益 • TS －－采样周期 • TI －－积分时间常数 • SPn －－第n采样时刻的给定值 • PVn－－第n采样时刻的过程变量值 • MX －－第n - 1采样时刻的积分项（积分项前值） （也称积分和或偏置）

8. （3）理解PID方程的微分项 • 微分项（MD）正比于误差的变化。S7--200使用下列算式来求解微分项： MDn = KC * TD / TS * ((SPn – PVn)-(SPn-1 - PVn-1)) • 为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变（SPn = SPn-1）。这样，可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为： MDn = KC * TD / TS * (PVn-1 - PVn ) 其中： • MDn－－第n个采样时刻的微分项值 • KC －－回路增益 • TS－－ 采样周期 • TD －－微分时间常数 • SPn －－第n采样时刻的给定值 • SPn-1 －－第n-1采样时刻的给定值 • PVn－－ 第n采样时刻的过程变量值 • PVn-1 －－第n-1采样时刻的过程变量值 • 为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差。在第一采样时刻，初始化为PVn-1 ＝PVn

9. 4.6.5 PID指令 • PID指令以回路表中的输入和组态信息进行PID运算。要执行该指令，必须使逻辑栈顶值置为1。 • 指令中的TBL是PID控制回路的起始地址。 • LOOP为控制回路号（为常数，在0－7之间） • 使ENO=0的错误条件： SM1.1（溢出）H 0006（间接寻址） • 受影响特殊存储器位H SM1.1（溢出）

10. 在程序中最多可以用8条PID指令。如果两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号，那么即使这些指令的回路表不同，这些PID运算之间也会相互干涉，产生不可预料的结果。在程序中最多可以用8条PID指令。如果两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号，那么即使这些指令的回路表不同，这些PID运算之间也会相互干涉，产生不可预料的结果。 • 回路表包含9个参数，用来控制和监视PID运算。这些参数分别是过程变量当前值（PVn），过程变量前值（PVn--1），给定值（SPn），输出值（Mn），增益（Kc），采样时间（Ts），积分时间(TI)，微分时间（TD）和积分项前值（MX）。 • 为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。

11. 回路表

12. 回路控制类型的选择 • 通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。 • 如果不想要积分动作（PID计算中没有“I”），可以把积分时间（复位）置为无穷大“INF”。即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有初值MX。 • 如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零。 • 如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可把增益设为0.0，系统会在计算积分项和微分项时，把增益当作1.0看待。 正作用回路和反作用回路 • 如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。 • 对于增益值为0.0的I或ID控制，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；如果指定为负值，就是反作用回路

13. 控制方式 • S7--200的PID回路没有设置控制方式，只要PID块有效，就可以执行PID运算。即PID运算存在一种“自动“运行方式。当PID运算不被执行时，我们称之为“手动”模式。 • PID指令使能位检测到信号的正跳变（从0到1），PID指令执行一系列动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。 • 为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须用手动方式把当前输出值填入回路表中的Mn栏。PID指令对回路表中的值进行下列动作，以保证当使能位正跳变出现时，从手动方式无扰动切换到自动方式： 置给定值（SPn）=过程变量（PVn） 置过程变量前值（PVn-1）=过程变量现值（PVn） 置积分项前值（MX）=输出值（Mn） PID使能位的默认值是1，在CPU启动或从STOP方式转到RUN方式时建立。CPU进入RUN方式后首次使PID块有效，没有检测到使能位的正跳变，那么就没有无扰动切换的动作。

14. 回路输入的转换及归一化处理 • 每个PID回路具有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。给定值通常是一个固定的值。过程变量是与PID回路输出有关，可以衡量输出对控制系统作用的大小。 • 给定值和过程变量都可能是工程实际的值，它们的大小、范围和工程单位都可能不一样。在PID指令对这些工程实际的值进行运算之前，必须把它们转换成标准的浮点型表达形式。

15. 转换的第一步是把16位整数值转成浮点型实数值。如：转换的第一步是把16位整数值转成浮点型实数值。如： ITD AIW0，AC0 //将输入值转换为双整数。 DTR AC0， AC0 //将32位双整数转换为实数。 • 下一步是将工程实际的值的实数值表达形式转换成0.0~1.0之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化给定值或过程变量值： Rnorm = （Rraw / Span）+ Offset 其中： • Rnorm －－工程实际值的归一化值 • Rraw －－工程实际值的实数值或原值，未归一化处理 • Span －－最大允许值减去最小允许值，通常取32000（对于单极性）和64000（对于双极性） • Offset －－单极性为0.0，双极性为0.5

16. 下面的指令把双极性实数标准化为0.0~1.0之间的实数。通常用在第一步转换之后：下面的指令把双极性实数标准化为0.0~1.0之间的实数。通常用在第一步转换之后： • /R 64000.0, AC0 //累加器中的标准化值 • +R 0.5, AC0 //加上偏置，使其在0.0~1.0之间 • MOVR AC0, VD100 //标准化的值存入回路表

17. 回路输出值转换成整数值 • 回路输出值一般是控制变量，比如，在汽车速度控制中，可以是油阀开度的设置。回路输出是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。 • 在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。 • 第一步是使用下面给出的公式，将回路输出转换成一个标定的实数值：

18. Rscal = （Mn - Offset）* Span 其中： RScal －－回路输出的刻度实数值 Mn－－ 回路输出的标准化实数值 Offset－－ 单极性为0.0，双极性为0.5 Span －－值域大小，可能的最大值减去可能的最小值 单极性为32,000（典型值）双极性为64,000（典型值） • 这一过程可以用下面的指令序列完成： MOVR VD108, AC0 //把回路输出值移入累加器 -R 0.5, AC0 //仅双极性有此句 *R 64000.0, AC0 //在累加器中得到刻度值 • 下一步是把回路输出的刻度转换成16位整数： ROUND AC0，AC0 //把实数转换为32位整数 DTI AC0, LW0 //把32位整数转换为16位整数 MOVW LW0，AQW0 //把16位整数写入模拟输出寄存器

19. 出错条件 • 如果指令指定的回路表起始地址或PID回路号操作数超出范围，那么在编译期间，CPU将产生编译错误（范围错误），从而编译失败。 • PID指令不检查回路表中的值是否在范围之内，所以必须小心操作以保证过程变量和设定值不超界。 • PID指令不检查回路表中的值是否超界，您必须保证过程变量和设定值（以及偏置和前一次过程变量）必须在0.0到1.0之间。 • 如果PID计算的算术运算发生错误，那么特殊存储器标志位SM1.1（溢出或非法值）会被置1，并且中止PID指令的执行。（要想消除这种错误，单靠改变回路表中的输出值是不够的，正确的方法是在下一次执行PID运算之前，改变引起算术运算错误的输入值，而不是更新输出值）

20. PID指令编程举例 在本例中，有一水箱需要维持一定的水位，该水箱里的水以变化的速度流出。这就需要有一个水泵以不同的速度给水箱供水，以维持水位不变，这样才能使水箱不断水。本系统的给定值是水箱满水位的75%时的水位，过程变量由漂浮在水面的水位测量仪给出。输出值是水泵的速度，可以从允许最大值的0%变到100%。给定值可以预先设定后直接输入到回路表中，过程变量值是来自水位表的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性模拟量，用来控制进水泵的速度。这两个模拟量的范围是0.0到1.0，分辨率为1/32000（标准化）。 在本系统中，只使用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为：Kc是0.25，Ts是0.1秒，Tl是30分钟

21. 系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵的速度，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时水泵控制从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的数字量控制，描述如下：I0.0位控制手动到自动的切换，0代表手动，1代表自动。当工作在手动控制方式下，可以把水泵速度（0.0~1.0之间的实数）写道VD108（VD108是回路表中保存输出的寄存器）系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵的速度，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时水泵控制从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的数字量控制，描述如下：I0.0位控制手动到自动的切换，0代表手动，1代表自动。当工作在手动控制方式下，可以把水泵速度（0.0~1.0之间的实数）写道VD108（VD108是回路表中保存输出的寄存器）

25. 4.7 S7-200其他操作指令 4.7.1 高速计数器操作指令 4.7.2 表功能指令 4.7.3 通信指令 4.7.4 中断指令

26. 4.7.1 高速计数器操作指令 • 高速计数器用于对PLC扫描速率来不及处理的高速事件进行计数。 • S7-200PLC根据CPU不同型号有4－6个高速计数器。 • 高速计数器的最高频率也随CPU型号不同而异。

27. 1、高速计数指令 • 高速计数指令包括定义高速计数器HDEF指令和高速计数器HSC指令。 • HDEF，定义高速计数器指令。使能输入有效时，为指定的高速计数器分配一种工作模式，即用来建立高速计数器与工作模式之间的联系。梯形图指令盒中有两个数据输入端：HSC，高速计数器编号，为0~5的常数，字节型；MODE，工作模式，为0~11的常数，字节型。 • HSC指令是根据高速计数器特殊存储器位的状态，并按照HDEF指令指定的工作模式设置高速计数器并开展其工作。

28. 定义高速计数器指令（HDEF）为指定的高速计数器(HSCx)选择操作模式。定义高速计数器指令（HDEF）为指定的高速计数器(HSCx)选择操作模式。 • 高速计数器指令（HSC）在HSC特殊存储器位状态的基础上，配置和控制高速计数器。参数N指定高速计数器的标号。 • 对于每一个高速计数器只能用一条定义高速计数器指令。 • 每一个计数器都有时钟、方向控制、复位、启动的特定输入。对于双相计数器，两个时钟都可以运行在最高频率。在正交模式下，您可以选择一倍速（1x）或者四倍速（4x）计数速率。

29. 在使用高速计数器之前，应该用HDEF（高速计数器定义）指令为计数器选择一种计数模式。使用初次扫描存储器位SM0.1（该位仅在第一次扫描周期接通，之后断开）来调用一个包含HDEF指令的子程序在使用高速计数器之前，应该用HDEF（高速计数器定义）指令为计数器选择一种计数模式。使用初次扫描存储器位SM0.1（该位仅在第一次扫描周期接通，之后断开）来调用一个包含HDEF指令的子程序

30. 2、工作模式 • 4种工作模式 • 内部方向控制的单脉冲增/减计数模式 • 外部方向控制的单脉冲增/减计数模式 • 增/减计数时钟输入的双脉冲计数模式 • A/B脉冲正交计数模式 • 不论高速计数器以何种模式工作，他们的控制信号功能是相同的 • 当复位输入I1.0有效时，高速计数器的当前值被清零并保持到复位无效。 • 当启动信号I1.1有效时，允许计数器开始计数；当启动信号无效时，计数值被保持，但不能对计数脉冲信号计数。 • 当启动信号无效而复位信号有效时，复位信号不起作用，计数当前值不变。当复位保持有效则启动信号变为有效，当旗帜被清除。

31. 输入控制 • S7-200PLC高速计数器HSC0-HSC5工作时需要输入端点的信号控制，下表给出了高速计数器HSC0-HSC5计数输入脉冲、方向控制复位输入和启动输入所使用的物理输入端点。 • 由表可知，高速计数器用的物理输入端点存在一些重叠。同一个物理输入端点不能用于两个不同的功能，也不能同时被两个不同的高速计数器使用，但不使用的端点可用做其他用途。

33. 每个高速计数器都有固定的特殊功能存储器与之相配合，完成高速计数功能。具体对应关系如表所示。每个高速计数器都有固定的特殊功能存储器与之相配合，完成高速计数功能。具体对应关系如表所示。

34. 状态位及1X/4X模式选择 • 有三个控制位用于配置复位和启动有效状态以及选择一倍速或者4倍计数模式（仅用于正交计数器）。这些位在各个计数器的控制字节中，只有在HDEF指令执行时才有效。 • 在执行HDEF指令前，必须把这些控制位设定到希望的状态。否则，计数器对计数模式的选择取缺省设置。一旦HDEF指令被执行，您就不能再更改计数器的设置，除非先进入STOP模式。

35. 状态字节 • 每个高速计数器都有一个状态字节，程序运行时根据运行状况自动使某些位置位，可以通过程序来读相关位的状态，用以作为判断条件实现相应的操作。状态字节中各状态位的功能如表所示。

36. 控制字节 • 高速计数器中有一个控制字节，其功能是允许或禁止计数器工作、计数方向控制或初始化计数方向、控制当前值和预置值装入等。执行HSC指令时，CPU检查控制字节和有关当前值和预置值。

37. 当前值双字和预置值双字 • 每个高速计数器有一个32位的初始值和一个32位的预置值。初始值和预置值都是符号整数。为了向高速计数器装入新的初始值和预置值，必须先设置控制字节，并且把初始值和预置值存入特殊存储器中，然后执行HSC指令，从而将新的值传送到高速计数器。

38. HSC中断 • 高速计数器有3种中断： 当前值等于预置值中断 外部复位有效中断 计数方向改变中断 • 除模式0、1、2外，所有的计数器模式支持计数方向改变的中断，每个中断条件可分别地被允许或禁止。 高速计数器的初始化步骤 • 以HSC1为例，对初始化和操作的步骤进行描述。在初始化描述中，假定S7-200已经置成RUN模式。因此，首次扫描标志位为真。如果不是这种情况，请记住在进入RUN模式之后，对每一个高速计数器的HDEF指令只能执行一次。对一个高速计数器第二次执行HDEF指令会引起运行错误，而且不能改变第一次执行HDEF指令时对计数器的设置。

39. 初始化模式0、1或2HSC1为内部方向控制的单相增/减计数器（模式0、1或2），初始化步骤如下：初始化模式0、1或2HSC1为内部方向控制的单相增/减计数器（模式0、1或2），初始化步骤如下： 1.用初次扫描存储器位（SM0.1=1）调用执行初始化操作子程序。 2.初始化子程序中，根据所希望的控制操作对SMB47置数。例如： SMB47=16#F8 产生如下的结果： 允许计数 写入新的初始值 写入新的预置值 置计数方向为增 置启动和复位输入为高电平有效

40. 3.执行HDEF指令时，HSC输入置1，MODE输入置0（无外部复位或启动）或置1（有外部复位和无启动）或置2（有外部复位和启动）。3.执行HDEF指令时，HSC输入置1，MODE输入置0（无外部复位或启动）或置1（有外部复位和无启动）或置2（有外部复位和启动）。 4.向SMD48（双字）写入所希望的初始值（若写入0，则清除）。 5.向SMD52（双字）写入所希望的预置值。 6.为了捕获当前值（CV）等于预置值（PV）中断事件，编写中断子程序，并指定CV=PV中断事件（事件号13）调用该中断子程序。 7. 为了捕获外部复位事件，编写中断子程序，并指定外部复位中断事件（事件号15）调用该中断子程序。 8. 执行全局中断允许指令（ENI）来允许HSC1中断。 9. 执行HSC指令，使S7--200对HSC1编程。 10. 退出子程序。

44. 4.7.2　表功能指令 • 所谓表是定义一组存储变量单元用于存储一组数据。 • 表只对字型数据存储，有表存数、表取数、表查找指令。 • 一个空表要定义其长度TL和实际能够填写的单元数EC。 • 有FIFO、LIFO、ATT、FND、FILL指令。

45. 1、 FIFO，先进先出指令 • 当使能输入有效时，从TBL指明的表中移出第一个字型数据并将其输出到DATA所指定的字单元。 • 取数时，移出的数据总是最先进入表中的数据。每次从表中移出一个数据，剩余数据依次上移一个字单元位置，同时实际填表数EC会自动减1。 • 指令格式：FIFO TBL, DATA 例：FIFO VW100, AC0 • 使ENO＝0的错误条件是：SM1.5(表空)SM4.3(运行时间)0006(间接寻址)0091(操作数超界) • 该指令影响特殊标志位：如果试图从空表中移走数据，那么SM1.5被置1。

47. 2、 LIFO，后进先出指令 • 当使能输入有效时，从TBL指明的表中移出最后一个字型数据并将其输出到DATA所指定的字单元。 • LIFO表取数特点：取数时，移出的数据总是最后进入表中的数据。每次从表中取出一个数据，剩余数据位置保持不变，实际填表数EC会自动减1。 • 指令格式：LIFO TBL, DATA • 例： LIFO VW100, AC0 • 使ENO＝0的错误条件是：SM1.5(表空)SM4.3(运行时间)0006(间接寻址)0091(操作数超界) • 该指令影响特殊标志位：如果试图从空表中移走数据，那么SM1.5被置1。

49. 3、填表指令：ATT • 功能：向表（TBL）中增加一个数值（DATA）。 • 表中第一个数是最大填表数（TL），第二个数是实际填表数（EC）。新的数据填加在表中上最后一个数据的后面。每向表中填加一个新的数据，EC会自动加1。 • ATT指令定义的表的最大长度为100（不含TL和EC这两个单元） • 指令格式：ATT DATA，TBL • 如果向一个满表中再添加数据，或实际要填入的数据个数大于表格本身所定义的长度，则表的溢出标志位SM1.4会置1