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西门子S7-200 SMART教程第九课：模拟量处理与PID控制（梯形图完整版）

时间: 2025-12-21 22:31浏览量：32次
西门子S7-200 SMART教程第九课：模拟量处理与PID控制（梯形图完整版）

第九课


掌握工业过程控制的精髓，实现精准控制

第七课：数据处理指令
第八课：子程序与中断
第九课：模拟量与PID
第十课：通信编程

一、模拟量处理基础

模拟量处理是工业自动化控制中的重要组成部分，用于采集温度、压力、流量、液位等连续变化的物理量。S7-200 SMART提供了完善的模拟量输入输出功能。

学习目标
  • 掌握模拟量输入输出的硬件连接
  • 理解模拟量数据的转换原理
  • 掌握模拟量数据的滤波处理
  • 理解PID控制的基本原理
  • 掌握PID指令的编程方法
  • 能够设计完整的温度控制系统

1.1 模拟量模块介绍

模块型号 输入通道 输出通道 分辨率 量程
EM AE04 4路模拟量输入 0路 12位 ±10V/0-20mA
EM AQ02 0路 2路模拟量输出 12位 ±10V/0-20mA
EM AM06 4路模拟量输入 2路模拟量输出 12位 ±10V/0-20mA

二、模拟量输入处理（梯形图）

2.1 模拟量数据采集

示例1：温度传感器数据采集
步骤1：硬件连接说明
// 使用PT100温度传感器
// 传感器输出：4-20mA对应0-100℃
// 连接到模拟量输入通道AIW0
步骤2：主程序数据采集
Network 1 // 读取模拟量原始值
SM0.0 AIW0
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---AIW0---VW100
// 读取AIW0的值存入VW100
步骤3：转换为工程值（0-100℃）
Network 2 // 整数转双整数
SM0.0 VW100
--| |---+---(I_DI)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VW100---VD104
Network 3 // 双整数转实数
SM0.0 VD104
--| |---+---(DI_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VD104---VD108
Network 4 // 转换为工程值
SM0.0 VD108
--| |---+---(DIV_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD108--320.0--VD112
// 温度 = (AIW0 ÷ 32000) × 100℃
步骤4：显示温度值
Network 5 // 温度显示处理
SM0.0 VD112
--| |---+---(MUL_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD112--10.0--VD116
// 放大10倍显示，便于观察
模拟量转换流程
传感器
4-20mA
→
AIW0
0-32000
→
VW100
整数
→
VD112
0-100℃

2.2 模拟量数据滤波

示例2：移动平均滤波
步骤1：定义滤波数据区
// 使用VD200-VD219存储最近5次采样值
// 指针VW220指向当前存储位置
步骤2：数据存储子程序SBR_0
Network 1 // 存储新数据
SM0.0 VD200[VW220]
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---#New_Value---VD200[VW220]
Network 2 // 更新指针
SM0.0 VW220
--| |---+---(INC_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VW220---VW220
Network 3 // 指针循环
VW220 5 VW220
--|>=|----(MOV_W)--
IN OUT
-- --
0-----VW220
步骤3：移动平均计算子程序SBR_1
Network 1 // 清零累加和
SM0.0 #Sum
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+----0.0----#Sum
Network 2 // 循环累加
SM0.0 VW230
--| |---+---(FOR)--
| EN ENO
| INDX INIT FINAL
| -- -- --
+---VW230--0---4
SM0.0 #Sum
--| |---+---(ADD_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---#Sum--VD200[VW230]--#Sum
NEXT
Network 3 // 计算平均值
SM0.0 #Sum
--| |---+---(DIV_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---#Sum--5.0--#Average

三、模拟量输出控制（梯形图）

3.1 模拟量输出控制

示例3：调节阀控制
步骤1：控制信号计算
Network 1 // 读取设定值
I0.0 VD300
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---50.0---VD300
// 设定阀门开度50%
Network 2
I0.1 VD300
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---80.0---VD300
步骤2：转换为输出值（0-32000）
Network 3 // 计算输出值
SM0.0 VD300
--| |---+---(MUL_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD300--320.0--VD304
// 百分比转换为0-32000
Network 4 // 实数转双整数
SM0.0 VD304
--| |---+---(ROUND)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VD304---VD308
Network 5 // 双整数转整数
SM0.0 VD308
--| |---+---(DI_I)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VD308---VW312
步骤3：输出到模拟量通道
Network 6 // 输出控制信号
SM0.0 AQW0
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VW312---AQW0
// 输出0-32000对应0-20mA

四、PID控制基础

4.1 PID控制原理

PID（比例-积分-微分）控制器是最常用的反馈控制器，由三个部分组成：

控制项 作用 数学表达式 对系统的影响
比例(P) 纠正当前误差 Kp × e(t) 加快响应速度，过大导致超调
积分(I) 消除稳态误差 Ki × ∫e(t)dt 消除余差，过大会导致振荡
微分(D) 预测未来趋势 Kd × de(t)/dt 抑制超调，改善稳定性
PID控制器输出公式
u(t) = Kp × e(t) + Ki × ∫e(t)dt + Kd × de(t)/dt

其中：u(t)为控制器输出，e(t)为误差（设定值-实际值）

4.2 PID回路表

S7-200 SMART使用PID回路表存储控制参数，每个PID指令需要一个唯一的回路表地址。

偏移地址 字段名 格式 类型 说明
0 过程变量(PVn) 实数 输入 必须在0.0-1.0之间
4 设定值(SPn) 实数 输入 必须在0.0-1.0之间
8 输出值(Mn) 实数 输入/输出 必须在0.0-1.0之间
12 增益(Kc) 实数 输入 比例常数，可正可负
16 采样时间(Ts) 实数 输入 单位为秒，必须为正数
20 积分时间(Ti) 实数 输入 单位为分钟，必须为正数
24 微分时间(Td) 实数 输入 单位为分钟，必须为正数

五、PID控制编程实例（梯形图）

5.1 基本PID控制

示例4：温度PID控制
步骤1：初始化PID回路表
Network 1 // 首次扫描初始化
SM0.1 VD400
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---0.5----VD400
// 过程变量初始值
Network 2
SM0.1 VD404
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---0.8----VD404
// 设定值0.8(对应80℃)
Network 3
SM0.1 VD408
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+----0.0---VD408
// 输出值初始值
Network 4
SM0.1 VD412
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---2.0----VD412
// 增益Kp=2.0
Network 5
SM0.1 VD416
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---0.1----VD416
// 采样时间0.1秒
Network 6
SM0.1 VD420
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---0.5----VD420
// 积分时间0.5分钟
Network 7
SM0.1 VD424
--| |---+---(MOV_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---0.1----VD424
// 微分时间0.1分钟
步骤2：读取过程变量并归一化
Network 8 // 读取温度值
SM0.0 AIW0
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---AIW0---VW430
Network 9 // 转换为实数
SM0.0 VW430
--| |---+---(I_DI)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VW430---VD434
Network 10
SM0.0 VD434
--| |---+---(DI_R)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VD434---VD438
Network 11 // 归一化到0.0-1.0
SM0.0 VD438
--| |---+---(DIV_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD438--32000.0--VD400
// 过程变量归一化：PV = AIW0/32000
步骤3：执行PID计算
Network 12 // PID指令
SM0.0
--| |-----(PID)--
TBL LOOP
-- --
VD400 0
// 执行PID计算，回路表VD400，回路号0
步骤4：输出控制信号
Network 13 // 反归一化输出
SM0.0 VD408
--| |---+---(MUL_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD408--32000.0--VD442
Network 14
SM0.0 VD442
--| |---+---(ROUND)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VD442---VD446
Network 15
SM0.0 VD446
--| |---+---(DI_I)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VD446---VW450
Network 16
SM0.0 AQW0
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---VW450---AQW0

5.2 多回路PID控制

示例5：三回路温度控制
步骤1：定义回路表
// 回路1：VD500-VD527
// 回路2：VD600-VD627
// 回路3：VD700-VD727
步骤2：多回路PID控制子程序SBR_2
Network 1 // 读取三个温度
SM0.0 AIW0
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---AIW0---VW10
SM0.0 AIW2
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---AIW2---VW12
SM0.0 AIW4
--| |---+---(MOV_W)--
| EN ENO
| IN OUT
| -- --
+---AIW4---VW14
Network 2 // 执行三个PID回路
SM0.0
--| |-----(PID)--
TBL LOOP
-- --
VD500 0
SM0.0
--| |-----(PID)--
TBL LOOP
-- --
VD600 1
SM0.0
--| |-----(PID)--
TBL LOOP
-- --
VD700 2

5.3 PID参数自整定

示例6：PID参数在线调整
步骤1：在线修改PID参数
Network 1 // 增加比例增益
I0.2 VD412
--|P|----+---(ADD_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD412--0.1--VD412
Network 2 // 减小比例增益
I0.3 VD412
--|P|----+---(SUB_R)--
| EN ENO
| IN1 IN2 OUT
| -- -- --
+---VD412--0.1--VD412
步骤2：PID参数限幅
Network 3 // 比例增益限幅
VD412 5.0 VD412
--|>|----(MOV_R)--
IN OUT
-- --
5.0----VD412
Network 4
VD412 0.1 VD412
--|<|----(MOV_R)--
IN OUT
-- --
0.1----VD412

六、综合应用案例

6.1 案例一：恒温箱控制系统

系统设计要求：
  1. 温度控制范围：室温~150℃
  2. 控制精度：±1℃
  3. 加热功率：3kW，可控硅调功控制
  4. 温度传感器：PT100，4-20mA输出
  5. 报警功能：超温报警、传感器故障报警
  6. 控制方式：PID自动控制，手动/自动切换
  7. 显示功能：实时温度、设定温度、控制输出

控制系统I/O分配：

信号 地址 功能
温度输入 AIW0 PT100温度传感器
控制输出 AQW0 可控硅调功信号
启动按钮 I0.0 系统启动
停止按钮 I0.1 系统停止
手动/自动 I0.2 切换控制模式

程序设计要点：

1. 模拟量输入滤波处理
2. PID回路参数整定
3. 手动/自动无扰切换
4. 超温报警处理
5. 输出限幅保护

6.2 案例二：液位控制系统

系统设计要求：
  1. 液位控制范围：0-5米
  2. 控制精度：±0.05米
  3. 输入信号：差压变送器4-20mA
  4. 输出信号：调节阀4-20mA
  5. 控制方式：PID串级控制
  6. 安全保护：高低液位报警、联锁保护

串级控制结构：

串级PID控制框图
主回路
PID1
→
副回路
PID2
→
调节阀
→
液位
测量

七、课后练习

练习题目

练习1：温度控制系统编程

根据以下要求编写温度控制系统程序：

  1. 使用PT100传感器，量程0-200℃
  2. PID控制，参数：Kp=2.5, Ti=0.3, Td=0.1
  3. 采样时间0.2秒
  4. 控制输出0-100%对应加热功率
  5. 超温报警（>180℃），低温报警（<20℃）
  6. 手动/自动切换功能

练习2：压力控制系统设计

设计一个压力控制系统，要求：

  1. 压力范围：0-1.0MPa
  2. 使用压力变送器4-20mA输入
  3. 调节阀4-20mA输出控制
  4. 实现PID控制，具有抗积分饱和功能
  5. 压力高报警、压力低报警
  6. 压力变化率限制功能

练习3：流量比值控制

设计一个流量比值控制系统：

  1. 主流量F1测量，副流量F2控制
  2. 比值系数K可设定，F2 = K × F1
  3. 使用两个流量计，两个调节阀
  4. 实现比值PID控制
  5. 比值超限报警
  6. 流量累积计算功能

八、课程总结

8.1 重点回顾

本课核心知识点
  1. 模拟量输入处理：数据采集、滤波、归一化
  2. 模拟量输出控制：反归一化、输出控制
  3. PID控制原理：比例、积分、微分作用
  4. PID指令使用：回路表配置、参数设置
  5. 高级控制功能：多回路、串级、比值控制
  6. 工程实践：温度、压力、流量控制应用

8.2 学习建议

1. 先从简单的模拟量采集开始练习
2. 掌握数据转换的各个步骤
3. 理解PID控制的基本原理
4. 通过实际项目练习参数整定
5. 注意工程实践中的安全保护
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