PLC电子教案模块六项目11.docx
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PLC电子教案模块六项目11
课时教案
单位:
授课教师:
课程
PLC系统设计与调试
第周第课时年月日
课题
项目十一
恒压供水控制系统的设计与调试
授课班级
教学目标
知识目标
1.掌握PLC模拟量模块的使用方法。
2.了解PID调节指令的使用。
3.进一步理解PLC综合应用设计的步骤及方法。
能力目标
1.能为恒压供水控制系统选择PLC及相应模拟量模块的型号。
2.能选择PLC输入输出回路所需电源、硬件型号、保护装置等。
3.会查阅产品说明书和相关手册。
素质目标
1.具有选取PLC、及外围硬件质量成本意识。
2.具有PLC及外围硬件安装的安全意识。
3.具有开拓创新、团结合作、相互沟通的能力和严谨务实的作风。
重点
S7-200系列PLC模拟量模拟的使用
量纲转换
难点
量纲转换程序设计
授课
方法
综合法(演示、讲练穿插、巡回指导)
课型
新授课
教具
实验
PLC实验箱、电脑、投影等
教学内容及过程
【组织教学】
【导入新课】
一、项目要求
具体要求:
为了保障供暖系统的稳定工作,采用1台功率为5.5KW的水泵作为供暖系统的补水泵,水泵采用直接起动运行方式;压力检测采用压力传感器(压力范围0-16bar,DC24V供电,输出信号为DC0~10V);当供暖管道压力低于4bar时,补水泵起动工作,当管道压力大于等于6bar时,补水泵停止运行。
请用合理选择PLC基本模块、A/D转换模块及继电器等电器元件设计一个简单定压补水控制系统。
项目分析
本项目任务中,压力信号首先通过压力传感器转换为标准量程的电压或电流信号,例如直流4~20mA、1~5V,0~10V等,再经过PLC的A/D转换模块,将它们转换为数字量供PLC控制程序使用。
S7-200PLC的模拟量扩展模块共有9种规格可供选择。
表6-11-1S7-200PLC模拟量扩展模块型号及用途
型号
I/O规格
功能及用途
EM231
AI4×12位
4路模拟量输入,12位A/D转换
AI8×12位
8路模拟量输入,12位A/D转换
AI4×热电偶
4路热电偶模拟输入
AI8×热电偶
8路热电偶模拟输入
AI2×RTD
2路热电阻模拟输入
AI4×RTD
4路热电阻模拟输入
EM232
AQ2×12位
2路模拟输出
AQ4×12位
4路模拟输出
EM235
AI4/AQ1×12位
4路模拟量输入,1路模拟输出,12位转换
项目实施
步骤一硬件电路设计
根据任务要求,对定压供水系统的电路设计如下:
主电路中电机因为功率较小,采用直接起动控制方式,所以采用1只接触器(KM)即可,其它元件如图6-11-1中主电路部分所示。
当合上断路器QF后,只要KM线圈得电,补水泵电机M即可运行工作。
模拟量转换模块采用了EM231(4模拟量输入)模块,压力传感器输出信号为0-10V电压信号,因此需将模拟量模块右下配置开关SW1-SW3分别设为101,按电压信号方式接线,其它没有使用的模拟量输入通道请按图6-11-1(b)所示将相应端子短接。
主电路中所选择器件具有短路保护、过载保护和缺相保护功能。
(a)主电路(b)控制电路
图6-11-1PLC恒压供水控制系统电路图
相关知识
1.模拟量扩展模块的寻址
图6-11-2模拟量扩展模块的寻址
2.EM231模拟量输入模块
图6-11-3EM231模块接线端子图
表6-11-24输入EM231选择模拟量输入范围的开关表
SW1
SW2
SW3
满量程输入
分辨率
数据字格式
单极性
ON
OFF
ON
0~10V
2.5mV
满量程
0至32000
ON
OFF
0~5V
1
25mV
0~20mA
5μA
双极性
OFF
OFF
ON
-5~5V
2.5mV
满量程
-32000至+32000
ON
OFF
-2.5~2.5V
1.25mV
表6-11-38输入EM231选择模拟量输入范围的开关表
SW3
SW4
SW5
满量程输入
分辨率
数据字格式
单极性
ON
OFF
ON
0~10V
2.5mV
满量程
0至32000
ON
OFF
0~5V
1.25mV
0~20mA
5μA
双极性
OFF
OFF
O
-5~5V
2.5mV
满量程
-32000至+32000
ON
OFF
-2.5~2.5V
1.25mV
SW1:
ON:
通道6选择电流输入模式;OFF:
通道6选择电压模式
SW2:
ON:
通道7选择电流输入模式;OFF:
通道7选择电压模式
3.EM232模拟量输出模块
图6-11-4EM232模块接线端子图
4.EM235模拟量混合模块
图6-11-5EM235模块接线端子图
表6-11-4EM235选择模拟量输入范围的开关表
5.量纲变换
量纲变换也叫工程量变换。
例如温度用℃,流量用m3/H(立方米/小时),压强为bar(巴)(1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=100千帕(KPa)=1.0197公斤/平方厘米),这些参数经A/D转换后变为无量纲的数,并且是一个具有不同测量范围的数,经过算术运算或其它运算方式的处理,将测量值转换成相应的工程量值,HMI可以从结果寄存器中读取并直接显示为工程量,这种转换称为量纲变换。
可以根据如下公式进行编程:
A=(D-Dmin)×(Amax-Amin)/(Dmax-Dmin)+Amin。
A:
具有实际工程标量的值(如℃、bar);
D:
测量值,AD转换器转换来的数据;
Amin/Amax:
传感器仪表量程的最小标示值和最大标示值;
Dmin/Dmax:
A/D转换的最小值和最大值。
根据该方程式,可以方便地根据数字量D值计算出模拟量A值。
【例1】某温度传感器,温度测量范围为-10—60℃,输出电流范围4—20mA,以T表示温度值,AIW0中为PLC模拟量采样值,则根据上式直接代入得出:
T=(AIW0-6400)×[60-(-10)]/(32000-6400)+(-10)
编程如图6-11-6所示:
图6-11-6量纲变换程序
想一想:
上述程序中为什么使用“DI_I”指令?
动动手吧
某压力变送器,测量压力范围是1~50bar,变送器的输出电流是0~10V,测量值存放在AIW0中,试将AIW0的数值转换为实际压力值。
步骤二确定I/O点数及地址分配
本任务中,开关量输入信号3个,开关量输出1个,模拟量输入1个。
PLC的I/O分配的地址如表6-11-5所示。
表6-11-5I/O地址分配表
开关量输入信号
开关量输出信号
1
I0.0
起动按钮SB1
1
Q0.0
补水泵运行输出K
2
I0.1
停止按钮SB2
3
I0.2
手动/自动转换开关SA
模拟量输入信号
1
AIW0
管网压力0-10V
2
AIW2
末使用
3
AIW4
末使用
4
AIW6
末使用
步骤三选择元器件
通过查阅S7-200产品手册、相应电器元件选型手册、相关技术书籍、上网等途径、按照图8-6硬件电路图进行元器件选型。
表6-11-6为参考元器件列表。
表6-11-6设备材料表
序号
符号
设备名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
PLC
可编程控制器
S7-200CPU226
台
1
2
A/D
模拟量输入模块
EM2314输入
台
1
3
S
压力传感器
LYC3003
只
1
4
KM
接触器
CJX2-12
只
1
5
FR
热继电器
LR1-D09316
只
1
6
QF
断路器
DZ47-D16/3P
只
1
7
FU
熔断器
RT18-32/6A
只
1
8
SB
按钮
LA39-11
只
2
9
SA
转换开关
LW39B-16
只
1
步骤四程序设计
根据任务控制要求,编写程序如图6-11-7所示。
图6-11-7恒压供水控制系统PLC控制程序
步骤五调试运行
根原理图6-11-5连接PLC线路。
接线图检查无误后,将上述程序下载到PLC中,运行程序,观察控制过程。
(1)手动控制:
将手动开关SA置于ON位置,分别按下按钮SB1、SB2,观察Q0.0的动作情况。
(2)自动控制:
将手动开关SA置于OFF位置,通过改变A/D模块的输入电压(0-10V范围内)模拟管道压力变化,监控观察相应数据寄存器的数值,并观察Q0.0的动作情况。
四、项目拓展任务变频恒压供水控制系统设计
1.任务提出
现有1台功率为5.5KW的水泵作为小区供水系统的补水泵,水泵采用变频器控制方式,变频器采用西门子MM420系列的相应型号产品;压力检测采用压力传感器(压力范围0-16bar,DC24V供电,输出信号为4~20mA);管道压力设定范围为7bar,压力波动范围为±0.2bar。
请用合理选择PLC基本模块、A/D、D/A转换模块及继电器等电器元件设计一个恒压供水控制系统。
2.任务相关知识
PLC模拟量闭环控制系统如图6-11-8所示。
图6-11-8PLC模拟量闭环控制系统
1.PID控制理论简介
PID运算中的比例作用可对偏差作出及时响应。
比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的振荡。
PID运算中的积分作用使系统消除稳态误差,提高无差度。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ki,Ki越小,积分作用就越强。
反之Ki大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
PID运算中的微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。
微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
2.S7-200PID调节指令
表6-11-7PID调节指令的格式及功能
梯形图
语句表
功能
PIDTBL,LOOP
当使能端EN为1时,利用以TBL为起始地址的回路表中提供的回路参数,进行PID运算。
3.PID回路表的格式及初始化
表6-11-8PID回路表
偏移地址(VB)
变量名
数据格式
输入/输出类型
取值范围
T+0
反馈量(PVn)
双字实数
输入
0.0~1.0
T+4
给定值(SPn)
双字实数
输入
0.0~1.0
T+8
输出值(Mn)
双字实数
输入/输出
0.0~1.0
T+12
增益(Kc)
双字实数
输入
比例常数,可正可负
T+16
采样时间(Ts)
双字实数
输入
单位为s,正数
T+20
积分时间(Ti)
双字实数
输入
单位为min,正数
T+24
微分时间(Td)
双字实数
输入
单位为min,正数
T+28
积分项前值(MX)
双字实数
输入/输出
0.0~1.0
T+32
反馈量前值(PVn-1)
双字实数
输入/输出
最后一次执行PID指令的过程变量值
3.任务实施方案
步骤一硬件电路设计
图6-11-9变频恒压供水控制系统电路图
步骤二确定I/O点数及地址分配
表6-11-9I/O地址分配表
开关量输入信号
开关量输出信号
1
I0.0
起动按钮SB1
1
Q0.0
变频器运行控制KA
2
I0.1
停止按钮SB2
3
I0.2
热保护继电器FR
模拟量输入信号
模拟量输出信号
1
AIW0
末使用
1
AQW0
选用0-10V接线端子
2
AIW2
管网压力传感器4-20mA
3
AIW4
末使用
4
AIW6
末使用
步骤三选择元器件
表6-11-10设备材料表
序号
符号
设备名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
PLC
可编程控制器
S7-200CPU226
台
1
2
A/D
模拟量模块
EM2354输入
台
1
3
VVVF
变频器
6SE6420-2AD25-5CA0
台
1
4
S
压力传感器
LYC3003
只
1
4-20mA
5
KM
接触器
CJX2-12
只
1
6
KA
继电器
JZ14-44J/5
只
7
FR
热继电器
LR1-D09316
只
1
8
QF
断路器
DZ47-D16/3P
只
1
9
FU
熔断器
RT18-32/6A
只
1
10
SB
按钮
LA39-11
只
2
11
SA
转换开关
LW39B-16
只
1
步骤四程序设计
(1)回路参数设置
图6-11-10恒压供水系统回路参数
(2)主程序设计
图6-11-11变频恒压供水系统主程序
(3)恒压控制中断服务子程序设计
图6-11-12恒压供水系统程序中断服务程序
步骤五调试运行
根原理图连接PLC线路,检查无误后,将程序下载到PLC中,运行程序,观察控制过程。
(1)设置变频器,参数设置如下:
P0100—“快速调试设置”,设定值1,开始快速调试;
P0700—“命令源选择”,设定值1,由BOP(键盘)设置;
P1080—“最低频率”,设定值10,输出频率下限为10Hz;
P1082—“最高频率”,设定值50,输出频率上限为50Hz;
P2201—“允许PID控制器投入”,设定为1,允许投入PID闭环控制;
P2271—“PID传感器反馈型式”,设定为0,PID负作用;
P2291—“PID输出上限”,设定值100,最大频率50Hz;
P2292—“PID输出下限”,设定值20,最小频率10Hz;
P0700—“命令源选择”,设定值2,由外部端子设置;
P0100—“快速调试设置”,设定值0,调试结束,准备运行。
(2)按下启动按钮SB1,观察水泵的动作情况。
(3)改变PID中的Kc、Ti、Td参数值,观察泵的动作及变频器频的变化情况。
五、项目总结
本项目的变频恒压供水系统已在许多实际的供水控制系统中得到应用,并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。
在实际应用中,若一台泵运行仍不能满足压力要求时,则采用两台水泵工作方式,根据管网压力值,交替控制两台水泵之间的变频调节与工频切换控制。
变频恒压供水系统具有高度的可靠性和实时性,极大地提高了供水的质量,并且节省了人力,具有明显的经济效益和社会效益。
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