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第一节 S7-200 EM235模拟量模块

1. 模拟量模块的外部接线方式

模拟量模块主要分为3种，即模拟量输入模块EM231(4路模拟 量输入)、模拟量输出模块EM232(2路模拟量输出)和模拟量I/O组 合模块EM235(4路模拟量输入、1路模拟量输出)。下面以组合模块 EM235为例说明其模拟量I/O接线方式。

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24V DC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。

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EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量 输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。

与C-端用短路子短 接，以免受到外部干 扰。

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下部端子为一路模拟量输出端的3个接线端子MO、VO、IO，

其中MO为数字接地接口，VO为电压输出接口，IO为电流输出 接口。

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在进行接线时应注意以下几点。

(1) 传感器接线的长度应尽可能短，并使用屏蔽双绞线

。

(2) 敷设线路时应使用电缆槽，避免将导线弯成锐角。

(3) 避免将信号线与电源线路平行接近布置。

(4) 使用高质量的24V DC传感器电源，以保证无噪声 及稳定运行。

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2. 模拟量模块的特点

(1) 模拟量转换精度高，A/D转换达到12位。EM231模块单极性输 入0V～5V、0V～10V、0mA～20mA满量程精度可达±0.01%。I/O数据 格式如图所示。

输入数据格式

单极性数据

LSB MSB

0 0

数据值12位

0 0

0 1

2 3

F

双极性数据

LSB MSB

0 0

0

0

0 1

2 3

4 F

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输出数据格式

电流输出数据格式

LSB MSB

0 0

数据值12位

0 0

0 1

2 3

F

电压输出数据格式

LSB MSB

0 0

0

0

0 1

2 3

4 F

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(2) 有多种量程输入范围，可通过DIP开关进行设置。如图所示。

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2.5mV 0V～10V

ON OFF

OFF OFF

ON OFF

0mV～20mA ON

OFF OFF

OFF OFF

ON

1.25mV 0V～5V

ON OFF

OFF OFF

OFF ON

0V～1V ON

ON OFF

OFF ON

OFF

0mV～500mV ON

ON OFF

OFF OFF

ON

0mV～100mV ON

OFF ON

OFF ON

OFF

0mV～50mV ON

OFF ON

OFF OFF

ON

SW6 SW5

SW4 SW3

SW2

SW1

25μV 12.5μV 125μV

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12.5μV 25μV 125μV

±250mV OFF

ON OFF

OFF OFF

ON

±100mV OFF

OFF ON

ON OFF

OFF

±50mV OFF

OFF ON

OFF ON

OFF

±25mV OFF

OFF ON

OFF OFF

ON

SW6 SW5

SW4 SW3

SW2

SW1

25μV

250μV

5mV

±10V OFF

OFF OFF

ON OFF

OFF

2.5mV

±5V OFF

OFF OFF

OFF ON

OFF

1.25mV

±2.5V OFF

OFF OFF

OFF OFF

ON

±1V OFF

ON OFF

ON OFF

OFF

±500mV OFF

ON OFF

OFF ON

OFF

SW6 SW5

SW4 SW3

SW2

SW1

500μV

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0.2 ON

OFF OFF

0.4 OFF

ON OFF

0.8 OFF

OFF ON

ON

ON

×100

OFF

ON

×10

ON

OFF

×1

OFF

OFF

双极性

OFF

ON

SW6 SW5

SW4 SW3

SW2

SW1

性

EM235的DIP开关

EM235选择单/双极性、增益和衰减

若所有输入设置成相同的模拟量输入范围和格式，则可 通过开关1到开关6设置单/双极性、增益和衰减。

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(3) 输入接口带有模拟量输入滤波器，用以提高模拟量输入精度。

(4) 可对模拟量输入接口进行校准和配置位置。

(5) 数据采集速度高，模块可将模拟量信号在内转换为相应的数 字量信号。

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ON：24V电源良好 OFF：无24V电源 ON：24V电

源良好

OFF：无24V

ON：24V电源

OFF：无24V

LED指示器

20.4V～28.8V 20.4V～

28.8V 20.4V～28.8V

L+电压范围 DC传感器供

4路模拟量输入、1路模拟

2路模拟量输 4路模拟量输入

物理量I/O数 量

通 用 技 术 规 范

EM235 EM232

EM231

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<250

<250

0V～5V、0V～10V

0V～1V、0mV～500mV 0mV～100mV、0mV～

50mV

±10V、±5V、

±2.5V、±1V、

±500mV、±250mV

±100mV、±50mV

±25mV

0mA～20mA 0V～5V、0V～10V

±5V、±2.5V 0mA～20mA

电压：单极性 电压：双极性 电流

差分 差分

输入类型

12位A/D转换 12位A/D转换

分辨率

32

32

/mA

30V DC 30V DC

最大输入电压

-32000～32000

0～32000

-32000～32000

0～32000

数据字格式 双极性：全量程 单极性：全量程

输 入 技 术 规 范

模拟量到数字量 的转换时间/

μs

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最大驱动 电压输出 电流输出

100 2 100

电流输出

2 /ms

满量程 的0.5%

满量程的

0.5%

精度 典型情况

(25℃)

电压、电 流

12位 11位 12位

11位

辨率 电压 电流

0mA～

0mA～20mA 20mA

围/mA

±10

±10

围/V

输 出 技 术 规 范

EM235 EM232

EM231

5k

最大 最小

500

500

最小 最大

5k

设置时间

电压输出/

μs 长沙工控帮教育科技有限公司整理

第二节 PID 调节及PID指令

PID算法是过程控制领域中技术成熟、应用方便且广泛使用的控制方法

。它是基于经典控制理论，并经过长期工程实践而总结出的一套行之有 效的控制算法。在较早的PLC中并没有PID的现成指令，只能通过运算 指令实现PID功能，但随着PLC技术的发展，很多品牌的PLC都增加了 PID功能，有些是专用模块，有些是指令形式，都大大扩展了PLC的应 用范围。西门子的S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。

1. PID算法

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PID控制(比例—积分—微分控制)算法在过程控制领域中的闭环控制中得到 了广泛应用。

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PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e是给定 值SP和测量值PV的差值。式(1)为PID控制的位置式算法，回路的输出 变量M(t)是时间的函数，它可以看作是比例项、积分项、微分项3项之 和：

(1) 式中： M(t) ——PID回路的输出，是时间函数；

——PID回路的增益；

e ——PID回路的偏差；

——PID回路的初始值。

数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏 差周期采样后，计算输出值。式(2)是式(1)的离散形式：

(2)

C C 0 initial C

( ) ^t d d / d

M t  K e  K  e t  M  K e t

K C initial

M

n

C I i initial D 1

1

( )

n n n n

i

M K e K e M K e e ^



 长沙工控帮教育科技有限公司整理     

式中： Mn ——在第n采样时刻PID回路输出的计算值；

Kc ——PID回路增益；

En ——在第n采样时刻的偏差值；

——在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前值)；

Ki ——积分项的系数；

——PID回路的初值；

Kd ——微分项的系数。

式(2)中，积分项 是包括从第1个采样周期到当前采样周期 的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有采样周期的误差项，

只需保留积分项前值MX即可。CPU实际上是使用式(3)的改进形式的 PID算式。

(3)

1

e n ^ initial

M

n

I i

i 1

K e

 

C I D ( 1 )

n n n n n n n n

M  K e  K e 长沙工控帮教育科技有限公司整理  MX  K e  e _  MP  MI  MD

式中： MX ——积分项前值(在第n-1采样时刻的积分项)；

MPn ——第n个采样时刻的比例项；

MIn ——第n个采样时刻的积分项；

MDn ——第n个采样时刻的微分项。

(1) 比例项

比例项MPn是增益Kc(决定输出对偏差的灵敏度)和偏差 的乘积

。增益为正的回路为正作用回路，反之为反作用回路。选择正、反作用 回路的目的是使系统处于负反馈控制。CPU采用式(7-4)来计算MPn。

(4) 式中： SPn ——第n采样时刻的给定值；

PVn ——第n采样时刻的过程变量值。

(2) 积分项

积分项MIn与偏差的和成正比，是各次积分项的累积值。CPU采 用式(5)来计算MIn。

(5)

e n

C C ( )

n n n n

MP  K e  K SP  PV

I C S / I ( )

n n n n

MI  K e  MX  K T T SP  PV  MX

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式中： Ts ——采样周期；

Ti ——积分时间常数。

积分项前值MX是第n采样周期前所有积分项之和。在每次计算出 MIn之后，都要用MIn去更新MX。第一次计算时，MX的初值被设置 为 (初值)。采样周期Ts是每次采样的时间间隔，而积分时间常 数Ti控制积分项在控制量计算中的作用程度。

(3) 微分项

微分项MDn与偏差的变化成正比。

(6) 为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，可设置给定值不变 ( )。那么计算公式可简化为式(7)。

(7)

initial

M

 

C D

D 1 1 1

S

( ) ( ) ( )

n n n n n n n

MD K e e K T SP PV SP PV

 T  

     

1

n n

SP  SP ^

C D C D

1 1 1

S S

( ) ( )

n n n n n n n

K T K T

MD SP PV SP PV PV PV

T ^{ } T ^

     

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式中： ——微分时间常数；

——第n-1采样时刻的给定值；

——第n-1采样时刻的过程变量值。

T D 1

SP n ^ n 1

PV _

2. PID指令

1) 指令格式及梯形图

常数(0～7)

LOOP

VB(BYTE型)

TBL

梯形图格式

PID TBL，LOOP

指令

PID

PID运算

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2) 指令功能

PID 在EN端口执行条件存在时，运用回路表中的输入信息和组态 信息，进行PID运算，编程极其简便。

该指令有两个操作数：TBL和LOOP。其中TBL是回路表的起始 地址，操作数限用VB区域；LOOP是回路号，可以是0到7的整数。在 程序中最多可以用8条PID指令，PID回路指令不可重复使用同一个回路 号(即使这些指令的回路表不同)，否则会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PV，过程变量前值 ，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 和积分项前值MX。

36个字节的回路表格式见表。若要以一定的采样频率进行PID运算，采 样时间必须输入到回路表中。且PID指令必须编入定时发生的中断程序 中，或者在主程序中由定时器控制PID指令的执行频率。

1

PV n ^

T D

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PV n

SP n

M n

K C

T S

过程变量

给定值

输出值

增益

采样时间 ^{实数 输入 单位为s，必须是正数}

( ) 16

比例常数，可正可负 输入

( )

12

必须在0.0～1.0之间 输入/输出

实数

( )

8

必须在0.0～1.0之间 输入

实数

( )

4

必须在0.0～1.0之间 输入

( )

0

描述 变量类型

数据类型 变量名

偏移地址

PID指令回路表

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最近一次PID运算的过 程变量值，必须在 0.0～1.0之间

输入/输出 ( ) 实数

32

必须在0.0～1.0之间 输入/输出

( ) 实数 28

单位为min，必须是正 输入 数

( ) 实数 24

单位为min，必须是正 输入 数

实数 ( )

20

描述 变量类型

数据类型 变量名

偏移地址

T I

T D

MX

1

PV n _

积分时间

微分时间 积分项前值 过程变量前值

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对于PID回路的控制，有些控制系统只需要比例、积分、微分其中的一 种或两种控制类型。通过设置相关参数即可选择所需的回路控制类型

。

如只需要比例、微分回路控制，可以把积分时间常数设为无穷大

。此时积分项为初值。

只需要比例、积分回路控制，可以把微分时间常数置为0。

只需要积分或微分回路，则可以把回路增益Kc设为0.0，在计算积 分项和微分项时，系统把回路增益Kc当作1.0。

一般情况下，比例、积分回路控制应用较多。微分控制的作用不 宜过强，否则易引起系统的不稳定。

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3) PID回路指令控制方式

S7-200 系列PLC中，PID回路指令没有控制方式的设置，只要EN 端有效就可以执行PID指令。PID指令执行称之为“自动”方式，PID指 令不运行称之为“手动”的方式。当EN端口检测到一个正跳变(从0到1) 信号，PID回路就从手动方式切换到自动方式。为达到无扰动切换，

必须用手动方式将当前输入值填入回路表中的 Mn栏，用来初始化输 出值Mn ，且PID指令对回路表中的值进行一系列操作，以保证手动方 式无扰动地切换到自动方式。

置给定值SPn=过程变量PVn。

置过程变量前值 =过程变量当前值PVn。

置积分项前值MX=输出值Mn。

1

PV n _

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4) 回路输入输出变量的数值转换及其范围 (1) 回路输入变量的转换和归一化处理

每个PID回路有两个输入变量，给定值SP和过程变量PV。给定值通常 是一个固定的值，如温度控制中温度的给定值。过程变量PV则与PID回路 输出有关，并反映了控制的效果。在温度控制系统中，测量并转换为标准 信号的温度值就是过程变量。

给定值和过程变量一般都是实际工程物理量，其数值大小、范围和测 量单位都可能不一样。执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实 数。

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① 回路输入变量的数据转换。把A/D模拟量单元输出的整数值转换成浮 点型实数值，程序如下。

XORD AC0，AC0 //清空累加器

MOVW AIW0，AC0 //模拟量采集，送入AC0 LDW>= AC0，0 //若为正，直接转换为实数

JMP 0 //否则，先对AC0中的值进行符号扩展 NOT

ORD 16#FFFF0000，AC0 LBL 0

DTR AC0，AC0

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② 实数值的归一化处理。

实数值进一步归一化为0.0～1.0之间的实数。

noum ( raw / pan set )

R  R S  Off

归一化公式

式中： ——标准化的实数值；

——未标准化的实数值；

——补偿值或偏置，单级性为0.0，双极性为0.5；

——值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极 性为32000(典型值)，双极性为64000(典型值)。

R noum

R raw

Off set

S pan

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双极性实数标准化的程序如下。

/R 64000.0，AC0 //累加器值进行标准化

+R 0.5，AC0 //加上偏置，使其落在 0.0～1.0之间 MOVR AC0，VD100 //标准化的值存入回路表

(2) 回路输出变量的数据转换

回路输出变量是用来控制外部设备的，例如控制水泵的速度。PID运算 的输出值是0.0～1.0之间的标准化了的实数值，在输出变量传送给D/A 模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程 是实数值标准化的逆过程。

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① 回路输出变量的刻度化。把回路输出的标准化实数转换成实数，公式如下。

scal ( _n set ) pan

R  M  Off S

式中： ——回路输出的刻度实数值；

Mn ——回路输出的标准化实数值

R scal

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② 将实数转换为整数(INT)。

把回路输出变量的刻度值转换成整数(INT)的程序为：

ROUND AC0，AC0 //实数转换为32位整数

MOVW AC0，AQW0 //将输出值输出到模拟量输出寄存器 回路输出变量的刻度化的程序如下。

MOVR VD108，AC0 //将回路输出值放入累加器

-R 0.5，AC0 //对双极性输出，要减0.5的偏置(单极性无此句)

*R 64000.0，AC0 //得到回路输出的刻度值

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(3) 变量的范围

过程变量和给定值是PID运算的输入变量，因此，在回路表中这些 变量只能被除数回路指令读取而不能改写。

输出变量是由PID运算产生的，在每一次PID运算完成之后，需要把 新输出值写入回路表，以供下一次PID运算使用。输出值应为0.0～1.0 之间的实数。

如果使用积分控制，积分项前值要根据PID运算结果更新。每次PID 运算后更新了的积分项前值要写入回路表，用作下一次运算的输入。

若输出值超过范围(大于1.0或小于0.0)，那么积分项前值必须根据下列 公式进行调整：

MX=1.0-(MPn-MDn) 当计算输出值Mn>1.0 MX= -(MPn-MDn) 当计算输出值MN<0.0

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式中：

MX ——经过调整了的积分项前值；

MPn ——第采样时刻的比例项；

MDn ——第采样时刻的微分项。

修改回路表中积分项前值时，应保证MX的值在0.0～1.0之间。调整积分项前

4) PID指令运行出错条件

PID指令不检查回路表中的值是否在范围之内，所以必须确保过程变 量、给定值、输出值、积分项前值、过程变量前值在0.0～1.0之间。如果 指令操作数超出范围，CPU会产生编译错误，导致编译失败。

如果PID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 引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。

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1) 控制要求

某水箱其出水口流量是变化的，进水口流量可通过调节水泵转速控 制，水位检测由差压变送器完成。现对水箱进行水位控制，使其水位保 持在满水位的75%。以PLC为主控制器，采用EM235模拟量模块实现模 拟量和数字量的转换，差压变送器送出的水位测量值通过模拟量输入通 道送入PLC中，PID回路输出值通过模拟量转化控制变频器实现对水泵 转速的调节。

3. 指令应用举例

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2) 控制程序的实现

在以上要求中，水位测量值为过程变量PV，满水位的75%为给定值SP。

本例中过程变量PV和回路输出量归一化采用单极性方案。控制方式采用比例

、积分控制，PID参数采用如下设置：Kc=0.25，Ts=0.1s，T

^I

⑴ 系统启动时，关闭出水口，用手动方式控制进水，使水位达到满水位的 75%，然后打开出水口，同时将控制方式从“手动”转为“自动”。I0.0控制 PID指令的启动，只需提供一个上升沿。

⑵ SBR_0子程序中为PID参数设置及定时中断程序的启动。

⑶ 定时中断程序INT_0中为数据的标准化、PID指令的执行、及控制量的输 出。

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(1) 采用主程序、子程序、中断程序的程序结构形式，可优化程序结构

，减少周期扫描时间。

(2) 在子程序中，先进行组态编程的初始化工作，将5个固定值的参数 (SPn、Kc、Ts、T

^I

^D

4. PID指令使用说明

(3) 在中断程序中完成3个任务。

① 将由模拟量输入模块提供的过程变量PVn转换成标准化的实数(0.0

～1.0之间的实数)并填入回路表。

② 设置PID指令的无扰动切换的条件(例I0.0)，并执行PID指令。使 系统由手动方式无扰动地切换到自动方式。将参数Mn、SPn、 、 MX 先后填入回路表，完成回路表的组态编程，从而实现周期地执行PID 指令。

③ 将PID运算输出的标准化实数值Mn先刻度化，然后再转换成有符 号整数(INT)，最后送至模拟量输出模块，以实现对外部设备的控制。

1

PV n _

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