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4.4 S7-200用于模拟量控制系统 1.关于模拟量控制系统
模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式上可分为开环控制和闭环控制。开环控制是根据控制的设定值直接向控制对象输出控制信号，这种控制容易受外界干扰而偏离控制目标。对于控制要求比较高的场合，一般都采用闭环控制方式。闭环控制是使用控制的设定值与反馈值的差进行控制的，以求得设定值与反馈值的偏差最小。因而闭环控制也叫偏差控制。闭环控制根据其设定值的不同，又可以分为调节系统和随动系统两种。调节系统的设定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。随动系统的设定值是由被控制对象给出的，控制器的作用就是使控制目标不断地向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。
模拟量控制系统设计中应该注意抗干扰问题。解决干扰的办法有4个。其一是接地问题。这里包括PLC接地端的接地，要真接地不要假接地。这里所说的接地就是接大地。其二是模拟信号线的屏蔽向题，屏蔽线的始端和终端都要接地。信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。其三是对某些高频信号要解决匹配问题。如果不匹配很容易在信号传送中引进干扰，使信息失真。其四是对信号进行滤波。
模拟量信号如电压值、电流值等，常常会因为现场瞬时干扰而产生较大波动，产生误差。采用滤波可以有效地减小误差。这里所说的滤波包括硬件滤波和软件滤波。软件滤波主要是数字滤波。数字滤波的方法比较多，如常用的平均值法、中值法等等。S7-200系列PLC在系统设计中可以利用STEP7-Micro/MIN32软件对模拟量输入信号增加滤波功能。如果需要数字滤波可以设置滤波选项。
2.模拟量控制系统设计举例
砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护过程有两种。一种是自然养护。自然养护只需要一个养护的露天场地，靠阳光加温养护。这种养护方法投资少，养护成本低。其缺点是养护周期长，受天气影响大，对产品质量要求较高时无法保证。而且，对于我国北方地区的冬季也不适用。另一种养护是在养护窑中养护，可以根据砌块的工艺要求制定养护规则，由手动控制或自动控制方法进行养护。养护窑养护过程是严格根据工艺要求实施控制的。它能保证产品的质量，保证生产进度，不受气候影响。其中自动控制方式养护方式，可以借助于PID算法、模糊控制算法及一些优化控制算法，使养护窑的养护温度被严格地控制在养护规则要求的范围之内。 3. 系统设计举例
例4-4-1窑温模糊控制设计
图
4-4-1所示
系统就是对养护窑进行温度控制系统。本系统控制2个养护窑。每个养护窑有一个测温输入点（模拟量输入），一个进气电磁阀控制输入蒸汽（开关量），一个排气电磁阀控制热气的排出（开关量），一个送风电机（开关量），共三个开关量输出。一个启动按钮，一个停止按钮一个急停按钮。一个养护窑需要3个开关量输入，3个开关量输出和一个模拟量输入。整个系统还需要设置一个总启
图4-4-1 动开关，一个总停止开关（共2个开关量输入点）。一个总进气电磁阀，一个总排风电磁阀（共2个开关量输出点）。合计整个控制系统需要开关量输入8点，开关量输出8点，模拟量输入2点。
控制过程应该满足如下要求。总启动按钮按下以后整个系统允许运行。按下总停止按钮整个系统停止运行。每个窑都可以自行控制。按下各窑的启动按钮后各窑开始运行，按下其停止按钮各窑停止运行，按下急停按钮禁止各窑的输出控制。
每个窑的具体控制流程要求：启动电机供风循环热气流；开启进气阀门供热气控温；经过一定时间（设恒温10小时）关闭进气阀门；打开排气阀门排气；按下停止按钮关风机关排气阀，准备砌块出窑。连锁要求只要有一个窑排气，总排气阀要打开，只有总进气阀打开，才能启动各窑进气阀。
（1）硬件选择：
选CPU224（14点开关量输入/1O开关量输出，提供给扩展单元5VDC电流能力为660mA）主机，模拟量输入模块EM231（4路模拟量输入，消耗5VDC电流为1OmA）模块1块，组成硬件系统。如图4-4-2所示。
所选系统中，CPU224能够满足所带扩展单元全部5VDC电流的要求，且 所带的扩展模块不大于7个，这表明硬件配置合理。整个系统具有开关量输入14点，开关量输出10点，模拟量输入4点，这表明硬件系统满足全部工艺要求。
(2) 输入输出点地址分配： 输入输出点地址分配见表4-4-1。 图4-4-2 表4-4-1 模块号 输入端子号 CPU224 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 输出端子号 1 2 3 4 5 6 7 地址号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 信号名称 l号启动，上升沿有效 l号停止，上升沿有效 1号急停，上升沿有效 2号启动，上升沿有效 2号停止，上升沿有效 2号急停，上升沿有效 总启动，上升沿有效 总停止，上升沿有效 l号进气阀，“1” 有效 l号排气阀，“1” 有效 l号风机，“1” 有效 2号进气阀，“1” 有效 2号排气阀，“1” 有效 2号风机，“1” 有效 总进气阀，“1” 有效 说明 按钮 按钮 按钮 按钮 按钮 按钮 按钮 按钮 电磁阀 电磁阀 电机 电磁阀 电磁阀 电机 电磁阀 EM231 1 2 3 4 8 9 10 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 总排气阀，“1” 有效 l号热敏电阻 2号热敏电阻 电磁阀 PT100 PT100 (1) 内存变量分配表
控制系统的输入输出与内存分配表见表4-4-2。 表4-4-2 序号 名称 地址 1 一号启动 I0.0 2 一号停止 I0.1 3 一号急停 I0.2 4 二号启动 I0.3 5 二号停止 I0.4 6 二号急停 I0.5 7 总启动 I0.6 8 总停止 I0.7 9 一号进气阀 Q0.0 10 一号排气阀 Q0.1 11 一号风机 Q0.2 12 二号进气阀 Q0.3 13 二号排气阀 Q0.4 14 二号风机 Q0.5 15 总进气阀 Q0.6 16 总排气阀 Q0.7 17 一号热敏电阻 AIW0 18 二号热敏电阻 AIW2 19 一号定时1 T101 20 一号定时2 T102 21 一号定时3 T103 22 一号定时4 T104 23 一号定时5 T105 24 一号定时6 T106 25 一号定时7 T107 26 一号定时8 T108 27 一号温度值 VW0 28 一号反馈值 VW2 29 一号设定值 VW4 30 一号控制1 VW6 31 一号控制2 VW8 32 一号控制3 VW10 33 一号控制4 VW12 34 一号控制5 VW14 35 二号定时1 T109 36 二号定时2 T110 注释 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 12bit 12bit 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 时基=１００ｍｓTON 时基=１００ｍｓTON 37 二号定时3 T111 时基=１００ｍｓTON 38 二号定时4 T112 时基=１００ｍｓTON 39 二号定时5 T113 时基=１００ｍｓTON 40 二号定时6 T114 时基=１００ｍｓTON 41 二号定时7 T115 时基=１００ｍｓTON 42 二号定时8 T116 时基=１００ｍｓTON 43 二号温度值 VW20 16bit 44 二号反馈值 VW22 16bit 45 二号设定值 VW24 16bit 46 二号控制1 VW26 16bit 47 二号控制2 VW28 16bit 48 二号控制3 VW30 16bit 49 二号控制4 VW32 16bit 50 二号控制5 VW34 16bit 51 一号养护时间 C0 增计数器 52 二号养护时间 C1 增计数器 53 一号运行标志 M0.0 Bool 54 二号运行标志 M0.1 Bool (4) 程序设计： ·总体思路
因为本系统用来控制规模相同的2个养护窑，所以控制程序采用分块结构。其中子程序SBR0控制一号窑温，SBR1控制二号窑温。主程序OB1分别调用SBR0、SBR1子程序块，对2个养护窑分别控制。每个养护窑由一个热敏电阻检测窑内温度，由一个进气电磁阀周期闭合与断开来控制进气量，调节窑内温度。本例子中采用的控制算法根据经验写成控制规则，成为简单的模糊控制。 ·主程序中的具体控制流程
本例子中由于只采用了子程序调用而没有采用中断，因此结构比较简单。在系统总启动之后，主程序只要不断查询各个子程序的启动条件并根据启动条件去决定是否调用温控程序即可。见图4-4-3。 ·控制算法
本例子所采用的控制算法是根据经验写成的控制规则，用模糊控制算法去控制的。其控制规则有：
如果检测温度低于设定值的50%，则进气阀门打开的占空比为l00%。
如果检测温度高于设定值的50%且低于设定值的80%，则进气阀门打开的占空比为70%。 如果检测温度高于设定值的80%且低于设定值的90%，则进气阀门打开的占空比为50%。 如果检测温度高于设定值的90%且低于设定值的100%，则进气阀门打开的占空比为30%。 如果检测温度高于设定值的100%且低于设定值的102%，则进气阀门打开的占空比为10%。 如果检测温度高于设定值的102%，则进气阀门打开的占空比为0%。
为了实现控制算法，在程序设计中每个养护窑安排了8个延时断开定时器（TON）产生4
图4-4-3 种不同占空比的脉冲。再由这些脉冲去控制进气阀门的打开与关断。