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第4章 制造装备的PLC控制
制造装备中有许多执行机构如：电磁铁、电磁阀、电动机的通和断等属于开关量对象，使用PLC的“位”逻辑开关，很容易实现对它们的控制。但是，制造装备中更多的控制参数是机械运动部件的速度和位置，采用的执行机构是电动机或调速阀。然而，迄今为止，使用的电动机或者调速阀都还属于模拟执行机构，必须使用电压（或电流）对其控制。
处理模拟量的关键是要有模拟量输入（ AD ）、模拟量输出 ( DA ）单元或模块。由这些单元或模块先对信号作预处理，然后送 PLC 进行再处理。 PLC 再处理后，又由这些单元作后处理。有这些单元在控制对象与 PLC 之间架起桥梁， PLC 即可控制模拟量了。
4．1 PLC模拟量概述
4．1．1 PLC 模拟量控制过程
图4-1所示为模拟量控制过程示意图。
这里“基于信息采集和处理”的信息，可能是调节量，也可能是干扰量。
如信息为调节量，则要用反馈控制。它是一种模拟量最基本的控制方式。它依据系统的实际输出与预期输出间的偏差来进行控制，以期逐步缩小这一偏差。至于产生偏差的原因，它是不理睬的。图4-2所示就是反馈控制的原理图。
如信息为干扰量，也可用前馈控制。前馈控制基于扰动补偿原理，根据扰动的情况作相应控制。图 4-3 所示为它的工作原理图。
从图可知，传感器监测的是扰动量。 PLC 程序根据扰动量、控制量与调节量间的关系产生相应的控制量，再通过模拟量输出单元、执行器作用到被控对象上，其目的是在干扰量
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作用于系统的同时，这个控制量也作用于该系统，以补偿干扰对系统的不利影响。可知，这里的信息流是开路的，所以前馈控制又称开环控制。
开环控制使系统在偏差即将发生之前就注意纠正偏差，这是它的优点。但要弄清有多少扰动量，以及它与调节量间的关系，即控制量随扰动变化的规律，是不易的。这也是它用得不多的原因。
以上讨论的是完整的模拟量控制过程，是较复杂的。既有模入（ AI ) ，又有模出（ AO ）。有时为了简单，可不用那么完整的模拟量控制。如有的只用模入，而输出用逻辑量（ DO ）。如控制电炉温度，简单的办法是不停地读人温度值，并与设定值比较。如实际温度小于设定值，则控制一个逻辑量 ON，使加热器得电。反之，如实际温度大于设定值，则控制这个逻辑量 OFF ，使加热器失电。再如，也可能不用模入，而用逻辑量入（ DI ) ，但用模拟量输出。再就是，由于脉冲技术的发展，模拟量控制也可运用有关脉冲控制技术。对此，以下各节都将进行讨论。 4．1．2 PLC 模拟量输入、输出方法
1．PLC 模拟量输出方法 有 3 种控制输出模拟量的方法。 1）开关量 ON / OFF 比值控制输出
改变开关量 ON / OFF 比例，进而用这个开关量去控制模拟量，是模拟量控制输出的最简单的办法。如图4-4所示，输出为某开关量，改变输出周期，即可调整这个输出点 ON / OFF 的时间比例。如电源通过这个触点，加载到某模拟量控制对象，则这个对象所接收的能量将与这个 ON / OFF 比例相关。显然，这里改变输出周期，即控制了相关的模拟量。
图4-5所示为实现这个算法的 2 种 PLC 的梯形图程序。它都用了两个定时器，一个控制工作周期，另一个控制输出周期。由图4-4所示，控制“输出周期”的占空比，可以方便地得到所需要的模拟量输出。
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这个方法的优点是不用模拟量输出模块，即可实现模拟量控制输出。缺点是其控制输出是断续的，如系统惯性较大（它对波动有滤波作用），或控制要求不高时，确实是一种解决方法。
为了减少脉动，可提高开关频率，缩短工作周期。因此要求采用晶体管输出的PLC。 2）可调制脉宽的脉冲量控制输出
有的PLC具有输出高达2～10KHz的 PWM脉冲宽度调制指令，配合指定的晶体管输出点，则可把图4-4的工作周期缩小，以提高模拟量输出的平稳性。 3）模拟量输出单元控制输出
为使所控制的模拟量能连续、无脉动地变化，最好的办法是用模拟量输出模块。它是把数字量转换成模拟量的 PLC 扩展模块，简称特殊D/A模块。多数 PLC 的 D/A 模块是选购件，但也有的PLC 在基本单元中已经集成了模拟量输出功能，如S7-224XP等。
D/A 模块有 2 、 4 和8 路，少的只有 1 路。转换的字长可以为二进制 8 、 12 、和16 位或更高。对应的分辨率分别为量程的 l / 255 、l / 1023 、l／4095 及 l / 32767 或更小。分辨率高，精度也高。
模拟量输出的类型是标准电信号 —— 电流或电压。电流为 4 ～ 20mA ；电压为 0 ～ 10V （ 0 ～ 5V） 或土 10V等。可根据PLC型号，由模块上的设定开关（S7系列PLC）或者软件（FX2N）决定。
2．PLC 模拟量输入方法 有两种输入模拟量的方法： 1）模拟量输入单元输入模拟量
把模拟量输入给 PLC 最简单的方法是，用模拟量输入单元（模块），简称 AD 单元。它不仅可完成从模拟量到数字量的转换，有的还可作相应处理，如滤波、求平均值、保持峰
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值、按比例转换等。模拟量一般指标准电信号、电流或电压。电流为 4 ～ 20mA 。电压为0～ 10V 、 （0 ～ 5V） 或土 10V 等。具体是什么，又是多少，可依型号情况及设定开关设定。
同D/A模块一样，A/D模块的通道数、分辨率有不同的型号可供用户选择。 使用 AD 模块时，要了解它的性能，主要有：
（1）模拟量规格：指可接受或可输出的标准电流或标准电压的规格，一般多些好，便于选用；
（2）数字量位数：指转换后的数字量，用多少位二进制数表达。位多的好，精度高； （3）转换路数：指可实现多少路的模拟量转换，路多的好，可处理多路信号； （4）转换时间：指实现一次模拟量转换的时间，时间短的好；
（5）功能：指除了实现数模转换时的一些附加功能，有的还有标定（ scaling ）、平均（ Mean ）、峰值（ Peak vaule ）及开方（ Square Rool ）功能。其含义分别是：
① 标定：设定转换后的数字量的上限（与模拟量的最大值对应，如 20mA ）及下限（与模拟量的最小值对应，如 4mA ) ，当使设定标定功能使能时，则模块会自动地把模拟量按比例转换成上下限之间的值。
图4-7中虚线表示的是未标定时的电压与输出值的对应关系： OV 时，输出为0； 10V 时，输出为4000 。实线为标定功能使能后的情况。这时， OV
时，输出为 1000 ；10V 时，输出为 9000 。在 0 ～ 10V 之间，如 5V ，则为 5000 。当然，这个 5000 ，是输入模块自动给出的，人工不必计算。
② 平均：可连续采集多次数据，然后加以平均，以平均后的数作为输入。要否平均，由多少次数作平均，可设定。使用平均功能，可减少干扰，但转换时间将增长。
③ 峰值：可保持输入过程的最大值。峰值保持使能失效．则保存值复位为零。
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