产品描述
6AV2123-2MA03-0AX0技术参数
概述:
工业现场传感器与PLC/FCS/DCS、仪器仪表之间输入输出的模拟信号隔离放大器(亦称模拟量隔离变送器)属于模拟信号调理的范畴。模拟信号隔离放大器能有效保护各级控制回路,或减弱环境噪声对测试电路的影响,抑制公共接地、变频器、电磁阀及浪涌脉冲对设备的干扰,同时对下级设备具有信号限压、扼流的功能。是变送器、仪器仪表、变频器、电磁阀、PLC/DCS输入输出及其通讯接口的防护器件。对于有些环境恶劣的工业现场,控制系统错综复杂,高温、震动、潮湿和干扰信号并存,所以通过隔离放大器将输入输出模拟信号进行放大、转换、远传且各系统回路隔离,的确是当今自动化控制系统中抗干扰的有效措施之一。
所谓带宽(band width)又叫频宽,是指在固定的的时间可传输的资料数量,亦即在传输管道中可以传递数据的能力。在数字设备中,带宽通常以bps表示,即每秒可传输之位数。在模拟设备仪器中,带宽通常以每秒传送周期或赫兹 (Hz)来表示。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。
频率响应简称频响,在电子学上用来描述一台仪器仪表、PLC等设备对于不同频率的信号的处理能力的差异。同失真一样,这也是一个非常重要的参数指标。
带宽指标的测试方法如下,在输入端加上一个频率可调的正弦波模拟信号,输出端可以稳定跟随输入端信号的大频率范围就是带宽。工业信号隔离放大器带宽指标的工程意义是什么呢?在应用当中我们如何理解“带宽”呢?带宽指标反映了隔离放大器对输入信号变化的响应速度。带宽越大,隔离放大器对信号变化的响应速度越快;带宽越小,说明隔离放大器对输入信号瞬间变化反应不敏感,在某些场合也就意味着抗干能力较强。
隔离放大器和隔离变送器的工作原理是将传感器、仪器仪表、PLC等发送与接收的标准信号或温度、位移、频率、转速等信号通过半导体器件进行调制,再由光感或磁感器件进行隔离转换变送,然后进行解调还原成精度、线性度一致的原有信号或变换成其它信号,同时对隔离前后信号的工作电源进行隔离处理,以保证信号输入、信号输出与辅助电源即变换前后的信号、电源、地之间三隔离。模拟信号隔离放大器和隔离变送器属于工业仪器仪表与传感器分类中的一种器件,其主要功能是模拟量的隔离、放大、转换及变送,因而就必然有信号带宽和频率响应这个基本的技术指标。
工业现场信号传输干扰处理参考方案(变频器抗EMC干扰隔离放大器):
工业现场有变频控制设备、大功率电磁起动设备、GPS高频信号无线收发装置等存在EMC干扰源的系统,需要针对不同的干扰源及系统控制信号的特性来分析确定干扰信号处理解决方案。
1、传感器输出模拟信号上的干扰
在传感器输出端加装ISO系列模拟信号隔离放大器可以有效解决模拟信号传输过程中的衰减和EMC干扰,增强显示控制系统的稳定性和性。用于变频器抗EMC干扰的模拟信号隔离放大器:ISO EM U-P-O-M系列,是在IC内部加装输入信号干扰抑制滤波电路和输出干扰谐波吸收电路,增强抗EMC电磁干扰和高频信号空间干扰功能。特别适用于现场有变频控制设备、大功率电磁起动、GPS高频信号无线收发装置的场合。
2、高频信号辐射的空间干扰
将各控制系统、设备分别加装金属屏蔽盒(不同频率段使用的金属成分不同)并将外壳接地,信号通讯传输线路采用双绞屏蔽电缆。
3、RS232/RS485的远程通讯线路干扰
在RS232/RS485通讯接口上加装DC-DC隔离模块电源,将通讯供电电源与其它电源直接隔离开来。信号通讯传输线路也要采用双绞屏蔽电缆(屏蔽层接地)。
4、系统供电电源电路中的干扰
现场有大电流晶闸管、变频控制设备、大功率电磁起动装置的,对电源系统的供电参数会产生畸变影响。通过电源电路,干扰信号会进入到现场的各个控制装置。因此,要确定现场的各个装置接地良好,各装置的供电电源要加装与其相匹配的电源滤波器(低通EMI滤波器或抑制电抗器)。
模拟信号隔离放大器隔离变送器的带宽与频响工业现场技术指标选型应用参考:
1、模拟信号在变化频率缓慢(<50Hz)的场合(如测量温度、压力、位移、流量等),可选用带宽较小、低频响的隔离放大器:ISO EM U(A)-P-O-M系列产品(M:表示低频响)。 所以在变频器控制系统中,为抑制和隔离EMC干扰,常选用:ISO EM U-P-O-M系列的隔离放大器。
2、模拟信号在变化频率高(>2KHz)的场合(如测量转速、调节高速电子开关、开关电源的PWM控制等),为采集数据的完整和,常选用高带宽、高低频响的隔离放大器:ISO EM U(A)-P-O-H系列产品
(H:表示高频响)。
3、高频与低频响环境以外的大多数系统都选择常规频响(2K)产品:ISO EM A-P-O或ISO EM U-P-O系列。
4、对现场环境有强磁空间干扰(高频电磁大电流负载)场合可选用光电隔离放大器:ISO U(A)-P-O-M系列。
1 引言
在工业生产中,常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、流量等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统,还是使用计算机(包括plc)的数字控制系统,PID控制都得到了广泛的应用。
PID控制器是比例-积分-微分控制的简称,具有
(1) 不需要的控制系统数学模型;
(2) 有较强的灵活性和适应性;
(3) 结构典型、程序设计简单,工程上易于实现,参数调整方便等优点。积分控制可以系统的静差,微分控制可以改善系统的动态相应速度,比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
2 PLC实现PID的控制方式
2.1 PID过程控制模块
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的,并存放在模块中,用户使用时序要设置一些参数,使用起来非常方便,一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2.2 PID功能指令
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令,如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序,与模拟量输入/输出模块一起使用,可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
2.3 用自编的程序实现PID闭环控制
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令,有时虽然可以使用PID控制指令,但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。
3 PLC-PID控制器的实现
本文以西门子S7-200PLC为例,说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3.1 PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础,将其数字化写成离散形式的PID控制方程,再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中,典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值,pv(t)是反馈量,c(t)是系统的输出量,PID控制的输入输出关系式为:
图1 连续闭环控制系统方框图
式(1)的右边前3项分别是比例、积分、微分部分,它们分别与误差,误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项,可以组成P、PD或PI控制器。
设采样周期为TS,系统开始运行的时刻为t=0,用矩形积分来近似积分,用差分近似微分,将公式1离散化,n次采样时控制器的输出为: (2)
式中:
en-1-n-1次采样时的误差值;
KI-积分系数;
KD-微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示。图中的虚线部分在PLC内。其中spn、pvn、en、Mn分别为模拟量在sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在n次采样时的数字量。
图2 PLC闭环控制系统方框图
在许制系统内,可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
3.2 输入输出变量的转换
PID控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值,如加热炉温度的给定值。过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值,如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值,对于不同的系统,它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前,将其转换成标准化的浮点数(实数)。
同样,对于PID指令的输出,在将其送给D/A转化器之前,也需进行转换。
3.3 回路输入的转换
转换的步是将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换成浮点数,可用下面的程序实现这种转换:
XORD AC0, ACO
//累加器
MOVW AIWO, AC0
//将待转化的模拟量存入累加器
LDW>= AC0, 0
//如果模拟量数值为正
JMP 0
//直接转换成实数
ORD 16#FFFF0000, ACO
//将AC0内的数值进行符号扩展,扩展为32位负数
LBL 0
DTR AC0, AC0
//将32位整数转换成实数
转换的下一步是将实数进一步转换成0.0~1.0之间的标准化实数,可用下面的式(3)对给定值及过程变量进行标准化:
RNorm=(RRaw/Span)+Offset (3)
式中:
RNorm-标准化实数值;
RRaw-标准化前的值;
Offset-偏移量,对单性变量为0.0,对双性变量为0.5;
Span-取值范围,等于变量的大值减去小值,单性变量的典型值为32000,双性变量的典型值为64000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双性实数(其Span=64000)转换成0.0~1.0之间的实数:
/R 64000.0, AC0
//累加器中的实数标准化
+R 0.5, AC0
//加上偏移值,使其在0.0~1.0之间
MOVR ACO, VD100
//加标准化后的值存入回路表内
3.4 回路输出的转换
回路输出即PID控制器输出,它是标准化的0.0~1.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前,转换成16位二进制整数。这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的公式将回路输出转换成实数:
RScal=(Mn-Offset)×Span (4)
式中,RScal是回路输出对应的实数值,Mn是回路输出标准化的实数值。
下面的程序用来将回路输出转换为对应的实数:
MOVR VD108, AC0
//将回路输出送入累加器
-R 0.5, AC0
//仅双性数才有此语句
*R 64000.0, AC0
//单性变量乘以32000.0
用下面的指令将代表回路输出的实数转换成16位整数:
ROUND AC0, AC0
//将实数转换为32位整数
MOVW AC0, AQW0
//将16位整数写入模拟输出(D/A)寄存器
3.5 PID指令及回路表
S7-200的PID指令如图3所示:
图3 PID指令
指令中TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路的编号。编译时如果指令的回路表起始或回路号出范围,CPU将生成编译错误(范围错误)仪器编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查,应保证过程变量、给定值等不限。回路表参见附表。
附表 PID指令的回路表
4 PID指令编程举例
某一水箱里的水以变化速度流出,一台变频器驱动的水泵给水箱打水,以保持水箱的水位维持在满水位的75%。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供,PID控制器的输出值作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单性模拟量,取值范围为0.0~1.0。
本例采用PI控制器,给定值为0.75,选取控制器参数的初始值为:KC=0.25,TS=0.1s,TI=30min。编程如下:
//主程序(OBI)
LD SM0.1 //扫描时
CALL 0 //调用初始化子程序
//子程序
LD SM0.0
MOVR 0.75, VD104 //装入给定值75%
MOVR 0.25, VD112 //装入回路增益0.25
MOVR 0.10, VD116 //装入采样时间0.1s
MOVR 30.0 VD120 //装入积分时间30min
MOVR 0.0, VD124 //关闭微分作用
MOVB 100, SMB34
//设置定时中断0的时间间隔为100ms
ATCH 0, 10
//设定定时中断以执行PID指令
ENI
//允许中断,子程序0结束
//中断程序0
LD SM0.0
LTD AIW0, AC0
//单性模拟量经A/D转换后存入累加器
DTR AC0, AC0
//32位整数转换为实数
/R 32000.0, AC0
//标准化累加器中的实数
MOVR AC0, VD100 //存入回路表
LD 10.0
//在自动方式下,执行PID指令
PID VB100, 0
//回路表的起始地址为VB100,回路号为0
LD SM0.0
MOVB VD108, AC0
//PID控制器的输出值送入累加器
*R 32000.0 AC0
//将累加器中的数值标准化
ROUND AC0, AC0
//实数转换为32位整数
DTI AC0, AQW0
//将16位整数写入到模拟量输出(D/A)寄存器
5 结束语
PLC实现PID控制的方法多种,直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制,是一种易于实现且经济实用的方法
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