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[摘要]PLC作为工控领域最广泛使用的自动控制装置，对水位、温度、压力等模拟信号也能进行有效的自动监测和控制处理，本文以温度控制为例介绍PLC采集、处理、输出模拟量信号的工作过程。
[关健词]PLC模拟量温度控制PID
中图分类号：V233.7+45 文献标识码：V 文章编号：1009―914X（2013）28―0511―02
一、概述
在工业生产自动控制或人们的生活中，为了保证产品质量或安全，对于模拟量：温度、压力、流量、成分、速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制，而PLC中的PID运算指令实质是一个可以通过参数整定得到最优反馈偏差信号的自动控制单元。
PLC特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。第二，编程简单、使用方便目前大多数 PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
PID运算控制器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超调与振荡。静态时，放大系数较高，可以捕捉到小误差信号，提高控制精度。
电力电子技术以及工业自动控制技术的发展使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
下面就从PLC输入输出模拟量、PID控制，变频器输出三个方面以温度监测与控制系统为例，来说明PLC在模拟量信号监测与控制中的应用。
二、系统设计
1、控制要求和器件指令的选取
温度监测与控制系统共涉及四大部分，包括温度传感器、模数转换器、PLC控制系统和外部温度调节设备。本例中取样二个监控点的温度（可以扩展到多个模拟信号输入点），将其求平均后得到当前测量到的反馈值PV，结合给定值SV及上下限值利用PLC的PID指令，对输出设备变频器进行自动调节控制，从而使系统温度控制在一定范围之内。
在信号采集模数转换部分我们选用三菱公司的FXON-3A模块，它提供二路模拟量输入（DC0∽10V或AC4∽20mA）通道，我们用它采集二个监测点的温度，本例以0～10V来对应温度0～50℃，设置10～40℃为系统的正常温度范围，对应的模拟量电压为2～6V，也即10℃（2V）为下限，40℃（8V）为上限。设定25℃（5V）为我们的温度（电压）基准值。
FXON-3A模块提供一路模拟量输出（DC0∽10V或DC0∽5V）通道，我们利用它控制变频器，利用变频器来控制外围温控设备的工作从而实现对系统温度进行自动调节。变频器我们选用三菱公司的A540，外接一台电机，只做实验室模拟控制外部温度调节设备。为了控制的直观，我们再选用三菱的GOT940触摸屏进行输入控制和输出监控。GOT940与FX系列PLC之间可通过RS-422/485进行通信。
PLC我们采用实验室广泛使用的三菱FX2N-48MR，它可与三菱FXON-3A模块通过扩展口直接相连，其自带的PID运算指令格式如下：
PID[S1•] [S2•][S3•] [D•]
[S1•]用于存放给定值SV，[S2•]用于存放当前测量到的反馈值PV，运算结果MV存放在[D•]中，[S3•]∽[S3•]+6用来存放控制参数的值，控制参数格式如下：
参数代号 参数名称 数值范围
S3 采样周期（Ts） 1~32767ms
S3+1 动作方向（ACT） 由B2B1B0三位决定
S3+2 输入滤波常数（L） 0~99（%）
S3+3 比例增益（KP） 0~32767（%）
S3+4 积分时间（T1） 0~32767（×100ms）
S3+5 微分增益（KD） 0~100%
S3+6 微分时间（TD） 0~32767（×10ms）
另外S3+20至S3+23还可设置输入输出报警上下限值，当有报警时S3+24可输出报警信号。
PLC与FXON-3A模块的通信我们采用FROM和TO指令，格式及功能说明如下：
FROMm1 m2 D• n 读特殊功能模块指令
TOm1 m2 S• n 写特殊功能模块指令
上面二条指令中参数m1为特殊功能模块编号，m2为该特殊功能模块信道（BFM）的编号，n是等传送数据的字数，D•和S•分别表目的操作数和源操作数。BMF通道格式为：
通道号 b7b6b5b4 b2 b1 b0
#0 当前输入通道的A/D转换值（以八位二进制表示）
#16 当前输入通道的D/A转换值（以八位二进制表示）
#17 启动D/A转换 启动A/D转换 A/D通道选择
这样，我们就将PLC温度控制系统对温度的监测与控制转变成了PLC对FXON-3A模块控制，系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、红、黄三台指示灯来指示温度状态。当被控系统的温度在要求范围内，则绿灯亮，表示系统运行正常；当被控系统的温度超过上限或低于下限时，则红灯或黄灯亮，并伴有声音报警，表示温度超过上限或低于下限。
2、控制系统原理及框图
温度传感器把测到的温度模拟量信号DC0 ∽10V（对应0～50℃）的电压参数传给FXON-3A模块的二个输入通道，经过A/D转换成0∽250数字信号。
PLC从FXON-3A模块的二个通道中读入0∽250（对应该0～50℃）的数字信号，将这二个数字信号进行求平均变换，得到当前测量到的反馈值PV。
利用PID指令得到运算结果MV（0∽250）传回给FXON-3A模块，这一结果再经过D/A变换成模拟信号去控制变频器的工作。
图二：温度控制系统组成原理框图
3、I/O分配表
类别 编号 功能
输出 Y0 运行状态指示
Y1 温度上限警示灯HL1
Y2 温度下限警示灯HL2
Y3 接触器KM1控制变频器及外电机工作
中间继电器 M0 系统启动键
M1 系统停止键
M2 工作设定温度递增键
M3 工作设定温度递减键
寄存器 D50 存放PID运算结果输出到FXON-3A
D101 存放通道1中A/D转换过来的输入温度
D102 存放通道2中A/D转换过来的输入温度
D601 存放下限温度值
D701 存放工作设定温度
D801 存放上限温度值
4、触摸屏画面及程序（部分PLC梯形图）
三、结束语
实际应用中PLC对模拟信号的采集处理是一个非常复杂的过程，特别是PID参数的整定要有较丰富的经验和扎实的理论功底，本文从PLC利用A/D扩展功能模块角度来对模拟量进行处理提供一种探索，还有众多不成熟之处请大家指正。另外本文在撰写过程中受到了顺德梁球琚中学韩亚兰校长的指导与帮助，还受到了中华工控网众多任务控高手们的指点，在此一并表示感谢！
参考文献
[1] 梁耀光 余文杰 电工新技术教程中国劳动社会保障出版社2007年5月第一版
[2] 孙振强 可编程控制器原理及应用教程 清华大学出版社2005年2月第一版
[3]张万忠 可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社2001年12月
[4]于庆广可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社 2004年8月
相关网站：http：//www.gkong.com/ 中華工控网 http：//www.yj.pte.sh.cn/ 研究性学习专题站
[关健词]PLC模拟量温度控制PID
中图分类号：V233.7+45 文献标识码：V 文章编号：1009―914X（2013）28―0511―02
一、概述
在工业生产自动控制或人们的生活中，为了保证产品质量或安全，对于模拟量：温度、压力、流量、成分、速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制，而PLC中的PID运算指令实质是一个可以通过参数整定得到最优反馈偏差信号的自动控制单元。
PLC特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。第二，编程简单、使用方便目前大多数 PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
PID运算控制器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超调与振荡。静态时，放大系数较高，可以捕捉到小误差信号，提高控制精度。
电力电子技术以及工业自动控制技术的发展使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
下面就从PLC输入输出模拟量、PID控制，变频器输出三个方面以温度监测与控制系统为例，来说明PLC在模拟量信号监测与控制中的应用。
二、系统设计
1、控制要求和器件指令的选取
温度监测与控制系统共涉及四大部分，包括温度传感器、模数转换器、PLC控制系统和外部温度调节设备。本例中取样二个监控点的温度（可以扩展到多个模拟信号输入点），将其求平均后得到当前测量到的反馈值PV，结合给定值SV及上下限值利用PLC的PID指令，对输出设备变频器进行自动调节控制，从而使系统温度控制在一定范围之内。
在信号采集模数转换部分我们选用三菱公司的FXON-3A模块，它提供二路模拟量输入（DC0∽10V或AC4∽20mA）通道，我们用它采集二个监测点的温度，本例以0～10V来对应温度0～50℃，设置10～40℃为系统的正常温度范围，对应的模拟量电压为2～6V，也即10℃（2V）为下限，40℃（8V）为上限。设定25℃（5V）为我们的温度（电压）基准值。
FXON-3A模块提供一路模拟量输出（DC0∽10V或DC0∽5V）通道，我们利用它控制变频器，利用变频器来控制外围温控设备的工作从而实现对系统温度进行自动调节。变频器我们选用三菱公司的A540，外接一台电机，只做实验室模拟控制外部温度调节设备。为了控制的直观，我们再选用三菱的GOT940触摸屏进行输入控制和输出监控。GOT940与FX系列PLC之间可通过RS-422/485进行通信。
PLC我们采用实验室广泛使用的三菱FX2N-48MR，它可与三菱FXON-3A模块通过扩展口直接相连，其自带的PID运算指令格式如下：
PID[S1•] [S2•][S3•] [D•]
[S1•]用于存放给定值SV，[S2•]用于存放当前测量到的反馈值PV，运算结果MV存放在[D•]中，[S3•]∽[S3•]+6用来存放控制参数的值，控制参数格式如下：
参数代号 参数名称 数值范围
S3 采样周期（Ts） 1~32767ms
S3+1 动作方向（ACT） 由B2B1B0三位决定
S3+2 输入滤波常数（L） 0~99（%）
S3+3 比例增益（KP） 0~32767（%）
S3+4 积分时间（T1） 0~32767（×100ms）
S3+5 微分增益（KD） 0~100%
S3+6 微分时间（TD） 0~32767（×10ms）
另外S3+20至S3+23还可设置输入输出报警上下限值，当有报警时S3+24可输出报警信号。
PLC与FXON-3A模块的通信我们采用FROM和TO指令，格式及功能说明如下：
FROMm1 m2 D• n 读特殊功能模块指令
TOm1 m2 S• n 写特殊功能模块指令
上面二条指令中参数m1为特殊功能模块编号，m2为该特殊功能模块信道（BFM）的编号，n是等传送数据的字数，D•和S•分别表目的操作数和源操作数。BMF通道格式为：
通道号 b7b6b5b4 b2 b1 b0
#0 当前输入通道的A/D转换值（以八位二进制表示）
#16 当前输入通道的D/A转换值（以八位二进制表示）
#17 启动D/A转换 启动A/D转换 A/D通道选择
这样，我们就将PLC温度控制系统对温度的监测与控制转变成了PLC对FXON-3A模块控制，系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、红、黄三台指示灯来指示温度状态。当被控系统的温度在要求范围内，则绿灯亮，表示系统运行正常；当被控系统的温度超过上限或低于下限时，则红灯或黄灯亮，并伴有声音报警，表示温度超过上限或低于下限。
2、控制系统原理及框图
温度传感器把测到的温度模拟量信号DC0 ∽10V（对应0～50℃）的电压参数传给FXON-3A模块的二个输入通道，经过A/D转换成0∽250数字信号。
PLC从FXON-3A模块的二个通道中读入0∽250（对应该0～50℃）的数字信号，将这二个数字信号进行求平均变换，得到当前测量到的反馈值PV。
利用PID指令得到运算结果MV（0∽250）传回给FXON-3A模块，这一结果再经过D/A变换成模拟信号去控制变频器的工作。
图二：温度控制系统组成原理框图
3、I/O分配表
类别 编号 功能
输出 Y0 运行状态指示
Y1 温度上限警示灯HL1
Y2 温度下限警示灯HL2
Y3 接触器KM1控制变频器及外电机工作
中间继电器 M0 系统启动键
M1 系统停止键
M2 工作设定温度递增键
M3 工作设定温度递减键
寄存器 D50 存放PID运算结果输出到FXON-3A
D101 存放通道1中A/D转换过来的输入温度
D102 存放通道2中A/D转换过来的输入温度
D601 存放下限温度值
D701 存放工作设定温度
D801 存放上限温度值
4、触摸屏画面及程序（部分PLC梯形图）
三、结束语
实际应用中PLC对模拟信号的采集处理是一个非常复杂的过程，特别是PID参数的整定要有较丰富的经验和扎实的理论功底，本文从PLC利用A/D扩展功能模块角度来对模拟量进行处理提供一种探索，还有众多不成熟之处请大家指正。另外本文在撰写过程中受到了顺德梁球琚中学韩亚兰校长的指导与帮助，还受到了中华工控网众多任务控高手们的指点，在此一并表示感谢！
参考文献
[1] 梁耀光 余文杰 电工新技术教程中国劳动社会保障出版社2007年5月第一版
[2] 孙振强 可编程控制器原理及应用教程 清华大学出版社2005年2月第一版
[3]张万忠 可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社2001年12月
[4]于庆广可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社 2004年8月
相关网站：http：//www.gkong.com/ 中華工控网 http：//www.yj.pte.sh.cn/ 研究性学习专题站