基于西門子1200PLC模擬量測溫案例解讀

一、任務(wù)目標(biāo)

該任務(wù)是功能指令應(yīng)用案例，使用功能指令有助于我們理清編程思路。本任務(wù)使用了標(biāo)準(zhǔn)化及縮放指令，在實際應(yīng)用中這兩個指令應(yīng)用非常廣泛。本任務(wù)除了指令的解讀之外，還涉及模擬量相關(guān)知識。

本任務(wù)要求讀者掌握以下幾個內(nèi)容：

1.模擬量與數(shù)字量的關(guān)系

2.溫度傳感器的接線

3.模擬量與實際物理量的轉(zhuǎn)換

4.標(biāo)準(zhǔn)化指令和縮放指令的使用

二、任務(wù)描述

如圖3-5-1所示此溫度傳感器可采集車間溫度，傳感器（DC0-10V）把測量的數(shù)據(jù)反饋給PLC，PLC可通過計算得到實際的溫度值，以便于在HMI上顯示：

圖3-5-1 溫度采集示意圖

三、相關(guān)知識

本案例需要了解的知識有模擬量的概念;模擬量與數(shù)字量的基本轉(zhuǎn)換關(guān)系；溫度傳感器的接線；涉及編程主要掌握的是標(biāo)準(zhǔn)化及縮放指令的使用。

01 模擬量控制簡介

（1）在工業(yè)控制中，某些輸入量（溫度、壓力、液位、流量等）是連續(xù)變化的模擬量信號，某些被控對象也需模擬信號控制，因此要求PLC有處理模擬信號的能力。PLC內(nèi)部執(zhí)行的均為數(shù)字量，因此模擬量處理需要完成有兩方面任務(wù)：一是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（A/D轉(zhuǎn)換）；二是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量（D/A轉(zhuǎn)換）。

（2）模擬量處理過程如圖3-5-2所示。這個過程主要分為以下幾個階段：

圖3-5-2 模擬量處理過程

①模擬量信號的采集，由傳感器來完成。傳感器將非電信號（如溫度、壓力、液位等）轉(zhuǎn)換成電信號。

注意：此時的信號為非標(biāo)準(zhǔn)信號。

②非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，此項任務(wù)由變送器來完成。傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)電信號輸送給變送器，經(jīng)變送器將非標(biāo)準(zhǔn)電信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)信號分為電壓型和電流型兩種類型。電壓型的標(biāo)準(zhǔn)信號DC0-10V和0-5V等；電流型的標(biāo)準(zhǔn)型號為DC0-20MA和DC4-20MA。

③A/D轉(zhuǎn)換。變送器將其輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號傳送給模擬量輸入擴(kuò)展模塊后，模擬量輸入擴(kuò)展模塊將模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號。

02 溫度傳感器接線

（1）變送器信號的選擇：

①電壓型變送器的選用：早期的變送器大多為電壓輸出型，即測量信號轉(zhuǎn)換成0-5V或0-10V電壓輸出。這是運(yùn)算放大器直接輸出，信號功率小于0.05W，通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供S7-1200PLC讀取、控制。但在信號需要遠(yuǎn)距離傳輸或使用環(huán)境中電網(wǎng)干擾較大的場合，電壓輸出型變送器的使用受到了極大限制，暴露了抗干擾能力較差、線路損耗導(dǎo)致精度降低等缺點；所以電壓信號一般只使用與短距離傳輸。

②電流型變送的選用：當(dāng)現(xiàn)場與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大時，如果用電壓信號遠(yuǎn)傳，電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒電流信號遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流將不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度；所以一般遠(yuǎn)距離傳輸用的都是電流信號。

（2）溫度變送器及傳感器，如圖3-5-3：

圖3-5-3 溫度變送器及傳感器器

（3）變送器的類型及接線

變送器分為四線制、三線制、二線制接線法。這里討論的“線制”，是以傳感器或儀表變送器是否需要外供電源來區(qū)別的，而并不是指模塊需要幾根線或該變送器有幾根輸出信號線。以下介紹三線制電壓型變送器接線方法如圖3-5-4：

圖3-5-4 溫度變送器接線

03 模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

在實際的工程項目中，讀者往往采集溫度、壓力、流量等信號，那么在程序中如何處理這些模擬量信號呢？換句話說編寫模擬量程序的目的是什么呢？編寫模擬量程序的目的是將模擬量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量，最終將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成工程量（物理量）。

模擬量轉(zhuǎn)換為工程量分為單極性和雙極性兩種。雙極性的-27648對應(yīng)工程量的最小值，27648對應(yīng)工程量的最大值。

單極性模擬量分為兩種，即4-20mA和0-10V、0-20mA。

（1）第一種為4-20mA,是帶有偏移量的。

因為4mA為總量的20%，而20mA轉(zhuǎn)換為數(shù)字量為27648，所以4mA對應(yīng)的數(shù)字量為5530。模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量是S7-1200PLC完成的，讀者要在程序中將這些數(shù)值轉(zhuǎn)換為工程量。

（2）第二種是沒有偏移量的

沒有偏移量的是如0-10V、0-20mA等模擬量，27648對應(yīng)最大工程量，0對應(yīng)工程量的最小值。

（3）模擬量信號（0-10V、0-5V或0-20mA）在S7-1200PLC CPU內(nèi)部用0-27648的數(shù)值表示（4-20mA對應(yīng)5530-27648），這兩者之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖3-5-5

圖3-5-5 模擬量信號與數(shù)字量曲線

04 標(biāo)準(zhǔn)化指令和縮放指令

（1）標(biāo)準(zhǔn)化指令（NORM_X）

NORM_X指令：使用“NORM_X”指令，可將輸入VALUE中變量的值映射到線性標(biāo)尺對其標(biāo)準(zhǔn)化。使用參數(shù)MIN和MAX定義輸入VALUE值范圍的限值：

LAD	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	說明
	EN	BOOL	允許輸入
	ENO	BOOL	允許輸出
	MIN	整數(shù)、浮點數(shù)	取值范圍的下限
	VALUE	整數(shù)、浮點數(shù)	要標(biāo)準(zhǔn)化的值
	MAX	整數(shù)、浮點數(shù)	取值范圍的上限
	OUT	浮點數(shù)	標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

注意：可以從指令框“”下拉列表中選擇該指令的數(shù)據(jù)類型。

標(biāo)準(zhǔn)化指令的計算公式是：OUT= (VALUE - MIN) / (MAX - MIN)，其中 (0.0 <= OUT <= 1.0)，計算原理如圖3-5-6

圖3-5-6 標(biāo)準(zhǔn)化指令公式對應(yīng)計算原理圖

用一個例子來說明標(biāo)準(zhǔn)化指令（NORM_X）的使用，梯形圖如圖3-5-7所示：

當(dāng)I0.0閉合激活標(biāo)準(zhǔn)化指令，要標(biāo)準(zhǔn)化的VALUE存儲在MW10中，VALUE的范圍是0-27648，將VALUE標(biāo)準(zhǔn)化的輸出范圍是0.0-1.0。假設(shè)MW10中是13824，那么MD12中的標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果是0.5。

圖3-5-7 標(biāo)準(zhǔn)化指令示例

（2）縮放指令（SCALE_X）

SCALE_X指令：使用“SCALE_X”指令，可將輸入VALUE的值映射到指定的值范圍來對其縮放。當(dāng)執(zhí)行縮放指令時，輸入VALUE的浮點值會縮放到有參數(shù)MIN和MAX定義的值范圍?？s放結(jié)果為整數(shù)，存儲在OUT輸出中?？s放指令參數(shù)見下表：

注意：可以從指令框“”下拉列表中選擇該指令的數(shù)據(jù)類型。

縮放指令的計算公式是：OUT= VALUE (MAX - MIN) + MIN，其中 (0.0 <= VALUE <= 1.0)，計算原理如圖3-5-8；

用一個例子來說明標(biāo)準(zhǔn)化指令（NORM_X）的使用，梯形圖如圖3-5-8所示，當(dāng)I0.0閉合激活標(biāo)準(zhǔn)化指令，要標(biāo)準(zhǔn)化的VALUE存儲在MD16中，VALUE的范圍是0-27648，將VALUE標(biāo)準(zhǔn)化的輸出范圍是0-27648。假設(shè)MD10中是0.5，那么MW20中的標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果是13824。

圖3-5-8 縮放指令示例

四、任務(wù)實施

本任務(wù)的實施步驟主要分為PLC接線、IO地址分配以及程序設(shè)計思路：

01 IO地址分配

02 程序設(shè)計思路

1）使用標(biāo)準(zhǔn)化指令，把采集過來的模擬量值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的范圍值在0.0-1.0之間。

2）再使用縮放指令，把標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值進(jìn)行縮放，縮放后的范圍值在溫度傳感器量程（-50.0-200.0℃）范圍之間。

03 程序設(shè)計

五、經(jīng)驗與總結(jié)

1、模擬量的換算，主要是要理解模擬量與數(shù)字量之間的關(guān)系。

2、在本任務(wù)中，主要使用的是標(biāo)準(zhǔn)化和縮放指令進(jìn)行模擬量采集換算，換算的時候要注意數(shù)字量及工程量數(shù)值的填寫，以免換算錯誤。

3、在上述例子中，溫度傳感器的量程為-50℃-200℃，所以在縮放指令中需要正確填寫數(shù)值。

4、如果現(xiàn)場有多個溫度傳感器，可以使用帶參數(shù)子程序的方式編寫更加方便。

5、如果現(xiàn)場的傳感器是4-20mA電流輸出的，那么在標(biāo)準(zhǔn)化指令中的MIN管腳填寫的數(shù)值應(yīng)該是5530，而不是0。

審核編輯：劉清