西門子S7-200 PLC模擬量的使用

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1、摘? 要：介紹S7-200 PLC在水處理設(shè)備給粉機上的應(yīng)用，并重點介紹模擬量的處理。以及模擬量的穩(wěn)定和抗干擾問題。 關(guān)鍵詞：可編程控制器；給粉機；模擬量處理 一、引言 給粉機是一種機、電、水、氣一體化粉（粒）料定量分切式全自動加藥裝置，它是現(xiàn)代科技發(fā)展新興的一種技術(shù)產(chǎn) 品。為達到全自動運轉(zhuǎn)，采用了PLC控制，通過檢測稀釋罐中的液位高低來控制給粉機的工作，還控制計量泵將稀釋罐中的液體藥液送到凝集罐中，凝集罐中已有液體是來自高速過濾器的反沖洗水，藥液使該反沖洗水的懸浮物凝集成大塊 狀絮凝物以便進行下一步的水處理工作。 二、控制內(nèi)容和要求 控制內(nèi)容和要求取決于工藝要求、資源、及可

2、操作性等。給粉機涉及到的工藝流程如圖1所示，首先將粉狀凝集助劑倒入料斗，給粉機工作時，通過粉位計檢測料斗中是否有料，如果有料，先將干燥空氣經(jīng)氣源三聯(lián)件和氣閥吹入出料 口，延遲一段時間后，打開淋水器側(cè)的水電磁閥，為送料作好準備，再延遲一段時間，啟動給粉機運行。此時，給粉機 將藥液定量的連續(xù)的注進稀釋罐，在稀釋罐中，有攪拌機不停的攪拌，攪拌均勻后待用。使用藥液時，用計量泵來運送 ，從稀釋罐中注入到凝集罐一類的設(shè)備中。 ? 給粉機、水閥、氣閥、攪拌機、計量泵的工作狀況都與稀釋罐中的液位密切相關(guān)，一般講，液位控制采用電極式的 開關(guān)量信號，將有關(guān)的4個位置的液位信號送到PLC中參與控制。但當(dāng)用戶的

3、液位檢測裝置是液位變送器時，就需采用模 擬量模塊，稀釋罐中的液位是通過液位變送器來檢測的，對應(yīng)一定的液位，送出4-20mA電流信號（4-20mA對應(yīng)著液位高度0-1M）。 · 液位距池底為120mm時，為L2液位，低于L2液位時，報警，不能啟動計量泵。 · 液位距池底為120mm時，為L1液位，液位低于L1時要啟動氣閥、水閥、給粉機，當(dāng)給粉機運行時，攪拌機也要運行。給粉機停止時，攪拌機也停止。 · 液位距池底為750mm時，為H1液位，高于H1液位，給粉機停。 · 液位距池底為850mm時，為H2液位，高于H2液位時，報警。 三、PLC選用和硬件配置 綜合上述情況考慮開

4、關(guān)量輸入輸出的數(shù)量，模擬量輸入，定時及連鎖等各方面情況，選用西門子S7-200系列可編程控制器，型號為CPU-212。這種PLC小型、緊湊，在CPU中配有1K的EEPROM，可永久性的存儲用戶程序和其他重要的系統(tǒng)參數(shù)；它還裝有大容量的電容器，供長時間存儲所有的數(shù)據(jù)，而不需要另外安裝后備電池；外形尺寸小巧，塑料外殼緊湊堅固，可以直接裝在電氣控制常用的35mm標準導(dǎo)軌上；本機帶有8個輸入點和6個輸出點，還可擴展2個模塊，包括模擬量模塊；機內(nèi)有128個內(nèi)部存儲位，64個定時器，64個計數(shù)器，足夠編程人員使用；內(nèi)置24V直流電源，可供本機數(shù)字量、模擬量的輸入使用，不必另設(shè)直流電源；指令執(zhí)行速度快，每條

5、指令執(zhí)行時間為1.3us；編程可用小型手持式編程器，方便現(xiàn)場調(diào)試，也可用個人PC，方便在研制場所編制程序及歸檔文件和打印輸出。 PLC配置見表1：? 表1 PLC配 置 主 機 6ES7212 1BA01-0XB0 數(shù)字量輸出擴展模塊? ? 6ES7222 1HF00-0XA0 模擬量輸入擴展模塊 6ES7231 0HC00-0XA0 輸入輸出分配見表2。 輸入點地址 內(nèi)? 容 ? 輸出點地址 內(nèi)? 容 I0.0 給粉機自動 Q0.0 報警 I0.1 攪拌機自動 Q0.1 氣閥控制 I0.2 故障報警 Q0.2 水閥控制

6、I0.3 粉位計下限 Q0.3 給粉機控制 I0.4 計量泵自動 Q0.4 攪拌機控制 AIW0 稀釋罐液位 Q1.0 稀釋罐液位H2 　 　 Q1.1 稀釋罐液位H1 　 　 Q1.2 　稀釋罐液位L2 　 　 Q1.3 計量泵控制 四、軟件編程和模擬量處理 各個開關(guān)量控制、定時、計數(shù)、連鎖等常規(guī)控制用順序控制方式編在主程序中，這里不贅述。下面重點描述模擬量的處理問題。 作為一個主要控制條件，稀釋罐液位，是通過液位傳感器送出4-20mA模擬信號進到控制系統(tǒng)中，CPU通過模擬量擴展模塊EM232讀取該值，并分析、處理該值，在幾個指定的液位

7、高度時，輸出信號去控制相應(yīng)設(shè)備或發(fā)出報警信號。和該模擬量有關(guān)的幾個基本數(shù)據(jù)： · 對于EM231和CPU212的規(guī)定，輸入0-20mA對應(yīng)數(shù)據(jù)為0-32000， 每1mA增量，數(shù)據(jù)為1600。 · 稀釋罐液位0-1000mm對應(yīng)著液位傳感器輸出4-20mA。液位增量62.5mm，輸出為1mA。 ? · 考慮到液位的波動情況，設(shè)定最大波動在5mm（即增128個數(shù)），上升時取上限值，下降時取下限值。 編好軟件后，輸入到PLC中，接上仿真開關(guān)、信號發(fā)生器等，開始調(diào)試程序。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，模擬量的輸入值變化太大，觀察AIW0，隨著信號源從4-20mA變化，應(yīng)該從0-32000變化，觀察時看

8、到，AIW0的后三位數(shù)字都在跳動，這種情況無法參與控制。經(jīng)分析和試驗，從硬件和軟件兩方面著手解決。 1、硬件接線 從S7-200的安裝手冊中可以看出，模擬量模塊A/D轉(zhuǎn)換間無隔離，這樣模塊本身抗干擾能力弱。但沒有該模塊的詳細電路，考慮從信號輸入端著手，如果輸入以參考端接到適當(dāng)位置，可以減小干擾。最后作了3種接法實驗：? （1）A_端獨立。 （2）A_接到M，而M又接地。 （3）A_接到M，而M不接地。 實驗比較以上3種情況后，發(fā)現(xiàn)第3種情況結(jié)果最好，如圖2所示。第1種情況，A獨立，因EM231是單端輸入，所以A如果懸空，信號沒有基準，可能干擾大；第2種情況，A接M而又同時接

9、地，但在這種水處理現(xiàn)場一般不設(shè)為儀表專做的地線，因而接地后，各種強電雜波信號都可以通過地線串進來，使干擾增強；第3種情況，A接M又不接地，形成了浮地輸入，這種接地常被稱為模擬地或小信號地，在一定情況下可以抑制某些干擾，實驗證明使用這種處理方法有一定效果。從編程器讀取AIW0值，基本上是后兩位數(shù)字在跳。由于EM231的數(shù)據(jù)位是12位，而AIW0取值范圍是0-32000，是16位，因此，在12位的8421碼中，最后一位的一次跳變就是8，這樣，后兩位在跳變也屬正常。 ? 圖2 EM231接線的改變 2、軟件編程 針對上述情況，從軟件入手，進一步調(diào)整了模擬量輸入的穩(wěn)定狀況。方法是從AI

10、W0取輸入值，求多次采樣的平均值 依據(jù)計算出的平均值輸出，去控制給粉機的運行。即：由于S7-200的指令處理較快，模數(shù)轉(zhuǎn)換時間也短，在幾十us，且模擬量讀數(shù)靈敏度較高，而在本控制系統(tǒng)中，對轉(zhuǎn)換時間要求不高，所以可以采用多次采樣的平均值方法，來處理輸入值。例如10次采樣值如下： 16848、16832、16808、16840、16864、16856、16872、16880、16824、16848，這些值最大為16800，最小為16808，差為72，如果10次采樣為128次，求平均值后放到VW20中，這樣VW20的每次讀取時間還在ms級，完全滿足實際要求。（實際觀察結(jié)果為AIW0的變化：16461

11、6-14672；VW20的變化：14647-14651）。經(jīng)過上述軟件的處理后，當(dāng)AIW0中的值在后兩位跳變時，經(jīng)處理后的模擬量VW20中的值只是個位在跳變，且是一個一個跳變，通過調(diào)試證明，采集數(shù)據(jù)又提高了一個數(shù)量級。 五、結(jié)束語 在實際使用中發(fā)現(xiàn)，這種機型的模擬量模塊的抗干擾性能還不盡人意，但最近，西門子公司又推出了S7-22X系列的小型機，據(jù)說模擬量的隔離性能好于S7-21X系列，待下次選用時在作了解。但軟件的這種處理模擬量輸入的方法完全可以采用。 1、將模擬量通道AIW0的數(shù)據(jù)通過I_DI指令轉(zhuǎn)換為DINT數(shù)據(jù)類型，并存放入AC0中 2、將AC0中的數(shù)據(jù)使用DI_R轉(zhuǎn)換

12、為浮點數(shù),目的是為了提升計算精度，因為西門子不允許整型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，因此必須通過1，2步驟轉(zhuǎn)換。 3、將AC0-6400，因為4-20mA的采集在西門子200系列中是通過坐標移動進行的，也就是因為對于0-20mA來說，西門子S7-200的采集數(shù)據(jù)在0-32000，也就是說每mA對應(yīng)的數(shù)值為32000/20=1600，那么4-20mA就是6400-32000，因此要將輸入值-6400來完成坐標的移動。 4、然后除以（DIV_R）25600來得到輸入值占用整個輸入范圍的百分比，32000-6400=25600，25600就是4-20mA對應(yīng)的輸入范圍。 5、然后通過乘以（MUL_R）

13、100，就得到了0-100的數(shù)據(jù)。 通過上述程序，將輸入的模擬量信號對應(yīng)的6400-32000之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0-100之間的數(shù)據(jù)，這樣做也稱為線性轉(zhuǎn)換。 工程量轉(zhuǎn)換的方法??? 經(jīng)常在論壇上看到網(wǎng)友提出工程量顯示的問題，想在此做個專題，供各位網(wǎng)友參考。 1、基本概念 我們生活在一個物質(zhì)的世界中。世間所有的物質(zhì)都包含了化學(xué)和物理特性，我們是通過對物質(zhì)的表觀性質(zhì)來了解和表述物質(zhì)的自有特性和運動特性。這些表觀性質(zhì)就是我們常說的質(zhì)量、溫度、速度、壓力、電壓、電流等用數(shù)學(xué)語言表述的物理量，在自控領(lǐng)域稱為工程量。這種表述的優(yōu)點是直觀、容易理解。在電動傳感技術(shù)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的檢測儀器

14、可以直接顯示被測量的物理量，其中也包括機械式的電動儀表。 2、標準信號 在電動傳感器時代，中央控制成為可能，這就需要檢測信號的遠距離傳送。但是紛繁復(fù)雜的物理量信號直接傳送會大大降低儀表的適用性。而且大多傳感器屬于弱信號型，遠距離傳送很容易出現(xiàn)衰減、干擾的問題。因此才出現(xiàn)了二次變送器和標準的電傳送信號。二次變送器的作用就是將傳感器的信號放大成為符合工業(yè)傳輸標準的電信號，如0－5V、0－10V或4－20mA（其中用得最多的是4－20mA）。而變送器通過對放大器電路的零點遷移以及增益調(diào)整，可以將標準信號準確的對應(yīng)于物理量的被檢測范圍，如0－100℃或-10－100℃等等。這是用硬件電路對物理量進

15、行數(shù)學(xué)變換。中央控制室的儀表將這些電信號驅(qū)動機械式的電壓表、電流表就能顯示被測的物理量。對于不同的量程范圍，只要更換指針后面的刻度盤就可以了。更換刻度盤不會影響儀表的根本性質(zhì)，這就給儀表的標準化、通用性和規(guī)?；a(chǎn)帶來的無可限量的好處。 3、數(shù)字化儀表 到了數(shù)字化時代，指針式顯示表變成了更直觀、更精確的數(shù)字顯示方式。在數(shù)字化儀表中，這種顯示方式實際上是用純數(shù)學(xué)的方式對標準信號進行逆變換，成為大家習(xí)慣的物理量表達方式。這種變換就是依靠軟件做數(shù)學(xué)運算。這些運算可能是線性方程，也可能是非線性方程，現(xiàn)在的電腦對這些運算是易如反掌。 4、信號變換中的數(shù)學(xué)問題 信號的變換需要經(jīng)過以下過程：物理量－

16、傳感器信號－標準電信號－A/D轉(zhuǎn)換－數(shù)值顯示。 聲明：為簡單起見，我們在此討論的是線性的信號變換。同時略過傳感器的信號變換過程。 假定物理量為A，范圍即為A0－Am，實時物理量為X；標準電信號是B0－Bm，實時電信號為Y；A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值為C0-Cm，實時數(shù)值為Z。 如此，B0對應(yīng)于A0，Bm對應(yīng)于Am，Y對應(yīng)于X，及Y=f(X)。由于是線性關(guān)系，得出方程式為Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。又由于是線性關(guān)系，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)學(xué)方程Z=f(X)可以表示為Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。那么就很容易得出逆變換的數(shù)學(xué)方程為X=(Am-A0)*(

17、Z-C0)/(Cm-C0)+A0。方程中計算出來的X就可以在顯示器上直接表達為被檢測的物理量。 5、PLC中逆變換的計算方法 以S7-200和4－20mA為例，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，我們得到的數(shù)值是6400－32000，及C0=6400，Cm=32000。于是，X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0。 例如某溫度傳感器和變送器檢測的是-10－60℃，用上述的方程表達為X=70*(Z-6400)/25600-10。經(jīng)過PLC的數(shù)學(xué)運算指令計算后，HMI可以從結(jié)果寄存器中讀取并直接顯示為工程量。 用同樣的原理，我們可以在HMI上輸入工程量，然后由軟件轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)使用的標準化數(shù)值。 在S7-200中，(Z-6400)/25600的計算結(jié)果是非常重要的數(shù)值。這是一個0－1.0（100％）的實數(shù)，可以直接送到PID指令（不是指令向?qū)В┑臋z測值輸入端。PID指令輸出的也是0－1.0的實數(shù)，通過前面的計算式的反計算，可以轉(zhuǎn)換成6400－32000，送到D/A端口變成4－20mA輸出。