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(jī)上的應(yīng)用，并重點(diǎn)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(jī)；模擬量處理 一、引言 給粉機(jī)是一種機(jī)、電、水、氣一體化粉（粒）料定量分切式全自動(dòng)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(dá)到全自動(dòng)運(yùn)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(jī)的工作，還控制計(jì)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(jìn)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(jī)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(jī)工作時(shí)，通過粉位計(jì)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(shí)間后，打開淋水器側(cè)的水電磁閥，為送料作好準(zhǔn)備，再延遲一段時(shí)間，啟動(dòng)給粉機(jī)運(yùn)行。此時(shí)，給粉機(jī) 將藥液定量的連續(xù)的注進(jìn)稀釋罐，在稀釋罐中，有攪拌機(jī)不停的攪拌，攪拌均勻后待用。使用藥液時(shí)，用計(jì)量泵來運(yùn)送 ，從稀釋罐中注入到凝集罐一類的設(shè)備中。 ? 給粉機(jī)、水閥、氣閥、攪拌機(jī)、計(jì)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(gè)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(shí)，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(shí)，為L2液位，低于L2液位時(shí)，報(bào)警，不能啟動(dòng)計(jì)量泵。 · 液位距池底為120mm時(shí)，為L1液位，液位低于L1時(shí)要啟動(dòng)氣閥、水閥、給粉機(jī)，當(dāng)給粉機(jī)運(yùn)行時(shí)，攪拌機(jī)也要運(yùn)行。給粉機(jī)停止時(shí)，攪拌機(jī)也停止。 · 液位距池底為750mm時(shí)，為H1液位，高于H1液位，給粉機(jī)停。 · 液位距池底為850mm時(shí)，為H2液位，高于H2液位時(shí)，報(bào)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(shí)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(chǔ)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(shí)間存儲(chǔ)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(jiān)固，可以直接裝在電氣控制常用的35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上；本機(jī)帶有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，還可擴(kuò)展2個(gè)模塊，包括模擬量模塊；機(jī)內(nèi)有128個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)位，64個(gè)定時(shí)器，64個(gè)計(jì)數(shù)器，足夠編程人員使用；內(nèi)置24V直流電源，可供本機(jī)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(shí)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(gè)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(jī) 6ES7212 1BA01-0XB0 數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊? ? 6ES7222 1HF00-0XA0 模擬量輸入擴(kuò)展模塊 6ES7231 0HC00-0XA0 輸入輸出分配見表2。 輸入點(diǎn)地址 內(nèi)? 容 ? 輸出點(diǎn)地址 內(nèi)? 容 I0.0 給粉機(jī)自動(dòng) Q0.0 報(bào)警 I0.1 攪拌機(jī)自動(dòng) Q0.1 氣閥控制 I0.2 故障報(bào)警 Q0.2 水閥控制

6、I0.3 粉位計(jì)下限 Q0.3 給粉機(jī)控制 I0.4 計(jì)量泵自動(dòng) Q0.4 攪拌機(jī)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(jì)量泵控制 四、軟件編程和模擬量處理 各個(gè)開關(guān)量控制、定時(shí)、計(jì)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(diǎn)描述模擬量的處理問題。 作為一個(gè)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(jìn)到控制系統(tǒng)中，CPU通過模擬量擴(kuò)展模塊EM232讀取該值，并分析、處理該值，在幾個(gè)指定的液位

7、高度時(shí)，輸出信號去控制相應(yīng)設(shè)備或發(fā)出報(bào)警信號。和該模擬量有關(guān)的幾個(gè)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(dòng)情況，設(shè)定最大波動(dòng)在5mm（即增128個(gè)數(shù)），上升時(shí)取上限值，下降時(shí)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(shí)看

8、到，AIW0的后三位數(shù)字都在跳動(dòng)，這種情況無法參與控制。經(jīng)分析和試驗(yàn)，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(xì)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(shí)驗(yàn)：? （1）A_端獨(dú)立。 （2）A_接到M，而M又接地。 （3）A_接到M，而M不接地。 實(shí)驗(yàn)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(dú)立，因EM231是單端輸入，所以A如果懸空，信號沒有基準(zhǔn)，可能干擾大；第2種情況，A接M而又同時(shí)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(qiáng)電雜波信號都可以通過地線串進(jìn)來，使干擾增強(qiáng)；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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jì)算出的平均值輸出，去控制給粉機(jī)的運(yùn)行。即：由于S7-200的指令處理較快，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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(shí)間還在ms級，完全滿足實(shí)際要求。（實(shí)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(shí)，經(jīng)處理后的模擬量VW20中的值只是個(gè)位在跳變，且是一個(gè)一個(gè)跳變，通過調(diào)試證明，采集數(shù)據(jù)又提高了一個(gè)數(shù)量級。 五、結(jié)束語 在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)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(jī)，據(jù)說模擬量的隔離性能好于S7-21X系列，待下次選用時(shí)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(diǎn)數(shù),目的是為了提升計(jì)算精度，因?yàn)槲鏖T子不允許整型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，因此必須通過1，2步驟轉(zhuǎn)換。 3、將AC0-6400，因?yàn)?-20mA的采集在西門子200系列中是通過坐標(biāo)移動(dòng)進(jìn)行的，也就是因?yàn)閷τ?-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(biāo)的移動(dòng)。 4、然后除以（DIV_R）25600來得到輸入值占用整個(gè)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(gè)專題，供各位網(wǎng)友參考。 1、基本概念 我們生活在一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)是直觀、容易理解。在電動(dòng)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(jī)械式的電動(dòng)儀表。 2、標(biāo)準(zhǔn)信號 在電動(dòng)傳感器時(shí)代，中央控制成為可能，這就需要檢測信號的遠(yuǎn)距離傳送。但是紛繁復(fù)雜的物理量信號直接傳送會(huì)大大降低儀表的適用性。而且大多傳感器屬于弱信號型，遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)遷移以及增益調(diào)整，可以將標(biāo)準(zhǔn)信號準(zhǔn)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(jìn)

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(dòng)機(jī)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(huì)影響儀表的根本性質(zhì)，這就給儀表的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)際上是用純數(shù)學(xué)的方式對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行逆變換，成為大家習(xí)慣的物理量表達(dá)方式。這種變換就是依靠軟件做數(shù)學(xué)運(yùn)算。這些運(yùn)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)時(shí)物理量為X；標(biāo)準(zhǔn)電信號是B0－Bm，實(shí)時(shí)電信號為Y；A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值為C0-Cm，實(shí)時(shí)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(jì)算出來的X就可以在顯示器上直接表達(dá)為被檢測的物理量。 5、PLC中逆變換的計(jì)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(dá)為X=70*(Z-6400)/25600-10。經(jīng)過PLC的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。 在S7-200中，(Z-6400)/25600的計(jì)算結(jié)果是非常重要的數(shù)值。這是一個(gè)0－1.0（100％）的實(shí)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(shí)數(shù)，通過前面的計(jì)算式的反計(jì)算，可以轉(zhuǎn)換成6400－32000，送到D/A端口變成4－20mA輸出。