基于西门子S7-1200PLC模拟量测温案例

一、任务目标




此应用案例是一个功能指令的实例，通过运用功能指令，我们能够更加明确地构建编程逻辑。此次任务特别采用了标准化和缩放这两个指令，它们在编程实践中具有广泛的应用场景。除了对指令的深入解读外，这个任务还触及了模拟量的相关知识，进一步丰富了PLC编程学习的内涵。


本项任务旨在使读者深入理解和把握以下关键内容：
1、模拟量与数字量之间的密切联系与相互作用。
2、温度传感器接线的正确方法与技巧。
3、模拟量如何有效转换为实际物理量的过程。
4、标准化指令与缩放指令的具体运用及其重要性。




二、任务描述




如图3-5-1所示，这款温度传感器被用于采集车间内的温度数据。传感器的工作电压范围为DC0-10V，它会将测得的温度数据转化为相应的电压信号，并将这些信号反馈给PLC（可编程逻辑控制器）。PLC接收到这些电压信号后，会依据预设的算法进行计算，从而得出实际的温度值。这些计算后的温度数据进而可以被传送到HMI（人机界面）上进行显示，使得操作人员能够直观地了解车间内的实时温度情况。

图3-5-1 温度采集示意图



三、相关知识




本案例涵盖了一系列重要的知识点，其中包括：
1、模拟量的基本概念：了解模拟量在控制系统中的作用及其特性，这是理解传感器信号如何被处理的基础。
2、模拟量与数字量的基本转换关系：掌握模拟信号如何被转换为数字信号以便在PLC中进行处理，以及数字信号如何再转换回模拟量以供显示或进一步应用。
3、温度传感器的接线方法：熟悉温度传感器的接线方式，确保传感器能够正确地将温度信息转化为电信号并传输给PLC。
4、编程中标准化及缩放指令的使用：这是本案例的关键部分。需要掌握标准化指令和缩放指令在编程中的应用，以便将传感器传来的模拟量信号转换为实际的温度值，并能在HMI上准确显示。这些指令的熟练使用对于实现精确的温度控制和监测至关重要。
通过深入学习和理解这些知识点，读者将能够更好地应用温度传感器和PLC进行温度监测和控制，提升系统的准确性和可靠性。


01


模拟量控制简介

（1）在工业控制领域，诸如温度、压力、液位和流量等输入量，它们的特性是连续变化的，这样的信号被称为模拟量信号。与此同时，一些被控对象也需要通过模拟信号来进行精确的控制。因此，对于PLC而言，具备处理这些模拟信号的能力是至关重要的。
然而，值得注意的是，PLC内部实际执行的都是数字量的计算和处理。这意味着，当PLC需要与外部的模拟量信号进行交互时，需要进行一系列的转换工作。具体来说，这些转换任务主要分为两大类：
首先是A/D转换，即将模拟量转换为数字量。这一转换过程是为了让PLC能够识别和处理模拟信号所携带的信息。通过A/D转换器，PLC可以将传感器等设备输出的连续变化的模拟量信号转化为离散的数字量数据，从而能够在其内部进行计算和逻辑判断。
其次是D/A转换，即将数字量转换为模拟量。当PLC需要向被控对象输出控制信号时，由于被控对象往往需要的是模拟信号，因此PLC需要通过D/A转换器将内部的数字量数据转换回模拟量信号。这样，被控对象就能够根据这些模拟信号进行精确的动作或调整。
通过完成这两方面的转换任务，PLC不仅能够接收并处理来自外部设备的模拟量信号，还能够向被控对象输出精确的模拟控制信号，从而实现了对工业过程的精准控制。


（2）模拟量处理过程如图3-5-2所示。这个过程主要分为以下几个阶段：

图3-5-2 模拟量处理过程


①模拟量信号的采集，由传感器来完成。传感器将非电信号（如温度、压力、液位等）转换成电信号。


注意：此时的信号为非标准信号。


②模拟量信号的采集，是模拟量处理流程的首要步骤，这一任务主要由传感器来完成。传感器作为感知外界物理量的设备，其核心功能是将非电信号（如温度、压力、液位等）转换成电信号。这些电信号通常是连续的模拟量，能够准确反映物理量的实时状态。在转换过程中，传感器根据物理量的变化调整其输出的电信号，确保信号的准确性和可靠性。通过模拟量信号的采集，我们得以将实际的物理量信息引入到控制系统中，为后续的处理和控制提供了基础数据。


③A/D转换是模拟量输入扩展模块的一个关键功能，其主要作用是将变送器输出的标准模拟信号转换为数字量信号。在这个过程中，模拟量输入扩展模块首先对接收到的模拟信号进行采样和保持，以确保信号的稳定性和准确性。随后，模块对这些模拟信号进行量化，将其转换为离散的数字量值。最后，这些数字量信号可以被计算机或其他数字系统进一步处理和分析。
变送器在这个过程中起到了至关重要的作用，它将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出，以便模拟量输入扩展模块能够对其进行处理。这种转换使得原本难以被数字系统直接处理的模拟信号能够被有效地利用，从而实现了模拟信号与数字系统之间的无缝对接。
因此，A/D转换是连接模拟世界和数字世界的桥梁，它使得模拟信号能够在数字系统中得到高效、准确的处理和应用。


02


温度传感器接线

（1）变送器信号的选择：
①电压型变送器在早期被广泛使用，其特点是将测量信号转换成0-5V或0-10V的电压输出，这种输出方式是由运算放大器直接产生的，信号功率相对较小，通常小于0.05W。转换后的电压信号通过A/D转换电路进一步转换为数字信号，以供如S7-1200 PLC这样的控制系统读取和控制。
然而，电压型变送器在特定应用场合下存在明显的局限性。当信号需要远距离传输时，电压信号的抗干扰能力较差，容易受到外部环境的干扰，特别是电网干扰较大的情况下。此外，由于线路损耗的影响，电压信号的精度可能会降低，这在某些对精度要求较高的应用中是不可接受的。
因此，虽然电压型变送器在某些短距离传输或干扰较小的场合下仍然适用，但在需要远距离传输或强干扰环境下的应用中，通常需要考虑其他类型的变送器，如电流输出型变送器，它们通常具有更好的抗干扰能力和精度稳定性。
综上所述，电压型变送器适用于短距离传输且干扰较小的场合，而在其他应用场合下，需要谨慎评估其适用性，并根据实际需求选择合适的变送器类型。


②选用电流型变送器进行远距离传输是一个明智的选择。当现场与控制室之间的距离较远，且连接电线的电阻较大时，电压信号在传输过程中会受到电线电阻和接收仪表输入电阻的分压影响，从而产生较大的误差。相比之下，电流型变送器采用恒电流信号进行远传，具有显著的优势。
在恒电流传输系统中，只要传送回路不出现分支，回路中的电流将保持恒定，不会随电线长度的变化而改变。这种特性确保了信号在远距离传输过程中的稳定性和精度，有效避免了因电线电阻导致的误差问题。
因此，在需要远距离传输信号的场合，如工业自动化、电力系统监测等领域，电流型变送器通常是首选。它们能够准确、可靠地将现场信号传输到控制室，为实时监测和控制提供有力的支持。
需要注意的是，在选择电流型变送器时，还需要考虑其他因素，如量程、精度、输出信号类型、工作环境等，以确保其能够满足实际应用的需求。同时，在安装和使用过程中，也需遵循相关规范和标准，以确保其正常运行和长期稳定性。


（2）温度变送器及传感器，如图3-5-3：

图3-5-3 温度变送器及传感器器


（3）变送器的类型及接线
变送器的线制分类——四线制、三线制和二线制，主要是基于传感器或仪表变送器是否需要外供电源来区分的，而不是单纯地指模块需要多少根线或变送器有多少根输出信号线。下面我将详细介绍这三种线制的特点以及三线制电压型变送器的接线方法。
首先，四线制变送器将电源线和信号线分开，分为两组线路进行连接。这种设计使得电源线和信号线之间不存在相互干扰的情况，确保了信号的稳定性和准确性。
其次，三线制变送器则采用三条线进行连接，其中两条线是电源线，另一条是信号线。变送器内部有同一电源和信号分离的电路，从而实现了电源和信号的独立工作。这种设计在减小变送器体积和重量、提高抗干扰性能以及简化接线方面具有一定的优势。
最后，二线制变送器仅使用两条导线连接至现场传感器和控制室仪表，且变送器自身不带电源。它采用额外的电源回路通过传感器的信号来为变送器供电，这种设计使得二线制变送器具有更简单的接线方式和更低的成本。
关于三线制电压型变送器的接线方法，通常涉及电源正端、信号输出正端以及电源负端和信号负端的共用线。具体接线时，需要根据变送器的规格和接线图进行操作，确保电源和信号的正确连接。同时，还需要注意接线的牢固性和绝缘性，以防止因接线不良导致的故障或安全事故。
总结来说，不同线制的变送器具有各自的特点和适用场景。在选择变送器时，需要根据实际需求和现场条件进行综合考虑。同时，在接线过程中，也需要遵循相关的操作规程和安全标准，以确保变送器的正常运行和系统的稳定性。

图3-5-4 温度变送器接线


03


模拟量与数字量的转换

在实际的工程项目中，处理温度、压力、流量等模拟量信号是非常关键的环节。这些模拟量信号往往需要通过传感器进行采集，然后经过A/D转换器转换成数字信号，才能被计算机或控制系统进行进一步的处理和分析。编写模拟量程序的主要目的就是将这些模拟量信号转换成对应的数字量，并进一步将这些数字量转换成具有实际物理意义的工程量（如真实的温度值、压力值或流量值）。这样，控制系统就能够根据这些工程量进行实时的监测、控制或决策。


模拟量转换为工程量分为单极性和双极性两种。双极性的-27648对应工程量的最小值，27648对应工程量的最大值。


单极性模拟量分为两种，即4-20mA和0-10V、0-20mA。


（1）第一种为4-20mA,是带有偏移量的。
因为4mA为总量的20%，而20mA转换为数字量为27648，所以4mA对应的数字量为5530。模拟量转换为数字量是S7-1200PLC完成的，读者要在程序中将这些数值转换为工程量。


（2）第二种是没有偏移量的
没有偏移量的是如0-10V、0-20mA等模拟量，27648对应最大工程量，0对应工程量的最小值。


（3）模拟量信号（0-10V、0-5V或0-20mA）在S7-1200PLC CPU内部用0-27648的数值表示（4-20mA对应5530-27648），这两者之间有一定的数学关系，如图3-5-5

图3-5-5 模拟量信号与数字量曲线


04


标准化指令和缩放指令

（1）标准化指令（NORM_X）
NORM_X指令：使用“NORM_X”指令，可将输入VALUE中变量的值映射到线性标尺对其标准化。使用参数MIN和MAX定义输入VALUE值范围的限值：

LAD	参数	数据类型	说明
	EN	BOOL	允许输入
	ENO	BOOL	允许输出
	MIN	整数、浮点数	取值范围的下限
	VALUE	整数、浮点数	要标准化的值
	MAX	整数、浮点数	取值范围的上限
	OUT	浮点数	标准化结果

注意：可以从指令框“<???>”下拉列表中选择该指令的数据类型。


标准化指令的计算公式是：OUT= (VALUE - MIN) / (MAX - MIN)，其中 (0.0 <= OUT <= 1.0)，计算原理如图3-5-6

图3-5-6 标准化指令公式对应计算原理图


用一个例子来说明标准化指令（NORM_X）的使用，梯形图如图3-5-7所示：
当I0.0闭合激活标准化指令，要标准化的VALUE存储在MW10中，VALUE的范围是0-27648，将VALUE标准化的输出范围是0.0-1.0。假设MW10中是13824，那么MD12中的标准化的结果是0.5。

图3-5-7 标准化指令示例


（2）缩放指令（SCALE_X）
SCALE_X指令：使用“SCALE_X”指令，可将输入VALUE的值映射到指定的值范围来对其缩放。当执行缩放指令时，输入VALUE的浮点值会缩放到有参数MIN和MAX定义的值范围。缩放结果为整数，存储在OUT输出中。缩放指令参数见下表：

LAD	参数	数据类型	说明
	EN	BOOL	允许输入
	ENO	BOOL	允许输出
	MIN	整数、浮点数	取值范围的下限
	VALUE	整数、浮点数	要标准化的值
	MAX	整数、浮点数	取值范围的上限
	OUT	浮点数	标准化结果

注意：可以从指令框“<???>”下拉列表中选择该指令的数据类型。


缩放指令的计算公式是：OUT= VALUE (MAX - MIN) + MIN，其中 (0.0 <= VALUE <= 1.0)，计算原理如图3-5-8；


用一个例子来说明标准化指令（NORM_X）的使用，梯形图如图3-5-8所示，当I0.0闭合激活标准化指令，要标准化的VALUE存储在MD16中，VALUE的范围是0-27648，将VALUE标准化的输出范围是0-27648。假设MD10中是0.5，那么MW20中的标准化的结果是13824。

图3-5-8 缩放指令示例



四、任务实施




本任务的实施步骤主要分为PLC接线、IO地址分配以及程序设计思路：


01


IO地址分配

输入地址	说明	温度显示地址	说明
IW64	模拟量输入	MD24	温度显示

02


程序设计思路

1）使用标准化指令，把采集过来的模拟量值进行标准化，标准化后的范围值在0.0-1.0之间。


2）再使用缩放指令，把标准化后的数值进行缩放，缩放后的范围值在温度传感器量程（-50.0-200.0℃）范围之间。


03


程序设计

五、经验与总结


1、模拟量与数字量之间的关系：
模拟量通常是连续变化的物理量，如温度、压力、流量等。而数字量则是离散的数值，通常由模拟信号经过A/D转换器转换得到。理解这两者之间的关系是进行模拟量换算的基础。在换算过程中，通常需要将模拟量信号转换为数字量，然后再根据实际需求将数字量转换回对应的物理量。


2、标准化和缩放指令：
标准化和缩放是处理模拟量信号的常用方法。标准化通常用于将信号转换到一个标准的范围（如0-1），而缩放则是将信号转换到特定的工程范围。在编程时，需要根据传感器的量程和输出特性来设置这些指令的参数，以确保换算的准确性。


3、量程与数值填写：
在编写换算程序时，量程和数值的填写至关重要。例如，对于温度传感器，如果其量程为-50℃-200℃，那么在缩放指令中就需要正确地设置这些数值。任何错误都可能导致换算结果的偏差。


4、带参数子程序：
当现场有多个相同类型的传感器时，使用带参数子程序确实是一个方便的方法。通过子程序，可以编写一个通用的换算程序，然后通过传递不同的参数来处理不同的传感器信号。这不仅可以提高编程效率，还可以减少错误和维护工作量。


5、4-20mA电流输出传感器：
对于4-20mA电流输出的传感器，其标准化和缩放的处理方式与电压输出传感器有所不同。在标准化指令中，MIN管脚填写的数值通常不是0，而是根据A/D转换器的输入范围和电流信号的关系计算得出的。例如，在某些系统中，4mA可能对应于某个特定的数字值（如5530），而20mA对应于另一个数字值。因此，在编写程序时，需要查阅相关的技术文档或手册来确定正确的数值。


综上所述，处理模拟量信号是一个复杂但重要的任务，需要深入理解模拟量与数字量之间的关系，并正确应用各种指令和换算方法。通过仔细编写和测试程序，可以确保系统的准确性和可靠性。


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