西门子S7-200 SMART PLC ——模拟量控制概述&空气压缩机改造项目

5.1 模拟量控制概述

5.1.1 模拟量控制简介

(1)模拟量控制简介

在工业控制中，某些输入量(温度、压力、液位和流量等)是连续变化的模拟量信号，某些被控对象也需模拟信号控制，因此要求PLC有处理模拟信号的能力。

PLC 内部执行的均为数字量，因此模拟量处理需要完成有两方面任务:一是将模拟量转换成数字量(A/D 转换);二是将数字量转换为模拟量(D/A转换)。

(2)模拟量处理过程

模拟量处理过程如图5-1所示。这个过程分为以下几个阶段。



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、液位和流量等)转化为电信号。注意此时的电信号为非标准信号。

②非标准电信号转化为标准电信号，此项任务由变送器来完成。传感器输出的非标准电信号输送给变送器，经变送器将非标准电信号转化为标准电信号。根据国际标准，标准信号分为电压型和电流型两种类型。电压型的标准信号为DC 1~5V;电流型的标准信号为DC 4~20mA。

③ A/D转换和D/A转换。变送器将其输出的标准信号传送给模拟量输入扩展模块后，模拟量输入扩展模块将模拟量信号转化为数字量信号，PLC经过运算，其输出结果或直接驱动输出继电器，从而驱动开关量负载;或经模拟量输出模块实现D/A转换后，输出模拟量信号控制模拟量负载。

5.1.2 模块扩展连接

S7-200SMART PLC本机有一定数量的I/O点，其地址分配也是固定的。当I/O点数不够时，通过连接I/O扩展模块或安装信号板，可以实现I/O点数的扩展。扩展模块一般安装在本机的右端，最多可以扩展6个扩展模块;扩展模块可以分为数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻输入模块和热电偶输入模块。

扩展模块的地址分配由I/O模块的类型和模块在I/O链中的位置决定。数字量I/O模块的地址以字节为单位，某些CPU和信号板的数字量I/O点数如不是8的整数倍，最后一个字节中未用的位不会分配给I/O 链中的后续模块。

CPU、信号板和各扩展模块的连接及起始地址分配，如图5-2所示。用系统块组态硬件时，编程软件STEP 7-Micro/WIN SMART会自动分配各模块和信号板的地址，本书在2.2.2 节硬件组态中有详细阐述，这里不再赘述。



5.3 空气压缩机改造项目

5.3.1 控制要求

某工厂有3台空气压缩机，为了增加压缩空气的储存量，现增加一个大的储气罐，因此需对原有3台独立空气压缩机进行改造，空气压缩机改造装置图，如图5-16所示。具体控制要求如下。



①气压低于 0.4MP，3台空气压缩机工作。

②气压高于0.8MP，3台空气压缩机停止工作。

③3台空压机要求分时启动。

④为了生产女全，必须有报置。一旦出现故障，要求立即报警，报警分为高报警和低低报警，高高报警时，要求3台空压机立即断电停止工作。

5.3.2 设计过程

(1)设计方案

本项目采用CPU SR20模块进行控制;现场压力信号由压力变送器采集;报警电路采用电接点式压力表十蜂鸣器。

(2)硬件设计

本项目硬件设计包括以下几部分。

①3台空气压缩机主电路设计。

②PLC 供电及控制设计。

③模拟量信号采集、空气压缩机状态指示及报警电路设计。

以上各部分的相应图纸如图5-17 (a)~(c)所示。



(3)程序设计

明确控制要求后，确定I/O 端子，如表5-5 所示。







②空气压缩机硬件组态，如图5-18所示。



③空气压缩机梯形图程序，如图5-19所示。





④空气压缩机编程思路及程序解析:本程序主要分为模拟量信号采集程序，空压机分时启动程序和压力比较程序3大部分。

本例中，压力变送器输出信号为4~20mA，对应压力为0~1MPa;当AIW16<5530，此时信号输出小于4mA，采集结果无意义，故有模拟量采集清零程序。当AIW16>5530，采集结果有意义。模拟量信号采集程序的编写先将数据类型由字转换为实数，这样得到的结果更精确;接下来，找到实际压力与数字量转换之间的比例关系，是编写模拟量程序的关键，其比例关系为P=(AIW16-5530)/(27648-5530)，压力的单位这里取 MPa。用PLC指令表达出压力P与AIW16(现在的AIW16中的数值以实数形式存在VD40 中)之间的关系，即P=(VD40-5530)/(27648-5530)，因此模拟量信号采集程序用 SUB-R指令表达出(VD40-5530.0)作表达式的分子，用SUB-R 指令表达出(27648.0-5530.0)作表达式的分母，此时得到的结果为MPa，再将MPa转换为kPa，故用MUL-R 指令表达出VD50X1000.0，这样得到的结果更精确，便于调试。

空气压缩机分时启动程序采用定时电路，当定时器定时时间到后，激活下一个线圈同时将此定时器断电。

压力比较程序、当模拟量采集值低于350<P<400kPa时，启保停电路重新得电，中间编程元件M0.0得电，Q0.0~Q0.2分时得电;当压力大于800kPa时，启保停电路断电，Q0.0~Q0.2同时断电。

重点提示:

模拟量编程的注意点如下。

①找到实际物理量与对应数字量的关系是编程的关键，之后用 PLC功能指令表达出这个关系即可。

②硬件组态输入输出地址编号是软件自动生成的，需严格遵照此编号，不可自己随便编号，否则编程会出现错误，如本例中，模拟量通道的地址就为AIW16，而不是AWI0.

③S7-200 SMART PLC 编程软件比较智能，模拟量模块组态时有超出上限、超出下限及断线报警，若模拟量通道红灯不停闪烁，需考虑以上两点。