侯肖霞， 張俊霞， 侯立峰

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,河北 石家莊 050081)

PLC是在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中廣泛使用的一種控制器.其中西門子公司的S7-200系列是典型代表，其在軟件方面強(qiáng)大的指令集，硬件方面緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、良好的拓展性能，成本方面低廉的價(jià)格，超長的使用壽命以及方便的操作性能成為應(yīng)用者的首選[1].S7-200系列PLC的核心部件是單獨(dú)的S7-200 CPU控制主機(jī)，通過配合不同的功能模塊可以靈活拓展出不同的功能，同時(shí)可以根據(jù)控制要求組成不同規(guī)模的控制系統(tǒng)[2].

在實(shí)際生產(chǎn)中存在著大量需要檢測(cè)的信號(hào)，其中很大一部分為模擬信號(hào)，如溫度、壓力、液位、濕度、流量等.而在PLC的CPU內(nèi)部，運(yùn)算過程只能以數(shù)字量的形式進(jìn)行.只有將生產(chǎn)過程中檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能通過PLC進(jìn)行處理，從而完成自動(dòng)控制過程.本文以S7-200PLC模擬量模塊為例，對(duì)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了詳細(xì)分析.

1 S7-200PLC模擬量模塊

為了滿足控制系統(tǒng)中對(duì)各種模擬量的處理需求，在拓展模塊中設(shè)計(jì)了專門處理模擬量信息的模擬量輸入/輸出模塊.S7-200PLC有兩種模擬量輸入模塊，分別是模擬量輸入模塊以及模擬量輸入/輸出混合模塊.

1.1 模擬量模塊介紹

常用的模擬量模塊有EM231,EM235等.

1.1.1 EM231模擬量輸入模塊

EM231模塊是一種只能用于模擬量輸入的模塊，具有4路模擬量輸入通道.該模塊可以將外部輸入的電壓信號(hào)或者電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量信號(hào)輸入到PLC的處理器中，輸入信號(hào)的量程由EM231的開關(guān)SW1,SW2和SW3設(shè)定，在單極性應(yīng)用環(huán)境下SW1設(shè)為ON，雙極性應(yīng)用環(huán)境下SW1設(shè)為OFF；電源電壓為標(biāo)準(zhǔn)24 V直流電；分辨率為12 bit；轉(zhuǎn)換時(shí)間為250 μs.

(1)輸入要求

電壓輸入：?jiǎn)螛O性為直流電0～10 V或直流電0～5 V，雙極性為直流電±5 V或直流電2.5 V.

電流輸入：直流電0～20 mA.

(2)數(shù)據(jù)字格式

電壓輸入：?jiǎn)螛O性為0～32000，雙極性為-32000～32000.

電流輸入：0～32000.

模擬量輸入模塊具有使用靈活、適用性強(qiáng)等特點(diǎn).在使用中可以直接將各種模擬量的傳感器連接在模塊上，安裝十分方便[3].

1.1.2 EM235模擬量輸入/輸出模塊

EM235模擬量輸入/輸出模塊可以處理各種模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也能夠輸出設(shè)定的模擬信號(hào).EM235模塊具有4路模擬量輸入通道以及1路模擬量輸出通道；它的輸入信號(hào)量程和范圍可以是不同幅度的電壓或電流，通過6個(gè)DIP開關(guān)(DIP switch，指撥開關(guān))(SW1～SW6)設(shè)定量程和格式.模擬量輸入分為單極性輸入和雙極性輸入，不同模式的選擇由開關(guān)SW6決定，SW6為ON狀態(tài)對(duì)應(yīng)單極性輸入，反之對(duì)應(yīng)雙極性輸入.電源電壓為標(biāo)準(zhǔn)24 V直流電.

(1)輸入要求

電壓輸入：?jiǎn)螛O性為直流電 0～10 V、直流電0～5 V、直流電0～1 V、直流電0～500 mV、直流電0～100 mV或直流電0～50 mV，雙極性為直流電±10 V、直流電±5 V、直流電±2.5 V、直流電±1 V、直流電±500 mV、直流電±250 mV、直流電±100 mV、直流電±50 mV或直流電±25 mV.

電流輸入：直流電0～20 mA；

(2)數(shù)據(jù)字格式

電壓輸入：雙極性為全量程范圍-32000～+32000，單極性為全量程范圍0～32000.

電流輸入：0～32000.

1.2 模擬量輸入/輸出模塊的數(shù)據(jù)存取方式

1.2.1 模擬量輸入模塊的尋址

AI區(qū)是S7-200 PLC為了存儲(chǔ)模擬量信號(hào)而設(shè)定的一個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)域.用標(biāo)識(shí)符AI表示輸入的模擬量，每個(gè)模擬量數(shù)據(jù)占用一個(gè)字長，起始字節(jié)地址用AIW0,AIW2,…,AIW30表示.即地址字節(jié)的分配按偶數(shù)排列進(jìn)行，從0地址開始.特別需要注意模擬量輸入信號(hào)為只讀數(shù)據(jù)[3].

1.2.2 模擬量值的表示

現(xiàn)場(chǎng)傳感器接受到的信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)換為規(guī)范的電壓或電流信號(hào)(如0～10 V、4～20 mA)輸送到PLC的模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊通過內(nèi)置的模轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換電路并按照線性規(guī)則將模擬量轉(zhuǎn)換為PLC能夠識(shí)別的數(shù)字量.例如EM235模塊數(shù)字量的值在0～32000(或-32000～+32000)之間.

1.2.3 模擬量輸出模塊的尋址

PLC的CPU將模擬量運(yùn)算的結(jié)果存放在AQ區(qū).AQ區(qū)是S7-200CPU開辟的用來存儲(chǔ)模擬量輸出端信號(hào)的一個(gè)存貯區(qū)，稱為模擬量輸出映像寄存器區(qū).計(jì)算得到的數(shù)值存儲(chǔ)為1個(gè)字長的數(shù)字量，數(shù)據(jù)長度及字節(jié)的起始地址表示形式如下：AQW0,AQW2,AQW4……，地址按偶數(shù)字節(jié)進(jìn)行分配，從地址0開始.系統(tǒng)為每一個(gè)模擬量輸出模塊分配了2個(gè)通道，在使用過程中即使只有1路模擬量輸出AQW0，第二個(gè)模擬量模塊數(shù)據(jù)的輸出地址也要從AQW4開始，以此類推.需要注意的是模擬量輸出數(shù)據(jù)是只寫數(shù)據(jù)，用戶不能讀取該輸出值[4].

2 模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換處理

對(duì)于初學(xué)PLC編程的人來說，模擬量輸入/輸出程序的編寫要比數(shù)字量編程困難，因?yàn)樵趯?duì)模擬量輸入/輸出的編程中不僅涉及到程序編制，而且還關(guān)系到從模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程中公式的推導(dǎo)與使用的一系列問題.將傳感器檢測(cè)到的各種模擬量信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)化為電壓或者電流信號(hào)，經(jīng)由模擬量輸入通道輸入PLC的過程就是模擬量輸入.模擬量輸出是PLC將內(nèi)部程序計(jì)算出的結(jié)果通過模擬量輸出通道轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電壓或者電流，輸出到相應(yīng)外部設(shè)備的過程.

2.1 問題的提出

模擬量的轉(zhuǎn)換過程即傳感器檢測(cè)到實(shí)際物理量，再由變送器輸出模擬量到PLC，由PLC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程.PLC編程過程就是對(duì)數(shù)字量的處理過程.不同的變送器具有不同特點(diǎn)，使用模擬量輸入/輸出模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),轉(zhuǎn)換公式不完全相同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析.

2.2 轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)

選用S7-200的EM235模塊參數(shù)作為依據(jù)進(jìn)行公式推導(dǎo)，該模塊單極性輸入數(shù)值范圍是0～32000.筆者以3種不同傳感器為例，探討模擬量編程的有關(guān)問題.3種不同傳感器物理量測(cè)量、輸出電信號(hào)、數(shù)字量范圍具體如下：

(1)溫度傳感器Ⅰ

溫度測(cè)量范圍為0～200 °C，輸出電流為4～20 mA，數(shù)字量范圍為6400～32000.

(2)溫度傳感器Ⅱ

溫度測(cè)量范圍為0～100 °C，輸出電壓為0～5 V，數(shù)字量范圍為0～32000.

(3)真空壓力傳感器

壓力測(cè)量范圍為0～0.2 MPa，輸出電流為4～20 mA，數(shù)字量范圍為6400～32000.

3種不同傳感器數(shù)學(xué)關(guān)系變化曲線見圖1、圖2和圖3.

以圖1為例,推導(dǎo)模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換公式，由于ΔABC∽ΔADE，根據(jù)三角形相似定理得：

(1)

由于BC=200，DE=Tx，AC=32000-6400，AE=AIWx-6400，代入式(1)可得：

(2)

Tx即可在顯示器上直接表達(dá)為被檢測(cè)的物理量——溫度.

圖1 溫度傳感器Ⅰ數(shù)學(xué)關(guān)系變化曲線

同理，圖2對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)公式：

(3)

圖2 溫度傳感器Ⅱ數(shù)學(xué)關(guān)系變化曲線

圖3對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)公式：

(4)

圖3 真空壓力傳感器數(shù)學(xué)關(guān)系變化曲線

3 模擬量輸入程序編制

根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換后變量的精確度要求，轉(zhuǎn)換公式的編程有整數(shù)運(yùn)算和實(shí)數(shù)運(yùn)算編程兩種形式.顯然，溫度傳感器Ⅰ和溫度傳感器Ⅱ的物理量為溫度值，屬于整數(shù)運(yùn)算范疇.下面以式(2)為例，探討整數(shù)運(yùn)算的編程.

3.1 整數(shù)運(yùn)算程序的編制

圖4是溫度傳感變送器Ⅰ按照式(2)以整數(shù)運(yùn)算編寫的轉(zhuǎn)換程序，可以作為一個(gè)子程序調(diào)用.式(3)同樣是以整數(shù)運(yùn)算編程方式轉(zhuǎn)換.

圖4 溫度傳感變送器Ⅰ以整數(shù)運(yùn)算編制的轉(zhuǎn)換程序圖

3.2 實(shí)數(shù)運(yùn)算程序的編制

真空壓力傳感器的物理量為壓力值，屬于實(shí)數(shù)運(yùn)算范疇，下面以式(3)為例探討整數(shù)運(yùn)算的編程.

圖5是真空壓力傳感器按照式(4)以實(shí)數(shù)運(yùn)算程序編制的轉(zhuǎn)換程序圖，可以作為子程序調(diào)用.

圖5 真空壓力傳感器以實(shí)數(shù)運(yùn)算編制的轉(zhuǎn)換程序圖

同樣的實(shí)例，按照數(shù)學(xué)思維方法能推導(dǎo)出不同的模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換關(guān)系表達(dá)式.只要理解其實(shí)質(zhì)，不同的表達(dá)式對(duì)應(yīng)不同的程序即可.

4 結(jié)語

編寫模擬量處理程序比較復(fù)雜，不僅涉及到程序編制，還涉及到公式推導(dǎo)問題.本文所述方法進(jìn)行公式推導(dǎo)和程序編寫，具有轉(zhuǎn)換精度高、性能穩(wěn)定、程序結(jié)構(gòu)清晰等特點(diǎn)，特別適用于初學(xué)PLC的人員使用.同時(shí)，該方法也可以用于其他類似需要線性轉(zhuǎn)換的運(yùn)算.