PLC工程量转换方法及温度采集控制

1、PLC 工程量转换的方法1、基本概念我 们生活在一个物质的世界中。世间所有的物质都包含了化学和物理特性，我们是通过对 物质的表观性质来了解和表述物质的自有特性和运动特性。这些表观性质就是 我们常说的 质量、 温度、 速度、 压力、 电压、 电流等用数学语言表述的物理量， 在自控领域称为工程量。 这种表述的优点是直观、容易理解。在电动传感技术出现之 前，传统的检测仪器可以直接 显示被测量的物理量，其中也包括机械式的电动仪表。2、标准信号在电动传感器时代，中央控制 成为可能，这就需要检测信号的远距离传送。但是纷繁复杂 的物理量信号直接传送会大大降低仪表的适用性。 而且大多传感器属于弱信号型， 远距

2、离传 送很容易出现 衰减、干扰的问题。因此才出现了二次变送器和标准的电传送信号。二次变 送器的作用就是将传感器的信号放大成为符合工业传输标准的电信号，如05V、0 10V或4 20mA (其中用得最多的是 4 20mA)。而变送器通过对放大器电路的零点迁移以及增 益调整，可以将标准信号准确的对应于物理量的被检测范围，如0 100 C或-10 100C等等。这是用硬件电路对物理量进行数学变换。 中央控制室的仪表将这些电信号驱动机械式的 电压表、电流表就能显示被测 的物理量。对于不同的量程范围，只要更换指针后面的刻度 盘就可以了。 更换刻度盘不会影响仪表的根本性质， 这就给仪表的标准化、 通用性和

3、规模化 生产带来的无 可限量的好处。3、数字化仪表 到了数字化时代，指针式显示表变成了更直观、更精确的数字显示方式。在数字化仪表中， 这种 显示方式实际上是用纯数学的方式对标准信号进行逆变换，成为大家习惯的物理量表 达方式。这种变换就是依靠软件做数学运算。这些运算可能是线性方程，也可能是非线性方程，现在的电脑对这些运算是易如反掌。4、信号变换中的数学问题信号的变换需要经过以下过程：物理量传感器信号标准电信号A/D 转换数值显示。声明：为简单起见，我们在此讨论的是线性的信号变换。同时略过传感器的信号变换过程。假定物理量为 A，范围即为A0 Am，实时物理量为 X ;标准电信号是 B0 Bm，实时

4、电信 号为Y ; A/D转换数值为C0-Cm，实时数值为Z。如此，B0对应于A0, Bm对应于Am , Y对应于X，及Y=f(X)。由于是线性关系，得出方 程式为 Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+ B0 。又由于是线性关系， 经过 A/D 转换后的数学方程 Z=f(X) 可以表示为 Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0 。那么就很容易得出 逆变换的数学方程 为 X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0 。方程中计算出来的 X 就可以在显示器上直接表达为被 检测的物理量。5、PLC 中逆变换的计算方法以 S7-200 和 420mA 为例，经 A

5、/D 转换后， 我们得到的数值是 640032000，及 C0=6400， Cm=32000 。于是， X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0 。例如某温度传感器和变送器检测的是-10 - 60 C ,用上述的方程表达为 X=70*(Z-6400)/25600-10 。经过PLC的数学运算指令计算后，HMI可以从结果寄存器中读取并直接显示为工程量。用同样的原理，我们可以在 HMI 上输入工程量，然后由软件转换成控制系统使用的标准化 数值。在 S7 -200 中， (Z-6400)/25600 的计算结果是非常重要的数值。这是一个0-1.0(100)的实数，可以直接

6、送到 PID 指令(不是指令向导) 的检测值输入端。 PID 指令输出的也是 0 -1.0的实数，通过前面的计算式的反计算，可以转换成 6400-32000，送到 D/A 端口变成 4- 20mA 输 出。PLC对温度数据的采集与控制1引言工控现场离不开温度控制，温度数据的采集通常由温度传感器热电偶、热电阻来完成，而温度数据的变换与处理方法很多，可用温度仪、工控机、可编程序控制器（又称PLC）等。其中可编程序控制器对温度处理硬件实现可通过模块化来实现，编程也很简练，是理想的选择。PLC还可对温度进行模数和数模转换，输岀对应的模拟量进而实现对温度及其他设备的在线控制。可编程序控制器PLC对温度传

7、感器（热电偶、热电阻）的数据进行采集与处理时，温度变量经温度传感器送 入PLC的温度模块（变送器+模数转换），转换后的数字量可被 PLC以字（word）的形式直接读出，根据用户 所需，在PLC存储器内编制相应的梯形图程序，对温度进行单位转换和数模转换，进而实现对温度的开环 或闭环控制及温度对其他设备的跟随控制。本文以OMRON小型PLC为例为说明对温度数据的采集和处理。温度数据采集和控制系统流程如图1所示。2 OMRON小型PLC简介自从20世纪70年代可编程序控制器诞生之后，经过不断更新和完善，在工业控制领域得广泛的应用，传统的继电接触逻辑控制已无法与其相比。OMRON小型机具有与大中型机同

8、等的数据运算、处理和组网能力，并且日益向模块化方向发展，1/O模块不仅仅局限于数字量，还有温度数据采集与转换模块、上位机链接模块及现场总线等通讯模块，可方便地与 OMRON各种可编程终端（触摸屏/人机界面）连接，为工业 控制现场提供更加完善的解决方案。现在流行的 OMRON小型PLC有CPM1A、CPM2A和CPM2C（超薄型），三款PLC功能渐增，体积渐减，都可通过侧挂功能模块来实现功能扩展，1/O可通过扩展由本机 CPU 的2060点增加到100140点；程序后备为快闪存储器， 无需电池支持，基本指令扫描时间仅为 172 gs， 外部中断响应时间在 13 ms以下；本机带有5 kHz和21

9、5 kHz的单相和三相高速脉冲输入计数功能，并有 2 kHz以上的单脉冲输出功能3温度模块TS101DA对温度的采集及PLC对温度数据的处理CPM1A及CPM2A可挂接的温度模块种类很多，其中CPM2A-TS101DA ，CPMIA-TS001 / 002分别连接由铂热电阻和热电偶传送来的温度信号，尽管每个CPU可允许连接3个扩展单元，但同样功能的模块只能连接其中一种，且最多连接两个同种模块。如图2所示，TS101DA可接两路铂热电阻，并且带有两路 模拟量输出Vout（电压）和lout（电流），但只能选择其中一种。温度模块的输入与输出共占用PLC三个输入输岀字，输入、输岀地址字编号紧接PLC最

10、后一个扩展单元，即温度模块的前一个功能模块单元（假设输入地址字n，输出m ,_则TS101DA的第一路输入（1A，1B，1B）地址字为n+1，第二路输入为 n+2，输出 Vout和Iout共用一个地址字 m+1。IfllAui2BinlBJ囲2 TS101DA 子接战田TS101DA的温度输入范围为-40+20 °C，对应的Pt100阻值分别为8 213 ?和19 411 ?，模拟量输出的D/A线性比例关系见图3TS101DA模块的电流输出为420 mA，电压输出范围有两种，分别为010 V和-1010 V，可通过设置控制字来选择输岀电压的范围，如表1所示9 3 TS101DA D/

11、A林槎蠅4i关羸Q* I岀亀禹奄与輻串扯制爭it亶輪出电m电JUitJKFFOT0"-ia V < 420 mAFFOI-10-10 V4(-20 mA控制字在PLC第一个扫描周期必须写入对应的模拟量输出通道m+1，否则整个模块无法工作，即使不用模拟量输岀。为了避免控制字被覆盖，后续程序中如果向该通道写入数据，应在第一个扫描周期之后。如：LD25315I鄭一牛扫播間期MOV t：FFQQ I械温度攥块檢出砲压施围为0-10 V 012LDNOT 25315第一个甘播周期过右MOV #0080 iffi 5 V jflt 12 mA对应的16进划敷据 on:送人舟度” d t铂热

12、电阻采集到的温度数据经TS101DA内的变送器和数模转换后，可被PLC从对应的输入通道中读岀TS101DA内的温度字的格式如表 2所示：豪工出的鬣厦字格式1514n 12li109?65<321 0ebibj ddddddd d ddd dTS101DA输出的温度字格式共有 16位，其中013位为二进制温度数据，13为最高位；第14位为温度数据的符号位，“0”示正温度数据，“1表示负温度数据；第 “15位为报警位，“0”示温度在允许范围内，“表示温度超岀允许范围。PLC通过MOV指令把n+1或n+2通道采集到的温度数据读入指定的内部数据存储区DM中，如温度为正，把013位转化为BCD码，

13、如果为负（负数以补码形式存放），取反加1后，再将013位转化为相应的BCD 码。PLC对温度数据的处理程序如下（流程图见图1）:LD25315iff-个扫橘同期MOVFFOl度模块LD NOT00215|002通週的集15拉为4世度崔 允许范團内AND NOT00214*002通58的第14徨为。即采H跖的曜数搆为正MOV002把餐度数据送人PLC的DM（HM>0 中 DMOtKX）BCD002“把餐度数据转换为BCD醫幷存人DM0010 中 DM0010SBS01审闕用D/A转快子程序逬LDNOTOQ315AND00214F度为血MVN002DM0001F温度靈据歌反昏存人DMOtxn

14、中CLCADBDMD001# oootDM0001H舉区冶的二进制湛度敷攥加1再存人DM00Q中ANDW# 3FFF dmqooi*肮良如1后的魁度敷黯与 oonjinuniiii实境字以后 DM0001 中使 BitlirLS 强制为乩即特为正澄度BCDDMOOO1|把以上变化得到的丽盘度韩换为BCDR4人 DM0C11 中另外常用的接热电偶的温度模块有TS001 /002，温度范围通过模块内的旋转开关（0F）来设定，该模块可选两种温度单位'C和°F通过模块内的DIP开关SW1来设定温度单位和所测温度的精度（单精度精确到011 C或011 °F,双精度精确到010

15、1 C或0101 ° F）采集到的温度仍为二进制数，但BCD转换后的是带有小数位的十进制数，需 X10或X100才为真正的温度值。如读入温度 #2134（二进制），即十进制的8500，如DIP开关SW1的1位设为OFF , 2位设为OFF，则为850 C; 2位变为ON，则为85 C。双精度数据占用两个输入通道，即两个字，在转换为BCD码时，需用双字转换指令（CPM2A有）BCDL。当读入的温度输 入数据为#7FFFB寸，说明输入开路或温度超出设置范围，#7FFE为模块正在初始化状态。编程处理温度LD25313*PL£：上电送CMP0027FFE数据是沓聊予7FFEAND NOT25506 t不块巳初姫化完爭开蜡魁OUT20000主内歸堆电靜20000 ONLD20000CMP002井 7FFFAND255