西门子s7-200_plc模拟量的使用

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1、摘摘 要：要：介绍 S7- 200 PLC 在水处理设备给粉机上的应用，并重点介绍模 拟量的处理。以及模拟量的稳定和抗干扰问题。 关键词：关键词：可编程控制器；给粉机；模拟量处理 一、引言一、引言 给粉机是一种机、电、水、气一体化粉（粒）料定量分切式全自动加药装置， 它是现代科技发展新兴的一种技术产 品。 为达到全自动运转， 采用了 PLC 控制， 通过检测稀释罐中的液位高低来控制给粉机的工作， 还控制计量泵将稀释罐中的 液体药液送到凝集罐中，凝集罐中已有液体是来自高速过滤器的反冲洗水，药液 使该反冲洗水的悬浮物凝集成大块 状絮凝物以便进行下一步的水处理工作。 二、控制内容和要求二、控制内容和

2、要求 控制内容和要求取决于工艺要求、资源、及可操作性等。给粉机涉及到的工 艺流程如图 1 所示，首先将粉状凝集助剂倒入料斗，给粉机工作时，通过粉位计 检测料斗中是否有料，如果有料，先将干燥空气经气源三联件和气阀吹入出料 口，延迟一段时间后，打开淋水器侧的水电磁阀，为送料作好准备，再延迟一段 时间，启动给粉机运行。此时，给粉机 将药液定量的连续的注进稀释罐，在稀 释罐中， 有搅拌机不停的搅拌， 搅拌均匀后待用。 使用药液时， 用计量泵来运送 ， 从稀释罐中注入到凝集罐一类的设备中。 给粉机、水阀、气阀、搅拌机、计量泵的工作状况都与稀释罐中的液位密切 相关，一般讲，液位控制采用电极式的 开关量信号

3、，将有关的 4 个位置的液位 信号送到 PLC 中参与控制。但当用户的液位检测装置是液位变送器时，就需采 用模 拟量模块，稀释罐中的液位是通过液位变送器来检测的，对应一定的液位， 送出 4- 20mA 电流信号（4- 20mA 对应着液位高度 0- 1M）。 液位距池底为 120mm 时，为 L2液位，低于 L2液位时，报警，不能 启动计量泵。 液位距池底为 120mm 时，为 L1液位，液位低于 L1时要启动气阀、 水阀、给粉机，当给粉机运行时，搅拌机也要运行。给粉机停止时，搅 拌机也停止。 液位距池底为 750mm 时，为 H1液位，高于 H1液位，给粉机停。 液位距池底为 850mm 时

4、，为 H2液位，高于 H2液位时，报警。 三、三、PLC 选用和硬件配置选用和硬件配置 综合上述情况考虑开关量输入输出的数量，模拟量输入，定时及连锁等各方 面情况，选用西门子 S7- 200 系列可编程控制器，型号为 CPU- 212。这种 PLC 小型、紧凑，在 CPU 中配有 1K 的 EEPROM，可永久性的存储用户程序和其他 重要的系统参数；它还装有大容量的电容器，供长时间存储所有的数据，而不需 要另外安装后备电池；外形尺寸小巧，塑料外壳紧凑坚固，可以直接装在电气控 制常用的 35mm 标准导轨上；本机带有 8 个输入点和 6 个输出点，还可扩展 2 个模块，包括模拟量模块；机内有 1

5、28 个内部存储位，64 个定时器，64 个计数 器，足够编程人员使用；内置 24V 直流电源，可供本机数字量、模拟量的输入 使用，不必另设直流电源；指令执行速度快，每条指令执行时间为 1.3us；编程 可用小型手持式编程器，方便现场调试，也可用个人 PC，方便在研制场所编制 程序及归档文件和打印输出。 PLC 配置见表 1： 表 1 PLC 配 置 主 机 6ES7212 1BA01- 0XB0 数字量输出扩 展模块 6ES7222 1HF00- 0XA0 模拟量输入扩 展模块 6ES7231 0HC00- 0XA0 输入输出分配见表 2。 输入点地址 内 容 输出点地址 内 容 I0.0

6、给粉机自动 Q0.0 报警 I0.1 搅拌机自动 Q0.1 气阀控制 I0.2 故障报警 Q0.2 水阀控制 I0.3 粉位计下限 Q0.3 给粉机控制 I0.4 计量泵自动 Q0.4 搅拌机控制 AIW0 稀释罐液位 Q1.0 稀释罐液位 H2 Q1.1 稀释罐液位 H1 Q1.2 稀释罐液位 L2 Q1.3 计量泵控制 四、软件编程和模拟量处理四、软件编程和模拟量处理 各个开关量控制、定时、计数、连锁等常规控制用顺序控制方式编在主程序 中，这里不赘述。下面重点描述模拟量的处理问题。 作为一个主要控制条件，稀释罐液位，是通过液位传感器送出 4- 20mA 模拟 信号进到控制系统中，CPU 通

7、过模拟量扩展模块 EM232 读取该值，并分析、处 理该值，在几个指定的液位高度时，输出信号去控制相应设备或发出报警信号。 和该模拟量有关的几个基本数据： 对于 EM231 和 CPU212 的规定， 输入 0- 20mA 对应数据为 0- 32000， 每 1mA 增量，数据为 1600。 稀释罐液位 0- 1000mm 对应着液位传感器输出 4- 20mA。液位增量 62.5mm，输出为 1mA。 考虑到液位的波动情况，设定最大波动在 5mm（即增 128 个数），上升 时取上限值，下降时取下限值。 编好软件后，输入到 PLC 中，接上仿真开关、 信号发生器等，开始调试程序。在调试中发现，

8、模拟量的输入值变化太大，观察 AIW0，随着信号源从 4- 20mA 变化，应该从 0- 32000 变化，观察时看到，AIW0 的后三位数字都在跳动，这种情况无法参与控制。经分析和试验，从硬件和软件 两方面着手解决。 1、硬件接线 从 S7- 200 的安装手册中可以看出，模拟量模块 A/D 转换间无隔离，这样模 块本身抗干扰能力弱。但没有该模块的详细电路，考虑从信号输入端着手，如果 输入以参考端接到适当位置，可以减小干扰。最后作了 3 种接法实验： （1）A_端独立。 （2）A_接到 M，而 M 又接地。 （3）A_接到 M，而 M 不接地。 实验比较以上 3 种情况后，发现第 3 种情况

9、结果最好，如图 2 所示。第 1 种 情况，A 独立，因 EM231 是单端输入，所以 A 如果悬空，信号没有基准，可能 干扰大；第 2 种情况，A 接 M 而又同时接地，但在这种水处理现场一般不设为 仪表专做的地线，因而接地后，各种强电杂波信号都可以通过地线串进来，使干 扰增强；第 3 种情况，A 接 M 又不接地，形成了浮地输入，这种接地常被称为 模拟地或小信号地，在一定情况下可以抑制某些干扰，实验证明使用这种处理方 法有一定效果。 从编程器读取 AIW0 值， 基本上是后两位数字在跳。 由于 EM231 的数据位是 12 位，而 AIW0 取值范围是 0- 32000，是 16 位，因此

10、，在 12 位的 8421 码中，最后一位的一次跳变就是 8，这样，后两位在跳变也属正常。 图 2 EM231 接线的改变 2、软件编程 针对上述情况，从软件入手，进一步调整了模拟量输入的稳定状况。方法是 从 AIW0 取输入值，求多次采样的平均值 依据计算出的平均值输出，去控制给 粉机的运行。 即： 由于 S7- 200 的指令处理较快， 模数转换时间也短， 在几十 us， 且模拟量读数灵敏度较高，而在本控制系统中，对转换时间要求不高，所以可以 采用多次采样的平均值方法，来处理输入值。例如 10 次采样值如下： 16848、 16832、16808、16840、16864、16856、168

11、72、16880、16824、16848，这 些值最大为 16800，最小为 16808，差为 72，如果 10 次采样为 128 次，求平 均值后放到 VW20 中，这样 VW20 的每次读取时间还在 ms 级，完全满足实际 要求。（实际观察结果为 AIW0 的变化：164616- 14672；VW20 的变化： 14647- 14651）。经过上述软件的处理后，当 AIW0 中的值在后两位跳变时，经 处理后的模拟量 VW20 中的值只是个位在跳变，且是一个一个跳变，通过调试 证明，采集数据又提高了一个数量级。 五、结束语五、结束语 在实际使用中发现，这种机型的模拟量模块的抗干扰性能还不尽人

12、意，但最 近，西门子公司又推出了 S7-22X 系列的小型机，据说模拟量的隔离性能好于 S7-21X 系列，待下次选用时在作了解。但软件的这种处理模拟量输入的方法完 全可以采用。 1、将模拟量通道 AIW0 的数据通过 I_DI 指令转换为 DINT 数据类型，并存放入 AC0 中 2、将 AC0 中的数据使用 DI_R 转换为浮点数,目的是为了提升计算精度，因为西门子不 允许整型数据直接转换为浮点数，因此必须通过 1，2 步骤转换。 3、将 AC0- 6400，因为 4- 20mA 的采集在西门子 200 系列中是通过坐标移动进行的，也 就是因为对于 0- 20mA 来说，西门子 S7- 2

13、00 的采集数据在 0- 32000，也就是说每 mA 对 应的数值为 32000/20=1600，那么 4- 20mA 就是 6400- 32000，因此要将输入值- 6400 来完 成坐标的移动。 4、然后除以（DIV_R）25600 来得到输入值占用整个输入范围的百分比，32000- 6400= 25600，25600 就是 4- 20mA 对应的输入范围。 5、然后通过乘以（MUL_R）100，就得到了 0- 100 的数据。 通过上述程序，将输入的模拟量信号对应的 6400-32000 之间的数据转换为 0-100 之间 的数据，这样做也称为线性转换。 工程量转换的方法 经常在论坛上

14、看到网友提出工程量显示的问题，想在此做个专题，供各位网友参考。 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

15、传感器属于弱信号型，远 距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、 010V 或 420mA（其中用得最多的是 420mA）。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 0100或 -10100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

16、 标准化、通用性和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 A0Am，实时物理量为 X；标准电信号是 B0Bm，实时电信 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