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1、李建兴 陈 炜 马 莹 编著 （ PPT制作：马 莹 ） 机械工业出版社出版 2011,PLC技术与应用,第六章 FBs-PLC模拟量处理与控制功能及应用,本章内容： 6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用 6.3 FBs-PLC的PID数据处理指令及及应用,有关温度及温度检测的概述 温度-是表示物体冷热程度的物理参数。 温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。任务化学反应和物理变化都与温度有关，占生产过程全部过程参数的50%左右,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,6.1 FBs-PLC温度测量模块
2、及应用 6.1.1 温度传感器, 测量温度的方法（接触式测量与非接触式测量） 接触式测量 原理：通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度。接触使被测介质与测量体之间进行热交换，最终达得热平衡，此时测量体的温度就是被测介质的温度 特点：简单、可靠、测量精度较高。但由于要达到热平衡，因而产生了滞后。而且可能与被测介质产生化学反应。不能应用于很高温度的测量。,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器, 测量温度的方法（接触式测量与非接触式测量） 非接触式测量 原理：通过接收被测物体发出的热辐射来判断温度。 特点：其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度比较快，而且
3、可以对运动体进行测量，但一般测温误差较大。,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,表：日前工业上常用温度检测方法及特点,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,从上表中可知： 在所有测温方法中，机械式多用于就地指示，辐射式的精度较差，只有电的测温仪表精度较高，信号便于传输。 结论：热电偶、热电阻和热敏电阻温度计在工业生产和科学研究领域得到了广泛地应用,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,热电偶测温原理 利用热电偶的热电效应来测量温度 热电效应-将任意两种不同的导体A、B组成一个闭合回路，只要其连接点1、2温度不
4、同，在回路中就产生热电动势的现象。 这两种不同导体的组合元件就称为 “热电偶”,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,热电偶测温原理 从物理上看，热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的。 当两种不同导体A、B接触时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界面上便产生电子的互相扩散。扩散达到平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,热电偶测温原理 当tt0时，接触点1、2产生两个不同的接触电动势EAB(t)和EAB(t0) 回路中的总电势为：
5、E(t,t0)= EAB(t) - EAB(t0),6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,性质：在热电偶回路中接入第三种导体时，只要接入第三种导体的两个接点温度相等，回路中总电势值不变。 热电偶的这种性质在使用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在热电偶中接入所需的测量仪表和导线来测量温度。,热端 （工作端）,冷端 （自由端）,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,性质的证明： 回路总电势为：E(t,t0)= EAB(t) + EBC(t0) + ECA(t0) -(1) 若回路各接点温度相同（t=t0），则 E(t0,t0)= EAB(
6、t0) + EBC(t0) + ECA(t0)=0 EBC(t0) + ECA(t0)= - EAB(t0) -(2) 将式(1)代入式(2)，得： E(t,t0)= EAB(t) - EAB(t0),热电偶的补偿导线,由热电偶测温原理可知，测温关键要使冷端温度恒定和相等 只有当冷端温度不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。而热电偶的长度有限，其冷端受环境温度的影响而不断变化，为了使热电偶冷端温度保持恒定，在工程上使用补偿导线与冷端相连接。 补偿导线是两不同的金属丝，它在0100温度范围和所连接的热电偶具有相同的热性能，其材料是廉价的金属，用它将热电偶的冷端延伸出来。,6.1 FBs-PLC
7、温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.1 温度传感器,为什么需要冷端温度补偿？ 使用补偿导线只解决了冷端温度相对恒定的问题，由于国家标准的分度表（热电动势与温度t的关系）是规定冷端温度t0=0时制定的，因此t00时将产生测量误差。 为了消除冷端温度变化（即冷端温度不为0度时）对测量精度的影响，可采用冷端温度补偿。 冷端温度补偿的方法很多，以下主要介绍计算校正法和电桥补偿法。,FBs-PLC为满足广大的温控应用市场的需要，提供了最常用的热电偶及铂金电阻等两大类共五种温度测量模块。 其中，FBs-TC2/FBs-TC6/FBs-TC16分别为
8、2点、6点及16点的热电偶测温模块，可供选用的热电偶型式共有J、K、T、E、N、B、R、S等8种； 而FBs-RTD6/FBs-RTD16为6点及16点PT-100或PT-1000铂金电阻测温模块。温度模块采用分时多任务方式进行温度的测量，一台PLC主机最多可作32点温度测量。,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.2 FBs-PLC温度测量模块,温度模块的接线 1. 热电偶(TC)模块的接线,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.2 FBs-PLC温度测量模块,温度模块的接线 铂金电阻(RTD)模块的接线,6.1 FBs-PLC温度测量模块及应用 6.1.2 FBs-
9、PLC温度测量模块,1. A/D转换过程 （1）采样 采样是按照一定的时间间隔，利用采样开关将连续的模拟信号抽样成一连串离散脉冲信号的过程，也称为离散化过程。两次采样之间的时间间隔T称为采样周期。从采样后得到的离散模拟信号可知，采样信号f*(t)没有包含连续信号f(t)全部时间上的信号值，而是只抽取了采样时刻上的值。因此，采样周期T越短，采样信号就越接近连续信号，就可以用采样信号来表示时间上连续的模拟信号。 （2）量化 由于采样后得到的离散模拟信号在本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，故还需经量化后变成数字信号才能被计算机接收和处理。量化就是用一组二进制数码来逼近离散模拟信号的幅值，并将其
10、转换为数字信号的过程。实现量化处理的装置是A/D转换器。,6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用6.2.1 A/D、D/A转换的基本原理,1. D/A转换过程 数字量是由带“权”的一位位数码构成的。例如二进制数的最低位的权为20=1，第二位的权为21=2，以此类推。为了把一个数字量转化为模拟量，必须先将数字量每一位上的数码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后再把各位的模拟量相加，所获得的总的模拟量就与数字量成正比，从而实现D/A转换。 按上述原理构成的D/A转换器主要由电阻网络和运算放大器两部分组成。其中，电阻网络实现数字量向模拟量转换的功能；运算放大器完成模拟量电流的相加并将
11、其转化为模拟电压的输出。,6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用6.2.1 A/D、D/A转换的基本原理,1. A/D模块FBs-6AD FBs-6AD是FATEK FBs系列PLC的模拟量输入扩展模块，它提供6通道分辨率为14或12位的A/D转换功能。各通道可利用插销跳线来适应不同类型、不同振幅模拟量输入信号的A/D转换要求。此外，为了滤除信号内的噪声干扰，FBs-6AD还提供了可设定的多次读取平均值的功能。,6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用6.2.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块,2. D/A模块FBs-4DA/2DA FBs-4DA和FB
12、s-2DA是FATEK FBs系列PLC的模拟量输出扩展模块，可分别提供4通道或2通道分辨率为14 位的D/A转换功能。在安全防护方面，当CPU超过0.5秒还没对模块进行存取时，模块的输出会自动变为零。,6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用6.2.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块,3. A/D、D/A混合模块FBs-4A2D FBs-4A2D是FATEK FBs系列PLC的模拟量输入/输出混合扩展模块，它可提供4通道A/D转换功能以及2通道D/A转换功能。在安全防护方面，当CPU超过0.5秒还没对模块进行存取时，输出会自动变为零。在模拟量输入方面，为了滤除信号内的
13、噪声干扰，还可设定多次读值平均的功能。,6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用6.2.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块,4. A/D和D/A扩充板 为了方便FBs系列主机14点以下机型的使用，还特别开发有一系列A/D和D/A扩充板，包含A/D扩充板(FBs-B4AD)、D/A扩充板(FBs-B2DA)以及A/D和D/A混合扩充板(FBs-B2A1D)，达到既经济又实惠的应用。,6.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块及应用6.2.2 FBs-PLC 的A/D、D/A转换模块,FUN30(PID)指令数字化表示方式 式中，D4005 增益常数存储单元，数值范围
14、为15000，默认值为1000； Pb 比例带，数值范围为15000，单位为0.1%。比例系数kp=D4005/Pb； Ki 积分常数，数值范围为09999，相当于0.0099.99 Repeats/Minute。积分时间常数Ti=1/Ki； Td 微分时间常数，数值范围为09999，相当于0.0099.99 Minutes； Ts PID运算的间隔时间，即采样周期，数值范围为13000，单位为0.01S； Bias 偏置输出量，数值范围为016383。,6.3 FBs-PLC的PID数据处理指令及及应用 6.3.1 通用PID运算指令,FUN30(PID)指令格式 FUN30(PID)指令梯
15、形图符号如图6-14所示。其中， Ts为PID运算间隔时间，数值范围为13000； SR为程控设定值起始寄存器地址，共占用8个寄存器；OR为PID输出寄存器地址；PR为参数设定值起始寄存器地址，共占用7个寄存器；WR为工作寄存器起始地址，共占用5个寄存器，其它地方不可重复使用。,6.3 FBs-PLC的PID数据处理指令及及应用 6.3.1 通用PID运算指令,FUN30(PID)指令使用说明 1) 当控制选择“A/M”=0时，代表手动控制模式，不执行PID运算，可通过直接改变输出寄存器（OR）的值来改变控制器的输出。 2) 当控制选择“A/M”=1时，代表自动控制模式，输出寄存器（OR）的值
16、由PID运算决定。 3) 当平顺转移“BUM”=1时，由手动控制模式转为自动控制模式时，可保证控制器的输出信号不发生突变，实现无扰动切换。 4) 当控制选择“A/M”=1且运作方向“D/R”=1时，过程控制为正向PID控制；亦即偏差e(k)为正时，PID控制器的输出越大；偏差为负时，PID控制器的输出越小。,6.3 FBs-PLC的PID数据处理指令及及应用 6.3.1 通用PID运算指令,FUN30(PID)指令使用说明 5) 当控制选择“A/M”=1且运作方向“D/R”=0时，过程控制为反向PID控制；亦即偏差为正时，PID控制器的输出越小；误差为负时，PID控制器的输出越大。 6) 当闭环系统的给定值或PID控制器的参数设定有误时，不执行PID指令且设定错误指示“ERR”=1。 7) 当系统的实际输出值上限设定值时，上限警告指示“HA”=1。 8) 当系统的
