對(duì)輸入、輸出模擬量的PLC編程的探討及編程實(shí)例解析
對(duì)于初學(xué)PLC編程的人來(lái)說(shuō)，模擬量輸入、輸出模塊的編程要比用位變量進(jìn)行一般的程序控制難的多，因?yàn)樗粌H僅是程序編程，而且還涉及到模擬量的轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)與使用的問(wèn)題。不同的傳感變送器，通過(guò)不同的模擬量輸入輸出模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式是不一樣的，如果選用的轉(zhuǎn)換公式不對(duì)，編出的程序肯定是錯(cuò)誤的。比如有3個(gè)溫度傳感變送器：
（1）、測(cè)溫范圍為 0~200 ，變送器輸出信號(hào)為4～20ma
（2）、測(cè)溫范圍為 0~200 ，變送器輸出信號(hào)為0～5V
（3）、測(cè)溫范圍為 －100 ~500 ，變送器輸出信號(hào)為4～20ma
（1）和（2）二個(gè)溫度傳感變送器，測(cè)溫范圍一樣，但輸出信號(hào)不同，（1）和（3）傳感變送器輸出信號(hào)一樣，但測(cè)溫范圍不同，這3個(gè)傳感變送器既使選用相同的模擬量輸入模塊，其轉(zhuǎn)換公式也是各不相同。
一、轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)
下面選用S7-200的模擬量輸入輸出模塊EM235的參數(shù)為依據(jù)對(duì)上述的3個(gè)溫度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)：
對(duì)于（1）和（3）傳感變送器所用的模塊，其模擬量輸入設(shè)置為0～20ma電流信號(hào) ,20ma
對(duì)應(yīng)數(shù)子量=32000，4 ma對(duì)應(yīng)數(shù)字量=6400；
對(duì)于（2）傳感變送器用的模塊，其模擬量輸入設(shè)置為0～5V電壓信號(hào)，5V對(duì)應(yīng)數(shù)字量=32000，0V對(duì)應(yīng)數(shù)字量=0；
這3種傳感変送器的轉(zhuǎn)換公式該如何推導(dǎo)的呢？這要借助與數(shù)學(xué)知識(shí)幫助，請(qǐng)見(jiàn)下圖：
上面推導(dǎo)出的（2-1）、（2-2）、（2-3）三式就是對(duì)應(yīng)（1）、（2）、（3）三種溫度傳感變送器經(jīng)過(guò)模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再換算為被測(cè)量的轉(zhuǎn)換公式。編程者依據(jù)正確的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行編程，就會(huì)獲得滿(mǎn)意的效果。
二、變送器與模塊的連接
通常輸出4～20ma電流信號(hào)的傳感變送器，對(duì)外輸出只有 +、- 二根連線(xiàn)，它需要外接24V電源電壓才能工作，如將它的+、- 二根連線(xiàn)分別與24V電源的正負(fù)極相連，在被測(cè)量正常變化范圍內(nèi)，此回路將產(chǎn)生4～20ma電流，見(jiàn)下左圖。下右圖粉色虛線(xiàn)框內(nèi)為EM235 模塊路模擬輸入的框圖，它有3個(gè)輸入端，其A+與A-為A/D轉(zhuǎn)換器的+ - 輸入端，RA與A-之間并接250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。A/D轉(zhuǎn)換器是正邏輯電路，它的輸入是0～5V電壓信號(hào)，A-為公共端，與PLC的24V電源的負(fù)極相連。
那么24V電源、傳感變送器、模塊的輸入口三者應(yīng)如何連接才是正確的？正確的連線(xiàn)是這樣的：將左圖電源負(fù)極與傳感器輸出的負(fù)極連線(xiàn)斷開(kāi)，將電源的負(fù)極接模塊的A-端，將傳感器輸出負(fù)極接RA端，RA端與A+端并接一起，這樣由傳感器負(fù)極輸出的4～20ma電流由RA流入250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生0～5V 電壓并加在A+與A-輸入端。
切記：不可從左圖的24V正極處斷開(kāi)，去接模塊的信號(hào)輸入端，如這樣連接，模塊是不會(huì)正常工作的。
對(duì)第（2）種電壓輸出的傳感変送器，模塊的輸入應(yīng)設(shè)置為0～5V電壓模式，連線(xiàn)時(shí)，變送器輸出只連A+、A-，RA端空懸即可。
三、按轉(zhuǎn)換公式編程：
根據(jù)轉(zhuǎn)換后變量的精度要求，對(duì)轉(zhuǎn)換公式編程有二種形式：1、整數(shù)運(yùn)算，2、實(shí)數(shù)運(yùn)算。
請(qǐng)見(jiàn)下面梯形圖：
（A）、整數(shù)運(yùn)算的梯形圖：
該梯形圖是第（1）種 溫度傳感變送器（測(cè)溫：0～200 ，輸出：4～20ma）按公式（2-1）以整數(shù)運(yùn)算編寫(xiě)的轉(zhuǎn)換程序，它可作為一個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)用。
（B）實(shí)數(shù)運(yùn)算的梯形圖：
該梯形圖是對(duì)一個(gè)真空壓力變送器（量程：0～0.1Mpa,輸出：4～20ma）按公式（2-1）以實(shí)數(shù)運(yùn)算編寫(xiě)的轉(zhuǎn)換程序，可作為一個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)用。
四、編程實(shí)例及解析
某設(shè)備裝有4種傳感器：
1、真空壓力傳感器，量程為：0～0.1Mpa；輸出給PLC的信號(hào)為4～20ma。
2、蒸汽壓力傳感器，量程為：0～1.0Mpa；輸出給PLC的信號(hào)為4～20ma。
3、溫度傳感器，量程為：0～200 度；輸出給PLC的信號(hào)為4～20ma。
4、電機(jī)轉(zhuǎn)速，量程為：0～50轉(zhuǎn)/秒；輸出給PLC的信號(hào)為4～20ma。
該設(shè)備用蒸汽對(duì)其罐體加熱，并對(duì)溫度要求按設(shè)定的溫度值進(jìn)行溫度控制。控制方式采用自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)閥開(kāi)門(mén)角度的大小來(lái)改變加熱管道的蒸汽的流量。電動(dòng)閥的控制信號(hào)為4～20ma,即輸入4ma時(shí)，電動(dòng)閥關(guān)門(mén)，輸入20ma時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)全開(kāi)。
為此選用了含有4路模擬輸入和一路模擬輸出的模塊EM235。其4路模擬量輸入信號(hào)皆設(shè)定為0～20ma電流輸入模式，一路模擬量輸出信號(hào)設(shè)定為4～20ma電流輸出模式。
要求用觸摸屏顯示這4種信號(hào)的時(shí)時(shí)狀態(tài)值，并在觸摸屏上設(shè)置控制的溫度參數(shù)，傳給PLC使PLC按此值進(jìn)行溫度控制。由于本文重點(diǎn)是講述有關(guān)模擬量的輸入與輸出的編程設(shè)計(jì)，對(duì)觸摸屏的編程設(shè)計(jì)不予講述，只提供觸摸屏與PLC的通訊變量：
VD0：為真空壓力顯示區(qū)，由PLC傳送給觸摸屏。
VD4：為蒸汽壓力值顯示區(qū)，由PLC傳送給觸摸屏。
VW8：為蒸汽溫度值顯示區(qū)，由PLC傳送給觸摸屏。
VW10：為電機(jī)轉(zhuǎn)速值顯示區(qū)，由PLC傳送給觸摸屏。
VW12：設(shè)定溫度值區(qū)，由觸摸屏傳送給PLC.
一、硬件電路的配置：
（一）、硬件設(shè)置
除上述4種傳感器外，選用：
1、S7-200PLC一臺(tái)，型號(hào)為：CPU222 CN 。
2、選用EM235模擬量輸入模塊一塊（輸入設(shè)置：0~20 ma工作模式；輸出設(shè)置：
4～20ma）。
3、變頻器一臺(tái)，型號(hào)為PI8100，由PLC控制啟停，手動(dòng)調(diào)速。
4、西門(mén)子觸摸屏一塊。型號(hào)：Smart 700
硬件電路圖
（二）、對(duì)傳感器輸出的4~20ma轉(zhuǎn)換為顯示量程的公式推導(dǎo)：
EM235模擬量輸入輸出模塊，當(dāng)輸入信號(hào)為20ma時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量=32000，故：
輸入=4ma時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量=6400，對(duì)應(yīng)顯示量程值=0。 輸入20ma時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量
=32000，對(duì)應(yīng)顯示量程值大值=Hm，其輸出量與模塊的數(shù)字量的變化關(guān)系曲線(xiàn)如圖一所
示：
這4個(gè)轉(zhuǎn)換公式，前二種為實(shí)數(shù)運(yùn)算，后二種為整數(shù)運(yùn)算，為簡(jiǎn)化程序，自定義二個(gè)功能塊分別用于實(shí)數(shù)與整數(shù)運(yùn)算，而每個(gè)功能塊在程序運(yùn)行中又都調(diào)用二次，分別計(jì)算不同的物理量。為此功能塊設(shè)有二個(gè)數(shù)字輸入與一個(gè)計(jì)算結(jié)果輸出三個(gè)口，以適用于多次調(diào)用去計(jì)算不同物理量的值。請(qǐng)見(jiàn)下面編程：
（三）、實(shí)數(shù)運(yùn)算功能塊（SBR_0）：
（四）、整數(shù)運(yùn)算功能快（SBR_1）：
（五）、將模塊的數(shù)字量，按對(duì)應(yīng)公式轉(zhuǎn)換為量程顯示值的編程
分析以上梯形圖可知，該程序編寫(xiě)的特點(diǎn)：1、選用自定義功能塊編寫(xiě)轉(zhuǎn)換公式的子程序，2、對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)換變量的調(diào)用采用每個(gè)掃描周期對(duì)MB0加1的依次循環(huán)調(diào)用的方式，這樣的編程處理會(huì)使編寫(xiě)的程序，簡(jiǎn)短易讀易懂。
（六）、對(duì)模擬量輸出的編程處理
對(duì)罐體溫度控制是采用漸近比較的控制方式進(jìn)行編程。設(shè)計(jì)思路是這樣的：
當(dāng)罐體的溫度低于設(shè)定溫度10度時(shí)，控制加熱蒸汽的電動(dòng)閥門(mén)全打開(kāi)，當(dāng)罐體的溫度低于設(shè)定溫度7度時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)3/4，當(dāng)罐體的溫度低于設(shè)定溫度4度時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)1/2，當(dāng)罐體的溫度低于設(shè)定溫度2度時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)1/4，當(dāng)罐體的溫度低于設(shè)定溫度1度時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)1/8，當(dāng)罐體的溫度=設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉。
（2-1a）式為溫度與數(shù)字量的關(guān)系式，用它可將設(shè)定溫度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。如
設(shè)定溫度Tz=120度，帶入（2-1a）,可得對(duì)應(yīng)數(shù)字量AIW=21760
（3-5）式為數(shù)字量與電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)度α的關(guān)系式，可用它輸送給模塊不同的數(shù)字量，來(lái)改變模塊的模擬量輸出值，進(jìn)而達(dá)到改變電動(dòng)閥門(mén)的打開(kāi)角度。
如：α=1代入（3-5）可得：AIWx=32000 將32000送入給模塊的AQW0, 模塊的模擬量輸出將產(chǎn)生20ma電流輸入給電動(dòng)閥的信號(hào)輸入端，使閥門(mén)全打開(kāi)。
α=1/2代入（3-5）式可得：AIWx=19200 將19200送入給模塊的AQW0, 模塊的模擬量輸出將產(chǎn)生12ma電流輸入給電動(dòng)閥的信號(hào)輸入端，使閥門(mén)打開(kāi)1/2。
下面是利用漸近比較法進(jìn)行溫度控制的梯形圖：程序解釋見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)上的說(shuō)明
程序中的Q0.0為蒸汽電磁閥的輸出信號(hào)。Q0.0=1即蒸汽電磁閥打開(kāi)，注入蒸汽加熱，程序?qū)?duì)罐體內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。Q0.1 為冷水電磁閥的輸出信號(hào)。Q0.1=1即冷水發(fā)打開(kāi)，注入冷水進(jìn)行降溫，此時(shí)電動(dòng)閥門(mén)全開(kāi)，加速降溫，程序?qū)禍夭蛔隹刂铺幚怼?/p>
（ 七）、PLC輸入輸出的控制編程
輸入有3個(gè)按鈕：分別控制變頻器、蒸汽電磁閥、水冷電磁閥的通電與關(guān)斷：
1、啟動(dòng)按鈕接PLC的I0.0，控制變頻器的啟動(dòng)與停止，輸出口為Q0.3。
2、蒸汽電磁閥控按鈕，控制蒸汽電磁閥的打開(kāi)與關(guān)閉，輸出口為 Q0.0
3、冷水電磁閥按鈕，控制冷水電磁閥的打開(kāi)與關(guān)閉，輸出口為 Q0.1
控制方式選用一個(gè)按鈕控制啟停，用RS觸發(fā)器指令編程。Q0.0與Q0.1 互鎖，即只容許一個(gè)電磁閥打開(kāi)，如蒸汽閥打開(kāi)時(shí)，按水閥控制按鈕，水閥不能打開(kāi)，只有先關(guān)斷氣閥后再按水閥，水閥才能打開(kāi)。見(jiàn)下面梯形圖：
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