20、过程控制基础与西门子S7-1200 PLC模拟输入应用

网恋被骗八块八

于 2025-09-18 10:38:27 发布

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过程控制基础与西门子S7-1200 PLC模拟输入应用

1. 信号处理与流量测量

1.1 信号转换

当信号要输入到PLC执行控制功能时，若PLC支持4 - 20 mA电流输入，可使用其模拟输入替代电流表。若PLC模拟输入仅支持0 - 10 V电压输入，则需通过在信号两端连接500欧姆电阻，将4 - 20 mA输入转换为电压。

1.2 流量测量仪器

流量测量是使用仪器测量管道中流体流量的操作，常见的流量测量仪器如下：
- 差压流量计 ：利用传感元件（如孔板或文丘里管）产生的压差来确定流量。差压变送器有高压和低压端口，连接传感元件的高压和低压侧，产生与流量对应的4 - 20 mA标准信号。
- 速度流量计 ：通过测量流速来确定流量，包括：
- 涡轮流量计 ：通过测量内部旋转涡轮或齿轮的速度来测量流量。
- 涡街流量计 ：通过测量流体元件内产生的漩涡频率来测量流量，适用于测量蒸汽、蒸汽或清洁液体。
- 质量流量计 ：使用传感元件测量流体密度来测量流量，包括：
- 科里奥利质量流量计 ：将质量流量与仪表管内振动感应到的流体惯性相关联，适用于测量液体，也可测量气体。
- 热质量流量计 ：将质量流量与从加热探头传递到流动流体的能量相关联，适用于测量气体。

流量计类型	工作原理	适用流体
差压流量计	利用压差确定流量	通用
涡轮流量计	测量旋转部件速度	通用
涡街流量计	测量漩涡频率	蒸汽、蒸汽、清洁液体
科里奥利质量流量计	关联质量流量与流体惯性	液体、气体
热质量流量计	关联质量流量与能量传递	气体

2. 过程控制回路

2.1 控制回路概述

过程控制回路是一组用于维持过程变量所需输出的设备和工具。控制回路组件和仪器测量变量、响应变量并控制变量以维持设定点。控制回路系统可以是开环或闭环系统，通常由传感器或变送器、控制器和执行器组成。

2.2 液位控制实例

以液位控制为例，泵向水箱供水，控制阀（最终控制元件）根据从液位控制器接收到的信号，控制流量。液位变送器向液位控制器提供反馈信号，液位控制器将反馈信号与设定点进行比较，决定向控制阀发送的控制信号，以确保根据水箱内液位保持适当的流量。

2.3 温度控制实例

使用热电偶温度传感器（K型）、温度控制器（JTC903）、接触器和加热元件，可实现对加热器温度的控制，具体操作步骤如下：
1. 将温度控制器前面的拨盘设置为所需的设定点温度，如100摄氏度。
2. 打开断路器，为电路供电。
3. 当加热器温度低于设定点时，温度控制器的公共端（C，即端子7）将连接到常开触点（即端子6），使接触器通电。
4. 当加热器温度等于设定点时，温度控制器的公共端（C，端子7）将从端子6断开并连接到端子8，使接触器线圈断电，加热器逐渐冷却。当温度低于100摄氏度时，线圈再次通电，过程重复。

此简单控制存在超调问题，使用比例 - 积分 - 微分（PID）温度控制器可更好地维持所需温度。

3. 模拟信号处理基础

3.1 模拟信号特点

与只能处于两种状态（0或1）的数字信号不同，模拟信号具有从最小值到最大值的连续值范围。例如，电压从0 V到10 V变化，或电流从4 mA到20 mA变化时，称为模拟信号。温度变送器、压力变送器和流量变送器等传感器和变送器会产生模拟信号输出。

3.2 模拟信号转换

在PLC处理模拟值之前，必须先将其转换为数字信息，这由PLC模拟模块中的模数转换器（ADC）完成。模拟模块的一个重要特性是其分辨率（以位为单位）。不同分辨率的模拟模块表示的范围如下：
| 分辨率 | 表示范围（4 - 20 mA或0 - 10 V） |
| — | — |
| 8位 | 0 - 254 |
| 10位 | 0 - 1023 |
| 12位 | 0 - 4095 |

3.3 西门子S7 - 1200模拟输入

以S7 - 1200（CPU 1211C，AC/DC/RLY）PLC为例，它有两个内置模拟输入通道，模拟模块分辨率为10位，支持0 - 10 V模拟电压。若变送器输出为4 - 20 mA，需使用500欧姆电阻将其转换为2 - 10 V电压。

西门子PLC将电压或电流转换为字值（数字化值），额定最大值为27,648，数据类型为INT。不同模拟值对应的数字化值如下表所示：
| 模拟值（4 - 20 mA） | 模拟值（0 - 10 V） | 数字化值 |
| — | — | — |
| 4 mA | 0 V | 0 |
| 8 mA | 2.5 V | 6,912 |
| 12 mA | 5 V | 13,824 |
| 16 mA | 7.5 V | 20,736 |
| 20 mA | 10 V | 27,648 |

分辨率会影响读数的准确性，分辨率越高，读数越详细。例如：
- 8位分辨率：$2^8 = 256$，最小变化为$32,768 / 256 = 128$，可从0到27,648以128的增量变化。
- 12位分辨率：$2^{12} = 4,096$，最小变化为$32,768 / 4,096 = 8$，可从0到27,648以8的增量变化。
- 15位分辨率：$2^{15} = 32,768$，最小变化为$32,768 / 32,768 = 1$，可从0到27,648以1的增量变化。

3.4 归一化和缩放

归一化（Normalize） ：S7 - 1200中的内置函数，用于将任何给定数据从最小值到最大值转换为0到1的浮点值。需要输入最小值、最大值以及包含要转换数据的寄存器，如模拟信号连接到第一个模拟输入通道时为%IW64，最小值为0，最大值为27,648。
缩放（Scale） ：S7 - 1200中的内置函数，用于将归一化后的0到1的值转换为所需范围。

3.5 模拟输入信号处理模拟

3.5.1 模拟准备

需在笔记本电脑或PC上安装TIA Portal，可下载并使用21天。具体步骤如下：
1. 启动TIA Portal，为S7 - 1200（CPU 1211C AC/DC/RLY）创建新项目。
2. 展开程序块，双击Main [OB1]进入编程环境。
3. 展开屏幕右侧基本指令列表中的转换操作，将NORM_X命令拖到网络1。
4. 将NORM_X指令下方的???到???字段的数据类型设置为INT到REAL。
5. 输入MIN为0，MAX为27648。
6. 指定用于测试VALUE的寄存器，如MD0。若使用真实S7 - 1200 PLC，模拟信号连接到第一个模拟输入通道时指定%IW64，连接到第二个模拟输入通道时指定%IW66。
7. 指定用于保存归一化数据的寄存器，如MD4。
8. 展开转换操作，将SCALE_X命令拖到网络1。
9. 将SCALE_X指令下方的???到???字段的数据类型设置为REAL到REAL。
10. 输入MIN为0，MAX为300，因为使用的变送器输出为4 - 20 mA，范围为0到300摄氏度。
11. 指定归一化数据的寄存器，如MD4。
12. 指定用于保存缩放结果的寄存器，如MD8。
13. 点击编译，确保没有错误。

3.5.2 模拟运行

点击监控开/关，开始模拟。
右键单击MD0的标签，选择修改，然后选择显示格式，点击十进制。
对MD8的标签重复上述步骤，选择浮点数。
右键单击输入值的标签（tag_1），选择修改，点击修改操作数。
将格式从十六进制更改为十进制，输入修改值，如13824，点击确定。

模拟结果显示，当NORM_X中的数字化值（MD0处的值）为满值的一半（即13824）时，输出变为0.5，因为归一化（NORM_X）将输入转换为0到1的值；缩放（SCALE_X）将归一化后的0到1的值转换为0到300，如0.5对应150.0。

3.5.3 模拟控制数字输出

点击监控开/关，停止模拟，在出现的消息中点击是，离线。
展开基本指令列表中的比较器操作，将CMP>=指令拖到网络2。
双击比较器命令中间的???字段，选择Real作为数据类型。
在比较器指令顶部的???字段输入%MD8。
在比较器指令底部的???字段输入50。
展开基本指令列表中的位逻辑操作，将赋值（线圈）指令拖到网络2。
输入%Q0.0作为线圈的输出线圈地址。

再次模拟，当MD0处的数字化值为4608时，归一化后为0.1666667，缩放后为50.0，线圈（Q0.0）通电；输入5000时，归一化后为0.1808449，缩放后为54.25347，Q0.0仍通电；输入3000时，归一化后为0.1085069，缩放后为32.55209，Q0.0断电。

模拟结束后，停止模拟，保存项目更改，关闭虚拟PLC和主项目。

graph LR
    A[启动TIA Portal] --> B[创建新项目]
    B --> C[进入编程环境]
    C --> D[添加NORM_X命令]
    D --> E[设置数据类型]
    E --> F[输入MIN和MAX]
    F --> G[指定VALUE寄存器]
    G --> H[指定OUT寄存器]
    H --> I[添加SCALE_X命令]
    I --> J[设置数据类型]
    J --> K[输入MIN和MAX]
    K --> L[指定VALUE寄存器]
    L --> M[指定OUT寄存器]
    M --> N[编译]
    N --> O[模拟运行]
    O --> P[修改显示格式]
    P --> Q[修改操作数]
    Q --> R[模拟控制数字输出]
    R --> S[停止模拟]
    S --> T[保存项目]
    T --> U[关闭虚拟PLC]
    U --> V[关闭主项目]

4. 使用真实PLC进行模拟输入信号处理

4.1 所需设备

除了模拟中使用的TIA Portal，还需要以下设备来演示真实PLC的模拟输入信号处理：
- RTD温度传感器（Pt100）
- RTD温度变送器
- 电源（220 V AC转24 V DC）
- PLC（西门子S7 - 1200）
- 接触器
- 加热元件
- 以太网电缆
- 安装了TIA Portal的PC或笔记本电脑

4.2 接线步骤

使用断路器将电源连接到电源供应器的交流输入，同时通过断路器将电源连接到PLC的交流输入。此外，将交流电源连接到接触器的端子1（L1）和端子3（L2），如示意图所示。
将加热器的两个端子连接到接触器的端子2（T1）和4（T2），如示意图所示。
三线Pt100 RTD有三根线，其中两根线之间的电阻为100欧姆。这两根线应连接到带有电阻符号的两个端子之间，而最后一根（第三根线）应连接到没有电阻符号的另一个端子，如示意图所示。
将24 V DC的正极端子连接到变送器的正极端子。
将变送器的负极端子连接到第一个模拟输入通道（0）。
将电源供应单元的负极端子连接到PLC的24 V DC输出的负极端子（M），并将其连接到模拟输入通道的公共端子（2M），如示意图所示。
在第一个模拟输入（0）和2M之间连接一个500欧姆的电阻，如示意图所示。
将PLC上的Q0.0连接到接触器上的A1，并将PLC上的1L连接到断路器上的火线（L）。此外，将接触器上的A2连接到断路器上的零线（N），如示意图所示。

4.3 编程步骤

打开之前的程序（PLC - TEMPERATURE CONTROL）并进行修改，当寄存器MD8中的值大于或等于100时打开加热器：
1. 打开保存的项目（PLC - TEMPERATURE CONTROL）。
2. 选择MD0的标签名称并按键盘上的删除键，删除标签名称（Tag_1）和寄存器（MD0）。同样，选择Q0.0的标签名称并按删除键，删除标签名称（Tag_4）和寄存器Q0.0。
3. 在网络1中，输入第一个模拟输入通道的地址（即%IW64）作为NORM_X的值。在网络2中，输入一个内存位地址（即M0.0）作为输出地址。
4. 双击比较指令底部的50.0值，输入100，将设定点更改为100。
5. 展开基本指令列表右侧的位逻辑操作，将常闭指令拖到网络3。
6. 在常闭触点的???字段中输入%M0.0。
7. 展开位逻辑操作，将赋值（线圈）指令拖到网络3。
8. 在赋值（线圈）的???字段中输入%Q0.0。

4.4 配置IP地址并下载程序

确保接线图（图12.45）中的所有连接都已正确设置。打开断路器，为设备供电。同时，确保PLCSIM（模拟器）未运行。
将通信电缆（以太网电缆）的一端连接到笔记本电脑或PC，另一端连接到PLC。
双击设备配置。
导航到属性 | 常规选项卡，然后点击PROFINET接口[X1]。
向下滚动到IP协议，输入选择的IP地址（例如，192.168.0.6）和子网掩码（例如，255.255.255.0）。
点击保存项目，点击PLC进行选择，PLC将被高亮显示。编译和下载到设备命令将变为可用。
点击编译，编译程序并确保没有错误。
点击下载到设备，从PG/PC接口列表中选择PC或笔记本电脑的以太网控制器卡。
点击开始搜索。
点击加载。
点击是。
点击确定。
选择停止所有。
点击加载。
勾选启动所有，点击完成。

4.5 在线监控PLC程序

双击程序块 | 主程序[OB1]。
点击监控开/关。

4.6 程序观察与解释

当加热器开启时，%IW64处的值会发生变化，这是连接到模拟输入模块第一个通道的模拟信号的数字化值。随着温度升高，模拟信号增大，数字化值也随之增大。MD4处的值是归一化后的值，MD8处的值是缩放后的值。
当%IW64处的数字化值为9215时，MD4处的归一化值为0.3332972，MD8处的缩放值为99.98915。此时，在网络2中，比较器没有输出使M0.0赋值（线圈）通电，因为MD8处的99.98915小于100。在网络3中，常闭触点（M0.0）保持闭合，因为M0.0处于关闭状态，这允许信号流向Q0.0，使连接到它的接触器通电，加热器开启。
当%IW64处的数字化值为9692时，MD4处的归一化值为0.3505498，MD8处的缩放值为105.1649。此时，在网络2中，比较器有输出使M0.0赋值（线圈）通电，因为条件满足，即MD8处的值大于100。在网络3中，常闭触点（M0.0）打开，因为M0.0处于开启状态，这阻止信号流向Q0.0，使接触器断电，加热器关闭。

graph LR
    A[接线准备] --> B[连接电源和设备]
    B --> C[连接传感器和变送器]
    C --> D[连接模拟输入和电阻]
    D --> E[连接输出和控制线路]
    E --> F[打开保存项目]
    F --> G[删除旧标签和寄存器]
    G --> H[修改程序参数]
    H --> I[添加常闭和赋值指令]
    I --> J[配置IP地址]
    J --> K[下载程序到PLC]
    K --> L[在线监控程序]
    L --> M[观察程序运行情况]

5. 总结

通过以上内容，我们了解了信号处理、流量测量、过程控制回路等过程控制的基础知识，以及西门子S7 - 1200 PLC模拟输入信号处理的详细内容，包括模拟信号的特点、转换、归一化和缩放，还通过模拟和实际操作演示了如何使用PLC处理模拟信号并控制数字输出。掌握这些知识和技能，能够帮助我们更好地进行工业自动化控制，实现对过程变量的精确控制。