中小型PLC交流參量采集方案的設(shè)計(jì)

張 明

中航工業(yè)飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司（燎原分公司），陜西 漢中 723200

中小型PLC交流參量采集方案的設(shè)計(jì)

張 明

中航工業(yè)飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司（燎原分公司），陜西 漢中 723200

可編程控制器作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段之一, 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要是用來處理各種開關(guān)量. 但隨著技術(shù)的發(fā)展, 各種高性能輸入、輸出模塊的出現(xiàn), 大大增強(qiáng)了可編程控制器對(duì)模擬量的響應(yīng)能力。本文主要介紹了在實(shí)際工程中如何組態(tài)可編程控制器的模擬量輸入模塊,以及如何把模擬量參數(shù)整定為工程需要的電參量。以MPLC 的模擬量通道為例,介紹利用“寄存器-數(shù)據(jù)表”傳送指令對(duì)PLC模擬量輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理的方法,包括硬件連接、工作流程和梯形圖控制程序的編制。詳細(xì)說明了模擬量串行輸入接口的設(shè)計(jì)方法、硬件結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了程序（梯形圖）及接口時(shí)序。實(shí)驗(yàn)證明該接口較好地滿足PLC 對(duì)模擬信號(hào)的采集。

PLC； 模擬量輸入；模數(shù)轉(zhuǎn)換

PLC; A/D transfer; analog input; data collection; data process

1 研究現(xiàn)狀

控制靈活而廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)控制場(chǎng)合。然而這種PLC 由于帶模擬量I/O，價(jià)格較高。所以實(shí)驗(yàn)室一般都配置低檔的、不帶模擬量I/O 的PLC 做實(shí)驗(yàn)，以減少投資。但這樣一來，學(xué)生就不能從實(shí)驗(yàn)中很好地了解工業(yè)控制的實(shí)際情況。所以在原裝置上增加模擬量I/O 是很有必要，同時(shí)是改造原實(shí)驗(yàn)裝置切實(shí)可行的措施。

2 PLC應(yīng)用系統(tǒng)I/O接口的設(shè)計(jì)

2.1 PLC 模擬量輸入接口的設(shè)計(jì)

介紹了一種PLC 模擬量串行輸入接口的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)說明了硬件結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了程序（梯形圖）及接口時(shí)序。實(shí)驗(yàn)證明該接口能很好地滿足PLC 對(duì)大慣量模擬信號(hào)的采集。

模擬量一直是工業(yè)控制的重要節(jié)點(diǎn)參數(shù)。帶模擬量I/O 的PLC 以其抗干擾強(qiáng)、控制靈活而廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)控制場(chǎng)合。然而這種PLC 由于帶模擬量I/O，價(jià)格較高。所以實(shí)驗(yàn)室一般都配置低檔的、不帶模擬量I/O 的PLC 做實(shí)驗(yàn)，以減少投資。但這樣一來，學(xué)生就不能從實(shí)驗(yàn)中很好地了解工業(yè)控制的實(shí)際情況。所以在原裝置上增加模擬量I/O 是很有必要，同時(shí)是改造原實(shí)驗(yàn)裝置切實(shí)可行的措施。本文以C20 基本型為例，介紹模擬量輸入接口的設(shè)計(jì)思路。模擬量輸出接口和其它機(jī)型的接口可采用類似的方法設(shè)計(jì)。接口原理框圖，見圖1。

由圖1可知，接口電路主要由前置模擬低通濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換ADC0801、并串轉(zhuǎn)換74LS166、脈沖變換電路等四部分組成。由變送器送來的0-5V 的模擬電壓信號(hào)VI 經(jīng)低通濾波器濾波后ADC0801 轉(zhuǎn)換成8位并行數(shù)據(jù)；并行移位到移位寄存器74LS166，然后在PLC O/500 輸出的CP脈沖作用下依次從寄存器QH端串行輸出，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后由PLC I/000 輸入到內(nèi)部移位寄存器（輔助繼電器M12）中。8 個(gè)脈沖（外部7 個(gè)脈沖）過后，移位結(jié)束完成一次數(shù)字化的模擬量輸入。經(jīng)過程序處理后PLC 做出相應(yīng)的響應(yīng)。

2.2 時(shí)序分析

圖1 接口原理框圖

在WR 上升沿的作用下ADC0801啟動(dòng)，經(jīng)過103～114_s 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。INT輸出負(fù)脈沖。由于RD 與INT 直接相連，故ADC0801 在RD 脈沖下降沿135ns 后將數(shù)據(jù)并行輸出。由于在此時(shí)間內(nèi)SH/LD 一直處于低電平（一個(gè)PLC 掃描周期的時(shí)間），74LS166 處于并行置數(shù)狀態(tài)。只要將INT沖延時(shí)略大于135ns 后反相，作為移位寄存器的CP 脈沖，就能將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果并行傳到移位寄存器74LS166 中，如圖2所示。

圖2 接口時(shí)序圖[2]

PLC 的I/O 口分配整個(gè)接口占用PLC 三位I/O 口，其中I/000 做串行輸入；O/500 做外部74LS166 的移位脈沖；O/501 做A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖和74LS166并行輸入使能端。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

前置低通濾波器采用一階RC 低通濾波器，截止頻率50HZ。由于信號(hào)頻率很低，故不用采樣保持而直接進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。ADC0801 A/D 轉(zhuǎn)換芯片CLK外接RC 使其工作頻率為640kHZ，片選CS 接地一直有效。8 位數(shù)據(jù)輸出與74LS166 的A-H 數(shù)據(jù)輸入端相連， INT 延時(shí)電路較為簡(jiǎn)單（總延時(shí)略大于135ns），反相由74LS00四與非門完成。移位寄存器74LS166 設(shè)置為并行輸入、串行輸出狀態(tài)，RD 置高電平。在置數(shù)時(shí)SH/LD 由PLC 的O/501控制為低電平，此時(shí)CP 脈沖由延時(shí)反相后的INT提供；在串行移位時(shí)PLC的O/501控制SH/LD 為高平，此時(shí)由PLC 的O/500 做移位CP 脈沖。電平轉(zhuǎn)換電路由

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，除了遇到開關(guān)量信號(hào)外，還會(huì)遇到另一類物理量，即模擬量，例如：溫度、壓力、速度、電壓、電流等等，它們都是連續(xù)變化的物理量。由于計(jì)算機(jī)CPU 只能處理數(shù)字量，因此，凡是遇到有模擬量的地方，必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/ D) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/ A) 。

模擬量一直是工業(yè)控制的重要節(jié)點(diǎn)參數(shù)。帶模擬量I/O 的PLC 以其抗干擾強(qiáng)、1/474LS00 與非門驅(qū)動(dòng)開關(guān)三極管，輸出+24V 或0V 高低電平。整個(gè)接口的電源由PLC 開發(fā)裝置提供的+24V 電源經(jīng)7805 降壓后供給。

3 PLC 程序設(shè)計(jì)

3.1 程序流程圖

圖3中，啟動(dòng)信號(hào)由PLC 外部控制信號(hào)或由內(nèi)部相關(guān)程序產(chǎn)生。啟動(dòng)后，PLC 一方面置內(nèi)部CNT0計(jì)數(shù)為8，同時(shí)其O/501輸出A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖。A/D 轉(zhuǎn)換完后將8 位數(shù)據(jù)并行置入移位寄存器中。此后PLC 的O/500 與內(nèi)部移位脈沖配合完成將8 位數(shù)據(jù)從I/000 串行輸入到內(nèi)部輔助繼電器M12CH 的低8 位中。

圖3 流程圖

3.2 PLC 模擬量輸入輸出模塊的配置

可編程控制器作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段之一， 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要是用來處理各種開關(guān)量. 但隨著技術(shù)的發(fā)展， 各種高性能輸入、輸出模塊的出現(xiàn)， 大大增強(qiáng)了可編程控制器對(duì)模擬量的響應(yīng)能力。本文主要介紹了筆者在實(shí)際工程中如何組態(tài)可編程控制器的模擬量輸入模塊， 以及如何把模擬量參數(shù)整定為工程需要的工程量。

PLC 的產(chǎn)生是為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器構(gòu)成的硬布線系統(tǒng)， 而繼電器的主要功能就是響應(yīng)并處理開關(guān)量信號(hào)， 因此以前對(duì)模擬信號(hào)量的響應(yīng)一直是PLC的弱點(diǎn)，但隨著PLC 技術(shù)的發(fā)展，各種輸入、輸出模塊功能不斷地完善， 大大提高了PLC響應(yīng)模擬信號(hào)量的能力， 從而使目前的PLC具備了處理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)幾乎所有信號(hào)量的能力。筆者前些日子參加了一個(gè)市政工程， 在此工程中， 除了大量的開關(guān)量以外， 還需要處理一些液位及壓力傳感器傳送來的模擬量信號(hào). 為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 希望此控制系統(tǒng)能獨(dú)立完成對(duì)所有信號(hào)量的采集。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研， 我們最后選用了美國(guó)A 2B 公司的SLC500TM小型PLC。這款PLC在結(jié)構(gòu)上采用模塊插裝式的架構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由框架和各種單獨(dú)的模塊組成，如CPU模塊、IO模塊、電源模塊等。根據(jù)工程中輸入、輸出開關(guān)量和模擬量的數(shù)量， 以及需要預(yù)留20% 通道的要求，最后選用的是16通道編號(hào)17462IB16的開關(guān)量輸入模塊3 個(gè)、編號(hào)17462OW 16輸出模塊4個(gè)， 以及一個(gè)8通道編號(hào)17462N I8的模擬模塊，當(dāng)然還有與之配套的CPU模塊、電源模塊?？蚣苌系拿恳粋€(gè)槽位都可以對(duì)應(yīng)幾乎所有的模塊類型，也就是說槽位對(duì)模塊不具有區(qū)分性。槽位的分配決定了今后各輸入、輸出端口的地址編號(hào)。例如模擬量輸入模塊放在4槽，則編程時(shí)模擬量輸入模塊上的8個(gè)端口的地址編號(hào)依次是： I： 40至I：47.CPU模塊的寄存器分為以I開頭的輸入寄存器、以O(shè)開頭的輸出寄存器、以S 開頭的狀態(tài)寄存器以及以N7開頭的整數(shù)寄存器等。在參數(shù)整定指令中，用到了整數(shù)寄存器。在使用整數(shù)寄存器之前，先要向系統(tǒng)申請(qǐng)， 例如100個(gè)單元， 則可以使用的整數(shù)單元地址從N7：0 到N7： 99。在A2B公司提供的可視化編程軟件中，申請(qǐng)工作是很簡(jiǎn)單的。接收并處理模擬量需要進(jìn)行如下的硬件、軟件配置：一般來說， 模擬量輸入模塊既可以接收電壓信號(hào)也可以接收電流信號(hào)， 但模塊上的每一個(gè)通道每次只能接收一種類型的信號(hào)， 這就需要我們從硬件到軟件上對(duì)其進(jìn)行組態(tài)配置。

3.3 硬件配置

在模擬量輸入模塊的8個(gè)通道上， 每一個(gè)通道都對(duì)應(yīng)一個(gè)DIP開關(guān)， 在將模塊插到框架的槽位之前， 我們需要根據(jù)每個(gè)通道接收信號(hào)的類型， 把DIP開關(guān)撥到指定的位置上。每個(gè)開關(guān)有兩個(gè)位置， 向上撥到寫有ON的位置打開開關(guān)， 表示此通道接收的是電流信號(hào)； 向下?lián)艿郊^位置關(guān)閉關(guān)， 表示此通道接收的是電壓信號(hào). 設(shè)置好之后就可以把此模塊插入指定的槽位。由于模擬信號(hào)量對(duì)于PLC來說只有兩種： 電壓和電流， 因此我們需要根據(jù)工程的實(shí)際情況選用其中的一種. 在我們的工程中， 用到的都是電流量， 而電壓量的情況基本同電流量一樣， 以下就以電流量為例進(jìn)行明。

4 調(diào)試

模擬模塊的輸入口. 這種儀表是和液位傳感器配套使用的， 它能將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液位的深度直接顯示出來， 從而便于和PLC 程序中的整定工程量相比較， 大大方便了調(diào)試.在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中， 隨著水位的不斷變化，通過在線調(diào)試軟件查看內(nèi)存單元N 7： 0 單元， 我們看到軟件指令整定出來的工程量與數(shù)顯表上的顯示值是一樣的， 這證明了我們軟件組態(tài)的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

高性能模擬量輸入模塊的出現(xiàn)， 已經(jīng)大大擴(kuò)展了PLC 的應(yīng)用范圍. 但在使用中，這種模塊除了需要進(jìn)行一定的硬件設(shè)置外，一般都需要進(jìn)行軟件的組態(tài)設(shè)置來初始化各種模擬量輸入端口，軟件組態(tài)中的各項(xiàng)參數(shù)選擇一般需要用戶根據(jù)實(shí)際情況來選取。

信號(hào)由液位傳感器輸出后， 經(jīng)過帶屏蔽的雙絞線直接接到一塊量程是0～10000 mm 具有數(shù)字顯示功能的儀表后， 再?gòu)脑摫淼奶囟ㄝ敵龆丝谕ㄟ^引線連接到PLC 的

The design ang realization of The AC parameter gathering Based on middle and small scale PLC

ZHANG MJING
（AVIC LANDING-GEAR LAMC Hanzhong, Shaanxi 723200)

The paper introduces the conf iguration and debugging of the analog signal input modu leof PLC. The emp hasis is pu t on the conf igurat ion of the inpu tmodule, and the engineering implementation by scaling the analog parameters With the development of the micro electronic and microcomputer control ,the operation and I/ O function of the programmale logic controller has become increasingly powerful.After introducing the A/ D and D/ A , PLC iscurrently able to solve more than the simple logic control of discrete output. Taking Modicon Micro PLC analog channel as example ,it is fully described how to apply the PLC analog channel to the field of data collection and process ,including the hardware deployment ,working flow and the detail of ladder program.This paper introduces a design method of adding analogy signal serial input interface to low pricePLC .The hardware structure and its working principle is given , program (ladder diagram) and times is illustratedin detail .It is verified in practice that this interface is satisfied mostly for sampling analogy signal.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.069

作者簡(jiǎn)歷

張明，籍貫 山西 原平，1961年出生， 本科；，單位：中航工業(yè)飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司（燎原分公司）。