蒸發(fā)器中模擬量輸入信號(hào)的干擾原因分析

摘 要：本論文主要通過(guò)對(duì)西門(mén)子SM331模塊的硬件結(jié)構(gòu)和在軟件中數(shù)據(jù)處理方式的分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)際編程測(cè)試和監(jiān)控，找出模塊各通道之間的聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)不同傳感器信號(hào)和接線(xiàn)方式對(duì)SM331模塊的干擾，從理論上對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中所發(fā)生的問(wèn)題予以解釋和說(shuō)明，經(jīng)過(guò)改變接線(xiàn)方式和排除干擾源后，信號(hào)失真現(xiàn)象得到有效控制?，F(xiàn)將分析結(jié)果總結(jié)如下，對(duì)如何避免模擬信號(hào)失真所有借鑒。

關(guān)鍵詞：SM331；信號(hào)干擾；PLC；蒸發(fā)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

SM331模塊用于模擬量輸入，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為CPU內(nèi)部處理的數(shù)字信號(hào)，是在西門(mén)子控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的電器元件。SM331模塊在我所研發(fā)的番茄醬蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中的作用也是非常重要，它不但對(duì)各效液位、糖度、蒸汽壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，還作為輸入量對(duì)氣動(dòng)閥和變頻器進(jìn)行PID控制，如果生產(chǎn)情況中SM331模塊實(shí)效，則整個(gè)蒸發(fā)器將無(wú)法工作，會(huì)帶來(lái)比較大的損失。在近兩年實(shí)際對(duì)蒸發(fā)器的調(diào)試中，曾出現(xiàn)了多次SM331模塊通道失效情況，這給生產(chǎn)帶來(lái)非常大的麻煩。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可排除傳感器的硬件問(wèn)題，因此對(duì)此加以分析，找到不同傳感器信號(hào)和接線(xiàn)方式對(duì)SM331模塊的影響和干擾，進(jìn)而在電氣設(shè)計(jì)和傳感器選型上予以注意和改正，這對(duì)蒸發(fā)器能正常連續(xù)工作具有很大意義。

1 SM331模塊的硬件和軟件分析

SM331模塊用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理的數(shù)字信號(hào)，其內(nèi)部主要有內(nèi)部電源、多路開(kāi)關(guān)、A＼D轉(zhuǎn)換器、光電隔離和邏輯電路等部分組成。SM331模塊的各個(gè)通道可以分別使用電流、電壓或者電阻輸入。另外SM331模塊根據(jù)轉(zhuǎn)換精度不同可以分為15、14、13、12、9位等類(lèi)型。在蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中采用的是6ES7331-7KF02-0AB0型模擬量輸入模塊，其轉(zhuǎn)換精度為12位，可以測(cè)量電流、電阻、電壓和溫度，各通道之間具有隔離作用。

1.1 6ES7331-7KF02-0AB0的硬件分析

6ES7331-7KF02-0AB0模塊是8通道12位模擬量轉(zhuǎn)換模塊，輸入為2線(xiàn)制屏蔽雙絞電纜，并且模擬量信號(hào)電纜的屏蔽層兩端應(yīng)接地。在不同的接線(xiàn)方式和傳感器類(lèi)型下，模塊的公共端M端和測(cè)量電路參考點(diǎn)Mana（通常是模塊端子的10和11）應(yīng)采取不同的連接方式，以消除參考電壓Uana和CPU的M端之間的電位差Uiso，防止產(chǎn)生共模電壓Ucm，此電位差可能是因?yàn)殡姶鸥蓴_或者傳感器不合理的接線(xiàn)和布局造成的，因此通過(guò)不同的接線(xiàn)方式應(yīng)避免產(chǎn)生共模電壓。

S7-300系列CPU用16位二進(jìn)制數(shù)連表示模擬量，其中最高位（15）為符號(hào)為，0表示正，1表示負(fù)。6ES7331-7KF02-0AB0模塊精度為12位，其中后3位用0補(bǔ)齊，相當(dāng)于實(shí)際值被放大了8倍，也就是說(shuō)精度為12位的分度是精度為15位的8倍。由于蒸發(fā)器所用模擬輸入量大多是4-20ma電流，所以理解電流和所變換的2進(jìn)制值所對(duì)應(yīng)的關(guān)系也十分重要。在實(shí)際情況中，通過(guò)STEP7監(jiān)控軟件可以時(shí)時(shí)觀(guān)察模擬量的輸入情況，正常范圍應(yīng)該是從0-27648。

1.2 6ES7331-7KF02-0AB0在程序中的數(shù)據(jù)處理

通過(guò)6ES7331-7KF02-0AB0所獲得的每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)都會(huì)得到PLC內(nèi)部的一個(gè)雙字節(jié)16位的地址，比如液位的地址是PIW256，地址的分配可以自定義，在6ES7331-7KF02-0AB0模塊屬性里可以定義，程序的地址和模塊定義地址必須一致。從模擬量模塊得到的數(shù)據(jù)主要有2個(gè)用途，第一：經(jīng)過(guò)FC105模塊處理后在觸摸屏上顯示，第二：作為FB41模塊的測(cè)量值，對(duì)氣動(dòng)閥門(mén)或者變頻器進(jìn)行PID控制。

1.2.1 FC105模塊的作用。FC105模塊的作用主要是標(biāo)定上下限，比如在實(shí)際應(yīng)用中上限液位所對(duì)應(yīng)的電流輸出不需要20ma，所需要的下限電流也不需要為0ma，通過(guò)FC105模塊就可以并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之間的實(shí)型值，自定義上下限。

其中IN1為標(biāo)定上限值，IN2為標(biāo)定下限值，PIW256為模塊輸入值，DB1.DBD0為0-132變化的實(shí)型值，用于顯示液位。IN1、IN2的值可通過(guò)OUT=[（（FLOAT（IN）-K1）/（K2-K1））*（HI_LIM-LO_LIM）]+LO_LIM，建立兩個(gè)方程組得出。PIW256可以通過(guò)軟件監(jiān)控，模塊通道是否正常工作可以由此反映出來(lái)。

1.2.2 FB41模塊的作用。FB41\"CONT_C\"模塊主要功能是進(jìn)行連續(xù)控制，F(xiàn)B41模塊是PLC自帶程序模塊，可以直接調(diào)用，F(xiàn)B41模塊實(shí)際就是一個(gè)由測(cè)量值和設(shè)定值比較后，通過(guò)PID計(jì)算輸出一個(gè)同樣是模擬量信號(hào)的過(guò)程。PID參數(shù)和設(shè)定值可以直接在模塊參數(shù)上設(shè)定。

2 6ES7331-7KF02-0AB0接線(xiàn)方式及其對(duì)模塊的干擾分析

6ES7331-7KF02-0AB0輸入量可以是電流、電壓、電阻及溫度，傳感器可以是帶隔離的，也可以是不帶隔離的，不同的傳感器和接線(xiàn)方式都會(huì)對(duì)模塊產(chǎn)生一定的干擾，如果不采取相應(yīng)的措施，會(huì)影響模塊的正常工作。以下將詳細(xì)論述不同的連接方式以及消除干擾的方法，最后將結(jié)合實(shí)例分析對(duì)于電流輸入產(chǎn)生干擾的原因。

2.1 6ES7331-7KF02-0AB0的接入方式種類(lèi)

模擬量輸入通?？梢苑譃?種情況：帶隔離的傳感器與帶隔離的模塊的連接、帶隔離的傳感器與不帶隔離的模塊的連接、不帶隔離傳感器與帶隔離的模塊的連接，不帶隔離傳感器與不帶隔離的模塊的連接。

2.1.1 帶隔離的傳感器與帶隔離的模塊的連接。對(duì)與帶隔離的模塊，在CPU的M端和測(cè)量電路的參考點(diǎn)Mana端之間沒(méi)有電氣連接，所以2者之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位差Uiso。對(duì)于帶隔離的傳感器，在不同傳感器之間會(huì)引起電位差。這些電位差可能是由于干擾或傳感器的本地布置情況造成的。為了防止在具有強(qiáng)烈電磁干擾的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)超過(guò)Ucm的允許值，建議將M-與Mana連接（如圖1）。

圖1 連接帶隔離的傳感器至帶隔離的模擬輸入模塊

2.1.2 帶隔離的傳感器與不帶隔離的模塊的連接。對(duì)于不帶隔離的模塊，在M端必須和參考點(diǎn)Mana建立電氣連接，否則再輸入通道的測(cè)量線(xiàn)負(fù)端M-和參考點(diǎn)Mana會(huì)發(fā)生電位差Ucm（共模電壓），為了防止在具有強(qiáng)烈電磁干擾的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)超過(guò)Ucm的允許值，建議將M-與Mana連接（如圖2）。

圖2 連接帶隔離的傳感器至不帶隔離的模擬輸入模塊

2.1.3 不帶隔離的傳感器與帶隔離的模塊的連接。由于本地條件或干擾，在本地分部的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間會(huì)造成電位差Ucm（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)）。如果電位差Ucm超過(guò)允許值，在測(cè)量點(diǎn)之間必須短接。如果使用的是不帶隔離的傳感器，必須將Mana連接至本地接地。

2.1.4 不帶隔離的傳感器與不帶隔離的模塊的連接。不帶隔離的模塊在M端必須和參考點(diǎn)Mana建立電氣連接，因此除了在測(cè)量點(diǎn)之間必須使用等位電線(xiàn)連接導(dǎo)線(xiàn)，還應(yīng)該建議將M-與Mana連接（如圖3）。

圖3 不連接帶隔離的傳感器至不帶隔離的模擬輸入模塊

M+：測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)（正） M：接地端子 M-：測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)（負(fù)） L+：24 VDC電源端子 Mana：模擬測(cè)量電路的參考電壓

2.2 6ES7331-7KF02-0AB0在蒸發(fā)器中的實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 ZFQ-1500噸蒸發(fā)器。1500噸型蒸發(fā)器在正常生產(chǎn)過(guò)程中有一個(gè)模擬量輸入模塊的四個(gè)通道的值變成32767，觸摸屏上壓力和糖度全部一直顯示最大值。用萬(wàn)用表測(cè)量輸入模擬量模塊的電流全部為2ma左右，低于輸出下限，所以可初步斷定是由于干擾引起的電流失真。用監(jiān)控軟件監(jiān)測(cè)到模塊的輸入值為32767，超出了它的最大值24768。由于糖度儀和壓力傳感器電源均和模塊供電電源一致，屬于無(wú)隔離傳感器，為防止M-和Mana之間的電位差超過(guò)允許值，應(yīng)采取圖3-5的連接方式。另外糖度儀和壓力傳感器在同一模塊內(nèi)，且糖度儀屬于四線(xiàn)制輸入，為帶隔離傳感器，它電流的負(fù)端M-可以不與Mana端接，以免互相干擾。在傳感器尤其是模擬量輸入輸出的線(xiàn)一定要采用屏蔽線(xiàn)，且屏蔽層要接地，在布線(xiàn)同時(shí)應(yīng)注意動(dòng)力線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)要分開(kāi)，防止干擾。

2.2.2 660噸蒸發(fā)器。在660噸蒸發(fā)器換過(guò)差壓傳感器后發(fā)現(xiàn)四個(gè)效的液位顯示0，同模塊的其他傳感器顯示正常，監(jiān)控程序發(fā)現(xiàn)四個(gè)輸入值全為負(fù)值，因?yàn)椴顗簜鞲衅髟谡９ぷ飨?，變送器輸出?yīng)該是正值。單獨(dú)加入電源測(cè)量發(fā)現(xiàn)輸出正常，通過(guò)模塊后的電流輸出為3-4ma。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)模塊Mana與CPU的M端沒(méi)有相連，因?yàn)?ES7331-7KF02-0AB0為非隔離模塊，所以模塊在M端必須和參考點(diǎn)Mana建立電氣連接，否則這些端子之間的電位差會(huì)破壞模擬量信號(hào)。另外，所有通道的負(fù)端M-應(yīng)該單獨(dú)和M端接，禁止所有通道用一根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)接到M端，這樣會(huì)引起不同通道之間信號(hào)的互相干擾。

3 結(jié)束語(yǔ)

模擬量輸入模塊運(yùn)用非常廣泛，它是PLC和傳感器之間的橋梁，由于傳感器的類(lèi)型和輸入方式越來(lái)越多，排除它們之間的干擾問(wèn)題就非常重要。本文根據(jù)不同的傳感器類(lèi)型，采用不同的接線(xiàn)方式和屏蔽措施，達(dá)到信號(hào)穩(wěn)定的目的。模擬量輸入模塊所采取的消除干擾措施，可以用到模擬量輸出或者其他對(duì)信號(hào)源要求比較穩(wěn)定的模塊上。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳忠平.PLC自學(xué)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]向曉漢.西門(mén)子PLC高級(jí)應(yīng)用實(shí)例精解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]劉鍇.深入淺出西門(mén)子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]馬丁.西門(mén)子PLC常用模塊與工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009（26）：43-45.

[5]張運(yùn)剛，宋小春.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：常源（1981.12-），男，山東臨清人，工程師，碩士，研究方向：電氣自動(dòng)化。

作者單位：北京航空制造工程研究所，北京 100024