模擬量標(biāo)度變換在PLC工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

張閣

摘 要：西門(mén)子S7-300 PLC中，模擬量標(biāo)度變換功能FC105和FC106能夠簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)模擬量輸入輸出數(shù)據(jù)在預(yù)置范圍內(nèi)的線性轉(zhuǎn)換計(jì)算。該功能與模擬量的復(fù)雜函數(shù)運(yùn)算相比較，還具有運(yùn)算精度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。文章以三相交流異步電動(dòng)機(jī)PID調(diào)速系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了其良好的控制效果，對(duì)今后從事PLC工程項(xiàng)目的技術(shù)人員有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：模擬量 標(biāo)度變換 PLC 工程項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）12-0-02

引言

一般工業(yè)控制系統(tǒng)是用實(shí)際物理量作為監(jiān)控信息，所以實(shí)際物理量在不同標(biāo)度下必須進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換來(lái)滿足工程項(xiàng)目需求。在工程項(xiàng)目系統(tǒng)中，尤其是過(guò)程控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、流量等物理量信號(hào)都需要轉(zhuǎn)換為4～20mA電流或者0～5V電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供PLC等控制器直接采集和計(jì)算，處理時(shí)不僅要考慮控制器采集外部模擬量信號(hào)的運(yùn)算能力，還要考慮外部硬件對(duì)采樣時(shí)間、分辨率、精度和響應(yīng)時(shí)間的影響[1]。例如過(guò)程控制系統(tǒng)中溫度是一個(gè)緩慢變化的物理量，一般技術(shù)人員解決此類模擬量信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間、采樣時(shí)間及函數(shù)運(yùn)算有較大的困難，因而實(shí)際工程應(yīng)用就產(chǎn)生了很多繁瑣技術(shù)問(wèn)題。本文詳細(xì)地介紹了西門(mén)子S7-300 PLC中模擬量標(biāo)度變換原理，解決了PLC系統(tǒng)中復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)了西門(mén)子S7-300 PLC模擬量輸入輸出信號(hào)控制西門(mén)子MM420變頻器的三相交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其中人機(jī)交互界面（HMI）實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而PLC通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)控制變頻器運(yùn)行，所以必須進(jìn)行標(biāo)度變換才能滿足控制要求。系統(tǒng)中用模擬量電壓輸出作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，模擬量電流輸入作為反饋信號(hào)，應(yīng)用西門(mén)子全集成自動(dòng)化軟件（STEP-7）中的標(biāo)度轉(zhuǎn)換功能FC105、FC106及PID模塊實(shí)現(xiàn)了控制效果。[1]

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以S7-300系列的CPU 314C-2DP型PLC為控制核心，西門(mén)子TP177B型HMI為監(jiān)控，MM420變頻器為三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的PID調(diào)速控制。如圖1所示為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖，主要包括電源、PLC、觸摸屏及變頻器四部分。

1.電源部分

系統(tǒng)采用三相五線制交流電源，通過(guò)斷路器QF控制其通斷，同時(shí)也為MM420變頻器提供了輸入電源。L3和N端輸出單相交流電源輸入到開(kāi)關(guān)電源的L和N端，開(kāi)關(guān)電源輸出+24V直流電源給PLC和觸摸屏供電，且開(kāi)關(guān)電源接入PE接地保護(hù)。

2.PLC核心部分

PLC控制器上輸入1L+和1M電源端，輸出2L+、2M電源端子都連接直流+24V電源。I0.0為輸入端口，接一急停開(kāi)關(guān)ES作為系統(tǒng)急停保護(hù)；Q0.0、Q0.2及Q0.3為輸出端口，Q0.0和Q0.2分別接變頻器DIN1和DIN2數(shù)字量輸入端子控制變頻器啟停，Q0.3接指示燈HL用作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示；AO0為模擬量輸出端口，輸出0～10V電壓信號(hào)控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速；AI0為模擬量輸入端口采集變頻器4～20mA電流信號(hào)作為反饋采樣信號(hào)；X2 DP為工業(yè)通訊接口和HMI進(jìn)行Profibus—DP通訊。

3.觸摸屏部分

觸摸屏+24V、GND為電源端接直流+24V電源，1F1B為通訊接口接PLC的DP口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

4.變頻器調(diào)速部分

MM420為西門(mén)子系列小型變頻器，由三相交流電源斷路器QF二次側(cè)經(jīng)熔斷器FU1后接入L1、L2及L3端子上為變頻器供電；U、V及W為變頻輸出電源端給三相交流異步電動(dòng)機(jī)M供電；DIN1和DIN2為數(shù)字量輸入端子接PLC的Q0.0和Q0.2；AI+和AI-為變頻器模擬量輸入端子接PLC的AO0口；AO+和AO-為變頻器模擬量輸出端子接PLC的AI0口。

二、系統(tǒng)的運(yùn)算處理

系統(tǒng)應(yīng)用西門(mén)子S7-300PLC模擬量線性化轉(zhuǎn)換功能FC105和FC106進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了PLC內(nèi)部數(shù)值與外部實(shí)際工程數(shù)值的線性轉(zhuǎn)換。下文結(jié)合工程項(xiàng)目詳細(xì)分析標(biāo)度變換原理和使用方法。

1.FC105功能

FC105功能將一個(gè)整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為上、下限預(yù)置范圍的實(shí)際工程值，可以作為人機(jī)界面顯示、通訊等實(shí)際物理量，實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，即A/D轉(zhuǎn)換功能。在實(shí)際工程項(xiàng)目中分為無(wú)極性和有極性兩種標(biāo)度變換，即在標(biāo)度變換中只有模擬量信號(hào)為正值參與的變換為無(wú)極性標(biāo)度變換，模擬量信號(hào)既有正直也有負(fù)值參與的變換為有極性變換，如圖2（a）和（b）分別為有極性和無(wú)極性標(biāo)度變換曲線，其中x表示標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，y表示工程實(shí)際物理量值。

系統(tǒng)不考慮電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行的情況下，轉(zhuǎn)速0～1400r/min要進(jìn)行無(wú)極性標(biāo)度變換。在FC105和FC106中_BIPOLAR預(yù)置0則為無(wú)極性變換，預(yù)置1為有極性變換。如表達(dá)式1是圖1（a）有極性變換的函數(shù)關(guān)系，在出現(xiàn)類似-5V～+5V模擬量信號(hào)應(yīng)用該變換完成控制要求。如圖3是FC105的功能圖，PLC采集的實(shí)際模擬量值通過(guò)MW12保存在PIW映像寄存器中給_IN，設(shè)定上下限LO_LIM和HI_LIM分別為0和1400，則對(duì)應(yīng)計(jì)算出實(shí)際模擬量對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值在_OUT中，然后給數(shù)據(jù)塊DB1.DBD8作為HMI界面的監(jiān)控值。

2.FC106功能

FC106功能將一個(gè)實(shí)際工程值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，即D/A轉(zhuǎn)換。在工程項(xiàng)目中同樣分為無(wú)極性和有極性標(biāo)度變換，如下圖2的（a）和（b）所示，圖中x表示標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，y表示工程實(shí)際物理量值。

用0～5V電壓信號(hào)輸入變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，其中0～5V屬于無(wú)極性模擬量輸出變換，下文表達(dá)式2是圖2（b）無(wú)極性模擬量輸出標(biāo)度變換曲線的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)HMI將實(shí)際轉(zhuǎn)速值傳送到數(shù)據(jù)塊DB1.DBD4中給_IN端，設(shè)定上下限LO_LIM和HI_LIM分別為0和5，則對(duì)應(yīng)計(jì)算出模擬量給輸出給MW12到映像寄存器PQW中，PLC會(huì)產(chǎn)生模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)變頻器運(yùn)行，如圖4是FC106的功能圖。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

1.程序設(shè)計(jì)

Step-7軟件中PID功能塊包括連續(xù)控制功能塊F41（CONT_C），步進(jìn)控制功能塊F42（CONT_S）以及具有產(chǎn)生脈沖調(diào)制的功能塊F43（PULSEGEN），三者與FC105及FC106有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)一個(gè)純軟件PID控制器。系統(tǒng)是用電壓電流模擬量信號(hào)控制變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因而采用連續(xù)控制功能F41，其一般函數(shù)關(guān)系如表達(dá)式3所示。

（表達(dá)式3）

式中e（t）為系統(tǒng)誤差，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，u0為前一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值。

由表達(dá)式3及F41實(shí)現(xiàn)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。F41中系統(tǒng)設(shè)定值（SP_INT）為HMI上數(shù)據(jù)塊（DB）經(jīng)過(guò)FC105標(biāo)度變換后的值，被控變量測(cè)量值（PV_IN）為反饋電流信號(hào)4～20mA標(biāo)度轉(zhuǎn)換值，SP_INT和PV_IN經(jīng)過(guò)差值運(yùn)算生成誤差信號(hào)ER，誤差信號(hào)分別經(jīng)比例、積分和微分運(yùn)算后進(jìn)行求和處理，然后經(jīng)規(guī)格化和限幅后通過(guò)LMN輸出0.0～100.0范圍內(nèi)數(shù)據(jù)，再用F106標(biāo)度變換后給PQW輸出0～5V電壓模擬量值就可以精確控制電機(jī)運(yùn)行，整定參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)了如圖6所示的程序流程圖?？刂瞥绦虬ㄖ鞒绦颍∣B1）、初始化程序（OB100）、循環(huán)中斷程序（OB35）。初始化程序OB100在PLC上電第一個(gè)掃描周期進(jìn)行參數(shù)的初始化，將轉(zhuǎn)速設(shè)定值、PID控制參數(shù)賦初值并開(kāi)啟PID功能。主程序OB1實(shí)現(xiàn)模擬量輸入信號(hào)濾波和FC105標(biāo)度變換輸入，模擬量輸出信號(hào)FC106標(biāo)度變換輸出。循環(huán)中斷程序OB35按照固定的時(shí)間間隔循環(huán)調(diào)用PID程序塊FB41循環(huán)時(shí)間為100ms。

2.界面設(shè)計(jì)

如圖7所示為HMI界面，界面左側(cè)為曲線顯示區(qū)域，其中橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線；界面右側(cè)有參數(shù)監(jiān)控區(qū)域，包括設(shè)定值、反饋值及轉(zhuǎn)速值三個(gè)變量；界面右下側(cè)還有啟動(dòng)和退出按鈕。如圖7在觸摸屏界面上輸入變量設(shè)定轉(zhuǎn)速值為700r/min，按下啟動(dòng)按鈕，PID調(diào)速曲線動(dòng)態(tài)顯示在左側(cè)顯示區(qū)域，實(shí)際轉(zhuǎn)速值697.3r/min顯示在界面右下側(cè)。

3.結(jié)果分析

根據(jù)編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，在HMI界面監(jiān)控動(dòng)態(tài)參數(shù)和曲線，測(cè)試了PID調(diào)速系統(tǒng)5組數(shù)據(jù)，如表2所示，包括了轉(zhuǎn)速設(shè)定值、反饋值、實(shí)際輸出值和誤差分析。如轉(zhuǎn)速設(shè)定值100r/min，電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為99.8r/min，轉(zhuǎn)速誤差為0.2%，相應(yīng)電流反饋值5.13mA轉(zhuǎn)換為實(shí)際轉(zhuǎn)速值為98.9r/min，在PLC系統(tǒng)PID動(dòng)態(tài)曲線穩(wěn)定范圍。同樣驗(yàn)證其他四組數(shù)據(jù)都滿足PID控制系統(tǒng)要求，驗(yàn)證了模擬量標(biāo)度變換功能FC105和FC106在PID調(diào)速系統(tǒng)中具有方便和精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

文章詳細(xì)地介紹了西門(mén)子S7-300PLC模擬量標(biāo)度變換功能FC105和FC106的原理，應(yīng)用其設(shè)計(jì)了PID調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)果分析達(dá)到了期望控制效果。表明了PLC工程項(xiàng)目中應(yīng)用模擬量不用復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和參數(shù)調(diào)整，只要簡(jiǎn)單地應(yīng)用標(biāo)度變換就很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，能夠?yàn)閺氖翽LC技術(shù)人員提供參考價(jià)值。