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(共22张PPT)
项目四 电炉恒温控制系统的PLC控制
任务一 彩灯的PLC控制
任务二 模拟量输入值的采集
任务三 定时中断指令的应用
任务四 PID回路表的初始化程序
项目实施 电炉恒温控制系统的PLC控制
任务二 模拟量输入值的采集
一、项目任务
二、知识链接
三、项目实施
四、技能训练
一、项目任务
如某管道水的压力是（0～1Mpa），通过变送器化成（4～20mA）输出，经过EM231的A/D转化，0～20mA对应数字量范围是（0～32000），当压力大于0.8Mpa时指示灯亮。（0.8Mpa是对应的数字量是26880）
在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（如电动调节阀、变频器等）要求PLC输出模拟信号。
模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，例如直流4～20 mA，1～5 V或0～10 V等。 PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。
D/A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。
模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出），如图所示。
S7-200 CPU单元可以扩展A/D、D/A模块，从而可实现模拟量的输入和输出。
二、知识链接
工程量与模拟量、数字量转化
一、模拟量控制
（一）模拟量特殊模块介绍
1. 模拟量输入模块EM231
（1）模拟量输入寻址
通过A/D模块，S7-200 CPU可以将外部的模拟量（电流或电压）转换成一个字长（16位）的数字量（0～32 000）。
可以用区域标识符（AI）、数据长度（W）和模拟通道的起始地址读取这些量，其格式为：AIW[起始字节地址]。
因为模拟输入量为一个字长，且从偶数字节开始存放，所以必须从偶数字节地址读取这些值，如AIW0、AIW2、AIW4等。模拟量输入值为只读数据。
EM231的端子及DIP开关示意图
EM231选择模拟量输入范围的开关表
单极性 满量程输入 分辨率 双极性 满量程输入 分辨率
SW1 SW2 SW3
ON OFF ON 0～10 V 2.5 mV SW1 SW2 SW3
ON OFF 0～5 V 1.25 mV OFF OFF ON ±5 V 2.5 mV
0～20 mA 5 A ON OFF ±2.5 V 1.25 mV
（2）模拟量输入模块的配置和校准
使用EM 231和EM 235输入模拟量时，首先要进行模块的配置和校准。通过调整模块中的DIP开关，可以设定输入模拟量的种类（电流、电压）以及模拟量的输入范围、极性，如表所列。
设定模拟量输入类型后，需要进行模块的校准，此操作需通过调整模块中的“增益调整”电位器实现。
校准调节影响所有的输入通道。即使在校准以后，如果模拟量多路转换器之前的输入电路元件值发生变化，从不同通道读入同一个输入信号，其信号值也会有微小的不同。校准输入的步骤如下所述。
① 切断模块电源，用DIP开关选择需要的输入范围；
② 接通CPU和模块电源，使模块稳定15 min；
③ 用一个变送器、一个电压源或电流源，将零值信号加到模块的一个输入端；
④ 读取该输入通道在CPU中的测量值；
⑤ 调节模块上的OFFSET（偏置）电位器，直到读数为零或需要的数字值；
⑥ 将一个工程量的最大值（或满刻度模拟量信号）接到某一个输入端子，调节模块上的GAIN（增益）电位器，直到读数为32 000或需要的数字值。
⑦ 必要时重复上述校准偏置和增益的过程；
如输入电压范围是0～10 V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为0～32 000；电压为0 V时，数字量不一定是0，可能有一个偏置值，如图所示。
模拟量输入与数字量输出关系
（3）输入模拟量的读取
每个模拟量占用一个字长（16位），其中数据占12位。依据输入模拟量的极性，数据字格式有所不同。其格式如图所示。
单极性：215-23=32 760。
差值：32 760-32 000=760，通过调偏差/增益系统完成。
模拟量转换为数字量的12位读数是左对齐的。对单极性格式，最高位为符号位，最低3位是测量精度位，即A/D转换是以8为单位进行的；对双极性格式，最低4位为转换精度位，即A/D转换是以16为单位进行的。
在读取模拟量时，利用数据传送指令MOV-W，可以从指定的模拟量输入通道将其读取到内存中，然后根据极性，利用移位指令或整数除法指令将其规格化，以便于处理数据值部分。
（a）单极性；（b）双极性
2. 模拟量输出模块EM232
（1）模拟量输出寻址
下图是模拟量输出EM232端子及内部结构，通过D/A模块，S7-200 CPU把一个字长（16位）的数字量（0～32 000）按比例转换成电流或电压。
用区域标识符（AQ）、数据长度（W）和模拟通道的起始地址存储这些量。其格式为：AQW［起始字节地址］。
（2）模拟量的输出
模拟量的输出范围为-10～+10 V和0～20 mA（由接线方式决定），对应的数字量分别为-32 000～＋32 000和0～32 000。
模拟量数据输出值是左对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。最低4位是4个连续的0，在转换为模拟量输出值时将自动屏蔽，而不会影响输出信号值。
（二）模拟量数据的处理
1. 模拟量输入信号的整定
通过模拟量输入模块转换后的数字信号直接存储在S7-200系列PLC的模拟量数据输出值拟量输入存储器AIW中。这种数字量与被转换的结果之间有一定的函数对应关系，但在数值上并不相等，必须经过某种转换才能使用。这种将模拟量输入模块转换后的数字信号在PLC内部按一定函数关系进行转换的过程称为模拟量输入信号的整定。
模拟量输入信号的整定通常需要考虑以下几个问题。
（1）模拟量输入值的数字量表示方法
模拟量输入值的数字量表示方法即模拟量输入模块数据的位数是多少？是否从数据字的第0位开始？若不是，应进行移位操作使数据的最低位排列在数据字的第0位上，以保证数据的准确性。如EM231模拟量输入模块，在单极性信号输入时，模拟量的数据值是从第3位开始的，因此数据整定的任务是把该数据字右移3位。
（2）模拟量输入值的数字量表示范围
该范围由模拟量输入模块的转换精度决定的。如果输入量的范围大于模块可能表示的范围，则可以使输入量的范围限定在模块表示的范围内。
（3）系统偏移量的消除
系统偏移量是指在无模拟量信号输入情况下由测量元件的测量误差及模拟量输入模块的转换死区所引起的，具有一定数值的转换结果。消除这一偏移量的方法是在硬件方面进行调整（如调整EM231中偏置电位器）或使用PLC的运算指令消除。
（4）过程量的最大变化范围
过程量的最大变化范围与转换后的数字量最大变化范围应有一一对应的关系，这样就可以使转换后的数字量精确地反映过程量的变化。如用0～0 FH反映0～10 V的电压与用0～FFH反映0～10 V的电压相比较，后者的灵敏度或精确度显然要比前者高得多。
（5）标准化问题
从模拟量输入模块采集到的过程量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都不同，在PLC内部进行数据运算之前，必须将这些值转换为无量纲的标准格式。
（6）数字量滤波问题
电压、电流等模拟量常常会因为现场干扰而产生较大波动。这种波动经A/D转换后亦反映在PLC的数字量输入端。若仅用瞬时采样值进行控制计算，将会产生较大误差，因此有必要进行滤波。
工程上的数字滤波方法有平均值滤波、去极值平均滤波以及惯性滤波法等。
2. 模拟量输出信号的整定
在PLC内部进行模拟量输入信号处理时，通常把模拟量输入模块转换后的数字量转换为标准工程量，经过工程实际需要的运算处理后，可得出上下限报警信号及控制信息。
报警信息经过逻辑控制程序可直接通过PLC的数字量输出点输出，而控制信息需要暂存到模拟量存储器AQWx中，经模拟量输出模块转换为连续的电压或电流信号输出到控制系统的执行部件，以便进行调节。
模拟量输出信号的整定就是要将PLC的运算结果按照一定的函数关系转换为模拟量输出寄存器中的数字值，以备模拟量输出模块转换为现场需要的输出电压或电流。
【例1】已知在某温度控制系统中由PLC控制温度的升降。当PLC的模拟量输出模块输出10 V电压时，要求系统温度达到500℃，现PLC的运算结果为200℃，则应向模拟量输出存储器AQWx写入的数字量为多少？这就是一个模拟量输出信号的整定问题。
显然，解决这一问题的关键是要了解模拟量输出模块中的数字量与模拟量之间的对应关系，这一关系通常为线性关系。如EM232模拟量输出模块输出的0～10 V电压信号对应的内部数字量为0～32 000。上述运算结果200℃所对应的数字量可用简单的算术运算程序得出。(12800)
【例2】某D/A转换通过EM232进行，输出驱动变频器工作，信号是（4～20mA）时对应的频率范围是（10Hz～50Hz），求数字量为20000时的频率。（12.5Hz）
三、项目实施
解：工程量与模拟量、模拟量与数字量的对应关系如图所示。
0.8 Mpa时的电流值为
X={(20-4)×(0.8-0)/(1-0)}+4
0.8 Mpa时的信号量是：X=16.8 mA；
对应的数字量是
N={(32 000-0)×(16.8-0)/(20-0)}+0
0.8 Mpa时的数字量是：N=26 880；
四、技能训练
1、量程为0～10Mpa的压力变送器的输出信号为DC4～20mA，模拟量输入模块将0～20mA转换为0～32000的数字量。假设某时刻的模拟量输入为10mA，试计算转换后的数字值。
2、假设模拟量输出量量程设定为0～10V，编写程序将数字量1000、3000、9000、27000转化为对应的模拟量电压值。

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