模擬量標度變換在PLC工程項目中的應用

張閣

摘 要：西門子S7-300 PLC中，模擬量標度變換功能FC105和FC106能夠簡便地實現模擬量輸入輸出數據在預置范圍內的線性轉換計算。該功能與模擬量的復雜函數運算相比較，還具有運算精度高和穩定性好的特點。文章以三相交流異步電動機PID調速系統為例，驗證了其良好的控制效果，對今后從事PLC工程項目的技術人員有一定的參考價值。

關鍵詞：模擬量 標度變換 PLC 工程項目

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-02

引言

一般工業控制系統是用實際物理量作為監控信息，所以實際物理量在不同標度下必須進行線性轉換來滿足工程項目需求。在工程項目系統中，尤其是過程控制系統中的溫度、壓力、流量等物理量信號都需要轉換為4～20mA電流或者0～5V電壓標準信號供PLC等控制器直接采集和計算，處理時不僅要考慮控制器采集外部模擬量信號的運算能力，還要考慮外部硬件對采樣時間、分辨率、精度和響應時間的影響[1]。例如過程控制系統中溫度是一個緩慢變化的物理量，一般技術人員解決此類模擬量信號的響應時間、采樣時間及函數運算有較大的困難，因而實際工程應用就產生了很多繁瑣技術問題。本文詳細地介紹了西門子S7-300 PLC中模擬量標度變換原理，解決了PLC系統中復雜數據運算的問題，提高了系統的精度和穩定性。

設計了西門子S7-300 PLC模擬量輸入輸出信號控制西門子MM420變頻器的三相交流異步電動機調速系統，其中人機交互界面（HMI）實時監控電動機的轉速，而PLC通過工業標準電壓電流信號控制變頻器運行，所以必須進行標度變換才能滿足控制要求。系統中用模擬量電壓輸出作為驅動信號，模擬量電流輸入作為反饋信號，應用西門子全集成自動化軟件（STEP-7）中的標度轉換功能FC105、FC106及PID模塊實現了控制效果。[1]

一、系統的總體設計

系統以S7-300系列的CPU 314C-2DP型PLC為控制核心，西門子TP177B型HMI為監控，MM420變頻器為三相交流異步電機驅動器，實現了電動機的PID調速控制。如圖1所示為系統總體設計原理圖，主要包括電源、PLC、觸摸屏及變頻器四部分。

1.電源部分

系統采用三相五線制交流電源，通過斷路器QF控制其通斷，同時也為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關電源的L和N端，開關電源輸出+24V直流電源給PLC和觸摸屏供電，且開關電源接入PE接地保護。

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，接一急停開關ES作為系統急停保護；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數字量輸入端子控制變頻器啟停，Q0.3接指示燈HL用作系統運行狀態指示；AO0為模擬量輸出端口，輸出0～10V電壓信號控制變頻器驅動電機調速；AI0為模擬量輸入端口采集變頻器4～20mA電流信號作為反饋采樣信號；X2 DP為工業通訊接口和HMI進行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口進行數據收發。

4.變頻器調速部分

MM420為西門子系列小型變頻器，由三相交流電源斷路器QF二次側經熔斷器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機M供電；DIN1和DIN2為數字量輸入端子接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、系統的運算處理

系統應用西門子S7-300PLC模擬量線性化轉換功能FC105和FC106進行數據運算，實現了PLC內部數值與外部實際工程數值的線性轉換。下文結合工程項目詳細分析標度變換原理和使用方法。

1.FC105功能

FC105功能將一個整型數據轉換為上、下限預置范圍的實際工程值，可以作為人機界面顯示、通訊等實際物理量，實現模擬量轉換為數字量，即A/D轉換功能。在實際工程項目中分為無極性和有極性兩種標度變換，即在標度變換中只有模擬量信號為正值參與的變換為無極性標度變換，模擬量信號既有正直也有負值參與的變換為有極性變換，如圖2（a）和（b）分別為有極性和無極性標度變換曲線，其中x表示標準模擬量信號，y表示工程實際物理量值。

系統不考慮電動機反向運行的情況下，轉速0～1400r/min要進行無極性標度變換。在FC105和FC106中_BIPOLAR預置0則為無極性變換，預置1為有極性變換。如表達式1是圖1（a）有極性變換的函數關系，在出現類似-5V～+5V模擬量信號應用該變換完成控制要求。如圖3是FC105的功能圖，PLC采集的實際模擬量值通過MW12保存在PIW映像寄存器中給_IN，設定上下限LO_LIM和HI_LIM分別為0和1400，則對應計算出實際模擬量對應的實際轉速值在_OUT中，然后給數據塊DB1.DBD8作為HMI界面的監控值。

2.FC106功能

FC106功能將一個實際工程值轉換成標準模擬量信號，實現數字量轉換為模擬量，即D/A轉換。在工程項目中同樣分為無極性和有極性標度變換，如下圖2的（a）和（b）所示，圖中x表示標準模擬量信號，y表示工程實際物理量值。

用0～5V電壓信號輸入變頻器驅動電機運行，其中0～5V屬于無極性模擬量輸出變換，下文表達式2是圖2（b）無極性模擬量輸出標度變換曲線的函數關系，通過HMI將實際轉速值傳送到數據塊DB1.DBD4中給_IN端，設定上下限LO_LIM和HI_LIM分別為0和5，則對應計算出模擬量給輸出給MW12到映像寄存器PQW中，PLC會產生模擬量標準信號驅動變頻器運行，如圖4是FC106的功能圖。

三、系統的軟件設計與結果分析

1.程序設計

Step-7軟件中PID功能塊包括連續控制功能塊F41（CONT_C），步進控制功能塊F42（CONT_S）以及具有產生脈沖調制的功能塊F43（PULSEGEN），三者與FC105及FC106有效結合實現一個純軟件PID控制器。系統是用電壓電流模擬量信號控制變頻器實現轉速調節，因而采用連續控制功能F41，其一般函數關系如表達式3所示。

（表達式3）

式中e（t）為系統誤差，Kp為比例系數，Ti為積分時間，Td為微分時間，u0為前一時刻的轉速值。

由表達式3及F41實現PID控制系統結構如圖5所示。F41中系統設定值（SP_INT）為HMI上數據塊（DB）經過FC105標度變換后的值，被控變量測量值（PV_IN）為反饋電流信號4～20mA標度轉換值，SP_INT和PV_IN經過差值運算生成誤差信號ER，誤差信號分別經比例、積分和微分運算后進行求和處理，然后經規格化和限幅后通過LMN輸出0.0～100.0范圍內數據，再用F106標度變換后給PQW輸出0～5V電壓模擬量值就可以精確控制電機運行，整定參數見表1。

根據以上分析設計了如圖6所示的程序流程圖。控制程序包括主程序（OB1）、初始化程序（OB100）、循環中斷程序（OB35）。初始化程序OB100在PLC上電第一個掃描周期進行參數的初始化，將轉速設定值、PID控制參數賦初值并開啟PID功能。主程序OB1實現模擬量輸入信號濾波和FC105標度變換輸入，模擬量輸出信號FC106標度變換輸出。循環中斷程序OB35按照固定的時間間隔循環調用PID程序塊FB41循環時間為100ms。

2.界面設計

如圖7所示為HMI界面，界面左側為曲線顯示區域，其中橫坐標表示系統調節時間，縱坐標表示轉速調節曲線；界面右側有參數監控區域，包括設定值、反饋值及轉速值三個變量；界面右下側還有啟動和退出按鈕。如圖7在觸摸屏界面上輸入變量設定轉速值為700r/min，按下啟動按鈕，PID調速曲線動態顯示在左側顯示區域，實際轉速值697.3r/min顯示在界面右下側。

3.結果分析

根據編寫的系統程序，在HMI界面監控動態參數和曲線，測試了PID調速系統5組數據，如表2所示，包括了轉速設定值、反饋值、實際輸出值和誤差分析。如轉速設定值100r/min，電動機實際轉速為99.8r/min，轉速誤差為0.2%，相應電流反饋值5.13mA轉換為實際轉速值為98.9r/min，在PLC系統PID動態曲線穩定范圍。同樣驗證其他四組數據都滿足PID控制系統要求，驗證了模擬量標度變換功能FC105和FC106在PID調速系統中具有方便和精準等特點。

四、結語

文章詳細地介紹了西門子S7-300PLC模擬量標度變換功能FC105和FC106的原理，應用其設計了PID調速系統，通過結果分析達到了期望控制效果。表明了PLC工程項目中應用模擬量不用復雜數學運算和參數調整，只要簡單地應用標度變換就很好地實現系統功能，能夠為從事PLC技術人員提供參考價值。