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PLC与仪表连接及控制 暴振岭1、仪表设备常用信号： 常见炼铁用一次仪表设备有：压力变送器，差压变送器，流量计，热电偶，热电阻，电位器，称重传感器，物（液）位计，编码器，执行器，测速测震探头以及压力表，温度计等。这些一次仪表设备要接入PLC系统，必须能够发出PLC能接受的信号,就是我们常用到的如：V、mV、420mA、脉冲等。而还有一些设备发出的信号不是标准信号，需要通过二次仪表或变送器转换成标准信号。 420mA.DC(1-5V.DC)信号制是国际电工委员会（IEC）过程控制系统用模拟信号标准。我国从DDZ-型仪表开始采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用420mA.DC，联络信号采用1-5V.DC,即采用电流传输、电压接收的信号系统。用420mA信号传输，回路中的电流不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。最大电流20mA选择是基于：安全、实用、功耗、成本的考虑，而选用4mA作为信号起点是因为420mA变送器两线制的居多，3.5mA以下变送器无法正常工作，4mA电流保证了变送器的静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，有利于识别断电和短线等故障。我厂使用的增量编码器一般连接到专用高速计数模块，而绝对值编码器多是输出开关量信号，并行输出格雷码。格雷码(Gray code),又叫循环二进制码或反射二进制码,在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。除了常用的这些传统信号，目前还有许多通讯、现场总线型仪表，如RS-485、HART、AS-i、CANopen、DeviceNet、Profibus DP等现场总线。这些仪表近些年价格基本和传统模拟仪表价格持平，且优点较多，市场占有率越来越高。2、PLC基本模块介绍我们所说的PLC是Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,它的基本构成为:电源、中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口。按模块分有：电源模块、CPU、通讯模块、I/O模块（包括数字量和模拟量）、功能模块（PID模块、称重模块、高速计数模块等）等。当前PLC的发展方向：小型化,大型化,网络化。其功能越来越多，操作越来越简单。对应相应的仪表设备，有不同的I/O模块，分别可以接收不同的仪表信号。以Siemens为例，其I/O模块种类有许多种，如我们厂用的较多的：6ES7 3211BH020AA0，6ES7 321-1BL00-0AA0，6ES7 322-1FF01-0AA0，6ES7 322-1HF01-0AA0，6ES7 322-1BL00-0AA0，6ES7 331-7KF02-0AB0，6ES7 331-7PF11-0AB0，6ES7 332-5HD01-0AB0等等。还有一些能够接受通讯、总线型的仪表信号的模块如：6GK7 343-2AH00-0XA0，6ES7 340-1BH02-0AE0等，总之，仪表设备与PLC模块之间是互相依赖的，选择合适的仪表与PLC模块才能更好的工作。3、常用仪表与PLC连接一般情况下，在工业生产中，仪表设备的连接电缆都是采用屏蔽电缆，有的地方需要用仪表专用电缆。这都是为了保证仪表设备的正常工作，防止信号干扰。加装配电器、隔离器、变送器等也起到抗干扰的作用。（1）以6ES7 331-7KF02-0AB0为例：总共八个通道，可以测量八路信号，分为四组，每组两个通道。其有A、B、C、D，4个量程卡，分别对应的测量信号如下：测量范围 量程卡设置 80 mV 250 mVA 500 mV 1,000 mV150/300/600/Pt100/Ni100热电偶N、E、J、K、L 2.5 VB 5 V1 V 到 5 V10 V4 线制传感器 3.2 mAC10 mA0 mA 到 20 mA4 mA 到 20 mA 20 mA2 线制传感器 4 mA 到 20 mA D根据所需测量信号的不同，选用不同的量和卡，如需测量热电偶，则选用A，如果测量信号为420mA：仪表设备不需供24V.DC则选用C，如需供24V.DC电源，如直接连接到压力变送器，则选用D。同时，在STEP7软件中的硬件组态中，也要作相应的“测量类型”选择，使之相对应，才能正常使用。对于未使用的通道，要考虑下列输入的特性，以便能够对这些占用的通道启用诊断功能： 电压测量（除 1 V 到 5V 外）并用于热电偶： 将未使用的通道短路，并将其连接到MANA。 这可优化模拟输入模块的抗干扰能力。 对于未使用的通道，在硬件组态的“测量类型”参数中将其值设置为“禁用”。 这样可减少模块的周期时间。 测量范围1 5 V：将同一通道组的使用和未使用输入并联。 电流测量，两线制传感器： 有两种通道电路接线选项。1)未使用的输入开路；禁用通道组诊断。 如果要启用诊断，模拟模块将触发单个诊断中断，并使SF LED 变亮。2)使用1.5 k 到3.3 k 的电阻连接未使用的输入。 这就允许启用此通道组的诊断功能。 电流测量420 mA，四线制传感器： 串联连接同一通道组的未使用输入。（2）并行编码器的连接绝对值编码器信号输出按接口分有：并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。按输出电路类型分有：正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）集电极开路输出（PNP、NPN）、推挽式输出等。编码器要正确连接到PLC上，必须了解编码器是那种输出形式。如我们用的欧姆龙E6CP-AG5C-C编码器，它就是NPN集电极开路输出，如图：当它正常工作时：接通时它要从输出信号端吸入电流，所以我们必须在它的信号输出端接上源信号，如图：但是，如此接线（公共端接电源正极），并不是所有的PLC模块都可以实现的，如Siemens S7200系列可以，因为它设计的是晶体管双极性输入，而S7300、400的数字量输入模块则不可以如此接线，因为它们是光电隔离型的输入类型，所以它们要接上这种类型的编码器，必须加装拉升电阻（即在电源和输出信号之间加2K左右电阻），将NPN集电极开路输出编码器变成电压输出型编码器。如图：这样，在S7300、400的数字量输入模块上即可正常工作。但是，由图我们可以看出其产生的通断信号（进入PLC的通断信号）正好和原来的相反，所以，在编程的时候，我们应该将其信号取反。最后提一下二进制格雷码转换成自然二进制码的方法：二进制格雷码转换成自然二进制码,其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。如图：4、PLC输出控制我们常见的PLC控制仪表设备有：电动执行器，电子执行器，气动执行器，伺服控制器等等。这些设备一般都是数字量通断控制或标准模拟量信号（420mA）控制，而现场总线控制设备，目前接解较少。控制系统从结构上可以分为闭环控制和开环控制，它们的根本区别在开环控制没有反馈，而闭环控制有反馈。 所谓的反馈指的是行为动作所引起的效果。1）.开环控制系统系统的控制输入不受输出影响的控制系统,按这种方式组成的系统称为开环控制系统.在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路,因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统.开环控制系统由控制器与被控对象组成.控制器通常具有功率放大的功能.同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构简单，容易实现,并且比较经济。开环控制系统的缺点是控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感.因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。2）.闭环控制系统由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统,闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、又称反馈控制系统.就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。 闭环控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。在闭环控制系统中，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。PID调节以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，PID控制是闭环控制中最常用的控制方式。在Siemens PLC中有专门的PID调节功能块：FB41/42/43/58/59，SFB41/42/43，它们必须在组织块OB35中调用。(1) 压力，流量控制 FB/SFB41/42(2) 速度控制，位置控制 FB/SFB41(3) 张力控制 FB/SFB41(4) 温度控制 FB/SFB41/42/43 FB58/59P、I、D分别指比例、积分、微分。在PID调节中，比例系数越大，调节越快，过大则会引起系统震荡幅度较大。积分时间越大则调节越慢，越小调节越快，过小则震荡。微分则与积分相反，时间越小调节越慢。比例用来快速反应误差、积分用来消除静态误差、微分用来克服震荡。复习题：1、 仪表设备常用的信号有哪些？2、 列出3个西门子输入模块型号.3、 为什么用420mA作为标准信号？4、 模块6ES7 331-7KF02-0AB0能测量哪些仪表设备信号？5、 编码器E6CP-AG5C用在S7-300输入模块上时为什么要用拉升电阻？6、 PID调节中,P、I、D分别起什么作用？仪表自动化考试题一、填空题1、整数IW0有_位，它的最高位是I_，最低位是I_2、仪表设备常用的信号有_、_、_、_、_等3、在ABB DCS中，420mA信号A/D转换值为_,热电阻最大值对应转换值为_4、BCD码10001001等于二进制数_，格雷码10110转换成二进制数等于_5、PID调节中P表示_I表示_D表示_6、一个12位绝对值编码器，12位的意思是：_7、绝对值编码器信号输出按接口分有_、_、