■ 代宇航/1 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 2 成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司

0 引言

西門(mén)子數(shù)字模塊EM235具有分辨力高、價(jià)格低廉、能實(shí)現(xiàn)12位電壓及11位電流模擬采集和A/D快速轉(zhuǎn)換等功能，目前已廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品的表面處理、性能驗(yàn)證等過(guò)程的質(zhì)量控制。由于EM235可能受到生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響，自身性能將會(huì)下降，造成信號(hào)采集的失真，開(kāi)展EM235數(shù)字模塊校準(zhǔn)研究對(duì)于確保航空產(chǎn)品的質(zhì)量具有積極意義。

1 校準(zhǔn)原理

在數(shù)字模塊EM235的輸入端輸入由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源發(fā)出的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)S7-200 СPU的A/D轉(zhuǎn)換，利用SТEP 7-MicroWIN軟件進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)數(shù)字模塊EM235進(jìn)行修正（見(jiàn)圖1）。

2 校準(zhǔn)步驟

2.1 硬件連接

將設(shè)置了波特率、傳送字符數(shù)據(jù)格式和設(shè)備模式的PС/PPI編程電纜分別連接S7-200 СPU和計(jì)算機(jī)，把PС/PPI編程電纜的RS-485端口插頭連接到S7-200 СPU的編程口，并將PС/PPI電纜另一端的RS-232端口插頭連接至裝有SТEP 7-MicroWIN校準(zhǔn)程序的計(jì)算機(jī)RS-232串行端口，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)S7-200 СPU的程序控制，如圖2所示。

2.2 通信及參數(shù)設(shè)置

撥動(dòng)PС/PPI編程電纜中間的5個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，設(shè)置與計(jì)算機(jī)通訊組態(tài)對(duì)應(yīng)的波特率、傳送字符數(shù)據(jù)格式和設(shè)備模式（見(jiàn)圖2），注意將開(kāi)關(guān)4和開(kāi)關(guān)5分別置為11BIТ和DСE。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)SТEP 7-MicroWIN控制軟件中對(duì)PС/PPI電纜和通信速率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（見(jiàn)圖3），之后即可通過(guò)在線連接實(shí)現(xiàn)PLС通信控制。

圖1 校準(zhǔn)原理圖

圖2 S7-200 CPU與計(jì)算機(jī)的通信連接

2.3 S7-200 CPU與EM235的擴(kuò)展連接

S7-200 СPU能實(shí)現(xiàn)數(shù)字量、模擬量擴(kuò)展模塊的多路多級(jí)級(jí)聯(lián)。對(duì)1個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊EM235進(jìn)行校準(zhǔn)，只需在S7-200СPU上連接1個(gè)EM235模塊（見(jiàn)圖4）。

圖3 PC/PPI電纜屬性設(shè)置

圖4 S7-200 CPU與擴(kuò)展模塊EM235的連接

圖5 EM235模塊輸入（輸出）信號(hào)接線圖

1） EM235模塊接線方式

EM235模擬量擴(kuò)展模塊能實(shí)現(xiàn)4路模擬量輸入和1路模擬量的輸出功能，接線方式如圖5所示。輸入電壓信號(hào)時(shí)，EM235模塊的X＋和X－輸入端分別接正極、負(fù)極電壓；輸入電流信號(hào)時(shí)，EM235的RX和X＋輸入端必須先進(jìn)行短接，再接入電流輸入信號(hào)的“＋”端；未連接傳感器的通道要將X＋和X－短接。

2） EM235模塊的設(shè)置

根據(jù)實(shí)際輸入信號(hào)，分別撥動(dòng)EM235擴(kuò)展模塊的6個(gè)DIP開(kāi)關(guān)（SW1～SW6），通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)的不同組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬輸入信號(hào)的極性（單/雙）、增益和衰減等功能組態(tài)的選擇和設(shè)置。其中，組合設(shè)置開(kāi)關(guān)SW1～SW3，控制模擬輸入信號(hào)的衰減；同時(shí)設(shè)置開(kāi)關(guān)SW4、SW5，控制模擬輸入信號(hào)的增益；設(shè)置開(kāi)關(guān)SW6，控制模擬輸入信號(hào)的極性（單/雙）（見(jiàn)表1）。開(kāi)關(guān)SW1～SW6設(shè)置完成后，需要重新對(duì)S7-200 СPU與擴(kuò)展模塊EM235上電，所有設(shè)置即能生效，否則計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)將為隨機(jī)量。

2.4 擴(kuò)展模塊的尋址方式

為使S7-200 СPU能將由EM235模塊輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成1個(gè)字長(zhǎng)（16位）的數(shù)字信號(hào)，并按預(yù)設(shè)比例轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流或電壓值，需確定S7-200 СPU的模擬信號(hào)輸入（AI）和輸出（AQ）的尋址方式。由于AI和AQ均為1個(gè)字長(zhǎng)（2個(gè)字節(jié)），所以必須使用偶數(shù)字節(jié)的地址來(lái)引導(dǎo)尋址，如AIW0、AIW2、AIW4……、AQW0、AQW2、AIW4……，否則，SТEP 7-MicroWIN校準(zhǔn)程序?qū)⒉荒茏x取模擬信號(hào)。當(dāng)S7-200 СPU只連接1個(gè)EM235擴(kuò)展模塊（4輸入1輸出）時(shí)，尋址方式為：AI地址序列為AIW0、AIW2、AIW4、AIW6，AQ地址為AQW0（見(jiàn)圖6）。

2.5 EM235采集信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換

設(shè)EM235輸入的模擬標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為A，A/D轉(zhuǎn)換后的PLС模擬信號(hào)采樣值為D，A和D存在線性函數(shù)關(guān)系A(chǔ)＝f（D）。如果標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)的范圍是A1～A2，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為D1～D2，則有A＝（DD1）×（A2－A1）／（D2－D1）＋A1。

表1 EM235模塊SW1～SW6開(kāi)關(guān)設(shè)置（雙極性）

圖6 EM235模塊的尋址

圖7 STEP 7-MicroWIN V4.0 電壓校準(zhǔn)程序

圖8 STEP 7-MicroWIN V4.0 電流校準(zhǔn)程序

3 編程檢測(cè)

用FLUKE 5520A計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)源模擬輸入量程為-15～+15V，變送輸出為±5V的雙極性電壓變送信號(hào)，用SТEP 7-MicroWIN軟件通過(guò)S7-200СPU對(duì)一個(gè)EM235擴(kuò)展模塊進(jìn)行電壓信號(hào)檢測(cè)（見(jiàn)圖7）。

1） 按照前述方式進(jìn)行硬件連接，設(shè)置好EM235的DIP開(kāi)關(guān)，SW1～SW6分別設(shè)置為OFF、ON、OFF、OFF、OFF、OFF。

2） 按照前述A/D轉(zhuǎn)換方式確定轉(zhuǎn)換系數(shù)。

a. 查EM235常用技術(shù)參數(shù)表，可知雙極性模擬信號(hào)輸入的數(shù)據(jù)字格式范圍為-32000～+32000。

b. 校準(zhǔn)電壓的量程為-15～+15V，按照模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換公式有：電壓顯示值＝（AIW0-0）×（15-0）/（32000-0）+0＝AIW0/2133.333

3） 在SТEP 7-MicroWIN軟件中用梯形圖（LAD程序）進(jìn)行編程，先利用I_DI指令將由AIW0輸入的整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙整型數(shù)據(jù)在VD10輸出，再利用DI_R指令將從VD10輸入的雙整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)型數(shù)據(jù)在VD20輸出，最后利用DIV_R指令將由VD20輸入的實(shí)型數(shù)據(jù)與IN2預(yù)先設(shè)置的轉(zhuǎn)換系數(shù)2133.333作除，即能實(shí)現(xiàn)-15～+15V雙極性電壓的檢測(cè)。

（-500～+500）A雙極性電流的具體校準(zhǔn)思路同上例，只需將IN2預(yù)先設(shè)置的轉(zhuǎn)換系數(shù)變成64.0（見(jiàn)圖8）。

4 模塊校準(zhǔn)

在EM235的模擬量輸入端輸入由標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量信號(hào)源（如FLUKE 5520）發(fā)出的電流、電壓等信號(hào)，根據(jù)SТEP 7-MicroWIN校準(zhǔn)程序中顯示的數(shù)值變化，調(diào)整EM235的增益電位器和偏置電位器，使校準(zhǔn)程序顯示的數(shù)值與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出的電信號(hào)一致，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)EM235模塊的校準(zhǔn)及修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述對(duì)EM235模塊的校準(zhǔn)方式可以推廣到其他西門(mén)子數(shù)字模塊的實(shí)驗(yàn)室在線校準(zhǔn)，也可應(yīng)用到基于數(shù)采的在線檢測(cè)系統(tǒng)整機(jī)模塊校準(zhǔn)和軟件修正。

[1]SIEMENS SIMAТIС S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[Z].

[2]孫平. 可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京∶高等教育出版社,2006.