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(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)換計算。該功能與模擬量的復(fù)雜函數(shù)運算相比較，還具有運算精度高和穩(wěn)定性好的特點。文章以三相交流異步電動機PID調(diào)速系統(tǒng)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(shù)人員有一定的參考價值。

關(guān)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(yè)控制系統(tǒng)是用實際物理量作為監(jiān)控信息，所以實際物理量在不同標度下必須進行線性轉(zhuǎn)換來滿足工程項目需求。在工程項目系統(tǒng)中，尤其是過程控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、流量等物理量信號都需要轉(zhuǎn)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(yīng)時間的影響[1]。例如過程控制系統(tǒng)中溫度是一個緩慢變化的物理量，一般技術(shù)人員解決此類模擬量信號的響應(yīng)時間、采樣時間及函數(shù)運算有較大的困難，因而實際工程應(yīng)用就產(chǎn)生了很多繁瑣技術(shù)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(tǒng)中復(fù)雜數(shù)據(jù)運算的問題，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

設(shè)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(diào)速系統(tǒng)，其中人機交互界面（HMI）實時監(jiān)控電動機的轉(zhuǎn)速，而PLC通過工業(yè)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(tǒng)中用模擬量電壓輸出作為驅(qū)動信號，模擬量電流輸入作為反饋信號，應(yīng)用西門子全集成自動化軟件（STEP-7）中的標度轉(zhuǎn)換功能FC105、FC106及PID模塊實現(xiàn)了控制效果。[1]

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)以S7-300系列的CPU 314C-2DP型PLC為控制核心，西門子TP177B型HMI為監(jiān)控，MM420變頻器為三相交流異步電機驅(qū)動器，實現(xiàn)了電動機的PID調(diào)速控制。如圖1所示為系統(tǒng)總體設(shè)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(tǒng)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(guān)電源的L和N端，開關(guān)電源輸出+24V直流電源給PLC和觸摸屏供電，且開關(guān)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(guān)ES作為系統(tǒng)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(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)運行狀態(tài)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(qū)動電機調(diào)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(yè)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(shù)據(jù)收發(fā)。

4.變頻器調(diào)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(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機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)的運算處理

系統(tǒng)應(yīng)用西門子S7-300PLC模擬量線性化轉(zhuǎn)換功能FC105和FC106進行數(shù)據(jù)運算，實現(xiàn)了PLC內(nèi)部數(shù)值與外部實際工程數(shù)值的線性轉(zhuǎn)換。下文結(jié)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為上、下限預(yù)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(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，即A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)不考慮電動機反向運行的情況下，轉(zhuǎn)速0～1400r/min要進行無極性標度變換。在FC105和FC106中_BIPOLAR預(yù)置0則為無極性變換，預(yù)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(shù)關(guān)系，在出現(xiàn)類似-5V～+5V模擬量信號應(yīng)用該變換完成控制要求。如圖3是FC105的功能圖，PLC采集的實際模擬量值通過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，則對應(yīng)計算出實際模擬量對應(yīng)的實際轉(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功能將一個實際工程值轉(zhuǎn)換成標準模擬量信號，實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，即D/A轉(zhuǎn)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(qū)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(shù)關(guān)系，通過HMI將實際轉(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，則對應(yīng)計算出模擬量給輸出給MW12到映像寄存器PQW中，PLC會產(chǎn)生模擬量標準信號驅(qū)動變頻器運行，如圖4是FC106的功能圖。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計與結(jié)果分析

1.程序設(shè)計

Step-7軟件中PID功能塊包括連續(xù)控制功能塊F41（CONT_C），步進控制功能塊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)合實現(xiàn)一個純軟件PID控制器。系統(tǒng)是用電壓電流模擬量信號控制變頻器實現(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)系如表達式3所示。

（表達式3）

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

由表達式3及F41實現(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(zhuǎn)換值，SP_INT和PV_IN經(jīng)過差值運算生成誤差信號ER，誤差信號分別經(jīng)比例、積分和微分運算后進行求和處理，然后經(jīng)規(guī)格化和限幅后通過LMN輸出0.0～100.0范圍內(nèi)數(shù)據(jù)，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(shù)見表1。

根據(jù)以上分析設(shè)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(huán)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(shù)的初始化，將轉(zhuǎn)速設(shè)定值、PID控制參數(shù)賦初值并開啟PID功能。主程序OB1實現(xiàn)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(huán)中斷程序OB35按照固定的時間間隔循環(huán)調(diào)用PID程序塊FB41循環(huán)時間為100ms。

2.界面設(shè)計

如圖7所示為HMI界面，界面左側(cè)為曲線顯示區(qū)域，其中橫坐標表示系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，縱坐標表示轉(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)速值三個變量；界面右下側(cè)還有啟動和退出按鈕。如圖7在觸摸屏界面上輸入變量設(shè)定轉(zhuǎn)速值為700r/min，按下啟動按鈕，PID調(diào)速曲線動態(tài)顯示在左側(cè)顯示區(qū)域，實際轉(zhuǎn)速值697.3r/min顯示在界面右下側(cè)。

3.結(jié)果分析

根據(jù)編寫的系統(tǒng)程序，在HMI界面監(jiān)控動態(tài)參數(shù)和曲線，測試了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、實際輸出值和誤差分析。如轉(zhuǎn)速設(shè)定值100r/min，電動機實際轉(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)換為實際轉(zhuǎn)速值為98.9r/min，在PLC系統(tǒng)PID動態(tài)曲線穩(wěn)定范圍。同樣驗證其他四組數(shù)據(jù)都滿足PID控制系統(tǒng)要求，驗證了模擬量標度變換功能FC105和FC106在PID調(diào)速系統(tǒng)中具有方便和精準等特點。

四、結(jié)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(yīng)用其設(shè)計了PID調(diào)速系統(tǒng)，通過結(jié)果分析達到了期望控制效果。表明了PLC工程項目中應(yīng)用模擬量不用復(fù)雜數(shù)學運算和參數(shù)調(diào)整，只要簡單地應(yīng)用標度變換就很好地實現(xiàn)系統(tǒng)功能，能夠為從事PLC技術(shù)人員提供參考價值。