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S7200模拟量处理

关于西门子S7-200PID编程学习心得  

2009-06-2814:

51:

18|  分类：

 PLC|字号 订阅

关于西门子S7-200 PID编程学习心得（2009-02-2422:

24:

35）

标签：

plc 西门子plc s7-200 pid编程 plc编程 校园 

1.         注意区分输入端接的是电压信号还是电流信号；输出端是电流信号还是电压信号。

在模拟模块上不同信号下的接线方式。

2.         了解信号输入元件相关资料：

如使用温度变送器，要了解温度变送器测量范围，如0～100℃；输出电流范围4～20mA；分度号是什么，如PT100；接线原理图等。

相关输入元件；输出元件在模拟模块上的接线方式。

其他如工程要求的精度是多少等。

3.         关于PID设定值（VD204）确认：

假定我们将控制温度定位23.5℃；以单极性为例，首先应确定输入信号是0～10V电压信号还是4～20mA电流信号？

，这在PID设定值中非常重要。

如是0～10V电压输入信号对应0～32000，温度范围0～100℃，设定值为可直接算出:

VD204=23.5/（100-0）=0.235；

若是电流4～20mA，其对应数值应为6400～32000，温度范围0～100℃，则设定值应为0.388。

原因：

模拟模块中0～32000对应0～20mA；其中6400～32000对应4～20mA对应0～100℃；这就必须进行相关的计算，23.5℃电流计算方式：

（20-4）：

（100-0）=（X-4）:

23.5;

解方程：

X=7.76（mA）。

设定值：

VD204=7.76/20=0.388.

4.         关于PID输出值（VD208）确认：

以单极性为例，应确定输出信号是0～10V电压信号还是4～20mA电流信号对应着0～32000？

若是输出信号AQW0对应电压信号，比如0～10V，则

AQW0=（实数VD208*32000在转化成整数）即可；

若是输出信号AQW0对应电流信号，比如4～20mA，则

AQW0=（实数VD208*32000在转化成整数+6400）。

5.         关于PID恒温控制实际：

通过上机实验可知：

PID恒温控制是围绕着设定值进行调节的。

若设定温度为23.5℃；当温度低于设定值时，加温蒸汽调节阀始终处于全部打开状态，；当温度达到23.5℃，加温用的蒸汽调节阀开始逐渐关闭，在关闭过程中，温度有可能仍在渐渐上升，温度偏离越大，关闭速度越快；知道全部关闭为止；当温度再次低于设定值时，加温蒸汽调节阀则会逐渐打开，打开速度取决于温度偏离值的大小，偏离越大，打开速度越快；直到温度再次达到设定值。

若温度长时间未达到设定值，调节功能会将调节阀全部打开，这就是我所观察到的PID恒温控制情况。

所以，我们可以根据实控情况进行必要的编程，有效的利用低于设定值时PID控制时段；切断高于设定值部分的PID控制，在温度高于设定值后，即可根据生产要求干脆部分或全部关闭加温阀。

以防温度上升过高。

来求得优越的温控效果。

变送器  

2010-10-1615:

13:

39|  分类：

 仪表|字号 订阅

两线制电流变送器

两线制定义

　　两 

变送器

线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。

两线制与三线制（一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND）和四线制（两根正负电源线，两根信号线,其中一根共GND）相比， 

两线制优点

　　1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用； 

　　2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；三线制与四线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

　　3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远； 

　　4、 

酸、碱、盐浓度变送器

各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：

分散采集，集中控制.... 

　　5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。

　　6,在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。

　　三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器芯片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。

设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。

　　两线 

智能变送器

制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。

我们以DH4-20变送模块为核心设计了小型、价廉的穿孔型两线制电流变送器。

它具有低失调电压（＜30μV）、低电压漂移（＜0.7μV/C°）、超低非线性度（＜0.01%）的特点。

它把现场设备动力线的电流隔离转换成4～20mA的按线性比例变化的标准电流信号输出，然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位于监测系统的24V工作电源送到电流变送器中。

测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输，抗干扰能力得到极大的加强。

两线制电流变送器原理如（图1）所示。

编辑本段

优势分析

模拟型特点

　　●精度高 

　　●量程、零点外部连续可调[1] 

　　●稳定性能好 

　　●正迁移可达500%、负迁移可达600% 

　　●二线制 

　　●阻尼可调、耐过压 

　　●固体传感器设计 

　　●无机械可动部件、维修量少 

　　●重量轻（2.4kg） 

　　●全系列统一结构、互换性强 

　　●小型化（166mm总高） 

　　●接触介质的膜片材料可选 

　　●单边抗过压强 

　　●低压浇铸铝合金壳体 

智能型特点

　　●超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量 

　　●数字精度：

+（-）0.05% 

　　●模拟精度：

+（-）0.75%+（-）0.1%F.S 

　　●全性能：

+（-）0.25F.S 

　　●稳定性：

0.25%60个月 

　　●量程比：

100：

1 

　　●测量速率：

0.2S 

　　●小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装 

　　●过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量 

　　●世界上唯一采用H合金护套的传感器（专利技术），实现了优良的冷、热稳定性 

　　●采用16位计算机的智能变送器 

　　●标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控 

　　●支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级。

编辑本段

抗干扰措施

　　供电系统的抗干扰设计 

　　对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有：

电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯，甚至电烙铁等。

尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制。

干扰控制器

（1）用硬件线路抑制尖峰干扰的影响 

　　常用办法主要有三种：

　　①在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性； 

　　②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲； 

　　③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。

（2）利用软件方法抑制尖峰干扰 

隔离变压器

对于周期性干扰，可以采用编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样，从而有效地消除干扰。

　　（3）采用硬、软件结合的看门狗（watchdog）技术抑制尖峰脉冲的影响 

　　软件：

在定时器定时到之前，CPU访问一次定时器，让定时器重新开始计时，正常程序运行，该定时器不会产生溢出脉冲，watchdog也就不会起作用。

一旦尖峰干扰出现了“飞程序”，则CPU就不会在定时到之前访问定时器，因而定时信号就会出现，从而引起系统复位中断，保证智能仪器回到正常程序上来。

　　（4）实行电源分组供电，例如：

将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。

　　（5）采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰。

该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。

　　（6）采用隔离变压器 

　　考虑到 

变送器

高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抵抗共模干扰能力。

　　（7）采用高抗干扰性能的电源，如利用频谱均衡法设计的高抗干扰电源。

这种电源抵抗随机干扰非常有效，它能把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低电压峰值（电压峰值小于TTL电平）的电压，但干扰脉冲的能量不变，从而可以提高传感器、仪器仪表的抗干扰能力。

编辑本段

电流变送器的4-20mA输出如何转换

　　两线制电流变送器的输出为4～20mA，通过250Ω的精密电阻转换成1～5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。

系统的输入模块采用压频转换器件LM２31将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件TL117进行模拟量与数字量的隔离。

　　同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。

利用压频转换器件LM231也有一定的抗高频干扰的作用。

编辑本段

电流输出型与电压输出型比较

　　在单片机控制的许多应用场合,都要使用变送器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如电流变送器,压力变送器、温度变送器、流量变送器等。

　　早期的变送器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，这是运放直接输出,信号功率<0.05W,通过模拟/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。

但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破坏了精度等等等缺点，而两线制电流输出型变送器以其具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。

　　电压输出型变送器抗干扰能力极差，线路损耗的破坏,谈不上精度有多高,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备，输出０－５Ｖ绝对不能远传，远传后线路压降大，精确度大打折扣。

现在很多的ADC,PLC,DCS的输入信号端口都作成两线制电流输出型变送器4-20mA的,证明了电压输出型变送器被淘汰的必然趋势。

编辑本段

4～20mA电流输出型接口处理方法

　　电流输出型变送器的输出范围常用的有0～20mA及4～20mA两种，电流变送器输出最小电流及最大电流时，分别代表电流变送器所标定的最小及最大额定输出值。

　　下面以测量范围为以0～１００Ａ的电流变送器为例进行叙述。

对于输出0～20mA的变送器0mA电流对应输入０Ａ值，输出4～20mA的变送器4mA电流对应输入0Ａ值，两类传感器的20mA电流都对应１００Ａ值。

　　对于输出0～20mA的变送器，在电路设计上我们只需选择合适的降压电阻，在A/D转换器输入接口直接将电阻上的０－５Ｖ或０－１０Ｖ电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。

但劣势是无法判别变送器的损坏,无法辨别变送器输出开路和短路。

　　对于输出4～20mA的变送器，电路调试及数据处理上都比较烦琐。

但这种变送器能够在变送器线路不通时,短路时或损坏时通过能否检测到正常范围内的电流（正常时最小值也有4mA），来判断电路是否出现故障，变送器是否损坏,因此得到更为广泛普遍的使用。

　　由于4～20mA变送器输出4mA时，在取样电阻上的电压不等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0，单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。

因此一般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换。

这类硬件电路首推RCV420,是一种精密的I/V转换电路,还有应用LM258自搭的I/V转换电路,这个电路由两线制电流变送器产生的4～20mA电流与24V以及取样电阻形成电流回路，从而在取样电阻上产生一个1-5V压降，并将此电压值输入到放大器LM258的3脚。

电阻分压电路用来在集成电路LM258的2脚产生一个固定的电压值，用于抵消在取样电阻上4mA电流产生的压降。

所以当两线制电流变送器为最小值4mA时，LM258的3脚与2脚电压差基本为0V。

LM258与其相连接的电阻构成可调整电压放大电路，将两线制电流变送器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过LM258的1脚输出至模拟/数字转换电路，供单片机CPU读入，通过数据处理方法将两线制电流变送器的4-20mA电流在LCD/LED屏幕上以0-100A值的形式显示出来。

编辑本段

两线制电流变送器的保护功能

（1）、输入过载保护； 

（2）、输出过流限制保护； 

　　（3）、输出电流长时间短路保护； 

　　（4）、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护； 

　　（5）、工作电源过压极限保护≤35V； 

　　（6）、工作电源反接保护。

编辑本段

辨别真假优劣电流电压变送器

　　生产资料市场化以后，加剧激烈的竞争，真假优劣难辨，又因变送器是边缘学科，很多工程设计人员对此较陌生，有些厂家产品工业级别和民用商用级别指标混淆（工业级的价格是民用商用级的2-3倍）有些厂家产品用几角钱的LM324和LM431就可以做出一只变送器，不信的话您打开看看，你几百元买来的是不是用的LM324和LM431，这样的变送器送您，您敢不敢用呵！

　　笔者试以常用的0.5级精度的电流电压变送器为例，从以下方法着手来辨别真假优劣。

（1）基准要稳,４mA是对应的输入零位基准，基准不稳，谈何精度线性度，冷开机３分锺内４mA的零位漂移变化不超过4.000mA0.5%以内;（即3.98-4.02mA）,负载250Ω上的压降为0.995-1.005V，国外IC心片多用昂贵的能隙基准，温漂系数每度变化10ppm； 

（2）内电路总计消耗电流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流滤波放大恒流电路不因原边输入变化而消耗电流也随之变化，国外IC心片采用恒流供电； 

　　（3）当工作电压24.000V时,满量程20.000mA时,满量程20.000mA的读数不会因负载0-700Ω变化而变化;变化 

变送器干扰信号

不超过20.000mA0.5%以内； 

　　（4）当满量程20.000mA时,负载250Ω时,满量程20.000mA的读数不会因工作电压15.000V-30.000V变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内； 

　　（5）当原边过载时，输出电流不超过25.000mA+10%以内，否则PLC/DCS内供变送器用的24V工作电源和A/D输入箝位电路因功耗过大而损坏，另外变送器内的射随输出亦因功耗过大而损坏，无A/D输入箝位电路的更遭殃；

　　（6）当工作电压24V接反时不得损坏变送器,必须有极性保护; 

　　（7）当两线之间因感应雷及感应浪涌电压超过24V时要箝位,不得损坏变送器；一般在两线之间并联1-2只TVS瞬态保护二极管1.5KE可抑制每20秒间隔一次的20毫秒脉宽的正反脉冲的冲击,瞬态承受冲击功率1.5KW-3KW; 

　　（8）产品标示的线性度0.5％是绝对误差还是相对误差,可以按以下方法来辨别方可一目了然:

符合下述指标是真的线性度0.5％. 

　　原 

差压变送器

边输入为零时输出４mＡ正负0.5%（3.98-4.02mA）,负载250Ω上的压降为0.995-1.005V 

　　原边输入10％时输出5.6mＡ正负0.5%（5.572-5.628mA）负载250欧姆上的压降为1.393-1.407V 

　　原边输入25％时输出8mＡ正负0.5%（7.96-8.04mA）负载250Ω上的压降为1.990-2.010V 

　　原边输入50％时输出12mＡ正负0.5%（11.94-12.06mA）负载250Ω上的压降为2.985-3.015V 

　　原边输入75％时输出16mＡ正负0.5%（15.92-16.08mA）负载250Ω上的压降为3.980-4.020V 

　　原边输100％时输出20mＡ正负0.5%（19.90-20.10mA）负载250Ω上的压降为4.975-5.025V 

　　（9）原边输入过载时必须限流:

原边输入过载大于125%时输出过流限制25mＡ+10%（25.00-27.50mA）负载250Ω上的压降为6.250-6.875V； 

　　（10）感应浪涌电压超过24V时有无箝位的辨别:

在两线输出端口并一个交流50V指针式表头,用交流50V接两根线去瞬间碰一下两线输出端口,看有无箝位,箝位多少伏可一目了然啦; 

　　（11）有无极性保护的辨别:

用指针式万用表Ω乘10K档正反测量两线输出端口,总有一次Ω阻值无限大,就有极性保护； 

　　（12）有无极输出电流长时间短路保护：

原边输入100％时或过载大于125%-200%时，将负载250Ω短路，测量短路保护限制是否在25mＡ+10%； 

　　（13）工业级别和民用商用级别的辨别:

工业级别工作温度范围是-25度到＋７０度，温漂系数是每度变化１００ppm,即温度每度变化１度,精度变化为万分之一；民用商用级别工作温度范围是０度（或-10度）到＋７０度（或+50度）,温漂系数是每度变化25０ppm,即温度每度变化１度,精度变化为万分之二点五；电流电压变送器的温漂系数可以用恒温箱或高低温箱来试验验证较繁琐。

　　上述13种方法同样可用与其它变送器真假优劣的辨别。

编辑本段

电流变送器技术参数

　　1.精度：

优于0.5%； 

　　2.非线性失真：

优于0.5%； 

　　3.额定工作电压：

+24V±20%，极限工作电压：

≤35V； 

变送器

4.电源功耗：

静态4mA，动态时相等与环路电流，内部限制25mA+10%； 

　　5.额定输入：

5A　．．．．．．1KA（38个规格）； 

　　6.穿孔穿芯圆孔直径：

８、９、１２、２０、２５、３０mm； 

　　7.输出形式：

两线制DC4～20mA； 

　　8.输出电流温漂系数：

≤50ppm/℃； 

　　9.响应时间：

≤100mS； 

　　10.输入/输出绝缘隔离强度：

>AC3000V、1min、1mA； 

　　11.输出负载电阻：

RL＝V+－10V／0.02　（Ω）； 

　　注:

（1）标准V+24V时负载阻抗为700Ω； 

（2）RL＝250Ω转换１～５Ｖ的电阻＋两根传输线路总铜阻。

　　12.输入过载保护:

30倍1min； 

　　13.输出过流限制保护：

内部限制25mA+10%； 

　　注:

（1）国际标准输出过流限制保护：

内部限制25mA+10%； 

（2）可按客户要求定制：

内部限制22mA+10%，24mA+10%。

　　14.两线端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护能力：

TVS抑制冲击电流35A/20ms/1.5KW； 

　　15.两线端口设置有＋２４Ｖ电源反接保护； 

　　16.输出电流设置有长时间短路保护限制；内部限制25mA+10%； 

　　17.工作环境：

-40℃－80℃，10%－90%RH； 

　　18.贮存温度：

-50℃－85℃； 

　　19.执行标准：

GB/T13850－1998； 

　　20.系列型号，规格，接线示意图，产品外形，产品照片，安全注意事项。

　　八.能举例说明某品牌工业级别的0.5级精度的电流变送器主要特点有哪些吗？

　　1.专为电力自动化５０／６０Hz交流电流测量而设计的真有效值两线制变送器； 

　　2.采用单匝穿孔穿芯式结构，将电流互感器和电流变送器两部分组合为一体化设计； 

　　3.具有6大全面保护功能：

（1）、输入过载保护； 

（2）、输出过流限制保护； 

　　（3）、输出电流长时间短路保护； 

　　（4）、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护； 

　　（5）、工作电源过压极限保护≤35V； 

　　（6）、工作电源反接保护。

　　4.两线制输出接线是当前模拟量串口中最先进的输出方式，具有6大优点； 

（1）、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的双绞线导线； 

（2）、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般情况利用双绞线就能降低干扰； 

　　（3）、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4-20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远； 

　　（4）、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异； 

　　（5）、将4mA用于零电平，使判断输送线开路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。

　　（6）,在两线输出口容易增设防浪涌,防雷器件,有利于安全防雷防爆。

　　5.原副边高度绝缘隔离； 

　　6.高可靠性，高稳定性，高性价比； 

　　7.特别适用发电机、电动机、低压配电柜、空调、风机、路灯等负载电流的智能监控系统。

　　8.超低功耗，单只静态时0.096W,满量程功耗为0.48W,输出电流内部限制功耗为0.6W。

编辑本段

变送器与传感器的区别

　　随着技术的进步，有些技术词汇的含义有了变化，以至于常常引起误解。

传感器就是这样一个例子。

　　现在人们说的传感器是由两部分组成的，即分别是敏感元件和转换元件。

其中敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器的输出信号一般很微弱，需要将其调制与放大。

随着集成技术的发展，人们又将这部分电路及电源等电路也一起装在传感器内部。

这样，传感器就可以输出便于处理，传输的可用信号了。

　　而在以前技术相对落后时，所谓的传感器是指上文中的敏感元件，而变送器就是上文中的转换元件。

　　变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器，压力变送器，流量变送器，电流变送器，电压变送器等等。

小明接到这样一个任务：

有一个水缸点漏水（而且漏水的速度还不一定固定不变），要求水面高度维持在某个位置，一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。

水漏得太快，每次小明来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是