基于组态软件的PLC数据采集处理的控制应用

黄伟

摘 要：工控组态软件是近年来在自动控制领域兴起的新型软件开发技术，通过与下位机进行通信可快速构造上位机的监控系统，形成计算机实时监控系统。文章以力控组态软件为例，介绍西门子PLC在液体管路中的应用与数据处理，以及如何实现与PLC的通信，实现对现场设备的实时监控。

关键词：西门子PLC；力控组态软件；模拟量模块；软件滤波

1 引言

在当前监控系统领域中常采用以下两种方式对现场设备进行监控：（1）采用计算机进行监控，主要硬件设备包括计算机，采集卡和控制卡，采集卡负责对现场信号进行采集，计算机通过采集卡对现场采集过来的信号进行处理显示，再通过控制卡输出相应的信号对现场设备进行控制，由于采集卡主要采集数字量信号，模拟量采集通道较少，且抗干扰能力较差，不适宜远程监控；（2）采用PLC直接对现场设备进行控制，而计算机只起辅助作用，PLC具有通信简单、编程指令系统丰富、数据处理功能及抗干扰能力强、能建立现场子站，拓展性高，适宜远程集中监控。文章就以PLC控制为主，计算机监控为辅简单介绍在液体管路上的应用。

2 PLC数据采集系统

2.1 PLC系统的组成

液体管路监控系统主要包括：计算机，PLC，模拟量输出输入模块，数字量输入输出模块等。模拟量和数字量模塊负责对现场信号进行采集及控制信号的输出，而PLC作为核心处理器，负责对采集的信号进行处理，并可与计算机进行数据交换，实现计算机对现场设备的监控。

2.2 系统的设计

假设液体管路系统有四个不同大小的管路组成，每个管路中分别装有差压计，流量计，电动阀门和温度传感器，并以电流信号两线制形式输出，同时可用电压信号控制阀门开度。

根据上述传感器信号，进行如图1所示设计。

其中PLC采用S7-200-CPU226系列，I/O点数为40（输入点数24，输出点数16），负责管路动力设备（水泵）的启停及报警输出；模拟量输入模块为EM231，4个模拟量通道输入，负责对现场四个管路上的压力，流量，温度，电动阀门开度进行信号采集，其中拨位开关SW1=0N，SW2=ON，SW3=OFF表示只采集0-5V或0-20mA范围的模拟量信号；模拟量输出模块为EM232，负责对电动阀门进行控制，各个模块之间按顺序通过内部电缆进行连接。

2.3 数据的采集与处理

2.3.1 数据的采集

EM231的模数转换精度是12位，相对于16位的信号存储，分辨率为8，同时转换时间<250μs，模拟输入阶跃响应1.5ms到95%，足以满足常规采样要求，而且采集的模拟量信号都是经过二次线性仪表后输出的值，与其过程参数已是线性关系，可直接进行采集，通过程序设计对实时采集的数据进行处理显示，减少CPU不必要的负担，同时模块的入口设有模拟RC滤波器，能有效地抑制高频干扰，但对低频干扰滤波效果不佳，有时需利用编程程序对信号进行进一步的数字滤波。

2.3.2 PLC软件滤波

EM231其四个模拟量输入信道：A+、A-；B+、B-；C+、C-；D+、D- ，在编程软件中对应的地址下标则由模块个数和与PLC连接的先后顺序决定。如图1中的4块EM231，根据先后排列顺序，地址分别为AIW0（1#管路压力），AIW2（1#管路流量），AIW4（1#管路温度），AIW6（1#开度反馈），AIW8（2#管路压力）…以此类推，其模拟量必须用偶数字节地址。为减小数据的波动，在编程软件中进行均值化滤波处理，以图1中的1#管路压力信号为例，具体如下：

（1）使用FOR循环指令，对1#管路压力信号进行2n次的连续采集，n可根据实际信号的变化量而定，如温度信号变化较小，n可以取较小值，反之亦然。

（2）利用MOV-W指令将AIW0（1#管路压力）地址内的数据赋值至变量如VW0（单字的变量存储区），并通过ADD_DI指令将VW0赋值得到的数据与另一变量如VW2（初始值为零，若数据值较大，可存储至双字的变量存储区）进行累加并循环赋值至VW2，最后得到的VW2值为2n次AIW0采集的数据之和。

（3）将2n通过ENCO指令赋值至累加器AC0，得到AC0的值为n+1。

（4）最后通过SHR_W指令对VW2进行移位，即右移AC0，从而得到2n次的连续采集数据的均值，以该均值作为最后的显示值。

3 力控组态软件对数值的整定

在实际采样过程中，模拟量信号通过传感器转变为控制系统可接收的电信号（0～5V或4～20mA），再由输入模块以数字量的形式送给PLC，该数字量与实际过程量具有某种函数对应关系，但在数值上并不相等，必须经过一定的转换，转化的过程称为模拟量的输入数值整定。数值的整定可在PLC编程软件中通过相应指令实现，而上位机力控软件的使用，可以直接通过力控软件进行整定，其方法是在力控软件的数据库组态里找到相应区域的I/O点，在I/O点相应的数据库变量中设置过程量的量程，以及量程的变化（PLC），如模拟信号0～20mA对应PLC量程变化0～215，并在窗口属性中添加整定条件进行编辑，具体数学表达式（算法）如下：参数定义过程量的表达式为

设系统偏移量为En，则实际显示值为

Yn表示过程量的显示值；Xn表示采集信号的数字量；Kn为过程量测量范围；YN表示实际显示值，

监控软件中数据的显示主要通过设置数据库变量的数据连接里连接相应的PLC设备及数据存储的变量（如VW2），同时可在相应的窗口属性里添加编辑数据的有效性判断，若输入数据的量程溢出或信号低于信号量程范围，则判断系统输入部件（如变送器、输入线路等）的故障，并在监控界面上进行相关显示。

4 结束语

力控组态软件是一款功能非常强大的监控组态软件，集成了许多现成的功能模块和通信协议，可快速构造监控画面及数据曲线，本文对此不作详细介绍；而PLC稳定性高、采样值较准确，拓展性好，两者的结合能很好的实现集中管理和监控的目的。

参考文献

[1]牟秋锋.基于OPC的生产线监控系统的研究与应用[D].东南大学，2005.

[2]朱善君.可编过程控制系统[M].北京：电子工业出版社，1993.

[3]蔡行健，黄文御，李娟.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.