模拟量标度变换在PLC工程项目中的应用

张阁

摘 要：西门子S7-300 PLC中，模拟量标度变换功能FC105和FC106能够简便地实现模拟量输入输出数据在预置范围内的线性转换计算。该功能与模拟量的复杂函数运算相比较，还具有运算精度高和稳定性好的特点。文章以三相交流异步电动机PID调速系统为例，验证了其良好的控制效果，对今后从事PLC工程项目的技术人员有一定的参考价值。

关键词：模拟量 标度变换 PLC 工程项目

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）12-0-02

引言

一般工业控制系统是用实际物理量作为监控信息，所以实际物理量在不同标度下必须进行线性转换来满足工程项目需求。在工程项目系统中，尤其是过程控制系统中的温度、压力、流量等物理量信号都需要转换为4～20mA电流或者0～5V电压标准信号供PLC等控制器直接采集和计算，处理时不仅要考虑控制器采集外部模拟量信号的运算能力，还要考虑外部硬件对采样时间、分辨率、精度和响应时间的影响[1]。例如过程控制系统中温度是一个缓慢变化的物理量，一般技术人员解决此类模拟量信号的响应时间、采样时间及函数运算有较大的困难，因而实际工程应用就产生了很多繁琐技术问题。本文详细地介绍了西门子S7-300 PLC中模拟量标度变换原理，解决了PLC系统中复杂数据运算的问题，提高了系统的精度和稳定性。

设计了西门子S7-300 PLC模拟量输入输出信号控制西门子MM420变频器的三相交流异步电动机调速系统，其中人机交互界面（HMI）实时监控电动机的转速，而PLC通过工业标准电压电流信号控制变频器运行，所以必须进行标度变换才能满足控制要求。系统中用模拟量电压输出作为驱动信号，模拟量电流输入作为反馈信号，应用西门子全集成自动化软件（STEP-7）中的标度转换功能FC105、FC106及PID模块实现了控制效果。[1]

一、系统的总体设计

系统以S7-300系列的CPU 314C-2DP型PLC为控制核心，西门子TP177B型HMI为监控，MM420变频器为三相交流异步电机驱动器，实现了电动机的PID调速控制。如图1所示为系统总体设计原理图，主要包括电源、PLC、触摸屏及变频器四部分。

1.电源部分

系统采用三相五线制交流电源，通过断路器QF控制其通断，同时也为MM420变频器提供了输入电源。L3和N端输出单相交流电源输入到开关电源的L和N端，开关电源输出+24V直流电源给PLC和触摸屏供电，且开关电源接入PE接地保护。

2.PLC核心部分

PLC控制器上输入1L+和1M电源端，输出2L+、2M电源端子都连接直流+24V电源。I0.0为输入端口，接一急停开关ES作为系统急停保护；Q0.0、Q0.2及Q0.3为输出端口，Q0.0和Q0.2分别接变频器DIN1和DIN2数字量输入端子控制变频器启停，Q0.3接指示灯HL用作系统运行状态指示；AO0为模拟量输出端口，输出0～10V电压信号控制变频器驱动电机调速；AI0为模拟量输入端口采集变频器4～20mA电流信号作为反馈采样信号；X2 DP为工业通讯接口和HMI进行Profibus—DP通讯。

3.触摸屏部分

触摸屏+24V、GND为电源端接直流+24V电源，1F1B为通讯接口接PLC的DP口进行数据收发。

4.变频器调速部分

MM420为西门子系列小型变频器，由三相交流电源断路器QF二次侧经熔断器FU1后接入L1、L2及L3端子上为变频器供电；U、V及W为变频输出电源端给三相交流异步电动机M供电；DIN1和DIN2为数字量输入端子接PLC的Q0.0和Q0.2；AI+和AI-为变频器模拟量输入端子接PLC的AO0口；AO+和AO-为变频器模拟量输出端子接PLC的AI0口。

二、系统的运算处理

系统应用西门子S7-300PLC模拟量线性化转换功能FC105和FC106进行数据运算，实现了PLC内部数值与外部实际工程数值的线性转换。下文结合工程项目详细分析标度变换原理和使用方法。

1.FC105功能

FC105功能将一个整型数据转换为上、下限预置范围的实际工程值，可以作为人机界面显示、通讯等实际物理量，实现模拟量转换为数字量，即A/D转换功能。在实际工程项目中分为无极性和有极性两种标度变换，即在标度变换中只有模拟量信号为正值参与的变换为无极性标度变换，模拟量信号既有正直也有负值参与的变换为有极性变换，如图2（a）和（b）分别为有极性和无极性标度变换曲线，其中x表示标准模拟量信号，y表示工程实际物理量值。

系统不考虑电动机反向运行的情况下，转速0～1400r/min要进行无极性标度变换。在FC105和FC106中_BIPOLAR预置0则为无极性变换，预置1为有极性变换。如表达式1是图1（a）有极性变换的函数关系，在出现类似-5V～+5V模拟量信号应用该变换完成控制要求。如图3是FC105的功能图，PLC采集的实际模拟量值通过MW12保存在PIW映像寄存器中給_IN，设定上下限LO_LIM和HI_LIM分别为0和1400，则对应计算出实际模拟量对应的实际转速值在_OUT中，然后给数据块DB1.DBD8作为HMI界面的监控值。

2.FC106功能

FC106功能将一个实际工程值转换成标准模拟量信号，实现数字量转换为模拟量，即D/A转换。在工程项目中同样分为无极性和有极性标度变换，如下图2的（a）和（b）所示，图中x表示标准模拟量信号，y表示工程实际物理量值。

用0～5V电压信号输入变频器驱动电机运行，其中0～5V属于无极性模拟量输出变换，下文表达式2是图2（b）无极性模拟量输出标度变换曲线的函数关系，通过HMI将实际转速值传送到数据块DB1.DBD4中给_IN端，设定上下限LO_LIM和HI_LIM分别为0和5，则对应计算出模拟量给输出给MW12到映像寄存器PQW中，PLC会产生模拟量标准信号驱动变频器运行，如图4是FC106的功能图。

三、系统的软件设计与结果分析

1.程序设计

Step-7软件中PID功能块包括连续控制功能块F41（CONT_C），步进控制功能块F42（CONT_S）以及具有产生脉冲调制的功能块F43（PULSEGEN），三者与FC105及FC106有效结合实现一个纯软件PID控制器。系统是用电压电流模拟量信号控制变频器实现转速调节，因而采用连续控制功能F41，其一般函数关系如表达式3所示。

（表达式3）

式中e（t）为系统误差，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td為微分时间，u0为前一时刻的转速值。

由表达式3及F41实现PID控制系统结构如图5所示。F41中系统设定值（SP_INT）为HMI上数据块（DB）经过FC105标度变换后的值，被控变量测量值（PV_IN）为反馈电流信号4～20mA标度转换值，SP_INT和PV_IN经过差值运算生成误差信号ER，误差信号分别经比例、积分和微分运算后进行求和处理，然后经规格化和限幅后通过LMN输出0.0～100.0范围内数据，再用F106标度变换后给PQW输出0～5V电压模拟量值就可以精确控制电机运行，整定参数见表1。

根据以上分析设计了如图6所示的程序流程图。控制程序包括主程序（OB1）、初始化程序（OB100）、循环中断程序（OB35）。初始化程序OB100在PLC上电第一个扫描周期进行参数的初始化，将转速设定值、PID控制参数赋初值并开启PID功能。主程序OB1实现模拟量输入信号滤波和FC105标度变换输入，模拟量输出信号FC106标度变换输出。循环中断程序OB35按照固定的时间间隔循环调用PID程序块FB41循环时间为100ms。

2.界面设计

如图7所示为HMI界面，界面左侧为曲线显示区域，其中横坐标表示系统调节时间，纵坐标表示转速调节曲线；界面右侧有参数监控区域，包括设定值、反馈值及转速值三个变量；界面右下侧还有启动和退出按钮。如图7在触摸屏界面上输入变量设定转速值为700r/min，按下启动按钮，PID调速曲线动态显示在左侧显示区域，实际转速值697.3r/min显示在界面右下侧。

3.结果分析

根据编写的系统程序，在HMI界面监控动态参数和曲线，测试了PID调速系统5组数据，如表2所示，包括了转速设定值、反馈值、实际输出值和误差分析。如转速设定值100r/min，电动机实际转速为99.8r/min，转速误差为0.2%，相应电流反馈值5.13mA转换为实际转速值为98.9r/min，在PLC系统PID动态曲线稳定范围。同样验证其他四组数据都满足PID控制系统要求，验证了模拟量标度变换功能FC105和FC106在PID调速系统中具有方便和精准等特点。

四、结语

文章详细地介绍了西门子S7-300PLC模拟量标度变换功能FC105和FC106的原理，应用其设计了PID调速系统，通过结果分析达到了期望控制效果。表明了PLC工程项目中应用模拟量不用复杂数学运算和参数调整，只要简单地应用标度变换就很好地实现系统功能，能够为从事PLC技术人员提供参考价值。