PLC对模拟量的控制作者：黄静毕波来源：《电脑知识与技术》2009年第31期摘要:在工业生产领域中,特别是连续型生产过程中常常需要对电流,电压,温度,压力等物理量进行控制。
用PLC来控制模拟量可以充分利用PLC强大的数字与逻辑处理功能,在控制模拟量的同时,还可以进行开关量的控制。
该文着重介绍了如何用PLC对模拟量进行控制。
关键词:PLC;模拟量;数字量;转换中图分类号:TP335文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)31-pppp-0cPLC Analog Volume ControlHUANG Jing, BI Bo(Vocational & Technical College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)Abstract: In industrial control field, especially continuous production, we often need gather and control some analog signal, just as current, voltage, temperature, pressure and so on. Control analog quantity by PLC can take full advantage of its powerful date and logic process function, and at the same time it also can control switching value. This article mainly introduces how to process analog signal using PLC.Key words: PLC; analog quantity; digital quantity; conversion为了适应现代工业发展的需要,要求作为工业控制电子设备的PLC能对这些量进行控制。
为此,各PLC厂家都在这方面进行了大量的开发。
目前,不仅大中型机可以进行模拟量控制,小型机也可以。
我们都知道模拟量是指一些连续变化的物理量。
而PLC是由继电器控制电路引进微处理器技术后发展而来,可以方便、可靠地进行开关量的控制。
PLC进行模拟量控制,需要将模拟量转换成数字量,数字量的本质也就是开关量。
经转换后的模拟量,对有较强信息处理的PLC并不难。
由于PLC是基于计算机技术的控制器,有很强的数字处理与逻辑处理功能,所以,只要有合适的算法,一般来说多数控制要求总是可以实现的。
用PLC进行模拟量控制有一个明显的好处:在进行模拟量控制的同时,可进行开关量的控制,这是其他控制器所不能与之相比的。
本文主要探讨的就是PLC对模拟量的处理过程。
1 PLC处理模拟量的一般过程模拟量是连续量,如温度,湿度,流量等多数是非电量。
而PLC只能处理数字量、电量。
这就需要有相应的转换装置对信号进行转换。
PIC可以有很多具有特殊功能的扩展模块,模拟量模块则是其中的一种。
它包括数模转换模块和模数转换模块。
例如,数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出,这种转换具有较高的精度。
一般来讲,其控制过程是:首先用传感器采集信息,并把它变换成标准电信号,送到模拟量模块;模拟量模块把标准电信号转换成PLC可处理的数字信息;PLC按要求对此信息进行处理,并产生相应的控制信息送回模拟量模块;模拟量模块得到控制信息后,经变换,再以标准信号的形式传给执行器;执行器对此信号进行放大和变换,产生控制作用,施加到受控对象上。
图1示出以上介绍的模拟量控制过程。
■图1 模拟量控制过程2 模拟量信息的采集模拟量是连续量,多数是非电量。
而PLC只能处理数字量、电量。
需要有传感器接收模拟量信号,并把模拟量信号转换成电信号。
如果转换后的信号不是标准的电信号,如4～20mADC、1～5VDC、0～10VDC,还需要用变送器把非标准信号变换为标准的电信号。
变送器能够将温度、压力、长度、位置等物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出,热电偶电热调节器及电阻温度检测器都是常用的温度测量变送器。
信号经传感器,变送器处理后进入PLC的输入接线端子。
输入接线端子是PLC与外部传感器负载转换信号的端口,输入接线一般指外部传感器与输入端口的接线。
输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN管。
输入器件接通进入,输入端接通,输入线路闭合,同时输入指示的发光二极管亮,输入信号进入PLC等待输入采样。
PLC的模拟量模块能够在同一个端口接收不同的标准信号,只要在模块上的拨动开关上进行相关设定,就可以直接应用。
要注意的是:不同厂家的不同机型对进入其输入通道的信号要求可能会有所不同。
比如三菱的FX2N-2AD不能将一个通道作为模拟电压输入而将另一个作为电流输入。
这是因为两个通道使用相同的偏值量和增益值。
3 模拟量信息的变换和处理接收到的标准电信号是连续量,PLC是不能直接处理的。
为此需要对其进行采样与量化,转换为PLC能够进行处理的数字量。
首先对模拟量按一定时间间隔取值,进行采样。
采样后得到的量即为离散量。
它只能代表采样的瞬间的模拟量值,不能代表其它时刻的模拟量值。
显然,采样时间间隔越短,取样点越密集,就越能体现原始模拟信号的特征。
为了保证采样信号能较少失真地恢复为原来的连续信号,根据采样定理,采样频率一般应大或等于系统最大频率的两倍。
最大频率是系统幅频特性上幅值为零时的频率。
接下来要对离散量进行量化,求与实际的离散量最为接近的数字量。
所谓量化,就是度量采样后离散信号幅度的过程。
量化精度是就是度量时分级,好比一把尺子的刻度划分。
量化后得到的离散量就是PLC可以进行处理的数字量。
由量化的过程可知,数字量在时间上与取值上都是离散的。
转换后的数据量可以是八位二进制数、十二位二进制数、或者更高。
对应的分辨率分别为量程的1/256、1/4096、或更小。
如果选择的位数多,分辨率高,精度也高,量化后的值与模拟量的原值的误差也越小。
但位数多,模块价格也昂贵。
如果高过16 位,还要用双字指令处理,这将在一定程度上增加资源开销与处理时间。
在实际应用中,接收到的模拟信号不可能是理想信号,会受到各种干扰,为了削弱干扰对于模拟信号的影响,需要对模数转换结果按一定的算法进行过滤处理。
这一过程称为数字滤波。
常用的简单滤波设计方法如下:对现场模拟信号连续采样3次,采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。
3次采样数据分别存放在三个不同的数据寄存器中,当最后一次采样结束后,将3次采样数据的平均值作为本次采样结果存放在数据寄存器中,作为实际输入信号。
在实际应用中,可以根据需要适当地增加采样次数,以达到更好的效果。
对输入的模拟量处理好之后,就是根据通道的输入特性,找出实际物理量和数字量的对应关系。
图2列出的是数字量位数为12位的模拟量模块的通道的输入特性。
例如:压力传感器的量程为0～10MPa,输出信号为0～10V,选择FX2N-2AD的量程为0～10V,转换后的数字量为0-4000,假设转换后得到的数字为N,求以kPa为单位的压力值。
显然0～10MPa对应转换后的数字0～4000。
转换公式为:P= (10000×N)/4000=2.5N (kPa)注意: 在运算时一定要先乘后除,否则将会损失原始数据的精度。
找到对应关系后,根据控制要求对数据量进行处理。
再将处理结果输出到执行机构。
如果有输出执行的控制信息(数字量)需要送到输出模拟量模块,模拟量模块得到控制信息后,要经D/A 变换成模拟量,再以标准信号的形式传给执行器,执行器对此信号进行放大和变换,产生控制作用,施加到受控对象上。
4 应用案例现列举一个温控炉的恒温控制的案例来说明如何编程实现PLC对模拟量的控制。
让温控炉的炉温保持在一个设定的温度值上,最简单的控制方法是,不停地读入当前的温度值,并与设定值比较。
如实际温度小于设定值,则控制一个逻辑量处于ON,用其让加热器得电。
反之,如实际温度大于设定值,则控制这个逻辑量处于OFF,让加热器失电。
其控制过程如图3所示。
我们采用一体化温度变送器来检测当前温度,直接将PT100热电阻的阻值变化转换为4～20mA电流(模拟量4～20mA电流信号在工程中最为常用,其主要优点是抗干扰能力强。
),检测范围为0～400℃。
4～20mA电流与0～400℃数据对应,通过4～20mA电流间接可测量和反映实际温度。
在这个控制过程中,有一个模拟量(温度)和一个开关量(温控炉的得失电)。
据此,PLC 选用三菱的FX2N-16MR(16个开关量控制),模拟量输入模块选用三菱的FX2N-2AD(2个模拟量输入通道)。
该模拟量模块的数字量位数为12位,内部共有18个缓冲寄存器(BFM),用来与主机FX2N-16MR进行数据交换,每个缓冲寄存器的位数为l6位,数据传输使用FROM,TO指令。
将FX2N-2AD安装在紧靠基本单元FX2N-16MR的位置,其模块编号为0,选用通道1作为模拟量的输入通道。
图4所示的是当X0接通时,PLC读取模拟量并将其转换为数字量的程序。
通道1转换后的数字量就存放在寄存器D10O中。
如果现场的干扰较大,读取的数字值不稳定,可使用平均值数据,也就是我们前面介绍的滤波处理。
可在图4所示的程序后面添加如下程序(图5)。
得到转换后的数字后,在根据控制要求进行处理。
将其与恒温控制设定的温度值所对应的数字值(设定值)相比较,如果大于设定值,则停止加热。
如果小于设定值,则继续加热。
这一部分的处理是对开关量的处理,就不详细说明了。
5 结束语通过PLC模拟量模块对数据的转换和传递,PLC可以很轻松地实现对模拟量的控制。
此外,PLC模拟量的扩展模块除了普通的模入模块外,还有专门用于处理温度量的温度模块,用于通讯的通讯模块等一些特殊的功能模块。
用PLC进行工业控制,可以很方便地与各种扩展模块组合在一起使用,并可用PID或模糊控制算法实现其控制要求,从而获得很高的控制质量。
参考文献:[1] 杨广才,唐学媛.PLC软件数字滤波的应用[J].自动化技术与应用,2008(2):27.[2] 日本三菱电气公司.三菱FX系列特殊功能模块手册[Z].[3] 宋伯生.可编程序控制器·配置·编程·联网[M].北京:中国劳动出版社,1998.。