PLC模拟量信号的数值整定

    一、应用背景与需求    实际控制系统中的过程量，如压力、流量、温度、速度、负荷、厚度等变化量，通过传感器转变为控制系统可接收的电压或电流信号，再通过模拟量输入模板的A/D转换，以数字量的形式传送给PLC的CPU。该数字量与实际的过程量具有某种函数对应关系，但在数值上并不相等，也不能直接使用，必须按照特定的函数对应关系进行转换，使之与实际过程量相同。    在程序设计中，在模拟量信号输入时，将输入的数字量按照确定的函数关系进行转化的过程称为模拟量输入信号的数值整定。    在控制系统中，控制运算使用的参数一般以实际量的大小进行计算的，计算结果也是一个有单位、有符号的实际控制量值。但是，输出给控制对象的常常是在一定范围内变化的连续信号，如-10～+10V、4～20mA等电信号。从程序计算出的数字量控制结果到输出的连续控制量之问的转换是由输出接口单元模拟量输出模块转换完成的。在转换过程中，D/A转换器需要的是控制量在标定范围内的位值，而不是实际控制量本身。再加上系统偏移量的存在，要输出的控制量就不能直接送给D/A转换器，必须先经过一定的数值转化。   在程序设计中，将以模拟量形式输出的控制量值在送给D/A转换器之前，按确定的函数关系把实际控制量转化成相应的位值的过程称为模拟量输出信号的数值整定。    在PLC控制系统程序设计中，输入信号和输出信号的数值整定是经常遇到一类问题。本例对该类问题进行讨论，分别说明PLC模拟量输入信号数值整定和模拟量输出信号数值整定中应注意的问题，并给出数值整定的流程图。    二、模拟量输入信号的数值整定    1．模拟量输入信号数值整定中应注意的问题    模拟量输入信号数值整定涉及被测信号的特点、PLC的模拟量信号输入通道及A/D转换器的性能等诸多方面，不同的系统需要考虑的方面和问题不同。    在具体实现过程中应注意搞清楚以下几个问题。    ·模拟量输入模板数据通道的数据是否从数据字的第0位开始：在有的系列的PLC中，数据不是从数据字的第0位开始排列，其中包含了一些数据状态位，不作为数据使用，在整定时要进行移位操作，使数据的最低位排列在数据字的第0位上，以保证数据的准确性。    ·过程量的最大测量范围是多少：由于控制的需要或条件所限，有些系统中某些过程量的测量并不是从零开始到最大值，而是取中间一段有效区域，如压力100～1000Pa、温度100℃~ 200℃等，那么这些量的测量范围就分别为900Pa和100℃，这一点要明确。    ·数字量可容纳的最大值是多少：这个最大值一般是由模拟量输入模板的转换精度位数决定的。一般是从0开始到某一最大值，8位输入模板的最大值为255，12位输入模板的最大值为4095等。另一方面需要注意的是：对于一个具体的控制系统，也可能由系统外部的某些条件使输入量的最大值限定在某一数值上，不能达到模板的最大输入值。    ·系统偏移量多大：这里说的系统偏移量是指数字量“0”所对应的过程量的实际值。系统偏移量的产生一般有两种原因：一种是由于测量范围不是从“0”开始，而引起的偏移：另一种是模拟量输入模板的转换死区所引起的偏移量，二者之和就是系统偏移量。    ·线性化问题：即需要考虑如下的问题：输入的数字量与实际过程量之间是否为线性对应关系、检测仪表是否已经进行了线性化处理等。如果输入的量与待检测的实际过程量之间不是线性关系，而是一种曲线关系，那么在整定时就要考虑线性化问题，尽可能消除非线性带来的误差。    上述5个问题是PLC模拟量输入信号数值整定中的关键，在程序设计之前必须准确地掌握，并在程序的设计中予以充分考虑。当然，实际系统中并非这5项内容都同时存在，有时只需要考虑其中某几项，视具体系统而定。    2．模拟量输入信号数值整定的过程    模拟量输入信号的数值整定可按图9.9所示的过程进行，经过相应的运算就可以得出所需要的数值。
    图9.9    模拟量输入信号数值整定的过程框图    三、模拟量输出信号的数值整定    1．模拟量输出信号数值整定中应注意的问题模拟量输出信号的数值整定也涉及诸多方面，在具体实现过程中应注意搞清楚以下几个问题。    ·模拟量信号的最大范围是多少：也就是说输出模块各通道的模拟量值变化幅度有多大，如0~10V、4~20mA的范围就是10V、16mA。经过驱动机构之后，控制对象的实际运行状态如何，是100~1000r/min，还是50~100℃等。    ·输出模块D/A转换器所能容纳的最大位值是多少：一般由D/A转换器的位数和输出分布情况决定，如一个12位的D/A转换器，如果设定成单方向输出，那么位值范围就为0~ 4095;如果设定成双向输出，则它的位值范围应该是-2048~+2047。    ·系统偏移有多大：即输出位值0所对应的控制对象的实际状态。包括由系统本身引起的和由实际输出控制范围引起的两部分，二者之和才是系统总的偏移量。如某系统在输出位值0时，对应模拟量4mA，控制对象的实际运行状态为100Pa，那么在输出时在位值上就应考虑100Pa所对应数字量问题。    ·模拟量输出通道的暂存单元中数据是否从第0位开始：在有些系统中，数据不是从暂存单元的第0位开始，而是某一中间位，余下的为状态位，输出时就要进行相应的移位处理。    这4点是模拟量输出量值整定的基础，整个整定过程都要根据以上提供的信息进行。由于系统的差别和被控对象的不同，有的系统在模拟量输出时可能还需要做其他工作。    2．模拟量输出信号数值整定的过程    模拟量的输出整定过程是一个线性处理过程，根据输出实际控制量的范围与最大数字量位值的关系，确定各输出量的位值。    当将系统的输出量位值的“0”定在过程控制量的最小值，输出量位值的最大值定义在过程控制量的最大值时，模拟量的输出整定可按图9.10所示的过程进行。
    图9.10    模拟量输出信号数值整定的过程框图    四、总结与评价    PLC模拟量信号的数值整定包括模拟量输入信号的数值整定和模拟量输出信号的数值整定。在PLC用户程序的设计中，对系统控制量的运算与处理通常是以实际参量的大小和单位来完成的。对模拟量输入信号的数值整定，就是使得PLC CPU获得的数字量信号与实际的过程量相同，以保证程序计算过程的准确性。同样，为适应D/A转换的要求，程序计算所产生的控制信号，也需要经过数值整定后，再送到PLC的D/A转换模块进行输出。    本例分别给出了PLC模拟量输入信号和输出信号数值整定中应注意的问题，及数值整定过程的流程图。当然，实际系统设计中还需要根据具体情况进行具体处理。本章后面的将结合实例进一步论述模拟信号数值整定问题的处理和相应的程序设计方法。