МАСШТАБИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цели

ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

ЛЕКЦИЯ №14

После завершения изучения данной главы слушатели ...

… будут знать принципы обработки аналоговых значений

…будут уметь назначать параметры для аналоговых модулей с использованием утилиты конфигурирования оборудования "HW Config" и правильно устанавливать кодирующий ключ (модуль диапазона измерения) в требуемое положение

… будут уметь адресовать аналоговый модуль

… будут уметь интерпретировать разрешение модуля

… будут уметь проверять выходной сигнал аналогового модуля в программе

Рис.14.1. Использование аналоговых модулей

Принцип При решении задач автоматизации целый ряд физических величин производственного процесса (давление, температура, поток, скорость, величина pH, вязкость, и т.п.) требуется обрабатывать в PLC.

Датчик Измерительные датчики реагируют на изменения физической величины изменением своих свойств: линейным расширением, изменением удельной электропроводности и т.п.

Преобразователь Измерительные преобразователи переводят эти изменения в стандартные аналоговые сигналы, например,: ± 500 мВ, ± 10 В, ± 20 мА, 4…20 мА. Эти сигналы подаются на аналоговых входные модули.

АЦП Перед обработкой в CPU аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровую форму. Преобразование выполняется с помощью АЦП (аналого-цифровой преобразователь) в модуле ввода аналоговых сигналов. В модуле сигналы каждого входного канала преобразуются по очереди.

Запоминание Результат преобразования записывается в память

результатов результатов и остается там до тех пор, пока не перепишется новой величиной. Преобразованная аналоговая величина может быть прочитана с помощью инструкции загрузки: “L PIW...”.

Вывод аналоговых Инструкция передачи “T PQW...” используется для

сигналовзаписи аналоговых величин, вычисленных программой, в модуль вывода аналоговых сигналов, где ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) преобразует их в стандартные аналоговые сигналы.

АналоговыеАналоговые выходные сигналы – это стандартные

приводы сигналы, имеющиедиапазон значений, например: ± 10 В или 4 .. 20 мА. Вы можете подключать аналоговые приводы непосредственно к аналоговым выходным модулям без дополнительных преобразователей.

Рис.14.2. Кодирующие ключи

ТипВы изменяете тип и диапазон измерения,

измеренияустанавливая кодирующие ключи. Некоторые модули без кодирующих ключей имеют специальные контакты для измерения напряжения и тока, а тип измерения устанавливается подключением проводов к соответствующим контактам.

КодирующиеКодирующие ключи находятся на левой боковой

ключи стороне модуля. Вы должны их правильно установить, прежде чем вставить модуль в стойку.

Возможные установки ключа - позиции “A”, “B”, “C” и “D”. Установочные позиции ключа для различных типов измерения и диапазонов измерения напечатаны на модуле. Утилита HW Config показывает Вам позицию ключа, соответствующую выбранному диапазону измерения сигналов.

Группы каналов В некоторых модулях несколько каналов объединены в группы. В этом случае установки кодирующих ключей относятся к целой группе.

Рис.14.3. Параметры аналогового модуля

НазначениеИнструментом для назначения параметров

параметрованалоговым модулям является утилита HW Config. После загрузки из программатора в станцию S7-400/300™ параметры сохраняются в CPU. CPU передает эти параметры в соответствующие аналоговые модули. Кроме того, в требуемую позицию должны быть установлены кодирующие ключи. В режиме RUN некоторые из параметров (динамические параметры) могут быть изменены посредством SFC-блоков. Тем не менее, после смены режима (RUNàSTOP, STOPàRUN) параметры возвращаются к значениям, заданным посредством утилиты HW Config.

ДиагностическоеМодуль инициирует диагностическое прерывание

прерываниеCPU, если обнаруживается ошибка. При этом информация об ошибке вводится в диагностический буфер и CPU немедленно переходит к обработке программы в OB82 – в организационном блоке диагностического прерывания. В этом блоке пользователь может запрограммировать необходимую реакцию системы на ошибку.

Типы ошибок, которые аналоговый модуль может распознать зависит от типа модуля.

Примеры ошибок:

•Ошибка конфигурирования / назначения параметров

•Короткое замыкание на "землю" (только для выходных каналов)

•Обрыв провода

•Отсутствие напряжения в нагрузке: L+ (кроме AI 4x14 битов, Ex)

АппаратноеМодули с внутренней диагностикой могут

прерываниеинициировать аппаратныепрерывания (OB40 … OB47). Модуль инициирует аппаратное прерывание, если происходят определенные события (например, превышение предельного напряжения в канале аналогового входного модуля). При этом CPU немедленно переходит к обработке программы, созданной пользователем в одном из блоков: OB40…47, и которая определяет отклик системы на событие.

Примечание Только в первом канале в группе каналов может выполняться мониторинг входного сигнала на предмет его выхода за пределы заданного диапазона значений. Прерывания разрешаются для аналогового модуля в целом.

Рис.14.4. Модули ввода аналоговых сигналов

Время циклаВремя цикла сканирования (scan cycle time) – это

сканированиявремя, требуемое длятого, чтобы модуль выполнил

(Scan Cycle Time) преобразование аналогового сигнала вцифровой (digital) сигнал и переслал его в память. Время цикла сканирования (scan cycle time) определяется как сумма времени преобразования сигналов от всех активных аналоговых входных каналов модуля ввода аналоговых сигналов.
Время аналого-цифрового преобразования состоит из базового времени преобразования и дополнительных значений времени работы модуля по измерению сопротивления и контролю линий на предмет их разрыва. Базовое время преобразования зависит непосредственно от метода преобразования:"суммирования","последовательного приближения" в аналоговом входном канале. Для методов суммирования время суммирования непосредственно влияет на время преобразования.

Поле "MeasuringЩелкните на поле для отображения и выбора

Type" ("Типодного из типовизмерения (напряжение, ток, …).

измерения")

Поле "MeasuringЩелкните на поле для отображения и выбора

Range" ("Диапазон одного из доступныхизмерительных диапазонов

измерения")для соответствующего типа измерения.

Position of MeasuringУбедитесь, что кодирующий ключ установлен в

Range Selectionуказанном положении,соответствующем

Module (Положениевыбранному диапазону измерения.

кодирующего ключа)

Integration time /Щелкните на поле для отображения и выбора

(Времяодного из доступныхзначений времени

интегрирования -интегрирования или подавления помехи

параметр (частотаинтерференции). В модуле устанавливается

подавленияподавление помехи и разрешение по входу в

помехи)соответствии с выбранным временем интегрирования.

Правило Если группа каналов не подключена, то выберите опцию "Deactivated" ("Деактивировано"). Остальные входные сигналы будут обновляться в более короткие временные интервалы.

Рис.14.5. Модули вывода аналоговых сигналов

Поле "Type ofЩелкните на поле для отображения и выбора

Output"одного из типов выходныхсигналов (например,

("Тип выходных ток).

сигналов") Совет:

Для обеспечения отсутствия напряжения на неподключенных выходных каналах деактивируйте их. Для этого в поле "Type of Output" ("Тип выходных сигналов") выберите опцию "Deactivated" ("Деактивировано") и оставьте каналы разомкнутыми. Это приведет к уменьшению времени цикла сканирования (scan cycle time).

Поле "OutputЩелкните на поле для отображения и выбора

Range" ("Диапазонодного из доступныхдиапазонов для

выходныхсоответствующего типа выходных сигналов.

сигналов")

Поле "ReactionЗдесь выберите, как выходы должны реагировать

to CPU- STOP"на переход CPU всостояние STOP (набор

("Реакция назначений здесь для каждого типа модуля свой)

переход в STOP")•SSV (Switch to Substitute Value) =

= "Переключение на заданное значение (значение подстановки)"

- По умолчанию значение подстановки равно ”0”; т.е., при этом значении все выходы выключены. Вы можете задавать для каждого выхода свое значение подстановки в строке ”Substitute value”. Значение подстановки должно находиться в допустимых пределах.

•RLV (Retain Last Value) =

= "Сохранить последнее значение"

- В данном случае на выход выводится последнее сохраненное значение выходного сигнала перед переходом CPU в режим STOP.

•OWVC (Outputs Without Voltage or Current) =

= "Выходы без напряжения или тока"

- В данном случае выход отключается (V/I = 0 V/mA).

Предупреждение Обеспечьте, чтобы при поступлении на выходы значений подстановки система всегда находилась в безопасном состоянии.

Рис.14.6. Представление аналогового сигнала и разрешение по входу

ПредставлениеАналоговая величина представляется как число

числа в дополнительном коде. Величина положительна, если 15-й бит содержит "0" и отрицательна, если 15-й бит содержит "1".

Разрешение Если разрешение аналогового модуля менее 15 бит, то аналоговое значение записывается в аккумулятор со сдвигом влево. Неиспользованные, незначимые битовые позиции заполняются “0”.

Время Разрешение определяется косвенно путем выбора

интегрированиявремени интегрирования в утилите “HW Config”.

(Integration Time) Следующая таблица для SM331 иллюстрирует зависимость между временем интегрирования, разрешением и подавлением частоты интерференции (interference frequency suppression):

Время интегр. Разрешение Частота

интерференции
(мс) (в битах) (Гц)

2.5 9+ зн. бит 400
16.6 12+ зн. бит 60
20 12+ зн. бит 50
100 14+ зн. бит 10

Точность В зависимости от типа модуля возможно разрешение от 8 до 15 битов.

Время Время преобразования зависит от процедуры

преобразования преобразования, используемой в модуле (интегрирование, последовательное приближение).

Время преобразования для различных модулей приводится в руководстве по S7-300™.
Пример: модуль SM344 имеет время интегрирования только 5 мс для всех 4 входных каналов.

Рис.14.7. Представление аналогового сигнала в различных диапазонах измерения

Напряжение, ток Кодировка симметричных диапазонов измерения

(симметричныйнапряжения и тока

диапазон) • ± 80 мВ • ± 2.5 В • ± 3.2 мА

• ± 250 мВ • ± 5 В • ± 10мА
• ± 500 мВ • ± 10 В • ± 20 мА
• ± 1 В

соответствуют номинальной области: - 27648 … +27648.

Напряжение, ток Кодировка асимметричных диапазонов измерения

(асимметричный напряжения и тока

диапазон) • 0 - 2 В • 0 - 20 мА

• 1 - 5 В • 4 - 20 мА

соответствуют номинальной области: 0 … +27648.

Сопротивление Кодировка диапазонов сопротивления

• 0 - 150 Ом
• 0 - 300 Ом
• 0 - 600 Ом

соответствуют номинальной области: 0 … +27648.

Температура Температура измеряется с помощью термосопротивлений и термопар. Значения соответствуют номинальной области, определяемой как увеличенный в 10 раз температурный диапазон для термопары:

Датчик: Температурный Кодирование диапазон : ном. диапазона :

•Pt 100 -200 до + 850 ºC -2000 до + 8500
•Ni 100 -60 до + 250 ºC -600 до + 2500
•Термопара тип K -270 до + 1372 ºC -2700 до + 13720
•Термопара тип N -270 до + 1300 ºC -2700 до + 13000
•Термопара тип J -210 до + 1200 ºC -2100 до + 12000
•Термопара тип E -270 до + 1000 ºC -2700 до + 10000

Рис.14.8. Представление аналогового сигнала для аналоговых выходов

Напряжение, ток Для симметричного диапазона напряжения или

(симметричный тока номинальный диапазон -27648 … +27648

диапазон)преобразуется в:

• ± 10 В

• ± 20 мА.

Напряжение, ток Для асимметричного диапазона напряжения или

(асимметричный тока номинальный диапазон 0 … +27648

диапазон) преобразуется в:

• 0 … 10 В

• 1 … 5 В

• 0 … 20 мА

• 4 … 20 мА.

Переполнение Если величина, которая должна преобразовываться, достигает области переполнения, то выходные сигналы аналогового выходного модуля блокируются (0 В, 0 мА).

Рис.14.9. Адресация аналоговых модулей для S7-300

Область адресов S7-300™ имеет специальную адресную область для аналоговых входов и аналоговых выходов, отдельную от областей отображения входов и выходов для дискретных модулей (PII/PIQ).

Эта адресная область занимает адреса с байта 256 по байт 767. Каждый аналоговый канал занимает 2 байта. По умолчанию каждый аналоговый модуль занимает 16 байтов доступного адресного пространства. Так же как в дискретных сигнальных модулях, здесь номер занятого слота определяет в модуле начальный байтовый адрес.

Доступ Вы имеете доступ к аналоговым модулям с помощью инструкций “L” (загрузить) и “T” (переслать).

Пример: инструкцией "L PIW322" считывается значение из второго канала модуля в 8-м слоте в 0-й стойке.

S7-400™ В станции S7-400™ область адресов для аналоговых модулей начинается с байта 512.

Рис.14.10. Масштабирование аналоговых входных сигналов

ПримерыУровень заполнения бака измеряется в литрах (общий объем – 500 л).В примере A показано масштабирование сигнала в случае, когда датчик выдает сигнал 0 В при пустом баке и +10 В, если бак полон. В примере B показано масштабирование сигнала в случае, когда датчик выдает -10 В при пустом баке и +10 В В, если бак полон.

Разрешение В примере Bуровень измеряется с двойным разрешением по входу или с удвоенной точностью, так как значения входного сигнала приводятся к большему динамическому диапазону значений внутренней переменной: - 27648 …+27648.

Масштабирование Диапазон входного сигнала аналогового модуля –10В…+10В приводятся к диапазону значений внутренней переменной -27648…+27648. Преобразование данного диапазона значений к исходным физическим величинам (например, 0 л … 500 л) называется масштабированием.

Для масштабирования аналоговых значений используется стандартный блок FC 105. В ПО STEP 7 блок FC 105 поставляется в стандартной библиотеке "Standard Library" в разделе "TI-S7 Converting Blocks" в S7 program.

IN В блоке FC 105 аналоговое значение на входе IN может быть считано прямо из модуля или передано через интерфейс данных в формате INT.

LO_LIM, HI_LIM Входы LO_LIM (нижний предел) и HI_LIM (верхний предел) используются для задания границ физической величины. В примере выполняется приведение к диапазону 0 л … 500 л.

OUT Масштабированное значение (физическая величина) сохраняется как действительное (real) число на выходе OUT (LO_LIM <= OUT <= HI_LIM).

BIPOLAR На входе BIPOLAR Вы можете задать режим приведения сигнала только к положительному или к биполярному диапазону значений. Если в параметр передается ´0´, то производится нормировка к диапазону 0…+27648. Если в параметр передается ´1´, то производится нормировка к диапазону –27648 …+27648.

RET_VAL Выходное значение RET_VAL возвращает 0, если при выполнении не было ошибок.

Рис.14.11. Преобразование вещественной переменной в аналоговый

выходной сигнал

Примеры Аналоговое значение в диапазоне 0.0…100.0%, которое рассчитывается в пользовательской программе преобразуется (денормируется) с помощью функции FC106 в диапазон 0…+27648 (униполярный) или -27648…+27648 (биполярный). Когда денормированное значение выдается в аналоговый выходной модуль, этот модуль управляет приводом (например, заслонка с серводвигателем) сигналами с диапазоном 0В…+10В (униполярный) или –10В…+10В (биполярный).

В примере A показано масштабирование сигнала в случае, когда на привод подается сигнал 0 (0 В или 0 мА) при значении переменной из программы, равном 0%, и когда на привод подается максимальный сигнал (например, +10В или 20 мА) при значении переменной = 100%.

В примере B показано масштабирование сигнала в случае, когда на привод подается минимальный сигнал (-10В или –20мА) при значении переменной = 0%, и когда на привод подается максимальный сигнал (например, +10В или 20 мА) при значении переменной = 100%.

Денормирование Значение, рассчитанное в программе (в примере показано в процентах), должно быть денормировано в диапазон выходного аналогового модуля. Для денормирования аналоговых значений используется стандартный блок FC 106. В ПО STEP 7 блок FC 106 поставляется в стандартной библиотеке "Standard Library" в разделе "TI-S7 Converting Blocks" в S7 program.

IN Рассчитанное в программе значение должно быть в формате REAL.

LO_LIM, HI_LIM Входы LO_LIM (нижний предел) и HI_LIM (верхний предел) используются для задания границ рассчитанного значения. В примере - это границы диапазона: 0.0% …100.0%.

OUT Денормированное значение в формате INT выводится на выход OUT.

BIPOLAR На входе BIPOLAR Вы можете задать режим приведения сигнала только к положительному или к биполярному диапазону значений. Если в параметр передается ´0´, то производится нормировка к диапазону 0…+27648. Если в параметр передается ´1´, то производится нормировка к диапазону –27648 …+27648.

RET_VAL Выходное значение RET_VAL возвращает 0, если при выполнении не было ошибок.

Рис.14.12. Упражнение: Назначение параметров для аналогового

модуля SM335

ПримечаниеВ зависимости от типа аналогового модуля на Вашем учебном стенде, Вы должны выполнить или данное упражнение или упражнение, представленное на следующей странице.

Задача Вы должны назначить параметры для аналогового модуля, используя данные на слайде (рисунке).

Действия 1. В утилите HW Config откройте Вашу HW-станцию с именем "My_Station".
SIMATIC^® Manager -> двойной щелчок на значке Hardware

2. Откройте окно назначения параметров для аналогового модуля. Выделите аналоговый модуль и откройте окно свойств объекта:
Edit -> Object Properties или двойной щелчок на поле Analog Module

3. Назначьте параметры для модуля, выбрав опции в полях Measuring Type и Measuring Range для входов как показано на слайде. Активируйте диагностическое прерывание Diagnostic Interrupt (не забудьте отметить отдельные входные каналы в Group Diagnostics). Так как вывод аналоговых сигналов не требуется, деактивируйте все выходы: deactivate all Outputs.

4. Сохраните и скомпилируйте измененную конфигурацию оборудования и назначенные параметры:
HW Config -> Station -> Save and compile (Сохранить и скомпилировать)

5. Загрузите измененные системные данные в CPU:
HW Config -> PLC -> Download... (Загрузить...)

Рис.14.13. Упражнение: Назначение параметров для

аналогового модуля SM331

ПримечаниеВ зависимости от типа аналогового модуля на Вашем учебном стенде, Вы должны выполнить или данное упражнение или упражнение, представленное на предыдущей странице.

Задача Вы должны назначить параметры для аналогового модуля, используя данные на слайде (рисунке).

Действия 1. В утилите HW Config откройте Вашу HW-станцию с именем "My_Station".
SIMATIC^® Manager -> двойной щелчок на значке Hardware

2. Откройте окно назначения параметров для аналогового модуля. Выделите аналоговый модуль и откройте окно свойств объекта:
Edit -> Object Properties или двойной щелчок на поле Analog Module

3. Назначьте параметры для модуля, выбрав опции в полях Measuring Type и Measuring Range для входов как показано на слайде. Активируйте диагностическое прерывание Diagnostic Interrupt (не забудьте отметить отдельные входные каналы в Group Diagnostics).

4. Сохраните и скомпилируйте измененную конфигурацию оборудования и назначенные параметры:
HW Config -> Station -> Save and compile (Сохранить и скомпилировать)

5. Загрузите измененные системные данные в CPU:
HW Config -> PLC -> Download... (Загрузить...)

Рис.14.14. Упражнение: Диагностика оборудования по

диагностическому прерыванию

ЗадачаВаша задача - инициировать диагностическое прерывание из аналогового входного модуля.Вы назначили параметры для Вашего аналогового модуля и активировали диагностическое прерывание в предыдущем упражнении. Вращая ручку потенциометра на панели симулятора, имитирующего изменения входного аналогового сигнала необходимо инициировать диагностическое прерывание. После перехода CPU в режим STOP из-за диагностического прерывания выполните поиск "отказа" с помощью функции тестирования Hardware Diagnostics (Диагностика оборудования) (см. рисунок).

Действия Примечание: В зависимости от выполненных Вами установок в SIMATIC^® Manager, включите или вид Hardware Diagnostics Quick View (Быстрый просмотр диагностики оборудования), или общий вид станции Station View.

Вы можете выполнить установки с помощью:
SIMATIC^® Manager -> Options (Опции) -> Customize (Установки пользователя) -> View (Вид)

Инициируйте диагностическое прерывание

· Вращая ручку потенциометра на панели симулятора, вызовите "отказ системы".

· Запустите функцию тестирования Hardware Dignostics (Диагностика оборудования):
SIMATIC^® Manager -> PLC -> Hardware Dignostics (Диагностика оборудования)

· Двойным щелчком на элементе CPU или щелчком на кнопке Module Information (Информация о модуле) откройте события, внесенные в диагностический буфер.

· Дважды щелкните на элементе аналоговый модуль или выберите элемент аналоговый модуль и щелкните на кнопке Module Information (Информация о модуле) для просмотра диагностических данных.

Рис.14.15. Упражнение: Запись и отображение веса

транспортируемых деталей

Текущее состояниеЧисло транспортированных деталей отображается

функции дисплея на цифровом BCD- дисплее.Функция подсчета и отображения числа транспортированных деталей запрограммирована в блоке FC 18.

ЗадачаДетали, транспортируемые в автоматическом режиме, должны быть взвешены на рабочем месте Conveyor End (фотоэлемент). Текущий вес в диапазоне значений от 0 до 500 кг может быть установлен с использованием потенциометра на симуляторе ( 0…10 В ). При включении (с фиксацией) ключа симулятора I 0.6 текущее значение веса (0…500 кг) должно отображаться на цифровом BCD-дисплее. При выключении ключа симулятора I 0.6 дисплей должен отображать число транспортированных деталей. Если фактический вес детали меньше 100 кг или больше 400 кг, то принимается решение об отбраковке детали. Бракованные детали не должны быть сосчитаны.

Действия 1. При назначении параметров CPU задайте для OB 35 (циклическое прерывание - Cyclic Interrupt) запуск через каждые 250 мс:
HW Config -> двойной щелчок на CPU -> Cyclic Interrupt

2. В OB 35 запрограммируйте контроль и отображение на дисплее фактического значения веса детали (для проверки граничных значений веса используйте функции сравнения).
- для масштабирования аналоговых измеренных значений в OB 35 вызывайте блок TI-S7-преобразования FC 105, который Вы скопировали из библиотеки в Ваш проект в начале курса.

- запрограммируйте меркер M 35.0 для хранения результата проверки веса. Назначайте меркеру значение "1", когда вес в пределах нормы, и "0", когда деталь признается бракованной.

- пересылка масштабированного значения веса на BCD-дисплей, только если включен ключ симулятора I 0.6.

3. Фильтруйте значение M35.0 в FC 18, чтобы бракованные детали не были сосчитаны. Сделайте отображение количества деталей на BCD-дисплее зависящим от положения ключа I 0.6.