案例分析：PLC模拟量输入输出方案优化

1.控制要求

采用S7－1200 内置的模拟量输入/输出点或SM1234 模拟量输入/输出模块，对外部0 ～10 V 模拟量进行监测，实现以下功能:

通过10 V 电源和滑动变阻器组合成可调电压源，调节模拟量输入值，通过5 盏指示灯组合状态显示输入值的范围:当模拟量输入值≥1 V 时，HL1 (Q0.1)点亮；当模拟量输入值≥3 V 时，HL1、HL2 (Q0.1、Q0.2)点亮；当模拟量输入值≥5 V 时，HL1 ～ HL3(Q0.1、Q0.2、Q0.3)点亮；当模拟量输入值≥7 V 时，HL1 ～HL4 (Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4)点亮；当模拟量输入值≥9 V 时，5 盏灯(Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5)全部点亮，并把输入的电压值转换成相对应的电流输出，用万用表测量电流值。把PLC 输入电压值、输出电流值以及5 盏灯的亮灭情况显示在触摸屏上。

2.硬件组态

方案一:采用PLC 内置的模拟量输入输出点。

打开博途软件，新建一个项目，并添加控制器CPU 1215C DC/DC/DC，硬件组态与之前的任务一样。打开PLC_1 设备视图，单击右侧“设备视图”箭头，展开“设备概览”界面，可以看到自动分配的模拟量输入输出通道的地址，模拟量输入输出通道地址分配如图9－14所示。

图9-14　模拟量输入输出通道地址分配

模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字(2B)的地址，所以在模拟量地址中只有偶数。在属性对话框“I/O 地址”选项卡中，用户可以修改系统自动分配的地址，一般习惯采用系统分配的地址。两路模拟量输入的默认地址分别为IW64 (通道0)和IW66 (通道1)，模拟量输入电压值为0～10 V，对应数字量为0～27 648。两路模拟量输出的默认地址分别为QW64 (通道0)和QW66 (通道1)，模拟量输出电流值为0～20 mA，对应数字量为0～27 648。PLC_1 的模拟量输入通道0 如图9－15所示，PLC_1 的模拟量输出通道0 如图9－16所示。通道1 和通道0 相比，除了地址不同，其他属性类似。CPU 内置的模拟量通道类型，无法对其更改。

图9-15　PLC_1 的模拟量输入通道0

图9-16　PLC_1 的模拟量输出通道0

方案二:采用SM1234 模拟量输入/输出模块。

通常每个模拟量信号模块都可以更改其测量信号的类型和范围。S7－1200 PLC 的模拟量模块的系统默认地址为I/QW96 ～I/QW222。一个模拟量模块最多有8 个通道，S7－1200给每一个模拟量分配16B (8 个字)的地址。

在PLC_1 的设备视图中右边的“硬件目录”中选择AI/AQ→AI 4×13BIT/ AQ 2×14BIT→6ES7 234－4HE 32－0XB0，双击把它放到PLC_1 的右边，如图9－17所示。

图9-17　PLC_1 的设备视图

双击模拟量输入/输出模块，打开模块的属性窗口，如图9－18所示。在“常规”属性中包括“常规”和“AI4/AQ2”两个选项，“常规”项给出了该模块的名称、描述、注释、订货号及固件版本等。在“AI4/AQ2”选项中的“模拟量输入”项中可看到模块的输入默认地址为IW96，该项中还可设置信号的测量类型、测量范围及滤波级别(一般选择“弱”级，可以抑制工频信号对模拟量信号的干扰)，单击测量类型后面的按钮，可以看到测量类型有电压和电流两种；单击测量范围后面的按钮，若测量类型选为电压，则电压范围为±2.5 V、±5 V、±10 V；若测量类型选为电流，则电流范围为0 ～20 mA 或4 ～20 mA。在此对话框中可以激活输入信号的“启用溢出中断”等功能。该模块的“模拟量输出”选项如图9－19所示。从图9－19 中可看到模块的输出默认地址为QW96，该选项中还可设置输出模拟量的信号类型(电压或电流)及范围。若输出为电压信号，则范围为±10 V ；若输出为电流信号，则范围为0 ～20 mA 或4 ～20 mA。

图9-18　模拟量模块的输入通道设置

图9-19　模拟量模块的输出通道设置(www.xing528.com)

该选项中还可以设置CPU 进入STOP 模式后，各输出点保持最后的值或使用替换值，还可以激活电压输出的短路诊断功能，电流输出的断路诊断功能以及超出上下界限的诊断功能。

3.外部接线与PLC 变量

根据案例的控制要求，PLC 的外部接线图如图9－20所示。在硬件组态中讲到了两种方案的组态，对这个案例的PLC 编程来说，除了地址不同外，编程都一样，这里就采用PLC内置的模拟量输入输出点这个方案完成该案例。其PLC 的变量表如图9－21所示。

图9-20　PLC 的外部接线图

图9-21　案例的PLC 变量表

4.PLC 程序设计

根据案例的控制要求，编制其PLC 程序，如图9－22所示。程序中，NORM_X 是标准化指令，通过将输入(MW10)的值(0 ～27 648)映射到线性标尺(0 ～1)对其进行标准化处理；SCALE_X 是缩放指令，通过将输入(MD20)的值映射到指定的(0 ～10 V 或0 ～20 mA)范围对其进行电压或电流转换与显示。

图9-22　案例的PLC 程序

图9-23　案例的触摸屏界面

5.触摸屏界面设计

根据案例要求，在HMI 触摸屏里添加两个“I/O 域”，双击打开“属性”窗口，在“常规”选项里把“过程”中的变量分别关联“实际电压”变量MD30、“实际电流”变量MD40，“类型”中的模式为“输出”类型，添加5 个圆代表5 盏灯，分别关联变量Q0.1 ～Q0.5，当变量为“1”时，灯的颜色由灰色变成红色。触摸屏的界面如图9－23所示。

6.下载与调试

根据案例的控制要求，完成PLC 的外部接线，其中CPU 1215 C DC/DC/DC 本体自带的模拟量输入输出在CPU 的右上方，输入点的标记为AI，3M 是公共端(接电压的负端)，0 是通道0 端子，1 是通道1 端子。输出点的标记为AQ，2M 是公共端，0 是通道0 端子，1 是通道1端子。将编辑好的用户程序及设备组态下载到CPU 中。下载成功并与PLC 建立好在线连接后，打开需要监视的程序，单击按钮，启动程序状态监视。调节滑动变阻器，使PLC 的输入电压值分别为1 V、3 V、5 V、7 V、9 V，观察触摸屏指示灯及PLC 外部指示灯的亮灭情况，触摸屏显示的电压和电流值、模拟量输出端口实际测量的电流值见表9－4。从表9－4 中可看出，测量的输出电流约为输入电压的二倍。

表9-4　输入电压、输出电流记录

打开项目树中PLC 的“监控与强制表”文件夹，双击其中的“添加新监控表”，生成一个名为“监控表_1”的新监控表。当给定输入电压为1 V 时，监控表如图9－24所示，HL1灯亮。观察每个输入电压段对应的变量的值是否符合控制要求。若测量的输出电流及监视结果与控制要求一致，则说明调试成功，完成案例的控制要求。

图9-24　电压为1 V 时的监控表