在工業(yè)控制中，除了數(shù)字信號(hào)以外，還需要對(duì)電流、電壓等電量和溫度、流量、壓力等過(guò)程變量進(jìn)行檢測(cè)和控制。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，要把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的電信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號(hào)；而另一方面又把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出到控制現(xiàn)場(chǎng)，去控制被控量的變化。

    通常，把從現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)到CPU之間的各個(gè)環(huán)節(jié)稱為過(guò)程通道，它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換、傳遞與轉(zhuǎn)換等功能。PLC大都擁有實(shí)現(xiàn)過(guò)程通道作用的特殊功能單元，即模擬量信號(hào)的輸入／輸出單元，用于模擬量信號(hào)檢測(cè)與控制功能的實(shí)現(xiàn)。

    下面以兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的“輸送線雙機(jī)同步控制”為例，說(shuō)明PLC模擬量信號(hào)的輸入、運(yùn)算及控制信號(hào)輸出的基本方法。

8.3.1 控制要求、工藝過(guò)程、控制原理分析

    在自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到單條輸送線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或包角過(guò)大的問(wèn)題，此時(shí)就要設(shè)置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，而在控制上就需使兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置同步運(yùn)行，如圖8-9所示。同步的方法很多，比如張緊檢測(cè)方式、轉(zhuǎn)矩檢測(cè)方式、旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)方式等，它們各有適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

    轉(zhuǎn)矩檢測(cè)方式通過(guò)檢測(cè)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)輸送線的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)雙機(jī)同步控制。例如，以驅(qū)動(dòng)1為基準(zhǔn)，若驅(qū)動(dòng)2轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動(dòng)1轉(zhuǎn)矩則驅(qū)動(dòng)2減速，驅(qū)動(dòng)2轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動(dòng)l轉(zhuǎn)矩則驅(qū)動(dòng)2加速。原理簡(jiǎn)單，控制也較容易。

    圖8-9    輸送線雙機(jī)同步運(yùn)行工藝圖

    速度設(shè)定采用兩位撥碼開關(guān)輸入給PLC的數(shù)字量輸入模塊，或采用電位器輸入給模擬量輸入模塊，設(shè)定范圍5~ 48Hz。因采用變頻器調(diào)速，而變頻器本身的模擬量輸出可用于顯示或監(jiān)測(cè)頻率、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，因此，變頻器的模擬量輸出可直接輸入到PLC的模擬量輸入模塊來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩值。兩轉(zhuǎn)矩值經(jīng)PLC運(yùn)算后，通過(guò)PLC模擬量輸出模塊去設(shè)定變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率，從而達(dá)到雙機(jī)同步的目的。

    為使輸送線運(yùn)行更安全、可靠，在輸送線張緊處加裝張緊限位保護(hù)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)張緊的自動(dòng)保護(hù)，如圖8-9中的TP_SQ；在輸送線適當(dāng)部位安裝急停按鈕，完成現(xiàn)場(chǎng)的緊急停車，如圖8-9中的CB1和CB2。

8.3.2 PLC選型和資源配置

    由上面的分析可知，除一般數(shù)字量I/O外，轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)需模擬量輸入模塊，而變頻器實(shí)際運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)需模擬量輸出模塊。根據(jù)I/O點(diǎn)類型和數(shù)量，查閱PLC手冊(cè)，選擇下面的CPU及I/O模塊，I/O分配如表8-3所示。

    表8-3    I/O地址分配表

    1) CPU(6ES7 214-1BD23-0XB0)：用于起停、保護(hù)及運(yùn)行信號(hào)等。

    2)數(shù)字輸入模塊(6ES7 221-1BF22-0XA0)：撥碼開關(guān)設(shè)定所需頻率。

    3)模擬輸入模塊（6ES7 231-0HC22-0XA0）：檢測(cè)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩。

    4)模擬輸出模塊(6ES7 232-0HB22-0XA0)：輸出變頻器頻率給定值。

8.3.3 控制程序說(shuō)明

    程序運(yùn)行步驟如下：

    ①初始化，在程序的第一個(gè)掃描周期(SM0.1=1)設(shè)置初始化參數(shù)；

    ②處理給定頻率；

    ③采樣處理，對(duì)輸入信號(hào)求平均值，并且對(duì)兩驅(qū)動(dòng)本身特性的不一致性進(jìn)行補(bǔ)償；

    ④速度調(diào)整；

    ⑤保護(hù)及運(yùn)行程序（略）。

    本例主要講解模擬量處理，主程序結(jié)構(gòu)如圖8 -10所示。

    圖8-10    主程序

    1．程序初始化

    程序初始化由初始化子程序完成，如圖8 -11所示。完成對(duì)模擬量輸入AIW0和AIW2求采樣平均值所需的參數(shù)進(jìn)行初始化。將采樣計(jì)數(shù)器、當(dāng)前采樣值、采樣和、采樣平均值清零，并預(yù)置采樣次數(shù)為128次。

    2．給定運(yùn)行頻率

    運(yùn)行頻率的給定通過(guò)撥碼開關(guān)輸入到PLC的數(shù)字輸入字節(jié)IB2。因?yàn)樗�設(shè)定頻率應(yīng)為十進(jìn)制數(shù)。比如撥碼開關(guān)設(shè)為“10”，應(yīng)該是希望變頻器運(yùn)行在10Hz，而不是16 Hz。因此采用頻率給定子程序的網(wǎng)絡(luò)1對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)制的變換。圖8 -12所示為頻率給定子程序的網(wǎng)絡(luò)1。

    兩位撥碼開關(guān)最大設(shè)定的數(shù)值可達(dá)“99”，而普通異步電動(dòng)機(jī)一般設(shè)計(jì)運(yùn)行在50Hz以下，為了使設(shè)定頻率值在50 Hz以內(nèi)，需設(shè)計(jì)輸入限幅程序，圖8 -13所示為頻率給定子程序的網(wǎng)絡(luò)2～網(wǎng)絡(luò)4。

    為避免誤操作，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置確認(rèn)按鈕，即撥碼開關(guān)設(shè)定的頻率值只有按下確認(rèn)按鈕后，才起作用。如圖8 -14所示為頻率給定子程序的網(wǎng)絡(luò)5。

    3．采樣值處理

    兩路模擬量輸入分別求平均值，首先將第一路輸入AIW0的采樣值轉(zhuǎn)換為雙字，然后求采樣和，如圖8 -15所示的采樣處理子程序的網(wǎng)絡(luò)1~網(wǎng)絡(luò)3。判斷是否到預(yù)置的采樣次數(shù)，采樣次數(shù)達(dá)到預(yù)置值，則采用移位的方法求平均值，并重新初始化所需的參數(shù)，如圖8 -16所示的采樣處理子程序的網(wǎng)絡(luò)4。

    圖8-11    初始化子程序

    圖8-12    數(shù)制變換程序

    圖8-13    輸入限幅程序

    圖8-14    輸入確認(rèn)程序

    圖8-15    AIW0轉(zhuǎn)換雙字及采樣值求和程序

    圖8-16    求AIW0采樣平均值程序

    在S7-200 PLC上集成的模擬調(diào)節(jié)電位器在模擬量處理中可靈活應(yīng)用，比如可作為采樣次數(shù)預(yù)置值、信號(hào)調(diào)節(jié)等，本例使用模擬調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)兩驅(qū)動(dòng)參數(shù)的不一致性。如圖8 -17所示的采樣處理子程序的網(wǎng)絡(luò)5。

    另一路模擬量輸入AIW2的處理程序（采樣處理子程序）如圖8-18的網(wǎng)絡(luò)6～網(wǎng)絡(luò)8和圖8 -19的網(wǎng)絡(luò)9所示。

    4．速度調(diào)整

    比較兩驅(qū)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩的平均值，限幅后，經(jīng)模擬量輸出模塊輸出給變頻器，實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)動(dòng)速度的調(diào)整。速度調(diào)整子程序如圖8-20中的網(wǎng)絡(luò)1~網(wǎng)絡(luò)4所示。

    圖8-17    驅(qū)動(dòng)參數(shù)調(diào)整程序

    圖8-18    AIW2轉(zhuǎn)換雙字及采樣值求和程序

    圖8-19    AIW2采樣求平均值程序

    圖8-20    速度調(diào)整程序

8.3.4 設(shè)計(jì)小結(jié)

    BCD撥碼開關(guān)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到的十進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入裝置。撥盤共有0～9共10個(gè)位置，每一位置都有相應(yīng)的數(shù)字指示，一個(gè)撥碼開關(guān)可代表一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，若需輸入多位數(shù)據(jù)，可用多片撥碼開關(guān)并聯(lián)使用。選用BCD撥碼開關(guān)應(yīng)用于PLC控制系統(tǒng)，無(wú)需再設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示電路，有效地節(jié)省了PLC的I/O點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件電路，并利用功能指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，能極方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如運(yùn)行頻率的修改）。為避免在系統(tǒng)運(yùn)行中撥動(dòng)開關(guān)可能給系統(tǒng)造成的影響，設(shè)置一個(gè)輸入鍵，當(dāng)確認(rèn)各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時(shí)數(shù)據(jù)才被PLC讀人并處理。

    現(xiàn)代PLC在保持其強(qiáng)大的數(shù)字量控制能力的同時(shí)，基本都具備了模擬量信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)算及輸出控制能力，功能也日益完善。但是，各個(gè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC模擬量輸入／輸出模塊的技術(shù)性能還是有一定差別，提供的功能指令在數(shù)目、格式及運(yùn)算能力上也不盡相同。

    從上面的程序可以看出，S7 -200系列PLC模擬量地址定義簡(jiǎn)單清晰，如數(shù)字量輸人為IW，數(shù)字量輸出為QW，而模擬量輸入為AIW，模擬量輸出為AQW，增加了一個(gè)代表模擬量( Analog)的字頭，給使用帶來(lái)了極大的方便。而在S7 -200系列PLC上集成的模擬調(diào)節(jié)電位器（對(duì)應(yīng)特殊存儲(chǔ)器標(biāo)志SMB28和SMB29）在模擬量處理中作為不經(jīng)常改變的參數(shù)的調(diào)節(jié)，使用起來(lái)也非常靈活，比如可作為采樣次數(shù)預(yù)置值、信號(hào)調(diào)節(jié)等。

    在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，來(lái)自控制現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)，常常會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的瞬時(shí)干擾而產(chǎn)生較大的波動(dòng)，使得PLC所采集到的信號(hào)出現(xiàn)不真實(shí)性。如果僅僅用瞬時(shí)采樣值來(lái)進(jìn)行控制計(jì)算，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，來(lái)獲得_一個(gè)較為準(zhǔn)確的輸入值。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，主要是在程序設(shè)計(jì)中利用軟件的方法、來(lái)消除干擾所帶來(lái)的隨機(jī)誤差。常用的數(shù)字濾波方法有慣性濾波法、平均值濾波法、中間值濾波法等。本例采用平均值濾波法說(shuō)明了其PLC程序的設(shè)計(jì)方法。