中小型PLC交流參量采集方案的設計

張 明

中航工業飛機起落架有限責任公司（燎原分公司），陜西 漢中 723200

中小型PLC交流參量采集方案的設計

張 明

中航工業飛機起落架有限責任公司（燎原分公司），陜西 漢中 723200

可編程控制器作為實現工業自動化的重要手段之一, 在工業現場主要是用來處理各種開關量. 但隨著技術的發展, 各種高性能輸入、輸出模塊的出現, 大大增強了可編程控制器對模擬量的響應能力。本文主要介紹了在實際工程中如何組態可編程控制器的模擬量輸入模塊,以及如何把模擬量參數整定為工程需要的電參量。以MPLC 的模擬量通道為例,介紹利用“寄存器-數據表”傳送指令對PLC模擬量輸入通道進行數據采集和處理的方法,包括硬件連接、工作流程和梯形圖控制程序的編制。詳細說明了模擬量串行輸入接口的設計方法、硬件結構及工作原理，給出了程序（梯形圖）及接口時序。實驗證明該接口較好地滿足PLC 對模擬信號的采集。

PLC； 模擬量輸入；模數轉換

PLC; A/D transfer; analog input; data collection; data process

1 研究現狀

控制靈活而廣泛應用于多種工業控制場合。然而這種PLC 由于帶模擬量I/O，價格較高。所以實驗室一般都配置低檔的、不帶模擬量I/O 的PLC 做實驗，以減少投資。但這樣一來，學生就不能從實驗中很好地了解工業控制的實際情況。所以在原裝置上增加模擬量I/O 是很有必要，同時是改造原實驗裝置切實可行的措施。

2 PLC應用系統I/O接口的設計

2.1 PLC 模擬量輸入接口的設計

介紹了一種PLC 模擬量串行輸入接口的設計方法，詳細說明了硬件結構及工作原理，給出了程序（梯形圖）及接口時序。實驗證明該接口能很好地滿足PLC 對大慣量模擬信號的采集。

模擬量一直是工業控制的重要節點參數。帶模擬量I/O 的PLC 以其抗干擾強、控制靈活而廣泛應用于多種工業控制場合。然而這種PLC 由于帶模擬量I/O，價格較高。所以實驗室一般都配置低檔的、不帶模擬量I/O 的PLC 做實驗，以減少投資。但這樣一來，學生就不能從實驗中很好地了解工業控制的實際情況。所以在原裝置上增加模擬量I/O 是很有必要，同時是改造原實驗裝置切實可行的措施。本文以C20 基本型為例，介紹模擬量輸入接口的設計思路。模擬量輸出接口和其它機型的接口可采用類似的方法設計。接口原理框圖，見圖1。

由圖1可知，接口電路主要由前置模擬低通濾波器、A/D 轉換ADC0801、并串轉換74LS166、脈沖變換電路等四部分組成。由變送器送來的0-5V 的模擬電壓信號VI 經低通濾波器濾波后ADC0801 轉換成8位并行數據；并行移位到移位寄存器74LS166，然后在PLC O/500 輸出的CP脈沖作用下依次從寄存器QH端串行輸出，經過電平轉換后由PLC I/000 輸入到內部移位寄存器（輔助繼電器M12）中。8 個脈沖（外部7 個脈沖）過后，移位結束完成一次數字化的模擬量輸入。經過程序處理后PLC 做出相應的響應。

2.2 時序分析

圖1 接口原理框圖

在WR 上升沿的作用下ADC0801啟動，經過103～114_s 完成模數轉換。INT輸出負脈沖。由于RD 與INT 直接相連，故ADC0801 在RD 脈沖下降沿135ns 后將數據并行輸出。由于在此時間內SH/LD 一直處于低電平（一個PLC 掃描周期的時間），74LS166 處于并行置數狀態。只要將INT沖延時略大于135ns 后反相，作為移位寄存器的CP 脈沖，就能將A/D 轉換結果并行傳到移位寄存器74LS166 中，如圖2所示。

圖2 接口時序圖[2]

PLC 的I/O 口分配整個接口占用PLC 三位I/O 口，其中I/000 做串行輸入；O/500 做外部74LS166 的移位脈沖；O/501 做A/D 轉換啟動脈沖和74LS166并行輸入使能端。

2.3 硬件設計

前置低通濾波器采用一階RC 低通濾波器，截止頻率50HZ。由于信號頻率很低，故不用采樣保持而直接進行A/D 轉換。ADC0801 A/D 轉換芯片CLK外接RC 使其工作頻率為640kHZ，片選CS 接地一直有效。8 位數據輸出與74LS166 的A-H 數據輸入端相連， INT 延時電路較為簡單（總延時略大于135ns），反相由74LS00四與非門完成。移位寄存器74LS166 設置為并行輸入、串行輸出狀態，RD 置高電平。在置數時SH/LD 由PLC 的O/501控制為低電平，此時CP 脈沖由延時反相后的INT提供；在串行移位時PLC的O/501控制SH/LD 為高平，此時由PLC 的O/500 做移位CP 脈沖。電平轉換電路由

在工業控制系統中，除了遇到開關量信號外，還會遇到另一類物理量，即模擬量，例如：溫度、壓力、速度、電壓、電流等等，它們都是連續變化的物理量。由于計算機CPU 只能處理數字量，因此，凡是遇到有模擬量的地方，必須進行模數轉換(A/ D) 和數模轉換(D/ A) 。

模擬量一直是工業控制的重要節點參數。帶模擬量I/O 的PLC 以其抗干擾強、1/474LS00 與非門驅動開關三極管，輸出+24V 或0V 高低電平。整個接口的電源由PLC 開發裝置提供的+24V 電源經7805 降壓后供給。

3 PLC 程序設計

3.1 程序流程圖

圖3中，啟動信號由PLC 外部控制信號或由內部相關程序產生。啟動后，PLC 一方面置內部CNT0計數為8，同時其O/501輸出A/D 轉換啟動脈沖。A/D 轉換完后將8 位數據并行置入移位寄存器中。此后PLC 的O/500 與內部移位脈沖配合完成將8 位數據從I/000 串行輸入到內部輔助繼電器M12CH 的低8 位中。

圖3 流程圖

3.2 PLC 模擬量輸入輸出模塊的配置

可編程控制器作為實現工業自動化的重要手段之一， 在工業現場主要是用來處理各種開關量. 但隨著技術的發展， 各種高性能輸入、輸出模塊的出現， 大大增強了可編程控制器對模擬量的響應能力。本文主要介紹了筆者在實際工程中如何組態可編程控制器的模擬量輸入模塊， 以及如何把模擬量參數整定為工程需要的工程量。

PLC 的產生是為了代替傳統的繼電器構成的硬布線系統， 而繼電器的主要功能就是響應并處理開關量信號， 因此以前對模擬信號量的響應一直是PLC的弱點，但隨著PLC 技術的發展，各種輸入、輸出模塊功能不斷地完善， 大大提高了PLC響應模擬信號量的能力， 從而使目前的PLC具備了處理工業現場幾乎所有信號量的能力。筆者前些日子參加了一個市政工程， 在此工程中， 除了大量的開關量以外， 還需要處理一些液位及壓力傳感器傳送來的模擬量信號. 為了簡化控制系統的設計， 希望此控制系統能獨立完成對所有信號量的采集。經過市場調研， 我們最后選用了美國A 2B 公司的SLC500TM小型PLC。這款PLC在結構上采用模塊插裝式的架構，這種結構由框架和各種單獨的模塊組成，如CPU模塊、IO模塊、電源模塊等。根據工程中輸入、輸出開關量和模擬量的數量， 以及需要預留20% 通道的要求，最后選用的是16通道編號17462IB16的開關量輸入模塊3 個、編號17462OW 16輸出模塊4個， 以及一個8通道編號17462N I8的模擬模塊，當然還有與之配套的CPU模塊、電源模塊。框架上的每一個槽位都可以對應幾乎所有的模塊類型，也就是說槽位對模塊不具有區分性。槽位的分配決定了今后各輸入、輸出端口的地址編號。例如模擬量輸入模塊放在4槽，則編程時模擬量輸入模塊上的8個端口的地址編號依次是： I： 40至I：47.CPU模塊的寄存器分為以I開頭的輸入寄存器、以O開頭的輸出寄存器、以S 開頭的狀態寄存器以及以N7開頭的整數寄存器等。在參數整定指令中，用到了整數寄存器。在使用整數寄存器之前，先要向系統申請， 例如100個單元， 則可以使用的整數單元地址從N7：0 到N7： 99。在A2B公司提供的可視化編程軟件中，申請工作是很簡單的。接收并處理模擬量需要進行如下的硬件、軟件配置：一般來說， 模擬量輸入模塊既可以接收電壓信號也可以接收電流信號， 但模塊上的每一個通道每次只能接收一種類型的信號， 這就需要我們從硬件到軟件上對其進行組態配置。

3.3 硬件配置

在模擬量輸入模塊的8個通道上， 每一個通道都對應一個DIP開關， 在將模塊插到框架的槽位之前， 我們需要根據每個通道接收信號的類型， 把DIP開關撥到指定的位置上。每個開關有兩個位置， 向上撥到寫有ON的位置打開開關， 表示此通道接收的是電流信號； 向下撥到箭頭位置關閉關， 表示此通道接收的是電壓信號. 設置好之后就可以把此模塊插入指定的槽位。由于模擬信號量對于PLC來說只有兩種： 電壓和電流， 因此我們需要根據工程的實際情況選用其中的一種. 在我們的工程中， 用到的都是電流量， 而電壓量的情況基本同電流量一樣， 以下就以電流量為例進行明。

4 調試

模擬模塊的輸入口. 這種儀表是和液位傳感器配套使用的， 它能將電信號轉化為液位的深度直接顯示出來， 從而便于和PLC 程序中的整定工程量相比較， 大大方便了調試.在現場調試中， 隨著水位的不斷變化，通過在線調試軟件查看內存單元N 7： 0 單元， 我們看到軟件指令整定出來的工程量與數顯表上的顯示值是一樣的， 這證明了我們軟件組態的正確性。

5 結語

高性能模擬量輸入模塊的出現， 已經大大擴展了PLC 的應用范圍. 但在使用中，這種模塊除了需要進行一定的硬件設置外，一般都需要進行軟件的組態設置來初始化各種模擬量輸入端口，軟件組態中的各項參數選擇一般需要用戶根據實際情況來選取。

信號由液位傳感器輸出后， 經過帶屏蔽的雙絞線直接接到一塊量程是0～10000 mm 具有數字顯示功能的儀表后， 再從該表的特定輸出端口通過引線連接到PLC 的

The design ang realization of The AC parameter gathering Based on middle and small scale PLC

ZHANG MJING
（AVIC LANDING-GEAR LAMC Hanzhong, Shaanxi 723200)

The paper introduces the conf iguration and debugging of the analog signal input modu leof PLC. The emp hasis is pu t on the conf igurat ion of the inpu tmodule, and the engineering implementation by scaling the analog parameters With the development of the micro electronic and microcomputer control ,the operation and I/ O function of the programmale logic controller has become increasingly powerful.After introducing the A/ D and D/ A , PLC iscurrently able to solve more than the simple logic control of discrete output. Taking Modicon Micro PLC analog channel as example ,it is fully described how to apply the PLC analog channel to the field of data collection and process ,including the hardware deployment ,working flow and the detail of ladder program.This paper introduces a design method of adding analogy signal serial input interface to low pricePLC .The hardware structure and its working principle is given , program (ladder diagram) and times is illustratedin detail .It is verified in practice that this interface is satisfied mostly for sampling analogy signal.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.069

作者簡歷

張明，籍貫 山西 原平，1961年出生， 本科；，單位：中航工業飛機起落架有限責任公司（燎原分公司）。