基于組態軟件的PLC數據采集處理的控制應用

黃偉

摘 要：工控組態軟件是近年來在自動控制領域興起的新型軟件開發技術，通過與下位機進行通信可快速構造上位機的監控系統，形成計算機實時監控系統。文章以力控組態軟件為例，介紹西門子PLC在液體管路中的應用與數據處理，以及如何實現與PLC的通信，實現對現場設備的實時監控。

關鍵詞：西門子PLC；力控組態軟件；模擬量模塊；軟件濾波

1 引言

在當前監控系統領域中常采用以下兩種方式對現場設備進行監控：（1）采用計算機進行監控，主要硬件設備包括計算機，采集卡和控制卡，采集卡負責對現場信號進行采集，計算機通過采集卡對現場采集過來的信號進行處理顯示，再通過控制卡輸出相應的信號對現場設備進行控制，由于采集卡主要采集數字量信號，模擬量采集通道較少，且抗干擾能力較差，不適宜遠程監控；（2）采用PLC直接對現場設備進行控制，而計算機只起輔助作用，PLC具有通信簡單、編程指令系統豐富、數據處理功能及抗干擾能力強、能建立現場子站，拓展性高，適宜遠程集中監控。文章就以PLC控制為主，計算機監控為輔簡單介紹在液體管路上的應用。

2 PLC數據采集系統

2.1 PLC系統的組成

液體管路監控系統主要包括：計算機，PLC，模擬量輸出輸入模塊，數字量輸入輸出模塊等。模擬量和數字量模塊負責對現場信號進行采集及控制信號的輸出，而PLC作為核心處理器，負責對采集的信號進行處理，并可與計算機進行數據交換，實現計算機對現場設備的監控。

2.2 系統的設計

假設液體管路系統有四個不同大小的管路組成，每個管路中分別裝有差壓計，流量計，電動閥門和溫度傳感器，并以電流信號兩線制形式輸出，同時可用電壓信號控制閥門開度。

根據上述傳感器信號，進行如圖1所示設計。

其中PLC采用S7-200-CPU226系列，I/O點數為40（輸入點數24，輸出點數16），負責管路動力設備（水泵）的啟停及報警輸出；模擬量輸入模塊為EM231，4個模擬量通道輸入，負責對現場四個管路上的壓力，流量，溫度，電動閥門開度進行信號采集，其中撥位開關SW1=0N，SW2=ON，SW3=OFF表示只采集0-5V或0-20mA范圍的模擬量信號；模擬量輸出模塊為EM232，負責對電動閥門進行控制，各個模塊之間按順序通過內部電纜進行連接。

2.3 數據的采集與處理

2.3.1 數據的采集

EM231的模數轉換精度是12位，相對于16位的信號存儲，分辨率為8，同時轉換時間<250μs，模擬輸入階躍響應1.5ms到95%，足以滿足常規采樣要求，而且采集的模擬量信號都是經過二次線性儀表后輸出的值，與其過程參數已是線性關系，可直接進行采集，通過程序設計對實時采集的數據進行處理顯示，減少CPU不必要的負擔，同時模塊的入口設有模擬RC濾波器，能有效地抑制高頻干擾，但對低頻干擾濾波效果不佳，有時需利用編程程序對信號進行進一步的數字濾波。

2.3.2 PLC軟件濾波

EM231其四個模擬量輸入信道：A+、A-；B+、B-；C+、C-；D+、D- ，在編程軟件中對應的地址下標則由模塊個數和與PLC連接的先后順序決定。如圖1中的4塊EM231，根據先后排列順序，地址分別為AIW0（1#管路壓力），AIW2（1#管路流量），AIW4（1#管路溫度），AIW6（1#開度反饋），AIW8（2#管路壓力）…以此類推，其模擬量必須用偶數字節地址。為減小數據的波動，在編程軟件中進行均值化濾波處理，以圖1中的1#管路壓力信號為例，具體如下：

（1）使用FOR循環指令，對1#管路壓力信號進行2n次的連續采集，n可根據實際信號的變化量而定，如溫度信號變化較小，n可以取較小值，反之亦然。

（2）利用MOV-W指令將AIW0（1#管路壓力）地址內的數據賦值至變量如VW0（單字的變量存儲區），并通過ADD_DI指令將VW0賦值得到的數據與另一變量如VW2（初始值為零，若數據值較大，可存儲至雙字的變量存儲區）進行累加并循環賦值至VW2，最后得到的VW2值為2n次AIW0采集的數據之和。

（3）將2n通過ENCO指令賦值至累加器AC0，得到AC0的值為n+1。

（4）最后通過SHR_W指令對VW2進行移位，即右移AC0，從而得到2n次的連續采集數據的均值，以該均值作為最后的顯示值。

3 力控組態軟件對數值的整定

在實際采樣過程中，模擬量信號通過傳感器轉變為控制系統可接收的電信號（0～5V或4～20mA），再由輸入模塊以數字量的形式送給PLC，該數字量與實際過程量具有某種函數對應關系，但在數值上并不相等，必須經過一定的轉換，轉化的過程稱為模擬量的輸入數值整定。數值的整定可在PLC編程軟件中通過相應指令實現，而上位機力控軟件的使用，可以直接通過力控軟件進行整定，其方法是在力控軟件的數據庫組態里找到相應區域的I/O點，在I/O點相應的數據庫變量中設置過程量的量程，以及量程的變化（PLC），如模擬信號0～20mA對應PLC量程變化0～215，并在窗口屬性中添加整定條件進行編輯，具體數學表達式（算法）如下：參數定義過程量的表達式為

設系統偏移量為En，則實際顯示值為

Yn表示過程量的顯示值；Xn表示采集信號的數字量；Kn為過程量測量范圍；YN表示實際顯示值，

監控軟件中數據的顯示主要通過設置數據庫變量的數據連接里連接相應的PLC設備及數據存儲的變量（如VW2），同時可在相應的窗口屬性里添加編輯數據的有效性判斷，若輸入數據的量程溢出或信號低于信號量程范圍，則判斷系統輸入部件（如變送器、輸入線路等）的故障，并在監控界面上進行相關顯示。

4 結束語

力控組態軟件是一款功能非常強大的監控組態軟件，集成了許多現成的功能模塊和通信協議，可快速構造監控畫面及數據曲線，本文對此不作詳細介紹；而PLC穩定性高、采樣值較準確，拓展性好，兩者的結合能很好的實現集中管理和監控的目的。

參考文獻

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