基于組態(tài)軟件的PLC數(shù)據(jù)采集處理的控制應(yīng)用

黃偉

摘 要：工控組態(tài)軟件是近年來(lái)在自動(dòng)控制領(lǐng)域興起的新型軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)與下位機(jī)進(jìn)行通信可快速構(gòu)造上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，形成計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。文章以力控組態(tài)軟件為例，介紹西門(mén)子PLC在液體管路中的應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理，以及如何實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：西門(mén)子PLC；力控組態(tài)軟件；模擬量模塊；軟件濾波

1 引言

在當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域中常采用以下兩種方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控：（1）采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，主要硬件設(shè)備包括計(jì)算機(jī)，采集卡和控制卡，采集卡負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)通過(guò)采集卡對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理顯示，再通過(guò)控制卡輸出相應(yīng)的信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，由于采集卡主要采集數(shù)字量信號(hào)，模擬量采集通道較少，且抗干擾能力較差，不適宜遠(yuǎn)程監(jiān)控；（2）采用PLC直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，而計(jì)算機(jī)只起輔助作用，PLC具有通信簡(jiǎn)單、編程指令系統(tǒng)豐富、數(shù)據(jù)處理功能及抗干擾能力強(qiáng)、能建立現(xiàn)場(chǎng)子站，拓展性高，適宜遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。文章就以PLC控制為主，計(jì)算機(jī)監(jiān)控為輔簡(jiǎn)單介紹在液體管路上的應(yīng)用。

2 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 PLC系統(tǒng)的組成

液體管路監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：計(jì)算機(jī)，PLC，模擬量輸出輸入模塊，數(shù)字量輸入輸出模塊等。模擬量和數(shù)字量模塊負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集及控制信號(hào)的輸出，而PLC作為核心處理器，負(fù)責(zé)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，并可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

假設(shè)液體管路系統(tǒng)有四個(gè)不同大小的管路組成，每個(gè)管路中分別裝有差壓計(jì)，流量計(jì)，電動(dòng)閥門(mén)和溫度傳感器，并以電流信號(hào)兩線制形式輸出，同時(shí)可用電壓信號(hào)控制閥門(mén)開(kāi)度。

根據(jù)上述傳感器信號(hào)，進(jìn)行如圖1所示設(shè)計(jì)。

其中PLC采用S7-200-CPU226系列，I/O點(diǎn)數(shù)為40（輸入點(diǎn)數(shù)24，輸出點(diǎn)數(shù)16），負(fù)責(zé)管路動(dòng)力設(shè)備（水泵）的啟停及報(bào)警輸出；模擬量輸入模塊為EM231，4個(gè)模擬量通道輸入，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)四個(gè)管路上的壓力，流量，溫度，電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行信號(hào)采集，其中撥位開(kāi)關(guān)SW1=0N，SW2=ON，SW3=OFF表示只采集0-5V或0-20mA范圍的模擬量信號(hào)；模擬量輸出模塊為EM232，負(fù)責(zé)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行控制，各個(gè)模塊之間按順序通過(guò)內(nèi)部電纜進(jìn)行連接。

2.3 數(shù)據(jù)的采集與處理

2.3.1 數(shù)據(jù)的采集

EM231的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度是12位，相對(duì)于16位的信號(hào)存儲(chǔ)，分辨率為8，同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間<250μs，模擬輸入階躍響應(yīng)1.5ms到95%，足以滿足常規(guī)采樣要求，而且采集的模擬量信號(hào)都是經(jīng)過(guò)二次線性儀表后輸出的值，與其過(guò)程參數(shù)已是線性關(guān)系，可直接進(jìn)行采集，通過(guò)程序設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，減少CPU不必要的負(fù)擔(dān)，同時(shí)模塊的入口設(shè)有模擬RC濾波器，能有效地抑制高頻干擾，但對(duì)低頻干擾濾波效果不佳，有時(shí)需利用編程程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字濾波。

2.3.2 PLC軟件濾波

EM231其四個(gè)模擬量輸入信道：A+、A-；B+、B-；C+、C-；D+、D- ，在編程軟件中對(duì)應(yīng)的地址下標(biāo)則由模塊個(gè)數(shù)和與PLC連接的先后順序決定。如圖1中的4塊EM231，根據(jù)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(kāi)度反饋），AIW8（2#管路壓力）…以此類推，其模擬量必須用偶數(shù)字節(jié)地址。為減小數(shù)據(jù)的波動(dòng)，在編程軟件中進(jìn)行均值化濾波處理，以圖1中的1#管路壓力信號(hào)為例，具體如下：

（1）使用FOR循環(huán)指令，對(duì)1#管路壓力信號(hào)進(jìn)行2n次的連續(xù)采集，n可根據(jù)實(shí)際信號(hào)的變化量而定，如溫度信號(hào)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(nèi)的數(shù)據(jù)賦值至變量如VW0（單字的變量存儲(chǔ)區(qū)），并通過(guò)ADD_DI指令將VW0賦值得到的數(shù)據(jù)與另一變量如VW2（初始值為零，若數(shù)據(jù)值較大，可存儲(chǔ)至雙字的變量存儲(chǔ)區(qū)）進(jìn)行累加并循環(huán)賦值至VW2，最后得到的VW2值為2n次AIW0采集的數(shù)據(jù)之和。

（3）將2n通過(guò)ENCO指令賦值至累加器AC0，得到AC0的值為n+1。

（4）最后通過(guò)SHR_W指令對(duì)VW2進(jìn)行移位，即右移AC0，從而得到2n次的連續(xù)采集數(shù)據(jù)的均值，以該均值作為最后的顯示值。

3 力控組態(tài)軟件對(duì)數(shù)值的整定

在實(shí)際采樣過(guò)程中，模擬量信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)可接收的電信號(hào)（0～5V或4～20mA），再由輸入模塊以數(shù)字量的形式送給PLC，該數(shù)字量與實(shí)際過(guò)程量具有某種函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，但在數(shù)值上并不相等，必須經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化的過(guò)程稱為模擬量的輸入數(shù)值整定。數(shù)值的整定可在PLC編程軟件中通過(guò)相應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)，而上位機(jī)力控軟件的使用，可以直接通過(guò)力控軟件進(jìn)行整定，其方法是在力控軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)里找到相應(yīng)區(qū)域的I/O點(diǎn)，在I/O點(diǎn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)變量中設(shè)置過(guò)程量的量程，以及量程的變化（PLC），如模擬信號(hào)0～20mA對(duì)應(yīng)PLC量程變化0～215，并在窗口屬性中添加整定條件進(jìn)行編輯，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式（算法）如下：參數(shù)定義過(guò)程量的表達(dá)式為

設(shè)系統(tǒng)偏移量為En，則實(shí)際顯示值為

Yn表示過(guò)程量的顯示值；Xn表示采集信號(hào)的數(shù)字量；Kn為過(guò)程量測(cè)量范圍；YN表示實(shí)際顯示值，

監(jiān)控軟件中數(shù)據(jù)的顯示主要通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)變量的數(shù)據(jù)連接里連接相應(yīng)的PLC設(shè)備及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的變量（如VW2），同時(shí)可在相應(yīng)的窗口屬性里添加編輯數(shù)據(jù)的有效性判斷，若輸入數(shù)據(jù)的量程溢出或信號(hào)低于信號(hào)量程范圍，則判斷系統(tǒng)輸入部件（如變送器、輸入線路等）的故障，并在監(jiān)控界面上進(jìn)行相關(guān)顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

力控組態(tài)軟件是一款功能非常強(qiáng)大的監(jiān)控組態(tài)軟件，集成了許多現(xiàn)成的功能模塊和通信協(xié)議，可快速構(gòu)造監(jiān)控畫(huà)面及數(shù)據(jù)曲線，本文對(duì)此不作詳細(xì)介紹；而PLC穩(wěn)定性高、采樣值較準(zhǔn)確，拓展性好，兩者的結(jié)合能很好的實(shí)現(xiàn)集中管理和監(jiān)控的目的。

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