相似三角形幾何變換在PLC模擬量信號采集與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

詹澤海

相似三角形幾何變換在PLC模擬量信號采集與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

詹澤海

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

文章介紹了一種利用相似三角形幾何變換在PLC模擬量信號采集與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用方法．以西門子S7-300可編程序控制器為例，給出其具體子程序的設(shè)計及應(yīng)用調(diào)試方法．實踐證明，依此法設(shè)計的程序能滿足工程現(xiàn)場模擬量信號的轉(zhuǎn)換需求，且具有更好的通用性與靈活性．此外，通過相似三角形幾何變換原理分析，可以更深入地了解PLC中模擬量信號的處理機制，便于更深層次的學(xué)習(xí)掌握PLC模擬量信號處理．

相似三角形；幾何變換；模擬量；數(shù)據(jù)采集與變換

在現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)當中，如何讓控制系統(tǒng)按被控對象的運行情況和被控狀態(tài)，做出相應(yīng)的控制策略，這就需要利用現(xiàn)場各種傳感器采集被控對象的各種參數(shù)，并把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換更電信號，傳輸給控制系統(tǒng)[1]．信號的變換過程需經(jīng)過物理量→傳感器信號→標準電信號→A/D轉(zhuǎn)換→程序逆變換→數(shù)值顯示．

PLC控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為目前最廣泛使用的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)[2]，大量用于實際生產(chǎn)過程中采集各種物理量信號．為了實現(xiàn)中央控制，就需要檢測信號的遠距離傳送，但是紛繁復(fù)雜的物理信號直接傳送會大大降低儀表的適用性，而且大多傳感器信號較弱，遠距離傳送很容易出現(xiàn)衰減、干擾等問題．因此，工程應(yīng)用中就出現(xiàn)了二次變送器和標準的電信號，二次變送器的作用就是將傳感器信號放大成為符合工業(yè)傳輸標準的電信號，如0～5 V、0～10 V或4～20 mA等．中央控制器接收到這些標準電信號后，就需要用軟件做數(shù)學(xué)運算，對標準信號進行逆變換．本文以相似三角形幾何變換原理探討了一種通用的模擬量信號采集與轉(zhuǎn)換方法．

1 可編程序控制器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

PLC作為一種數(shù)字化控制器，在其內(nèi)部只能以數(shù)字量的形式進行過程運算，因此，只有將生產(chǎn)過程中檢測到的各種模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能通過PLC進行處理，也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換過程（如圖1所示）．外部物理量信號需經(jīng)過傳感器硬件電路進行硬件變換為標準電信號，標準電信號經(jīng)過PLC模擬量輸入模板轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后會存在PLC相應(yīng)的外部輸入寄存器（PI）中，等待用戶程序的數(shù)學(xué)逆變換運算處理．

2 不同變送器類型的幾何變換原理

在實際工程應(yīng)用中，各種物理量信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換后，輸出標準的模擬量電流或電壓信號，典型接口量程有單極性電壓為0～1 V、0～10 V；電流為0～20 mA或4～20 mA；雙極性電壓為-5～+5 V、-10～+10 V[3]．這些電信號在經(jīng)不同PLC模擬量輸入模板進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑪?shù)據(jù)格式的數(shù)字量信號．以西門子S7-300 PLC為例，雙極性電信號轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的數(shù)字量為-27648～+27648，單極性為0～27648[4]．

圖1 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 0～20 mA單極性模擬量信號變換

現(xiàn)有一個量程為0～200 ℃的溫度變送器，其輸出電信號為0～20 mA．如果將該變送器的電信號接入到S7-300 PLC 的模擬量輸入模板[5]，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可得數(shù)字量值為0～27648[6]．由于A/D轉(zhuǎn)換器為線性變換，也就是變送器將0～200 ℃的溫度所對應(yīng)的電信號0～20 mA，線性變換成0～27648的數(shù)字量（如圖2所示）．從圖中不難看出，△ABC∽△ADE，根據(jù)相似三角形定理得：

由于=27648，=20736，=200，=，代入式（1）可得：

圖2 0～20 mA信號數(shù)學(xué)變換

因此，當溫度變送器輸出模擬量電信號為15 mA時，所對應(yīng)的實際溫度值就應(yīng)該是150 ℃．在進行相應(yīng)的PLC轉(zhuǎn)換程序設(shè)計時，由于對應(yīng)的電信號已被線性變換成0～27648的數(shù)字量；所以，這時的15 mA電信號在轉(zhuǎn)換后的PLC存儲區(qū)中應(yīng)當是對應(yīng)的20736這個數(shù)字量．也就是說=20736，=27648．

2.2 4～20 mA單極性模擬量信號變換

如果上述溫度變送器輸出信號變?yōu)?～20 mA，也將該變送器的電信號接入到S7-300 PLC的模擬量輸入模板，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可得數(shù)字量值約為5530～27648[6]．由于A/D轉(zhuǎn)換器為線性變換，也就是變送器將0～200 ℃的溫度所對應(yīng)的電信號4～20 mA，線性變換成5530～27648的數(shù)字量（如圖3所示）．從圖中不難看出，△ABC∽△ADE，根據(jù)三角形相似定理一樣可得公式（1）．

由于=27648-5530=22118，=20736-5530= 15206，=200，=，代入式（1）可得：

因此，當溫度變送器輸出模擬量電信號為15 mA時，經(jīng)模擬量輸入模板A/D轉(zhuǎn)換后可得數(shù)字量值為20736，按公式（1）計算可得出實際溫度值約為137.5 ℃．

2.3 -10～+10 V雙極性模擬量信號變換

如果上述溫度傳感器輸出信號變?yōu)?10～+10 V雙極性電信號，也將該變送器的電信號接入到S7-300 PLC 的模擬量輸入模板，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可得數(shù)字量值約為-27648～+27648[6]．由于A/D轉(zhuǎn)換器為線性變換，也就是變送器將0～200 ℃的溫度所對應(yīng)的電信號-10～+10 V線性變換成-27648～+27648的數(shù)字量（如圖4所示）．從圖中不難看出，△ABC∽△ADE，根據(jù)三角形相似定理一樣可得公式1．

由于AB=0+0=55296，=0+0= 38707.2，=200，=，代入式（1）可得：

因此，當溫度變送器輸出模擬量電信號為4V時，經(jīng)模擬量輸入模板A/D轉(zhuǎn)換后可得數(shù)字量值為11059.2，按公式（1）計算可得出實際溫度值為140 ℃．

3 PLC應(yīng)用程序設(shè)計

3.1 局部變量定義

根據(jù)子程序設(shè)計需求定義局部變量表見表1，共5個輸入變量，1個輸出變量，5個臨時變量[7]．

3.2 FC子程序設(shè)計

根據(jù)相似三角形幾何變換原理，按照公式（1）設(shè)計帶參數(shù)的通用FC功能子程序代碼（如圖5所示），程序由4個網(wǎng)絡(luò)段組成，各程序段功能見程序注釋，程序段梯形圖程序中所用參數(shù)均為表1所設(shè)局部變量．如此設(shè)計好的FC功能子程序可以直接在別的子程序或主程序中重復(fù)調(diào)用．

表1 FC功能局部變量表

4 工程應(yīng)用調(diào)試結(jié)果比對

因為FC功能子程序在設(shè)計時采用了帶參數(shù)的子程序來設(shè)計，所以子程序具備復(fù)用功能，可以根據(jù)需要在主程序中隨時調(diào)用．下面主程序通過調(diào)用FC1功能子程序分別讀取PIW752、PIW754、PIW756通道上現(xiàn)場溫度變送器0～20 mA單極性電流信號（如圖6所示）、4～20 mA單極性電流信號（如圖7所示）、-10～+10 V雙極性電壓信號（如圖8所示），并把電信號換算成對應(yīng)溫度值存儲到MD20存儲器上．在線監(jiān)視程序運行結(jié)果顯示，根據(jù)相似三角形幾何變換原理自定義FC功能子程序進行各種模擬量換算，與西門子標準庫程序（FC105）運行結(jié)果進行比對，換算結(jié)果準確無誤，完全滿足設(shè)計要求．

圖5 FC功能子程序

圖6 FC功能讀取0～20mA單極性電流信號

圖7 FC功能讀取4～20mA單極性電流信號

圖8 FC功能讀取-10V～+10V雙極性電壓信號

通過實際工程應(yīng)用調(diào)試結(jié)果比對，證實通過相似三角形幾何變換原理分析，可以更深入的了解PLC中模擬量信號的處理機制，便于更深層次的學(xué)習(xí)掌握PLC模擬量信號處理．利用相似三角形幾何變換原理所設(shè)計的帶參數(shù)子程序具備良好的通用性，可快速移植到不同品牌型號的PLC中應(yīng)用．

[1] 王偉偉．工程項目中常用模擬量信號采集與轉(zhuǎn)換[J]．電子世界，2019（19）：153-154．

[2] 尚麗，張興．PLC在數(shù)據(jù)采集和處理中的應(yīng)用[J]．控制工程，2003（z1）：61-63，96．

[3] 石淮．西門子S7-200PLC模擬量輸入處理方法的應(yīng)用研究[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（23）：66-68．

[4] SIMATIC．S7-300模塊數(shù)據(jù)設(shè)備手冊[Z]．2017（6）：315-371．

[5] 詹澤海．基于SM331 模擬量輸入模板的信號采集與調(diào)試[J]．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010（1）：7-11．

[6] 宋柏生．PLC編程理論、算法及技巧[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009：277-294．

[7] SIMATIC．STEP 7編程手冊[Z]．2007（8）：211-434．

Application of Similar Triangles Geometric Transformation in Analog Signals Sampling and Conversion by PLC

ZHAN Zehai

（）

An application of similar triangles geometric transformation in analog signals sampling and conversion by PLC is presented. Taking Siemens S7-300 PLC as an example, this paper introduces the design and practical debugging technique of each subprogram. The program designed by this technique is proved to be able to meet the conversion demand of analog signals in project site completely and has the better commonality and flexibility. By analyzing the principle of similar triangles geometric transformation, the processing technology of analog signals in PLC can be comprehended more deeply.

similar triangles; geometric transformation; analog signals; data sampling and conversion

TP273

A

1672-0318（2021）05-0037-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2021.05.007

2020-12-21

詹澤海，男，廣東普寧人，工程師，研究方向：智能制造技術(shù)及應(yīng)用．

（責(zé)任編輯：王璐）