西门子1200PLC模拟量测温案例，看完新手也会使用功能指令

一、任务目标

该任务是功能指令应用案例，使用功能指令有助于我们理清编程思路。本任务使用了标准化及缩放指令，在实际应用中这两个指令应用非常广泛。本任务除了指令的解读之外，还涉及模拟量相关知识。

本任务要求读者掌握以下几个内容：

1.模拟量与数字量的关系

2.温度传感器的接线

3.模拟量与实际物理量的转换

4.标准化指令和缩放指令的使用

二、任务描述

如图3-5-1所示此温度传感器可采集车间温度，传感器（DC0-10V）把测量的数据反馈给PLC，PLC可通过计算得到实际的温度值，以便于在HMI上显示：

图3-5-1 温度采集示意图

三、相关知识

本案例需要了解的知识有模拟量的概念;模拟量与数字量的基本转换关系；温度传感器的接线；涉及编程主要掌握的是标准化及缩放指令的使用。

01、 模拟量控制简介

（1）在工业控制中，某些输入量（温度、压力、液位、流量等）是连续变化的模拟量信号，某些被控对象也需模拟信号控制，因此要求PLC有处理模拟信号的能力。PLC内部执行的均为数字量，因此模拟量处理需要完成有两方面任务：一是将模拟量转换成数字量（A/D转换）；二是将数字量转换为模拟量（D/A转换）。

（2）模拟量处理过程如图3-5-2所示。这个过程主要分为以下几个阶段：

图3-5-2 模拟量处理过程

①模拟量信号的采集，由传感器来完成。传感器将非电信号（如温度、压力、液位等）转换成电信号。

注意：此时的信号为非标准信号。

②非标准信号转换成标准信号，此项任务由变送器来完成。传感器输出的非标准电信号输送给变送器，经变送器将非标准电信号转化成标准电信号。根据国际标准，标准信号分为电压型和电流型两种类型。电压型的标准信号DC0-10V和0-5V等；电流型的标准型号为DC0-20MA和DC4-20MA。

③A/D转换。变送器将其输出的标准信号传送给模拟量输入扩展模块后，模拟量输入扩展模块将模拟量信号转化为数字量信号。

02、 温度传感器接线

（1）变送器信号的选择：

①电压型变送器的选用：早期的变送器大多为电压输出型，即测量信号转换成0-5V或0-10V电压输出。这是运算放大器直接输出，信号功率小于0.05W，通过A/D转换电路转换成数字信号供S7-1200PLC读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型变送器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差、线路损耗导致精度降低等缺点；所以电压信号一般只使用与短距离传输。

②电流型变送的选用：当现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较大时，如果用电压信号远传，电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差，而用恒电流信号远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流将不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度；所以一般远距离传输用的都是电流信号。

（2）温度变送器及传感器，如图3-5-3：

图3-5-3 温度变送器及传感器

（3）变送器的类型及接线

变送器分为四线制、三线制、二线制接线法。这里讨论的“线制”，是以传感器或仪表变送器是否需要外供电源来区别的，而并不是指模块需要几根线或该变送器有几根输出信号线。以下介绍三线制电压型变送器接线方法如图3-5-4：

图3-5-4 温度变送器接线

03、 模拟量与数字量的转换

在实际的工程项目中，读者往往采集温度、压力、流量等信号，那么在程序中如何处理这些模拟量信号呢？换句话说编写模拟量程序的目的是什么呢？编写模拟量程序的目的是将模拟量转换成对应的数字量，最终将数字量转换成工程量（物理量）。

模拟量转换为工程量分为单极性和双极性两种。双极性的-27648对应工程量的最小值，27648对应工程量的最大值。

单极性模拟量分为两种，即4-20mA和0-10V、0-20mA。

（1）第一种为4-20mA,是带有偏移量的。

因为4mA为总量的20%，而20mA转换为数字量为27648，所以4mA对应的数字量为5530。模拟量转换为数字量是S7-1200PLC完成的，读者要在程序中将这些数值转换为工程量。

（2）第二种是没有偏移量的

没有偏移量的是如0-10V、0-20mA等模拟量，27648对应最大工程量，0对应工程量的最小值。

（3）模拟量信号（0-10V、0-5V或0-20mA）在S7-1200PLC CPU内部用0-27648的数值表示（4-20mA对应5530-27648），这两者之间有一定的数学关系，如图3-5-5

图3-5-5 模拟量信号与数字量曲线

04、 标准化指令和缩放指令

（1）标准化指令（NORM_X）

NORM_X指令：使用“NORM_X”指令，可将输入VALUE中变量的值映射到线性标尺对其标准化。使用参数MIN和MAX定义输入VALUE值范围的限值：

注意：可以从指令框“<???>”下拉列表中选择该指令的数据类型。

标准化指令的计算公式是：OUT= (VALUE - MIN) / (MAX - MIN)，其中 (0.0 <= OUT <= 1.0)，计算原理如图3-5-6

图3-5-6 标准化指令公式对应计算原理图

用一个例子来说明标准化指令（NORM_X）的使用，梯形图如图3-5-7所示：

当I0.0闭合激活标准化指令，要标准化的VALUE存储在MW10中，VALUE的范围是0-27648，将VALUE标准化的输出范围是0.0-1.0。假设MW10中是13824，那么MD12中的标准化的结果是0.5。

图3-5-7 标准化指令示例

（2）缩放指令（SCALE_X）

SCALE_X指令：使用“SCALE_X”指令，可将输入VALUE的值映射到指定的值范围来对其缩放。当执行缩放指令时，输入VALUE的浮点值会缩放到有参数MIN和MAX定义的值范围。缩放结果为整数，存储在OUT输出中。缩放指令参数见下表：

注意：可以从指令框“<???>”下拉列表中选择该指令的数据类型。

缩放指令的计算公式是：OUT= VALUE (MAX - MIN) + MIN，其中 (0.0 <= VALUE <= 1.0)，计算原理如图3-5-8；

用一个例子来说明标准化指令（NORM_X）的使用，梯形图如图3-5-8所示，当I0.0闭合激活标准化指令，要标准化的VALUE存储在MD16中，VALUE的范围是0-27648，将VALUE标准化的输出范围是0-27648。假设MD10中是0.5，那么MW20中的标准化的结果是13824。

图3-5-8 缩放指令示例

四、任务实施

本任务的实施步骤主要分为PLC接线、IO地址分配以及程序设计思路：

01、 IO地址分配

输入地址

说明

温度显示地址

说明

IW64

模拟量输入

MD24

温度显示

02、 程序设计思路

1）使用标准化指令，把采集过来的模拟量值进行标准化，标准化后的范围值在0.0-1.0之间。

2）再使用缩放指令，把标准化后的数值进行缩放，缩放后的范围值在温度传感器量程（-50.0-200.0℃）范围之间。

03、 程序设计

五、经验与总结

1、模拟量的换算，主要是要理解模拟量与数字量之间的关系。

2、在本任务中，主要使用的是标准化和缩放指令进行模拟量采集换算，换算的时候要注意数字量及工程量数值的填写，以免换算错误。

3、在上述例子中，温度传感器的量程为-50℃-200℃，所以在缩放指令中需要正确填写数值。

4、如果现场有多个温度传感器，可以使用带参数子程序的方式编写更加方便。

5、如果现场的传感器是4-20mA电流输出的，那么在标准化指令中的MIN管脚填写的数值应该是5530，而不是0。

（技成培训网原创，作者：郭彪，未经授权不得转载，违者必究）

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用PLC设计的温度在线报警系统，用于监测电缆中间接头的温度

作者探讨了一种基于PLC的10kV电缆中间接头温度在线监测报警系统的构建，实现了利用预埋传感器位置温度来判定当前电缆中间接头的暂态温度。

由于输电线路本身存在一定的电流抗阻，在电流通过的时候，不可避免的会由于电能转换为热能而导致输电线路产生一定的热量。如果热量过高，则很有可能导致输电线路由于过热而损坏。

同时，由于在输电线路之中存在大量的电缆接头，由于存在电缆头接触不良、压接头不紧、绝缘强度损坏等问题都可能导致温度的异常升高。因此，电缆接头相较于电缆的其他部位更容易损坏，不仅仅可能导致电缆损毁，同时还必然导致大面积的停电，甚至可能引发火灾事故。

然而，在当前的技术条件之下，我们还无法避免电缆接头的发热问题，只能够针对这一现象研发电缆温度实时监控系统，从而及时的发现温度异常现象，并且有针对性的采取相应的措施，将危险消灭在萌芽状态。因此，从这个角度来看，对10KV电缆中间接头温度的在线监测报警系统的研究具有一定的现实意义。

电缆中间接头温度在线监测报警系统的方案设计

1 系统方案设计

针对电缆中间接头的温度过热现象的物理特征，文章拟采取以温度检测为主要检测手段，同时辅以烟雾检测作为温度检测失灵条件下的补救措施，并且整合电话报警系统。

除此之外，为了防止传感器由于电缆接头爆燃或者炸裂过程中受损，导致无法向上位机传输信号，本文设计的是多主机系统，即每一个传感器对应的都是一个主机，主机之间可以相互通信，并且通过RS485现场总线向上位机系统设计方案如图1所示。

图1 基于单片机的多主机通信系统方案

如图1所示，基于RS485现场总线实现的单片机多主机通信系统的各个传感器终端都是主机，在通常状态之下都处于信息接收状态，只有在某个终端需要向上位机以及其他主机发送数据的时候，才转换成发送状态，向RS485现场总线发送数据。

这种系统设计方案的优势在于改变了过去的主机轮流循环询问各个从机的操作流程，各个终端设备之间的通信变成了按需发布信息或者接收信息，从而减少了单个主机的负荷，提升了系统的实时性。在终端设备需要报警的时候，能够及时的报警，并产生其他的一系列的连锁动作。但是，在该方案之下，需要解决一个重要的问题就是通信协议的解决问题。

2 硬件选型

本方案的关键硬件为PLC，文章选择西门子PLC SP300以及三菱PLC FX2N。上位机采用的是西门子PLC SP300，西门子PLC SP300用于对过程处理能力和响应时间要求很高的应用。

通过其工作存储器，该PLC也适用于中等规模的应用。该PLC的微处理器每条二进制指令执行时间约100ns，每条浮点数运行指令约3µs，具有96 KB 高速 RAM（相当于大约 32 K 的指令）用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间；微存储卡（最大8 MB）作为程序的装载存储器，也允许在 CPU 中保存项目；拥有多达4排结构的32个模块；内置 MPI 接口可以最多同时建立 12 个与 S7-300/400 或与 PG、PC、OP 的连接。

在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接。通过“全局数据通信”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。各个设备终端主机采取用的是三菱PLC FX2N，其具有小型化、高速度以及高性能等特点，编程简单，除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等。

在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。除此之外，还可根据电源及输出形式，自由选择程序容量。因此，该PLC组合能够完全满足系统功能的需求。

温度传感器选用的是DS1820传感器，该传感器是美国达拉斯（DALLAS）公司生产的单线数字温度传感器，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强以及适配性好等特点，在多点温度测控系统之中应用较为广泛，能够直接将温度转化成串行数字信号，从而供PLC处理。

除此之外，在每一个传感器之上都有唯一的产品序列号，并且能够存储在其Rom之中，这就使得在构成大型温度监控系统的时候，在但线上挂接任意多的传感器都是可行的。

由于DS1820传感器自身的设计较为科学合理，从其中读取或者写入信息都只需要一根口线，其读取温度或者变换频率都来源于数据总线，而且总线本身还兼有给芯片供电的功能，不需要额外的电源，因此能够有效的减少布线的难度和工作量，而且该芯片能够提供9位数的温度读数，不需要任何的其他外围硬件的检测就能够方便的构成温度监控系统。

通信方案的设计

本方案的通信是基于西门子PLC以及三菱PLC自身的通信模块，依据MODBUS协议，通过主站/主站的模式进行数据通信。

该通信是通过现场总线RS485实现的。而各个设备终端主站之间的通信则是利用三菱PLC FX2N的串口通信模块，并且在PLC之上增加一个CP340串口通信模块，运用主站广播模式，向各个设备终端发布查询命令通信程序包括了信息的发送、接受、验证以及校验计算等几个部分，其基本结构如表1所示。

表1 串口通信数据结构

设计的方案包括了两个PLC，因此进行通信模块的设置时也要在两个通信模块分别进行设置。

首先，在西门子PLC S7-300中，设置工作模式为RS485，然后将串口设置为9600.8.1.None，将通信模式选择为双工通信，其余设置采用默认设置，完成组态编辑之后，保存设置，并将其下载到PLC站点之中。

完成西门子PLC的通信模块设置之后，继续对三菱PLC FX2N进行设置，由于三菱PLC FX2N的通信接口型号为FX2N-485-BD，该通信模块实际上采用的是双芯屏蔽电缆，屏蔽层接入SG，电缆的双芯分别接入的是SDA以及SDB。可以依据三菱PLC FX2N随机自带的通信手册采用无协议通信方式，利用MODBUS通信协议原理自行设计具体的通信规则。

结论

对电力电缆的中间接头温度进行实施检测，不仅仅能够及时的发现电缆接头部分局部过热问题，及早处理安全隐患，同时也能够为电力电缆的符合调控或者动态增容提供依据。基于单片机的10KV电缆中间接头温度在线监测报警系统具有低成本、高便捷性的特点。

但是，现有的单片机通信系统在应用的过程中存在较多的缺点，关键是在于其主站/从站的通信模式，使得各个设备终端之间无法实现直接通信，而设备终端与上位机之间的通信也只能够完全遵循主机轮流循环询问各个从机的操作流程，使得主机的负荷较高，处理效率得不到保障，一旦出现温度异常无法及时报警处理。

本文研究了一种基于RS485现场总线以及串口通信的多主机通信网络系统，在上位机与各个温度、烟雾传感器之间通过RS485现场总线进行通信，提升了通信效率，而各个设备终端之间则通过串口通信实现相互之间的直接通信，进一步降低了上位机的工作负荷，同时也确保了通信的实时性，在功能性和效率性方面都得到了有效的保障，能够及时的侦测电缆中间接头温度异常现象，因此具有很好的发展前景。

本文编自《电气技术》，标题为“10kV电缆中间接头温度在线监测报警系统”，作者为阮浩洁、姚延军。

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