西门子PLC如何使用热电偶？图文详解接线和编程！很详细！

1.热电偶的概述

1.1 热电偶的工作原理

热电偶和热电阻一样，都是用来测量温度的。

热电偶是将两种不同金属或合金金属焊接起来，构成一个闭合回路，利用温差电势原理来测量温度的，当热电偶两种金属的两端有温度差，回路就会产生热电动势，温差越大，热电动势越大，利用测量热电动势这个原理来测量温度。

结构示意图如下：

图1 热电偶测量结构示意图

注意：如上图所示，热电偶是有正负极性的，所以需要确保这些导线连接到正确的极性，否则将会造成明显的测量误差

为了保证热电偶可靠、稳定地工作，安装要求如下：

① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;

② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路;

③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;

④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离;

⑤ 热电偶对于外界的干扰比较敏感，因此安装还需要考虑屏蔽的问题。

1.2 热电偶与热电阻的区别

表1 热电偶与热电阻的比较

2. 热电偶的类型和可用模板

2.1热电偶类型

根据使用材料的不同，分不同类型的热电偶，以分度号区分，分度号代表温度范围，且代表每种分度号的热电偶具体多少温度输出多少毫伏的电压，热电偶的分度号有主要有以下几种。

表2 分度号对照表

2.2可用的模板CPU类型模板类型支持热电偶类型

表3 S7 300/400 支持热电偶的模板及对应热电偶类型

3. 热电偶的补偿接线

3.1 补偿方式

热电偶测量温度时要求冷端的温度保持不变，这样产生的热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时冷端的环境温度变化，将严重影响测量的准确性，所以需要对冷端温度变化造成的影响采取一定补偿的措施。

由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时)，而测温点到控制仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本可以用补偿导线延伸冷端到温度比较稳定的控制室内，但补偿导线的材质要和热电偶的导线材质相同。热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度变化造成的影响，补偿方式见下表。

表4 各类补偿方式

3.2各补偿方式接线

3.2.1内部补偿

内部补偿是在输入模板的端子上建立参比接点，所以需要将热电偶直接连接到模板的输入端，或通过补偿导线间接的连接到输入端。每个通道组必须接相同类型的热电偶，连接示意图如下。

表5 支持内部补偿的模板及可接热电偶个数

图2 内部补偿接线

注1：模板6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接补偿端COMP+(10)和Mana(11)，其它模板无。

3.2.2 外部补偿—补偿盒

补偿盒方式是通过补偿盒获取热电偶的参比接点的温度，但补偿盒必须安装在热电偶的参比接点处。

补偿盒必须单独供电，电源模块必须具有充分的噪声滤波功能，例如使用接地电缆屏蔽。

补偿盒包含一个桥接电路，固定参比接点温度标定，如果实际温度与补偿温度有偏差，桥接热敏电阻会发生变化，产生正的或者负的补偿电压叠加到测量电势差信号上，从而达到补偿调节的目的。

补偿盒采用参比接点温度为0℃的补偿盒，推荐使用西门子带集成电源装置的补偿盒，订货号如下表。

表6 西门子参比接点的补偿盒订货数据

图3 S7-300模板支持接线方式

图3 类型：热电偶通过补偿导线连接到参比接点，再用铜质导线连接参比接点和模板的输入端子构成回路，同时由一个补偿盒对模板连接的所有热电偶进行公共补偿，补偿盒的9，8端子连接到模板的补偿端COMP+(10)和Mana(11)，所以模板的所有通道必须连接同类型的热电偶。

图4 S7-400模板支持接线方式

图4 类型：模板的各个通道单独连接一个补偿盒，补偿盒通过热电偶的补偿导线直接连接到模板的输入端子构成回路，所以模板的每个通道都可以使用模板支持类型的热电偶，但是每个通道都需要补偿盒。

表7 支持外部补偿盒补偿的模板及可接热电偶个数

3.2.3 外部补偿—热电阻

热电阻方式是通过外接电阻温度计获取热电偶的参比接点的温度，再由模板处理然后进行温度补偿，同样热电阻必须安装在热电偶的参比接点处。

图5 S7-300模板支持方式

图5类型：参比接点电阻温度计pt100的四根线接到模板的35，36，37，38端子，对应(M+，M-，I+，I-)，可测参比接点出温度范围为-25℃到85℃，

图6 S7-400模板支持方式

图6类型：参比接点电阻温度计的四根线接到模板的通道0，占用通道。

以上这两种方式，参比接点到模板的线可以用铜质导线，由于做公共补偿，只能接同类型的热电偶。

表8 支持热电阻补偿的模板及可接热电偶个数

3.2.4外部补偿—固定温度

如果外部参比接点的温度已知且固定，可以通过选择相应的补偿方式由模板内部处理补偿，组态设置详见下章节。 表9支持固定温度补偿的模板及可接热电偶个数

从上表可以看出，300的模板只支持参比接点的温度为0℃或50℃两种，而400的模板支持可变温度范围，且范围大。

3.2.4混合补偿—热电阻和固定温度补偿

另外，除单独补偿方式外，可以使用相同参比接点给多个模板，通过电阻温度计进行外部补偿，S7-400的模板支持这种方式，补偿示意图如下。

图7 混合外部补偿

补偿过程：如图所示，模板2和1 有公共的参比接点，模板1进行外部电阻温度计补偿方式，由CPU读取RTD的温度，然后使用系统功能SFC55(WR_PARM)将温度值写入到模板2中，模板2选择固定温度补偿的方式。

SFC55只能对模板的动态参数进行修改，模拟量输入模板的静态参数(数据记录0)和动态参数(数据记录1)的参数及数据记录1的结构如下：

表10 S7-400模拟量输入模板的参数

图8 S7-400模拟量输入模板的数据记录1的结构

以6ES7 431-7QH00-0AB0 模拟量输入模板为例，程序块SFC55调用：

图9 SFC55系统块调用

当M0.0上升沿使能时，将写入的参数从MB100~MB166传递到输入地址为100开始的模板，修改其数据记录1的参数，同时也将参比接点的温度也写入模板的设定位置。

表11 各参数的说明

4. 热电偶的信号处理方式

4.1 硬件组态设置

首先要在硬件组态选择与外部补偿接线一致的measuring type(测量类型)，measuring range(测量范围)，reference junction(参比接点类型)和reference temperature(参比接点温度)的参数，如下各图所示。

图10 S7-300模板测量方式示意图

图11 S7-300模板测量范围示意图

对于S7-300的模板，组态如图10和11所示，只需要选择测量类型和测量范围(分度类型)，补偿方式包含在测量类型中。比如： 参比接点固定温度补偿方式，测量类型选择 TC-L00C(参比接点温度固定为0℃) 或 TC-L50C(参比接点温度固定为50℃)，再选择分度类型，组态就完成。

图12 S7-400模板组态图1

图13 S7-400模板组态图2

表13 测量方式各参数的说明及处理

注：测量方式中：I ：内部补偿，E：外部补偿，L：线性处理。

对于S7-400的模板，组态如图12和13所示，测量类型中选择TC-L方式，测量范围中选择与实际热电偶类型一致的分度号，参比接点的选择。比如：参比接点固定温度的方式，测量类型和测量范围选择完后，在参比接点选择ref.temp(参考温度)，然后在reference temperature框(参考温度)内填写参比接点的固定，组态就完成，或者是共享补偿方式，可以用SFC55动态传输温度参数。

表12 参比接点参数说明

4.2 测量方式和转换处理

表13 测量方式各参数的说明及处理

注：测量方式中：I ：内部补偿，E：外部补偿，L：线性处理。

PLC中专用RTDTC模块读入温度值时都存有一个10倍的关系吗？

在人们的日常生活中，温度是一个避不开的概念，PLC就是为人们的生产活动提供便利而被制造出来的，因此很多PLC都提供了专门的温度模块来方便大家接入热电阻和热电偶信号。像我自己经常遇到的就是PT100，CU50等这样的热电阻型温度传感器，还有一些温度范围更高的热电偶传感器，这些信号可以经过温度变送器直接转换为4-20mA的电流信号，去被PLC采集，也可以使用专门的PLC模块直接接入热电偶或者热电阻信号！4-20mA的标准电流信号，读入PLC中的方法，我在前边的文章中也简单的说了一些，而且很常见，所以本文讨论的是PLC中热电阻和热电偶专用模块数据读入的问题。

上边我说的PT100和CU50，是两种材料的热电阻产品，PT就是铂的化学元素符号，CU就是铜的化学元素符号。PT100就是0度的时候电阻值是100Ω，我自己都经常记混觉得100°的时候电阻值是0Ω，这是错的，热电阻叫热电阻，就是为了更直观，所以PT100这个100就是电阻值。PT100的电阻值和温度之间有一个计算公式，有兴趣的小伙伴可以自己去研究一下。我这里要说的是PT100的电阻值和温度之间不是一个线性关系，0°时电阻100Ω，10°时103.9Ω，20度时107.79欧姆。我前边的文章说模拟量转换的时候PLC侧和传感器侧为了方便快速的计算出来，要求两边都是直线线性的，这里PT100的温度促使电阻值变化，显然是没有办法做成直线线性了，因此才需要温度变送器或者PLC的特殊温度模块来采集这些信号。

下边就来看一下几种PLC中温度模块中温度和数值之间的关系，大家应该能看出一个明显的特点。

首先来看一下三菱PLC中FX2N中的温度模块，温度和数据关系：

FX2N-PT100温度数据

这个图是FX2N的PT温度模块读取PT100热电阻时的数据。从这个图可以看到温度是600°C的时候，这个模块输出给CPU的数值是6000；温度为-100°C时，输出的数值是-1000，也就是说这个模块将PT100热电阻接入后，得到的数据和实际温度之间有一个10倍关系，即温度值的10倍就是PLC读入的数据。

FX2N-TC温度数据

这个图是FX2N的TC温度模块读取两种分度号热电偶时的数据。在此多说一点，在电路图上，热电阻的表示是RTD，热电偶的表示是TC。

从这个图可以看到J分度的热电偶检测到的温度是600°C的时候，这个模块输出给CPU的数值是6000；当K分度的热电偶检测到的温度是1200°C的时候，这个模块输出给CPU的数值是12000。也就是说这个模块将两种分度的热电偶接入后，得到的数据和实际温度之间也有一个10倍关系，即温度值的10倍就是PLC读入的数据。

三菱的是如此，那其他的PLC中又是怎样的呢？

来看一下台达PLC的：

台达30EX2PLC读取热电阻信号

这个图是说30EX2机型的PLC是支持PT100/PT1000/NI100/NI1000的热电阻信号接入的，可以看到温度-180°C-+800°C对应的数值是-1800-+8000，由此可见这里也有一个10倍的关系。

所以说PLC中专用的PT100模块，通常都存在一个10倍的关系，即PLC读到的值直接除以10，就是实际的温度值了，这里也相当于完成了一次工程量和模拟量的转化，这里就直接除以10，不像之前所说的高限低限去套用那个公式来计算，这里的计算简单多了。--注意，我这里是说通常都有一个10倍关系，大家使用的时候要仔细看模块手册，才能确保正确。

下边来看一下西门子PLC中的情况，就知道并不是全部都是10倍关系的。

西门子331模块中对比接线方式对测量值的影响图

这个图片是说4线制标准PT100接入SM331模块中测量值是最好的，我在此是需要它的数据，温度17.0°C，读出的模拟值是16#00AA，这个16#AA就是170，所以西门子中PT100接入的时候也是存在这个10倍关系的。

西门子中选择热电阻下边有几个选项

上边那个图片说的就是标准型的，所以此图提到气候范围，在西门子的资料中应该叫做气候型的传感器。看一下这2个气候型的传感器的数据关系吧：

气候型热电阻铂和镍温度和读值关系

左边这个图可以看做是PT100气候型的关系表，130.00°C的时候读数是13000；右边的图可以看做是NI100气候型的关系表，250.00°C的时候读数是25000。从这个图片可以看出，热电阻传感器被热电阻模块读取的时候，还是存在100倍关系的温度和读值关系的。

上边主要是说了热电阻在转换时候温度和模块读入值之间有10倍关系和100倍关系，使用的时候需要大家特别注意，一定要查询手册，才能保证数据的正确性。另外，多说一句我看到的西门子300的资料中，关于热电偶信号的转换都是10倍关系，当然我说我看到的是10倍关系，不代表全部一定就是。

文章写到此也就结束了，可以得出一个大方向上的概念，就是热电阻和热电偶信号在没有使用温度变送模块转换为标准的4-20mA应用场景的时候，多是采用专用的PLC信号模块，来直接读取热电阻和热电偶的温度值，读入PLC中的数值和实际的温度值之间，不管是热电偶还是热电阻，多数情况都存在一个10倍的关系，特殊情况如西门子气候型就还有100倍的关系，就当做一个小常识分享给大家。但是，还是要切记一切要以硬件手册的表述为准！

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