工業(yè)控制系統(tǒng)模擬量采集應(yīng)用分析

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摘要：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有大量的模擬量如溫度、壓力、流量等需要測(cè)量和控制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、快速性和易用性要求越來(lái)越高。借助AB產(chǎn)品平臺(tái)，以常見(jiàn)的溫度測(cè)量為例，介紹常用的模擬量采集方法和現(xiàn)場(chǎng)終端顯示、通訊傳輸?shù)鹊湫蛻?yīng)用，為后續(xù)的相關(guān)控制打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：模擬量；A／D轉(zhuǎn)換；工業(yè)控制；以太網(wǎng)

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，想要知道被控對(duì)象的運(yùn)行情況并能控制其按照工藝流程和要求運(yùn)行，需要利用現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器采集被控對(duì)象的各種參數(shù)，并把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸給控制系統(tǒng)，才能得以監(jiān)視和控制。

1模擬量的采集

1．1模擬量的采集流程

工業(yè)控制系統(tǒng)中模擬量的采集通常由傳感器的敏感元件來(lái)完成，將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量等物理量測(cè)出一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的模擬量，如電阻信號(hào)、非標(biāo)準(zhǔn)電壓及電流信號(hào)，這些信號(hào)先要經(jīng)過(guò)變送器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)換成控制器（一般為PLC或者DCS）可以處理的標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)或者0～5V、0～10V電壓信號(hào)，才能接入到控制系統(tǒng)的模擬量輸入通道。工業(yè)控制系統(tǒng)中三種基本模擬量輸入（AI）設(shè)備的信號(hào)處理流程如圖1所示。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以模擬量的采集主要解決兩個(gè)問(wèn)題。一個(gè)是要確定控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采樣周期，由于信號(hào)采集是按一定時(shí)間間隔進(jìn)行的，信號(hào)的采樣周期實(shí)質(zhì)上是時(shí)間的數(shù)字化；另一方面必須確定單位數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬量大小，即模擬信號(hào)的數(shù)字化，也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換（A／D轉(zhuǎn)換）［1］。為了提高信號(hào)的信噪比和可靠性，還必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和預(yù)處理。模擬量采集的一般流程如圖2所示。

1．2模擬量的數(shù)值整定

控制系統(tǒng)對(duì)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理時(shí),模擬量輸入模塊接收到現(xiàn)場(chǎng)儀表采集的模擬信號(hào)（如4～20mA信號(hào)或0～5V、0～10V信號(hào)）后要轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字量（如0～4095或0～65535等）即A／D轉(zhuǎn)換，之后由軟件進(jìn)行濾波和預(yù)處理，再經(jīng)工程量程轉(zhuǎn)換計(jì)算，轉(zhuǎn)換為信號(hào)的工程量值，才能為控制器使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的測(cè)量和控制。這種轉(zhuǎn)換過(guò)程通常稱(chēng)為模擬量輸入的數(shù)值整定或者定標(biāo)。在進(jìn)行模擬量輸入整定時(shí)需要明確幾個(gè)問(wèn)題：1）模擬量輸入值的數(shù)字表示方法，即輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)是否從數(shù)據(jù)字的第0位開(kāi)始，若不是，則需要進(jìn)行移位操作，使數(shù)據(jù)的最低位排列在數(shù)據(jù)字的第0位上，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2）被測(cè)量的范圍，如被測(cè)溫度20℃～100℃，測(cè)量范圍即100－20＝80℃。3）模擬量輸入模塊數(shù)字量的范圍，一般由模擬量輸入模塊的轉(zhuǎn)換精度位來(lái)決定，如8位輸入模塊數(shù)字量范圍為0～255，12位輸入模塊為0～4095或者雙極性－2048～＋2047。4）系統(tǒng)的偏移量，指數(shù)字量0所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量的實(shí)際值。整定時(shí)需進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算補(bǔ)償。5）線(xiàn)性化情況，輸入的數(shù)字量與被測(cè)量之間是否為線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果不是，在整定時(shí)需要進(jìn)行線(xiàn)性化處理，盡可能消除非線(xiàn)性帶來(lái)的誤差。

1．3模擬量的采集形式

模擬量的采集通常有三種硬件連接方式，嵌入式、插入式和擴(kuò)展式。一般嵌入式I／O需要選擇輸入篩選器（即模擬量采集通道）和設(shè)置輸入輸出的增益和偏移，利用PLC自身集成的部分I／O和通信接口，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好；插入式I／O模塊需要選擇采樣通道，設(shè)置輸入類(lèi)型（電流或電壓）、頻率和啟用輸入狀態(tài)，功能性插件直接插在控制器卡槽中，牢固地卡在控制器右側(cè)，集成度高。另外，大部分PLC都有自己專(zhuān)門(mén)的模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊即擴(kuò)展I／O模塊，增加采集通道數(shù)量，滿(mǎn)足多路模擬量數(shù)據(jù)采集的需要。擴(kuò)展I／O模塊模擬值位數(shù)（即轉(zhuǎn)換精度）可以設(shè)置為9～15位，電壓輸入和電流輸入也可以自己選擇［2］。根據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量可以增減I／O擴(kuò)展模塊，能有效解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中存在的大量開(kāi)關(guān)量、模擬信號(hào)輸入的問(wèn)題，減少PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，降低控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，擴(kuò)展性、靈活性好。

1．4模擬量采集實(shí)例

溫度是工業(yè)控制系統(tǒng)中最重要的被控量之一，以風(fēng)冷溫度控制系統(tǒng)為例，溫度檢測(cè)選用三線(xiàn)制PT100溫度傳感器，測(cè)溫范圍是0℃～100℃，對(duì)應(yīng)的輸出為0～10V電壓信號(hào)?？刂破鞑捎肁BMicro820，提供嵌入式0～10V非隔離4通道模擬量輸入和1通道模擬量輸出。專(zhuān)用于需要靈活通信和I／O功能的小型獨(dú)立設(shè)備控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)化應(yīng)用［3］。其模擬量輸入端口輸入電壓范圍為0～10VDC，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是0～4095，電壓值與溫度線(xiàn)性對(duì)應(yīng)。采用AI－00采集通道。根據(jù)上述分析，實(shí)際溫度＝（輸入的數(shù)字量*被測(cè)量范圍）／數(shù)字量范圍＝（AI＿00*100）／4095。在實(shí)際編程時(shí)，要注意變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型是否一致。這里模擬量輸入AI＿00是word型變量，在進(jìn)行換算之前，需要用“anytoreal”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令塊將AI＿00轉(zhuǎn)換成real型，之后再用乘、除數(shù)學(xué)運(yùn)算指令塊來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量的采集轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)指令如下：tem1:＝ANY＿TO＿REAL(＿IO＿EM＿AI＿00);Tem3:＝tem1／4095．0觹100．0;在線(xiàn)性情況下，即傳感器的量程與傳感器輸出模擬量之間的關(guān)系為一次函數(shù)，模擬量輸入模塊的量程與模擬值之間的關(guān)系為一次函數(shù)。不管是溫度、液位、壓力或流量，只要知道傳感器的量程和模擬量AI的范圍，我們就可以換算得到實(shí)際的模擬量數(shù)值。

2模擬量的應(yīng)用

模擬量采集完成后，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，編寫(xiě)控制程序，對(duì)得到的過(guò)程參數(shù)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行處理，為后續(xù)的工業(yè)控制提供條件。PLC無(wú)論是在處理速度方面，還是在功能強(qiáng)化、通訊能力方面都提高到了一個(gè)新水平，加上其運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如連接觸摸屏或人機(jī)界面，將采集的模擬信號(hào)顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)顯示和控制；連接上一級(jí)的控制器，為上一站提供數(shù)據(jù)；連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)、可視化等。

2．1終端操作顯示

在制造業(yè)流水線(xiàn)及機(jī)床等單體設(shè)備上，大量采用了PLC作為控制設(shè)備，但是PLC自身沒(méi)有顯示、鍵盤(pán)輸入等人機(jī)交互功能，因此，通常需要配置觸摸屏或嵌人式工業(yè)計(jì)算機(jī)作為人機(jī)界面或操作終端。它們通過(guò)各類(lèi)總線(xiàn)或者工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和控制，同時(shí)還可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、報(bào)警、打印等功能。以溫度控制系統(tǒng)為例，ABMicro820作為主控制器，PV8002711R－T7T觸摸屏作為操作終端，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信?；谝蕴W(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)組態(tài)，首先要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，分配IP地址。把控制器ABMicro820、觸摸屏PV8002711R－T7T和工控機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，然后再編程組態(tài)。CCW環(huán)境下，在項(xiàng)目中添加圖形終端PanelView8002711R－T7T。觸摸屏與控制器的通訊協(xié)議選擇“Ethernet／Allen－BradleyCIP”，控制器設(shè)置中控制器類(lèi)型Micro800自動(dòng)匹配通訊協(xié)議，輸入要連接的PLC的IP地址，如“192．168．1．20”，確認(rèn)設(shè)置。模擬量采集過(guò)來(lái)，一般會(huì)要求顯示溫度值和變化趨勢(shì)。添加標(biāo)簽，溫度標(biāo)簽名稱(chēng)可以自定義，數(shù)據(jù)類(lèi)型為real實(shí)數(shù)型。標(biāo)簽地址即PLC程序中的全局變量tem3。在畫(huà)面編輯頁(yè)面，先要添加一個(gè)“gotoconfig”組件，轉(zhuǎn)至終端配置，便于觸摸屏返回操作。溫度顯示需要添加“數(shù)字顯示”組件，關(guān)聯(lián)溫度值標(biāo)簽。在屬性格式里可以把小數(shù)位數(shù)設(shè)為1或者2，顯示更精確。溫度變化趨勢(shì)需添加“顯示－趨勢(shì)”組件，關(guān)聯(lián)溫度標(biāo)簽，讀取溫度值。其線(xiàn)條顏色、線(xiàn)型、寬度也都可以設(shè)置。趨勢(shì)圖橫軸關(guān)聯(lián)時(shí)間，縱軸關(guān)聯(lián)溫度，可以通過(guò)更改最大值和最小值，優(yōu)化顯示效果。下載PLC程序和觸摸屏程序，即可以在觸摸屏中顯示溫度值和變化趨勢(shì)。趨勢(shì)圖中，采樣時(shí)間間隔默認(rèn)1s，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。下載好的觸摸屏界面如圖4所示。如果還需要更多如溫度報(bào)警或者降溫控制等，可以通過(guò)觸摸屏“數(shù)字輸入”組件配合控制程序?qū)崿F(xiàn)。

2．2遠(yuǎn)程自動(dòng)化

大、中型工業(yè)控制系統(tǒng)通常采用分布式結(jié)構(gòu)，各種控制器在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近安裝，中央監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信。以ABMicro820作為現(xiàn)場(chǎng)PLC，Com-pactLogix作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以組成更大規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更廣泛的監(jiān)控功能。還以溫度采集為例，由ABMicro820采集溫度傳輸至CompactLogix1769－L30ERM，主要分為以下幾個(gè)步驟：1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，把各種控制器、觸摸屏、上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，分配IP地址；2）溫度采集，在CCW中編程實(shí)現(xiàn)由Micro820采集溫度；3）數(shù)據(jù)傳輸，在Studio5000軟件中組態(tài)CompactLogix，利用通訊指令MSG實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。首先建立一個(gè)反向開(kāi)關(guān)名稱(chēng)為MSG1．EN，和一個(gè)MSG模塊，名稱(chēng)設(shè)為MSG1。運(yùn)用MSG指令模塊的使能信號(hào)MSG．EN讓MSG不斷刷新讀取的信息。MSG模塊組態(tài)，設(shè)置模塊為CIPDataTableRead模式，讀取的元素為在Micro820中所采集并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的溫度tem3，元素個(gè)數(shù)為1個(gè)，在NewTag處建立一個(gè)新變量tem，變量類(lèi)型可選為real實(shí)數(shù)型，便于顯示溫度值。將Micro820中的變量tem3與CompactLogix里變量tem進(jìn)行對(duì)應(yīng)，如圖5所示。要注意的是，需要傳輸?shù)淖兞縯em3和tem要設(shè)為全局變量。如果兩個(gè)控制器要通信的參數(shù)不止1個(gè)，可以用數(shù)組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在通訊選項(xiàng)卡中設(shè)置通訊地址，通訊路徑書(shū)寫(xiě)格式為“2，micro820的IP地址”，如“2,192．168．1．20”；4）下載驗(yàn)證。將控制程序分別下載到對(duì)應(yīng)的控制器中，此時(shí)CompactLogix中的tem數(shù)據(jù)即是溫度傳感器測(cè)得的溫度，即實(shí)現(xiàn)了模擬量的采集和傳輸，為后續(xù)模擬量PID等實(shí)際工藝控制奠定基礎(chǔ)。

2．3上位機(jī)監(jiān)控

將PLC與計(jì)算機(jī)用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，符合工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的發(fā)展方向。以溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例，PLC作為控制站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、緩存以及打包發(fā)送，上位機(jī)完成數(shù)據(jù)接收、解析、存儲(chǔ)、圖形化顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能［4］。上位機(jī)組態(tài)選用美國(guó)AB公司開(kāi)發(fā)的基于組件的RSview32軟件，組態(tài)主要流程如下：1）在新建項(xiàng)目中建立數(shù)據(jù)通訊，在System中的Node節(jié)點(diǎn)通訊類(lèi)型中選擇“OPCServer”，在服務(wù)器名稱(chēng)Name中輸入自定義的名稱(chēng)，選取控制器與RSView32的通訊協(xié)議。不同的控制器類(lèi)型，通訊協(xié)議也不同，與Micro800系列通訊，選取“Rockwell．IXLCIP．Gateway”。Update刷新頻率也可以快一些，把1s改成0．1s，點(diǎn)擊“Accept”，即創(chuàng)建了上位機(jī)與Micro820通訊的新協(xié)議；2）建立與Micro820通訊的標(biāo)簽，打開(kāi)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)tagdatabase，出現(xiàn)Edit新建文件夾并命名，將所有變量?jī)?chǔ)存在一個(gè)文件夾下，方便以后查找和更改。雙擊“TagDatabase”會(huì)彈出建立標(biāo)簽的對(duì)話(huà)框，輸入名稱(chēng)并選擇變量類(lèi)型，在選定文件夾時(shí)，會(huì)自動(dòng)填入文件夾的名稱(chēng)。選取“Device”作為標(biāo)簽所取數(shù)據(jù)來(lái)源，即連接到實(shí)際設(shè)備。在“NodeName”選取之前建立的節(jié)點(diǎn)即可。點(diǎn)擊“Address”后面的選項(xiàng)按鈕，彈出對(duì)話(huà)框，找到“Controller”下的Micro820，在全局變量里找到預(yù)先定義好的對(duì)應(yīng)變量。標(biāo)簽建好之后，可以通過(guò)使用“TagMonitor”檢測(cè)建立的標(biāo)簽是否通訊上；3）圖形顯示創(chuàng)建和關(guān)聯(lián)。在“Graphics”下選擇“Display”創(chuàng)建一個(gè)新的圖形顯示界面。根據(jù)系統(tǒng)需求，創(chuàng)建一個(gè)按鈕“But-ton”，并對(duì)其外觀、類(lèi)型進(jìn)行設(shè)置。在關(guān)聯(lián)標(biāo)簽時(shí)，選取“Toggle”選項(xiàng)，點(diǎn)擊右側(cè)“TagName”的選項(xiàng)按鈕。在彈出的對(duì)話(huà)框中，選取之前新建文件夾內(nèi)對(duì)應(yīng)的建立好的變量，確定后，標(biāo)簽與按鈕即關(guān)聯(lián)完成。然后再添加設(shè)置數(shù)字輸入、數(shù)字顯示以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)等組件。在完成對(duì)觸摸屏、控制器與工控機(jī)之間的通訊調(diào)試后，將由CCW軟件編寫(xiě)好的數(shù)據(jù)采集程序和利用RSview32軟件組態(tài)的監(jiān)控界面分別下載到對(duì)應(yīng)裝置中。監(jiān)控界面的溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)曲線(xiàn)如圖6所示。還可以根據(jù)實(shí)際需要，利用alarm報(bào)警設(shè)置在Rsview32中建立一個(gè)完整的報(bào)警系統(tǒng)，可以通過(guò)設(shè)置報(bào)警線(xiàn)、報(bào)警等級(jí)、報(bào)警時(shí)狀態(tài)、報(bào)警時(shí)相關(guān)動(dòng)作、如何顯示報(bào)警、確認(rèn)報(bào)警等描述具體的對(duì)象。也可以保存歷史報(bào)警數(shù)據(jù)及打印報(bào)警報(bào)表等，模擬量參數(shù)報(bào)警監(jiān)視一般包括上限、上上限或下限、下下限等。如模擬量超過(guò)警戒線(xiàn)報(bào)警、模擬量的變化率越限、模擬量偏離標(biāo)準(zhǔn)值、模擬量超程報(bào)警等。

3模擬量采集與應(yīng)用要注意的問(wèn)題

（1）不同的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入類(lèi)型，Micro820的4個(gè)數(shù)字量和模擬量共用端口采集模擬量時(shí)只能接0～10V模擬量電壓輸入，不支持模擬量電流輸入。如果是模擬量電流輸入可以加個(gè)電阻或者用電流信號(hào)的模擬量采集模塊。接線(xiàn)是否正確，4～20mA或者0～5V、0～10V輸入是否需要外接電源。有些品牌PLC的模擬量模塊會(huì)有配置塊，需要根據(jù)電壓或電流類(lèi)型插到正確的引腳才可以正常使用。（2）信號(hào)的干擾在工業(yè)控制系統(tǒng)中，模擬信號(hào)的采集及傳送過(guò)程容易受到電磁干擾?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況采用一些抗干擾措施，如采用屏蔽電纜作為傳輸通道，采用濾波電路抑制干擾信號(hào)，選用適合的模擬信號(hào)制式等。對(duì)于工頻干擾和隨機(jī)的尖峰干擾，還可以采用數(shù)字濾波。新型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控信號(hào)的數(shù)字化傳送，可以最大程度抗干擾。另外，為獲得最佳結(jié)果，必須校準(zhǔn)系統(tǒng)，修改增益量。

4結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)模擬量的測(cè)量與處理應(yīng)用非常廣泛，智能化、網(wǎng)絡(luò)化的模擬量采集、傳輸、控制結(jié)合先進(jìn)的預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等智能控制技術(shù)，可以更好地實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的重要研究方向。

參考文獻(xiàn)

［1］王常力，羅安．分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004

［2］王華忠．工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用———PLC與組態(tài)軟件[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016

［4］張佳．基于PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］．電氣傳動(dòng)，2018，48（2）：68－71

作者：王俊美 單位：江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫機(jī)電分院