【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 I/O 擴(kuò) 展 ,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型 :輸入模塊 ,輸出模塊以及輸入 /輸出模塊。為 了保證 PLC 的工作可 靠性 ,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離 ,輸入保護(hù) (浪 涌吸收器 ,旁路二極管 ,限流電阻 ),高頻濾波 ,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對(duì)象有多種 ,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)行選擇 ,有直流輸出模塊 , 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型 ,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中 ,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看 ,繼電器輸出型最好。在實(shí)際 使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況進(jìn)行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)， CPU224XP 相比與其他型號(hào)具有更好的硬件指標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本， CPU224XP 自帶的模擬量 I/O 規(guī)格如表 21 所示： 表 21 模擬量 I/O 配置表 I/O信號(hào) 信號(hào)類型 電壓信號(hào) 電流信號(hào) 模擬量輸入 *2 177。 10V / 模擬量輸出 0~10V 0~20mA CPU224XP 自帶的模擬量輸入通道有 2 個(gè)，模擬量 輸出通道 1 個(gè)。在S7200 中，單極性模擬量的輸入 /輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是 0~32021，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是 32021~+32021[4]。 溫度傳感器 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無(wú)不與溫度密切相關(guān)。溫 6 度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990 年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過了其他的傳感器。從 17 世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是 1821 年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。 50年以后 ，另一位德國(guó)人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、 PN 結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測(cè)量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出 420mA、 010V 等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室等短距離的應(yīng)用場(chǎng)合，可以直接 把熱電偶信號(hào)引入PLC 進(jìn)行測(cè)量。 熱電偶的工作原理是 ,兩種不同成份的導(dǎo)體 ,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測(cè)量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)隨動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值，電溫度升高而增長(zhǎng)。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長(zhǎng)短粗細(xì)無(wú)關(guān)。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從 1988 年 1 月 1 日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種 溫度測(cè)量元件 。 熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。當(dāng)電阻值變化時(shí) ，二次儀表便顯示出電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。 通常用 PT100 來表示 ,其中 PT 后的 100 即表示它在 0℃ 時(shí)阻值為 100 歐 7 姆，在 100℃ 時(shí)它的阻值約為 歐姆。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等 ,其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變 ， 在 200～ +850℃ 范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì) 。 鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測(cè)溫元件，它具有良好的傳感輸出特 性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出 420mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或 010V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來更為方便。 由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將 Pt 電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入 EEPROM 中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的 AD 值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值 [5]。工業(yè)上將鉑電阻 R0 分別在 50Ω 和 100Ω（稱 Pt100）的條件下，制成相應(yīng) Rtt 關(guān)系制成分度表，供查用。如表 22 所示： 表 22 鉑熱電阻分度表 工作端溫度 /℃ Pt100 工作端溫度 /℃ Pt100 工作端溫度 /℃ Pt100 50 100 250 40 110 260 30 120 270 20 130 280 10 140 290 0 150 300 10 160 310 20 170 320 30 180 330 40 190 340 50 200 350 60 210 360 70 220 370 80 230 380 90 240 390 常用的 Pt 電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100 的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。 8 本設(shè)計(jì)采用的就是三線制電橋接線。如圖 21 所示： 圖 21 熱電阻三線制電橋接法 由于鉑熱電阻測(cè)出的是溫度變化，需要在將信號(hào)輸入 PLC 前加一個(gè)溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。本系統(tǒng)采用的是 010V 標(biāo)準(zhǔn) 溫度變送器，使用過程中要加一個(gè) 24V 的電源，該電源可以從 PLC 上直接獲得。如圖 22 所示： 變送器P L CP T 1 0 00 ~ 1 0 V 圖 22 PT100 標(biāo)準(zhǔn)一體化溫度變送器接線圖 模擬量輸入模塊 S7200 系列 PLC 模擬量 I/O 模塊主要由 EM231 模擬量 4 路輸入、EM232 模擬量 2 路輸出和 EM235 模擬量 4 輸入 /1 輸出混合模塊 3 種，另外還有 EM231 模擬量輸入熱電偶模塊和 EM231 模擬量輸入熱電阻模塊 [7]。 EM231 模擬量輸入模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成 0～ 10V 的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸 9 入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入 PLC 內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW 中。在這里，我們選用了西門子 EM231 模擬量輸入模。 存儲(chǔ)在 16 位模擬量寄存器 AIW 中的數(shù)據(jù)有效位為 12 位，其格式如圖23 所示。對(duì)單極性格式，最高位為符號(hào)位，最低 3 位是測(cè)量精度，即 A/D轉(zhuǎn)換是以 8 為 單位進(jìn)行的；對(duì)于雙極性格式，最低 4 位為轉(zhuǎn)換精度， A/D 轉(zhuǎn)換是以 16 為單位進(jìn)行的。 圖 23 模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式 使用模擬量輸入模塊時(shí)，首先需要根據(jù)模擬量信號(hào)的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的 DIP 設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計(jì)選用的電壓信號(hào)為 0~10V 作為模擬量模塊的輸入信號(hào)，則 DIP 選擇開關(guān)應(yīng)選為 SW1 開、 SW2 關(guān)、 SW3 開。 使用模擬量輸入模塊時(shí)，首先需要根據(jù)模擬量信號(hào)的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的 DIP 設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計(jì)選用的電壓信號(hào)為 0~10V 作為模擬量模塊的輸入信號(hào)，則 DIP 選擇開關(guān)應(yīng)選為 SW1 開、 SW2 關(guān)、 SW3 開。如圖 24 所示： 圖 24 EM231 選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 10 選好 DIP 開關(guān)的設(shè)置后，還需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整定，輸入信號(hào)的整定就是要確定模擬量輸入信號(hào)與數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過設(shè)定 DIP 設(shè)定開關(guān)左側(cè)的增益旋鈕可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。 為了使 DIP 開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給 PLC 的電源斷電再通電。如圖 25 所示： 圖 25 EM231模擬量輸入模塊端子及 DIP開關(guān)示意圖 經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為 0~10V 的模擬量信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為 0~32021 或所需要數(shù)字 EM232 模擬量輸出模塊 EM232 模擬量輸出的過程是將 PLC 模擬量輸出寄存器 AQW 中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動(dòng)元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 26 所示： 圖 26 EM232 模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由圖可知，存儲(chǔ)于 AQW 中的數(shù)字量經(jīng) EM232 模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器分 11 為兩路信號(hào)輸出，一路經(jīng)電壓輸出緩沖器輸出標(biāo)準(zhǔn)的 10~+10V 電壓信號(hào)，令一路經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的 0～ 20mA 的電流信號(hào)。 在 16 位的模擬量輸出寄存器 AQW0 中的數(shù)字量其有效位為 12 位，格式如圖 27 所示。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號(hào)位，最低 4 位在轉(zhuǎn)換為模擬量輸出值時(shí)，將自動(dòng)屏蔽。 圖 27 模擬量輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)字量格式 可控硅電壓調(diào)整器 可控硅電壓調(diào)整器簡(jiǎn)介 ZK 系列可控硅電壓調(diào)整器與可控硅配合使用，能作為單相或三相的電壓功率調(diào)整，其調(diào)節(jié)精度較高，抗干擾能力強(qiáng)。能以自動(dòng)方式（外給定信號(hào)）或手動(dòng)發(fā)式（內(nèi)給定）對(duì)單向或雙向可控硅進(jìn)行移相或過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功或調(diào)壓控制。其中移相觸發(fā)方式是通過改變可控硅導(dǎo)通角大小，調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，而過零觸發(fā)方式則是通過改變可控硅在一定周期內(nèi)的通斷時(shí)間，調(diào)節(jié)負(fù)載電源通斷的占空比， 從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，通過與相應(yīng)的控制儀表配合使用實(shí)現(xiàn)負(fù)載對(duì)象輸入功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到精確控制溫度的目的 [9]。 本系列儀表采用了先進(jìn)的脈沖信號(hào)處理技術(shù)及抗干擾處理，控制輸出采用小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)方式，并引進(jìn)先進(jìn)的光點(diǎn)耦合技術(shù)進(jìn)行光電隔離，相位采集和脈沖信號(hào)傳輸，并采用光條代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動(dòng)圈表頭指示輸出功率，從而使本系列控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）優(yōu)異的抗干擾性能。 （ 2）采用新穎的小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實(shí)行光電隔離，從而保證各種可控硅快速可靠開通，安全可靠。 （ 3）手動(dòng)、自動(dòng)控制可任意按鍵切換，操 作直觀方便，功率指示燈為光 12 條指示百分比，清晰直觀無(wú)視差。有 0~10mA , 4~20m A,0~5V,1~5V 等多種控制觸發(fā)信號(hào)輸入方式供選擇。 （ 4）晶閘管運(yùn)行時(shí)無(wú)噪音，壽命長(zhǎng)，功率因數(shù)高。 （ 5）體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)單，使用方便，接線容易，無(wú)需調(diào)試 （ 6）可用于各種單相電路以及三相負(fù)載星型接法及三角形接法。 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo) 本設(shè)計(jì)采用 ZK1 可控硅電壓調(diào)整器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下： （ 1）輸入信號(hào)： 0~10mA（輸入阻抗 800Ω）或 4～ 20mA（輸入阻抗250Ω）； （ 2）輸入脈沖：幅值 不小于 3V、寬度不小于 50 us(20Ω 負(fù)載時(shí) )； （ 3）移相觸發(fā)型最大導(dǎo)通角，不小于 150 度； （ 4）工作環(huán)境：溫度 050℃ 相對(duì)濕度不超過 85%的無(wú)腐蝕性氣體場(chǎng)合； （ 5）電源：交流 220V177。15%,50Hz 約 3VA； （ 6）重量：約 ； 雙向可控硅交流調(diào)壓原理 雙向可控硅交流調(diào)壓原理： 一只雙向可控硅的工作原理，可等效兩只同型號(hào)的單向可控硅互相反向并聯(lián)，然后串聯(lián)在調(diào)壓電路中實(shí)現(xiàn)其可控硅交流調(diào)壓的。為 50Hz 交流電的電壓波形。在 0～ α 時(shí)間內(nèi)， SCR1 因控制極Ｇ無(wú)正脈沖信號(hào)而正向阻斷，而 SCR2 則 反向不導(dǎo)通。在 α～ π 時(shí)間內(nèi) ,SCR1 控制極Ｇ受觸發(fā)脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通 .。如圖 28 所示： αθut 圖 28 雙向可控硅導(dǎo)通原理圖 13 將可控硅在正向陽(yáng)極電壓作用下不導(dǎo)通的范圍稱為控制角，用字母ａ表示，而導(dǎo)通范圍稱為導(dǎo)通角，用字母 θ 表示。