工业控制系统模拟量采集应用分析

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摘要：工业生产过程中有大量的模拟量如温度、压力、流量等需要测量和控制，对现场数据采集的准确性、快速性和易用性要求越来越高。借助AB产品平台，以常见的温度测量为例，介绍常用的模拟量采集方法和现场终端显示、通讯传输等典型应用，为后续的相关控制打好基础。

关键词：模拟量；A／D转换；工业控制；以太网

在现代工业控制系统中，想要知道被控对象的运行情况并能控制其按照工艺流程和要求运行，需要利用现场各种传感器采集被控对象的各种参数，并把这些参数转换成电信号，传输给控制系统，才能得以监视和控制。

1模拟量的采集

1．1模拟量的采集流程

工业控制系统中模拟量的采集通常由传感器的敏感元件来完成，将现场的温度、压力、流量等物理量测出一个与之对应的模拟量，如电阻信号、非标准电压及电流信号，这些信号先要经过变送器进行信号调理，转换成控制器（一般为PLC或者DCS）可以处理的标准的4～20mA电流信号或者0～5V、0～10V电压信号，才能接入到控制系统的模拟量输入通道。工业控制系统中三种基本模拟量输入（AI）设备的信号处理流程如图1所示。由于计算机只能处理数字信号，所以模拟量的采集主要解决两个问题。一个是要确定控制系统对现场信号的采样周期，由于信号采集是按一定时间间隔进行的，信号的采样周期实质上是时间的数字化；另一方面必须确定单位数字量所对应的模拟量大小，即模拟信号的数字化，也就是模数转换（A／D转换）［1］。为了提高信号的信噪比和可靠性，还必须对输入信号进行数字滤波和预处理。模拟量采集的一般流程如图2所示。

1．2模拟量的数值整定

控制系统对传感器测得的数据进行采集与处理时,模拟量输入模块接收到现场仪表采集的模拟信号（如4～20mA信号或0～5V、0～10V信号）后要转化成相应的数字量（如0～4095或0～65535等）即A／D转换，之后由软件进行滤波和预处理，再经工程量程转换计算，转换为信号的工程量值，才能为控制器使用，进而实现对模拟量的测量和控制。这种转换过程通常称为模拟量输入的数值整定或者定标。在进行模拟量输入整定时需要明确几个问题：1）模拟量输入值的数字表示方法，即输入数据的位数是否从数据字的第0位开始，若不是，则需要进行移位操作，使数据的最低位排列在数据字的第0位上，以保证数据的准确性。2）被测量的范围，如被测温度20℃～100℃，测量范围即100－20＝80℃。3）模拟量输入模块数字量的范围，一般由模拟量输入模块的转换精度位来决定，如8位输入模块数字量范围为0～255，12位输入模块为0～4095或者双极性－2048～＋2047。4）系统的偏移量，指数字量0所对应的被测量的实际值。整定时需进行相应的计算补偿。5）线性化情况，输入的数字量与被测量之间是否为线性对应关系。如果不是，在整定时需要进行线性化处理，尽可能消除非线性带来的误差。

1．3模拟量的采集形式

模拟量的采集通常有三种硬件连接方式，嵌入式、插入式和扩展式。一般嵌入式I／O需要选择输入筛选器（即模拟量采集通道）和设置输入输出的增益和偏移，利用PLC自身集成的部分I／O和通信接口，系统结构简单，通用性好；插入式I／O模块需要选择采样通道，设置输入类型（电流或电压）、频率和启用输入状态，功能性插件直接插在控制器卡槽中，牢固地卡在控制器右侧，集成度高。另外，大部分PLC都有自己专门的模拟量输入输出扩展模块即扩展I／O模块，增加采集通道数量，满足多路模拟量数据采集的需要。扩展I／O模块模拟值位数（即转换精度）可以设置为9～15位，电压输入和电流输入也可以自己选择［2］。根据采集点数量可以增减I／O扩展模块，能有效解决工业现场中存在的大量开关量、模拟信号输入的问题，减少PLC的输入点数，降低控制系统设计成本，扩展性、灵活性好。

1．4模拟量采集实例

温度是工业控制系统中最重要的被控量之一，以风冷温度控制系统为例，温度检测选用三线制PT100温度传感器，测温范围是0℃～100℃，对应的输出为0～10V电压信号。控制器采用ABMicro820，提供嵌入式0～10V非隔离4通道模拟量输入和1通道模拟量输出。专用于需要灵活通信和I／O功能的小型独立设备控制和远程自动化应用［3］。其模拟量输入端口输入电压范围为0～10VDC，对应的数字量是0～4095，电压值与温度线性对应。采用AI－00采集通道。根据上述分析，实际温度＝（输入的数字量*被测量范围）／数字量范围＝（AI＿00*100）／4095。在实际编程时，要注意变量的数据类型是否一致。这里模拟量输入AI＿00是word型变量，在进行换算之前，需要用“anytoreal”数据转换指令块将AI＿00转换成real型，之后再用乘、除数学运算指令块来实现模拟量的采集转换，实现指令如下：tem1:＝ANY＿TO＿REAL(＿IO＿EM＿AI＿00);Tem3:＝tem1／4095．0觹100．0;在线性情况下，即传感器的量程与传感器输出模拟量之间的关系为一次函数，模拟量输入模块的量程与模拟值之间的关系为一次函数。不管是温度、液位、压力或流量，只要知道传感器的量程和模拟量AI的范围，我们就可以换算得到实际的模拟量数值。

2模拟量的应用

模拟量采集完成后，可以根据生产工艺要求，编写控制程序，对得到的过程参数数字量信号进行处理，为后续的工业控制提供条件。PLC无论是在处理速度方面，还是在功能强化、通讯能力方面都提高到了一个新水平，加上其运行稳定，对环境适应性强、操作简单等特点，在工业控制系统中应用越来越广泛。如连接触摸屏或人机界面，将采集的模拟信号显示出来，实现简单的数据显示和控制；连接上一级的控制器，为上一站提供数据；连接上位机，实现更加复杂的数据计算、存储、可视化等。

2．1终端操作显示

在制造业流水线及机床等单体设备上，大量采用了PLC作为控制设备，但是PLC自身没有显示、键盘输入等人机交互功能，因此，通常需要配置触摸屏或嵌人式工业计算机作为人机界面或操作终端。它们通过各类总线或者工业以太网与PLC通信，实现对生产过程的现场监视和控制，同时还可以进行参数设置、参数显示、报警、打印等功能。以温度控制系统为例，ABMicro820作为主控制器，PV8002711R－T7T触摸屏作为操作终端，通过工业以太网通信。基于以太网的控制网络结构如图3所示。控制系统的设计组态，首先要进行网络设置，分配IP地址。把控制器ABMicro820、触摸屏PV8002711R－T7T和工控机通过工业以太网连接在一个局域网内，然后再编程组态。CCW环境下，在项目中添加图形终端PanelView8002711R－T7T。触摸屏与控制器的通讯协议选择“Ethernet／Allen－BradleyCIP”，控制器设置中控制器类型Micro800自动匹配通讯协议，输入要连接的PLC的IP地址，如“192．168．1．20”，确认设置。模拟量采集过来，一般会要求显示温度值和变化趋势。添加标签，温度标签名称可以自定义，数据类型为real实数型。标签地址即PLC程序中的全局变量tem3。在画面编辑页面，先要添加一个“gotoconfig”组件，转至终端配置，便于触摸屏返回操作。温度显示需要添加“数字显示”组件，关联温度值标签。在属性格式里可以把小数位数设为1或者2，显示更精确。温度变化趋势需添加“显示－趋势”组件，关联温度标签，读取温度值。其线条颜色、线型、宽度也都可以设置。趋势图横轴关联时间，纵轴关联温度，可以通过更改最大值和最小值，优化显示效果。下载PLC程序和触摸屏程序，即可以在触摸屏中显示温度值和变化趋势。趋势图中，采样时间间隔默认1s，可以根据实际需要进行设置。下载好的触摸屏界面如图4所示。如果还需要更多如温度报警或者降温控制等，可以通过触摸屏“数字输入”组件配合控制程序实现。

2．2远程自动化

大、中型工业控制系统通常采用分布式结构，各种控制器在现场设备附近安装，中央监控系统的服务器与现场控制站通过网络连接进行通信。以ABMicro820作为现场PLC，Com-pactLogix作为数据采集系统可以组成更大规模的控制网络，实现更广泛的监控功能。还以温度采集为例，由ABMicro820采集温度传输至CompactLogix1769－L30ERM，主要分为以下几个步骤：1）网络设置，把各种控制器、触摸屏、上位机通过工业以太网连接在一个局域网内，分配IP地址；2）温度采集，在CCW中编程实现由Micro820采集温度；3）数据传输，在Studio5000软件中组态CompactLogix，利用通讯指令MSG实现数据传输。首先建立一个反向开关名称为MSG1．EN，和一个MSG模块，名称设为MSG1。运用MSG指令模块的使能信号MSG．EN让MSG不断刷新读取的信息。MSG模块组态，设置模块为CIPDataTableRead模式，读取的元素为在Micro820中所采集并经过转换的温度tem3，元素个数为1个，在NewTag处建立一个新变量tem，变量类型可选为real实数型，便于显示温度值。将Micro820中的变量tem3与CompactLogix里变量tem进行对应，如图5所示。要注意的是，需要传输的变量tem3和tem要设为全局变量。如果两个控制器要通信的参数不止1个，可以用数组实现数据的传输。在通讯选项卡中设置通讯地址，通讯路径书写格式为“2，micro820的IP地址”，如“2,192．168．1．20”；4）下载验证。将控制程序分别下载到对应的控制器中，此时CompactLogix中的tem数据即是温度传感器测得的温度，即实现了模拟量的采集和传输，为后续模拟量PID等实际工艺控制奠定基础。

2．3上位机监控

将PLC与计算机用通信网络连接起来，利用优势互补，形成一个分布式控制系统，符合工业自动化系统向网络化、信息化、智能化的发展方向。以温度监控系统为例，PLC作为控制站负责数据采集、缓存以及打包发送，上位机完成数据接收、解析、存储、图形化显示以及历史数据查询等功能［4］。上位机组态选用美国AB公司开发的基于组件的RSview32软件，组态主要流程如下：1）在新建项目中建立数据通讯，在System中的Node节点通讯类型中选择“OPCServer”，在服务器名称Name中输入自定义的名称，选取控制器与RSView32的通讯协议。不同的控制器类型，通讯协议也不同，与Micro800系列通讯，选取“Rockwell．IXLCIP．Gateway”。Update刷新频率也可以快一些，把1s改成0．1s，点击“Accept”，即创建了上位机与Micro820通讯的新协议；2）建立与Micro820通讯的标签，打开标签数据库tagdatabase，出现Edit新建文件夹并命名，将所有变量储存在一个文件夹下，方便以后查找和更改。双击“TagDatabase”会弹出建立标签的对话框，输入名称并选择变量类型，在选定文件夹时，会自动填入文件夹的名称。选取“Device”作为标签所取数据来源，即连接到实际设备。在“NodeName”选取之前建立的节点即可。点击“Address”后面的选项按钮，弹出对话框，找到“Controller”下的Micro820，在全局变量里找到预先定义好的对应变量。标签建好之后，可以通过使用“TagMonitor”检测建立的标签是否通讯上；3）图形显示创建和关联。在“Graphics”下选择“Display”创建一个新的图形显示界面。根据系统需求，创建一个按钮“But-ton”，并对其外观、类型进行设置。在关联标签时，选取“Toggle”选项，点击右侧“TagName”的选项按钮。在弹出的对话框中，选取之前新建文件夹内对应的建立好的变量，确定后，标签与按钮即关联完成。然后再添加设置数字输入、数字显示以及实时趋势等组件。在完成对触摸屏、控制器与工控机之间的通讯调试后，将由CCW软件编写好的数据采集程序和利用RSview32软件组态的监控界面分别下载到对应装置中。监控界面的温度数据和实时曲线如图6所示。还可以根据实际需要，利用alarm报警设置在Rsview32中建立一个完整的报警系统，可以通过设置报警线、报警等级、报警时状态、报警时相关动作、如何显示报警、确认报警等描述具体的对象。也可以保存历史报警数据及打印报警报表等，模拟量参数报警监视一般包括上限、上上限或下限、下下限等。如模拟量超过警戒线报警、模拟量的变化率越限、模拟量偏离标准值、模拟量超程报警等。

3模拟量采集与应用要注意的问题

（1）不同的产品标准模拟量输入类型，Micro820的4个数字量和模拟量共用端口采集模拟量时只能接0～10V模拟量电压输入，不支持模拟量电流输入。如果是模拟量电流输入可以加个电阻或者用电流信号的模拟量采集模块。接线是否正确，4～20mA或者0～5V、0～10V输入是否需要外接电源。有些品牌PLC的模拟量模块会有配置块，需要根据电压或电流类型插到正确的引脚才可以正常使用。（2）信号的干扰在工业控制系统中，模拟信号的采集及传送过程容易受到电磁干扰。可以根据实际情况采用一些抗干扰措施，如采用屏蔽电缆作为传输通道，采用滤波电路抑制干扰信号，选用适合的模拟信号制式等。对于工频干扰和随机的尖峰干扰，还可以采用数字滤波。新型的现场总线控制系统分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能。实现了监控信号的数字化传送，可以最大程度抗干扰。另外，为获得最佳结果，必须校准系统，修改增益量。

4结束语

工业控制现场对模拟量的测量与处理应用非常广泛，智能化、网络化的模拟量采集、传输、控制结合先进的预测控制、自适应控制等智能控制技术，可以更好地实现智能生产，也是工业控制领域的重要研究方向。

参考文献

［1］王常力，罗安．分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M]．北京：电子工业出版社，2004

［2］王华忠．工业控制系统及应用———PLC与组态软件[M]．北京：机械工业出版社，2016

［4］张佳．基于PLC的实时数据采集系统［J］．电气传动，2018，48（2）：68－71

作者：王俊美 单位：江苏联合职业技术学院无锡机电分院