工業控制系統模擬量采集應用分析
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摘要：工業生產過程中有大量的模擬量如溫度、壓力、流量等需要測量和控制，對現場數據采集的準確性、快速性和易用性要求越來越高。借助AB產品平臺，以常見的溫度測量為例，介紹常用的模擬量采集方法和現場終端顯示、通訊傳輸等典型應用，為后續的相關控制打好基礎。
關鍵詞：模擬量；A／D轉換；工業控制；以太網
在現代工業控制系統中，想要知道被控對象的運行情況并能控制其按照工藝流程和要求運行，需要利用現場各種傳感器采集被控對象的各種參數，并把這些參數轉換成電信號，傳輸給控制系統，才能得以監視和控制。
1．1模擬量的采集流程
工業控制系統中模擬量的采集通常由傳感器的敏感元件來完成，將現場的溫度、壓力、流量等物理量測出一個與之對應的模擬量，如電阻信號、非標準電壓及電流信號，這些信號先要經過變送器進行信號調理，轉換成控制器（一般為PLC或者DCS）可以處理的標準的4～20mA電流信號或者0～5V、0～10V電壓信號，才能接入到控制系統的模擬量輸入通道。工業控制系統中三種基本模擬量輸入（AI）設備的信號處理流程如圖1所示。由于計算機只能處理數字信號，所以模擬量的采集主要解決兩個問題。一個是要確定控制系統對現場信號的采樣周期，由于信號采集是按一定時間間隔進行的，信號的采樣周期實質上是時間的數字化；另一方面必須確定單位數字量所對應的模擬量大小，即模擬信號的數字化，也就是模數轉換（A／D轉換）［1］。為了提高信號的信噪比和可靠性，還必須對輸入信號進行數字濾波和預處理。模擬量采集的一般流程如圖2所示。
1．2模擬量的數值整定
控制系統對傳感器測得的數據進行采集與處理時,模擬量輸入模塊接收到現場儀表采集的模擬信號（如4～20mA信號或0～5V、0～10V信號）后要轉化成相應的數字量（如0～4095或0～65535等）即A／D轉換，之后由軟件進行濾波和預處理，再經工程量程轉換計算，轉換為信號的工程量值，才能為控制器使用，進而實現對模擬量的測量和控制。這種轉換過程通常稱為模擬量輸入的數值整定或者定標。在進行模擬量輸入整定時需要明確幾個問題：1）模擬量輸入值的數字表示方法，即輸入數據的位數是否從數據字的第0位開始，若不是，則需要進行移位操作，使數據的最低位排列在數據字的第0位上，以保證數據的準確性。2）被測量的范圍，如被測溫度20℃～100℃，測量范圍即100－20＝80℃。3）模擬量輸入模塊數字量的范圍，一般由模擬量輸入模塊的轉換精度位來決定，如8位輸入模塊數字量范圍為0～255，12位輸入模塊為0～4095或者雙極性－2048～＋2047。4）系統的偏移量，指數字量0所對應的被測量的實際值。整定時需進行相應的計算補償。5）線性化情況，輸入的數字量與被測量之間是否為線性對應關系。如果不是，在整定時需要進行線性化處理，盡可能消除非線性帶來的誤差。
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，系統結構簡單，通用性好；插入式I／O模塊需要選擇采樣通道，設置輸入類型（電流或電壓）、頻率和啟用輸入狀態，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，集成度高。另外，大部分PLC都有自己專門的模擬量輸入輸出擴展模塊即擴展I／O模塊，增加采集通道數量，滿足多路模擬量數據采集的需要。擴展I／O模塊模擬值位數（即轉換精度）可以設置為9～15位，電壓輸入和電流輸入也可以自己選擇［2］。根據采集點數量可以增減I／O擴展模塊，能有效解決工業現場中存在的大量開關量、模擬信號輸入的問題，減少PLC的輸入點數，降低控制系統設計成本，擴展性、靈活性好。
1．4模擬量采集實例
溫度是工業控制系統中最重要的被控量之一，以風冷溫度控制系統為例，溫度檢測選用三線制PT100溫度傳感器，測溫范圍是0℃～100℃，對應的輸出為0～10V電壓信號。控制器采用ABMicro820，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。專用于需要靈活通信和I／O功能的小型獨立設備控制和遠程自動化應用［3］。其模擬量輸入端口輸入電壓范圍為0～10VDC，對應的數字量是0～4095，電壓值與溫度線性對應。采用AI－00采集通道。根據上述分析，實際溫度＝（輸入的數字量*被測量范圍）／數字量范圍＝（AI＿00*100）／4095。在實際編程時，要注意變量的數據類型是否一致。這里模擬量輸入AI＿00是word型變量，在進行換算之前，需要用“anytoreal”數據轉換指令塊將AI＿00轉換成real型，之后再用乘、除數學運算指令塊來實現模擬量的采集轉換，實現指令如下：tem1:＝ANY＿TO＿REAL(＿IO＿EM＿AI＿00);Tem3:＝tem1／4095．0觹100．0;在線性情況下，即傳感器的量程與傳感器輸出模擬量之間的關系為一次函數，模擬量輸入模塊的量程與模擬值之間的關系為一次函數。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際的模擬量數值。
2模擬量的應用
模擬量采集完成后，可以根據生產工藝要求，編寫控制程序，對得到的過程參數數字量信號進行處理，為后續的工業控制提供條件。PLC無論是在處理速度方面，還是在功能強化、通訊能力方面都提高到了一個新水平，加上其運行穩定，對環境適應性強、操作簡單等特點，在工業控制系統中應用越來越廣泛。如連接觸摸屏或人機界面，將采集的模擬信號顯示出來，實現簡單的數據顯示和控制；連接上一級的控制器，為上一站提供數據；連接上位機，實現更加復雜的數據計算、存儲、可視化等。
2．1終端操作顯示
在制造業流水線及機床等單體設備上，大量采用了PLC作為控制設備，但是PLC自身沒有顯示、鍵盤輸入等人機交互功能，因此，通常需要配置觸摸屏或嵌人式工業計算機作為人機界面或操作終端。它們通過各類總線或者工業以太網與PLC通信，實現對生產過程的現場監視和控制，同時還可以進行參數設置、參數顯示、報警、打印等功能。以溫度控制系統為例，ABMicro820作為主控制器，PV8002711R－T7T觸摸屏作為操作終端，通過工業以太網通信。基于以太網的控制網絡結構如圖3所示。控制系統的設計組態，首先要進行網絡設置，分配IP地址。把控制器ABMicro820、觸摸屏PV8002711R－T7T和工控機通過工業以太網連接在一個局域網內，然后再編程組態。CCW環境下，在項目中添加圖形終端PanelView8002711R－T7T。觸摸屏與控制器的通訊協議選擇“Ethernet／Allen－BradleyCIP”，控制器設置中控制器類型Micro800自動匹配通訊協議，輸入要連接的PLC的IP地址，如“192．168．1．20”，確認設置。模擬量采集過來，一般會要求顯示溫度值和變化趨勢。添加標簽，溫度標簽名稱可以自定義，數據類型為real實數型。標簽地址即PLC程序中的全局變量tem3。在畫面編輯頁面，先要添加一個“gotoconfig”組件，轉至終端配置，便于觸摸屏返回操作。溫度顯示需要添加“數字顯示”組件，關聯溫度值標簽。在屬性格式里可以把小數位數設為1或者2，顯示更精確。溫度變化趨勢需添加“顯示－趨勢”組件，關聯溫度標簽，讀取溫度值。其線條顏色、線型、寬度也都可以設置。趨勢圖橫軸關聯時間，縱軸關聯溫度，可以通過更改最大值和最小值，優化顯示效果。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。趨勢圖中，采樣時間間隔默認1s，可以根據實際需要進行設置。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警或者降溫控制等，可以通過觸摸屏“數字輸入”組件配合控制程序實現。
2．2遠程自動化
大、中型工業控制系統通常采用分布式結構，各種控制器在現場設備附近安裝，中央監控系統的服務器與現場控制站通過網絡連接進行通信。以ABMicro820作為現場PLC，Com-pactLogix作為數據采集系統可以組成更大規模的控制網絡，實現更廣泛的監控功能。還以溫度采集為例，由ABMicro820采集溫度傳輸至CompactLogix1769－L30ERM，主要分為以下幾個步驟：1）網絡設置，把各種控制器、觸摸屏、上位機通過工業以太網連接在一個局域網內，分配IP地址；2）溫度采集，在CCW中編程實現由Micro820采集溫度；3）數據傳輸，在Studio5000軟件中組態CompactLogix，利用通訊指令MSG實現數據傳輸。首先建立一個反向開關名稱為MSG1．EN，和一個MSG模塊，名稱設為MSG1。運用MSG指令模塊的使能信號MSG．EN讓MSG不斷刷新讀取的信息。MSG模塊組態，設置模塊為CIPDataTableRead模式，讀取的元素為在Micro820中所采集并經過轉換的溫度tem3，元素個數為1個，在NewTag處建立一個新變量tem，變量類型可選為real實數型，便于顯示溫度值。將Micro820中的變量tem3與CompactLogix里變量tem進行對應，如圖5所示。要注意的是，需要傳輸的變量tem3和tem要設為全局變量。如果兩個控制器要通信的參數不止1個，可以用數組實現數據的傳輸。在通訊選項卡中設置通訊地址，通訊路徑書寫格式為“2，micro820的IP地址”，如“2,192．168．1．20”；4）下載驗證。將控制程序分別下載到對應的控制器中，此時CompactLogix中的tem數據即是溫度傳感器測得的溫度，即實現了模擬量的采集和傳輸，為后續模擬量PID等實際工藝控制奠定基礎。
2．3上位機監控
將PLC與計算機用通信網絡連接起來，利用優勢互補，形成一個分布式控制系統，符合工業自動化系統向網絡化、信息化、智能化的發展方向。以溫度監控系統為例，PLC作為控制站負責數據采集、緩存以及打包發送，上位機完成數據接收、解析、存儲、圖形化顯示以及歷史數據查詢等功能［4］。上位機組態選用美國AB公司開發的基于組件的RSview32軟件，組態主要流程如下：1）在新建項目中建立數據通訊，在System中的Node節點通訊類型中選擇“OPCServer”，在服務器名稱Name中輸入自定義的名稱，選取控制器與RSView32的通訊協議。不同的控制器類型，通訊協議也不同，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，點擊“Accept”，即創建了上位機與Micro820通訊的新協議；2）建立與Micro820通訊的標簽，打開標簽數據庫tagdatabase，出現Edit新建文件夾并命名，將所有變量儲存在一個文件夾下，方便以后查找和更改。雙擊“TagDatabase”會彈出建立標簽的對話框，輸入名稱并選擇變量類型，在選定文件夾時，會自動填入文件夾的名稱。選取“Device”作為標簽所取數據來源，即連接到實際設備。在“NodeName”選取之前建立的節點即可。點擊“Address”后面的選項按鈕，彈出對話框，找到“Controller”下的Micro820，在全局變量里找到預先定義好的對應變量。標簽建好之后，可以通過使用“TagMonitor”檢測建立的標簽是否通訊上；3）圖形顯示創建和關聯。在“Graphics”下選擇“Display”創建一個新的圖形顯示界面。根據系統需求，創建一個按鈕“But-ton”，并對其外觀、類型進行設置。在關聯標簽時，選取“Toggle”選項，點擊右側“TagName”的選項按鈕。在彈出的對話框中，選取之前新建文件夾內對應的建立好的變量，確定后，標簽與按鈕即關聯完成。然后再添加設置數字輸入、數字顯示以及實時趨勢等組件。在完成對觸摸屏、控制器與工控機之間的通訊調試后，將由CCW軟件編寫好的數據采集程序和利用RSview32軟件組態的監控界面分別下載到對應裝置中。監控界面的溫度數據和實時曲線如圖6所示。還可以根據實際需要，利用alarm報警設置在Rsview32中建立一個完整的報警系統，可以通過設置報警線、報警等級、報警時狀態、報警時相關動作、如何顯示報警、確認報警等描述具體的對象。也可以保存歷史報警數據及打印報警報表等，模擬量參數報警監視一般包括上限、上上限或下限、下下限等。如模擬量超過警戒線報警、模擬量的變化率越限、模擬量偏離標準值、模擬量超程報警等。
3模擬量采集與應用要注意的問題
（1）不同的產品標準模擬量輸入類型，Micro820的4個數字量和模擬量共用端口采集模擬量時只能接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電阻或者用電流信號的模擬量采集模塊。接線是否正確，4～20mA或者0～5V、0～10V輸入是否需要外接電源。有些品牌PLC的模擬量模塊會有配置塊，需要根據電壓或電流類型插到正確的引腳才可以正常使用。（2）信號的干擾在工業控制系統中，模擬信號的采集及傳送過程容易受到電磁干擾。可以根據實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，選用適合的模擬信號制式等。對于工頻干擾和隨機的尖峰干擾，還可以采用數字濾波。新型的現場總線控制系統分散在現場的智能設備能直接執行多種傳感控制報警和計算功能。實現了監控信號的數字化傳送，可以最大程度抗干擾。另外，為獲得最佳結果，必須校準系統，修改增益量。
4結束語
工業控制現場對模擬量的測量與處理應用非常廣泛，智能化、網絡化的模擬量采集、傳輸、控制結合先進的預測控制、自適應控制等智能控制技術，可以更好地實現智能生產，也是工業控制領域的重要研究方向。
參考文獻
［1］王常力，羅安．分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M]．北京：電子工業出版社，2004
［2］王華忠．工業控制系統及應用———PLC與組態軟件[M]．北京：機械工業出版社，2016
［4］張佳．基于PLC的實時數據采集系統［J］．電氣傳動，2018，48（2）：68－71
作者：王俊美 單位：江蘇聯合職業技術學院無錫機電分院
