In diesem Artikel sprechen wir über die Verarbeitung analoger Eingangssignale in SPS und wie wir diese Signale im Automatisierungsprozess handhaben können.
Inhalt:
- Was sind analoge Eingangssignale?
- Analoge Eingangsverarbeitung in S7-1200 und 1500.
- Analoge Eingangsverarbeitung in S7-300 und 400.
- Was ist am besten für die Steuerung? – analoge oder digitale Signale
- Fazit.
Was sind analoge Eingangssignale?
Bevor wir uns mit der Handhabung analoger Eingangssignale im TIA Portal befassen, wollen wir zunächst analoge Eingänge verstehen.
Jedes Automatisierungssystem benötigt Eingangssignale, um den Status des Prozesses zu verstehen und Entscheidungen treffen zu können, die den Prozess am Laufen und stabil halten. Diese Eingangssignale sind entweder diskrete oder digitale Eingangssignale in Form von 0- oder 1-Werten. Die andere Art von Eingang sind die analogen Signale.
Ein analoges Signal ist einfach eine kontinuierliche Darstellung einer physikalischen Größe in Ihrem System. Wenn Sie also Temperatur oder Druck in Ihrem Prozess überwachen müssen, liefert Ihnen ein analoges Signal kontinuierliche und sofortige Werte, die den tatsächlichen Änderungen der physikalischen Größe entsprechen.
Analogsignale werden in vielen Standardformen bereitgestellt, am häufigsten jedoch als 0-10 V oder 4-20 mA. Dies hängt von der Art des verwendeten analogen Sensors ab und bestimmt auch die Art des SPS-Analogmoduls, das Sie verwenden können.
Nehmen Sie einen analogen Drucksensor mit einem Messbereich von 0-10 bar und einem Ausgang in Form von 4-20 mA an. Normalerweise besteht bei einem analogen Signal eine lineare Beziehung zwischen der gemessenen physikalischen Größe und dem entsprechenden Ausgang.
Das bedeutet, wenn der Sensor 0 bar misst, gibt er ein 4-mA-Signal aus, und wenn er 10 bar misst, gibt er ein 20-mA-Signal aus, und dazwischen ist das gleiche Signal ebenfalls linear. Siehe Bild 1.
Bild 1 – Analoge Signaldarstellung.
Die SPS kann die 4-20 mA der physikalischen Größe immer noch nicht verstehen, und hier kommt das Analogmodul der SPS zum Einsatz. Das Analogmodul nimmt eine weitere Transformation dieser Darstellung vor, damit die SPS sie tatsächlich verstehen kann.
Das Analogmodul wandelt die analogen mA-Messungen in digitale Werte um, die vom Typ des Moduls abhängen, aber für die Siemens-SPS liegen diese Werte immer im Bereich von 0 – 27648. Wenn der Sensor also 0 bar anzeigt, beträgt der Ausgang 4 mA und wird innerhalb der SPS in den Wert 0 umgewandelt. Siehe Bild 2.
Bild 2 – Analog-Digital-Umwandlung des Eingangssignals
Die SPS wandelt dann die 0-27648-Werte in die entsprechende physikalische Messung um, abhängig von Ihrer Programmierung, auf die wir später noch eingehen werden. Siehe Bild 3.
Bild 3 – Der skalierte Messwert innerhalb der SPS.
Die analoge Verarbeitung von Temperaturen ist ganz anders, da das Verhalten des Temperatursensors bei physikalischen Änderungen nicht linear ist, wie es bei einem Füllstand- oder Drucksensor der Fall wäre. Deshalb gibt es für die verschiedenen Arten von Temperatursensoren standardisierte Tabellen, die angeben, welche Temperatur welchem Sensorwert entspricht.
Deshalb würden Sie bei der Temperaturmessung spezielle Arten von Eingangsmodulen Ihrer SPS auswählen, bei denen diese Standardtabellen intern definiert sind und Sie direkt den Temperaturwert erhalten, der der Sensormessung entspricht.
Deshalb können Sie keinen Temperatursensor finden, auf dem ein Spannungs- oder Strommessbereich angegeben ist. Sie finden dort nur den Sensortyp angegeben, z. B. PT100, PT1000, KTY84, PTC usw.
Analoge Eingangsverarbeitung in S7-1200 und 1500
Um zu sehen, wie wir analoge Signale in modernen SPS der S7-Familie verarbeiten, beginnen wir mit der Erstellung eines neuen Projekts und dem Hinzufügen einer S7-1200-CPU. Wir werden auch ein analoges Eingangs-/Ausgangsmodul hinzufügen. Siehe Abbildung 4.
Abbildung 4 – Hinzufügen eines analogen Eingangsmoduls.
Definieren wir nun unser Eingangssignal-Tag. Wir gehen von einem Drucksensor aus, der einen Druck zwischen 0 und 10 Bar messen kann und ein entsprechendes Signal zwischen 4 und 20 mA ausgibt.
Wir definieren dieses Eingangssignal in den ersten Tags des Eingangsmoduls. Siehe Abbildung 5.
Abbildung 5 – Definieren Sie das Eingangssignal-Tag.
Wie bereits erwähnt, kann das Eingangsmodul mit verschiedenen Eingangssignalen arbeiten, sei es 0-10 V oder 4-20 mA, daher müssen wir unserem Sensor die richtige Konfiguration zuweisen.
Wie gesagt wird das Drucksignal in Form von 4-20 mA bereitgestellt, daher konfigurieren wir unseren Eingangskanal entsprechend. Siehe Abbildung 6.
Abbildung 6 – Konfigurieren des Eingangskanals
Nachdem wir nun den Teil der Hardwarekonfiguration abgeschlossen haben, beginnen wir mit der Programmierung unseres Handhabungscodes. Dazu erstellen wir eine Funktions-FC, die wir jedes Mal wiederverwenden können, wenn wir ein analoges Signal zu verarbeiten haben. Innerhalb dieser FC erstellen wir die Logik, die das analoge Signal verarbeitet und in den physikalischen Messwert umwandelt.
In TIA Portal gibt es vordefinierte Anweisungen, die wir genau dafür verwenden können. Diese Anweisungen sind die Anweisungen NORM_X und SCALE_X. Siehe Abbildung 7.
Bild 7 – NORM_X- und SCALE_X-Anweisungen
Wie Sie sehen, normalisiert NORM_X den analogen Eingang auf einen Wert zwischen 0 und 1, und dann wird SCALE_X verwendet, um diesen normalisierten Wert auf den Bereich des gemessenen physikalischen Werts zu skalieren, der in unserem Sensorfall zwischen 0 und 10 bar liegt.
Wir haben eine Funktions-FC verwendet, anstatt unseren Code direkt in den Haupt-OB1 zu schreiben, damit unser Code mit jedem analogen Signal wiederverwendbar ist. Jedes Mal, wenn ich ein neues analoges Eingangssignal habe, ziehe ich den FC-Block einfach per Drag & Drop in unseren Haupt-OB1 und schreibe einfach die zugehörigen Parameter des erforderlichen Eingangs. Siehe Bild 8.
Bild 8 – Ziehen Sie Ihren FC per Drag & Drop.
Wenn Sie den FC per Drag & Drop in Ihren Haupt-OB1 ziehen, werden Sie aufgefordert, den zugehörigen Parameter dieses Funktionsaufrufs anzugeben.
In unserem Fall ist das Eingangssignal der Drucksensor und ScaledMIN und ScaledMAX sind der Messwertbereich von 0-10 bar. Siehe Bild 9.
Bild 9 – Zuweisen der Funktionsparameter zu unserem Drucksensor.
Wenn ich einen neuen analogen Eingang habe, muss ich die SPS-Logik nicht erneut erstellen, sondern ziehe den FC einfach per Drag & Drop in den Haupt-OB1 und weise die neuen Sensorparameter zu.
Nehmen wir an, wir haben jetzt einen neuen analogen Sensor zum Messen des Füllstands in einem Wassertank zwischen 0 und 100 % des Tanks. Wir führen dieselben Schritte wie zuvor aus und beginnen mit der Definition des neuen Eingabetags. Siehe Bild 10.
Bild 10 – Neuen Füllstandssensor definieren
Als Nächstes konfigurieren wir den Eingangskanal für den Füllstandssensor wie in Bild 6. Wir gehen von derselben Konfiguration aus.
Als Nächstes ziehen wir einfach den von uns erstellten FC per Drag & Drop und weisen dem Füllstandssensor die Parameter zu. Siehe Bild 11.
Bild 11 – Wiederverwendung des FC mit dem Füllstandssensor.
Wie Sie dem vorherigen Bild entnehmen können, ist dies einer der vielen Vorteile der Verwendung von Funktions-FCs in Ihrer Logik, da dadurch der Programmieraufwand reduziert werden konnte.
Jetzt haben Sie einen generischen Code, der viele Male mit jedem analogen Eingangssignal wiederverwendet werden kann, das Sie in Ihrem SPS-Projekt benötigen.
Sehen Sie sich die nächste Simulation zur Verarbeitung von Eingangssignalen in einer Siemens-SPS an.
Analoge Eingänge in S7-300 und S7-400
Um zu sehen, wie wir analoge Signale in älteren SPS der S7-Familie wie der S7-300 verarbeiten, erstellen wir zunächst ein neues Projekt und fügen eine S7-300-CPU hinzu.
Die ausgewählte SPS verfügt bereits über genügend analoge Eingangskanäle, daher werden wir keine analogen Module hinzufügen. Siehe Abbildung 12.
Abbildung 12 – Fügen Sie eine S7-300-SPS hinzu.
Dann definieren wir das neue Tag für den analogen Sensor. Wir gehen von einem Drucksensor mit einem Messbereich zwischen 0 und 100 bar und einem Ausgang von 4-20 mA aus.
Wir konfigurieren den SPS-Eingangskanal wie zuvor mit der S7-1200, damit er zu unserem analogen Eingangssensor passt. Siehe Abbildung 13.
Abbildung 13 – Konfigurieren Sie den Eingangskanal.
Nun zum SPS-Codierungsteil: Die Anweisung in der S7-300, die zur Handhabung der analogen Verarbeitung verwendet wird, unterscheidet sich von der Anweisung in der S7-1200.
In den S7-1200-SPS müssen wir NORM_X und SCALE_X verwenden. Aber bei der S7-300 haben wir keine normalisierte Anweisung, es wird nur eine SCALE-Anweisung verwendet. Siehe Abbildung 14.
Abbildung 14 – SCALE-Befehl in S7-300
Wie Sie aus der vorherigen Abbildung ersehen können, ähnelt der SCALE-Befehl in S7-300 den kombinierten Befehlen NORM_X und SCALE_X. Es gibt noch einen weiteren deutlichen Unterschied, nämlich den BIPOLAR-Eingang.
Der BIPOLAR-Eingang wird verwendet, um anzugeben, ob der Wert am IN-Parameter als bipolar oder unipolar interpretiert werden soll. Der Parameter kann die folgenden Werte annehmen:
- BIPOLAR = 1, dann wird angenommen, dass der eingegebene Integer-Wert zwischen -27648 und +27648 liegt. Wenn uns der analoge Sensor beispielsweise eine Ausgabe im Bereich von -10 V bis +10 V liefert
- BIPOLAR =0, wird angenommen, dass der ganzzahlige Eingangswert zwischen 0 und 27648 liegt. Wenn uns der Sensor beispielsweise eine Ausgabe im Bereich von 0-10 V liefert
Und so werden analoge Eingangssignale in S7-1200- und S7-300-SPS einfach gehandhabt.
Was ist für die Steuerung am besten? – Analoge oder digitale Signale
Sehen Sie, beide Signale sind für jedes Automatisierungssystem kritisch und nützlich, aber ich persönlich bevorzuge, wenn möglich, die analogen Signale, weil ich durch analoge Signalmessungen der physikalischen Größen des Prozesses eine kontinuierliche Überwachung der Prozessparameter habe, wodurch ich meinen Prozess besser verfolgen und steuern kann.
Außerdem kann ich durch die kontinuierliche Überwachung der Parameter unterschiedliche Steuerungslogiken für unterschiedliche Signalwerte festlegen, wodurch es einfacher wird, einen Wertebereich für die Steuerung des Prozesses und andere Wertebereiche für Alarme und Warnungen bei Abweichungen des Prozesses vom Normalbetrieb zu haben.
Fazit
- Ein analoges Signal ist eine kontinuierliche Darstellung einer physikalischen Größe in Ihrem System.
- Analogeingaben werden am häufigsten im Bereich von 0-10 V oder 4-20 mA bereitgestellt.
- Analogsignalverarbeitung bedeutet die Umwandlung des analogen 4-20-mA-Signals in einen Wertebereich, der der tatsächlichen physikalischen Größe entspricht und den die SPS verstehen kann.
- In der modernen S7-Familie von SPS wie S7-1200 erfolgt die Verarbeitung analoger Signale mithilfe der Anweisungen NORM_X und SCALE_X.
- In der älteren S7-Familie von SPS wie S7-300 erfolgt die Verarbeitung analoger Signale mithilfe der Anweisung SCALE, die im Grunde eine Kombination aus den Anweisungen NORM_X und SCALE_X ist.