在工業(yè)控制中，除了數(shù)字信號以外，還需要對電流、電壓等電量和溫度、流量、壓力等過程變量進行檢測和控制。在自動控制系統(tǒng)中，要把這些信號轉(zhuǎn)換為標準規(guī)格的電信號，再將其轉(zhuǎn)換為計算機可以接受的數(shù)字信號；而另一方面又把計算機產(chǎn)生的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出到控制現(xiàn)場，去控制被控量的變化。

    通常，把從現(xiàn)場信號到CPU之間的各個環(huán)節(jié)稱為過程通道，它是計算機控制系統(tǒng)中的重要組成部分，用于實現(xiàn)信號的變換、傳遞與轉(zhuǎn)換等功能。PLC大都擁有實現(xiàn)過程通道作用的特殊功能單元，即模擬量信號的輸入／輸出單元，用于模擬量信號檢測與控制功能的實現(xiàn)。

    下面以兩臺三相異步電動機拖動的“輸送線雙機同步控制”為例，說明PLC模擬量信號的輸入、運算及控制信號輸出的基本方法。

8.3.1 控制要求、工藝過程、控制原理分析

    在自動化生產(chǎn)線設計中，經(jīng)常會遇到單條輸送線長度過長或包角過大的問題，此時就要設置兩個驅(qū)動裝置，而在控制上就需使兩臺驅(qū)動裝置同步運行，如圖8-9所示。同步的方法很多，比如張緊檢測方式、轉(zhuǎn)矩檢測方式、旋轉(zhuǎn)編碼器檢測方式等，它們各有適用范圍和優(yōu)缺點。

    轉(zhuǎn)矩檢測方式通過檢測兩臺驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)矩，控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)輸送線的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)雙機同步控制。例如，以驅(qū)動1為基準，若驅(qū)動2轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動1轉(zhuǎn)矩則驅(qū)動2減速，驅(qū)動2轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動l轉(zhuǎn)矩則驅(qū)動2加速。原理簡單，控制也較容易。

    圖8-9    輸送線雙機同步運行工藝圖

    速度設定采用兩位撥碼開關輸入給PLC的數(shù)字量輸入模塊，或采用電位器輸入給模擬量輸入模塊，設定范圍5~ 48Hz。因采用變頻器調(diào)速，而變頻器本身的模擬量輸出可用于顯示或監(jiān)測頻率、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，因此，變頻器的模擬量輸出可直接輸入到PLC的模擬量輸入模塊來檢測轉(zhuǎn)矩值。兩轉(zhuǎn)矩值經(jīng)PLC運算后，通過PLC模擬量輸出模塊去設定變頻器的實際運行頻率，從而達到雙機同步的目的。

    為使輸送線運行更安全、可靠，在輸送線張緊處加裝張緊限位保護開關，實現(xiàn)張緊的自動保護，如圖8-9中的TP_SQ；在輸送線適當部位安裝急停按鈕，完成現(xiàn)場的緊急停車，如圖8-9中的CB1和CB2。

8.3.2 PLC選型和資源配置

    由上面的分析可知，除一般數(shù)字量I/O外，轉(zhuǎn)矩的檢測需模擬量輸入模塊，而變頻器實際運行速度的調(diào)節(jié)需模擬量輸出模塊。根據(jù)I/O點類型和數(shù)量，查閱PLC手冊，選擇下面的CPU及I/O模塊，I/O分配如表8-3所示。

    表8-3    I/O地址分配表

    1) CPU(6ES7 214-1BD23-0XB0)：用于起停、保護及運行信號等。

    2)數(shù)字輸入模塊(6ES7 221-1BF22-0XA0)：撥碼開關設定所需頻率。

    3)模擬輸入模塊（6ES7 231-0HC22-0XA0）：檢測變頻器輸出轉(zhuǎn)矩。

    4)模擬輸出模塊(6ES7 232-0HB22-0XA0)：輸出變頻器頻率給定值。

8.3.3 控制程序說明

    程序運行步驟如下：

    ①初始化，在程序的第一個掃描周期(SM0.1=1)設置初始化參數(shù)；

    ②處理給定頻率；

    ③采樣處理，對輸入信號求平均值，并且對兩驅(qū)動本身特性的不一致性進行補償；

    ④速度調(diào)整；

    ⑤保護及運行程序（略）。

    本例主要講解模擬量處理，主程序結構如圖8 -10所示。

    圖8-10    主程序

    1．程序初始化

    程序初始化由初始化子程序完成，如圖8 -11所示。完成對模擬量輸入AIW0和AIW2求采樣平均值所需的參數(shù)進行初始化。將采樣計數(shù)器、當前采樣值、采樣和、采樣平均值清零，并預置采樣次數(shù)為128次。

    2．給定運行頻率

    運行頻率的給定通過撥碼開關輸入到PLC的數(shù)字輸入字節(jié)IB2。因為所設定頻率應為十進制數(shù)。比如撥碼開關設為“10”，應該是希望變頻器運行在10Hz，而不是16 Hz。因此采用頻率給定子程序的網(wǎng)絡1對輸入數(shù)據(jù)進行數(shù)制的變換。圖8 -12所示為頻率給定子程序的網(wǎng)絡1。

    兩位撥碼開關最大設定的數(shù)值可達“99”，而普通異步電動機一般設計運行在50Hz以下，為了使設定頻率值在50 Hz以內(nèi)，需設計輸入限幅程序，圖8 -13所示為頻率給定子程序的網(wǎng)絡2～網(wǎng)絡4。

    為避免誤操作，系統(tǒng)應設置確認按鈕，即撥碼開關設定的頻率值只有按下確認按鈕后，才起作用。如圖8 -14所示為頻率給定子程序的網(wǎng)絡5。

    3．采樣值處理

    兩路模擬量輸入分別求平均值，首先將第一路輸入AIW0的采樣值轉(zhuǎn)換為雙字，然后求采樣和，如圖8 -15所示的采樣處理子程序的網(wǎng)絡1~網(wǎng)絡3。判斷是否到預置的采樣次數(shù)，采樣次數(shù)達到預置值，則采用移位的方法求平均值，并重新初始化所需的參數(shù)，如圖8 -16所示的采樣處理子程序的網(wǎng)絡4。

    圖8-11    初始化子程序

    圖8-12    數(shù)制變換程序

    圖8-13    輸入限幅程序

    圖8-14    輸入確認程序

    圖8-15    AIW0轉(zhuǎn)換雙字及采樣值求和程序

    圖8-16    求AIW0采樣平均值程序

    在S7-200 PLC上集成的模擬調(diào)節(jié)電位器在模擬量處理中可靈活應用，比如可作為采樣次數(shù)預置值、信號調(diào)節(jié)等，本例使用模擬調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)兩驅(qū)動參數(shù)的不一致性。如圖8 -17所示的采樣處理子程序的網(wǎng)絡5。

    另一路模擬量輸入AIW2的處理程序（采樣處理子程序）如圖8-18的網(wǎng)絡6～網(wǎng)絡8和圖8 -19的網(wǎng)絡9所示。

    4．速度調(diào)整

    比較兩驅(qū)動輸出轉(zhuǎn)矩的平均值，限幅后，經(jīng)模擬量輸出模塊輸出給變頻器，實現(xiàn)兩驅(qū)動速度的調(diào)整。速度調(diào)整子程序如圖8-20中的網(wǎng)絡1~網(wǎng)絡4所示。

    圖8-17    驅(qū)動參數(shù)調(diào)整程序

    圖8-18    AIW2轉(zhuǎn)換雙字及采樣值求和程序

    圖8-19    AIW2采樣求平均值程序

    圖8-20    速度調(diào)整程序

8.3.4 設計小結

    BCD撥碼開關是計算機控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到的十進制數(shù)據(jù)輸入裝置。撥盤共有0～9共10個位置，每一位置都有相應的數(shù)字指示，一個撥碼開關可代表一位十進制數(shù)據(jù)，若需輸入多位數(shù)據(jù)，可用多片撥碼開關并聯(lián)使用。選用BCD撥碼開關應用于PLC控制系統(tǒng)，無需再設計數(shù)碼顯示電路，有效地節(jié)省了PLC的I/O點，簡化了硬件電路，并利用功能指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，能極方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如運行頻率的修改）。為避免在系統(tǒng)運行中撥動開關可能給系統(tǒng)造成的影響，設置一個輸入鍵，當確認各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時數(shù)據(jù)才被PLC讀人并處理。

    現(xiàn)代PLC在保持其強大的數(shù)字量控制能力的同時，基本都具備了模擬量信號檢測、運算及輸出控制能力，功能也日益完善。但是，各個生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC模擬量輸入／輸出模塊的技術性能還是有一定差別，提供的功能指令在數(shù)目、格式及運算能力上也不盡相同。

    從上面的程序可以看出，S7 -200系列PLC模擬量地址定義簡單清晰，如數(shù)字量輸人為IW，數(shù)字量輸出為QW，而模擬量輸入為AIW，模擬量輸出為AQW，增加了一個代表模擬量( Analog)的字頭，給使用帶來了極大的方便。而在S7 -200系列PLC上集成的模擬調(diào)節(jié)電位器（對應特殊存儲器標志SMB28和SMB29）在模擬量處理中作為不經(jīng)常改變的參數(shù)的調(diào)節(jié)，使用起來也非常靈活，比如可作為采樣次數(shù)預置值、信號調(diào)節(jié)等。

    在工業(yè)現(xiàn)場中，來自控制現(xiàn)場的模擬量信號，常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產(chǎn)生較大的波動，使得PLC所采集到的信號出現(xiàn)不真實性。如果僅僅用瞬時采樣值來進行控制計算，就會產(chǎn)生較大的誤差，因此需要對輸入信號進行數(shù)字濾波，來獲得_一個較為準確的輸入值。對輸入信號進行數(shù)字濾波，主要是在程序設計中利用軟件的方法、來消除干擾所帶來的隨機誤差。常用的數(shù)字濾波方法有慣性濾波法、平均值濾波法、中間值濾波法等。本例采用平均值濾波法說明了其PLC程序的設計方法。