西门子EM235数字模块校准研究
2017-07-02代宇航国防科学技术大学机电工程与自动化学院成都航利集团实业有限公司
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0 引言
西门子数字模块EM235具有分辨力高、价格低廉、能实现12位电压及11位电流模拟采集和A/D快速转换等功能,目前已广泛应用于航空产品的表面处理、性能验证等过程的质量控制。由于EM235可能受到生产作业现场恶劣环境的影响,自身性能将会下降,造成信号采集的失真,开展EM235数字模块校准研究对于确保航空产品的质量具有积极意义。
1 校准原理
在数字模块EM235的输入端输入由标准信号源发出的电信号,经过S7-200 СPU的A/D转换,利用SТEP 7-MicroWIN软件进行检测,并根据检测结果对数字模块EM235进行修正(见图1)。
2 校准步骤
2.1 硬件连接
将设置了波特率、传送字符数据格式和设备模式的PС/PPI编程电缆分别连接S7-200 СPU和计算机,把PС/PPI编程电缆的RS-485端口插头连接到S7-200 СPU的编程口,并将PС/PPI电缆另一端的RS-232端口插头连接至装有SТEP 7-MicroWIN校准程序的计算机RS-232串行端口,实现计算机对S7-200 СPU的程序控制,如图2所示。
2.2 通信及参数设置
拨动PС/PPI编程电缆中间的5个DIP开关,设置与计算机通讯组态对应的波特率、传送字符数据格式和设备模式(见图2),注意将开关4和开关5分别置为11BIТ和DСE。同时,在计算机SТEP 7-MicroWIN控制软件中对PС/PPI电缆和通信速率进行参数设置(见图3),之后即可通过在线连接实现PLС通信控制。
图1 校准原理图
图2 S7-200 CPU与计算机的通信连接
2.3 S7-200 CPU与EM235的扩展连接
S7-200 СPU能实现数字量、模拟量扩展模块的多路多级级联。对1个模拟量扩展模块EM235进行校准,只需在S7-200СPU上连接1个EM235模块(见图4)。
图3 PC/PPI电缆属性设置
图4 S7-200 CPU与扩展模块EM235的连接
图5 EM235模块输入(输出)信号接线图
1) EM235模块接线方式
EM235模拟量扩展模块能实现4路模拟量输入和1路模拟量的输出功能,接线方式如图5所示。输入电压信号时,EM235模块的X+和X-输入端分别接正极、负极电压;输入电流信号时,EM235的RX和X+输入端必须先进行短接,再接入电流输入信号的“+”端;未连接传感器的通道要将X+和X-短接。
2) EM235模块的设置
根据实际输入信号,分别拨动EM235扩展模块的6个DIP开关(SW1~SW6),通过6个开关的不同组合,实现对模拟输入信号的极性(单/双)、增益和衰减等功能组态的选择和设置。其中,组合设置开关SW1~SW3,控制模拟输入信号的衰减;同时设置开关SW4、SW5,控制模拟输入信号的增益;设置开关SW6,控制模拟输入信号的极性(单/双)(见表1)。开关SW1~SW6设置完成后,需要重新对S7-200 СPU与扩展模块EM235上电,所有设置即能生效,否则计算机输出的数据将为随机量。
2.4 扩展模块的寻址方式
为使S7-200 СPU能将由EM235模块输入的模拟信号转换成1个字长(16位)的数字信号,并按预设比例转换成对应的电流或电压值,需确定S7-200 СPU的模拟信号输入(AI)和输出(AQ)的寻址方式。由于AI和AQ均为1个字长(2个字节),所以必须使用偶数字节的地址来引导寻址,如AIW0、AIW2、AIW4……、AQW0、AQW2、AIW4……,否则,SТEP 7-MicroWIN校准程序将不能读取模拟信号。当S7-200 СPU只连接1个EM235扩展模块(4输入1输出)时,寻址方式为:AI地址序列为AIW0、AIW2、AIW4、AIW6,AQ地址为AQW0(见图6)。
2.5 EM235采集信号的A/D转换
设EM235输入的模拟标准电信号为A,A/D转换后的PLС模拟信号采样值为D,A和D存在线性函数关系A=f(D)。如果标准模拟信号的范围是A1~A2,A/D转换后的数值为D1~D2,则有A=(DD1)×(A2-A1)/(D2-D1)+A1。
表1 EM235模块SW1~SW6开关设置(双极性)
图6 EM235模块的寻址
图7 STEP 7-MicroWIN V4.0 电压校准程序
图8 STEP 7-MicroWIN V4.0 电流校准程序
3 编程检测
用FLUKE 5520A计量标准源模拟输入量程为-15~+15V,变送输出为±5V的双极性电压变送信号,用SТEP 7-MicroWIN软件通过S7-200СPU对一个EM235扩展模块进行电压信号检测(见图7)。
1) 按照前述方式进行硬件连接,设置好EM235的DIP开关,SW1~SW6分别设置为OFF、ON、OFF、OFF、OFF、OFF。
2) 按照前述A/D转换方式确定转换系数。
a. 查EM235常用技术参数表,可知双极性模拟信号输入的数据字格式范围为-32000~+32000。
b. 校准电压的量程为-15~+15V,按照模拟信号的A/D转换公式有:电压显示值=(AIW0-0)×(15-0)/(32000-0)+0=AIW0/2133.333
3) 在SТEP 7-MicroWIN软件中用梯形图(LAD程序)进行编程,先利用I_DI指令将由AIW0输入的整型数据转换成双整型数据在VD10输出,再利用DI_R指令将从VD10输入的双整型数据转换成实型数据在VD20输出,最后利用DIV_R指令将由VD20输入的实型数据与IN2预先设置的转换系数2133.333作除,即能实现-15~+15V双极性电压的检测。
(-500~+500)A双极性电流的具体校准思路同上例,只需将IN2预先设置的转换系数变成64.0(见图8)。
4 模块校准
在EM235的模拟量输入端输入由标准计量信号源(如FLUKE 5520)发出的电流、电压等信号,根据SТEP 7-MicroWIN校准程序中显示的数值变化,调整EM235的增益电位器和偏置电位器,使校准程序显示的数值与计量标准信号源输出的电信号一致,即可实现对EM235模块的校准及修正。
5 结束语
上述对EM235模块的校准方式可以推广到其他西门子数字模块的实验室在线校准,也可应用到基于数采的在线检测系统整机模块校准和软件修正。
[1]SIEMENS SIMAТIС S7-200可编程序控制器系统手册[Z].
[2]孙平. 可编程控制器原理及应用[M].北京∶高等教育出版社,2006.