S7-200 CPU集成模拟量I/O在温度测量中的应用

1 引言 西门子公司S7-200系列PLC中的CPU 224XP具有24个数字量I/O，集成了两个RS485通信端口，另外还附带了两路AI，一路AO。大部分用户在选购这款CPU时，都需要使用其两个通信端口，而对于其自带的模拟量却很少使用，造成硬件资源的浪费。本文介绍通过在该模拟量输入的一个通道上连接PT100铂热电阻，实现用CPU集成的模拟量I/O测量温度的方法，从而合理的利用现有硬件资源。 2 设计方法 2．1 关于铂电阻 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-60°C～450°C)范围的温度测量中。下表列出了PT100铂电阻的部分温度和阻值对应关系： 温度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 （℃） 电阻值（Ω） －30 88.04 87.64 87.24 86.84 86.44 86.04 85.63 85.23 84.83 84.43 －20 92.04 91.64 91.24 90.84 90.44 90.04 89.64 89.24 88.84 88.44 －10 98.03 95.63 95.23 94.83 94.43 94.03 93.63 93.24 92.84 92.44 －0 100.00 99.60 99.21 98.81 98.41 98.01 97.62 97.22 96.82 96.42 0 100.00 100.40 100.79 101.19 101.59 101.98 102.38 102.78 103.17 103.57 10 103.96 104.36 104.75 105.15 105.54 105.94 106.33 106.73 107.12 107.52 20 107.91 108.31 108.70 109.10 109.49 109.88 110.28 110.67 111.07 111.46 30 111.85 112.25 112.64 113.03 113.43 113.82 114.21 114.60 115.00 115.39 40 115.78 116.17 116.57 116.96 117.35 117.74 118.13 118.52 118.91 119.31 50 119.70 120.09 120.48 120.87 121.26 121.65 122.04 122.43 122.82 123.21 60 123.60 123.99 124.38 124.77 125.16 125.55 125.94 126.33 126.72 127.10 70 127.49 127.88 128.27 128.66 129.05 129.44 129.82 130.21 130.60 130.99 80 131.37 131.76 132.15 132.54 132.92 133.31 133.70 134.08 134.47 134.88 90 135.24 135.63 136.02 136.40 136.79 137.17 137.56 137.94 138.32 138.72 100 139.10 139.49 139.87 140.26 140.64 141.02 141.41 141.79 142.18 142.66 110 142.95 143.33 143.71 144.10 144.48 144.86 145.25 145.63 146.01 146.40 120 146.78 147.16 147.55 147.93 148.31 148.69 149.07 149.46 149.84 150.22 130 150.60 150.98 151.37 151.75 152.13 152.51 152.89 153.27 153.65 154.03 140 154.41 154.79 155.17 155.55 155.93 156.31 156.69 157.07 157.45 157.83 150 158.21 158.59 158.97 159.35 159.73 160.11 160.49 160.86 161.25 161.62 160 162.00 162.38 152.76 133.13 163.51 163.89 164.27 164.64 165.0 165.40 170 165.78 166.16 166.53 136.91 167.28 167.65 168.03 168.41 168.7 169.10 180 169.54 169.91 170.29 170.57 171.04 171.42 171.79 172.17 172.5 172.92 190 173.29 173.67 174.04 174.41 174.79 175.16 175.54 175.91 176.2 176.66 200 177.03 177.40 177.78 178.15 178.52 178.90 179.27 179.64 180.0 180.39 210 180.76 181.13 181.51 131.88 182.25 182.62 182.99 183.36 183.7 184.11 220 184.48 184.85 185.22 135.59 185.96 186.33 185.70 187.07 187.4 187.81 230 188.18 188.55 188.92 139.29 189.66 190.03 190.40 190.77 191.1 191.51 240 191.88 192.24 192.61 132.98 193.35 193.72 194.09 194.45 194.8 195.19 250 195.56 195.92 196.29 136.66 197.03 197.39 197.76 198.13 198.5 198.86 260 199.23 199.50 199.90 200.33 200.69 201.06 201.42 201.79 202.1 202.52 270 202.89 203.25 203.62 203.98 204.35 204.71 205.08 205.44 205.8 206.11 280 206.53 206.90 207.26 207.63 207.99 208.35 208.72 209.08 209.4 209.81 290 210.17 210.53 210.89 211.26 211.62 211.98 212.34 212.71 213.0 213.43 300 213.79 214.15 214.51 214.88 215.24 215.60 215.96 216.32 216.6 217.04 310 217.40 217.76 218.12 218.49 218.85 219.21 219.57 219.93 220.2 220.64 320 221.00 221.36 221.72 222.08 222.44 222.80 223.16 223.52 223.8 224.23 330 224.59 224.95 225.31 225.67 226.02 226.38 226.74 227.10 227.46 227.81 340 228.17 228.53 228.88 229.24 229.60 229.95 230.31 230.67 231.02 231.38 350 231.73 232.09 232.45 232.80 233.16 233.51 233.87 234.22 234.5 234.93 表1 PT100铂电阻的温度和阻值对应关系 由上表可以看出，当温度在0摄氏度时，PT100铂电阻的阻值为100Ω，当温度上升时，该电阻值增大；当温度下降时，该电阻值减小。增大和减小的幅度大约是每摄氏度0.4欧姆。 只要将这种由温度变化引起的电阻变化转换成电压输出，就可以通过测量电压的大小而计算出温度的大小了。 2．2 电路和程序设计 为了把PT100的电阻变化转换成电压变化，需要将模拟量输出作为恒流源使用，即输出 一个恒定的电流供给PT100铂电阻。原理图如下： 图1 温度测量原理图 在这个电路中，从模拟量输出端输出一个恒流，供给PT100铂电阻，而模拟量输入端A+用于测量铂电阻上的电压。CPU224XP把这个电压转换成数字量，程序周期地读这些数字量，并将所读的这些数，利用下面的公式计算出温度C： T[C]=(温度数字量-0C偏置量)/1C数字量 其中：温度数字量=存储在AIW0中的值。 0C偏置量=在0摄氏度时测量出的数字量，该值为4000 1C数字量=温度每升高1C的数字量，本例中为16 为了产生5mV/C的电压系数，需要提供12.5mA电流。由于模拟量输出精度为10微安/数，为了得到12.5mA输出电流，所需的输出数必须为1250。因为AQW数据字向右移4位，因此输出数必须乘以16。这样，为了初始化模拟量输出AQW0为12.5mA电流，在AQW0中必须设置20000输出数。等式为： 32000/20mA*12.5mA=20000 温度测量的程序如下： 图2：温度测量的程序 其中：VW415表示由AIW0输入的电压数字量，它是PT100铂电阻两端的电压， VW417就是PT100铂电阻测量出的实际温度。 3 结束语 该测温方式不仅适用于CPU224XP自带的模拟量I/O，也可用于模拟量扩展模块EM235连接铂电阻时的温度测量，是一种经济而有效的测温方式。对于以前闲置CPU集成模拟量的用户，该方案可以更加合理的利用现有硬件，从而避免了资源浪费。 参考书籍： 《西门子S7-200系统手册》，西门子自动化与驱动集团； 《西门子S7-200编程手册》，西门子自动化与驱动集团；