Analogwertverarbeitung Grundlagen Einführung

Analogwertverarbeitung Grundlagen
Einführung:
Anwendung:
Eine typische Anwendung für Analogwertverarbeitung ist z.B. eine Füllstandsmessung mit
Grenzwertüberwachung und Anzeige für einen Behälter. Im Prozess muss die Messgröße erfasst und
als Strom- oder Spannungswert der SIMATIC S7-300 Steuerung zugeführt werden.
Für die interne Verarbeitung im Automatisierungsgerät wird das externe analoge Signal auf der
Analogeingabebaugruppe in einen digitalen Wert umgewandelt.
Mit dem STEP-7-Programm wird dieser Wert eingelesen, die Grenzwertbildung durchgeführt und der
aktuelle Messwert als Füllstand angezeigt.
Die Analogausgabe wird z.B. bei Regelungsaufgaben durchgeführt. Wenn beispielsweise der
Durchfluss mittels eines motorisch verstellbaren Ventils geregelt werden soll.
Die Analogausgabebaugruppe formt dabei die internen digitalen Regelgrößen in die für den
Motorsteller benötigten Analogsignale um.
Beispiel für eine prinzipielle Analogwertverarbeitung:
Anwenderprogramm
Messwerterfassung
Analogeingabe
- Analogwert
einlesen
- Grenzwert bilden
- Füllstand anzeigen
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Prinzip der Analogbaugruppen:
Wandlungszeit bei Analogeingabebaugruppen:
Die Wandlungszeit hängt ab von der Zeit, die der Analog-Digital-Wandler braucht, um einen
Analogwert zu digitalisieren und im Speicher abzulegen.
Zykluszeit bei Analogeingabebaugruppen:
Die Analog-Digital-Wandlung und die Übergabe der digitalisierten Messwerte in den Speicher bzw. auf
den Rückwandbus der S7-300 erfolgt sequentiell, d.h. die Analogeingabekanäle werden nacheinander
gewandelt. Die Zykluszeit, d.h. die Zeit, bis ein Analogeingangswert wieder gewandelt wird, ist die
Summe der Wandlungszeiten aller aktivierten Kanäle der Analogeingabebaugruppe.
Wandlungszeit bei Analogausgabebaugruppen:
Die Wandlungszeit der Analogausgabekanäle beinhaltet die Übernahme der digitalisierten
Ausgabewerte aus dem internen Speicher und die Digital-Analog-Umsetzung.
Zykluszeit bei Analogausgabebaugruppen:
Die Wandlungszeit der Analogausgabekanäle erfolgt sequentiell, d.h. die Analogausgabekanäle
werden nacheinander gewandelt. Die Zykluszeit, d.h. die Zeit, bis ein Analogwert wieder gewandelt
wird, ist die Summe der Wandlungszeiten aller aktivierten Analogausgabekanäle der
Analogausgabebaugruppe.
Folgendes Bild soll die Begriffe Wandlungszeit und Zykluszeit anschaulicher machen.
Es gilt für Analogein- und Ausgabebaugruppen.
Wandlungszeit Kanal 1
Wandlungszeit Kanal 2
Zykluszeit
Wandlungszeit Kanal n
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Allgemeines:






Wandlung von analogen Größen (Spannung, Strom (über 2 oder 4-Draht-Meßumformer),
Widerstand) nach den Integrationsverfahren in einen digitalen Wert
geschirmte Leitungen verwenden (bei Potentialunterschieden an den Enden - nur ein
Ende erden !)
es entstehen Wandlungszeiten (Widerstandsmessung, Drahtbruchmessung...)
Zykluszeit ist die Summe aller Wandlungszeiten
Diagnosealarm: Erkennen von Drahtbruch ruft OB82 auf (wenn mit STEP7 parametriert)
Prozeßalarm: verläßt das Signal einen definierter Bereich wird OB40 aufgerufen (wenn
mit STEP7 parametriert)
Eingabebaugruppen:





Wandlung von analogen Größen (Spannung, Strom, Widerstand) nach den
Integrationsverfahren in einen digitalen Wert
Digitaler Wert wird in der Baugruppe gespeichert und kann von da in den Prozessor
übertragen und weiterverarbeitet werden
benötigt meist einen Messumformer
wird über : „L PEW 320“ in die CPU eingelesen
verschiedene Baugruppen: 4 - 20mA , 0 - 10V...
Ausgabebaugruppen:




Wandlung von einem digitalen Wert in eine analoge Größe (Spannung oder Strom)
Digitaler Wert wird in der Baugruppe gespeichert und und dem D/A-Wandler
bereitgestellt
wird über : „T PAW 320“ ausgegeben
verschiedene Baugruppen: 4 - 20mA , 0 - 10V...
Analogwertdarstellung und Auflösung:






Ein und Ausgabewert bei gleichem Nennwert identisch
Darstellung in Zweiersystem
linkes Bit ( Bit 15 ) ist immer das Vorzeichen
bei niedriger Auflösung der Baugruppen wird der Analogwert linksbündig in den Akku
eingetragen und die nicht besetzten Bits mit 0 ersetzt
der Nennbereich beträgt –27648 bis +27648 Dezimal (bipolare Baugruppe) bzw. 0 bis
27648 (unipolare Baugruppe)
Auflösung in DIGITs (Bsp.: Nennbereich 27648 : Baugruppenauflösung 128 dezimal bei
8bit = 216 DIGIT d.h.: der Wert wird in 216er Schritten von 0 bis 27648 dargestellt) - d.h.
Je mehr DIGITs = höhere Auflösung
Auflösung einer 15 bit-Baugruppe
Bit
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Wert VZ 2(14) 2(13) 2(12) 2(11) 2(10) 2(9) 2(8) 2(7) 2(6) 2(5) 2(4) 2(3) 2(2) 2(1) 2(0)
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Auflösung einer 12 bit-Baugruppe
Bit
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
Wert VZ 2(11) 2(10) 2(9) 2(8) 2(7) 2(6) 2(5) 2(4) 2(3) 2(2) 2(1) 2(0)
2
0
1
0
0
0
Auflösung einer 8 bit-Baugruppe
Bit
15 14 13 12 11 10
9
8
7
Wert VZ 2(7) 2(6) 2(5) 2(4) 2(3) 2(2) 2(1) 2(0)
2
0
1
0
0
0
6
0
5
0
4
0
3
0
Analogwerte skalieren mit dem FC105
(ist in der Systembibliothek hinterlegt)
Belegung der Formalopperanten (hier Wert zwichen 0 - 400) :






IN: Eingangswert in REAL, der skaliert werden soll
HI_LIM: Obergrenze in REAL (Bsp: 400.0)
LO_LIM: Untergrenze in REAL (Bsp: 0.0)
BIPOLAR: Art der Baugruppe in BOOL ( TRUE = -Nennwert bis +Nennwert ; FALSE = 0
bis +Nennwert)
OUT: skalierter Wert in REAL
RET_VAL: wird kaum gebraucht (am einfachsten in einen temp-Merker auffangen)
Das unskalieren mit dem FC106 erfolgt nach gleichem Prinzip
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Adressierung der Baugruppen des Übungsmodells:
Bei der Steckplatzadressierung der SIMATIC S7-300 ergeben sich folgende Adressen:
Tabelle 3:
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 1, "6ES7 307-1EA00-0AA0", "PS 307 5A"
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 2, "6ES7 314-1AE04-0AB0", "CPU 314"
MPI_ADDRESS "2"
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 4, "6ES7 321-1BL00-0AA0", "DI32xDC24V"
LOCAL_IN_ADDRESSES
ADDRESS 0…3
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 5, "6ES7 322-1BL00-0AA0", "DO32xDC24V/0.5A"
LOCAL_OUT_ADDRESSES
ADDRESS 4…7
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 6, "6ES7 323-1BH80-0AA0", "DI8/DO8xDC24V/0.5A"
BEGIN
LOCAL_IN_ADDRESSES
ADDRESS 8
LOCAL_OUT_ADDRESSES
ADDRESS 8
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 7, "6ES7 331-7KB00-0AB0", "AI2x12Bit"
LOCAL_IN_ADDRESSES
ADDRESS 304…307
____________________________________________________________
RACK 0, SLOT 8, "6ES7 332-7ND00-0AB0", "AO4x16Bit"
LOCAL_OUT_ADDRESSES
ADDRESS 320…327
____________________________________________________________
Beispiel:
Ein Baugruppenträger im Rack 0 ist mit einem PS_5A, einer CPU 314, drei Eingabe- bzw.
Ausgabebaugruppen und anschließenden mit zwei Analogbaugruppen bestückt. Laut Tabelle ist die
Adresse für den ersten Analogkanal die 304.
Die Adresse 304 ist die sog. Baugruppenanfangsadresse.
Die Adresse für den nächsten Kanal errechnet sich aus Baugruppenanfangsadresse plus
Adressoffset.
Bei der Baugruppe SM 331 ist der Adressoffset 1 Wort. D. h. die Adresse für den nächsten Kanal ist
die 306. Die jeweiligen Stromeingänge der einzelnen Kanäle haben die gleichen Adressen.
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Analogbaugruppen - Analogeingabe SM 331
Übersicht

Analoge Eingänge für die SIMATIC® S7-300®

Zum Anschluss von Spannungs- und Stromgebern, Thermoelementen, Widerständen und
Widerstandsthermometern
Anwendungsbereich
Die Analogeingabebaugruppen wandeln analoge Signale aus dem Prozess in digitale Signale für die interne
Verarbeitung innerhalb der S7-300® um.
Als Geber können Spannungs- und Stromgeber, Thermoelemente, Widerstände und Widerstandsthermometer
angeschlossen werden.
Funktionen
Die Baugruppen verfügen über:

Auflösung 9 bis 15 Bit + Vorzeichen (bei unterschiedlichen Wandlungszeiten), parametrierbar

Unterschiedliche Messbereiche;
die Grundeinstellung der Strom-/Spannungsbereiche wird mechanisch über Messbereichsmodule eingestellt,
die Feineinstellung erfolgt mit dem STEP® 7- Werkzeug „Hardware-Konfiguration“ über PG

Alarmfähigkeit;
die Baugruppe übermittelt Diagnose- und Grenzwertalarme an die CPU der Steuerung

Diagnose;
die Baugruppe übermittelt umfangreiche Diagnoseinformationen an die CPU
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Analogbaugruppen - Analogausgabe SM 332
Übersicht

Analoge Ausgänge für die SIMATIC® S7-300®

Zum Anschluss analoger Aktoren
Anwendungsbereich
Die Analogausgabebaugruppen wandeln digitale Signale aus der S7-300® in analoge Signale für den Prozess
um.
Funktionen
Die Baugruppen verfügen über:

Auflösung 12 bis 15 Bit.

Unterschiedliche Spannungs- und Strombereiche; die Bereiche werden über die Parametriersoftware
unabhängig für jeden Kanal eingestellt

Alarmfähigkeit;
bei auftretenden Fehlern übermittelt die Baugruppe Diagnosealarme an die CPU der Steuerung

Diagnose;
die Baugruppe übermittelt umfangreiche Diagnoseinformationen an die CPU
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Spannungs- und Strommessbereiche am Beispiel der Baugruppe SM331:
Hier eine Tabelle der jeweiligen Messbereiche der Baugruppe SM331:
Messbereich
10 V
Messbereich
20 mA
Einheiten
(dezimal)
>11,7589
11,7589
>10,00
>23,515
23,515
>20,00
128
127
10,00
7,50
5,00
2,50
0,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
108
81
54
27
0
Bereich
Überlauf
Übersteuerungsbereich
Nennbereich
Einlesen eines Analogwertes mit Vorzeichen:
Wie anfangs beschrieben liegt das Vorzeichen immer im Bit Nummer 15.
Um den eingelesenen Wert rechtsbündig und ohne Vorzeichen weiterverarbeiten zu können,
muss das Vorzeichen herausgeschoben werden. Bei einem 15-Bit-Analogwert (+VZ) kann dies
nach folgendem Beispielprogramm realisiert werden:
L PEW 304
// laden eines 15-Bit-Analogwertes (+VZ)
T MW 20
// transferieren in ein Merkerwort 20
U M 20.7
= A 5.0
// Abfrage der Polarität und
// Anzeige der Polarität am A5.0
SLW 1
// verschieben um eine Stelle nach links
// (eine 0 wird von rechts nachgeschoben), das Vorzeichen verschwindet
SRW 1
// der Wert wird wieder nach rechts verschoben, und von links wird eine 0
// nachgeschoben
T MW 20
// der Wert liegt nun rechtsbündig im Merkerwort 20 und kann
// weiterverarbeitet werden
Temperaturmessung:
Es gibt sehr verschiedene Verfahren, die Temperatur elektrisch zu messen. Besonders häufig findet
man Widerstandsthermometer, bei denen die Temperaturabhängigkeit von Widerstandswerkstoffen
ausgenützt wird. Für Präzisionsmessungen bevorzugt man die Metalle Nickel und Platin als
Messfühler.
Pt 100 Platinmessfühler mit dem Widerstand
o
100 Ohm bei 0 C
Temperaturbereich -220 °C bis 850°C.
Ni 100 Nickelmessfühler mit dem Widerstand
100 Ohm bei 0°C
Temperaturbereich -60°C bis 200°C.
Mit einer SIMATIC S7 Steuerung kann man mit Hilfe einer Analogeingabebaugruppe direkt
Temperaturen messen. Die umgewandelten Temperaturwerte sind das Ergebnis einer Umrechnung
in der Analogbaugruppe.
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Übung:
In einem Steuerprogramm soll ein Programm für eine Drucküberwachung eingebaut werden.
An einem Hydraulikaggregat ist deshalb ein Druckmessfühler eingebaut, der linear zum Druck
von 0 - 100 bar eine Spannung von 0 - 10 Volt liefert.
Eine Signallampe soll den Druck unter 60 bar mit einer Blinkfrequenz von 1 Hz anzeigen.
Die gleiche Signallampe soll über 60 bar mit einer Blinkfrequenz von 5 Hz arbeiten.
Ab 70 bar Öldruck muss die Lampe ausgehen und nach einer Einschaltverzögerung von 2 sec.
muss eine Hupe den Überdruck melden.
Zusätzlich soll der Druck an einem Einbaumessinstrument (0…10V) ablesbar sein.
Realisieren Sie das Überwachungsprogramm und binden Sie das Programm in den Programmzyklus
mit ein.
Simulieren Sie den Druckgeber mit einer Gleichspannungsquelle (Poti).
Lösungsvorschlag:
Symbolik:
Programmstruktur:
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