Analogwertverarbeitung Grundlagen Einführung - kleissler
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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 Ronald Kleißler Seite 1 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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 Ronald Kleißler Seite 2 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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) Ronald Kleißler Seite 3 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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 Ronald Kleißler Seite 4 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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. Ronald Kleißler Seite 5 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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 Ronald Kleißler Seite 6 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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 Ronald Kleißler Seite 7 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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. Ronald Kleißler Seite 8 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen 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: Ronald Kleißler Seite 9 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen Ronald Kleißler Seite 10 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015 Analogwertverarbeitung Grundlagen Ronald Kleißler Seite 11 C:\Eigene Dateien\SPS Schulung\SPS Schulungsunterlagen\Analogwertverarbeitung_Hydraulikdrucküberwachung.docx 31.05.2015
