西门子PLC 314C-2PN/DP脉冲调制实现电流模拟量输出

济源市天龙焦化有限公司  河南济源  459000

摘要：西门子S7-300 PLC 314C-2PN/DP CPU自带4路脉冲宽度调制输出通道，本论文研究使用脉冲宽度调制通道实现电流模拟量输出功能，并进行试验，方便需要少量电流模拟量输出通道的场合，节省单独购买模拟量模块成本。

关键词：西门子S7-300；314C-2PN/DP；脉冲宽度调制；电流模拟量输出

引言：

314C-2PN/DP CPU自带24DI、16DO、4AI、2AO。在反渗透系统改造时，原有的两路AO已经用于控制变频器实现水泵PID调节，现另需两路AO用于加药泵PID控制PH值，单独购买模拟量模块不经济。本文论点是分析脉冲输出加上电阻限流，通过4-20mA转4-20mA安全栅实现电流模拟量输出的可行性，并进行实际验证比对。

一、PID控制的实现

在step7软件中新建项目，硬件组态添加CPU 314C-2PN/DP，在OB35中调用FB41 CONT_C功能块，按照输入输出要求填写对应变量即可实现PID控制。在LMN_LLM引脚输入0.0，在LMN_HLM引脚输入800.0，在输出引脚LMN处可得到类型为浮点的PID运算结果，运算结果取值范围为0.0-800.0。为了方便后边进行4-20mA电流标定，需要增加PID的手动/自动切换，具体实现请参考西门子官方教程。

二、脉冲宽度调制输出的实现

1.脉冲频率选择：为了实现4-20mA电流输出，需要使脉冲宽度在20%到100%范围内可调。查询cpu_31x_技术规范手册，CPU314C-2PN/DP最高输出频率2.5KHZ，最小脉冲宽度为200us，那么脉冲宽度100%对应时间1000us即1ms，输出脉冲频率最高为1KHZ，再高将不能保证脉冲宽度准确性。

2.硬件组态：硬件组态中双击CPU的count选项，在弹出的窗口中，通道选择0，工作模式选择脉宽调制；切换到地址选项卡，记录输入地址值是816（可以自己修改，后边编程需要用到）；切换到脉宽调制选项卡，输出格式选择per mil即脉冲宽度，时基选择0.1ms，接通延迟为0，周期输入数值10即1ms（最小值为4），最小的脉冲宽度输入2（受到硬件限制）；其它选项使用默认值。具体定义请参考西门子CPU 31XC技术功能手册。

2.软件编写：在编程窗口左侧，依次展开库、Standard Library、System Function Blocks，找到SFB49并双击，通过调用SFB49 PULSE功能块实现脉宽调制输出功能，按照功能块输入输出要求填写对应变量并指定背景数据块。

（1）.参数填写：在LADDR处填写子模块的IO地址，注意此处填写16进制数据，硬件组态中的输入地址816换算为16进制是330，此处输入W#16#330；CHANNEL处填写需要输出脉冲的通道编号，需要与硬件组态对应，填写0；OUTP_VAL为缺省输出值，取值范围0-1000；软件使能SW_EN需要为1才能输出脉冲；

（2）.脉冲宽度调整的实现：脉冲宽度计算公式为（OUTP_VAL/1000）*周期，在运行过程中，修改OUTP_VAL的值即可实现不同宽度的脉冲输出；

三、PID输出控制脉冲宽度的实现

OUTP_VAL输入要求为0-1000的INT型整数，对应输出的脉冲宽度0%至100%，为了实现4-20mA的输出结果，需要把输出脉宽范围限制在20%到100%。PID输出结果是取值范围0.0-800.0的REAL类型浮点数，需要对PID输出结果使用ROUND指令进行取整得到双整数类型DINT，使用MOVE指令把DINT类型数据传递给INT型整数，再把INT型整数加上200传递给OUTP_VAL。这样就实现了PID输出结果与输出脉冲宽度的对应关系。

四、电路连接

1.限流电阻值计算：查询cpu_31x_技术规范手册，CPU供电电压为DC24V，标准DO的输出电压为电源电压减去0.8V，输出电流为0.5A；查询南京优倍NPEXA-CM31安全栅手册，输入阻抗约为75欧姆；经过计算要达到20mA输出电流则要在PLC的DO上串联阻值1085欧姆功率1W的电阻，取标准电阻1K欧姆，为了使输出电流值准确，在后边实际电路试验前需要进行4-20mA电流标定。

2.电路连接：按照cpu_31x_技术规范手册，脉宽调制通道0输出在X2连接器端子22上，先连接1K欧姆电阻，然后至安全栅输入端子2，再把安全栅输入端子1连接至CPU电源M；安全栅输出端子5和6连接至加药泵4-20mA模拟量输入端子。

五、实际使用效果

1.4mA和20mA的标定：把PID切换至手动状态，设定手动输出值等于LMN_LLM，用万用表测量安全栅输出电流，如果比4mA大则需要把PID的LMN_LLM参数值改小（可以为负值），反之则改大；用相同的方法标定20mA时的LMN_HLM值，如果LMN_HLM值等于1000仍不能使输出电流达到20mA，可以把限流电阻更换为9.1K欧姆，或把CPU电源压电压调整至25V，之后需要重新进行4mA和20mA的标定。标定完成之后，把PID切换到自动状态。

2.示波器观察：PLC输出为方波，周期值与编程设定值相同；安全栅输出为三角波，周期值与方波相同。PLC输出脉冲频率分别为500HZ和1KHZ，安全栅输出都是三角波。

3.连接加药泵运行：虽然安全栅输出为三角波，但经过实际运行试验，可以控制加药泵使PH值稳定在目标值9.2。为了做效果对比，另外使用一套带4-20mA模拟量输出模块的S7-300 PLC、使用相同PID参数控制同一台加药泵，并使用WinCC记录了趋势曲线。

结束语：

综上所述，使用314C-2PN/DP CPU自带的脉宽调制输出、加上限流电阻并通过安全栅，实现4-20mA控制加药泵是完全可行的，与使用4-20mA模拟量输出模块直接控制效果相比，稳定性稍差，但在工艺允许范围内，可以满足生产要求。需要使用4个以内的模拟量输出通道时可以使用此方法，节省购买模拟量输出模块成本。

参考文献：

[1]阳胜峰.快速学会S7-300/400 PLC[M].北京：中国电力出版社.2014

[2]西门子（中国）. S7-300 CPU 31xC：工艺功能[EB/OL].2011-03

作者简介：翟军，男，生于1979年1月，河南济源，汉，本科学历，电工高级技师，车间主任，现就职于河南省济源市天龙焦化有限公司，全面主持公司电气建设、维护、改造工作。

（作者单位：济源市天龙焦化有限公司）