13 Grundlagen der Analogwertverarbeitung · 2018. 10. 12. · 13.2 SPS-Analogbaugruppen 477 13.2.5 Signalarten und Messbereiche der Analogeingänge Bei Analogeingabebaugruppen der

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IV Analogwertverarbeitung

13 Grundlagen der Analogwertverarbeitung

Speicherprogrammierbare Steuerungen können mit ihren analogen Eingabe- und Ausgabe-Baugruppen analoge elektrische Signale aufnehmen bzw. ausgeben. Die eigentliche Informati-onsverarbeitung innerhalb der CPU erfolgt jedoch digital. Analogeingabebaugruppen wandeln analoge Prozesssignale in digital dargestellte Zahlenwert um und Analogausgabebaugruppen führen den umgekehrten Vorgang aus. Messarten und Messbereiche der analogen Baugruppen müssen berücksichtigt werden.

Bild 13.1: Analogwertverarbeitung

13.1 Analoge Signale Signale sind Träger von Informationen (Daten). Wichtige physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstände, Drehzahlen, Positionen usw. müssen vor ihrer Verarbei-tung in Automatisierungssystemen zuerst in elektrische Signale umgeformt werden. Dabei werden die gemessenen Beträge der physikalischen Größen in Spannungs- oder Stromwerte umgesetzt, und zwar je nach verwendeten Signalgebertyp in wertkontinuierliche Analogsigna-le oder in 2-wertige Digitalsignale (binäre 0-1-Signale). Die Kennzeichnung eines Eingangssignals als analoges Signal bedeutet, dass der die Informa-tion enthaltene Signalparameter innerhalb des Arbeitsbereiches jeden beliebigen Wert anneh-men kann, z. B. als Spannungsbetrag U im Bereich 500 mV oder 1 V oder 10 V, Strombetrag I im Bereich 20 mA oder 4 ... 20 mA.

So erfasst beispielsweise ein induktiver Analogwertgeber die Position eines metallischen Ob-jekts und gibt innerhalb des Arbeitsbereiches ein zum Abstand proportionales Stromsignal aus. Im Gegensatz dazu liefert ein induktiver Näherungsschalter mit seinem binären Signal nur die Information, ob das metallische Objekt in der Nähe ist oder nicht (siehe Bild 13.2).

474 13 Grundlagen der Analogwertverarbeitung

Auch analoge Ausgangssignale sind wichtig. So kann beispielsweise ein Proportionalventil durch eine analoge Ausgangsspannung in einer beliebigen Stellung innerhalb des Arbeitsbe-reichs positioniert werden. Dagegen ist es mit einem binären Ausgangssignal nur möglich, ein Ventil zu öffnen oder zu schließen. Analoger Signalgeber Binärer Signalgeber

Bild 13.2: Zur Unterscheidung von analogen und binären Signalen

13.2 SPS-Analogbaugruppen

13.2.1 Analoge Signale in digitale Messwerte umsetzen Aufgabe der Analogeingangsbaugruppe ist es, ein analoges Prozesssignal in einen digitalen Messwert im Format eines 16-Bit-Datenwortes umzusetzen und in einem Peripherie-Eingangs-wort zur Weiterverarbeitung im SPS-Programm bereitzustellen. Der Umsetzungsvorgang ver-läuft dabei in den drei Schritten Abtastung, Quantisierung und Codierung. Das in der Automa-tisierungstechnik meistens angewendete Dual-Slope-Umsetzungsverfahren ist spezialisiert auf Prozesssignale mit einem relativ langsamen Änderungsverlauf, also auf Quasi-Gleichwerte mit beliebiger Polarität. Dieses Verfahren zählt zur Klasse der integrierenden Analog-Digital-Umsetzer. Die Abtastung ist ein Messvorgang, bei dem über einen festgelegten Zeitraum von z. B. 20 ms ein Prozesssignal durch Aufladung eines Kondensators aufwärts integrierend gemessen wird. Das Messergebnis ist ein interner Spannungswert, der dem arithmetischen Mittelwert des Pro-zesssignals proportional ist. Eine dem Messsignal überlagerte Netzspannungsstörung von 50 Hz wird vollständig unterdrückt. Die nachfolgende Quantisierung ist der Vorgang, bei dem für den internen Spannungswert ein proportionaler Zahlenwert ermittelt wird. Das geschieht durch abwärts integrierende Entladung des Kondensators mit Hilfe einer Referenzspannung und gleichzeitigem Zählen von Takt-impulsen in einem Dualzähler. Die gezählte Impulszahl ist dem internen Spannungswert und damit auch dem unbekannten Analogsignal proportional und stellt den gesuchten digitalen Messwert dar. Bei der abschließenden Codierung werden die Zahlenwerte als vorzeichenbehaftete 16-Bit-Ganzzahlen (Integer) entsprechend den Bitmustern nach Tabelle 13.1 gebildet. Die Darstellung negativer Zahlenwerte erfolgt in Zweierkomplementform (siehe Kapitel 3.8.2). Der digitali-sierte Analogwert wird als Eingangswort EW (%IW) bzw. Peripherie-Eingangswort (PEW)

13.2 SPS-Analogbaugruppen 475

der Analogbaugruppe zur Übernahme in das SPS-Programm bereitgestellt. Die Eingangsvari-able eines Bausteins zur Übernahme des digitalisierten Analogwertes wird demnach mit dem Datentyp Integer deklariert. Üblicherweise hat eine Analogeingangsbaugruppe mehrere Analogkanäle, die zyklisch bear-beitet werden. Jedem Analogeingang ist ein Peripherie-Eingangswort PEW mit einer entspre-chenden Adresse zum Ablegen der digitalen Messwerte zugeordnet.

Bild 13.3: Prinzip einer Analog-Digital-Umsetzung

13.2.2 Auflösung Analog-Digital-Umsetzer müssen den kontinuierlichen Wertebereich eines Analogsignals auf den diskreten Zahlenbereich eines Digitalwortes abbilden, d. h., eine unendliche Menge ver-schiedener Analogwerte steht einer endlichen Anzahl verfügbarer Zahlenwerte gegenüber, die sich aus der Anzahl der Bits im Digitalwort errechnen lässt. Bei n-Bits ergeben sich genau 2n Zahlenwerte im Dualcode. Daraus folgt zwangsläufig, dass auch der Wertebereich des Analog-signals messtechnisch in genau 2n Stufen unterteilt wird. Je mehr Bits zur Zahlendarstellung zur Verfügung stehen, um so feinstufiger fällt die Aufteilung des analogen Messbereichs aus. Die Anzahl der Bits, die im Digitalwort zur Zahlendarstellung verwendet werden, entscheidet über die so genannte Auflösung im Sinne von Auflösungsvermögen oder Unterscheidbarkeit kleinster Werteänderungen im Analogsignal. Die Auflösung eines AD-Umsetzers kann also durch die Anzahl der Datenbits (n) oder durch die Anzahl der Stufen (2n) angegeben werden. Der Absolutwert der kleinsten noch unterscheidbaren Spannungsänderung im Analogsignal, lässt sich aus dem Messbereichs-Endwert (FS = Full Scale) und der Anzahl der Stufen errechnen:

nLSB 2

Scale) (FullEndwert U für Dualcode mit n = Anzahl der Bits des AD-Umsetzers

Die Abkürzung LSB bedeutet Least Significant Bit und bezeichnet das geringwertigste (ganz rechts im Digitalwort stehende) Bit, das so genannte LSB. 1 LSB steht für die kleinste Ände-rung im Zahlenwert des Digitalwortes. Es ist nicht möglich, vom digitalen Ausgangs-wert rückwärts auf den genauen analogen Eingangswert zuschließen, es bleibt eine Ent-scheidungsunsicherheit von LSB21 bezogen auf den Mittelwert, wie das nebenstehende Bild zeigt. Dieser systembedingte Fehler von

LSB21 wird als Quantisierungsfehler der Analog-Digital-Umsetzer bezeichnet. Zahlenbeispiel Wie groß ist die kleinste noch unterscheidbare Spannungsstufe eines 8-Bit-Analog-Digital-Umsetzers bei einem Eingangsspannungsbereich von 0 ... 10 V?

LSB n 8FS 10 VU 40 mV2 2

Auflösung des AD-Umsetzers bezogen auf den analogen Messbereich


13.2.3 Digitalwerte in analoge Signale umsetzen Aufgabe von Analogausgabebaugruppen ist es, vorgegebene Digitalwerte in analoge Aus-gangssignale als Spannungen oder Strömen umzusetzen. Ein entsprechender Digitalwert ist in der Regel das Ergebnis aus einem SPS-Programm und wird entweder direkt aus der CPU oder über einen Analogwertausgabebaustein in ein Peripherie-Ausgangswort PAW der Analogaus-gangsbaugruppe übertragen. Die Umwandlung des Digitalwertes in ein Analogsignal erfolgt in einem Digital-Analog-Umsetzer ohne besonderen Zeitverzug. Das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Umsetzers kann sich nur in diskreten Stufen ändern. Die kleinste Spannungsstufe ist abhängig von der Auflösung, die wieder durch die Anzahl der Bits gegeben ist. Während der Absolutwert der Auflösung bei einem Analog-Digital-Umsetzer gleich der kleinsten noch erkennbaren Eingangsspannungsänderung ist, bedeutet der Absolut-wert der Auflösung bei einem Digital-Analog-Umsetzer die kleinstmögliche Stufe in der Än-derung des Ausgangssignals.

13.2.4 Analogwertdarstellung in Peripherieworten In der Automatisierungstechnik sind Auflösungen von 8 Bit bis 15 Bit plus Vorzeichen üblich. Das Vorzeichenbit VZ ist wegen der Darstellung negativer Digitalwerte im Zweierkomplement erforderlich. Das Digitalwort (Peripheriewort) hat Wortlänge, umfasst also 16 Bits. Ist die Auflösung kleiner als 15 Bit plus Vorzeichen, wird beim Laden des Peripherie-Eingangswortes das Bitmuster mit dem Zahlenwert linksbündig in den Akkumulator der CPU eingetragen. Die nicht besetzten niederwertigen Stellen werden mit „0“ beschrieben. Entsprechend ist für die Ausgeben eines Analogwertes, unabhängig von der Auflösung, der Digitalwert mit Vorzeichen linksbündig in den Akku zu schreiben und dann an das Peripherie-Ausgangswort zu transferie-ren. Dort wird es von einem Digital-Analog-Umsetzer aufgenommen und in ein Analogsignal (Spannung oder Strom) umgesetzt. In der nachfolgenden Tabelle sind die Wertigkeiten, die Bitbelegungen und Stufen der ge-bräuchlichen Auflösungen angegeben.

Tabelle 13.1: Bitmuster der Analogwertdarstellung in Eingangs- und Ausgangsbaugruppen bei unter-schiedlichen Auflösungen

Bit Nr: 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Wertigkeit VZ 214 213 212 211 210 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 Stufen

8 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 0 0 0 0 0 0 256 9 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 0 0 0 0 0 512 10 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 0 0 0 0 1024 11 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 0 0 0 2048 12 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 0 0 4096 13 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 0 8192 14 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 0 16 384

Auflö-sung in Bit + Vor-zeichen

15 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 32 768

Die Analog-Digital-Umsetzungen und die Übergabe der digitalisierten Messwerte an die Peri-pherieworte erfolgt bei Baugruppen mit mehreren Analogeingängen sequentiell. Die Zeit bis ein Analogeingangswert wieder gewandelt wird, berechnet sich aus der Summe der Umset-zungszeiten aller aktivierten Analogeingabekanäle der Baugruppe.


13.2.5 Signalarten und Messbereiche der Analogeingänge Bei Analogeingabebaugruppen der S7-300 kann zwischen den Messarten Spannung, Strom, Widerstand oder Temperatur gewählt werden. Innerhalb der unterschiedlichen Messarten kön-nen wiederum verschiedene Messbereiche eingestellt werden. Die jeweilige Messart und der Messbereich können über Messbereichsmodule, die Art der Verdrahtung und die Parametrie-rung in der Hardwarekonfiguration bestimmt werden. Messbereichsmodule sind Hardware-stecker, die auf der Baugruppe in eine bestimmte Position gesteckt werden müssen. Folgende Messbereiche sind für die unterschiedlichen Messarten wählbar:

Spannung: 80 mV; 250 mV; 500 mV; 1 V; 2,5 V; 5 V; 10 V; 0 ... 2 V; 1 ... 5 V.

Strom: 3,2 mA; 10 mA; 20 mA; 0 ... 20 mA; 4 ... 20 mA.

Widerstand: 0 ... 150 ; 0 ... 300 ; 0 ... 600 . Temperatur: Pt 100 –200 ... +850 C

Ni 100 –60 ... +250 C Thermoelement Typ J –200 ... +700 C und weitere Typen.

Die nachfolgenden Tabellen zeigen für ausgewählte Bereiche den Zusammenhang zwischen den Analogwerten der einzelnen Messbereiche und den zugehörigen Digitalwerten für die einzelnen Messarten.

Messbereiche für Spannungssignalgeber:

Bereich 500 mV 2,5 V 10 V Digitalwert 1 ... 5 V Digitalwert

Überlauf 587,96 2,9398 11,759 32 767 5,7037 32 767

Übersteuerungs-bereich

587,94 .

500,02

2,9397 .

2,5001

11,7589 .

10,0004

32 511 .

27 649

5,7036 .

5,0001

32 511 .

27 649

Nennbereich 500,00 375,00

. – 375,00 – 500,00

2,500 1,875

. – 1,875 – 2,500

10,00 7,5 .

– 7,5 – 10,00

27 648 20 736

. – 20 736 – 27 648

5,00 4,00

.

1,00

27 648 20 736

. 0

Untersteuerungs-bereich

– 500,02 .

– 587,96

– 2,5001 .

2,93398

– 10,0004 .

– 11,759

– 27 649 .

– 32 512

0,9999 .

0,2963

– 1 .

– 4 864

Unterlauf – 588,98 – 2,935 – 11,76 – 32 767 0,2962 – 32 768

Berechnungsbeispiel: Messbereich: 10 V. Die angelegte analoge Eingangsspannung beträgt UAE = 2,5 V;

Digitalwert Analogeingang AE: 9126V5,2V10

64827U

V1064827

AE AE


Messbereiche für Stromsignalgeber:

Bereich 3,2 mA 10 mA Digitalwert 0 ... 20 mA 4 ... 20 mA Digitalwert

Überlauf 3,7629 11,759 32 767 23,516 22,815 32 767


3,7628 .

3,2001

11,7589 .

10,0004

32 511 .

27 649

23,515 .

20,0007

22,810 .

20,0005

32 511 .

27 649


. – 2,400 – 3,200

10,00 7,5 .

- 7,5 – 10,00

27 648 20 736

. – 20 736 – 27 648

20,00 14,998

.

0,00

20,000 16,00

.

4,00

27 648 20 736

. 0


– 3,2001 .

– 3,7629

– 10,0004 .

– 11,759

– 27 649 .

– 32 512

– 0,0007 .

– 3,5185

3,9995 .

1,1852

– 1 .

– 4 864

Unterlauf – 3,7630 – 11,76 – 32 767 – 3,5193 1,1845 – 32 768

Berechnungsbeispiel: Messbereich: 4 ... 20 mA: Der Stromsignalgeber liefert einen Strom von IA = 10 mA;

Digitalwert AE: 368109126mA10mA1664827

9126ImA1664827

AE AE

Messbereiche für Widerstandsgeber:

Bereich 0 ... 150 0 ... 300 0 ... 600 Digitalwert

Überlauf 176,389 352,778 705,556 32 767


176,383 .

150,005

352,767 .

300,011

705,534 .

600,022

32 511 .

27 649


. 0,000

300,000 225,000

. 0,000

600,000 450,00

. 0,000

27 648 20 736

. 0


Negative Werte physikalisch nicht möglich

– 1 .

– 4 864

Unterlauf – 32 768

Berechnungsbeispiel: Messbereich 0 ... 300 . Der Widerstandsgeber liefert R = 100 .

Digitalwert AE: 2169100300

64827R300

64827AE


Messbereiche für Temperaturgeber:

Bereich Pt 100 850 C

Digitalwert Ni 100 250 C

Digitalwert Typ K

in C

Digitalwert

Überlauf 1000,1 32 767 259,1 32 767 1623 32 767

Übersteuerungs- bereich

1000,0 .

850,1

10 000 .

8 501

295,0 .

250,1

2 950 .

2 501

1 622 .

1 373

16 220 .

13 730

Nennbereich 850,0 .

– 200

8 500 .

– 2 000

250,0 .

– 60,00

2 500 .

– 600

1372 .

– 270,00

13 720 .

– 2700

Untersteuerungs- bereich

– 200,1 .

– 243,0

– 2 001 .

– 2 430

– 60,1 .

– 105,0

– 601 .

– 1 050

Fehlermeldung

Unterlauf – 243,1 – 32 767 – 150,1 – 32 768 – 271 – 2 710

Berechnungsbeispiel: Messgeber Pt 100: Gemessene Temperatur T = 60 C

Digitalwert AE: 600C60C0501

50010T

C050150010

AE

13.2.6 Signalarten und Messbereiche der Analogausgänge Analogausgabebaugruppen liefern entweder Spannungs- oder Stromsignale. Innerhalb der bei-den Signalausgangsarten können wiederum verschiedene Ausgabebereiche gewählt werden. Die Auswahl erfolgt bei der Parametrierung der Hardwarekonfiguration. Die nachfolgenden Tabellen zeigen den Zusammenhang zwischen dem Digitalwert und den zugehörigen Analogwerten der einzelnen Ausgabebereiche.

Ausgabebereich 0 bis 10 V und 0 bis 20 mA:

Bereich Digitalwert 0 ... 10 V 0 ... 20 mA

Überlauf 32 512 0 0


32 511 .

27 649

11,7589 .

10,00

23,515 .

20,0007

Nennbereich 27 648 . 0

10,00 . 0

20,000 . 0

Unterlauf < 0 0 0

Berechnungsbeispiel: Messbereich: 0 ... 10 V; Digitalwert Analogausgabe AA: = 20 736 Analoger Spannungswert an der Baugruppe:

V5,77362064827

V0,10U

AA64827

V0,10U

AA

AA


Ausgabebereich 1 bis 5 V bzw. 4 bis 20 mA:

Bereich Digitalwert 1 ... 5 V 4 ... 20 mA



32 511 .

27 649

5,8794 .

5,0002

22,81 .

20,0005

Nennbereich 27 648 . 0

5,0000 .

1,0000

20,000 .

4,000 Untersteuerungs-bereich

– 1 .

– 6 912

0,9999 . 0

3,9995 . 0

Unterlauf 6 913 0 0

Berechnungsbeispiel: Messbereich: 4 ... 20 mA Digitalwert: AA = 20 726 Analoge Stromausgabe an der Baugruppe:

mA16

mA47362064827mA16

mA4AA64827mA16

IAA

Ausgabebereich ± 10 V bzw. ± 20 mA:

Bereich Digitalwert ± 10 V ± 20mA



32 511 .

27 649

11,7589 .

10,0004

23,515 .

20,007

Nennbereich 27 648 .

– 27 648

10,0000 .

–10,0000

20,000 .

– 20,000


– 27 649 .

– 32 512

–10,0004 .

–11,7589

– 20,007 .

– 23,515

Unterlauf 32 513 0 0

Berechnungsbeispiel: Messbereich: ± 10 V Digitalwert: AA = 20 736 Analoger Spannungswert an der Baugruppe:

V5,7

7362064827

V0,10

AA64827

V0,10U AA

Die elektrischen Daten wie Bürdenwiderstand, Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung der Analogausgänge, sind den speziellen Baugruppendaten zu entnehmen. Bei einer Spannungsausgabe führt die Analogausgabebaugruppe eine Kurzschlussprüfung durch. Das bedeutet, dass bei eingeschalteter Diagnose (Hardwarekonfiguration) die CPU bei einem Kurzschluss eines analogen Spannungsausgangs in den Betriebszustand „STOPP“ geht. Bei einer Stromausgabe führt die Analogausgabebaugruppe eine Drahtbruchprüfung durch. Da bedeutet, dass bei eingeschalteter Diagnose (Hardwarekonfiguration) die CPU bei einem Drahtbruch an einem analogen Stromausgang in den Betriebszustand „STOPP“ geht. In beiden Fällen leuchtet an der Baugruppe eine rote LED auf.

13.3 Anschluss von Messgebern und Lasten 481

13.3 Anschluss von Messgebern und Lasten

13.3.1 Anschließen von Messgebern an Analogeingänge Je nach Messart können an Analogeingabebaugruppen folgende Messgeber angeschlossen werden: Spannungsgeber Stromgeber als 2-Draht- oder 4-Draht-Messumformer Widerstände

Auf den Abdeckungen der Analogeingabebaugruppen der Gerätefamilie SM 300 sind An-schlussbilder aufgedruckt, aus denen der Anschluss der Geber zu entnehmen ist.

Beispiel: Aufdruck auf der Baugruppe SM 331 AI 2x12 Bit

Verwendete Abkürzungen: L+: Spannungsversorgung M+: Messleitung (positiv) M–: Messleitung (negativ) COMP+: Kompensationsanschluss

(positiv) COMP–: Kompensationsanschluss

(negativ) MANA: Bezugspotenzial des

Analogmesskreises M: Masseanschluss IC+: Konstantstromleitung

(positiv) IC–: Konstantstromleitung

(negativ)

Für den Anschluss der analogen Signalgeber sollen geschirmte paarweise verdrillte Leitungen verwendet werden. Dadurch wird die Störbeeinflussung verringert. Der Schirm der Leitung ist auf einer Seite zu erden.

Prinzipiell werden potenzialgetrennte und potenzialgebundene Analogeingabebaugruppen unterschieden. Im Gegensatz zu potenzialgebundenen Baugruppen besteht bei den potenzial-


getrennten Baugruppen keine galvanische Verbindung zwischen dem Bezugspunkt des Mess-kreises MANA und dem Masseanschluss M der CPU. Die maximal zulässige Potenzialdifferenz zwischen der negativen Messleitung M- und dem Bezugspunkt MANA ist dem jeweiligen Da-tenblatt zu entnehmen.

Anschluss von Spannungsgebern an eine potenzialgetrennte Analogeingabebaugruppe:

Beim Anschluss von Spannungs-gebern ± 10 V muss bei der Ana-logeingabebaugruppe SM 331 AI 2x12 Bit das Messbereichsmodul in der Stellung „B“ gesteckt sein. Nicht beschaltete Eingänge sind kurzzuschließen und wie der COMP-Eingang (10) mit MANA(11) zu verbinden.

Es wird zwischen isolierten und nichtisolierten Messgebern unterschieden. Die nichtisolierten Messgeber sind vor Ort mit dem Erdpotenzial verbunden. Der Anschluss MANA (11) muss bei den nichtisolierten Messgebern mit dem Masseanschluss M verbunden werden.

Anschluss von Stromgebern als 2-Draht-Messumformer:

Beim Anschluss von Stromge-bern als 2-Draht-Messumformer muss bei der Analogeingabebau-gruppe SM 331 AI 2x12 Bit das Messbereichsmodul in der Stel-lung „D“ gesteckt sein. Der unbenutzte COMP-Eingang (10) ist mit MANA (11) zu verbin-den.

Die Versorgungsspannung des 2-Draht-Messumformers erfolgt kurzschlusssicher über den Analogeingang der Baugruppe. Der 2-Draht-Messumformer wandelt die zugeführte Messgrö-ße in ein Stromsignal um. Ein nicht benutzter Eingang kann offen gelassen oder mit einem Widerstand von 3,3 k abgeschlossen werden. 4-Draht-Messumformer besitzen eine separate Versorgungsspannung. Damit keine Span-nungsversorgung von der Baugruppe erfolgt, muss bei der Baugruppe SM 331 AI 2x12 Bit das Messbereichsmodul in der Stellung „C“ gesteckt sein. Der Anschluss an die Analogeingabe-baugruppe entspricht ansonsten dem des 2-Draht-Messumformers.


Anschluss von Widerstandsthermometern bzw. Widerständen (z. B. Pt 100) Das analoge Eingangssignal wird bei Widerstandsthermometern bzw. Widerständen durch einen von der Baugruppe gelieferten Konstantstrom gebildet und mit einem 4-Leiter-Anschluss gemessen. Über die Anschlüsse IC+ (4) und IC– (5) wird den Widerständen der Konstantstrom zugeführt. Die am Widerstand entstehende Spannung wird über die Anschlüsse M+ (2) und M– (3) der Analogeingabebaugruppe zugeführt.

Beim Anschluss von Widerständenmuss bei der Analogeingabebau-gruppe SM 331 AI 2x12 Bit dasMessbereichsmodul in der Stellung„A“ gesteckt sein.

Werden an der Baugruppe entsprechende Brücken zwischen (2) und (4) bzw. (3) und (5) ein-gelegt, können die Widerstände auch mit einem 2-Leiter-Anschluss angeschaltet werden. In diesem Fall treten jedoch Genauigkeitsverluste auf.

Für die Baugruppe SM 331 AI 2x12 Bit sind die elektrischen Daten zur Auswahl der Geber aus dem zugehörigen Datenblatt in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle 13.2: Datenblattangaben

Messart Messbereich REIN Grenzwerte ± 80 mV; ± 250 mV; ± 500 mV; ± 1 000 mV 10 M Spannung 1 bis 5V; ± 2,5 V; ± 5 V; ± 10 V 100 k

20 V

Strom ± 3,2 mA; ± 10 mA; ± 20 mA; 0 bis 20 mA; 4 bis 20 mA

25 40 mA

Widerstand 150 ; 300 ; 600 10 M Thermoelemente Typ E:

Nickel-Chrom/Kupfer-Nickel –200...+600 °C Typ J: Eisen-Kupfer/Nickel –200...+700 °C Typ K: Nickel-Chrom/Nickel 0...+1000 °C (Erstgenanntes Metall hat positive Polarität.)

10 M

Widerstands-thermometer

Pt 100: –200...+850 °C Ni 100 : –60...+250 °C

10 M

Max. Bürde des 2-Draht-

Mess-umformers: R = 820


13.3.2 Anschließen von Lasten an Analogausgänge Analogausgabebaugruppen besitzen 2, 4 oder 8 Ausgabekanäle, die wahlweise als Strom- oder Spannungsausgänge genutzt werden können. Auf den Abdeckungen der Analogeingabebaugruppen der Gerätefamilie SM 300 sind An-schlussbilder aufgedruckt, aus denen der Anschluss der Lasten/Aktoren zu entnehmen ist.

Beispiel: Aufdruck auf der Baugruppe SM 332 AO 2x12 Bit

Verwendete Abkürzungen: L+: Spannungsversorgung QI: Analogausgang Strom QV: Analogausgang Spannung S+: Fühlerleitung positiv S–: Fühlerleitung negativ MANA: Bezugspotenzial des Analogkreises M: Masseanschluss

Für den Anschluss der analogen Lasten sollten geschirmte paarweise verdrillte Leitungen ver-wendet werden. Dadurch wird die Störbeeinflussung verringert. Der Schirm der Leitung ist auf einer Seite zu erden. Prinzipiell werden potenzialgetrennte und potenzialgebundene Analogausgabebaugruppen unterschieden. Im Gegensatz zu potenzialgebundenen Baugruppen besteht bei den potenzialge-trennten Baugruppen keine galvanische Verbindung zwischen dem Bezugspunkt des Analog-kreises MANA und dem Masseanschluss M der CPU. Die maximale Potenzialdifferenz zwi-schen dem Bezugspunkt MANA und dem Masseanschluss M darf einen zulässigen Wert nicht überschreiten. Bei Analogausgabebaugruppen ist es möglich, die einzelnen Ausgabekanäle unterschiedlich als Strom oder Spannungsausgang zu parametrieren. Nicht beschaltete Ausgabekanäle müssen in der Hardwareprojektierung deaktiviert werden, damit der Ausgang spannungslos ist.


2-Leiter-Anschluss einer Last an einen Stromausgang (Kanal 1) und einen Spannungs-ausgang (Kanal 2):

Der Stromausgang der Analog-ausgabebaugruppe SM 332; AO 2x12 Bit führt eine Draht-bruchprüfung durch.

Der Spannungsausgang der Analogausgabebaugruppe SM 332; AO 2x12 Bit führt eine Kurzschlussprüfung durch.

Der Anschluss von Lasten an einen Spannungsausgang ist neben dem gezeigten 2-Leiter-Anschluss auch als 4-Leiter-Anschluss möglich. Durch den 4-Leiter-Anschluss wird eine hohe Genauigkeit des Spannungssignals an der Last erzielt.

4-Leiter-Anschluss einer Last an einem Spannungsausgang:

Bei 4-Leiter-Anschluss von Las-ten an einen Spannungsausgang der Analogausgabebaugruppe SM 332; AO 2x12 Bit werden die Fühlerleitungen S+ (4) und S– (5) direkt an der Last ange-schlossen. Dadurch wird das ausgegebene Spannungssignal unmittelbar an der Last gemes-sen und bei Bedarf nachgere-gelt.

Für jede Baugruppe sind die elektrischen Daten zur Auswahl der Aktoren in einem Datenblatt angegeben. Für die Baugruppe SM 332 AI 2x12 Bit sind die Daten aus der folgenden Tabelle zu entnehmen.

Art der Ausgabe

Ausgangsbereiche Bürde Grenzwerte

Spannung 1 bis 5 V; 1 bis 10 V; ± 10 V mind. 1 k max. 1 μF

Kurzschlussstrom: max. 25 mA

Strom 0 bis 20 mA; 4 bis 20 mA; ± 20 mA

max. 500 max. 1 mH

Leerlaufspannung: max. 18 V


13.4 Beispiele

Beispiel 13.1: Rauchgastemperaturanzeige

Die Abgastemperatur einer Befeuerungsanlage wird mit einem Pt100-Widerstandsthermometer im Ab-gasrohr zum Schornstein gemessen. Der Zustand der Heizungsanlage soll mit einer Leuchtdiodenkette optisch sichtbar gemacht und die gemessene Temperatur an einer vierstelligen Ziffernanzeige mit einer Kommastelle angezeigt werden. Die Abgastemperaturen von 180 °C bis 270 °C werden in fünf Bereiche unterteilt und mit Wertungen versehen. Eine Verlängerung der aufleuchtenden Diodenkette signalisiert die fortschreitende Verschlechterung des Anlagenzustandes von P1 (sehr gut) bis P5 (mangelhaft). Bei Abgastemperaturen unter 160 °C bzw. über 270 °C ist ein akustischer Melder PU einzuschalten, um die Erfordernis einer Inspektion, wegen der Gefahr der Taupunktkorrosion bzw. Unwirtschaftlichkeit zu melden. Die Abgastemperaturauswertung erfolgt nur, wenn die Heizungsanlage durch den Schalter S eingeschal-tet, der Flammenwächter E das Vorhandensein der Brennerflamme anzeigt und eine Wartezeit von 30 s abgelaufen ist. Die Meldungen müssen auch nach der Brennphase erhalten bleiben, solange die Hei-zungsanlage eingeschaltet ist.

Technologieschema:

Bild 13.4: Rauchgastemperaturanzeige

Zuordnungstabelle der Eingänge und Ausgänge:

Eingangsvariable Symbol Datentyp Logische Zuordnung Adresse Anlagenschalter Flammenwächter PT 100 Widerstand

S1 FW

Pt100

BOOL BOOL

INT

Betätigt S1 = 1 Flamme vorhanden FW = 1 Analogeingang

E 0.0 E 0.1

PEW320 Ausgangsvariable Leuchtdiode 1 Leuchtdiode 2 Leuchtdiode 3 Leuchtdiode 4 Leuchtdiode 5 Akustischer Melder Ziffernanzeige

P1 P2 P3 P4 P5 PU AW

BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL WORD

Leuchtet P1 = 1 Leuchtet P2 = 1 Leuchtet P3 = 1 Leuchtet P4 = 1 Leuchtet P5 = 1 Signal PU = 1 BCD-Wert

A 4.1 A 4.2 A 4.3 A 4.4 A 4.5 A 4.6

AW 12

13.4 Beispiele 487

Der Anschluss des Pt100-Widerstandthermometers erfolgt nach der für Widerstandsthermometer angege-benen Schaltung.

Hinweis zur Hardwareprojektierung: In der Hardwareprojektierung der Analogeingabebau-gruppe muss bei Objekteigenschaften die Messart und der Messbereich, wie nebenstehend gezeigt, für das Pt100-Widerstandsthermometer eingestellt werden. Die Analogeingabebaugruppe liefert dann, wie aus der Tabelle „Messbereiche für Temperaturgeber“ abgelesen werden kann, einen der Temperatur entsprechenden Zahlenwert, der um den Faktor 10 größer ist als die gemessene Temperatur. Der Messbereich kann somit ohne Normierung direkt in das Steue-rungsprogramm übernommen werden.

Die Auswertung der gemessenen Tempera-tur wird mit der Funktion FC 1301 ausge-führt. Die Ein- und Ausgangsparameter der Funktion lassen sich aus dem nebenstehend dargestellten Bausteinaufruf entnehmen.

Nebenstehend ist der Aufruf und Beschal-tung des Bausteins FC 1301 im OB 1 in der Programmiersprache FUP gezeigt.

GRZ = Grenzwert Temperatur AKSI = Akustiksignal

Die Anweisungsfolge für die Auswertung der Temperatur ist in dem nachfolgenden Struktogramm ange-geben.

Hinweise:

Da der Wert TEMP dem 10-fachen des tatsächlichen Temperaturwertes entspricht, kann dieser nach einer DINT_TO_BCD-Umwandlung bei STEP 7 direkt an eine vierstellige BCD-Anzeige gelegt werden und wird dort dann mit einer Kommastelle angezeigt. Bei der CoDeSys Lösung wird die Tempe-ratur als REAL-Wert ausgegeben und dieser dann über den Bibliotheksbaustein FC 706 BCD_TO_REAL an die Anzeige gelegt. Zu Beginn des Programms der Funktion FC 1301 werden alle binären Ausgangsva-riablen zurückgesetzt.


STEP 7 Programm (AWL-Quelle): FUNCTION FC1301 : VOID VAR_INPUT EIN :BOOL TEMP : INT ; GRZ_1 : INT ; GRZ_2 : INT ;

GRZ_3 : INT ; GRZ_4 : INT ; GRZ_5 : INT ; GRZ_6 : INT ; END_VAR

VAR_OUTPUT ANZ : WORD ; LED1 : BOOL ; LED2 : BOOL ; LED3 : BOOL ;

LED4 : BOOL ; LED5 : BOOL ; AKSI : BOOL ; END_VAR

BEGIN L #TEMP; DTB ; T #ANZ; CLR; = #LED1; = #LED2; = #LED3; = #LED4; = #LED5; = #AKSI; UN EIN BEB L #GRZ_1;

L 10; *I ; L #TEMP; TAK;

13.4 Beispiele 489

Beispiel 13.2: BCD-Zifferneinsteller steuert Analogwertausgabe

Mit einem BCD-Zifferneinsteller kann ein Betrag von 0000 bis +9999 eingegeben werden. Das ge-wünschte Vorzeichen der BCD-Zahl ist durch einen Binärschalter S einstellbar mit der Bedeutung „0“ = positiv und „1“ = negativ. Zusammen genommen können also Zahlenwerte von –9999 bis +9999 vorge-geben werden, die von einer Analogausgabe in die entsprechenden Spannungswerte –10 V bis +10 V umzusetzen und von einem angeschlossenen Spannungsmesser anzuzeigen sind.

Zuordnungstabelle der Ein- und Ausgänge:

Eingangsvariable Symbol Datentyp Logische Zuordnung Adresse Vorgabewert Vorzeichen

EW S1

WORD BOOL

BCD-Wert Negativ S1 = 1

EW 8 E 0.0

Ausgangsvariable Analogausgang PAW INT Bereich –27.648 bis +27.648 PAW 336

Zur Lösung des ersten Aufgabenteils kann der schon bekannte Bibliotheksbaustein FC 705 verwendet werden, der aus dem vierstelligen BCD-Wert eine Gleitpunktzahl (REAL) im Bereich von –9.999 bis +9.999 bildet und in einer OB 1/PLC_PRG internen Übergabevariablen „Spgw“ übergibt. Für den Pro-grammteil Analogwertausgabe ist eine Funktion FC 1302 zu entwerfen.

Beschaltungs- und Programmstruktur:

Bild 13.5: BCD-Wert gesteuerte Analogwertausgabe

Analogausgabebaustein FC 1302:

Übergabeparameter: Beschreibung der Parameter:

REAW REAL Auszugebender Spannungswert von –10.0 bis + 10.0

AA INT Ausgabewert für den Analogausgang

Das Programm des Ausgabebausteins FC 1302 wandelt die Eingangsvariable „REAW“ (vorzeichenbe-haftete Gleitpunktzahlenwerte) in eine vorzeichenbehaftete Integer-Zahl um (mit der Darstellung von negativen Zahlen im Zweierkomplement). Dabei muss eine Bereichsumrechnung (Normierung) erfolgen, welche sich über einen „Dreisatz“ aus dem Eingangszahlenbereich von –10.0 bis +10.0 und dem Aus-gangszahlenbereich –27648 bis 27648 ergibt. Das Ergebnis der Berechnung wird dem Funktionsausgang AA zugewiesen, der mit dem SPS-Ausgang PAW 336 beschaltet wird.


Für die Bereichsumwandlung

REAW (REAL) AA (INT) Analog-Ausgang

10.0 bis 10.0 – 27648 bis 27648 –10 V bis 10 V

ergibt sich folgende Berechnungsformel:

REAW8,7642REAW0.10

64827AA .

Diese Berechnungsformel wird in der Funktion FC 1302 umgesetzt.

Lösung in STEP 7

STEP 7 Programm (AWL-Quelle) der Funktion FC 1302:

VAR_INPUT REAW : REAL ; END_VAR VAR_OUTPUT AA : INT ; END_VAR

BEGIN L #REAW; L 2.764000e+003; *R ; RND ; T #AA; END_FUNCTION

Aufruf der Bausteine im OB 1 im freigrafischen Funktionsplan:

Lösung in CoDeSys

CoDeSys Programm AWL der Funktion FC 1302:

FUNCTION FC1302 :INT VAR_INPUT REAW:REAL; END_VAR

LD REAW MUL 2764.8 LREAL_TO_INT ST FC1302

Aufruf der Bausteine im PLC_PRG in der Programmiersprache CFC:

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13 Grundlagen der Analogwertverarbeitung · 2018. 10. 12. · 13.2 SPS-Analogbaugruppen 477 13.2.5 Signalarten und Messbereiche der Analogeingänge Bei Analogeingabebaugruppen der