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西門子PLC關于熱電偶的接線及信號處理
熱電偶的概述
1.1 熱電偶的工作原理
熱電偶和熱電阻一樣，都是用來測量溫度的。
熱電偶是將兩種不同金屬或合金金屬焊接起來，構成一個閉合回路，利用溫差電勢原理來測量溫度的，當熱電偶兩種金屬的兩端有溫度差，回路就會產生熱電動勢，溫差越大，熱電動勢越大，利用測量熱電動勢這個原理來測量溫度。
結構示意圖如下：
圖1 熱電偶測量結構示意圖
注意：如上圖所示，熱電偶是有正負極性的，所以需要確保這些導線連接到正確的極性，否則將會造成明顯的測量誤差
為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，安裝要求如下：
① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；
② 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；
③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離；
⑤ 熱電偶對于外界的干擾比較敏感，因此安裝還需要考慮屏蔽的問題。
1.2 熱電偶與熱電阻的區別
屬性
熱電阻
熱電偶
信號的性質
電阻信號
電壓信號
測量范圍
低溫檢測
高溫檢測
材料
一種金屬材料（溫度敏感變化的金屬材料）
雙金屬材料在（兩種不同的金屬，由于溫度的變化，在兩個不同金屬的兩端產生電動勢差）
測量原理
電阻隨溫度變化的性質來測量
基于熱電效應來測量溫度
補償方式
3線制和4線制接線
內部補償和外部補償
電纜接點要求
電阻直接接入可以更精確的避免線路的的損耗
要通過補償導線直接接入到模板；或補償導線接到參比接點，然后用銅制導線接到模板
表1 熱電偶與熱電阻的比較
2. 熱電偶的類型和可用模板
2.1熱電偶類型
根據使用材料的不同，分不同類型的熱電偶，以分度號區分，分度號代表溫度范圍，且代表每種分度號的熱電偶具體多少溫度輸出多少毫伏的電壓，熱電偶的分度號有主要有以下幾種。
分度號
溫度范圍(℃)
兩種金屬材料
B型
0~1820
鉑銠—鉑銠
C型
0~2315
鎢3稀土—鎢26 稀土
E型
-270~1000
鎳鉻—銅鎳
J型
-210~1200
鐵—銅鎳
K型
-270~1372
鎳鉻—鎳硅
L型
-200~900
鐵—銅鎳
N型
-270~1300
鎳鉻硅—鎳硅
R型
-50~1769
鉑銠—鉑
S型
-50~1769
鉑銠—鉑
T型
-270~400
銅—銅鎳
U型
-270~600
銅—銅鎳
表2 分度號對照表
2.2可用的模板
CPU類型
模板類型
支持熱電偶類型
S7-300
6ES7 331-7KF02-0AB0（8點）
E,J,K,L,N
6ES7 331-7KB02-0AB0（2點）
E,J,K,L,N
6ES7 331-7PF11-0AB0（8點）
B,C,E,J,K,L,N,R,S,T,U
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0（8點）
B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
6ES7 431-7QH00-0AB0（16點）
B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
6ES7 431-7KF00-0AB0（8點）
B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
表3 S7 300/400 支持熱電偶的模板及對應熱電偶類型
3. 熱電偶的補償接線
3.1 補償方式
熱電偶測量溫度時要求冷端的溫度保持不變，這樣產生的熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時冷端的環境溫度變化，將嚴重影響測量的準確性，所以需要對冷端溫度變化造成的影響采取一定補償的措施。
由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到控制儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本可以用補償導線延伸冷端到溫度比較穩定的控制室內，但補償導線的材質要和熱電偶的導線材質相同。熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度變化造成的影響，補償方式見下表。
溫度補償方式
說 明
接 線
內部補償
使用模板的內部溫度為參比接點進行補償，再由模板進行處理。
直接用補償導線連接熱電偶到模擬量模板輸入端。
外部補償
補償盒
使用補償盒采集并補償參比接點溫度，不需要模板進行處理。
可以使用銅質導線連接參比接點和模擬量模板輸入端。
熱電阻
使用熱電阻采集參比接點溫度，再由模板進行處理。
如果參比接點溫度恒定可以不要熱電阻參考
表4 各類補償方式
3.2各補償方式接線
3.2.1內部補償
內部補償是在輸入模板的端子上建立參比接點，所以需要將熱電偶直接連接到模板的輸入端，或通過補償導線間接的連接到輸入端。每個通道組必須接相同類型的熱電偶，連接示意圖如下。
CPU類型
支持內部補償模板類型
可連接熱電偶個數
S7-300
6ES7 331-7KF02-0AB0
最多8個（4種類型，同通道組必須相同）
6ES7 331-7KB02-0AB0
最多2個（1種類型，同通道組必須相同）
6ES7 331-7PF11-0AB0
最多8個（8種類型）
S7-400
6ES7 431-7KF00-0AB0
最多8個（8種類型）
表5 支持內部補償的模板及可接熱電偶個數
圖2 內部補償接線
注1：模板6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接補償端COMP+(10)和Mana(11)，其它模板無。
3.2.2 外部補償—補償盒
補償盒方式是通過補償盒獲取熱電偶的參比接點的溫度，但補償盒必須安裝在熱電偶的參比接點處。
補償盒必須單獨供電，電源模塊必須具有充分的噪聲濾波功能，例如使用接地電纜屏蔽。
補償盒包含一個橋接電路，固定參比接點溫度標定，如果實際溫度與補償溫度有偏差，橋接熱敏電阻會發生變化，產生正的或者負的補償電壓疊加到測量電勢差信號上，從而達到補償調節的目的。
補償盒采用參比接點溫度為0℃的補償盒，推薦使用西門子帶集成電源裝置的補償盒，訂貨號如下表。
推薦使用的補償盒
訂貨號
帶有集成電源裝置的參比端，用于導軌安裝
M72166-V V V V V
輔助電源
B1 230VAC
B2 110VAC
B3 24VAC
B424VDC
連接到熱電偶
1 L型
2 J型
3 K型
4 S型
5 R型
6 U型
7 T型
參考溫度
00
0℃
表6 西門子參比接點的補償盒訂貨數據
圖3 S7-300模板支持接線方式
圖3 類型：鎧裝熱電偶通過補償導線連接到參比接點，再用銅質導線連接參比接點和模板的輸入端子構成回路，同時由一個補償盒對模板連接的所有熱電偶進行公共補償，補償盒的9，8端子連接到模板的補償端COMP+(10)和Mana(11)，所以模板的所有通道必須連接同類型的熱電偶。
圖4 S7-400模板支持接線方式
圖4 類型：模板的各個通道單獨連接一個補償盒，補償盒通過熱電偶的補償導線直接連接到模板的輸入端子構成回路，所以模板的每個通道都可以使用模板支持類型的熱電偶，但是每個通道都需要補償盒。
CPU類型
支持外部補償盒補償模板類型
可連接熱電偶個數
S7-300
6ES7 331-7KF02-0AB0
最多8個（同類型）
6ES7 331-7KB02-0AB0
最多2個（同類型）
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0
最多8個（類型可不同）
6ES7 431-7QH00-0AB0
最多16個（類型可不同）
表7 支持外部補償盒補償的模板及可接熱電偶個數
3.2.3 外部補償—熱電阻
熱電阻方式是通過外接電阻溫度計獲取熱電偶的參比接點的溫度，再由模板處理然后進行溫度補償，同樣熱電阻必須安裝在熱電偶的參比接點處。
圖5 S7-300模板支持方式
圖5類型：參比接點電阻溫度計pt100的四根線接到模板的35，36，37，38端子，對應（M+，M-，I+，I-），可測參比接點出溫度范圍為-25℃到85℃，
圖6 S7-400模板支持方式
圖6類型：參比接點電阻溫度計的四根線接到模板的通道0，占用通道。
以上這兩種方式，參比接點到模板的線可以用銅質導線，由于做公共補償，只能接同類型的熱電偶。
CPU類型
支持熱電阻補償模板類型
可連接熱電偶個數
S7-300
6ES7 331-7PF11-0AB0
最多8個（同類型）
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0
最多6個（同類型）
6ES7 431-7QH00-0AB0
最多14個（同類型）
表8 支持鎧裝熱電阻補償的模板及可接熱電偶個數
3.2.4外部補償—固定溫度
如果外部參比接點的溫度已知且固定，可以通過選擇相應的補償方式由模板內部處理補償，組態設置詳見下章節。
CPU類型
支持固定溫度補償模板類型
可連接熱電偶個數
可設定溫度范圍
S7-300
6ES7 331-7PF11-0AB0
最多8個（同類型）
0℃或50℃
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0
最多8個（同類型）
-273.15℃~327.67℃
6ES7 431-7QH00-0AB0
最多16個（同類型）
-273.15℃~327.67℃
6ES7 431-7KF00-0AB0
最多8個（同類型）
-273.15℃~327.67℃
從上表可以看出，300的模板只支持參比接點的溫度為0℃或50℃兩種，而400的模板支持可變溫度范圍，且范圍大。
3.2.4混合補償—熱電阻和固定溫度補償
另外，除單獨補償方式外，可以使用相同參比接點給多個模板，通過電阻溫度計進行外部補償，S7-400的模板支持這種方式，補償示意圖如下。
補償過程：如圖所示，模板2和1 有公共的參比接點，模板1進行外部電阻溫度計補償方式，由CPU讀取RTD的溫度，然后使用系統功能SFC55(WR_PARM)將溫度值寫入到模板2中，模板2選擇固定溫度補償的方式。
SFC55只能對模板的動態參數進行修改，模擬量輸入模板的靜態參數（數據記錄0）和動態參數（數據記錄1）的參數及數據記錄1的結構如下：
參數
數據記錄號
參數分配方式
SFC55
STEP7
用于中斷的目標CPU
0
否
是
測量方法
0
否
是
測量范圍
0
否
是
診斷
0
否
是
溫度單位
0
否
是
溫度系統
0
否
是
噪聲抑制
0
否
是
濾波
0
否
是
參比接點
0
否
是
周期結束中斷
0
否
是
診斷中斷啟用
1
是
是
硬件中斷啟用
1
是
是
參考溫度
1
是
是
上限
1
是
是
下限
1
是
是
以6ES7 431-7QH00-0AB0 模擬量輸入模板為例，程序塊SFC55調用：
圖9 SFC55系統塊調用
當M0.0上升沿使能時，將寫入的參數從MB100~MB166傳遞到輸入地址為100開始的模板，修改其數據記錄1的參數，同時也將參比接點的溫度也寫入模板的設定位置。
參數
聲明
數據類型
描述
REQ
INPUT
BOOL
REQ=1，寫請求，上升沿信號。
IOID
INPUT
BYTE
地址區域的標識號：外設輸入=B#16#54；
外設輸出=B#16#55；
外設輸入/輸出混合，如果地址相同，為B#16#54，不同則地址的區域ID。
LADDR
INPUT
WORD
模板的邏輯地址（初始地址），如果混合模板，兩個地址中的較低的一個。
RECNUM
INPUT
BYTE
數據記錄號，參考模板數據手冊。
RECORD
INPUT
ANY
需要傳送的數據記錄存放區。
RET_VAL
OUTPUT
INT
故障代碼。
BUSY
OUTPUT
BOOL
BUSY=1，寫操作未完成。
表11 各參數的說明
4. 熱電偶的信號處理方式
4.1 硬件組態設置
首先要在硬件組態選擇與外部補償接線一致的measuring type（測量類型），measuring range（測量范圍），reference junction（參比接點類型）和reference temperature（參比接點溫度）的參數，如下各圖所示。
對于S7-300的模板，組態如圖10和11所示，只需要選擇測量類型和測量范圍（分度類型），補償方式包含在測量類型中。比如：參比接點固定溫度補償方式，測量類型選擇 TC-L00C（參比接點溫度固定為0℃） 或 TC-L50C（參比接點溫度固定為50℃），再選擇分度類型，組態就完成。
對于S7-400的模板，組態如圖12和13所示，測量類型中選擇TC-L方式，測量范圍中選擇與實際熱電偶類型一致的分度號，參比接點的選擇。比如：參比接點固定溫度的方式，測量類型和測量范圍選擇完后，在參比接點選擇ref.temp（參考溫度），然后在reference temperature框（參考溫度）內填寫參比接點的固定，組態就完成，或者是共享補償方式，可以用SFC55動態傳輸溫度參數。
400模板組態中Reference junction 參數
說 明
none
無補償
internet
模板內部補償
Ref. temp
參比接點溫度固定已知補償
4.2 測量方式和轉換處理
CPU類型
測量方法
說 明
300CPU
TC-I
內部補償
TC-E
外部補償
TC-IL
線性，內部補償
TC-EL
線性，外部補償
TC-L00C
線性，參比接點溫度保持在0°C
TC-L50C
線性，參比接點溫度保持在50°C
400CPU
TC-L 線性
注：測量方式中：I ：內部補償，E：外部補償，L：線性處理。
線性化方式（TC-IL/EL/L00C/L50C/L）
線性化方式下，由模板內部根據所選擇的熱電偶類型的特性進行線性處理，可以使用L PIW xxx 直接讀入，則將獲得十進制的溫度值，精度為0.1。例如：讀進來的 十進制值為2345，則對應的溫度值為234.5℃。
非線性化方式（TC-I/E）
對于非線性化的設置，此設置類似80Mv的電壓測量，CPU得到的是0~27648之間的一個十進制數值，即0~80Mv 對應0~27648，需要轉換成相應Mv信號，然后通過對照表查找溫度。
綜上所述，如果想得到所測的溫度值，選擇線性化方式的設置比較方便；如果僅需要得到Mv信號，可以選擇非線性化方式的設置。
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