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S7-200 SMART，EM AT04，熱電偶輸入模塊，4 通道
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西門子6ES7288-3AT04-0AA0熱電偶模塊代理商
S7-200 SMART，EM AT04，熱電偶輸入模塊，4 通道
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S7-300/400 熱電偶的接線及信號處理
1.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(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1 熱電偶測量結(jié)構(gòu)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(wěn)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(yīng)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(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)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(qū)別
| 屬性 | 熱電阻 | 熱電偶 |
| 信號的性質(zhì) | 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(chǎn)生電動勢差） |
| 測量原理 | 電阻隨溫度變化的性質(zhì)來測量 | 基于熱電效應(yīng)來測量溫度 |
| 補償方式 | 3線制和4線制接線 | 內(nèi)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(jù)使用材料的不同，分不同類型的熱電偶，以分度號區(qū)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(yīng)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(chǎn)生的熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時冷端的環(huán)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?shù)拇胧?br />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(jié)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(wěn)定的控制室內(nèi)，但補償導線的材質(zhì)要和熱電偶的導線材質(zhì)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(nèi)部補償 | 使用模板的內(nèi)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(zhì)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(nèi)部補償
內(nèi)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(nèi)部補償模板類型 | 可連接熱電偶個數(shù) |
| 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(nèi)部補償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
圖2 內(nèi)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(fā)生變化，產(chǎn)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(diào)節(jié)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 | ||
| B4 | 24VDC | ||
| 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(shù)據(jù)
圖3 S7-300模板支持接線方式
圖3 類型：熱電偶通過補償導線連接到參比接點，再用銅質(zhì)導線連接參比接點和模板的輸入端子構(gòu)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(gòu)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(shù) |
| 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?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
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(yīng)（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(zhì)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(shù) |
| 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 支持熱電阻補償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
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(yīng)的補償方式由模板內(nèi)部處理補償，組態(tài)設(shè)置詳見下章節(jié)。
| CPU類型 | 支持固定溫度補償模板類型 | 可連接熱電偶個數(shù) | 可設(shè)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℃ |
表9支持固定溫度補償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
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。
圖7 混合外部補償
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(tǒng)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?shù)姆绞健?br />SFC55只能對模板的動態(tài)參數(shù)進行修改，模擬量輸入模板的靜態(tài)參數(shù)（數(shù)據(jù)記錄0）和動態(tài)參數(shù)（數(shù)據(jù)記錄1）的參數(shù)及數(shù)據(jù)記錄1的結(jié)構(gòu)如下：
| 參數(shù) | 數(shù)據(jù)記錄號 | 參數(shù)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(tǒng) | 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(jié)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 |
表10 S7-400模擬量輸入模板的參數(shù)
圖8 S7-400模擬量輸入模板的數(shù)據(jù)記錄1的結(jié)構(gòu)
以6ES7 431-7QH00-0AB0 模擬量輸入模板為例，程序塊SFC55調(diào)用：
圖9 SFC55系統(tǒng)塊調(diào)用
當M0.0上升沿使能時，將寫入的參數(shù)從MB100~MB166傳遞到輸入地址為100開始的模板，修改其數(shù)據(jù)記錄1的參數(shù)，同時也將參比接點的溫度也寫入模板的設(shè)定位置。
| 參數(shù) | 聲明 | 數(shù)據(jù)類型 | 描述 |
| REQ | INPUT | BOOL | REQ=1，寫請求，上升沿信號。 |
| IOID | INPUT | BYTE | 地址區(qū)域的標識號：外設(shè)輸入=B#16#54； 外設(shè)輸出=B#16#55； 外設(shè)輸入/輸出混合，如果地址相同，為B#16#54，不同則最低地址的區(qū)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(shù)據(jù)記錄號，參考模板數(shù)據(jù)手冊。 |
| RECORD | INPUT | ANY | 需要傳送的數(shù)據(jù)記錄存放區(qū)。 |
| RET_VAL | OUTPUT | INT | 故障代碼。 |
| BUSY | OUTPUT | BOOL | BUSY=1，寫操作未完成。 |
表11 各參數(shù)的說明
4. 熱電偶的信號處理方式
4.1 硬件組態(tài)設(shè)置
首先要在硬件組態(tài)選擇與外部補償接線*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(shù)，如下各圖所示。
圖10 S7-300模板測量方式示意圖
圖11 S7-300模板測量范圍示意圖
對于S7-300的模板，組態(tài)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(tài)就完成。
圖12 S7-400模板組態(tài)圖1
圖13 S7-400模板組態(tài)圖2
對于S7-400的模板，組態(tài)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*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(nèi)填寫參比接點的固定，組態(tài)就完成，或者是共享補償方式，可以用SFC55動態(tài)傳輸溫度參數(shù)。
| 400模板組態(tài)中Reference junction 參數(shù) | 說 明 |
| none | 無補償 |
| internet | 模板內(nèi)部補償 |
| Ref. temp | 參比接點溫度固定已知補償 |
表12 參比接點參數(shù)說明
4.2 測量方式和轉(zhuǎn)換處理
| CPU類型 | 測量方法 | 說 明 |
| 300CPU | TC-I | 內(nèi)部補償 |
| TC-E | 外部補償 | |
| TC-IL | 線性，內(nèi)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 |
表13 測量方式各參數(shù)的說明及處理
注：測量方式中：I ：內(nèi)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(nèi)部根據(jù)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(yīng)的溫度值為234.5℃。
非線性化方式（TC-I/E）
對于非線性化的設(shè)置，此設(shè)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(shù)值，即0~80Mv 對應(yīng)0~27648，需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shè)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(shè)置。
關(guān)鍵詞
熱電偶，模擬量輸入模板，補償，接線