西门子数字 输入模块6ES71316TF000CA0

发布时间:2017-07-28

西门子数字 输入模块6ES71316TF000CA0

6ES7131-6TF00-0CA0

SIMATIC ET 200SP, 数字 输入模块, DI 8x NAMUR 高 特性, passend 用于 BU-Typ A0, 颜色代码 CC01, Kanal-Diagnose

SIEMENS西门子上海朕锌电气设备有限公司  

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1.热电偶的概述

1.1 热电偶的工作原理
热电偶和热电阻一样,都是用来测量温度的。
热电偶是将两种不同金属或合金金属焊接起来,构成一个闭合回路,利用温差电势原理来测量温度的,当热电偶两种金属的两端有温度差,回路就会产生热电动势,温差越大,热电动势越大,利用测量热电动势这个原理来测量温度。
结构示意图如下:



图1 热电偶测量结构示意图

注意:如上图所示,热电偶是有正负极性的,所以需要确保这些导线连接到正确的极性,否则将会造成明显的测量误差
为了保证热电偶可靠、稳定地工作,安装要求如下:
① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;
③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离;
⑤ 热电偶对于外界的干扰比较敏感,因此安装还需要考虑屏蔽的问题。

1.2 热电偶与热电阻的区别

属性热电阻热电偶
信号的性质电阻信号电压信号
测量范围低温检测高温检测
材料一种金属材料(温度敏感变化的金属材料)双金属材料在(两种不同的金属,由于温度的变化,在两个不同金属的两端产生电动势差)
测量原理电阻随温度变化的性质来测量基于热电效应来测量温度
补偿方式 3线制和4线制接线内部补偿和外部补偿
电缆接点要求电阻直接接入可以更的避免线路的的损耗要通过补偿导线直接接入到模板;或补偿导线接到参比接点,然后用铜制导线接到模板

表1 热电偶与热电阻的比较


2. 热电偶的类型和可用模板

2.1热电偶类型
根据使用材料的不同,分不同类型的热电偶,以分度号区分,分度号代表温度范围,且代表每种分度号的热电偶具体温度输出毫伏的电压,热电偶的分度号有主要有以下几种。

分度号温度范围(℃)两种金属材料
B型0~1820铂铑—铂铑
C型0~2315钨3稀土—钨26 稀土
E型-270~1000镍铬—铜镍
J型-210~1200铁—铜镍
K型 -270~1372镍铬—镍硅
L型-200~900铁—铜镍
N型-270~1300镍铬硅—镍硅
R型-50~1769铂铑—铂
S型-50~1769铂铑—铂
T型-270~400铜—铜镍
U型 -270~600铜—铜镍

 表2 分度号对照表

 

2.2可用的模板

CPU类型模板类型支持热电偶类型
S7-3006ES7 331-7KF02-0AB0(8点)E,J,K,L,N
6ES7 331-7KB02-0AB0(2点) E,J,K,L,N
6ES7 331-7PF11-0AB0(8点)B,C,E,J,K,L,N,R,S,T,U
S7-4006ES7 431-1KF10-0AB0(8点)B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
6ES7 431-7QH00-0AB0(16点)B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
6ES7 431-7KF00-0AB0(8点)B,E,J,K,L,N,R,S,T,U

表3 S7 300/400 支持热电偶的模板及对应热电偶类型


3. 热电偶的补偿接线

3.1 补偿方式
热电偶测量温度时要求冷端的温度保持不变,这样产生的热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时冷端的环境温度变化,将严重影响测量的准确性,所以需要对冷端温度变化造成的影响采取一定补偿的措施。
由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到控制仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本可以用补偿导线延伸冷端到温度比较稳定的控制室内,但补偿导线的材质要和热电偶的导线材质相同。热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度变化造成的影响,补偿方式见下表。

温度补偿方式说 明接 线
内部补偿使用模板的内部温度为参比接点进行补偿,再由模板进行处理。直接用补偿导线连接热电偶到模拟量模板输入端。
外部补偿补偿盒使用补偿盒采集并补偿参比接点温度,不需要模板进行处理。可以使用铜质导线连接参比接点和模拟量模板输入端。
热电阻使用热电阻采集参比接点温度,再由模板进行处理。
如果参比接点温度恒定可以不要热电阻参考

表4 各类补偿方式

 

3.2各补偿方式接线

3.2.1内部补偿
内部补偿是在输入模板的端子上建立参比接点,所以需要将热电偶直接连接到模板的输入端,或通过补偿导线间接的连接到输入端。每个通道组必须接相同类型的热电偶,连接示意图如下。

CPU类型支持内部补偿模板类型可连接热电偶个数
S7-3006ES7 331-7KF02-0AB0多8个(4种类型,同通道组必须相同)
6ES7 331-7KB02-0AB0多2个(1种类型,同通道组必须相同)
6ES7 331-7PF11-0AB0多8个(8种类型)
S7-4006ES7 431-7KF00-0AB0多8个(8种类型)

表5 支持内部补偿的模板及可接热电偶个数



图2 内部补偿接线

注1:模板6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接补偿端COMP+(10)和Mana(11),其它模板无。

3.2.2 外部补偿—补偿盒
补偿盒方式是通过补偿盒获取热电偶的参比接点的温度,但补偿盒必须安装在热电偶的参比接点处。
补偿盒必须单独供电,电源模块必须具有充分的噪声滤波功能,例如使用接地电缆屏蔽。
补偿盒包含一个桥接电路,固定参比接点温度,如果实际温度与补偿温度有偏差,桥接热敏电阻会发生变化,产生正的或者负的补偿电压叠加到测量电势差信号上,从而达到补偿调节的目的。
补偿盒采用参比接点温度为0℃的补偿盒,使用西门子带集成电源装置的补偿盒,订货号如下表。

使用的补偿盒订货号
带有集成电源装置的参比端,用于导轨安装M72166-V V V V V
辅助电源B1230VAC
B2110VAC
B324VAC
B424VDC
连接到热电偶1 L型
2J型
3K型
4S型
5R型
6U型
7T型
参考温度000℃

表6 西门子参比接点的补偿盒订货数据



图3 S7-300模板支持接线方式

图3 类型:热电偶通过补偿导线连接到参比接点,再用铜质导线连接参比接点和模板的输入端子构成回路,同时由一个补偿盒对模板连接的所有热电偶进行公共补偿,补偿盒的9,8端子连接到模板的补偿端COMP+(10)和Mana(11),所以模板的所有通道必须连接同类型的热电偶。


图4 S7-400模板支持接线方式

图4 类型:模板的各个通道单独连接一个补偿盒,补偿盒通过热电偶的补偿导线直接连接到模板的输入端子构成回路,所以模板的每个通道都可以使用模板支持类型的热电偶,但是每个通道都需要补偿盒。

CPU类型支持外部补偿盒补偿模板类型可连接热电偶个数
S7-3006ES7 331-7KF02-0AB0多8个(同类型)
6ES7 331-7KB02-0AB0多2个(同类型)
S7-4006ES7 431-1KF10-0AB0多8个(类型可不同)
6ES7 431-7QH00-0AB0多16个(类型可不同)

表7 支持外部补偿盒补偿的模板及可接热电偶个数

 

3.2.3 外部补偿—热电阻
热电阻方式是通过外接电阻温度计获取热电偶的参比接点的温度,再由模板处理然后进行温度补偿,同样热电阻必须安装在热电偶的参比接点处。


图5 S7-300模板支持方式

图5类型:参比接点电阻温度计pt100的四根线接到模板的35,36,37,38端子,对应(M+,M-,I+,I-),可测参比接点出温度范围为-25℃到85℃,


图6 S7-400模板支持方式

图6类型:参比接点电阻温度计的四根线接到模板的通道0,占用通道。
以上这两种方式,参比接点到模板的线可以用铜质导线,由于做公共补偿,只能接同类型的热电偶。

CPU类型支持热电阻补偿模板类型可连接热电偶个数
S7-3006ES7 331-7PF11-0AB0多8个(同类型)
S7-4006ES7 431-1KF10-0AB0多6个(同类型)
6ES7 431-7QH00-0AB0多14个(同类型)

表8 支持热电阻补偿的模板及可接热电偶个数

 

3.2.4外部补偿—固定温度
如果外部参比接点的温度已知且固定,可以通过选择相应的补偿方式由模板内部处理补偿,组态设置详见下章节。

CPU类型支持固定温度补偿模板类型可连接热电偶个数可设定温度范围
S7-300 6ES7 331-7PF11-0AB0多8个(同类型)0℃或50℃
S7-4006ES7 431-1KF10-0AB0多8个(同类型)-273.15℃~327.67℃
6ES7 431-7QH00-0AB0多16个(同类型)-273.15℃~327.67℃
6ES7 431-7KF00-0AB0多8个(同类型)-273.15℃~327.67℃

表9支持固定温度补偿的模板及可接热电偶个数

从上表可以看出,300的模板只支持参比接点的温度为0℃或50℃两种,而400的模板支持可变温度范围,且范围大。

3.2.4混合补偿—热电阻和固定温度补偿
另外,除单独补偿方式外,可以使用相同参比接点给多个模板,通过电阻温度计进行外部补偿,S7-400的模板支持这种方式,补偿示意图如下。


图7 混合外部补偿

补偿过程:如图所示,模板2和1 有公共的参比接点,模板1进行外部电阻温度计补偿方式,由CPU读取RTD的温度,然后使用系统功能SFC55(WR_PARM)将温度值写入到模板2中,模板2选择固定温度补偿的方式。
SFC55只能对模板的动态参数进行修改,模拟量输入模板的静态参数(数据记录0)和动态参数(数据记录1)的参数及数据记录1的结构如下:

参数数据记录号参数分配方式
SFC55STEP7
用于中断的目标CPU0
测量方法0
测量范围0
诊断0
温度单位0
温度系统0
噪声抑制0
滤波0
参比接点0
周期结束中断0
诊断中断启用1
硬件中断启用1
参考温度1
上限1
下限1

表10 S7-400模拟量输入模板的参数

 



图8 S7-400模拟量输入模板的数据记录1的结构

 

以6ES7 431-7QH00-0AB0 模拟量输入模板为例,程序块SFC55调用:



图9 SFC55系统块调用

当M0.0上升沿使能时,将写入的参数从MB100~MB166传递到输入地址为100开始的模板,修改其数据记录1的参数,同时也将参比接点的温度也写入模板的设定位置。

参数声明数据类型描述
REQINPUTBOOLREQ=1,写请求,上升沿信号。
IOIDINPUTBYTE地址区域的标识号:外设输入=B#16#54;
                                    外设输出=B#16#55;
外设输入/输出混合,如果地址相同,为B#16#54,不同则低地址的区域ID。
LADDR INPUTWORD模板的逻辑地址(初始地址),如果混合模板,两个地址中的较低的一个。
RECNUM INPUTBYTE数据记录号,参考模板数据手册。
RECORD INPUTANY需要传送的数据记录存放区。
RET_VALOUTPUTINT故障代码。
BUSYOUTPUTBOOLBUSY=1,写操作未完成。

表11 各参数的说明


4. 热电偶的信号处理方式

4.1 硬件组态设置
首先要在硬件组态选择与外部补偿接线一致的measuring type(测量类型),measuring range(测量范围),reference junction(参比接点类型)和reference temperature(参比接点温度)的参数,如下各图所示。


图10 S7-300模板测量方式示意图

 


图11 S7-300模板测量范围示意图

对于S7-300的模板,组态如图10和11所示,只需要选择测量类型和测量范围(分度类型),补偿方式包含在测量类型中。比如: 参比接点固定温度补偿方式,测量类型选择 TC-L00C(参比接点温度固定为0℃) 或 TC-L50C(参比接点温度固定为50℃),再选择分度类型,组态就完成。



图12 S7-400模板组态图1



图13 S7-400模板组态图2

对于S7-400的模板,组态如图12和13所示,测量类型中选择TC-L方式,测量范围中选择与实际热电偶类型一致的分度号,参比接点的选择。比如:参比接点固定温度的方式,测量类型和测量范围选择完后,在参比接点选择ref.temp(参考温度),然后在reference temperature框(参考温度)内填写参比接点的固定,组态就完成,或者是共享补偿方式,可以用SFC55动态传输温度参数。

400模板组态中Reference junction 参数说 明
none无补偿
internet模板内部补偿
Ref. temp参比接点温度固定已知补偿

表12 参比接点参数说明


4.2 测量方式和转换处理

CPU类型测量方法说 明
300CPUTC-I内部补偿
TC-E外部补偿
TC-IL线性,内部补偿
TC-EL线性,外部补偿
TC-L00C 线性,参比接点温度保持在0°C
TC-L50C 线性,参比接点温度保持在50°C

400CPUTC-L 线性

表13 测量方式各参数的说明及处理


注:测量方式中:I :内部补偿,E:外部补偿,L:线性处理。

线性化方式(TC-IL/EL/L00C/L50C/L)
线性化方式下,由模板内部根据所选择的热电偶类型的特性进行线性处理,可以使用L PIW xxx 直接读入,则将获得十进制的温度值,精度为0.1。例如:读进来的 十进制值为2345,则对应的温度值为234.5℃。
非线性化方式(TC-I/E)
对于非线性化的设置,此设置类似80Mv的电压测量,CPU得到的是0~27648之间的一个十进制数值,即0~80Mv 对应0~27648,需要转换成相应Mv信号,然后通过对照表查找温度。
综上所述,如果想得到所测的温度值,选择线性化方式的设置比较方便;如果仅需要得到Mv信号,可以选择非线性化方式的设置。

与称重变送器和称重仪表不同,SIWAREX系列称重模块可以直接接收称重传感器输出的mV信号,并与西门子控制系统(包括S7 200/300/1200/ET200M/ ET200S)无缝集成,具有扩展灵活、精度高、响应速度快等优点。SIWAREX系列称重模块其设计用于各种工业环境,具备很高的抗干扰能力,但是为了保证模块运行可靠,在安装接线等方面必须要规范操作。


图1 SIWAREX集成化解决方案替代称重变送器/仪表

EMC即电磁兼容性,描述了电气设备在特定的电磁环境下,既不受到电磁环境的影响,也不会对周围环境产生影响的能力。在系统安装之前,一定要执行EMC设计规范,分析各种可能存在的干扰源。

电磁干扰可以通过以下几种方式干扰到控制系统和称重模块的正常工作:
(1) 电磁场直接作用于控制系统;
(2) 通过现场总线引入干扰,如PROFIBUS DP;
(3) 通过过程信号电缆引入干扰;
(4) 通过电源或者保护地引入干扰;

根据传输介质(导电还是非导电)以及干扰源与设备之间的距离,干扰信号可以通过四种耦合方式进入到控制系统:
(1) 电导耦合
(2) 电容耦合
(3) 电感耦合
(4) 辐射耦合

安装接线注意事项

原则1:接地面积要大
安装自动化设备时,不可动的金属部件要接地,接地面积要大,接地电阻要小,比如通过扁钢、铜排、截面积比较大的电缆等。喷漆或者阳极化处理的金属部件,通过螺丝接地时,需要通过专门的接地片或者去掉接触面的防腐层。因为铝很容易氧化,不适宜作为接地材料。


图2 接地铜排及电缆

原则2:电缆敷设要分类
在敷设电缆时,将其按照主电源线、电源线、信号线、现场总线等进行分类,电源线与信号线一定要走不同的穿线管或者走线槽,信号线尽可能贴着支撑梁、金属导轨、机柜背板等走线。


原则3:等电势体
创建等电势体,并将系统内的所有电气设备都通过等电势体连接到大地。对于防爆应用场合,必须建立等电势体。


原则4:电缆屏蔽层要连接
称重模块与传感器之间使用西门子提供的电缆,如图3所示。
电缆型号:Li2Y 1 x 2 x 0.75 ST + 2 x (2 x 0.34 ST) – CY
订货号: 非防爆 7MH4702-8AG 防爆 7MH4702-8AF
注意:如果使用第三方电缆,请使用两两双绞屏蔽,外面还要有一层屏蔽的双屏蔽电缆:


图3 称重模块与传感器之间连接电缆

当传感器与称重模块之间距离很远时,在有等电势体的前提下,建议屏蔽层在接线盒和模块处均大面积接地,如下图所示:

在模块侧电缆的屏蔽层压直接压在屏蔽安装单元上,如下图所示:


图4 电缆屏蔽层的连接

原则5 各种屏蔽连接单元的使用
在称重模块侧,称重传感器电缆的屏蔽层通过各种屏蔽连接元件与安装背板或者导轨进行大面积连接。
对于S7 200中使用的SIWAREX MS模块其屏蔽连接端子如下图所示,订货号:6ES5728-8MA11,每包10个。


图5 SIWAREX MS屏蔽连接端子

对于SIWAREX U、SIWAREX FTC和SIWAREX FTA模块,屏蔽连接元件和屏蔽连接端子需要配合使用,其中:
屏蔽连接单元,订货号:6ES7390-5AA00-0AA0,可供两个SIWAREX U 使用,(对于SIWAREX FTC和SIWAREX FTA模块一个连接单元只能连接一个模块。)
屏蔽连接端子,订货号:6ES7390-5CA00-0AA0,每包两个,适合线径为4 到13mm 的传感器电缆。

西门子双芯现场总线接头


图6 SIWAREX U/FTA/FTC屏蔽连接单元及端子

对于SIWAREX CS模块
屏蔽连接元件,订货号:6ES7193-4GA00-0AA0,每包5个;
屏蔽连接端子,订货号:6ES7193-4GB00-0AA0,每包5 个;


图7 SIWAREX CS屏蔽连接单元及端子

屏蔽连接端子和单元组装后,如下图所示:


图8 SIWAREX CS屏蔽连接单元及端子装配图

原则6:接线盒的选择
当一台秤使用多个称重传感器时,传感器电缆必须通过接线盒将电缆进行并联。西门子提供的接线盒,有不锈钢和铝两种材质,外壳喷漆处理,如下图所示。盒子上面有4个进线空,下面有一个出线孔,即多允许四个传感器并联。
订货号: 不锈钢材质 7MH4710-1EA 铝材质 7MH4710-1BA


图9 西门子称重传感器接线盒

接线盒的电缆密封格兰头内有4个金属片,当电缆从该格兰头穿过时,电缆的屏蔽层通过四个金属片压紧,并与金属格兰头大面积接触,而金属格兰头与接线盒壳体是导通的,这样连到接线盒上的所有传感器的屏蔽层通过金属壳体导通,而且导通电阻非常小。


图10 接线盒电缆密封格兰头

 


图11 电缆屏蔽层通过电缆密封格兰头内金属片压紧图

在有等电势体的情况下,接线盒可以通过其接地端子进行接地。该接地端子与电缆密封格兰及壳体都是连通的。


图12 接线盒接地端子

注意:如果需用第三方接线盒,要求接线盒的壳体及其电缆密封格兰都必须是金属的。

EMC问题通常会引起称重模块的SF指示灯亮或者重量显示错误,通常可以检查下列几点:

(1) 在称重模块侧,电缆屏蔽层是否通过各种屏蔽连接元件接地;
(2) 在接线盒处,电缆屏蔽层是否通过接线盒的金属密封格兰与接线盒连接,而不是将屏蔽层连接到内部端子上;
(3) 称重传感器接地电缆,截面积大于16mm2,这样可以一定程度上防止现场电焊等操作造成传感器过电流损坏。如果从西门子采购,该电缆订货号为7MH3701-1 AA1


图13 称重传感器接地电缆

(4) 电缆屏蔽层接地点是否等电势,等电势体的截面积是否足够大。
(5) 称重模块与传感器之间的连接电缆与电源或者电机(尤其变频器控制的电机)的动力电缆距离是否太近了。
(6) 检查控制柜中称重模块与变频器或者它的的电缆太近了。
(7) 继电器、开关或者电磁阀门是否有保护电路,或者保护电路是否工作正常。
(8) 24V供电电源也可能引起模块故障。在这种情况下,24V电源可以并联稳压二极管,1N6285的效果就很好,击穿电压不高于34V。
(9) 在某些特殊场合还可能用到滤波器。经过测试EPCOS的SIFI-B或D型滤波器效果很好。如果故障来源于传感器电缆,那么EXC、SENSE和SIG各需要一个滤波器。

西门子MM变频器
6SE64402UC112AA1
6SE64402UC125AA1
6SE64402UC137AA1
6SE64402UC155AA1
6SE64402UC175AA1
6SE64402UC211BA1
6SE64402UC215BA1
6SE64402UC222BA1
6SE64402UC230CA1
6SE64402UC240CA1
6SE64402UC255CA1
6SE64402UC275DA1
6SE64402UC311DA1
6SE64402UC315DA1
6SE64402UC318EA1
6SE64402UC322EA1
6SE64402UC330FA1
6SE64402UC337FA1
6SE64402UC345FA1
6SE64402UD137AA1
6SE64402UD155AA1
6SE64402UD175AA1
6SE64402UD211AA1
6SE64402UD215AA1
6SE64402UD222BA1
6SE64402UD230BA1
6SE64402UD240BA1
6SE64402UD255CA1
6SE64402UD275CA1
6SE64402UD311CA1
6SE64402UD315DA1
6SE64402UD315DB1
6SE64402UD318DA1
6SE64402UD318DB1
6SE64402UD322DA1
6SE64402UD322DB1
6SE64402UD330EA1
6SE64402UD330EB1
6SE64402UD337EA1
6SE64402UD337EB1
6SE64402UD345FA1
6SE64402UD345FB1
6SE64402UD355FA1
6SE64402UD355FB1
6SE64402UD375FA1
6SE64402UD375FB1
6SE64402UD388FA1
6SE64402UD388FB1
6SE64402UD411FA1
6SE64402UD411FB1
6SE64402UD413GA1
6SE64402UD413GB1
6SE64402UD416GA1
6SE64402UD416GB1
6SE64402UD420GA1
6SE64402UD420GB1
6SE64402UE175CA1
6SE64402UE215CA1
6SE64402UE222CA1
6SE64402UE240CA1
6SE64402UE255CA1
6SE64402UE275CA1
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6SE64402UE315DA1
6SE64402UE318DA1
6SE64402UE322DA1
6SE64402UE330EA1
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6SE64402UE345FA1
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6SE64402AB112AA1
6SE64402AB125AA1
6SE64402AB137AA1
6SE64402AB155AA1
6SE64402AB175AA1
6SE64402AB211BA1
6SE64402AB215BA1
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6SE64402AC240CA1
6SE64402AC255CA1
6SE64402AD222BA1
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