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1、S7-300/400 热电偶的接线及信号处理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：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路
2、；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离；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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 17 页 -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精确的避免线路的的损耗要
3、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 17 页 -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多少温度输出多少毫伏的电压，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01820 铂铑铂铑C 型02315 钨 3稀土钨 26 稀土E 型-2701000 镍铬铜镍J型-2101200 铁铜镍K 型-2701372 镍铬镍硅L 型-200900 铁铜镍
4、N 型-2701300 镍铬硅 镍硅R 型-501769 铂铑铂S型-501769 铂铑铂T 型-270400 铜铜镍U 型-270600 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S7-300 6ES7 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 S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0（8 点）B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 6ES7 431-7QH00-0AB0（
5、16点）B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 17 页 -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
6、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
7、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 各类补偿方式名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 17 页 -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S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0 最多 8 个（4 种类型，同通道组必须相同）6ES7 331-7KB02-0AB0 最多 2 个（1 种类型，同通道组必须相同）6ES7 331-7
8、PF11-0AB0 最多 8 个（8 种类型）S7-400 6ES7 431-7KF00-0AB0 最多 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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 17 页 -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
9、如使用接地电缆屏蔽。补偿盒包含一个桥接电路，固定参比接点温度标定，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，推荐使用西门子带集成电源装置的补偿盒，订货号如下表。推荐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B1 230VAC B2 110VAC B3 24VAC B4 24VDC 连接到热电偶1 L 型2 J型3 K 型4 S型5 R 型6 U 型7 T 型参考温度00 0表 6 西门子参比接点的补偿盒订货数据名师资料总
10、结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 17 页 -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。名师资料
11、总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 17 页 -CPU 类型支持外部补偿盒补偿模板类型可连接热电偶个数S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0 最多 8 个（同类型）6ES7 331-7KB02-0AB0 最多 2 个（同类型）S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多 8 个（类型可不同）6ES7 431-7QH00-0AB0 最多 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
12、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，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 17 页 -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S7-300 6ES7 331-7PF11-0AB0 最多 8 个（同类型）S7-
13、400 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多 6 个（同类型）6ES7 431-7QH00-0AB0 最多 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 最多 8 个（同类型）0或 50S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多 8 个（同类型）-273.15327.676ES7 431-7QH00-0AB0
14、 最多 16 个（同类型）-273.15327.67名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 17 页 -6ES7 431-7KF00-0AB0 最多 8 个（同类型）-273.15327.67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
15、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SFC55 STEP7 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 17 页 -用于中断的目标 CPU 0 否是测量方法0 否是测量范围0 否是诊断0 否是温度单位0 否是温度系统0 否是噪声抑制0 否是滤波0 否是参比接点0 否是
16、周期结束中断0 否是诊断中断启用1 是是硬件中断启用1 是是参考温度1 是是上限1 是是下限1 是是表 10 S7-400模拟量输入模板的参数名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 17 页 -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系统块调用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 17 页 -当 M0.0 上升沿使能时，将写入的参数从MB100MB166 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
17、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REQ INPUT BOOL REQ=1，写请求，上升沿信号。IOID INPUT BYTE 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，指定为B#16#54，不同则指定最低地址的区域ID。LADDR INPUT WORD 模板的逻辑地址（初始地址），如果混合模板，指定两个地址中的较低的一个。RECNUM INPUT BYTE 数据记录号，参考模板数据手册。RECORD INPUT ANY 需要传送的数据记录存放区。RET_VAL OUTPUT INT 故障代码。BUSY OUTPU
18、T BOOL BUSY=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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 17 页 -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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 17 页 -
19、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 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 17 页 -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
20、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 明名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 17 页 -300CPU TC-I 内部补偿TC-E 外部补偿T
21、C-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 400CPU TC-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 027648之间的一个十进制数值，即080Mv 对应 027648，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。关键词热电偶，模拟量输入模板，补偿，接线名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 17 页 -