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Analoge Signalverarbeitung

Binäre Signale können nur zwei Zustände mit einem Informationsgehalt von 1 bit annehmen. Die SIMATIC kennt als binäre Signale die Zustände „keine Spannung vorhanden“ und „Spannung vorhanden“. Das Signal “Spannung vorhanden” entspricht einem 24V Signal.

Im Gegensatz zu binären Signalen können analoge Signale innerhalb eines festgelegten Bereiches beliebig viele Werte annehmen. Ein bekannter Analoggeber ist das Potentiometer. Über einen Drehknopf können beliebig viele Widerstandswerte eingestellt werden.

 


Messumformer

Bei Automatisierungsystemen werden über Sensoren Prozesszustände erfasst und Messwerte ausgegeben. Die Messwerte liegen als physikalische Größen vor, so z.B. als Temperatur, Drehzahl, pH-Wert, optische Dichte. Eine SPS kann aber nur elektrische Signale in Form von Spannungen, Strom oder Widerstand verarbeiten. Damit eine SPS physikalische Messwerte verarbeiten kann, müssen diese zuerst in elektrische Signale überführt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Messumformer.

Beispiel:

Soll z.B. eine Drehzahl erfasst werden, kann der Drehzahlbereich von 500 ... 1500 U/min über einen Messumformer in einen Spannungsbereich von 0 ... 10V umgewandelt werden. Bei einer gemessenen Drehzahl von 865 U/min würde dann der Messumformer einen Spannungswert von + 3,65 V ausgeben.

Life-Zero Signale

Automatisierungssyteme in der industriellen Anwendung verwenden vorwiegend sogenannte life-zero Signale. Der Messbereich von 4 bis 20 mA ist ein ein solches life-zero Signal, da der Signalkreis auch bei einem 0-Prozent Messwert Strom führt, in diesem Fall 4 mA.

Vorteile von life-zero Signalen sind die Möglichkeit der Drahtbruchüberwachung und  optional die Versorgung des Messumformers mit Strom. Stromsignale haben gegenüber Spannungssignalen außerdem den Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind.

Die  Länge der Leitungen ist nur durch die maximale Bürde (Widerstand) begrenzt, die durch die Stromquelle betrieben werden kann .

 

Analogwertverarbeitung mit der SPS

Enthält die SPS analoge Baugruppen und können damit analoge Signale verarbeitet werden. Analoge Eingabebaugruppen können analoge Signale in Form von Spannungs- Strom- oder Widerstandwerten aufnehmen, analoge Ausgabebaugruppen können analoge Signale als Spannung oder Strom ausgeben.

Die Informationsverarbeitung der CPU erfolgt digital, weshalb analoge Signale in digitale Signale ungewandelt werden müssen.

Die Analog-Eingabebaugruppen enthalten zu diesem Zweck Analog-Digital-Wandler, die das analoge Signal in einen proportionalen Digitalwert umwandeln. Die Analog-Ausgabebaugruppen sind mit einem Digital-Analog-Wandler ausgestattet, der den digitalen Ausgabewert in ein proportionales analoges Signal umwandelt (Abb. xxx)
 


Der A/D-Wandler quantisiert ein kontinuierliches Spannungssignal sowohl in der Zeit als auch in der Amplitude. Jedes Signal ist dadurch nach der Wandlung treppenförmig. Die wichtigsten Paramter  eines A/D-Wandlers sind seine Auflösung in Bit und seine Wandlungsgeschwindigkeit. Die Auflösung stellt gleichzeitig die Genauigkeitsgrenze für die Umwandlung dar.

 

Auflösung

Je größer die Bitbreite des Wandlerbausteins, desto höher die Auflösung.  Bei einer Bitbreit von 8 bit kann das Analogsignal in 256 Einzelbereiche aufgelöst werden. Bei einer Bitbreite von 12 bit bereits in einem Bereich von 4096.
(Paradoxon der Bit-Auflösung)

Beispiel:

Bei einem analogen Signal im Messbereich von 0...20mA  kann durch einen 12bit-Wandler eine Stromdifferenz von 20mA/4096 = 5 µA erkannt werden.

 

 

 

 

ANALOGWERTE EINLESEN/AUSGEBEN

Analogwerte werden als Ganzzahlen  vom Typ INTEGER (16bit) in der SPS verarbeitet. Der Zugriff auf die Werte geschieht mit den Anweisungen:

L PEW  Adresse               // Lade Analogeingangswort von Adresse (z.B. 256)

T PAW  Adresse              // Lege Wert auf peripheren Ausgang

 

Hinweis: Die Default-Adressenbelegung der analogen Baugruppen Ihres Projektes können Sie z.B. unter HW Konfig (Doppelklick Hardware-Icon) > Ansicht > Adreßübersicht einsehen.

 

Analogwertausgabe

Werden Werte auf den Ausgang gelegt, müssen diese als Ganzzahl (16 bit) ausgegeben werden.

Beispiel:
Der Wert für die Drehzahl 375,4 U/min soll auf einen Analogausgang (0 bis 10V) gelegt werden. Der Wertebereich für die Drehzahlmessung liegt bei 100 U/min (LO_LIM) – 600 U/min (LO_LIM). Der Ausgabewert ist im Merkerdoppelwort MD40 (Aktualwert) gespeichert und soll an die periphere Adresse PAW256 ausgegeben werden.

Messbereich ( 100 U/min bis 600 U/min)
Auszugebender Wert: 375,4 U/min  (Gleitkommazahl)

Formel:

Ausgabewert (16 bit) = RND(((Aktualwert (real) - LO_LIM) / (HI_LIM-LO_LIM))* 27648,0)

Aus der Formel ergibt sich der Wert 15 228 . Dieser Wert wird vom D/A-Wandler der Ausgangsbaugruppe als Spannungswert 5,508 V ausgegeben. 

 

Analogwertausgabe in AWL

 L MD20

 // Wert 100 bis 600 im Gleitpunktformat

 L 1.000e+2

 

 -R

 // Subtraktion mit Gleitpunktzahl 100 (Offset)

 L 9.000e+2

 

 /R

 // Division mit Gleitpunktzahl 500

 L 2.7648e+4

 

 *R

// Multiplikation mit Gleitpunktzahl 27648,0

 RND

// Runden zur Ganzzahl

 T PAW 288

// 0 bis 27648 Ganzzahl (16 Bit), Analogwert ausgeben 0 bis 10 V

 

Weiterführende Informationen zur Analogsignalverarbeitung:

Download:   Analogsignalverarbeitung (Siemens-Dokumentation)
 

 

 

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