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(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(qū)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(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(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(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，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(fā)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(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據

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(tài)設置詳見下章節(jié)。

CPU類型	支持固定溫度補償模板類型	可連接熱電偶個數	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℃

表9支持固定溫度補償的模板及可接熱電偶個數

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選擇固定溫度補償的方式。
SFC55只能對模板的動態(tài)參數進行修改，模擬量輸入模板的靜態(tài)參數（數據記錄0）和動態(tài)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(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

 

圖8 S7-400模擬量輸入模板的數據記錄1的結構

 

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(tǒng)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(qū)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，指定為B#16#54，不同則指定最低地址的區(qū)域ID。
LADDR	INPUT	WORD	模板的邏輯地址（初始地址），如果混合模板，指定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(qū)。
RET_VAL	OUTPUT	INT	故障代碼。
BUSY	OUTPUT	BOOL	BUSY=1，寫操作未完成。

表11 各參數的說明

4. 熱電偶的信號處理方式

4.1 硬件組態(tài)設置
首先要在硬件組態(tài)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。

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(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。

400模板組態(tài)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

表12 參比接點參數說明

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

表13 測量方式各參數的說明及處理

描述
這個條目講解了在 STEP 7 V5.5 的軟件中，如何在用戶程序中讀取 S7-300 CPU 的 IP 地址。 為了這個目的，可以在用戶程序中調用系統(tǒng)功能塊 SFC51 "RDSYSST" 。 通過使用系統(tǒng)功能塊 SFC51“RDSYSST” 可以讀出系統(tǒng)狀態(tài)列表的部分列表或部分列表摘要 (SSL 或 德語簡稱 SZL)。通過SSLID和索引，對于某些部分列表或部分列表摘錄，必須指定對象類型或對象編號。使用SSL ID = 37(十六進制)和索引= 0(十六進制)的地址讀取 S7-300 CPU 的 IP 地址。

這個例子是在功能塊 FB1 中調用系統(tǒng)功能塊 SFC51 "RDSYSST" 。 在 OB1 中調用 FB1。

圖 01

系統(tǒng)功能塊 SFC51 "RDSYSST" 的輸入輸出定義
表 01 列舉出系統(tǒng)功能塊 SFC51 "RDSYSST" 的輸入定義。
 

參數	數據類型	描述
REQ	BOOLEAN	REQ=1: 上升沿有效
SZL_ID	WORD	部分列表摘錄的 SSL_ID  SSL_ID=w#16#37: 讀取 S7-300 CPU 的IP地址
INDEX	WORD	部分列表對象的類型或者數目 INDEX=w#16#0: 讀取 S7-300 CPU 的IP地址

表 01 

表 02 列舉出系統(tǒng)功能塊 SFC51 "RDSYSST" 的輸出定義。

參數	數據類型	描述
RET_VAL	INT	如果在指令進程中出現一個錯誤，RET_VAL將給出錯誤代碼
BUSY	BOOLEAN	TRUE: 讀取進程尚未完成
SZL_HEADER	STRUCT	The SZL_HEADER 是一個數據結構。這個結構被描述為 "SZL_HEADER structure"。
DR	ANY	讀取SSL的部分列表或部分列表摘錄的目標區(qū)域。

表 02 

SZL_HEADER 結構
SZL_HEADER 的輸出被定義為如下結構：

SZL_HEADER:    STRUCT
        LENTHDR:    WORD
        N_DR:            WORD
END_STRUCT

LENTHDR 定義為 SZL 列表的數據記錄部分或者摘錄部分的長度。

• 如果僅讀取 SZL 部分列表的頭部信息，N_DR 指的是相關聯數據記錄的數量。
• 否則，N_DR 指的是轉移到目標區(qū)域的數據記錄的數量。

用于讀取 SSL 部分列表或摘錄部分的目標區(qū)域
在這個例子中，讀取 SSL 部分列表被保存在數據塊 DB100 "SYS_DATA" 起始地址 0 開始。S7-300 CPU 的 IP 地址占了 4 個字節(jié)，存儲在 DB100 "SYS_DATA"地址 2 開始的地址中，十六進制存儲格式。

圖 02

當讀出了 CPU的 IP 地址，可以在用戶程序中使用它。在這個例子中，IP 地址以十進制值存儲在 FB1 的背景數據塊DB1 中。

圖 03

圖 04

圖 05

圖 06

圖 07