1、 S7-300/400 热电偶的接线及信号处理 S7-300/400 thermocouple wiring and signal transforming Getting-Started Edition (2009年 8月) 摘 要本文介绍了 S7-300/400 可接热电偶的模拟量输入模板的各种补偿方式，相应的接线及 信号处理等内容。 关键词 热电偶，模拟量输入模板，补偿，接线 Key Words Thermocouple, analogy input module, compensate, wiring IA&DT Service & Support Page 2-19 目 录 S7-3
2、00/400 热电偶的接线及信号处理 1 1.热电偶的概述 4 1.1 热电偶的工作原理. 4 1.2 热电偶与热电阻的区别 . 5 2.热电偶的类型和可用模板. 5 2.1 热电偶类型 . 5 2.2 可用的模板 . 6 3.热电偶的补偿接线 6 3.1 补偿方式. 6 3.2 各补偿方式接线 . 7 3.2.1 内部补偿 . 7 3.2.2 外部补偿补偿盒 7 3.2.3 外部补偿热电阻. 10 3.2.4 外部补偿固定温度 11 3.2.4 混合补偿热电阻和固定温度补偿 12 4.热电偶的信号处理方式 14 4.1 硬件组态设置 14 4.2 测量方式和转换处理. 17 5.附录-推荐网
3、址 18 IA&DT Service & Support Page 3-19 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： 测量端 IA&DT Service & Support Page 4-19 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
4、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； 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。 补偿导线 参考端 导线 热电压采集点 带有正极或负极热电偶 C 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
5、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
6、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 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 IA&DT Service & Support Page 5-19 2.2可用的模板 CPU类型 模板类型 支持热电偶类型 6ES7 331-7KF02-0AB0（8点） E,J,K,L,N 6ES7 331-7KB02-0AB0（2点） E,J,K,L,N S7-300 6ES7 3
7、31-7PF11-0AB0（8点） B,C,E,J,K,L,N,R,S,T,U 6ES7 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 S7-400 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
8、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
9、连接热电偶 到模拟量模板输入端。 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。 使用热电阻采集参比接点温度，再 由模板进行处理。 外部补偿 热电阻 如果参比接点温度恒定可以不要热 电阻参考 可以使用铜质导线连接参比 接点和模拟量模板输入端。 IA&DT Service & Support Page 6-19 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
10、可连接热电偶个数 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） S7-300 6ES7 331-7PF11-0AB0 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 热电偶 L+ M M+ M- M+ 背板 总线 M- 逻辑 ADC M+ M- COMP+ IA&DT Service & Support Page 7-19 图 2 内部补偿接线 注 1：模板 6ES7 331-7K
11、F02-0AB0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。 补偿导线 Mana 1 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
12、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 B1 230VAC B2 110VAC B3 24VAC 辅助电源 B4 24VDC 1 L型 2 J型 3 K型 4 S型 5 R型 6 U型 连接到热电偶 7 T型 参考温度 00 0 1 2 3 4 5 6 7 B1 B2 B3 B4 00 表 6 西门子参比接点的补偿盒订货数据 IA&DT Service & Support Page 8-19 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
13、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。 补偿导线 辅助电源 铜质导线图 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。 IA&DT Service & Support Page 9-19 CPU类型 支持外部补偿盒补偿模板类型 可连接热电偶个数 6ES7 331-
14、7KF02-0AB0 最多 8个（同类型） S7-300 6ES7 331-7KB02-0AB0 最多 2个（同类型） 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多 8个（类型可不同） S7-400 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
15、，对 应（M+，M-，I+，I-），可测参比接点出温度范围为-25到 85， IA&DT Service & Support Page 10-19 IA&DT Service & Support Page 11-19 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。 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。 表 9支
16、持固定温度补偿的模板及可接热电偶个数 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） 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多 6个（同类型） S7-400 6ES7 431-7QH00-0AB0 最多 14个（同类型） 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 50 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多 8个（同类型） -273.15327.67 6ES7 431-7QH00-0AB0 最
17、多 16个（同类型） -273.15327.67 S7-400 6ES7 431-7KF00-0AB0 最多 8个（同类型） -273.15327.67 通道0上的热电阻 补偿导线 参比接点 铜质导线 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。 IA&DT Service & Support Page 12-19 图 7 混合外部补偿 补偿过程：如图
18、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： 参数分配方式 参数 数据记录号 SFC55 STEP7 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 M+ M- M+ M- 热电偶 铜质导线 M+ M- I C +
19、I C - M+ M- M+ M- 通道0上的RTD 模板1 模板2 参比接点 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 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 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： IA&DT Service & Support Page 13-19 图 9 SFC55系统块调用 当 M0.
20、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
21、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 OUTPUT 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。 IA&DT Service & Support Pag
22、e 14-19 6ES7 331-7KF02-0AB0 6ES7 331-7PF11-0AB0 图 10 S7-300模板测量方式示意图 6ES7 331-7PF11-0AB0 6ES7 331-7KF02-0AB0 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。 IA&DT Service & Support
23、 Page 15-19 6ES7 431-7QH00-0AB0 图 12 S7-400模板组态图 1 IA&DT Service & Support Page 16-19 图 13 S7-400模板组态图 2 参考温度：-273.15到327.67 6ES7 431-7QH00-0AB0 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
24、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。 表 12 参比接点参数说明 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 4.2 测量方式和转换处理 CPU类型 测量方法 说 明 TC-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 0C 300CPU TC-L50C 线性，参比接点温度保持在 50C 400CPU TC-L 线性 表 13
25、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。 IA&DT S
26、ervice & Support Page 17-19 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。 附录推荐网址 自动化系统 西门子（中国）有限公司 工业自动化与驱动技术集团 客户服务与支持中心 网站首页： 自动化系统 下载中心： http:/ 自动化系统 全球技术资源： http:/ “找答案”自动化系统版区： http:/ 西门子（中国）有限公司 工业自动化与驱动技术集团 客户服务与支持中心 网站首页： 通信/网络 下载中心： http:/ 通信/网络 全球技术资源： http:/ “找答案”Net版区： htt
27、p:/ IA&DT Service & Support Page 18-19 注意事项 应用示例与所示电路、设备及任何可能结果没有必然联系，并不完全相关。应用示例不表示 客户的具体解决方案。它们仅对典型应用提供支持。用户负责确保所述产品的正确使用。这 些应用示例不能免除用户在确保安全、专业使用、安装、操作和维护设备方面的责任。当使 用这些应用示例时，应意识到西门子不对在所述责任条款范围之外的任何损坏/索赔承担责 任。我们保留随时修改这些应用示例的权利，恕不另行通知。如果这些应用示例与其它西门 子出版物(例如，目录)给出的建议不同，则以其它文档的内容为准。 声明 我们已核对过本手册的内容与所描述的硬件和软件相符。由于差错难以完全避免，我们不能 保证完全一致。我们会经常对手册中的数据进行检查，并在后续的版本中进行必要的更正。 欢迎您提出宝贵意见。 版权 西门子（中国）有限公司 2001-2008 版权保留 复制、传播或者使用该文件或文件内容必须经过权利人书面明确同意。侵权者将承担权利人 的全部损失。权利人保留一切权利，包括复制、发行，以及改编、汇编的权利。 西门子（中国）有限公司 IA&DT Service & Support Page 19-19
