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上海朕鋅電氣設備有限公司
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SIEMENS西門子上海朕鋅電氣設備有限公司
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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 | zui多8個（4種類型，同通道組必須相同） |
| 6ES7 331-7KB02-0AB0 | zui多2個（1種類型，同通道組必須相同） | |
| 6ES7 331-7PF11-0AB0 | zui多8個（8種類型） | |
| S7-400 | 6ES7 431-7KF00-0AB0 | zui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，從而達到補償調節的目的。
補償盒采用參比接點溫度為0℃的補償盒，*使用西門子帶集成電源裝置的補償盒，訂貨號如下表。
| *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 | zui多8個（同類型） |
| 6ES7 331-7KB02-0AB0 | zui多2個（同類型） | |
| S7-400 | 6ES7 431-1KF10-0AB0 | zui多8個（類型可不同） |
| 6ES7 431-7QH00-0AB0 | zui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 | zui多8個（同類型） |
| S7-400 | 6ES7 431-1KF10-0AB0 | zui多6個（同類型） |
| 6ES7 431-7QH00-0AB0 | zui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，組態設置詳見下章節。
| 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 | zui多8個（同類型） | 0℃或50℃ |
| S7-400 | 6ES7 431-1KF10-0AB0 | zui多8個（同類型） | -273.15℃~327.67℃ |
| 6ES7 431-7QH00-0AB0 | zui多16個（同類型） | -273.15℃~327.67℃ | |
| 6ES7 431-7KF00-0AB0 | zui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只能對模板的動態參數進行修改，模擬量輸入模板的靜態參數（數據記錄0）和動態參數（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 | 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，為B#16#54，不同則zui低地址的區域ID。 |
| LADDR | INPUT | WORD | 模板的邏輯地址（初始地址），如果混合模板，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。 |
| 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 硬件組態設置
首先要在硬件組態選擇與外部補償接線*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，組態就完成。
圖12 S7-400模板組態圖1
圖13 S7-400模板組態圖2
對于S7-400的模板，組態如圖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*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，組態就完成，或者是共享補償方式，可以用SFC55動態傳輸溫度參數。
| 400模板組態中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
注：測量方式中：I ：內部補償，E：外部補償，L：線性處理。
線性化方式（TC-IL/EL/L00C/L50C/L）
線性化方式下，由模板內部根據所選擇的熱電偶類型的特性進行線性處理，可以使用L PIW xxx 直接讀入，則將獲得十進制的溫度值，精度為0.1。例如：讀進來的 十進制值為2345，則對應的溫度值為234.5℃。
非線性化方式（TC-I/E）
對于非線性化的設置，此設置類似80Mv的電壓測量，CPU得到的是0~27648之間的一個十進制數值，即0~80Mv 對應0~27648，需要轉換成相應M號，然后通過對照表查找溫度。
綜上所述，如果想得到所測的溫度值，選擇線性化方式的設置比較方便；如果僅需要得到M號，可以選擇非線性化方式的設置。
與稱重變送器和稱重儀表不同，SIWAREX系列稱重模塊可以直接接收稱重傳感器輸出的m號，并與西門子控制系統（包括S7 200/300/1200/ET200M/ ET200S）無縫集成，具有擴展靈活、精度高、響應速度快等優點。SIWAREX系列稱重模塊其設計用于各種工業環境，具備很高的抗*力，但是為了保證模塊運行可靠，在安裝接線等方面必須要規范操作。
圖1 SIWAREX集成化解決方案替代稱重變送器/儀表
EMC即電磁兼容性，描述了電氣設備在特定的電磁環境下，既不受到電磁環境的影響，也不會對周圍環境產生影響的能力。在系統安裝之前，一定要執行EMC設計規范，分析各種可能存在的干擾源。
電磁干擾可以通過以下幾種方式干擾到控制系統和稱重模塊的正常工作：
（1） 電磁場直接作用于控制系統；
（2） 通過現場總線引入干擾，如PROFIBUS DP；
（3） 通過過程信號電纜引入干擾；
（4） 通過電源或者保護地引入干擾；
根據傳輸介質（導電還是非導電）以及干擾源與設備之間的距離，干擾信號可以通過四種耦合方式進入到控制系統：
（1） 電導耦合
（2） 電容耦合
（3） 電感耦合
（4） 輻射耦合
安裝接線注意事項
原則1：接地面積要大
安裝自動化設備時，不可動的金屬部件要接地，接地面積要大，接地電阻要小，比如通過扁鋼、銅排、截面積比較大的電纜等。噴漆或者陽極化處理的金屬部件，通過螺絲接地時，需要通過專門的接地片或者去掉接觸面的防腐層。因為鋁很容易氧化，不適宜作為接地材料。
圖2 接地銅排及電纜
原則2：電纜敷設要分類
在敷設電纜時，將其按照主電源線、電源線、信號線、現場總線等進行分類，電源線與信號線一定要走不同的穿線管或者走線槽，信號線盡可能貼著支撐梁、金屬導軌、機柜背板等走線。
原則3：等電勢體
創建等電勢體，并將系統內的所有電氣設備都通過等電勢體連接到大地。對于防爆應用場合，必須建立等電勢體。
原則4：電纜屏蔽層要連接
稱重模塊與傳感器之間*使用西門子提供的電纜，如圖3所示。
電纜型號：Li2Y 1 x 2 x 0.75 ST + 2 x (2 x 0.34 ST) – CY
訂貨號： 非防爆 7MH4702-8AG 防爆 7MH4702-8AF
注意：如果使用第三方電纜，請使用兩兩雙絞屏蔽，外面還要有一層總屏蔽的雙屏蔽電纜：
圖3 稱重模塊與傳感器之間連接電纜
當傳感器與稱重模塊之間距離很遠時，在有等電勢體的前提下，建議屏蔽層在接線盒和模塊處均大面積接地，如下圖所示：
在模塊側電纜的屏蔽層壓直接壓在屏蔽安裝單元上，如下圖所示：
圖4 電纜屏蔽層的連接
原則5 各種屏蔽連接單元的使用
在稱重模塊側，稱重傳感器電纜的屏蔽層通過各種屏蔽連接元件與安裝背板或者導軌進行大面積連接。
對于S7 200中使用的SIWAREX MS模塊其屏蔽連接端子如下圖所示，訂貨號：6ES5728-8MA11，每包10個。
圖5 SIWAREX MS屏蔽連接端子
對于SIWAREX U、SIWAREX FTC和SIWAREX FTA模塊，屏蔽連接元件和屏蔽連接端子需要配合使用，其中：
屏蔽連接單元，訂貨號：6ES7390-5AA00-0AA0，可供兩個SIWAREX U 使用，（對于SIWAREX FTC和SIWAREX FTA模塊一個連接單元只能連接一個模塊。）
屏蔽連接端子，訂貨號：6ES7390-5CA00-0AA0，每包兩個，適合線徑為4 到13mm 的傳感器電纜。
西門子雙芯現場總線接頭
圖6 SIWAREX U/FTA/FTC屏蔽連接單元及端子
對于SIWAREX CS模塊
屏蔽連接元件，訂貨號：6ES7193-4GA00-0AA0，每包5個；
屏蔽連接端子，訂貨號：6ES7193-4GB00-0AA0，每包5 個；
圖7 SIWAREX CS屏蔽連接單元及端子
屏蔽連接端子和單元組裝后，如下圖所示：
圖8 SIWAREX CS屏蔽連接單元及端子裝配圖
原則6：接線盒的選擇
當一臺秤使用多個稱重傳感器時，傳感器電纜必須通過接線盒將電纜進行并聯。西門子提供的接線盒，有不銹鋼和鋁兩種材質，外殼噴漆處理，如下圖所示。盒子上面有4個進線空，下面有一個出線孔，即zui多允許四個傳感器并聯。
訂貨號： 不銹鋼材質 7MH4710-1EA 鋁材質 7MH4710-1BA
圖9 西門子稱重傳感器接線盒
接線盒的電纜密封格蘭頭內有4個金屬片，當電纜從該格蘭頭穿過時，電纜的屏蔽層通過四個金屬片壓緊，并與金屬格蘭頭大面積接觸，而金屬格蘭頭與接線盒殼體是導通的，這樣連到接線盒上的所有傳感器的屏蔽層通過金屬殼體導通，而且導通電阻非常小。
圖10 接線盒電纜密封格蘭頭
圖11 電纜屏蔽層通過電纜密封格蘭頭內金屬片壓緊圖
在有等電勢體的情況下，接線盒可以通過其接地端子進行接地。該接地端子與電纜密封格蘭及殼體都是連通的。
圖12 接線盒接地端子
注意：如果需用第三方接線盒，要求接線盒的殼體及其電纜密封格蘭都必須是金屬的。
EMC問題通常會引起稱重模塊的SF指示燈亮或者重量顯示錯誤，通常可以檢查下列幾點：
（1） 在稱重模塊側，電纜屏蔽層是否通過各種屏蔽連接元件接地；
（2） 在接線盒處，電纜屏蔽層是否通過接線盒的金屬密封格蘭與接線盒連接，而不是將屏蔽層連接到內部端子上；
（3） 稱重傳感器接地電纜，截面積大于16mm2，這樣可以一定程度上防止現場電焊等操作造成傳感器過電流損壞。如果從西門子采購，該電纜訂貨號為7MH3701-1 AA1
圖13 稱重傳感器接地電纜
（4） 電纜屏蔽層接地點是否等電勢，等電勢體的截面積是否足夠大。
（5） 稱重模塊與傳感器之間的連接電纜與電源或者電機（尤其變頻器控制的電機）的動力電纜距離是否太近了。
（6） 檢查控制柜中稱重模塊與變頻器或者它的的電纜太近了。
（7） 繼電器、開關或者電磁閥門是否有保護電路，或者保護電路是否工作正常。
（8） 24V供電電源也可能引起模塊故障。在這種情況下，24V電源可以并聯穩壓二極管，1N6285的效果就很好，擊穿電壓不高于34V。
（9） 在某些特殊場合還可能用到濾波器。經過測試EPCOS的SIFI-B或D型濾波器效果很好。如果故障來源于傳感器電纜，那么EXC、SENSE和SIG各需要一個濾波器。
西門子MM變頻器
6SE64402UC112AA1
6SE64402UC125AA1
6SE64402UC137AA1
6SE64402UC155AA1
6SE64402UC175AA1
6SE64402UC211BA1
6SE64402UC215BA1
6SE64402UC222BA1
6SE64402UC230CA1
6SE64402UC240CA1
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