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：
① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离；
⑤ 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

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	0~1820	铂铑—铂铑
C型	0~2315	钨3稀土—钨26 稀土
E型	-270~1000	镍铬—铜镍
J型	-210~1200	铁—铜镍
K型	-270~1372	镍铬—镍硅
L型	-200~900	铁—铜镍
N型	-270~1300	镍铬硅—镍硅
R型	-50~1769	铂铑—铂
S型	-50~1769	铂铑—铂
T型	-270~400	铜—铜镍
U型	-270~600	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（16点）	B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
	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

 

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 331-7PF11-0AB0	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

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。
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

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。

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℃，

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）
S7-400	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50℃
S7-400	6ES7 431-1KF10-0AB0	最多8个（同类型）	-273.15℃~327.67℃
	6ES7 431-7QH00-0AB0	最多16个（同类型）	-273.15℃~327.67℃
	6ES7 431-7KF00-0AB0	最多8个（同类型）	-273.15℃~327.67℃

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
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
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：

图9 SFC55系统块调用

当M0.0上升沿使能时，将写入的参数从MB100~MB166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。

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

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

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
300CPU	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

1、SMS基础知识介绍
SMS（Short Messaging Service）是最早的短消息业务，也是现在普及率最高的一种短消息业务。目前，这种短消息的长度被限定在140字节之内，这些字节可以是文本的。SMS以简单方便的使用功能受到大众的欢迎，却始终是属于第一代的无线数据服务，在内容和应用方面存在技术标准的限制。
  一个SMS消息最长可包括 160个字符（偶数二进制）。
  SMS是一种存储和转发服务。也就是说，短消息并不是直接从发送人发送到接收人，而始终通过SMS中心进行转发的。如果接收人处于未连接状态（可能电话已关闭），则消息将在接收人再次连接时发送。
SMS具有消息发送确认的功能。这意味着
SMS与寻呼不同，用户不是简单地发出短消息然后相信消息已发送成功；而是短消息发送人可以收到返回消息，通知他们短消息是否已经发送成功。
  SMS 消息的发送和接收可以和 GSM 语音同步进行。
  SMS 消息按消息收费，因此要比通过基于 IP 的网络（例如，使用 GPRS [通用分组无线业务]）发送的数据昂贵得多（每字节）。
  要使用 SMS，用户需要预订支持 SMS 的移动网络，并且必须为该用户启用 SMS 的使用。用户需要有发送短消息或接收短消息的目的地。该目的地通常是其他的移动电话，但也可以是服务器。最后，用户还需要有支持 SMS 的移动电话，并需要了解如何使用其特定型号的移动电话发送或阅读短消息。
SMS发送的模式分有两种：Text模式和PDU模式.
使用Text模式收发短信代码简单,实现起来十分容易,但是最大的缺点是不能收发中文短信, PDU模式完全可以解决这个问题,PDU模式不仅支持中文短信,也能发送英文短信, PDU模式收发短信可以使用三种编码: 7-bit、8-bit和UCS2编码。 7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。我们要实现中文短信的发送，所以选择UCS2，即中文Unicode码。下面是关于两种方式发送的示例AT指令:
范例：向手机号码13801234567发送短信“Weather”
（1） TEXT方式
AT+CMGF=1<CR> …………设置短信发送方式为TEXT模式
AT+CMGS=”13801234567”<CR> …………向被叫号码发短信
> Weather <CTRL+Z>
（2） PDU方式
AT+CMGF=0<CR> ……………设置短信发送方式为PDU模式
AT+CMGS=018<CR> ……………向被叫号码发送PDU的长度
>0001000D91683108214365F700080459296C14<CTRL+Z>

注：PDU方式中AT＋CMGS命令解释：
AT＋CMGS=XXX<CR> …XXX表示PDU中TPDU的长度
>PDU ...输入PDU信息

0001 ：基本参数 00 ：消息基准值TP-MR 0D ：目标地址数字个数（十进制，不包含91） 91 ：目标地址格式 68 ：目标地址为中国 3108214365F7 ：目标地址（13801234567） 00 ：协议标示TP-PID 08 ：用户信息编码格式TP-DCS（08表示UCS2编码） 00 ：有效期TP-VP 04 ：用户信息长度TP-UDL 59296C14 ：用户信息（“天气”）

其中，红色的数字（3108214365F7）代表对方的手机号码，在PDU格式中，手机号码每两位需要对调。比如在上面这个例子里，对方的手机号码为13801234567，F用来补充7后面的空位。蓝色的数字（59296C14）是短消息内容的Unicode码，这里5929代表“天”6C14代表“气”。Unicode码同样可以用来表示中一般英文字母和数字，方法是在英文或数字的ASCII码前加00。紫色的数字（04）代表短消息的长度，它等于其后所有字符个数除以2。黑色的数字每次发送短消息时都是相同的，使用时可以照抄，但前提是所使用的SIM卡在使用前要用手机设置好短消息服务中心号码（+8613800100500）。汉字的Unicode码可以通过编码转换软件得到。
PDU格式发送短消息时，还必须计算整个PDU数据包的长度，PDU数据包的长度等于（PDU数据包字符数-2）/2，在上面的例子里：(38-2)/2=18。

2、网络结构图
硬件的连接， S7-300CP后接CP340（RS232串口）或CP341（RS232串口），再通过串口直连线连接CP340或CP341到MD720-3的串口上，MD720-3插一块SIM卡。直连线的1针到9针对应连接。

图1、网络结构图

3、需要的软件及硬件

硬件

Component	Qty.	MLFB / Order number	Note
PS307 5A	1	6ES7307-1EA00-0AA0
CPU317-2PN/DP	1	6ES7317-2EJ10-0AB0
CP341	1	6ES7341-1AH01-0AE0
MD720-3	1	6NH9720-3AA00
直连线	1	6ES7901-3CB30-0XA0
SIM card

表1、硬件列表

软件

Component	No.	MLFB / Order number	Note
STEP 7 5.4 SP4	1	6ES7810-4CC08-0YA5

表2、软件列表

4、以TEXT的方式发送SMS
在这里不介绍用自由口编程的方式编写AT的指令来发送SMS，而是采用西门子提供库功能块来编写程序。库程序的下载链接地址如下：26100569

上面库程序是压缩文件，先解压缩到一个目录下，在该目录下又会看到3个压缩文件，再解压这三个压缩文件，解压缩后如下图所示：

图2、存放目录

从上图中，解压三个压缩文件后Sms_bloc;SMS_MD720_Application;Sms_MD720_Simple
Sms_bloc: 包括了使用CP340、CP341、CP442-1收发短信的库功能。
Sms_MD720_Application：包含了用CP341和CP442-1收发短信的应用程序。
Sms_MD720_Simple：包含了一个用Cp341收发短信的简单应用程序
由于三个文件夹的程序只有Sms_MD720_Simple的程序是完整的，另外两个文件夹下的程序由于编者的疏忽，程序不完整，导致无法正常编译通过。所以在本文里我们只能介绍，通过拷贝Sms_MD720_Simple项目下的功能块到实际的项目中来实现发送短信的功能。
在新建项目前，需要硬件按照网络图安装好，并加电。MD720加电后恢复出厂设置，让其工作在终端模式下（在MD720的系统手册上介绍如何恢复出厂设置，这里不再作详细介绍），恢复后用串口直连线，连接MD720与计算机的串口，打开计算机的超级终端程序，打开方式如下图：

图3、打开超级终端

打开后在连接描述的窗口里输入一个连接名如下图：

图4、输入连接名

点击OK后，选择与计算机连接的串口，这里连接的是串口1，所以设置如下图：

图5、选择COM端口

在上图点击OK按钮后，设置串口的通讯参数如下：

图6、COM口的参数设置

点击OK按钮后，在出现的串口里先输入 “+++”后，输入“AT”检查与Modem的连接是否正常，若正常则Modem会返回OK，如下图：

图7、测试与Modem的连接

然后在输入指令“AT+IRP=9600”修改通讯波特率为9600如下图所示：

图8、设置Modem的波特率

修改成功后，把连接计算机上的串口拔下后，把9针口连接到CP341的串口上。

打开Step7 Manger，打开后点击File菜单下的New…，新建一个项目，在新建项目的串口里输入项目SMS_CP341，然后点击新建，项目的硬件组态如下图所示：

图9、S7-300站的硬件组态

双击CP341-RS232C，打开属性窗口如下图：

图10、CP341的硬件地址设置

点击Parameter...，设置串口的通讯协议为

图11、选择通讯协议为ASCII

双击Protocol协议包，配置串口通讯的参数如下图：

图12、设置ASCII的通讯参数

 

图13、设置传输的控制方式

 

图14、设置接收的缓存区

配置完硬件后，编译并下载硬件组态，然后打开Sms_MD720_Simple项目，并拷贝Sms_MD720_Simple项目下的除OB1功能块外的所有功能块到SMS_CP341项目相应的目录下，同时需要拷贝Source下的源代码到SMS_CP341项目下的Source目录下。
拷贝后如下图：

图15、拷贝库程序到项目下

打开OB1块，在OB1里调用FB100，背景数据块为DB100,如下图所示：

图16、OB1中调用短消息功能块

在CP_ADR中只需输入CP341的逻辑地址256。输入后保存程序。编写OB1后打开DB100数据块如下图：

图17、在发送功能块的背景数据块中设置修改CP341的硬件地址

这里SIM卡无PIN码，要发送的信息是“Weather”；发送的手机号为“13801234567”；设置DB100的参数如下图：

图18、在发送功能块的背景数据块中设置PIN码、目的手机号及信息

修改后保存DB100，并下载所有的程序块到CPU中。下载后打开打开变量监控表并在线监控，如下图：

图19、通过变量监控表触发信息发送

在变量监控表里先置位”SMS”.b_init，然后在置位”SMS”.SEND,等待一会儿，可以看到变量监控表里的”SMS”.n_status当置位”SMS”.b_init时会从1002变成201，然后当置位”SMS”.SEND时会从201变成202、204、206，过一会儿又回到201的值，这样接可以再目的手机上接收到“Weather”的短信。
上面的调试步骤只是从功能上实现了发短信的功能，要实现收发多条信息到多个多个手机，可以参考Sms_MD720_Application和Sms_MD720_Simple下的编程思路开发适合自己应用的程序。

注意：如果例子项目文件打不开，请把计算机的语言设置为德语。

5、以PDU的方式发送中文SMS
要发送中文短信，需要安装Step7 SCL编程语言包，发送短信库功能块是由FB100来完成的，FB100是由SCL语言编写，要想使其能发送中文的短信，那么就需要用SCL语言修改FB100功能块。修改方式如下：
在发送文本方式步骤的基础上，用SCL语言打开SMS_CP341项目下目录Source下的SMS_Send源代码，如下图：

图20、打开发送功能块的源文件

打开后如下图：

图21、SCL编辑器打开后的源文件

修改源程序代码MD720_SMS_Textmode := '$R$LAT+CMGF=1$R'为MD720_SMS_Textmode := '$R$LAT+CMGF=0$R'如下图所示：

图22、修改短信的发送模式为PDU模式

str_outbox := SMS_Textmode_Attr；改为str_outbox :=MD720_SMS_Textmode;如下图：

图23、修改程序中的发送模式

修改后，点击File下Save，然后再点击File下的Complie，如下图：

图24、重新编译修改后的程序

关闭SCl编辑窗口，若发送的目的手机号为13801234567发送的内容为“天气”打开DB100，修改发送参数如下图：

图25、修改为PDU模式下的信息格式