模拟量的输入输出
PLC调试中常见的模拟量输入输出校准问题及解决方案
PLC调试中常见的模拟量输入输出校准问题及解决方案在工业自动化控制系统中，可编程逻辑控制器（PLC）是一个重要的设备，负责监测和控制各种过程。
模拟量输入输出模块是PLC中至关重要的部分，用于读取和输出模拟量信号。
然而，在PLC调试过程中，经常会遇到模拟量输入输出校准问题。
本文将介绍几个常见的模拟量输入输出校准问题，并提供相应的解决方案。
一、零点漂移问题在PLC调试过程中，模拟量输入输出模块的零点漂移是一个常见的问题。
零点漂移是指模拟量输入输出模块在没有输入信号或输出为零时，输出值不为零的情况。
这可能导致系统误差，影响整个控制过程的准确性。
解决方案：1. 确保输入信号源处于零点状态。
检查传感器、变送器等设备的零点校准，确保输入信号源输出的模拟量为零。
2. 检查输入信号线路。
排除信号线路故障，例如断线、接触不良等情况。
可以使用万用表或示波器检测信号线路的连通性，并重新连接或更换有问题的线路。
二、量程偏移问题模拟量输入输出模块的量程偏移是指模块的输入输出范围与实际应用范围不一致的情况。
这可能导致模块无法准确读取或输出信号，从而影响控制系统的运行。
解决方案：1. 确定量程设置。
检查PLC程序中模拟量输入输出模块的量程设置是否正确。
根据实际应用要求，调整输入输出模块的量程范围，使其与实际信号范围相匹配。
2. 检查量程设置参数是否正确。
对于某些模拟量输入输出模块，需要手动设置量程参数，例如最小值、最大值等。
确保这些参数与实际应用需求一致，并进行相应的设置。
三、传感器误差问题传感器是模拟量输入输出模块的重要组成部分，常用于测量温度、压力、流量等物理量。
然而，传感器的误差可能导致模块读取的信号不准确，从而影响整个控制系统的性能。
解决方案：1. 校准传感器。
使用专业的仪器设备，对传感器进行定期的校准操作。
校准过程可以根据设备制造商提供的校准方法进行，以确保传感器输出的模拟量是准确的。
2. 检查传感器的接线。
排除传感器接线松动、接点氧化等问题，确保传感器与模拟量输入输出模块的连接可靠稳定。
《模拟量的输入输出》课件
电压输出型设备可以将电 信号转换为电压模拟信号 ，常用于电压源的输出。
电流输出型设备可以将电 信号转换为电流模拟信号 ，常用于需要恒流源的场 合。
电阻输出型设备可以将电 信号转换为电阻模拟信号 ，常用于需要调节阻值的 场合。
模拟量输出的电路设计
放大电路可以将微弱的电信 号放大到足够的幅度，以满
足输出要求。
模拟量输出的电路设计需要 考虑信号的放大、滤波、隔
离和保护等方面。
01
02
03
滤波电路可以去除信号中的 噪声和干扰，提高信号的纯
净度。
隔离电路可以避免不同电路 之间的相互干扰，保护电路
的安全运行。
04
05
保护电路可以防止电路过载 、过流和过压等异常情况对
电路的损害。
04
模拟量输入输出转换
模拟量输入输出转换的原理
将物理量转换为模拟量信号的装置。
模拟量与数字量的区别
01 数字量
离散的量，如开关状态、二进制数等。
02 转换方式
模拟量通过连续变化表示物理量，数字量通过离 散状态表示信息。
03 传输方式
模拟量信号通过电缆传输，易受干扰；数字量信 号通过数字通信传输，抗干扰能力强。
模拟量的应用领域
工业控制
如温度、压力、流量等参 数的监测和控制。
模拟量输入的电路设计
模拟量输入的电路设计需要考虑信号 源、信号调理电路和测量设备的特性 。
信号调理电路的设计需要考虑噪声抑 制、抗干扰能力和线性范围等因素， 以确保测量结果的准确性和可靠性。
电路设计需要确保信号源与测量设备 之间的阻抗匹配，以减小信号损失和 失真。
03
模拟量输出
模拟量输出的原理
图文详解S7-200smart的模拟量输入输出
图⽂详解S7-200smart的模拟量输⼊输出⼀．模拟量模块接线1.普通模拟量模块接线模拟量类型的模块有三种：普通模拟量模块、RTD模块和TC模块。
普通模拟量模块可以采集标准电流和电压信号。
其中，电流包括：0-20mA、4-20mA两种信号，电压包括：+/-2.5V、+/-5V、+/-10V三种信号。
注意：S7-200 SMART CPU普通模拟量通道值范围是0~27648或-27648~27648。
普通模拟量模块接线端⼦分布如下图1 模拟量模块接线所⽰，每个模拟量通道都有两个接线端。
图1 模拟量模块接线模拟量电流、电压信号根据模拟量仪表或设备线缆个数分成四线制、三线制、两线制三种类型，不同类型的信号其接线⽅式不同。
四线制信号指的是模拟量仪表或设备上信号线和电源线加起来有4根线。
仪表或设备有单独的供电电源，除了两个电源线还有两个信号线。
四线制信号的接线⽅式如下图2模拟量电压/电流四线制接线所⽰。
(电话/微信：178********）图2 模拟量电压/电流四线制接线三线制信号是指仪表或设备上信号线和电源线加起来有3根线，负信号线与供电电源M线为公共线。
三线制信号的接线⽅式如下图3 模拟量电压/电流三线制接线所⽰。
图3 模拟量电压/电流三线制接线两线制信号指的是仪表或设备上信号线和电源线加起来只有两个接线端⼦。
由于S7-200 SMART CPU模拟量模块通道没有供电功能，仪表或设备需要外接24V直流电源。
两线制信号的接线⽅式如下图4 模拟量电压/电流两线制接线所⽰。
图4 模拟量电压/电流两线制接线不使⽤的模拟量通道要将通道的两个信号端短接，接线⽅式如下图5 不使⽤的通道需要短接所⽰。
图5 不使⽤的通道需要短接2. RTD模块接线RTD热电阻温度传感器有两线、三线和四线之分，其中四线传感器测温值是最准确的。
S7-200 SMART EM RTD模块⽀持两线制、三线制和四线制的RTD传感器信号，可以测量PT100、PT1000、Ni100、Ni1000、Cu100等常见的RTD温度传感器，具体型号请查阅《S7-200 SMART系统⼿册》。
模拟量的输入输出
传感器 控制信号 将各种现场的 物理量测量出来 放大驱动电路 受控对象 并转换成电信号 （模拟电压或电流）
模 拟 信 D/A 号 转 换 器
I/0 接 口
数 字 信 号
6
模拟量的输入通道
传感器（Transducer）
非电量→电压、电流
变送器（Transformer）
转换成标准的电信号
数字量转换为模拟量
低通滤波
平滑输出波形
放大驱动
提供足够的驱动电压，电流
8
二、数/模（D/A）变换器
9
1.D/A 转换器工作原理
典型的D/A 转换器芯片通常由模拟开关、电阻网络以及 缓冲电路组成。
D/A 转换的基本原理是利用电阻网络，将N 位二进制数 逐位转换成模拟量并求和，从而实现将数字量转化为模 Rf 拟量。
(1) 单缓冲方式。单缓冲工作方式是使输入寄存器或DAC 寄存器中的 任意一个工作在直通状态，另一个由CPU 控制。通常WR2和XFER 连 接数字地，使DAC 寄存器的输出能够跟随输入，即第二级寄存器工 作在直通状态，输入寄存器的控制端ILE 接＋5V， CS接端口地址译 码器输出， WR1连接系统总线的IOW信号，电路连接如图
VIN
VN
D/A转换器
VREF D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE
36
START 控制 逻辑 EOC N位寄存器
锁 存 缓 存 器
A/D 转换器的主要性能指标
1. 分辨率
反映了A/D 转换器对输入微小信号变化的响应能力，即能够分辨 的最小模拟量。例如，对于8 位A/D 转换器，输入电压满刻度为 5V 时，则对应输入的模拟电压的分辨率为5V/255＝19.5mV。
模拟量的输入输出原理
硬件设置
1).每个模拟量模块可以选着不同的测量类型和范围， 通过量程卡上的适配开关可以设定测量的类型和 范围。 2).没有量程卡的模块具有适应电压和电流测量的不 同接线端子，通过正确的连接可以设置测量的类 型。 3).设置类型：A(热电阻、热电偶) B(电压) C(四线制电流) D(二进制电流)
模拟量输入模块 SM331
1).用于将模拟量信号转换为CPU内部处理的 数字信号主要成分是A/D转换器。 2).输入的信号一般是模拟量变送器输出的标 准直流电压、电流信号。（0~5V,4~20mA) 3).可以直接与温度传感器相连，但这次试验 中为了显示当前温度采用了AI818变送及显 示功能。 4).外壳上有LED指示灯可以用于显示故障错 误且前面板有标签可以标注。
模拟量输出模块SM332
1).用于将CPU送给的数字信号转换为成比列 的电流信号或电压信号。 2).各通道均有模拟量输出都有故障指示灯， 可以读取诊断信息。 3).由负载和执行器提供器提供电流和电压。 4).额定负载电压均为DC24V,最大短路电流为 25mA,最大开路电压为18V。
模拟量输出模块接线图
模拟量的输入输出原理
制作人
PLC信号模块
模拟量: 在时间上或数值上都是连续的物理量称为， 模拟量 在时间上或数值上都是连续的物理量称为，一般模拟量
输入输出分别用AI/AO表示。 表示。 输入输出分别用 表示 通常用通道表示一路输入信号。 通常用通道表示一路输入信号。
模拟信号模块：输入模块 模拟信号模块：输入模块SM331 输出模块SM332 输出模块 输入输出SM334/SM335 输入输出 数字信号模块: 输入模块SM321 数字信号模块 输入模块 输出模块SM322 输出模块 输入输出SM323 输入输出
PLC调试中如何处理模拟量输入输出问题
PLC调试中如何处理模拟量输入输出问题在PLC调试中，处理模拟量输入输出问题是一个重要的技巧。
模拟量输入输出在工业控制领域中起着至关重要的作用，它们可以帮助我们获取和控制温度、压力、流量等模拟信号。
然而，由于各种因素的干扰，模拟量输入输出问题常常会导致系统不稳定或运行异常。
本文将探讨如何处理PLC调试中的模拟量输入输出问题。
第一，了解PLC模拟量输入输出模块的工作原理。
PLC通常配备有模拟量输入模块和模拟量输出模块，它们通过模拟量信号进行数据的输入和输出。
模拟量输入模块用于将模拟信号转换为数字信号，并输入给PLC处理；模拟量输出模块则将PLC输出的数字信号转换为模拟信号，控制外部设备。
了解模块的工作原理，可以帮助我们更好地理解问题所在。
接下来，应注意信号质量的检测和保证。
模拟量信号的质量直接影响着PLC的稳定性和准确性。
因此，在调试过程中应该确保信号的稳定性和准确性。
我们可以使用示波器或者多用途测试仪等工具来检测信号的波形和幅度，确保其在合理范围内。
此外，还要注意信号的干扰问题，如电磁干扰、信号线路的接地问题等，可以通过合理布线和屏蔽措施来减少干扰。
另外，校准和调整模拟量输入输出模块也是必不可少的步骤。
在调试前，我们应对模块进行校准和调整。
对于模拟量输入模块，可以通过校准来确保模块对模拟信号转换的准确性；对于模拟量输出模块，可以通过调整来确保PLC输出的数字信号能够精确控制外部设备。
对于不同的模块，校准和调整的方法和步骤可能会有所不同，我们可以参考相关的技术手册或联系供应商来获取具体步骤。
此外，合理配置采样频率和分辨率也是处理模拟量输入输出问题的关键。
采样频率指的是PLC对模拟信号进行采样的频率，分辨率指的是PLC将模拟信号转换为数字信号的精度。
在调试中，应根据具体的应用需求来合理配置采样频率和分辨率。
如果采样频率过低或者分辨率过低，可能会导致数据丢失或者精度不高；如果采样频率过高或者分辨率过高，可能会增加系统的负荷和成本。
模拟量的输入输出讲解
工作时序
ADDA ～ ADDC
①
地 锁址 存② ALE/START
③ 启动
EOC
④
OE
转换时间
⑤
D0 ～ D7
3232
ADC0809的工作过程
根据时序图，ADC0809的工作过程如下：
① 把通道地址送到ADDA～ADDC上，选择模拟 输入；
② 在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿将 该地址锁存到内部地址锁存器；
/WR2=0、/XFER=0 优点：数据接收与D/A转换可异步进行；
可实现多个DAC同步转换输出——
分时写入、同步转换
8 12
VREF IOUT2
11
IOUT1
9 Rfb
3 AGND(模拟地) 20 VCC(+5V或+15V） 10 DGND（数字地）
1616
1717
输入 D0 数据 D7
5V/255=19.6mV 量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由
于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造 成的误差。(字长越长，精度越高)
2727
主要技术指标（续）
绝对量化误差 = 量化间隔/2 = (满量程电压/(2n1))/2 相对量化误差 = 1/2 * 1/量化电平数目 * 100%
D0 ～ D7
写输入 寄存器
CS
WR1 ILE（高电平）
写DAC
WR2
寄存器 XFER
（模拟输出电流变化）
1414
工作方式
单缓冲方式
使输入锁存器或 DAC寄存器二者 之一处于直通。
CPU只需一次写 入即开始转换。 控制比较简单。
输入 D0 数据 D7
模拟量输入、输出通道
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
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用于把数据写入到输入锁存器
WR2：写DAC寄存器 XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器
上述二个信号用于启动转换
VREF：参考电压，-10V～+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地
传感器 模拟量 A/D 数字量 计算机 数字量 D/A 模拟量 执行元件
模拟量输入 (数据采集)
模拟量输出 (过程控制)
8.1 模拟量I/O通道的组成
输入通道
工
传
感
业
器
放大 滤波
多路转换 &
采样保持
A/D 转换
输入 接口
微
型
生
计
物理量
信号
信号
I/O
产
变换
处理
变换
接口
算
过
输出通道
机
执行
放大
D/A
输出
Ch.8 模拟量的输入输出
本章内容
模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器
原理及连接使用方法
A/D转换器
原理及连接使用方法
概述
模拟量I/O接口的作用：
实际工业生产环境——连续变化的模拟量
例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量
计算机内部——离散的数字量
二进制数、十进制数
工业生产过程的闭环控制
R
R 为输入电阻
Vin
∑
Vo
若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入 电压Vi的关系为：
V0
=
-Rf
n i=1
1 Ri
Vin
Rf
式中：Ri 为第i支路的输
R1
入电阻
Vin
…∑
VO
Rn
令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一 基准电压Vref，则有
V0=-Rfi= n12i1 RfVref =-i= n12 1iVref
程
机构
驱动
转换
接口
模拟电路的任务
模拟接口电路的任务
模拟量输入通道
传感器（Transducer）
非电量→电压、电流
变送器（Transformer）
转换成标准的电信号
信号处理（Signal Processing）
放大、整形、滤波
多路转换开关（Multiplexer）
多选一
采样保持电路（Sample Holder，S/H）
保证变换时信号恒定不变
A/D变换器（A/D Converter）
模拟量转换为数字量
模拟量输出通道
D/A变换器（D/A Converter）
数字量转换为模拟量
低通滤波
平滑输出波形
放大驱动
提供足够的驱动电压，电流
8.2 数/模（D/A）变换器
8.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标
LE1 ＆
LE2
CS 1 WR1 2 WR2 18
XFER 17
≥1
≥1
DAC0832框图
8位 D/A 转换 器
Rfb
8 12
VREF IOUT2
11 IOUT1
9 Rfb 3 AGND(模拟地) 20 VCC(+5V或+15V） 10 DGND（数字地）
引脚功能
D7～D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS：片选信号 WR1：写输入锁存器
输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的 程度。
一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位
例：一个满量程为5V的10位DAC，±1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV
转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR LSB: Least Significant Bit FSR: Full Scale Range)
如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示 Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为
=
n
-
i=1
1 2i
SiVref
若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献
与上式相对应的电路如下(图中n=8)：
2R
Rf
S1
4R
S2 8R
S3 16R
S4 32R
S5
Vref
64R S6
工作时序
D/A转换可分为两个阶段：
CS=0、WR1=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器； WR2=0、XFER=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。
D0 ～ D7
写输入 寄存器
CS
WR1 ILE（高电平）
写DAC WR2 寄存器 XFER
（模拟输出电流变化）
工作方式
单缓冲方式
R fb
DGND
1
20
2
19
3
18
4 5 6
DAC 0832
17 16 15
7
14
8
13
9
12
10
11
VCC
ILE
WR2
XFER DI4 DI5 DI6 DI7 IOUT 2 IOUT1
DAC0832内部结构
输入数据 D0～ D7
8位 4～ 7 输入 13 ～16 寄存
器
8位 DAC 寄存～ 器
ILE 19
VO
128R
S7
256R S8
图中的电阻网络就称为权电阻网络
如果用8位二进制代码来控制图中的S1～ S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根 据二进制代码的不同，输出电压VO也不同， 这就构成了8位的D/A转换器。
可以看出，当代码在0～FFH之间变化时， VO相应地在0～-(255/256)Vref之间变化。
使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即 开始转换。控制比较简单。见教材p352图。
D/A变换器的基本工作原理
组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器
两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络
基本结构如图：
Rf
数字量
模拟开关
电阻网络
∑
VO Vref
D/A变换原理
运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输 入电压Vin的关系为：
VO
=
-
Rf R
Vin
Rf
式中：Rf 为反馈电阻
为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实 际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见 下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。
R-2R梯形电阻网络
Rf
n-1
2 10
Vi
-
V0
+
2R
Vref
R
Vn-1
2R 2R 2R
RR
2R
…
V2
V1 V0
D/A转换器的主要技术指标
分辨率（Resolution）
转换时间
从开始转换到与满量程值相差±1/2 LSB所对应的 模拟量所需要的时间
V
VFULL
1/2 LSB
0
tC
t
8.2.2 典型D/A转换器
DAC0832
CS
特性：
W R1
8位电流输出型D/A转换器 A G N D
T型电阻网络
DI3
差动输出
DI2
引线图见教材p351
D I1
DI0 VREF