模拟量处理

5Fra Baidu bibliotek 模拟量模块可测量的模拟量信号：
对称的电压，如：¡ 80mV、¡ 250mV、¡ 500mV、 ¡ 1V、¡ 2.5V、¡ 5V、¡ 10V， 转换结果的额定范围-32768～+32768。 对称的电流， 如： ¡ 3.2mA、 ¡ 10mA、 ¡ 20mA， 转换结果的额定范围-32768～+32768。 不对称的电压，如：0～2V、1～5V、0～10V，转换结果的额定范围 0～+32768。 不对称的电流，如：0～20mA、4～20mA，转换结果的额定范围 0～+32768。 电阻，如：0～150Ω、0～300Ω、0～600Ω，转换结果的额定范围 0～32768。 温度，如： Pt100，-200～850℃，转换结果的额定范围 2000～8500； Ni100，60～250℃，转换结果的额定范围 600～2500； K 型热电偶，-270～1372℃，转换结果的额定范围 2700～13720； N 型热电偶，-270～1300℃，转换结果的额定范围 2700～13000； J 型热电偶，-210～1200℃，转换结果的额定范围 2100～12000； E 型热电偶，-270～1000℃，转换结果的额定范围 2700～10000。 电压（¡ 10V） 、电流（4～20mA） 、电阻（0～300Ω）及 Pt00（200～850Ω）的表达方 式。
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对于一些模块，几个通道组合在一起构成一个通道组共用一套 A/D 转换电路，此时量 程卡的设置是针对整个通道组的设置。 在 STEP7 中，对模拟量模块进行参数化设置时，所选测量传感器类型必须与模块上量 程卡设定的类型相匹配，否则，模块上的 SF 指示灯将指示模块故障。 在使用模拟量输入模块时，根据测量方法的不同，可以将电压、电流或电阻等不同类型 的传感器连接到模拟量输入模块。为了减少电子干扰，对于模拟信号应使用屏蔽双绞电缆。 模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。 如果电缆两端存在电位差， 将会在屏蔽层中产生等电 势耦合电流，造成对模拟信号的干扰，在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一点接地。
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时间、分辨率和扰动频率抑制三者的关系（对于 SM331 模块） ： 积分时间 分辨率 扰动频率抑制 (ms) (位） (Hz) 2.5 9 + 符号位 400 16.6 12 + 符号位 60 20 12 + 符号位 50 100 14 + 符号位 10 精度 根据模块的种类，8 到 15 位的分辨率都是可能的。 转换时间 转换时间取决于模块上模数转换方式（积分方式或连续逼近） 。在 S7-300 手册中可以查到各种模块的转换时间。例如：SM334 所有 4 个通道的转换时间都是 5 ms。
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机架 3
PS
IM
(接收)
640 to 654
656 to 670
672 to 686
688 to 702
704 to 718
720 to 734
736 to 750
752 to 766
机架 2
PS
IM
(接收)
512 to 526
528 to 542
2. 模拟量输入通道的量程调节
每个模拟量输入模块（AI）都有 2～8 模拟量输入通道，在使用之前必须对所使用的模 拟量输入模块进行相关设置：
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①通过模拟量输入模块内部的跳线， 同一个模拟量输入模块每个通道组间可以连接不同 类型的传感器； ②通过使用 STEP7 软件或量程卡可以设置模拟量模块的测量方法和测量范围。 一般模拟量输入模块的每个通道组有 1 个量程卡， 每个量程卡可设置为¡ A¡ 、 ¡ B¡ 、 ¡ C¡ 、 ¡ D¡ 4 个位置，缺省位置为¡ B¡ ，即电压测量位置。
6. 模拟量的规范化输入
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模拟量输入模块的输入信号都与实际的物理量相对应，如用一个液位传感器-变送器来 测量罐的液位，测量范围为 0～500L，对应的输出电压为 0～10V。假设将该模拟量信号接 入模拟量输入模块，对应于 0～10V 的电压信号，其转换值为 0～27648，该数值应该进一步 转换为实际物理量值（如：0～500L） ，这个过程称为¡ 规范化¡ 。 任务1 检测压力 压力变送器的量程为0～15MPa，输出信号为4～20mA，S7-300 的模拟量输入模块的量 程为4～20mA，转换后的数字量为0～27 648，设转换后的数字为N，试求以kPa 为单位的压 力值。 解：在实际工程中，常常遇到这样的比例计算。0～10MPa(0～10 000kPa)对应于转换后的数 字0～27 648，转换公式为P =（10 000 ¡ N）/ 27 648 （kPa），值得注意的是在运算时一 定要先乘后除，否则会损失原始数据的精度。梯形图程序如下：
传感器 测量传感器利用线性膨胀、角度扭转或电导率变化等原理来测量物理量的变化。 变送器 测量变送器将传感器检测到的变化量转换为标准的模拟信号，如: ¡ 500mV, ¡ 10V, ¡ 20mA, 4...20mA。这些标准的模拟信号将接到模拟输入模块上。 模数转换器 必须把模拟值转换为数字量，才能被 CPU 处理。模拟输入模块中的 ADC（模 数转换器）用来实现转换功能。模数转换是顺序执行的，也就是说每个模拟通道上的输入信 号是轮流被转换的。 结果存储器 模数转换的结果存在结果存储器中，并一直保持到被一个新的转换值所覆盖。 可用¡ L PIW¡ ¡ 指令来访问模数转换的结果。 模拟输出 传递指令¡ T PQW...¡ 用来向模拟输出模块中写模拟量的数值（由用户程序 计算所得） ，该数值由模块中的 DAC（数模转换器）变换为标准的模拟信号。 模拟执行器 采用标准模拟输入信号的模拟执行器可以直接连接到模拟输出模块上。 模拟量输入流程是： 通过传感器把物理量转变为电信号， 这个电信号可能是离散性的电 信号， 需要通过变送器转换为标准的模拟量电压或电流信号， 模拟量模块接收到标准的电信 号后通过 A/D 转换，转变为与模拟量成比例的数字信号，并存放在缓冲器中，CPU 通过¡ L PIWx¡ 指令读取模拟量模块缓冲器的内容，并传送到指定的存储区中待处理。 模拟量输出流程是：CPU 通过¡ T PQWx...¡ 指令把指定的数字量信号传送到模拟量 模块的缓冲器中，模拟量模块通过 D/A 转换器，把缓冲器的内容转变为成比例的标准电压 或电流信号，标准电压或电流驱动相应的执行器动作，完成模拟量控制。
机架 0
PS
CPU
IM
(发送)
256 to 270
4
272 to 286
5
288 to 302
6
304 to 318
7
320 to 334
8
336 to 350
9
352 to 366
10
368 to 382
11
槽位
1
2
3
4. 模拟量的表达方式及测量值的分辨率
表达方式 模拟量用两种互补的形式表达： 位 15=0 为正数，位 15=1 为负数。 分辨率 如果模拟量模块的分辨率小于 15 位，则模拟量写入累加器时向左对齐。不用 的位用 ¡ 0¡ 填充。 积分时间 分辨率是通过在硬件组态中选择积分时间来间接定义的。 下表给出了积分
544 to 558
560 to 574
576 to 590
592 to 606
608 to 622
624 to 638
机架 1
PS
IM
(接收)
384 to 398
400 to 414
416 to 430
432 to 446
448 to 462
464 to 478
480 to 494
496 to 510
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模拟量处理
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1. 模拟量模块的使用
原理 连续变化的物理量称为模拟量。 在生产过程中， 存在大量的物理量， 如压力、 温度、 速度、旋转速度、 pH 值、粘度等。为了实现自动控制，这些模拟信号需要被 PLC 处理。
¡ A¡ →热电阻、热电偶测量，测量值通常为毫伏信号，测量范围为¡ 1000mV； ¡ B¡ →电压测量，测量范围为¡ 10V； ¡ C¡ →四线制变送器测量，传感器电源线与信号线分开，测量范围为 4～20mA； ¡ D¡ →二线制变送器测量，传感器电源线与信号线共用，传感器的电源通过模拟量 输入模块供给，测量范围为 4～20mA。 量程卡的调节方法如下： ① 用螺丝刀将量程卡从模拟量输入模块中松开 ② 对量程卡进行正确定位，然后选择测量范围并按标记方向将量程卡插入模拟量输入 模块中。
3. 模拟量模块的系统默认地址
在对模块存取时，模块是位于集中组态的机架上还是分布式 I/O 是没有区别的。所有的 模块都占用相同的（逻辑）地址空间。 S7-300 系列 PLC 的过程映像区是固定的，128 个字节输入和 128 个字节输出；S7-400 系列 PLC 的过程映像区的大小可以在软件中设置。访问过程映像区外的地址，如 S7-300 系 列 PLC256，在地址区前加 P。一些信号模块的信号不需要过程映像区的处理，如模拟量模 块采样的温度信号， 是一个连续变化的数值， 在一个程序扫描周期的任意时刻处理都不会影 响程序的运算结果， 所以模拟量模块默认的地址区分配在过程映像区以外 （也可以将地址配 置在过程映像区内） 。为了减小过程的响应时间，在用户程序中也可以不经过过程映像区直 接访问某个 I/O 端口，端口扫描将在指令运行期间执行，由此可获得较快的响应时间，这样 只需要在地址区前 P， 例如在程序中可以一次或多次使用 L PIB2 或 T PQW2 指令替代 L IB2 或 T QW2,使用 P 快速读写数字量 I/O 端口也称为立即读、立即写。直接访问 I/O 端口，允 许最小的数字类型为字节，如果对一个位信号进行操作，需要使用指令转换。在用户程序中 过多使用立即读、立即写操作也会影响 CPU 的程序扫描时间。 在从输入模块上读取用户数据区时，使用外部输入（ＰＩ）地址区。PI 地址区的一部 分指向过程映像，这个部分总是从 I/O 地址０开始，其长度与 CPU 有关。 用直接 I/O 读操作，可以对其接口不指向过程输入映像的模块进行读取操作（如模拟输 入模块） 。指向过程输入映像的模块信号状态也可以用直接读操作来读取，这样也就可以扫 描输入位的暂态信号。请注意，这时的信号可能与过程映像中的相应信号不同，因为过程输 入映像是在程序扫描开始时更新的。 外部输入可以与外部输出占用同一绝对地址。 S7-300 为模拟量输入和输出保留了特定的地址区域，以便与数字模块的输入、输出映 像区的地址(PII/PIQ)区分开。地址范围从字节 256 到 767，从 0 号机架的 4 号槽位开始，每 个槽位占用 16 字节（每个模拟量通道占 2 字节，等于 8 个模拟量通道） 。对于 S7-400 模拟 量模块的地址区域从字节 512 开始。
电压（示例） 范围 超上限 超上界 测量范围 ¡ 10V ≥11.759 11.7589 ¡ 10.0004 10.00 7.50 额定范围 ¡ -7.50 -10.00 -10.0004 超下界 超下限 ¡ -11.759 ≤11.76 转换值 32768 32511 ¡ 27649 27648 20736 ¡ -20736 -27648 -27649 ¡ -32512 -32768 电流（示例） 测量范围 4～20mA ≥22.815 22.810 ¡ 20.0005 20.000 16.000 ¡ 4.000 3.9995 ¡ 1.1852 ≤1.1845 转换值 32768 32511 ¡ 27649 27648 20736 ¡ 0 -1 ¡ -4864 -32768 不允许负值 电阻（示例） 测量范围 0~300Ω ≥352.778 352.767 ¡ 300.011 300.000 225.000 ¡ 0.000 转换值 32768 32511 ¡ 27649 27648 20736 ¡ 0 -1 ¡ -4864 -32768 温度（示例） 测量范围 -200～850? ≥1000.1 1000.0 ¡ 850.1 850.0 ¡ -200.0 -200.1 ¡ -243.0 ≤-243.1 转换值 32768 10000 ¡ 8501 8500 ¡ -2000 -2001 ¡ -2430 -32768