施耐德Unity的模拟量输入/输出模块原理

    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、黏度等，而有的是非电量，有的是强电量，它们都是连续变化的模拟量。为了实现自动控制，PLC需要处理这些模拟信号。为了来用PLC测量或控制连续变化的模拟量，需要使用传感器、变送器、UD转换器等。    传感器是利用线性膨胀、角度扭转或电导率变化等原理来测量物理量的变化。它将物理量的变化转换可处理信号的变化。    变送器将传感器检测到的信号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。    A/D转换器在模拟输入模块（A/D模块）中，它把采集到的模拟信号量化和编码后转换成数字信号并输出，简称A/D转换或ADC (Analog to Digital Converter)。模拟输入模块可以同时连接多个模拟信号（称为模拟通道），每个模拟通道上的输入信号是轮流被转换的。    分辨率、转换速度、时间和精度是A/D转换模块的重要指标。    (1)分辨率是指A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量，它用转换后的二进制数的位数来表示。模拟量输入／输出模块的分辨率一般有8位和12位2种。8位的模拟量模块的分辨率低，一般用在精度要求低的场合。12位二进制数能表示的范围为0-4095。A/D转换模块最大的分辨率15位。    (2)转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数。转换时间是A/D转换记录测量值所需时间（基本转换时间）与模块中处理测量值（诊断、开路监测）所需时间的总和。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）。    (3)模拟量转换的精度除了取决于A/D转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。在实际应用中，输入的模拟量信号会有波动、噪声和干扰，内部模拟电路也会产生噪声、漂移，这些都会对转换的精度造成影响。这些因素造成的误差影响要大于A/D芯片的转换误差。    (4)采样时间也可叫做循环时间，就是同一通道两次转换之间的时间。    与单片机不同，PLC的模拟量输入模块的A/D转换过程一般是周期性自动进行的，不需要用户程序去启动A/D转换过程，用户程序只需要直接读取当前最新的转换结果即可。关闭未用的通道可减小模块总的A/D转换周期。A/D转换模块示意图如图2-34所示。
    图2-35    A/D转换模块示意图    模拟量输入模块主要实现将模拟量输入信号通过A/D转换器转换为二进制数字量的功能。以12位二进制数据为例来说明模拟量输入信号与A/D转换后数据之间的关系，如图2-36所示。    模拟量输出模块，是把数字信号转换成模拟信号，即D/A转换模块。数字量的位数和转换速率是D/A转换模块的重要指标，如图2-37所示。
    图2-36    输入信号与转换数据关系图
    图2-37    D/A模块示意图    A/D转换的结果存储到结果存储器中，并一直保持到被新的转换值所覆盖。采用标准模拟输入信号的模拟信号执行器可以直接连接到模拟输出模块上。    模拟量信号的输入过程如下：    当PLC用户程序运行并执行模拟量输入指令时，根据指令所指定的输入通道，经过控制与译码电路，选中一路输入信号。被选中的这一路输入信号经过预处理电路转换成PLC能接收的电平信号，再通过多路转换开关进入A/D转换器。A/D转换器把这个输入采样值转换为带符号的二进制数，再由数据转换电路进行转换，经光电隔离器进入数据驱动单元。进入数据驱动单元的数据可以按系统的控制要求传送到总线驱动器中，然后再送到PLC系统内部数据总线上，也可以传送到中间寄存器中，等待再读入CPU模块的命令。    模拟量信号的输出过程如下：    当运行PLC用户程序的模拟量输出指令时，根据指令所指定的存储输出数据的地址，将其中的数据取出送到模块内部的缓冲器中。进入缓冲器的数据按照控制信号的要求传送到中间寄存器。中间寄存器中的二进制数经光电隔离后，进入D/A转换器，进行转换。经过转换后的信号，根据输出指令所指定的输出通道控制多路转换开关将该路接通，输出模拟信号。    为了提高输出信号的驱动负载能力，信号输出之前一般都要放大功率。    模拟量处理过程如图2-38所示。    在模拟量的处理过程中，模块常常会要求在标准I/O寻址要求之外，进一步为不同信号处理功能指定特定的模式或操作参数。Modicon Quantum系列PLC提供I/O映射缩放的软件功能，可以初始化或更改模块的工作参数，通过软件配置多功能模块的能力消除了对传统硬件DIP开关或复杂应用程序编程的要求。    对模拟量滤波设置时，应该注意以下几点：    (1)为变化较缓慢的模拟量输入选用滤波器可以抑制波动；    (2)为变化较快的模拟量输入选用较小的采样数会加快响应速度；    (3)对高速变化的模拟量值不要使用滤波器。    在实际工程应用中，如果模拟量是一个变动很大的不稳定的值，可能的原因：    (1)使用了一个自供电或隔离的传感器电源，两个电源之间彼此没有连接，即模拟量输入模块的电源地和传感器的信号地没有连接。这将会产生一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值。
    图2-38    模拟量处理过程示意图    (2)模拟量输入模块接线太长或绝缘不好。    假如出现上述问题，可以把输入信号的负端连接到模拟量模块共地端，消除共模电压过大而带来的干扰。但应该注意：这种方式适合于变送器允许把负极连接在一起的情况。    模拟量信号的传输距离分为电压型的模拟量信号的传输距离和电流型的模拟量信号的传输距离。    前者由于输入端的内阻很高（模拟量模块为1MΩ），极易引入干扰，所以，一般电压信号是用在控制设备柜内电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。    而后者不容易受到传输线沿途的电磁干扰，因而在工业现场获得广泛应用。    电流信号可以传输比电压信号远得多的距离。理论上，电流信号的传输距离受到以下因素制约：    (1)信号输出端的带载能力，以欧姆数值表示；    (2)信号输入端的内阻；    (3)传输线的静态电阻值（双线）。    信号输出端的负载能力必须大于信号输入端的内阻与传输线电阻之和。当然，实际情况不会完全符号理想的计算结果，传输距离过长会造成信号衰减，也会引入干扰。