应用模拟量扩展模块的实用技巧

1.模拟量输入/输出映像寄存器

S7-200的模拟量输入电路是将外部输入的模拟量信号（电流或电压）转换成1个字长（16位）的数字量（0～32000）存入模拟量输入映像寄存器区域，可以用区域标识符（AI）、数据长度（W）和模拟通道的起始地址读取这些量，其格式为AIW[起始字节地址]。因为模拟输入量为1个字长（16位），即2个字节，且从偶数字节开始存放，所以必须从偶数字节地址读取这些值，如AIW0、AIW2、AIW4等。模拟量输入值为只读数据。

S7-200CPU的模拟量输出电路是将模拟量输出映像寄存器区域的1个字长（16位）的数字量（0～32000）转换为模拟量信号（电流或电压）输出，可用区域标识符（AQ）、数据长度（W）和模拟通道的起始地址存储这些量，其格式为AQW[起始字节地址]。因为模拟输出量为1个字长（16位），即2个字节，且从偶数字节开始存放，如AQW0、AQW2、AQW4等。模拟量输出值是只写数据。

对模拟量输入/输出是以2个字（W）为单位分配地址，每路模拟量输入/输出占用1个字（2个字节）。如果有3路模拟量输入，需分配4个字（AIW0、AIW2、AIW4、AIW6），其中没有被使用的字AIW6，不可被占用或分配给后续模块。如果有1路模拟量输出，需分配2个字（AQW0、AQW2），其中没有被使用的字AQW2，不可被占用或分配给后续模块。

模拟量输入/输出的地址编号范围根据CPU的型号不同而有所不同，CPU222为AIW0～AIW30/AQW0～AQW30，CPU224/226为AIW0～AIW62/AQW0～AQW62。

2.PLC模拟量扩展模块的应用

在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（如电动调节阀、变频器等）要求PLC输出模拟信号。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，如直流4～20mA、1～5V或0～10V等。PLC用A-D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A-D转换后用二进制补码表示。D-A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A-D转换（模拟量输入）和D-A转换（模拟量输出），如图6.2-2所示。

图6.2-2 工程量与模拟量、数字量转化

（1）模拟量输入模块EM231的应用

1）EM231模块接线。通过A-D模块，S7-200 CPU可以将外部的模拟量（电流或电压）转换成1个字长（16位）的数字量（0～32000）。

图6.2-3为EM231的端子接线及DIP开关示意图。

2）EM231模块的配置和校准。使用EM231和EM235输入模拟量时，首先要进行模块的配置和校准。通过调整模块中的DIP开关，可以设定输入模拟量的种类（电流、电压）以及模拟量的输入范围、极性，见表6.2-2。

图6.2-3 EM231的端子接线及DIP开关示意图

表6.2-2 EM231选择模拟量输入范围的开关表

注：双极性信号就是信号在变化的过程中要经过“零”，单极性不过“零”。由于模拟量转换为数字量是有符号整数，所以双极性信号对应的数值会有负数。在S7-200中，单极性模拟量输入/输出信号的数值范围是0～32000，双极性模拟量信号的数值范围是-32000～+32000。

设定模拟量输入类型后，需要进行模块的校准，此操作需通过调整模块中的“增益调整”电位器来实现。校准调节影响所有的输入通道。即使在校准以后，如果模拟量多路转换器之前的输入电路元件值发生变化，从不同通道读入同一个输入信号，其信号值也会有微小的不同。校准输入的步骤如下：

①切断模块电源，用DIP开关选择需要的输入范围；

②接通CPU和模块电源，使模块稳定15min；

③用一个变送器、一个电压源或电流源，将零值信号加到模块的一个输入端；

④读取该输入通道在CPU中的测量值；

⑤调节模块上的OFFSET（偏置）电位器，直到读数为零或需要的数字值；

⑥将一个工程量的最大值（或满刻度模拟量信号）接到某一个输入端子，调节模块上的GAIN（增益）电位器，直到读数为32000或需要的数字值。

⑦必要时重复上述校准偏置和增益的过程。

如输入电压范围是0～10V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为0～32000；电压为0V时，数字量不一定是0，可能有一个偏置值，如图6.2-4所示。

3）输入模拟量的读取。每个模拟量占用1个字长（16位），其中数据占12位。依据输入模拟量的极性，数据格式有所不同，如图6.2-5所示。

对于单极性数据格式（0～10V、0～5V），其最大值为2¹⁵-2³=32760，差值为32760-32000=760，可以通过调偏差/增益系统完成。

模拟量转换为数字量的12位读数是左对齐的。对单极性格式，最高位为符号位，最低3位是精度位，即A-D转换是以8为单位进行的；对双极性格式，最低4位为精度位，即A-D转换是以16为单位进行的。

模拟量输入模块有两个参数容易混淆，即模拟量转换的分辨率和模拟量转换的精度（误差）。分辨率是A-D转换芯片的转换精度，即用多少位的数值来表示模拟量。若S7-200模拟量模块的转换分辨率是12位，能够反映模拟量变化的最小单位是满量程的1/2¹²即1/4096。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，这些都会对转换的最后精度造成影响。这些因素造成的误差要大于A-D芯片的转换误差。

图6.2-4 模拟量输入与数字量输出关系

图6.2-5 模拟量输入数据格式

在读取模拟量时，利用数据传送指令MOV_W，可以从指定的模拟量输入通道将其读取到内存中，然后根据极性，利用移位指令或整数除法指令将其规格化，以便于处理数据值部分。

（2）模拟量输出模块EM232的应用

1）EM232模块接线。通过D-A模块，S7-200 CPU把1个字长（16位）的数字量（0～32000）按比例转换成电流或电压。图6.2-6所示为模拟量输出EM232端子接线及内部结构。(www.xing528.com)

2）模拟量的输出。模拟量的输出范围为-10～+10V和0～20mA（由接线方式决定），对应的数字量分别为-32000～+32000和0～32000。

图6.2-7所示模拟量数据输出值是左对齐的。对于单极性格式，最高有效位是符号位，0表示正值；对于双极性格式，最低4位是4个连续的0，在转换为模拟量输出值时将自动屏蔽，而不会影响输出信号值。

（3）模拟量数据的处理

1）模拟量输入信号的整定。通过模拟量输入模块转换后的数字信号直接存储在S7-200 PLC的模拟量输入存储器AIW中。这种数字量与被转换的结果之间有一定的函数对应关系，但在数值上并不相等，必须经过某种转换才能使用。这种将模拟量输入模块转换后的数字信号在PLC内部按一定函数关系进行转换的过程称为模拟量输入信号的整定。

图6.2-6 模拟量输出EM232端子接线及内部结构

图6.2-7 模拟量数据输出

模拟量输入信号的整定通常需要考虑以下几个问题。

①模拟量输入值的数字量表示方法。模拟量输入值的数字量表示方法即模拟量输入模块数据的位数是多少，是否从数据字的第0位开始。若不是，应进行移位操作使数据的最低位排列在数据字的第0位上，以保证数据的准确性。如EM231模拟量输入模块，在单极性信号输入时，模拟量的数据值是从第3位开始的，因此数据整定的任务是把该数据字右移3位。

②模拟量输入值的数字量表示范围。该范围由模拟量输入模块的转换精度决定。如果输入量的范围大于模块可能表示的范围，则可以使输入量的范围限定在模块表示的范围内。

③系统偏移量的消除。系统偏移量是指在无模拟量信号输入情况下由测量元件的测量误差及模拟量输入模块的转换死区所引起的，具有一定数值的转换结果。消除这一偏移量的方法是在硬件方面进行调整（如调整EM231中偏置电位器）或使用PLC的运算指令消除。

④过程量的最大变化范围。过程量的最大变化范围与转换后的数字量最大变化范围应有一一对应的关系，这样就可以使转换后的数字量精确地反映过程量的变化。如用0～0FH反映0～10V的电压与用0～FFH反映0～10V的电压相比较，后者的灵敏度或精确度显然要比前者高得多。

⑤标准化问题。从模拟量输入模块采集到的过程量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都不同，在PLC内部进行数据运算之前，必须将这些值转换为无量纲的标准格式。

⑥数字量滤波问题。电压、电流等模拟量常常会因为现场干扰而产生较大波动，这种波动经A-D转换后亦反映在PLC的数字量输入端。若仅用瞬时采样值进行控制计算，将会产生较大误差，因此有必要进行滤波。

工程上的数字滤波方法有平均值滤波、去极值平均滤波以及惯性滤波法等。

2）模拟量输出信号的整定。在PLC内部进行模拟量输入信号处理时，通常把模拟量输入模块转换后的数字量转换为标准工程量，经过工程实际需要的运算处理后，可得出上下限报警信号及控制信息。报警信息经过逻辑控制程序可直接通过PLC的数字量输出点输出，而控制信息需要暂存到模拟量存储器AQWX中，经模拟量输出模块转换为连续的电压或电流信号输出到控制系统的执行部件，以便进行调节。模拟量输出信号的整定就是要将PLC的运算结果按照一定的函数关系转换为模拟量输出寄存器中的数字值，以备模拟量输出模块转换为现场需要的输出电压或电流。

已知在某温度控制系统中由PLC控制温度的升降。当PLC的模拟量输出模块输出10V电压时，要求系统温度达到500℃，现PLC的运算结果为200℃，则应向模拟量输出存储器AQWX写入的数字量为多少？这就是一个模拟量输出信号的整定问题。

显然，解决这一问题的关键是要了解模拟量输出模块中的数字量与模拟量之间的对应关系，这一关系通常为线性关系。如EM232模拟量输出模块输出的0～10V电压信号对应的内部数字量为0～32000。上述运算结果200℃所对应的数字量可用简单的算术运算程序得出。

例如，某管道水的压力是0～1MPa，通过变送器转化成4～20mA输出，经过EM231的A-D转换，0～20mA对应的数字量范围是0～32000，当压力大于0.8MPa时指示灯亮。

工程量与模拟量、模拟量与数字量的对应关系如图6.2-8所示。

图6.2-8 工程量与模拟量、模拟量与数字量的对应关系

0.8MPa时的电流值为X=[（20-4）×（0.8-0）/（1-0）]+4；

0.8MPa时的信号量是X=16.8mA；

对应的数字量是N=[（32000-0）×（16.8-0）/（20-0）]+0；

0.8MPa时的数字量是N=26880。

PLC程序如图6.2-9所示。

图6.2-9 PLC程序

（4）使用模拟量模块时的注意事项

1）模拟量模块有专用的扁平电缆与CPU通信，并通过此电缆由CPU向模拟量模块提供DC5V的电源。此外，模拟量模块必须外接DC24V电源。

2）每个模拟量模块能同时输入/输出电流或者电压信号。当模拟量模块的输入点/输出点有信号输入或者输出时，LED指示灯不会亮，这点与数字量模块不同，因为西门子模拟量模块上的指示灯没有与电路相连。

3）一般电压信号比电流信号容易受干扰，应优先选用电流信号。电压型的模拟量信号，由于输入端的内阻很高（S7-200的模拟量模块为10MΩ），极易引入干扰。一般电压信号用于控制设备柜内的电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。电流型信号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的应用。电流信号可以传输比电压信号远得多的距离。

4）对于模拟量输出模块，电压型和电流型输出信号的接线不同，各自的负载接到各自的端子上。

5）模拟量输出模块总是要占据两个通道的输出地址。即便有些模块（EM235）只有一个实际输出通道，也要占用两个通道的地址。在编程计算机和CPU实际联机时，使用Micro/WIN的菜单命令“PLC”→“信息（Information）”，可以查看CPU和扩展模块的实际I/O地址分配。