S7-300/400 PLC模拟量输入/输出的量程转换
SLC A&D CS
March, 2005
1模拟量输入/输出量程转换的概念 (3)
2S7-300/400 PLC模拟量输入/输出模板 (3)
2.1需要使用的模板 (3)
2.2涉及的信号类型 (3)
3STEP 7中模拟量输入/输出的编程 (3)
3.1FC105/FC106在哪里 (3)
3.2FC105/FC106功能描述 (5)
3.2.1FC105功能描述 (5)
3.2.2FC106功能描述 (5)
3.3FC105/FC106参数定义 (6)
3.3.1FC105 的参数定义 (6)
3.3.2FC106的参数定义 (6)
3.4例子程序 (7)
3.4.1FC105例子程序 (7)
3.4.2FC106例子程序 (8)
1模拟量输入/输出量程转换的概念
实际的工程量，如压力、温度、流量、物位等要采用各种类型传感器进行测量。传感器将输出标准电压、电流、温度、或电阻信号供PLC采集，PLC的模拟量输入模板将该电压、电流、温度、或电阻信号等模拟量转换成数字量——整形数(INTEGER)。在PLC程序内部要对相应的信号进行比较、运算时，常需将该信号转换成实际物理值（对应于传感器的量程）。而经程序运算后得到的结果要先转换成与实际工程量对应的整形数，再经模拟量输出模板转换成电压、电流信号去控制现场执行机构。这样就需要在程序中调用功能块完成量程转换。
如一个压力调节回路中，压力变送器输出4-20mA DC信号到SM331模拟量输入模板，
SM331模板将该信号转换成0-27648的整形数，然后在程序中要调用FC105将该值转换成0-10.0（MPa）的工程量（实数），经PID运算后得到的结果仍为实数，要用FC106转换为对应阀门开度0-100%的整形数0-27648后，经SM332模拟量输出模板输出4-20mA DC信号到调节阀的执行机构。
本文主要讨论S7-300/400 PLC编程中模拟量的量程转换。
2S7-300/400 PLC模拟量输入/输出模板
2.1需要使用的模板
使用西门子S7-300/400 PLC进行模拟量输入/输出需要使用的模板：
S7-300系列PLC：SM331系列模拟量输入模板；SM332系列模拟量输出模板；SM334/335系列模拟量输入/输出模板。
S7-400系列PLC：SM431系列模拟量输入模板；SM432模拟量输出模板。
目前常用的模板规格型号参见模板手册，请链接到如下网址下载模板手册：
S7-300: https://www.doczj.com/doc/fc17073838.html,/WW/view/en/8859629
S7-400: https://www.doczj.com/doc/fc17073838.html,/WW/view/en/1117740
2.2涉及的信号类型
电压，电流，温度，电阻。
3STEP 7中模拟量输入/输出的编程
3.1FC105/FC106在哪里
在编程界面下，在Program elements中的Libraries下的Standard Library下的TI-S7 Converting Blocks中就可以找到，见下图：
注意：请不要使用S5-S7 Converting Blocks下的FC105, FC106，该路径下的功能是用于S5输入输出模板的，在S7输入输出模板上无法使用。
3.2FC105/FC106功能描述
在编程界面下选中该功能块，按一下计算机键盘上的F1功能键，即可打开关于该功能块的在线帮助，包括该功能块的功能，管脚参数定义、例子程序等。建议用户使用STEP 7在线帮助，可以提供全面的编程帮助。
3.2.1FC105功能描述
SCALE（FC105）功能将一个整形数INTEGER（IN）转换成上限、下限之间的实际的工程值(LO_LIM and HI_LIM)，结果写到OUT。公式如下：
OUT = [ ((FLOAT (IN) – K1)/(K2–K1)) * (HI_LIM–LO_LIM)] + LO_LIM
常数K1和K2的值取决于输入值（IN）是双极性BIPOLAR还是单极性UNIPOLAR。
?双极性BIPOLAR：即输入的整形数为 –27648到 27648，此时 K1 = –27648.0 ， K2 = +27648.0
?单极性UNIPOLAR：即输入的整形数为 0 到 27648，此时 K1 = 0.0 ， K2 = +27648.0
如果输入的整形数大于 K2，输出 (OUT) 限位到HI_LIM, 并返回错误代码。如果输入的整形数小于K1，输出限位到LO_LIM，并返回错误代码。
反向定标的实现是通过定义LO_LIM > HI_LIM来实现的。反向定标后的输出值随着输入值的增大而减小。
3.2.2FC106功能描述
UNSCALE（FC106）功能将一个实数REAL (IN) 转换成上限、下限之间的实际的工程值(LO_LIM and HI_LIM)，数据类型为整形数。结果写到OUT。公式如下：
OUT = [ ((IN–LO_LIM)/(HI_LIM–LO_LIM)) * (K2–K1) ] + K1
常数K1和K2的值取决于输入值（IN）是双极性BIPOLAR还是单极性UNIPOLAR。
?双极性BIPOLAR：即输出的整形数为 –27648到 27648，此时 K1 = –27648.0 ， K2 = +27648.0
?单极性UNIPOLAR：即输出的整形数为 0 到 27648，此时 K1 = 0.0 ， K2 = +27648.0
如果输入值在下限LO_LIM和上限HI_LIM的范围以外，输出 (OUT) 限位到与其相近的上限或下限值（视其单极性UNIPOLAR或双极性BIPOLAR而定），并返回错误代码。
3.3FC105/FC106参数定义
3.3.1FC105 的参数定义
参数类型数据类型存储区描述
EN 输入BOOL I,Q,M,D,L 使能输入，高电平有效
ENO 输出BOOL I,Q,M,D,L 使能输出，如正确执行完毕，则为1
IN 输入INT I,Q,M,D,L,P,
Constant要转换为工程量的输入值
HI_LIM 输入REAL I,Q,M,D,L,P,
Constant工程量上限
LO_LIM 输入REAL I,Q,M,D,L,P,
Constant工程量下限
BIPOLAR 输入BOOL I,Q,M,D,L 1表示输入为双极性，0表示输入为单极性
OUT 输出REAL I,Q,M,D,L,P 量程转换结果
RET_VAL 输出WORD I,Q,M,D,L,P 返回值W#16#0000代表指令执行正确。如返回值不是W#16#0000，则需在错误信息中查该值的含义
错误信息：
如输入的整形数大于K2，则输出(OUT) 限位到 HI_LIM，并返回错误值。如输入的整形数小于K1，输出限位到LO_LIM，并返回错误值。ENO端的信号状态置为0且返回值RET_VAL 为W#16#0008。
3.3.2FC106的参数定义
参数声明数据类型存储区描述
EN 输入BOOL I,Q,M,D,L 使能输入，高电平有效
ENO 输出BOOL I,Q,M,D,L 使能输出，如正确执行完毕，则为1
IN 输入REAL I,Q,M,D,L,P,
Constant 要转换成整形数的输入值
HI_LIM 输入REAL I,Q,M,D,L,P,
Constant 工程量上限
LO_LIM 输入REAL I,Q,M,D,L,P,
Constant 工程量下限
BIPOLAR 输入
BOOL I,Q,M,D,L
1表示输入为双极性，0表示输入为单
极性
OUT 输出INT I,Q,M,D,L,P 量程转换结果
RET_VAL 输出
WORD I,Q,M,D,L,P
返回值W#16#0000代表指令执行正
确。如返回值不是W#16#0000，则需
在错误代码表中查该值的含义
错误信息：
如果输入值在下限LO_LIM和上限HI_LIM的范围以外，输出 (OUT) 限位到与其相近的上限或下限值（视其单极性UNIPOLAR或双极性BIPOLAR而定），并返回错误代码。ENO端的信号状态置为0且返回值RET_VAL 为 W#16#0008。
3.4例子程序
3.4.1FC105例子程序
如输入I0.0 为 1，SCALE功能被执行。下面的例子中，整形数 22 将被转换成0.0 到100.0 的实数并写到OUT。输入是双极性BIPOLAR，用 I2.0来设置。
执行前：
IN----------------------MW10=22
HI_LIM---------------MD20=100.0
LO_LIM--------------MD30=0.0
OUT-------------------MD40=0.0
BIPOLAR------------I2.0=TRUE
执行后：
OUT------------------MD40=50.03978588
3.4.2FC106例子程序
如输入I0.0 为 1，UNSCALE功能被执行。下面的例子中，实数50.03978588将被转换成0.0到100.0的工程量，再转换成整形数并写到OUT。输入是双极性BIPOLAR，用 I2.0来设置。
执行前：
IN---------------------- MD10=50.03978588
HI_LIM---------------MD20=100.0
LO_LIM--------------MD30=0.0
OUT-------------------MW40=0
BIPOLAR------------I2.0=TRUE
执行后：
OUT------------------MW40=22
注意：通常在一个项目都有不只一个模拟量需要转换，FC105和FC106在程序中都可多次调用，调用的方法同上述例子程序。
4到20ma模拟量转换公式 大家可能会非常熟悉RS232，RS485，CAN等工业上常用的总线，他们都是传输数字信号的方式。那么，我们用什么方式来传输模拟信号呢？工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。 采用电流信号的原因是不容易受干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA 级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米；由于电流源的大内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0－5V的电压，低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。 上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，
电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实大家可能注意到，4-20mA电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电（因此，在轻负载条件下高效率的DC/DC电源（TPS54331,TPS54160），低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（如MSP430）对于两线制的4-20mA收发非常重要）。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。
对输入、输出模拟量的ＰLＣ编程的探讨及编程实例解析
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对输入、输出模拟量的PLＣ编程的探讨及编程实例解析 对于初学PLＣ编程的人来说，模拟量输入、输出模块的编程要比用位变量进行一般的程序控制难的多，因为它不仅仅是程序编程，而且还涉及到模拟量的转换公式推导与使用的问题。不同的传感变送器,通过不同的模拟量输入输出模块进行转换，其转换公式是不一样的,如果选用的转换公式不对,编出的程序肯定是错误的。比如有3个温度传感变送器： (1)、测温范围为0～20０，变送器输出信号为4~20ｍa (２)、测温范围为0~200，变送器输出信号为0～5V （3)、测温范围为-100 ~50０，变送器输出信号为4～２０ｍa （１）和（2）二个温度传感变送器，测温范围一样，但输出信号不同，（1）和（3)传感变送器输出信号一样,但测温范围不同，这3个传感变送器既使选用相同的模拟量输入模块，其转换公式也是各不相同。 一、转换公式的推导 下面选用Ｓ7-200的模拟量输入输出模块EM23５的参数为依据对上述的3个温度传感器进行转换公式的推导： 对于(1)和（3)传感变送器所用的模块，其模拟量输入设置为0～20ma电流信号,2０ma 对应数子量=32000,4 mａ对应数字量=6４00; 对于(２）传感变送器用的模块，其模拟量输入设置为0~５Ｖ电压信号，5V 对应数字量=３200０,０V对应数字量=0; 这3种传感変送器的转换公式该如何推导的呢?这要借助与数学知识帮助，请见下图：
模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算：Ov = [(Osh - Osl)*(Iv - Isl)/(Ish - Isl)] + Osl 其中： Ov: 换算结果 Iv: 换算对象 Osh: 换算结果的高限 Osl: 换算结果的低限 Ish: 换算对象的高限 Isl: 换算对象的低限 转换模拟量值到工程量值 问题: 是否有功能块能转换模拟量值到工程量值? 解答: 在Step7 中，standard library T1-S7 Converting Blocks FC105。 例如：转换一个模拟量PIW256到0.0~200.0工程范围 Call FC105 IN:=PIW256 (模拟量，范围-27648~27648) HI_LIM:=200.0 (上限) LO_LIM:=0.0 (下限) BIPOLAR:=M2.1 (极性 如M2.1为1,对应的PIW256 为-27648~27648; 如M2.1为0,对应的PIW256为0~27648) RET_V AT:=MW4 (错误返回值) OUT:=MD50 (工程值
例子:从0到10V的值中输入到插在插槽6的模拟模块中。目前这个值是一个整数（16位），应该规格化100到1000之间的REAL格式，并以双字MD10保存在位储存器中。 语句表的解决方案： L PIW 288 //0到10V的模拟量输入包含0到27648个整数（16位） ITD //16位整数值转换成32位整数 DTR //32位整数转化成实数 L 2.7648e+4 // /R //除以实数27648 L 9.000e+2 // *R // 乘以实数***（1000-100） L 1.000e+2 // +R // 加上实数100（补偿值） T MD10 //把100到1000规格化成REAL格式
第六章模拟量输入输出 *模拟通道的组成 调理电路，模拟开关MUX(多路复用)sample/holder S/H 采样保持器SHA （sample/holder—S/H ）* 转换接口电路 简单I/O 扩展:输入缓冲/输出锁存,同步转换(R f G d) 基准地(Reference Ground)电压基准源(Reference Voltage Source)(g )*ADC/DAC 线性转换关系X Di it l A l x-x 0X-X 0= 微机系统与接口X:Digital,x:Analog x 1-x 0X 1-X 0
应用: 生产过程微机控制系统结构 I /O 通道信号调理 连续模拟信号 过 程 传感器检测/控制 操作台I/O 接口A/D 输入调理模拟量对 象变送器微I/O 接口D/A V/I 变换打印机⌒被执行机构机主数字量控对 象 传感器执行机构机电平变换功放驱动I/O 接口I/O 接口DI DO 显示器∪ 传感执行 频率、其他微机系统与接口 传感、执行I/O 接口变换信号处理
模拟量I/O 接口 模拟量的概念（信号连续量）：DC-V(mv)/mA(V)典型：信号采样/复原-信号处理 控制、监控-自动化系统 转换输入:V/F(P389:AD650)?计数器;输出:计数器?F/V(LM331)；PWM 调宽（时间）:易于光电隔离 F/V 模 T/C 8253/脉冲 频率 V/F 拟 信 8254MPU 号 ADC/DAC 微机系统与接口Ｖ／Ｉ 数字量
模拟量转换与I/O 通道 1.模数转换--ADC 数模转换--DAC Analog to Digital Converter/Digital to Analog Converter 22. 模入与模出通道的组成：输入通道: (高精度测量,1%~0.05%,可分时采样,同步采样) Vref 调理放大MUX S/H ADC 数字量 (MPU) 传感器Multiplexer ：（6.4）多路转换器（开关，（模拟）多路(电子)开关 1-N,N-1,N 选一）：N 路入一路输出：巡回扫描/分时转换；S l /H ld (65)Sample/Holder ：(6.5)捕捉后保持信号（电容）Voltage reference:电压基准源 输出通道:(精度,同步输出,输出保持--动态扫描) 复习：运算放大器放大执行DAC V/I 调理数字量 (MPU)微机系统与接口驱动机构 Vref MUX, S/H
S7-300/400 PLC模拟量输入/输出的量程转换 SLC A&D CS March, 2005
1模拟量输入/输出量程转换的概念 (3) 2S7-300/400 PLC模拟量输入/输出模板 (3) 2.1需要使用的模板 (3) 2.2涉及的信号类型 (3) 3STEP 7中模拟量输入/输出的编程 (3) 3.1FC105/FC106在哪里 (3) 3.2FC105/FC106功能描述 (5) 3.2.1FC105功能描述 (5) 3.2.2FC106功能描述 (5) 3.3FC105/FC106参数定义 (6) 3.3.1FC105 的参数定义 (6) 3.3.2FC106的参数定义 (6) 3.4例子程序 (7) 3.4.1FC105例子程序 (7) 3.4.2FC106例子程序 (8)
1模拟量输入/输出量程转换的概念 实际的工程量，如压力、温度、流量、物位等要采用各种类型传感器进行测量。传感器将输出标准电压、电流、温度、或电阻信号供PLC采集，PLC的模拟量输入模板将该电压、电流、温度、或电阻信号等模拟量转换成数字量——整形数(INTEGER)。在PLC程序内部要对相应的信号进行比较、运算时，常需将该信号转换成实际物理值（对应于传感器的量程）。而经程序运算后得到的结果要先转换成与实际工程量对应的整形数，再经模拟量输出模板转换成电压、电流信号去控制现场执行机构。这样就需要在程序中调用功能块完成量程转换。 如一个压力调节回路中，压力变送器输出4-20mA DC信号到SM331模拟量输入模板， SM331模板将该信号转换成0-27648的整形数，然后在程序中要调用FC105将该值转换成0-10.0（MPa）的工程量（实数），经PID运算后得到的结果仍为实数，要用FC106转换为对应阀门开度0-100%的整形数0-27648后，经SM332模拟量输出模板输出4-20mA DC信号到调节阀的执行机构。 本文主要讨论S7-300/400 PLC编程中模拟量的量程转换。 2S7-300/400 PLC模拟量输入/输出模板 2.1需要使用的模板 使用西门子S7-300/400 PLC进行模拟量输入/输出需要使用的模板： S7-300系列PLC：SM331系列模拟量输入模板；SM332系列模拟量输出模板；SM334/335系列模拟量输入/输出模板。 S7-400系列PLC：SM431系列模拟量输入模板；SM432模拟量输出模板。 目前常用的模板规格型号参见模板手册，请链接到如下网址下载模板手册： S7-300: https://www.doczj.com/doc/fc17073838.html,/WW/view/en/8859629 S7-400: https://www.doczj.com/doc/fc17073838.html,/WW/view/en/1117740 2.2涉及的信号类型 电压，电流，温度，电阻。 3STEP 7中模拟量输入/输出的编程 3.1FC105/FC106在哪里 在编程界面下，在Program elements中的Libraries下的Standard Library下的TI-S7 Converting Blocks中就可以找到，见下图：
因为A/D（模/数）、（D/A）数/模转换之间的对应关系，S7-200 CPU 内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系。这个关系就是模拟量/数值量的换算关系。 例如，使用一个0 - 20mA的模拟量信号输入，在S7-200 CPU内部，0 - 20mA对应于数值范围0 - 32000；对于4 - 20mA的信号，对应的内部数值为6400 - 32000。 如果有两个传感器，量程都是0 - 16MPa，但是一个是0 - 20mA输出，另一个是4 - 20mA输出。它们在相同的压力下，变送的模拟量电流大小不同，在S7-200内部的数值表示也不同。显然两者之间存在比例换算关系。模拟量输出的情况也大致相同。 上面谈到的是0 - 20mA与4 - 20mA之间换算关系，但模拟量转换的目的显然不是在S7-200 CPU中得到一个0 - 32000之类的数值；对于编程和操作人员来说，得到具体的物理量数值（如压力值、流量值），或者对应物理量占量程的百分比数值要更方便，这是换算的最终目标。 如果使用编程软件Micro/WIN32中的PID Wizard（PID向导）生成PID功能子程序，就不必进行0 - 20mA与4 - 20mA信号之间的换算，只需进行简单的设置。 通用比例换算公式 模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算：
Ov = [(Osh - Osl)*(Iv - Isl)/(Ish - Isl)] + Osl 其中： Ov:换算结果 Iv:换算对象 Osh:换算结果的高限 Osl:换算结果的低限 Ish:换算对象的高限 Isl:换算对象的低限 它们之间的关系可以图示如下： 图1. 模拟量比例换算关系 实用指令库 在Step7 - Micro/WIN Programming Tips（Micro/WIN编程技巧中）的Tip38就是关于如何实现上述转换的例程。 为便于使用，现已将其导出成为”自定义指令库“，可以添加到自己的Micro/WIN编程软件中应用。
本文以EM235为例讲解S7-200模拟量编程，主要包括以下内容： 1、模拟量扩展模块接线图及模块设置 2、模拟量扩展模块的寻址 3、模拟量值和A/D转换值的转换 4、编程实例 模拟量扩展模块接线图及模块设置 EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图1。 图1 图1演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。 对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量
程和分辨率。（后面将详细介绍） 量的单/双极性、增益和衰减。 时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。 SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。
6个DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。 输入校准 模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下： A、切断模块电源，选择需要的输入范围。 B、接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。 C、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。 D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。 E、调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。 F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。 G、调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。 H、必要时，重复偏置和增益校准过程。 EM235输入数据字格式 下图给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置
对输入、输出模拟量的PLC编程的探讨及编程实例解析 对于初学PLC编程的人来说，模拟量输入、输出模块的编程要比用位变量进行一般的程序控制难的多，因为它不仅仅是程序编程，而且还涉及到模拟量的转换公式推导与使用的问题。不同的传感变送器，通过不同的模拟量输入输出模块进行转换，其转换公式是不一样的，如果选用的转换公式不对，编出的程序肯定是错误的。比如有3个温度传感变送器： （1）、测温围为0~200，变送器输出信号为4～20ma （2）、测温围为0~200，变送器输出信号为0～5V （3）、测温围为－100 ~500，变送器输出信号为4～20ma （1）和（2）二个温度传感变送器，测温围一样，但输出信号不同，（1）和(3)传感变送器输出信号一样，但测温围不同，这3个传感变送器既使选用相同的模拟量输入模块，其转换公式也是各不相同。 一、转换公式的推导 下面选用S7-200的模拟量输入输出模块EM235的参数为依据对上述的3个温度传感器进行转换公式的推导： 对于(1)和（3）传感变送器所用的模块，其模拟量输入设置为0～20ma电流信号,20ma 对应数子量=32000，4 ma对应数字量=6400； 对于（2）传感变送器用的模块，其模拟量输入设置为0～5V电压信号，5V对应数字量=32000，0V对应数字量=0； 这3种传感変送器的转换公式该如何推导的呢？这要借助与数学知识帮助，请见下图：
上面推导出的（2-1）、（2-2）、（2-3）三式就是对应（1）、（2）、（3）三种温度传感变送器经过模块转换成数字量后再换算为被测量的转换公式。编程者依据正确的转换公式进行编程，就会获得满意的效果。 二、变送器与模块的连接
模拟量比例换算 因为A/D（模/数）、D/A（数/模）转换之间的对应关系，S7-200 SMART CPU内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系。这个关系就是模拟量/数值量的换算关系。 例如，使用一个0 - 20mA的模拟量信号输入，在S7-200 SMART CPU 内部，0 - 20mA对应于数值范围0 - 27648；对于4 - 20mA的信号，对应的内部数值为5530 - 27648。 如果有两个传感器，量程都是0 - 16MPa，但是一个是0 - 20mA输出，另一个是4 - 20mA输出。它们在相同的压力下，变送的模拟量电流大小不同，在S7-200 SMART内部的数值表示也不同。显然两者之间存在比例换算关系。模拟量输出的情况也大致相同。 上面谈到的是0 - 20mA与4 - 20mA之间换算关系，但模拟量转换的目的显然不是在S7-200 SMART CPU中得到一个0 - 27648之类的数值；对于编程和操作人员来说，得到具体的物理量数值（如压力值、流量值），或者对应物理量占量程的百分比数值要更方便，这是换算的最终目标。通用比例换算公式 模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算： Ov = [(Osh - Osl)*(Iv - Isl)/(Ish - Isl)] + Osl 其中：
Ov:换算结果 Iv:换算对象 Osh:换算结果的高限 Osl:换算结果的低限 Ish:换算对象的高限 Isl:换算对象的低限 它们之间的关系可以图示如下： 图1. 模拟量比例换算关系 量程转化指令库 为便于用户使用，这里提供了量程转化库，用户可以添加到自己的Micro/WIN编程软件中应用。 模拟量比例换算指令库 注意：此指令库/程序的作者和拥有者对于该软件的功能 性和兼容性不负任何责任。使用该软件的风险完全由用户 自行承担。由于它是免费的，所以不提供任何担保，错误
第六章模拟量输入输出与数据采集卡 通过本章的学习，使考生掌握D/A，A/D转换的原理和典型芯片，在此基础上了解工业控制计算机常用模板的组成和应用。 要求： (1)了解D/A转换的工作原理和8位，12位D/A转换芯片；D／A转换器与总线的连接和应用方法。 (2)了解A/D转换器的工作原理和指标，熟悉A/D转换的典型芯片和多路转换器，采样保持器的工作原理。 (3)了解数据采集卡的组成和指标及其应用方法，了解工控机配套模板的概况。 一、重点提示 本章重点是D/A，A/D转换器的工作原理，与总线的连接方法。 二、难点提示 本章难点是利用这些芯片和多路开关、采样保持器组成数据采集卡的应用方法。 考核目的：考核学生对微型计算机的模拟通道的构成及工作原理的掌握。 1．数模转换器D/A (1)D/A转换的指标和工作原理 / (2)典型D/A转换器芯片 (3)D/A转换器与总线的连接 2．模数转换器A/D (1)A/D转换器的工作原理（双积分和逐次逼近型A/D转换），A/D转换器主要指标 (2)典型A/D转换器芯片（ADC0809及．12位A/D芯片）的功能和组成，与总线的连接 3．多路开关 (1)数据采集系统对多路开关的要求 (2)几种多路开关芯片 (3)几种多路开关的主要技术参数 4．采样保持器 (1)采样保持器的工作原理 (2)常用的采样保持器芯片 5．数据采集卡的组成及其应用 本章知识结构如下： （一）D／A转换接口 D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，其主要网络形式有权电阻网络和R-2R梯形电阻网络。 集成D/A芯片类型很多，按生产工艺分有双极型、MOS型等；按字长分有8位、10位、
模拟量值和A/D转换值的转换 假设模拟量的标准电信号是A0—Am（如：4—20mA），A/D转换后数值为D0—Dm（如：6400—32000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程： A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0。 根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系D＝f（A）可以表示为数学方程： D＝（A－A0）×（Dm－D0）／（Am－A0）＋D0。 具体举一个实例，以S7-200和4—20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是6400—32000，即A0＝4，Am＝20，D0＝6400，Dm＝32000，代入 公式，得出： A＝（D－6400）×（20－4）／（32000－6400）＋4 假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电 信号是6400×16／25600＋4＝8mA。 又如，某温度传感器，－10—60℃与4—20mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出： T=70×（AIW0－6400）／25600－10 可以用T 直接显示温度值。 模拟量值和A/D转换值的转换理解起来比较困难，该段多读几遍，结合所 举例子，就会理解。为了让您方便地理解，我们再举一个例子： 某压力变送器，当压力达到满量程5MPa时，压力变送器的输出电流是20 mA，AIW0的数值是32000。可见，每毫安对应的A/D值为32000/20，测得当压力为0.1MPa时，压力变送器的电流应为4mA，A/D值为（32000/20）×4＝6 400。由此得出，AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为： VW0的值＝(AIW0的值－6400)(5000－100)/(32000－6400)＋100（单位： KPa） 编程实例 您可以组建一个小的实例系统演示模拟量编程。本实例的的CPU是CPU2 22，仅带一个模拟量扩展模块EM235，该模块的第一个通道连接一块带4—20 mA变送输出的温度显示仪表，该仪表的量程设置为0—100度，即0度时输出
对输入、输出模拟量的PLC 编程的探讨及编程实例解析 对于初学PLC 编程的人来说，模拟量输入、输出模块的编程要比用位变量进 行一般的程序控制难的多，因为它不仅仅是程序编程，而且还涉及到模拟量的转 换公式推导与使用的问题。不同的传感变送器，通过不同的模拟量输入输出模块 进行转换，其转换公式是不一样的，如果选用的转换公式不对，编出的程序肯定 是错误的。比如有3个温度传感变送器： (1) 、测温范围为0~200 ，变送器输出信号为4?20ma (2) 、测温范围为0~200 ，变送器输出信号为0?5V (3) 、测温范围为 —100 ~500 ，变送器输出信号为4?20ma (1)和(2) 二个温度传感变送器，测温范围一样，但输出信号不同，( 1) 和(3)传感变送器输出信号一样，但测温范围不同，这 3个传感变送器既使选用 相同的模拟量输入模块，其转换公式也是各不相同。 一、转换公式的推导 下面选用S7-200的模拟量输入输出模块EM235勺参数为依据对上述的3个 温度传感器进行转换公式的推导： 对于(1)和(3)传感变送器所用的模块，其模拟量输入设置为 0?20ma 电流 信号,20ma 对应数子量=32000, 4 ma 对应数字量=6400; 对于(2)传感变送器用的模块，其模拟量输入设置为 0?5V 电压信号，5V 对应数字量=32000, 0V 对应数字量=0; 这3种传感変送器的转换公式该如何推导的呢？这要借助与数学知识帮助， 请见下图： 时，输出电流ITma,模块转AIW=C400H T 与AlWffi 关系曲线如上左图所示，恨 据三角形相粽定理可5lb LABM 屮 按可引h — = ..... (1-1) 由團外h 屮 CT DM AB=200 CI>=h BM=32000—6400 DM=AI^—6400 带入(1*1)式，可得； 十 “咤边….(… (32000-6400) | (2；传感藩测温T=20€°时，输出电压V=5V,模块转换数字話f 『」U AIW T AlWx ⑴传感鉄诜珞跆 T 戋糸图 (3満惑越7AIW 戋齐因 (1)偉感器测淳7-200°时，输出电療1-2Dim,模块转换数宇量AIW-3200Dj 测温T-D 0*
AD与DA功能说明 一、关于AD所使用的寄存器功能： 1）D8050：模拟量AD时钟分频（设定值：0~3，默认为：2），0－AD时钟为CPU时钟2分频；1－AD时钟为CPU时钟4分频；2－AD时钟为CPU时钟6分频；3－AD时钟为CPU时钟8分频；AD时钟不能大 于14M； 2）D8051：模拟量AD采样次数（设定值：3~50次，默认为：22）的设置数据在下次上电生效； 二、关于上下量程设置与使用 1、上下量程支持设置成负数，上量程必须大于下量程； 2、如果上下量程均为0，则不进行对应量程的数据转换； 3、当上下限量程均为0时，DA数据的输入范围：0~4095，反之，DA数据的输入范围：>=下限量 程，<=上限量程；数据在上述数据外时，PLC报6712故障； 三、RD3A与WR3A使用说明 1、RD3A的使用 M0m1m2s1 （RD3A K0D0D10） 指定保存AD数据的寄存器D10 指定量程的寄存器D0上限D1下限 指定需要读取的AD路数（0~14）说明： a)m1-指定需要读取的AD路数（最大数为设置软件开通的路数，超出报6711）； b)m2-指定上下限量程的寄存器，m2为量程上限，m2+1为量程下限，仅可指定D寄存器作为量 程地址，其它数据报6711； c)上面的程序原理：当M0为ON时，读取第一路AD数据（上限量程在D0，下限量程在D1）到 D10保存； 例： 按上述的程序， 1)假如：D0=1000，D1=0，AD的输入是0~10V，现时输入是5V，那D10=500； 2)假如：D0=0，D1=0，AD的输入是0~10V，现时输入是5V，那D10=2048； 3)假如：D0=1000，D1=-1000，AD的输入是0~10V，现时输入是5V，那D10=0；
第四讲 模拟量的输入输出通道 过程控制 前向通道和后向通道是过程控制系统的重要组成部分 1、前向通道 数字信号处理 1.1 A/D 转换 1.1.1 硬件电路设计 （1）分辨率的选择 分辨率用位表示，n 位的A/D 转换器表示可以把输入信号分为2n 份，每一份为全量程1/2n ，称为1个LSB 。例如，本例程中采用8位A/D 温度范围为20℃~100℃，则 C 5.0C 3125.02 20 100LSB 18 ?
片选RD WR ADC0804 WR RD INTR DB 0~DB 7CS A/D 转换的时序图 1.1.2 软件的编制 查询法和中断法 （1）查询法
Extern unsigned char convert_ad(void) { Char xdata *dptr; Dptr=0x8000; *dptr=0; While(int0); Return(*dptr); } 1.1.3 测试 可以用LCB直接显示转换结果（3位整数），描点画线检查A/D转换的线性度。 A/D 万用表测出 的输入电压 1.2 数字滤波器 1.2.1 问题定义 来自传感器或变送器的有用信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口引入滤波器。常用的RC 滤波器能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差。而数字滤波器可以对极低频干扰信号进行滤波，以弥补RC 滤波器的不足。另外，它还具有某些特殊的滤波功能。 所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这种滤波方法不需要增加硬件设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的。 1.2.2 常用的滤波算法 （1）限幅滤波 限幅滤波的作用是把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定）Δy进行比较，若小于或等于Δy，则取本次采样值；若大于Δy，则仍取上次采样值作为本次采样值 当| y（n）- y（n -1）|≤Δy时，则取y（n）= y（n） 当| y（n）- y（n -1）| >Δy时，则取y（n）= y（n -1）
假设模拟量的标准电信号就是 A0—Am(如:4—20mA),A/D转换后数值为D0—Dm(如:6400—32000) ,设模拟量的标准电信号就是A,A/D转换后的相应数值为D,由于就是线性关系,函数关系 A＝f(D)可以表示为数学方程: A＝(D－D0)×(Am－A0)／(Dm－D0)＋A0。 根据该方程式,可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆换,得出函数关系D＝f(A)可以表示为数学方程: D＝(A－A0)×(Dm－D0)／(Am－A0)＋D0。 具体举一个实例,以 S7-200与4—20mA为例,经A/D转换后,我们得到的数值就是6400—32000,即A0＝4,Am＝20,D0＝6400,Dm＝32000 ,代入公式,得出: A＝(D－6400)×(20－4)／(32000－6400)＋4 假设该模拟量与AIW0对应,则当AIW0的值为12800时,相应的模拟电信号就是6400×16／25600＋4＝8mA。 又如,某温度传感器,－10—60℃与4—20mA相对应,以T表示温度值,AIW0为PLC模拟量采样值,则根据上式直接代入得出: T=70×(AIW0－6400)／25600－10 可以用T 直接显示温度值。 模拟量值与A/D转换值的转换理解起来比较困难, 该段多读几遍, 结合所举
例子,就会理解。为了让您方便地理解,我们再举一个例子: 某压力变送器,当压力达到满量程5MPa时,压力变送器的输出电流就是20mA,AIW0的数值就是32000。可见,每毫安对应的A/D值为32000/20,测得当压力为0、1MPa时,压力变送器的电流应为4mA,A/D 值为(32000/20)×4＝6400。由此得出,AIW0的数值转换为实际压力值(单位为KPa)的计算公式为: VW0的值＝(AIW0的值－6400)(5000－100)/(32000－6400)＋100 (单位:KPa) 编程实例 您可以组建一个小的实例系统演示模拟量编程。本实例的的CPU 就是CPU222,仅带一个模拟量扩展模块EM235,该模块的第一个通道连接一块带4—20mA变送输出的温度显示仪表,该仪表的量程设置为0—100度,即0度时输出4mA,100度时输出20mA。温度显示仪表的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器,
PLC模拟量输入、输出模块低成本扩展的一种方法 1 引言 可编程控制器(以下简称PLC)由于其高可靠性、编程简单、通用性强、体积小、结构紧凑、安装维护方便等特点，而在工业控制中得到了广泛应用。PLC的模块一般分为以下几大类:开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。在工业控制中特别是过程控制领域中需要采集和控制的模拟量比较多，因而对PLC的模拟量输入、输出模块需要的较多，而模拟量输入、输出模块比较贵，增加模拟量输入、输出模块就增加了成本，降低了整个系统的性价比，限制了PLC的应用。本文提出了一种基于通讯的模拟量输入、输出模块的扩展方法力图解决这一问题。 2 基于通讯的模拟量输入、输出模块的扩展方法 (1) 模拟量输入模块扩展 这里以一路12位模拟量输入为例，模拟信号以0～5V标准电压的形式送入信号输入端，应用12位A/D转换芯片MAX187实现模数转换。MAX187是12位串行A/D，具有较高的转换速度，采样频率是75kHz，适用于较高精度的过程控制。考虑到实际工业现场中的高频干扰，在采样信号送MAX187之前还使用了低通滤波器滤波，如图1所示。
图1 低通滤波、放大器及A/D转换 MAX187具有内部参考电压，既4#管脚(REF)为4.096V，因此，A/D 转换的全量程为4.096V。而输入信号是0～5V，因此，要加一级运放把0～5V转换成0～4.096V后送入MAX187。AT89C52的P1.3和MAX187的片选端(CS)相连、AT89C52的P1.4和MAX187的串行时钟信号端(SCLK)相连、AT89C52的P1.5和MAX187的串行数据输出端(DOUT)相连。模拟量采样的值存入单片机的内存中，再由单片机的串行口传送给PLC。A/D转换的C51程序如下: #include #include sbit IC4_S = P1^4; /* AD输入端口设置*/ sbit IC4_D = P1^5; sbit IC4_C = P1^3;
S7-200 PLC模拟量的A/D和D/A转换以及编程的探讨 对于初学PLC编程的人来说，模拟量输入、输出模块的编程要比用位变量进行一般的程序控制难的多，因为它不仅仅是程序编程，而且还涉及到模拟量的转换公式推导与使用的问题。因为A/D、D/A转换之间的对应关系，S7-200 CPU内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系。这个关系就是模拟量/数字量的换算关系。 例如，当输入模拟量设定为电流信号的输入，在S7-200 CPU内部，电流信号0-20mA对应于数值范围0-32000；但是对于4-20mA的信号，对应的内部数值为6400-32000。那可能有学员不知道这个6400是怎么算来的？其实这里的数字量和电流是成正比的，只需要按比例去算就可以了。因为电流信号0-20mA对应于数值范围0-32000，那么1mA 对应的数字量就是32000/20=1600，而4mA对应的数字量就等于4*1600，等于6400。（这里是以S7-200 PLC来作为举例，对于S7-200 SMART S7-300 400等等PLC也是同理的，只是对应的数字量不同而已） 不同的传感变送器，通过不同的模拟量输入输出模块进行转换，其转换公式是不一样的，如果选用的转换公式不对，编出的程序肯定是错误的。比如有3个温度传感变送器：（1）、测温范围为0~200 ，变送器输出信号为4～20ma （2）、测温范围为0~200 ，变送器输出信号为0～5V （3）、测温范围为－100 ~500 ，变送器输出信号为4～20ma （1）和（2）二个温度传感变送器，测温范围一样，但输出信号不同，（1）和(3)传感变送器输出信号一样，但测温范围不同，这3个传感变送器既使选用相同的模拟量输入模块，其转换公式也是各不相同。 下面选用S7-200的模拟量输入输出模块EM235的参数为依据对上述的3个温度传感器进行转换公式的推导： 对于(1)和（3）传感变送器所用的模块，其模拟量输入设置为0～20ma电流信号,20ma 对应数子量=32000，4 ma对应数字量=6400； 对于（2）传感变送器用的模块，其模拟量输入设置为0～5V电压信号，5V对应数字量=32000，0V对应数字量=0； 这3种传感変送器的转换公式该如何推导的呢？这要借助与数学知识帮助，请看下图：
模拟量输入输出模块 1、FX1N-2AD-BD模拟量输入板 用在FX1S或者FX1N系列的plc上，提供2路的模拟量输入。 2、FX1N-2DA-BD 用在FX1S或者FX1N系列的plc上，提供2路的模拟量输入。 3、FX1N-8AV-BD/FX2N-8A V-BD模拟量调节器 用在FX1S或者FX1N或FX2N系列的plc上，用作模拟定时器调整器的旋钮开关
1）：示例：利用模拟量改变定时器的设定值 把八个电位器中的0号电位器的模拟量(0~255)读取进来放在D0中D0的变化值是0~~255 2）、利用模拟量调整器设计一个具有11档的旋转开关。 读取1号电位器，把读取的值放在D1中，然后对其进行译码DECO指令是把D0的前四位进行解码，把对应的结果放在M中D1的变化值是0~~10
4、 FX0N-3A 模拟量输入和输出模块 功能：(能同时把模拟量转化成数字量，也能把数字量转化成模拟量) 1）提供8位分辨率精度（转化精度比较低） 2）配备2路模拟量输入（0--10V 直流或4—20mA 交流）通道和1路模拟输出通道 模拟量输入： 公共项目：
接线： 与plc 的连接情况： FX0N 系列plc:可连接FX0N-3A 模块8个 FX1N 系列plc:可连接FX0N-3A 模块5个 FX2N 系列plc:可连接FX0N-3A 模块8个 FX0NC 系列plc:可连接FX0N-3A 模块4个 输入/输出特性曲线： 输入特性：（模块不允许两个通道有不同的输入特性） 即不允许电流和电压同时输入或不同量程的电压输入
输出特性： 缓冲存储器(BFM)的分配 注：BFM#17： b0=0选择模拟输入通道1 b0=1选择模拟输入通道2 b1=0—>1，起动A/D转换处理 b2=0—>1，起动D/A转换处理 例：把外部输入的模拟量转化成数字量 TO：是把数据写到特殊模块的BFM中。上例即是当M0接通时，把H0的值写到外部扩展模块0的位置中的BFM#17开始的一个字（16位）中 FROM：上例即是当M0接通时，把外部扩展模块0的位置中的BFM#0开始的一个字（16位）的数据写到D0中 H0的值写到外部扩展模块0的位置中的BFM#17开始的一个字（16位）中
信号的变换需要经过以下过程：物理量－传感器信号－标准电信号－A/D转换－数值显示。 声明：为简单起见，我们在此讨论的是线性的信号变换。同时略过传感器的信号变换过程。 假定物理量为A，范围即为A0－Am，实时物理量为X；标准电信号是B0－Bm，实时电信号为Y；A/D转换数值为C0-Cm，实时数值为Z。 如此，B0对应于A0，Bm对应于Am，Y对应于X，及Y=f(X)。由于是线性关系，得出方程式为Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。又由于是线性关系，经过A/D转换后的数学方程Z=f(X)可以表示为Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。那么就很容易得出逆变换的数学方程为X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0。方程中计算出来的X就可以在显示器上直接表达为被检测的物理量。 5、PLC中逆变换的计算方法 以S7-200和4－20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是6400－32000，及C0=6400，Cm=32000 。于是，X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0。 例如某温度传感器和变送器检测的是-10－60℃，用上述的方程表达为X=70*(Z-6400)/25600-10。经过PLC的数学运算指令计算后，HMI可以从结果寄存器中读取并直接显示为工程量。 用同样的原理，我们可以在HMI上输入工程量，然后由软件转换成控制系统使用的标准化数值。 在S7-200中，(Z-6400)/25600的计算结果是非常重要的数值。这是一个0－1.0（100％）的实数，可以直接送到PID指令（不是指令向导）的检测值输入端。PID指令输出的也是0－1.0的实数，通过前面的计算式的反计算，可以转换成6400－32000，送到D/A端口变成4－20mA输出。 1.自己写转换程序。 2.需要注意你的模拟量是单极性的还是双极性的。 函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程： A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0。 根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系D＝f （A）可以表示为数学方程： D＝（A－A0）×（Dm－D0）／（Am－A0）＋D0。
其实很简单就是一个Y（实际值）=A*X（数字量）+B的公式而已。例如你的压力变送器检测压力范围是0~200kPa，输出4~20mA，PLC通过通道设置可以设置成输入4~20mA，对应数字量0~4000，那么0~200kPa与4~20mA是一一对应关系，4~20mA与0~4000是一一对应的关系，所以0~200kPa与0~4000就是一一对应关系，既然是一一对应关系，他两个就符合公式 Y=A*X+B，这里A=1/20，B=0。因此实际压力值=采集的数字量/20。 望采纳。。。。。 谢谢，有点似懂非懂了，基本采纳了。所以还要继续向你请教： 1. 数字量范围（如0~4000）是由AD模块决定么?PLC采集的数字量是什么进制? 2. 3. Y=AX+B的公式中,B是什么,为什么B是0,如果B恒等0为什么还要加B。倍数 =数字量程上限/传感器量产上限；然后根据采集的数字量/倍数，得出实际的压 力值，对么？压力单位是Kpa？ 4. 5. 手头的模块不是FX配套2AD/4AD的,是国产普通采集模块,换算方法是否一样适 用? 6.
1、0~4000是根据模块里特殊寄存器设置的，比如三菱的FX3U-04AD的BFM #0设置输入的类型，就决定了类型是电压，还是电流，是4~20mA还是-20~2 0mA等等。采集到的数字量都是十进制数字。 2、B=0，是通过这几个参数计算出来了，因为0~200kpa与0~ 4000成一一对应关系，而算出来的A=1/20，B=0，不是B固定就是0的，如果你要是西门子的AD，是0~20mA对应0-32000，那么就是0~200kpa对应4~20mA对应6400~32000，那么就是Y=X/128-50，A=1/128，B=-50。压力单位这个很多，气体压力一般是kpa，mpa，bar，固体压力一般是kg/m的平方，N/m 平方等等。 3、只要是PLC的AD模块都是这个算法，置于别的AD模块就不一定了