【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 離散的，但取值上卻可以表示模擬量變化的一連串的數(shù)字量，那么PLC就可以通過(guò)對(duì)這些數(shù)字量的處理來(lái)進(jìn)行模擬量控制。同樣PLC處理的數(shù)字量不能直接送到執(zhí)行器，必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成模擬量后才能控制執(zhí)行器。這種把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路叫做“模/數(shù)轉(zhuǎn)換器”簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器；把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路叫做“數(shù)/模轉(zhuǎn)換器”簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器。，其實(shí)PLC充當(dāng)?shù)墓δ芟喈?dāng)于閉環(huán)控制框圖中的比較器和控制器的組合。干擾PLCD/A執(zhí)行器被控對(duì)象A/D傳感器設(shè)定值X被控制值Y PLC模擬量控制系統(tǒng)組成框圖 PLC模擬量控制系統(tǒng)特點(diǎn)我們知道一個(gè)在時(shí)間和取值上連續(xù)的模擬量可以用一個(gè)在時(shí)間和取值上都是離散的數(shù)字量來(lái)代替，這個(gè)數(shù)字量?jī)H僅是在某些時(shí)間點(diǎn)上等于模擬量的值。前面也說(shuō)了，在PLC模擬量控制系統(tǒng)中是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成轉(zhuǎn)換功能的。這個(gè)過(guò)程由兩部分組成：一是在指定時(shí)間點(diǎn)上向模擬量取值，這個(gè)過(guò)程叫采樣；二是取出模擬量后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量，這個(gè)過(guò)程叫量化。采樣和量化是所有數(shù)字控制設(shè)備處理模擬量所需的過(guò)程。采樣和量化使PLC處理模擬量具有以下特點(diǎn)。（1） 經(jīng)過(guò)量化后的數(shù)字量與采樣的模擬量的原值一定存在誤差，而且這個(gè)誤差可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行控制。也就是說(shuō)，A/D轉(zhuǎn)換模塊的的位數(shù)決定了轉(zhuǎn)換的精度，位數(shù)越多，分辨率越高，精度也越高，與模擬量原值的誤差就越小?？梢哉f(shuō)，PLC的量化誤差可以控制是PLC模擬量控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它可以通過(guò)增加A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)來(lái)控制精度。而模擬電路的誤差卻難以控制。（2） 采樣是一個(gè)時(shí)間上不連續(xù)的控制動(dòng)作。它受到PLC工作原理的束縛，僅當(dāng)PLC對(duì)I/O點(diǎn)進(jìn)行刷新時(shí)才把采樣值數(shù)字量讀入PLC，把上次采樣值運(yùn)算處理結(jié)果通過(guò)D/A模塊作為控制信號(hào)傳送給系統(tǒng)。PLC模擬量控制的這個(gè)特點(diǎn)所帶來(lái)的問(wèn)題是如何才能保證所采樣的不連續(xù)的取值能夠較少失真地恢復(fù)原來(lái)模擬量信號(hào)。只有失真較少才能保證控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。（3）PLC模擬量控制中，無(wú)論是采樣、量化、信息處理，還是控制輸出，都需要一定的時(shí)間。一個(gè)采樣后的量不能像模擬電路那樣馬上通過(guò)電路作用將輸出送到系統(tǒng)，而是要延遲一定時(shí)間才能將輸出送至系統(tǒng)。這種延時(shí)作用的特點(diǎn)是PLC模擬量控制的不足之處。在響應(yīng)速度要求非常好的系統(tǒng)中，PLC控制不能夠擔(dān)當(dāng)重任。PLC的響應(yīng)速度與程序掃描時(shí)間關(guān)系很大。因此，確定控制算法、設(shè)計(jì)控制程序和選擇合適的控制參數(shù)就顯得非常重要。（4）PLC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，控制的可靠性也得到極大提高，這對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是極其重要的。綜上所述，PLC模擬量控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性基本上是可以保證的，能夠滿足大部分模擬量控制系統(tǒng)的要求。但它的控制響應(yīng)滯后性也是明顯的，可以說(shuō)，PLC控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是用其響應(yīng)滯后得到的。 PLC模擬量輸入/輸出方式（1）PLC控制模擬量輸入方式目前大部分PLC是采用模擬量輸入進(jìn)行模擬量輸入。用模擬量輸入模塊進(jìn)行模擬量輸入一般都要先把模擬量通過(guò)相應(yīng)的傳感器和變送器變換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓（0~10V，10~10V等）和電流（0~20mA,4~20mA）才能接入模塊通道。模擬量輸入轉(zhuǎn)換模塊不僅能完成對(duì)模擬量的轉(zhuǎn)換，還可以做多種數(shù)字量的處理，如濾波、求平均值、標(biāo)定的變換等。PLC也可以用采集脈沖方式輸入模擬量信號(hào)，但必須先通過(guò)壓頻變送器把電壓轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的脈沖序列送入PLC。這時(shí)，輸入脈沖序列的頻率表示所輸入模擬量信號(hào)的大小。（2）PLC控制模擬量輸出方式在PLC控制模擬量輸出方面，用得最多的仍然是通過(guò)模擬量輸出模塊輸出，一般D/A模塊都具有兩路以上通道，可以通過(guò)輸出兩個(gè)以上模擬量控制兩個(gè)以 重慶大學(xué)本科學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4傳感器的選型上的執(zhí)行器。而且，模擬量輸出的模擬量信號(hào)能連續(xù)地、無(wú)波動(dòng)地變化，其精度也可以通過(guò)轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)的多少來(lái)控制。同理，模擬量輸出還可以采用占空比可調(diào)的脈沖序列信號(hào)輸出。 A/D 與D/A轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包含三部分：采樣、量化、和編碼。在PLC中，量化和編碼都是同時(shí)完成的。采樣是將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化的過(guò)程，量化是將模擬量信號(hào)在幅值上離散化的過(guò)程，編碼是指將每個(gè)量化后的樣值用一定的二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的原理可分為逐次逼近式、雙積分式、并行式等多種。下面以逐次逼近式轉(zhuǎn)換為例，說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理與性能指標(biāo)。逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器與計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換類似，只是數(shù)字量由“逐次逼近寄存器SAR”產(chǎn)生。SAR使用“對(duì)分搜索法”產(chǎn)生數(shù)字量，以8位數(shù)字量為例，SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量Vi的大小，若VoVi，清除最高位，若VoVi,保留最高位。在最高位確定后，SAR又以對(duì)分搜索法確定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y為已確定位) 試探模擬量Vi的大小。在bit6確定后，SAR以對(duì)分搜索法確定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y為已確定位) 試探模擬量的大小。重復(fù)這一過(guò)程，直到最低位bit0被確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換示意圖 D/A轉(zhuǎn)換模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量在PLC中經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后輸出，要驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器則需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換的基本原理是用電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字量按每位數(shù)碼的權(quán)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)，然后用運(yùn)算放大器求和電路將這些模擬量相加就完成了D/A轉(zhuǎn)換。這里以T型網(wǎng)絡(luò)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作原理。 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖 。電路由R2R電阻解碼電路、模擬電子開關(guān)D0~D3和求和運(yùn)算放大器組成。4位數(shù)字開關(guān)由數(shù)字控制器的數(shù)字量控制。 利用疊加原理可以很快求出電流Ir的值。即當(dāng)D0=1，D1=D2=D3=0時(shí)，可以求得 Ir1=Vref3R12121212=Vref3RD024當(dāng)D3=1,D0=D1=D2時(shí)，同理可以求得其電流分量Ir4為Ir4=Vref3RD32當(dāng)D1=1,D0=D2=D3=0時(shí)，Ir2=Vref3RD123當(dāng)D2=1，D0=D1=D3=0時(shí)，Ir3=Vref3RD222將以上結(jié)果進(jìn)行疊加，有Ir=Vref3R(D024+D123+D222+D32)若取Rf=3R,運(yùn)算放大器的輸出電壓V0=Vref(D024+D123+D222+D32)式中，D0~D3為4位數(shù)字開關(guān)，其取值只能是1或者0。 西門子PLC中模擬量的處理模式 在西門子PLC中，模擬量首先通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)，由于S7300 PLC的模擬量輸入模塊只能處理標(biāo)準(zhǔn)的例如0~40mA的電流、0~10V的電壓和電阻值。因此還需要通過(guò)變送器將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的PLC模擬量模塊能夠處理的電流或者電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)MR濾波器濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器，將所得的數(shù)字量結(jié)果送入PLC的外設(shè)PI存儲(chǔ)區(qū)中，供PLC運(yùn)算處理。進(jìn)過(guò)PLC處理后的結(jié)果再輸出到外設(shè)PQ存儲(chǔ)區(qū)中，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后送到執(zhí)行器控制外部設(shè)備運(yùn)行。 Siemens PLC模擬量處理流程 模擬值的精度 CPU以二進(jìn)制格式來(lái)處理模擬值。數(shù)字化模擬值適用于相同標(biāo)稱范圍的輸入和輸出值。模擬值均為二進(jìn)制補(bǔ)碼形式的實(shí)數(shù)，符號(hào)始終設(shè)在Bit15。表中以符號(hào)位對(duì)齊，未用的地位則用“0”來(lái)填補(bǔ)，表中用“*”來(lái)表示未用的位。 模擬值可能精度 不同測(cè)量范圍下模擬量表達(dá)方式 ，在額定范圍內(nèi)，傳感器送到PLC中的模擬信號(hào)在PLC中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量值如果是單極性的話則在0~27648范圍內(nèi)，如果是雙極性的話則在27648~27648。另外我們可以看出對(duì)于Pt100鉑熱電阻其轉(zhuǎn)換后的值即為工程量的10倍。對(duì)于其它的模擬量則可以通過(guò)這個(gè)線性比例和工程量值進(jìn)行換算。 溫度傳感器 通過(guò)前面油站的分析可知，我們所測(cè)量的幾個(gè)溫度的范圍為不超過(guò)100℃，其它的性能方面對(duì)傳感器沒(méi)有特殊的要求，因此這里我們選擇的是最常用的Pt100鉑熱電阻，100表示在溫度為0℃時(shí)，其歐姆值為100。RTD具有較高的精度，其溫度工作范圍為可從200℃~+850℃，它們還有較好的穩(wěn)定性，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理設(shè)備就可以傳輸、顯示和并記錄其溫度輸出。這些特性符合我們的設(shè)計(jì)要求。熱敏電阻的阻值和溫度成正比的關(guān)系，設(shè)計(jì)人員只需將已知電流流過(guò)該電阻，就可以得到對(duì)應(yīng)的電壓值，從而可以利用歐姆定律得出此時(shí)的電阻值R，再根據(jù)Pt100的溫度—阻值分度表就可以得出所測(cè)溫度。Pt100的部分溫度分度表如下所示：溫度 ℃0123456789電阻值（Ω）4030201000102030405060708090100110120130140 表 Pt100 分度表這里為什么不選擇熱電偶作溫度傳感器，是因?yàn)闊犭娕加糜?00℃以上較高溫度的情況，當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，熱電偶測(cè)溫就不很準(zhǔn)確。這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)熱電偶輸出熱電勢(shì)很小，極易受到干擾，而且在低溫時(shí)，參比端溫度不易得到完全補(bǔ)償，相對(duì)誤差就很突出。 壓力傳感器由于測(cè)量的是潤(rùn)滑油的壓力，該介質(zhì)是易燃物質(zhì)，而且供油管道比較狹窄，要求傳感器體積小。通過(guò)調(diào)查知光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比其絕緣好，耐腐蝕，無(wú)電火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中檢測(cè)壓力、液位流量等信號(hào)；而且靈敏度高，體積小，可