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将模拟信号配置为可用的数字量是通过 PLC 内部的缩放功能来完成的，这与模拟信号接线一起理解是很重要的。
在之前文章中，我们介绍了对声音、光和温度等许多自然量进行模拟信号缩放的需求。该过程涉及建立物理量和电信号之间的关系：电压或者电流。虽然生成的线性方程可以编程到任何 PLC 中（一些非线性关系也可以），但大多数品牌都提供了预定义的函数来实现相同的目标。本文将介绍其中的一些功能，并提升大家对电压和电流模拟信号的理解。
电压和电流模拟 I/O
首先，让我们讨论两种模拟信号：电压和电流。无论使用哪种模拟 I/O，缩放过程背后的数学原理都是相同的。可以根据受控系统的特性选择电压或电流 I/O。
图 1.通常来自大电流线路的电磁干扰会显着影响电压传感器信号。图片由Pixabay提供
电压模拟信号传输仅在短距离内可靠。电缆越长，由于接线电阻增加，电压降越明显。电压 I/O 最常见的工作范围是 0 到 10 V，因此即使是几分之一伏的变化也会导致严重的信号不准确。
电流信号传输在较长距离上不会出现劣化，它是一种恒流输出，可随着导线长度的电阻变化而调整自身的输出电压。此外，大多数模拟信号使用差分对电压电平，消除了许多会影响电压信号的 EMI 效应。因此，它是一种非常流行的模拟信号传输形式。
除了支持更远的距离和更抗噪声干扰外，电流信号还具有称为“活零”的安全特性。电流信号的标准工作范围为 4 mA 至 20 mA。4 mA 的下限意味着即使物理量处于最低值，传感器仍有输出。相比之下，电压信号的下限为 0 V，不能绝对确定 0 V 是由传感器读数或连接断开引起的。
电流信号也比电压信号需要更少的功率，并且允许串联多个设备，因为电压降不是一个因素。
所有这些都是重要的设计考虑因素，但它们也会影响缩放。例如，如果我们的电压信号受到电磁噪声的影响，传感器输出电平就会不一致。如果我们在这些条件下缩放传感器，那么得到的方程将是不正确的。信号行为会出现非线性，直接体现为信号受到了干扰。
缩放函数和库
在本节中，我们将描述 Siemens、Rockwell Automation (Allen-Bradley) 和 Beckhoff 提供的用于信号缩放的标准函数，并且几乎在所有其他平台中都可以找到类似的示例。
西门子 - TIA Portal
我们需要指令 SCALE_X 和 NORM_X 来缩放 TIA Portal 中的模拟信号。首先，NORM_X 标准化函数的输入并返回一个介于 0.0 和 1.0 之间的值，具体取决于 MIN 和 MAX 参数设置。换句话说，此函数返回一个数字，表示输入用于操作范围的百分比，这很有帮助，因为它使缩放过程独立于物理量测量单位。
标准化的输出然后成为 SCALE_X 指令的输入。SCALE_X 将输入转换为输出的数据类型，转换因子取决于该指令的 MIN 和 MAX 值。
这些功能适用于输入和输出。对于输入，NORM_X 将标准化来自传感器的读数，而对于输出，NORM_X 将对其原始测量单位的物理量执行相同的操作。
图 2.用于缩放模拟输入的 NORM_X 和 SCALE_X。图片由 Control.com 提供
罗克韦尔自动化 (Allen-Bradley) - RSLogix 500
RSLogix 500 带有 SCP 功能，称为“带参数的刻度”。SCP非常简单。输入 MIN 和输入 MAX 定义了输入变量的操作范围，而缩放的 MIN 和缩放的 MAX 定义了相同的范围，但是以输出的测量单位。这相当于从一条直线上指定两个点。
罗克韦尔自动化 (Allen-Bradley) - RSLogix/Studio 5000
最新版本的 Rockwell 软件专为 Control 和 CompactLogix 平台而设计，具有缩放选项，但必须下载并作为附加指令 (AOI) 实施。它们在功能上与 RSLogix 500 的 SCP 实施类似，可从罗克韦尔支持网站获得。或者，可以定义用户定义的 AOI，如图 3 中名为“SCLE”的示例，具有简单的温度转换比例。
图 3.罗克韦尔 Studio 5000 中定义的附加指令 (AOI)，用于在温标之间进行转换。图片由 Control.com 提供
倍福 - TwinCAT
Beckhoff 不提供缩放指令。相反，必须将直线方程编码到 PLC 程序中，这在使用结构化文本时更容易做到。
模拟信号接线
正确连接模拟设备是正确校准和功能的另一个关键步骤。与数字 I/O 不同，模拟 I/O 总是带有至少两条线。
对于电流 I/O，电流是根据施加到具有已知值的电阻器上的已知电源电压来计算的。这导致由 I/O 模块和模拟传感器形成的闭环电路。基于闭环设计，模拟设备主要分为三种类型：2 线、3 线和 4 线。名称表示连接到 PLC 的 I/O 的线数。
2 线设备是最简单的。一根是电源线，另一根是地线。
3 线设备引入外部电源并将电源电路与电流测量次级电路隔离。
4 线设备遵循与 3 线设备类似的概念，但通过隔离接地连接进一步隔离了电源电路。
图 4.不同类型的模拟传感器基于电线的数量。一个模块示例接线显示了差分电流 (A)、差分电压 (B) 和单端电流 (C)。单端电压仅由输入端的电压信号组成，均以控制系统地为参考。图片来源于罗克韦尔自动化文献
电压传感器和输出的接线更简单，因为它们始终是 2 线制。一根线将是电压输出，另一根线将是接地连接。
概括
每个 PLC 品牌都有一致的方法来建立与模拟输入的传感器连接以及将模拟量转换为数值的数字表示的过程。了解每个硬件和软件的流程对于快速解决测量错误和校准流程非常重要。
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