PLC 模擬量的高級(jí)縮放技術(shù)

將模擬信號(hào)配置為可用的數(shù)字量是通過 PLC 內(nèi)部的縮放功能來完成的，這與模擬信號(hào)接線一起理解是很重要的。

在之前文章中，我們介紹了對(duì)聲音、光和溫度等許多自然量進(jìn)行模擬信號(hào)縮放的需求。該過程涉及建立物理量和電信號(hào)之間的關(guān)系：電壓或者電流。雖然生成的線性方程可以編程到任何 PLC 中（一些非線性關(guān)系也可以），但大多數(shù)品牌都提供了預(yù)定義的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。本文將介紹其中的一些功能，并提升大家對(duì)電壓和電流模擬信號(hào)的理解。

電壓和電流模擬 I/O

首先，讓我們討論兩種模擬信號(hào)：電壓和電流。無論使用哪種模擬 I/O，縮放過程背后的數(shù)學(xué)原理都是相同的?？梢愿鶕?jù)受控系統(tǒng)的特性選擇電壓或電流 I/O。 

圖 1.通常來自大電流線路的電磁干擾會(huì)顯著影響電壓傳感器信號(hào)。圖片由Pixabay提供

電壓模擬信號(hào)傳輸僅在短距離內(nèi)可靠。電纜越長，由于接線電阻增加，電壓降越明顯。電壓 I/O 最常見的工作范圍是 0 到 10 V，因此即使是幾分之一伏的變化也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)不準(zhǔn)確。

電流信號(hào)傳輸在較長距離上不會(huì)出現(xiàn)劣化，它是一種恒流輸出，可隨著導(dǎo)線長度的電阻變化而調(diào)整自身的輸出電壓。此外，大多數(shù)模擬信號(hào)使用差分對(duì)電壓電平，消除了許多會(huì)影響電壓信號(hào)的 EMI 效應(yīng)。因此，它是一種非常流行的模擬信號(hào)傳輸形式。 

除了支持更遠(yuǎn)的距離和更抗噪聲干擾外，電流信號(hào)還具有稱為“活零”的安全特性。電流信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)工作范圍為 4 mA 至 20 mA。4 mA 的下限意味著即使物理量處于最低值，傳感器仍有輸出。相比之下，電壓信號(hào)的下限為 0 V，不能絕對(duì)確定 0 V 是由傳感器讀數(shù)或連接斷開引起的。

電流信號(hào)也比電壓信號(hào)需要更少的功率，并且允許串聯(lián)多個(gè)設(shè)備，因?yàn)殡妷航挡皇且粋€(gè)因素。

所有這些都是重要的設(shè)計(jì)考慮因素，但它們也會(huì)影響縮放。例如，如果我們的電壓信號(hào)受到電磁噪聲的影響，傳感器輸出電平就會(huì)不一致。如果我們?cè)谶@些條件下縮放傳感器，那么得到的方程將是不正確的。信號(hào)行為會(huì)出現(xiàn)非線性，直接體現(xiàn)為信號(hào)受到了干擾。

縮放函數(shù)和庫

在本節(jié)中，我們將描述 Siemens、Rockwell Automation (Allen-Bradley) 和 Beckhoff 提供的用于信號(hào)縮放的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，并且?guī)缀踉谒衅渌脚_(tái)中都可以找到類似的示例。

西門子 - TIA Portal

我們需要指令 SCALE_X 和 NORM_X 來縮放 TIA Portal 中的模擬信號(hào)。首先，NORM_X 標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的輸入并返回一個(gè)介于 0.0 和 1.0 之間的值，具體取決于 MIN 和 MAX 參數(shù)設(shè)置。換句話說，此函數(shù)返回一個(gè)數(shù)字，表示輸入用于操作范圍的百分比，這很有幫助，因?yàn)樗箍s放過程獨(dú)立于物理量測量單位。

標(biāo)準(zhǔn)化的輸出然后成為 SCALE_X 指令的輸入。SCALE_X 將輸入轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)據(jù)類型，轉(zhuǎn)換因子取決于該指令的 MIN 和 MAX 值。

這些功能適用于輸入和輸出。對(duì)于輸入，NORM_X 將標(biāo)準(zhǔn)化來自傳感器的讀數(shù)，而對(duì)于輸出，NORM_X 將對(duì)其原始測量單位的物理量執(zhí)行相同的操作。

圖 2.用于縮放模擬輸入的 NORM_X 和 SCALE_X。圖片由 Control.com 提供

羅克韋爾自動(dòng)化 (Allen-Bradley) - RSLogix 500

RSLogix 500 帶有 SCP 功能，稱為“帶參數(shù)的刻度”。SCP非常簡單。輸入 MIN 和輸入 MAX 定義了輸入變量的操作范圍，而縮放的 MIN 和縮放的 MAX 定義了相同的范圍，但是以輸出的測量單位。這相當(dāng)于從一條直線上指定兩個(gè)點(diǎn)。

羅克韋爾自動(dòng)化 (Allen-Bradley) - RSLogix/Studio 5000

最新版本的 Rockwell 軟件專為 Control 和 CompactLogix 平臺(tái)而設(shè)計(jì)，具有縮放選項(xiàng)，但必須下載并作為附加指令 (AOI) 實(shí)施。它們?cè)诠δ苌吓c RSLogix 500 的 SCP 實(shí)施類似，可從羅克韋爾支持網(wǎng)站獲得?；蛘?，可以定義用戶定義的 AOI，如圖 3 中名為“SCLE”的示例，具有簡單的溫度轉(zhuǎn)換比例。

圖 3.羅克韋爾 Studio 5000 中定義的附加指令 (AOI)，用于在溫標(biāo)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖片由 Control.com 提供

倍福 - TwinCAT

Beckhoff 不提供縮放指令。相反，必須將直線方程編碼到 PLC 程序中，這在使用結(jié)構(gòu)化文本時(shí)更容易做到。

模擬信號(hào)接線

正確連接模擬設(shè)備是正確校準(zhǔn)和功能的另一個(gè)關(guān)鍵步驟。與數(shù)字 I/O 不同，模擬 I/O 總是帶有至少兩條線。

對(duì)于電流 I/O，電流是根據(jù)施加到具有已知值的電阻器上的已知電源電壓來計(jì)算的。這導(dǎo)致由 I/O 模塊和模擬傳感器形成的閉環(huán)電路?；陂]環(huán)設(shè)計(jì)，模擬設(shè)備主要分為三種類型：2 線、3 線和 4 線。名稱表示連接到 PLC 的 I/O 的線數(shù)。

2 線設(shè)備是最簡單的。一根是電源線，另一根是地線。

3 線設(shè)備引入外部電源并將電源電路與電流測量次級(jí)電路隔離。

4 線設(shè)備遵循與 3 線設(shè)備類似的概念，但通過隔離接地連接進(jìn)一步隔離了電源電路。

圖 4.不同類型的模擬傳感器基于電線的數(shù)量。一個(gè)模塊示例接線顯示了差分電流 (A)、差分電壓 (B) 和單端電流 (C)。單端電壓僅由輸入端的電壓信號(hào)組成，均以控制系統(tǒng)地為參考。圖片來源于羅克韋爾自動(dòng)化文獻(xiàn)

電壓傳感器和輸出的接線更簡單，因?yàn)樗鼈兪冀K是 2 線制。一根線將是電壓輸出，另一根線將是接地連接。

概括

每個(gè) PLC 品牌都有一致的方法來建立與模擬輸入的傳感器連接以及將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)值的數(shù)字表示的過程。了解每個(gè)硬件和軟件的流程對(duì)于快速解決測量錯(cuò)誤和校準(zhǔn)流程非常重要。

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