模拟值处理-base on simatic

1. 模拟量有哪些

• 温度
• 压力
• 速度
• 填充量
• PH值

2. 变送器

对于PLC而言，只能处理位模式格式的模拟值（-32767~32767）。所以变送器的目的是测量如压力流量温度等物理值，再转换成电流/电压/电阻等形式，方便模拟量输入模块采集，采集后再模块内部有一个AD（模数）转换器，可以把电流电压电阻值变成16位整数值。

• 电压变送器
• 电流变送器
  • 2线制电流变送器（无源变送器，靠模拟量模块给电压）
  • 4线制电流变送器（有源，变送器自己出一个负载供电）
• 电阻变送器
  • 2线
  • 3线
  • 4线
• 热电偶
• 隔离变送器

3. 模数转换

PLC只能处理数字格式的信息。因此模块内部靠ADC转换，把模拟量的连续变化的曲线数字化为一个近似的跳变曲线（采样点越多，越趋近于真实的模拟量曲线）。对于西门子的产品，ADC芯片的转换始终返回的是一个16bits字。

• 模数转换关键参数1：准确性/精度
• 模数转换关键参数2：转换速度

4. 精度

精度越高，跳变的数字曲线才会越趋近于物理上连续的真实模拟量曲线。
在西门子的模拟量模块选型中，经常会遇到描述模块精度的词汇，如模块精度为13bits,或者模块精度为16位。下面将用计算来说明一下模块精度怎么理解：

• 在0-10V的测量模块中，模块精度等于13位（=12bit + S），其中S表示符号位；0-正1-负。

  //仅作举例
  2^12=4096
  最小增量 = 10V / 4096
          = 2.4mV

• 在0-10V的测量模块中，模块精度等于16位（=15bit + S），其中S表示符号位；0-正1-负。

  2^15=32768
  //实际上因为额定范围，上溢下溢等概念，导致10V对应的数字值应该是27648，这里只是理论计算
  //双极性-32768~+32767，单极性0~+32767,所以单双极性之间最小增量是一致的。
  理论最小增量 = 10V / 32768
          = 0.305mV
  实际最小增量 = 10V / 27648
          = 0.3617mV

5. 输出范围

• 低于16bit的模块未使用的有效位用“0”填充，模拟值左对齐，即右边部分是填充部分

• 无论是何种精度，模块都将占用-32768~+32767的所有范围，精度决定了两个连续值之间的缩放值（单位步长）

  • 16bit模块以1个单位步长递增，（2^0=1）
  • 13bit模块以8个单位步长递增，（2^3=8）
    

• 双极性输入输出范围表示

  • 输入，精度16bit,+-10V
    
  • 输出，精度16bit,+-10V
    

• 单极性输入输出范围表示

  • 输入，精度16bit,+-10V
    
  • 输出，精度16bit,+-10V
    

6. 误差

• 基本误差，在25℃环境下的操作极限，使用最大值*误差值
• 全温范围误差，整个温度范围的操作限值，使用最大值*误差值
• 线性误差
• 温度误差
  • 如下图，西门子的手册里对温度误差的案例可能会引起一些误会，其实在这个案例里面不管是+-2.4K(开式温度)还是+-6℃（摄氏温度），它们所表达的都是一个相对温度（相对于-273.15或者相对于0）。相对温度下不考虑绝对计量起点，所以这里用K和用摄氏度都可以，直接相加就行。
    

7. 重复精度

重复精度是指一个值重复输入或者输出的次数很多的时候，实际值离重复值直接最大的偏差范围

8. 干扰频率抑制

抑制由AC电压电源产生的一些干扰。这些干扰在测热电偶的时候影响会相对大些。设置的时候，设置的频率越高，转换的时间越短

• 干扰频率的设置值越大，对干扰的过滤效果越差。因为越大的设置值采样时间越短，所以单位时间内可以采集到更多的点位。400Hz一般用在航空和军工场景。
  

9. 共模干扰和串模干扰

10. 串扰

因为在工艺上，其实并不可能完全隔绝模块通道和环境条件，也就是说始终会有泄露电流或者干扰耦合。

11. 模拟量的常见诊断

• L+ 缺失
• 断路
  • 只对电流有效，最电流小于某个值时不可用
• 短路
  • 只对电压有效，最电压小于某个值时不可用
• 上溢
• 下溢
• 共模
  • 诊断测量输入（-）和模拟地之间的参考点是否超过了允许的最大电位差.
• 过载
  • 环境温度或者模块温度太高
• 基准节
  • 用于热电偶测量，若外部参考端的RTD电阻产生了错误，可能触发该诊断。

12. 值状态

用于表征信号输出或者输入的质量状态，QI。没有诊断发生的时候不一定有QI，有QI的时候通道一定不存在诊断信息。

13. 转换时间，循环时间

14. 滤波

滤波用在处理缓慢变化的模拟量（如温度），可降低干扰信号的强度。

• 组态中有无，弱，中，强四种滤波方式。越大滤波效果越好
  
  

15. 模拟量校准

• 用户校准
• 工厂校准

16. PTC和RTD的区别

• PTC，基于半导体材料的热敏电阻，阻值和温度变换正相关（负相关的是NTC）
• RTD，基于金属材料如Pt的热敏电阻，它们的阻值随温度的升高而下降。
• 相比于PTC, RTD具有更高的精度和稳定性，也有更宽泛的温度范围。但是PTC具有更低的价格，以及比RTD更快的响应时间。

17. 标定和反向标定模拟量值

• SCALE,标定。把数字值（-27647~+27648）转换成对应的物理量值（电压电流）

  #tempScaleWord := SCALE(IN := #value.AQ_digital, HI_LIM := #HI_LIM, LO_LIM := #LO_LIM, BIPOLAR := #BIPOLAR, OUT => #value.AQ_analog);

• UNSCALE,反向标定。把物理量值转换成对应的数字值

  #tempUNScaleWord := UNSCALE(IN := (#HI_LIM * #statTemperaPara.range), HI_LIM := #HI_LIM, LO_LIM := #LO_LIM, BIPOLAR := #BIPOLAR, OUT => #statTemperaPara.digitalvalue);

• SCALE和UNSCALE的算法规则
  • SCALE:OUT = [((FLOAT (IN) – K1)/(K2–K1)) ∗ (HI_LIM–LO_LIM)] + LO_LIM
  • UNSCALE:OUT = [((IN–LO_LIM)/(HI_LIM–LO_LIM)) ∗ (K2–K1) ] + K1
  • 在西门子官方指令中，如果单极性，则K1=0.0,K2=+27648.0;如果双极性，则K1=-27648.0.0,K2=+27648.0
  • 在西门子官方指令中，如果IN值超过27648或者小于-27648，其输出结果会被固定为一个最接近输出值的合法值，并输出一个超范围错误状态。
  • 如果想输出超过-27648 ~ +27647的值，比如输出-32512 ~ +32511。可以按照以上算法手动计算。

18. RTD的标准型和气候型的差别

• 如果配置为标准型的热电阻，则读到的值除以10就得到温度值，精度是0.1。
• 如果配置为气候型的热电阻，则读到的值除以100就得到温度值，精度是0.01。