模拟量输入模块的功能与应用

模拟量输入模块将模拟量信号转换为数字信号用于CPU的计算，如阀门的开度信号，阀门从关到开输出为0～10V，通过A/D（模/数）转换器按线性关系转换为数字信号0～27648，这样在CPU就可以计算出当前阀门的开度，采样的数值可以用于其他计算，也可以发送到人机接口用于阀门的开度显示。

1.模拟量输入模块类型

S7-300系列PLC的模拟量输入模块型号以“SM331”开头，S7-400系列PLC的模拟量输入模块型号以“SM431”开头，两者功能相同，表示方法与数字量模块相同。以S7-300系列PLC为例介绍模拟量输入模块的类型和功能，类型和技术参数参见表2-7、表2-8。

表2-7 S7-300系列PLC SM331模块特性（一）

注：×表示不支持该项功能；√表示支持该项功能；—表示没有。

模拟量输入模块可以连接不同类型的传感器信号，如电压、电流、电阻等信号，覆盖大多数的应用，如果信号特殊，必须通过变送器进行转换；模块通道的分组，如8个输入分4个通道，表明2个模拟量输入共用一个A/D转换器或测量参考点相互隔离；模拟量输入测量方式分为积分和逐次递进两种，前者的采样时间可以设置，分辨率高，但转换时间较长，通常为几十毫秒，后者分辨率低，但转换时间较短，通常为几十微秒。

表2-8 S7-300系列PLC SM331模块特性（二）

注：×表示不支持该项功能；√表示支持该项功能；—表示没有。

2.模拟量输入分辨率的表示

CPU只能以二进制形式处理模拟值。模拟值用一个二进制补码定点数表示，宽度为16位，模拟值的符号总是在第15位。如果一个模拟量模块的分辨率少于16位，则模拟值将左移调整，然后才被保存在模块中。分辨率表示方法参考表2-9，所有标有“X”的位都置为“0”，例如输入模块的分辨率为12位（+符号位），最后3位将被置为“0”，那么转换后数值都是以8的倍数进行变换。模块的分辨率与模块的误差是不同的概念，每个模块的误差范围需要参考模块规范手册。

表2-9 S7-300系列PLC SM331输入模块分辨率表示方法

3.模拟量输入模数的对应关系

不同量程范围的模拟量输入信号对应不同的测量值，S7-300系列PLC模块与S7-400系列PLC模块模数的对应关系相同，以S7-300系列PLC模拟量输入模块为例，模数的对应关系见表2-10～表2-15。

表2-10 电压测量范围为±10～±1V的模拟值表示方法

表2-11 电压测量范围为1～5V和0～10V的模拟值表示方法

表2-12 电流测量范围为0～20mA和4～20mA的模拟值表示方法

表2-13 电流测量范围为±20mA、±10mA和±3.2mA的模拟值表示方法

表2-14 电阻测量范围为10kΩ、150Ω、300Ω和600Ω的模拟值表示方法

电压信号、电流信号及电阻信号的测量值有一个共同的特点，单极性输入信号时，对应的测量范围为0～27648，双极性输入信号时，对应的测量范围为-27648～27648，超出测量范围上溢值为32767、下溢值为-32768（为了能够表示测量值超限，模拟值用一个二进制补码定点数表示，宽度为16位，带有信号位的16位分辨率输入信号正常范围为-27648～27648，而不是-32768～32767）。

表2-15 RTD温度传感器（Pt100、200、500、1000）的模拟值表示方法

表2-15为热电阻传感器在参数化中选择“Standard”测量方式时的模拟值，1个数位=0.1°C，即测量值为200时，表示实际的温度值为20°C；如果在参数化中选择“Climate”测量方式时，1个数位=0.01°C，即测量值为200时，表示实际的温度值为2°C。其他类型的热电阻传感器，如Nix00等模拟值的表示方法与实际温度值的表示方法相同。

模拟量输入信号也可以直接连接热电偶采集温度信号，模拟值的表示方法与热电阻（例如Ptx00）在“Standard”测量方式时的模拟值表示方法相同，1个数位=0.1°C，即测量值为200时，表示实际的温度值为20°C。热电偶与热电阻相比，采样的温度范围更宽，但是需要温度补偿。

4.模拟量输入通道连接不同传感器的设定

通过模拟量模块内部的跳线，同一个模拟量输入模块每个通道组间可以连接不同类型的传感器，设定模块测量方法和测量范围主要使用STEP7和量程卡。

配有量程卡的模拟量模块（在供货时已插入模块一侧），如果需要更改量程和连接传感器的类型，必须重新调整量程卡。量程卡可以设定为：“A”、“B”、“C”和“D”4个位置，通过设定量程卡的范围选择连接传感器的类型，“A”为热电阻、热电偶，测量值通常为毫伏信号；“B”为电压；“C”为四线制电流，传感器电源线与信号线分开；“D”为二线制电流，传感器电源线与信号线共用，传感器电源通过模拟量输入模块供给。

采取以下步骤调整量程卡：

1）使用螺钉旋具，将量程卡从模拟量输入模块中松开，如图2-8所示。

2）将量程卡（正确定位（1））插入模拟量输入模块中。所选测量范围为指向模块上标记点（2）的测量范围，如图2-9所示。

图2-8 将量程卡从模拟量输入模块中松开

图2-9 将量程卡插入模拟量输入模块

3）对于其他量程卡采用相同步骤进行。

在STEP7中，对模拟量模块进行参数化，选择测量传感器类型必须与模块上量程卡设定的类型相匹配（在STEP7中选择传感器类型时，同样提示量程卡应设置的位置），如参数化与实际设定不匹配，模块上的SF指示灯指示模块故障。

5.传感器是否隔离与连接方法

根据量程卡的设定，可以将电压、电流、电阻等不同类型的传感器连接到模拟量输入模块。

为了减少电磁干扰，对于模拟信号应使用屏蔽电缆，并且电缆的屏蔽层应该两端接地。如果电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生等电位耦合电流，造成模拟信号的干扰。在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一端接地。

对于隔离的模拟量输入模块，在CPU的M端和测量电路参考点M_ANA（一般是模块的11号端子）之间没有电气连接。如果参考点M_ANA和CPU的M端存在一个电位差U_ISO，必须选用隔离模拟输入模块。如果U_ISO超过允许值（参考每个模块的技术规范手册），必须使用一根等电位连接导线短接M_ANA端子和CPU的M端子。

对于不带隔离的模拟量输入模块，在CPU的M端和测量电路参考点M_ANA之间，必须建立电气连接。为此，应连接M_ANA端子与CPU或者IM153的M端子。M_ANA和CPU或IM153的M端子之间的电位差会造成模拟信号的中断。

模拟量输入模块是否隔离可以查看模块技术规范手册或产品手册，绝大多模拟量输入数模块是隔离的，部分模拟量输入、输出混合型的模块是非隔离的，如SM334。

如果使用的传感器是非隔离传感器，在输入通道的测量线M-和测量电路参考点M_ANA之间会发生有限电位差U_CM（共模电压）。为了防止超过允许值，在测量点之间必须使用等电位导线连接。

建议的连接图中所用的缩写词和助记符含义如下：

M+：测量导线（正）；

M-：测量导线（负）；

M_ANA：模拟测量电路的参考电压；

M：接地端子；

L+：DC24V电源端子；

U_CM：MANA与模拟量输入通道之间或模拟量输入通道之间的电位差；

U_ISO：MANA^和CPU的M端子之间的电位差。

传感器信号与模拟量输入模块是否隔离有不同连接方式，可参见图2-10～图2-13的连接示例。

•连接带隔离的传感器至带隔离的模拟量输入模块

图2-10 连接带隔离的传感器至带隔离的模拟量输入模块

连接带隔离的传感器与带隔离的模拟量输入模块时，在传感器和模拟量模块端都不需要将信号负端接地，建议信号的负端与输入模块电位参考点（M_ANA）连接。

•连接带隔离的传感器至非隔离的模拟量输入模块

图2-11 连接带隔离的传感器至非隔离的模拟量输入模块

连接带隔离的传感器与非隔离的模拟量输入模块时，在非隔离的模拟量输入模块一端将模块电位参考点（M_ANA）与地连接。

•连接非隔离传感器至带隔离的模拟量输入模块

图2-12 连接非隔离的传感器至带隔离的模拟量输入模块

连接非隔离的传感器与带隔离的模拟量输入模块时，在非隔离的传感器一端将输入信号的负端接地，如果U_CM超出模块允许的范围（参考模块规范手册），模块的电位参考点（M_ANA）与传感器的地必须通过等电位导线连接。

•连接非隔离传感器至非隔离的模拟量输入模块

连接非隔离的传感器与非隔离的模拟量输入模块时，在非隔离的传感器和模拟量输入模块两端分别将输入信号的负端和模块的电位参考点（M_ANA）接地，此外还需要将CPU的地与传感器的地通过等电位导线连接。

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图2-13 连接非隔离的传感器至非隔离的模拟量输入模块

注意：

不能连接非隔离的两线电流传感器和非隔离的电阻传感器至非隔离的模拟量输入模块，通过参考模板规范手册可以判断模拟量输入模块是否隔离。

6.连接不同类型的传感器

（1）连接电压型传感器（如图2-14所示）

注意：

由于信号的参考电位不同，测量值可能出现超上下限，建议连接信号的负端至模块的电位参考点（M_ANA）。

图2-14 连接电压型传感器至隔离的模拟量输入模块

（2）连接两线制变送器（如图2-15所示）

图2-15 连接两线制变送器至隔离的模拟量输入模块

两线制变送器是指变送器的电源与信号线相同，当模块通道被设置为连接两线制变送器时，模块通过信号线向变送器提供DC24V电源，变送器通过信号线输出电流信号。由于两线制变送器电源由模块提供，输出信号只能是4～20mA信号，而不可能是0～20mA信号。

两线制变送器的电源也可以通过外部电源提供，如图2-16所示。

图2-16 连接从L+供电的两线制变送器至隔离的模拟量输入模块

从L+提供两线制变送器电源，信号从变送器负端输出到模块的M+端，经M-流出形成电流回路，这种情况下，模拟量输入模块不提供电源，连接的方式与连接四线制变送器相同，在STEP7软件和量程卡的设置中，选择连接四线制变送器方式。

注意：

连接两线制变送器时，变送器电源由输入模块提供，在图2-16中，实际为四线制变送器连接方式，由于信号的参考电位不同，测量值可能出现超上下限，建议连接电源的负端至模块的电位参考点（M_ANA）。

（3）连接四线制变送器（如图2-17所示）

图2-17 连接四线制变送器至隔离的模拟量输入模块

注意：

四线制变送器的电源线与输出的信号线分开，并不是输出四根线连接到输入模块上，与两线制变送器的设置不同，输入模块不向变送器提供电源。如果连接四线制变送器，而在模块上设置连接变送器的类型为两线制，容易将变送器烧坏。由于变送器输出信号的参考电位与输入模块不同，测量值可能出现超上下限，建议连接信号的负端至模块的电位参考点（M_ANA）。

（4）连接热敏电阻和电阻信号

热敏电阻和普通电阻可以使用两线制、三线制或四线制方法进行接线，通常情况下，连接热敏电阻和电阻信号需要占用两个模拟量输入通道，一个通道通过端子I_C+和I_C-向传感器提供恒流源信号，在传感器两端产生电压信号；另一个输入通道作为测量端测量电压信号，这也是测量热敏电阻和电阻信号的原理，有的专用测量热敏电阻和电阻信号的模块，在每个测量通道都提供I_C+和I_C-恒流源输出端子。

考虑到导线电阻对测量阻值的影响，使用四线制接线和三线制接线，可以补偿测量电缆中由于电阻引起的偏差，使测量结果更精确。

热敏电阻和电阻信号四线制接线方式如图2-18所示。

热敏电阻和电阻信号三线制接线方式如图2-19所示，必须短接M-和I_C-端子，应注意使用SM331，AI8×RTD输入模块时例外，需要短接M+和I_C+端子。

采用热敏电阻和电阻信号两线制接线方式如图2-20所示，短接M+和I_C+以及M-和I_C-端子，如果连接输入信号电缆细长，阻值较大，将影响测量精度。

（5）连接热电耦传感器

热电耦由一对传感器以及所需安装和连接部件组成。热电耦的两根导线可以使用不同金属或金属合金进行焊接。根据所使用材料的成分，可以分为几种热电耦，例如K型、J型和N型热电耦。不管其类型如何，所有热电耦的测量原理都是相同的。

1）热电耦的工作原理，如图2-21所示。如果测量点的温度与热电耦的自由端（连接点）的温度不同，会在热电耦自由端产生电压——热电动势。所产生的电压大小取决于测量点的温度与自由端的温度差，以及热电耦所使用的材料成分。

图2-18 热敏电阻和电阻信号与隔离模拟量输入模块的四线制连接

图2-19 热敏电阻和电阻信号与隔离模拟量输入模块的三线制连接

图2-20 热敏电阻和电阻信号与隔离模拟量输入模块的两线制连接

图2-21 热电耦的结构

由于热电耦测量的总是温度差，必须留有自由端作为参考点的已知温度，以便确定测量结果的温度。

使用补偿导线，热电耦可以从其连接点扩展到参考点。这些补偿导线是由和热电耦导线相同材料制成的。

注意：

应确保这些导线都连接到了正确的极性，否则将会造成明显的测量误差。

2）参考点的温度补偿。参考点的温度补偿在这里显得特别重要，它在很大程度上会影响热电耦的测量结果。用于采集参考点的温度，以便根据参考点和测量点之间的温度差，获得绝对温度值。根据参考点的位置，可以使用内部补偿或外部补偿方式，补偿参考点处温度的波动造成对测量值的影响。参考点温度补偿方式见表2-16。

表2-16 温度补偿的方式

图2-22～图2-24所用的缩写词和助记符含义如下：

M+：测量导线（正）；

M-：测量导线（负）；

I_C+：恒定电流输出的正端；

I_C-：恒定电流输出的负端；

COMP₊：补偿端子（正）；

COMP_-：补偿端子（负）；

M_ANA：模拟测量电路的参考电压；

M：接地端子；

L+：DC24V电源端子；

P5V：模块逻辑电源；

KV₊：冷端（正）；

KV_-：冷端（负）。

3）使用内部补偿的热电耦的连接。热电耦与模块输入之间可以直接连接，也可以使用补偿导线连接。每一个通道组都可以使用一种类型的热电耦，与其他通道组无关，参见图2-22所示。

图2-22 使用内部补偿的热电耦与带隔离的模拟量输入模块之间的连接

内部补偿时，将模块的COMP+端子和COMP-端子短接。

4）热电耦通过补偿盒补偿温度。如果连接到模块输入的所有热电耦都具有相同的参考点，可以使用补偿盒进行温度补偿，连线如图2-23所示，将补偿盒侧的输出连接模块的COMP₊端子和COMP_-端子。补偿盒可以根据现场的要求（连接热电耦的类型）选择不同的订货号。

图2-23 使用补偿盒的热电耦与带隔离的模拟量输入模块之间的连接

5）使用热敏电阻进行温度补偿的热电耦与模块间的连接。用这种补偿类型时，参考点处的温度由电阻传感器决定，温度范围为-25～85°C，连线方式如图2-24所示。

在S7-300系列PLC中只有SM331 AI8×TC模块可以使用热敏电阻进行温度补偿的连接，在S7-400系列PLC中有许多输入模块（参考模块规范手册）可以使用热敏电阻进行温度补偿，但是在STEP7中参数化中，只能选择“0通道”连接热敏电阻进行温度补偿。

图2-24 SM331AI8×TC使用热敏电阻进行温度补偿的同类型热电耦的连接