西门子1200PLC模拟量测温案例，看完新手也会使用功能指令

一、任务目标

该任务是功能指令应用案例，使用功能指令有助于我们理清编程思路。本任务使用了标准化及缩放指令，在实际应用中这两个指令应用非常广泛。本任务除了指令的解读之外，还涉及模拟量相关知识。

本任务要求读者掌握以下几个内容：

1.模拟量与数字量的关系

2.温度传感器的接线

3.模拟量与实际物理量的转换

4.标准化指令和缩放指令的使用

二、任务描述

如图3-5-1所示此温度传感器可采集车间温度，传感器（DC0-10V）把测量的数据反馈给PLC，PLC可通过计算得到实际的温度值，以便于在HMI上显示：

图3-5-1 温度采集示意图

三、相关知识

本案例需要了解的知识有模拟量的概念;模拟量与数字量的基本转换关系；温度传感器的接线；涉及编程主要掌握的是标准化及缩放指令的使用。

01、 模拟量控制简介

（1）在工业控制中，某些输入量（温度、压力、液位、流量等）是连续变化的模拟量信号，某些被控对象也需模拟信号控制，因此要求PLC有处理模拟信号的能力。PLC内部执行的均为数字量，因此模拟量处理需要完成有两方面任务：一是将模拟量转换成数字量（A/D转换）；二是将数字量转换为模拟量（D/A转换）。

（2）模拟量处理过程如图3-5-2所示。这个过程主要分为以下几个阶段：

图3-5-2 模拟量处理过程

①模拟量信号的采集，由传感器来完成。传感器将非电信号（如温度、压力、液位等）转换成电信号。

注意：此时的信号为非标准信号。

②非标准信号转换成标准信号，此项任务由变送器来完成。传感器输出的非标准电信号输送给变送器，经变送器将非标准电信号转化成标准电信号。根据国际标准，标准信号分为电压型和电流型两种类型。电压型的标准信号DC0-10V和0-5V等；电流型的标准型号为DC0-20MA和DC4-20MA。

③A/D转换。变送器将其输出的标准信号传送给模拟量输入扩展模块后，模拟量输入扩展模块将模拟量信号转化为数字量信号。

02、 温度传感器接线

（1）变送器信号的选择：

①电压型变送器的选用：早期的变送器大多为电压输出型，即测量信号转换成0-5V或0-10V电压输出。这是运算放大器直接输出，信号功率小于0.05W，通过A/D转换电路转换成数字信号供S7-1200PLC读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型变送器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差、线路损耗导致精度降低等缺点；所以电压信号一般只使用与短距离传输。

②电流型变送的选用：当现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较大时，如果用电压信号远传，电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差，而用恒电流信号远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流将不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度；所以一般远距离传输用的都是电流信号。

（2）温度变送器及传感器，如图3-5-3：

图3-5-3 温度变送器及传感器

（3）变送器的类型及接线

变送器分为四线制、三线制、二线制接线法。这里讨论的“线制”，是以传感器或仪表变送器是否需要外供电源来区别的，而并不是指模块需要几根线或该变送器有几根输出信号线。以下介绍三线制电压型变送器接线方法如图3-5-4：

图3-5-4 温度变送器接线

03、 模拟量与数字量的转换

在实际的工程项目中，读者往往采集温度、压力、流量等信号，那么在程序中如何处理这些模拟量信号呢？换句话说编写模拟量程序的目的是什么呢？编写模拟量程序的目的是将模拟量转换成对应的数字量，最终将数字量转换成工程量（物理量）。

模拟量转换为工程量分为单极性和双极性两种。双极性的-27648对应工程量的最小值，27648对应工程量的最大值。

单极性模拟量分为两种，即4-20mA和0-10V、0-20mA。

（1）第一种为4-20mA,是带有偏移量的。

因为4mA为总量的20%，而20mA转换为数字量为27648，所以4mA对应的数字量为5530。模拟量转换为数字量是S7-1200PLC完成的，读者要在程序中将这些数值转换为工程量。

（2）第二种是没有偏移量的

没有偏移量的是如0-10V、0-20mA等模拟量，27648对应最大工程量，0对应工程量的最小值。

（3）模拟量信号（0-10V、0-5V或0-20mA）在S7-1200PLC CPU内部用0-27648的数值表示（4-20mA对应5530-27648），这两者之间有一定的数学关系，如图3-5-5

图3-5-5 模拟量信号与数字量曲线

04、 标准化指令和缩放指令

（1）标准化指令（NORM_X）

NORM_X指令：使用“NORM_X”指令，可将输入VALUE中变量的值映射到线性标尺对其标准化。使用参数MIN和MAX定义输入VALUE值范围的限值：

注意：可以从指令框“<???>”下拉列表中选择该指令的数据类型。

标准化指令的计算公式是：OUT= (VALUE - MIN) / (MAX - MIN)，其中 (0.0 <= OUT <= 1.0)，计算原理如图3-5-6

图3-5-6 标准化指令公式对应计算原理图

用一个例子来说明标准化指令（NORM_X）的使用，梯形图如图3-5-7所示：

当I0.0闭合激活标准化指令，要标准化的VALUE存储在MW10中，VALUE的范围是0-27648，将VALUE标准化的输出范围是0.0-1.0。假设MW10中是13824，那么MD12中的标准化的结果是0.5。

图3-5-7 标准化指令示例

（2）缩放指令（SCALE_X）

SCALE_X指令：使用“SCALE_X”指令，可将输入VALUE的值映射到指定的值范围来对其缩放。当执行缩放指令时，输入VALUE的浮点值会缩放到有参数MIN和MAX定义的值范围。缩放结果为整数，存储在OUT输出中。缩放指令参数见下表：

注意：可以从指令框“<???>”下拉列表中选择该指令的数据类型。

缩放指令的计算公式是：OUT= VALUE (MAX - MIN) + MIN，其中 (0.0 <= VALUE <= 1.0)，计算原理如图3-5-8；

用一个例子来说明标准化指令（NORM_X）的使用，梯形图如图3-5-8所示，当I0.0闭合激活标准化指令，要标准化的VALUE存储在MD16中，VALUE的范围是0-27648，将VALUE标准化的输出范围是0-27648。假设MD10中是0.5，那么MW20中的标准化的结果是13824。

图3-5-8 缩放指令示例

四、任务实施

本任务的实施步骤主要分为PLC接线、IO地址分配以及程序设计思路：

01、 IO地址分配

输入地址

说明

温度显示地址

说明

IW64

模拟量输入

MD24

温度显示

02、 程序设计思路

1）使用标准化指令，把采集过来的模拟量值进行标准化，标准化后的范围值在0.0-1.0之间。

2）再使用缩放指令，把标准化后的数值进行缩放，缩放后的范围值在温度传感器量程（-50.0-200.0℃）范围之间。

03、 程序设计

五、经验与总结

1、模拟量的换算，主要是要理解模拟量与数字量之间的关系。

2、在本任务中，主要使用的是标准化和缩放指令进行模拟量采集换算，换算的时候要注意数字量及工程量数值的填写，以免换算错误。

3、在上述例子中，温度传感器的量程为-50℃-200℃，所以在缩放指令中需要正确填写数值。

4、如果现场有多个温度传感器，可以使用带参数子程序的方式编写更加方便。

5、如果现场的传感器是4-20mA电流输出的，那么在标准化指令中的MIN管脚填写的数值应该是5530，而不是0。

（技成培训网原创，作者：郭彪，未经授权不得转载，违者必究）

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PLC如何与各种传感器进行连接？

概述

PLC的数字量输入接口并不复杂，PLC 为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光电耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。因此，输入端的信号只是驱动光电耦合器的内部 LED 导通，被光电耦合器的光电管接收，即可使外部输入信号可靠传输。

目前 PLC 数字量输入端口一般分单端共点与双端输入，由于有区别，用户在选配外部传感器时接法上需要一定的区分与了解才能正确使用传感器与 PLC 为后期的编程工作和系统稳定奠定基础。

输入电路的形式

1、输入类型的分类

PLC的数字量输入端子，按电源分直流与交流，按输入接口分类由单端共点输入与双端输入，单端共点接电源正极为SINK（sink Current 拉电流），单端共点接电源负极为SRCE（source Current 灌电流）。

2、词语的概述

SINK漏型为电流从输入端流出，那么输入端与电源负极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源正极，可接NPN型传感器。

SOURCE源型为电流从输入端流进，那么输入端与电源正极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源负极，可接PNP型传感器。

接近开关与光电开关三、四线输出分 NPN 与 PNP 输出，对于无检测信号时 NPN 的接近开关与光电开关输出为高电平（对内部有上拉电阻而言），当有检测信号，内部NPN 管导通，开关输出为低电平。

对于无检测信号时 PNP 的接近开关与光电开关输出为低电平（对内部有下拉电阻而言），当有检测信号，内部 PNP 管导通，开关输出为高电平。

以上的情况只是针对传感器是属于常开 的状态下。

3、按电源配置类型

（1） 直流输入电路

如图1，直流输入电路要求外部输入信号的元件为无源的干接点或直流有源的无触点开关接点，当外部输入元件与电源正极导通，电流通过R1，光电耦合器内部LED，VD1（接口指示）到COM端形成回路，光电耦合器内部接收管接受外部元件导通的信号，传输到内部处理；这种由直流电提供电源的接口方式，叫直流输入电路；

直流电可以由PLC内部提供也可以外接直流电源提供给外部输入信号的元件。R2在电路中的作用是旁路光电耦合器内部LED的电流，保证光电耦合器LED不被两线制接近开关的静态泄漏电流导通。

（2）交流输入电路

如图2，交流输入电路要求外部输入信号的元件为无源的干接点或交流有源的无触点开关接点，它与直流接口的区分在光电耦合器前加一级降压电路与桥整流电路。外部元件与交流电接通后，电流通过R1，C2经过桥整流，变成降压后的直流电，后续电路的原理与直流的一致。

交流PLC主要适用相对环境恶劣，布线技改变动不大等场合；如接近开关就用交流两线直接替代原来行程开关。

4、按端口类型

（1）单端共点（Comcon）数字量输入方式

为了节省输入端子，单端共点输入的结构是在 PLC 内部将所有输入电路（光电耦合器）的一端连接在一起接到标示为 COM 的内部公共端子，各输入电路的另一端才接到其对应的输入端子 X0、X1、X2、....

com 共点与 N 个单端输入就可以做 N 个数字量的输入（N+1 个端子），因此我们称此结构为"单端共点"输入。用户在做外部数字量输入组件的接线时也需要同样的做法，需要将所有输入组件的一端连接在一起，叫输入组件的的外部共线；输入组件的另一端才接到 PLC 的输入端子 X0、X1、X2、....

SINK输入方式，可接 NPN 型传感器，即 X 端口与负极相连。

SRCE输入方式，可接 PNP 型传感器。即 X 端口与整机极相连。（外部输入组件可以为按钮开关、行程开关、舌簧开关、霍尔开关、接近开关、光电开关、光幕传感器、继电器触点、接触器触电等开关量的元件。）

（2）SINK（sink Current 拉电流）输入方式

●单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。如图3：

（3） SRCE（source Current 灌电流）输入方式

● 单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。如图4：

（4）SINK/SRCE可切换输入方式

S/S端子与COM端不同的是,COM是与内部电源正极或负极固定相连，S/S端子是非固定相连的，根据需要才与内部电源或外部电源的正极或者负极相连。

● 单端共点SINK输入接线（内部共点端子S/S→24V+，外部共线→24V-）。

● 单端共点SRCE输入接线（内部共点端子S/S→24V-，外部共线→24V+）。

（5） 当有源输入元件（霍尔开关、接近开关、光电开关、光幕传感器等）数量比较多，消耗功率比较大，PLC内置电源不能满足时，需要配置外置电源。根据需求可以配24VDC，一定功率的开关电源。

外置电源原则上不能与内置电源并联，根据COM与外部共线的特点， SINK（sink Current 拉电流）输入方式时，外置电源与内置电源正极相连接；SRCE（source Current 灌电流）输入方式时，外置电源与内置电源负极相连接。

（6） 简单判断SINK（sink Current 拉电流）输入方式，只需要Xn端与负极短路，如果接口指示灯亮就说明是SINK输入方式。共正极的光藕合器，可接NPN型的传感器。SRCE（source Current 灌电流）输入方式，将Xn端与正极短路，如果接口指示灯亮就说明是SRCE输入方式。共负极的光藕合器，可接PNP型的传感器。

（7） 对于2线式的开关量输入，如果是无源触点，SINK与SRCE按上图的输入元件接法，对于2线式的接近开关，需要判断接近开关的极性，正确接入。

（8）超高速双端输入电路

主要用于硬件高速计数器（HHSC）的输入使用，接口电压为5VDC，在应用上为确保高速及高噪音抗性通常采用双线驱动方式（Line-Drive）。如果工作频率不高与噪音低也可以采用5VDC的单端SINK或者SRCE接法，串联一个限流电阻转换成24VDC的单端SINK或者SRCE接法。

（9）双输入端双线驱动方式（Line-Drive）。

（10）5VDC的单端SINK或者SRCE接法。

（11）24VDC的单端SINK或者SRCE接法。

注：24VDC供电的传感器,在输入回路上需要串联限流电阻，R1为10Ω，R2为2KΩ，不串联限流电阻，将烧毁接口回路，限流电阻取值2.7KΩ。

外部输入元件

1、无源干接点 （按钮开关、行程开关、舌簧磁性开关、继电器触点等）；无源干接点比较简单，接线容易。不存在电源的极性，压降等因素，上图3-6中的输入元件正是此类型。这里不重复介绍。

2、有源两线制传感器 （接近开关、有源舌簧磁性开关）

有源两线接近开关分直流与交流，此传感器的特点就是两根线，传器输出端导通后，为了保证电路正常工作需要一个保持电压来维持电路工作，通常在3.5-5V的压降，静态泄露电流要小于1mA，这个指标很重要；如果过大，在接近开关没检测信号时，就使PLC的输入端的光电耦合器导通。

直流两线制接近开关分二极管极性保护与桥整流极性保护，前者在接PLC时需要注意极性，后者就不需要注意极性。有源舌簧磁性开关主要用在汽缸上做位置检测，由于需要信号指示，内部有双向二极管回路，因此也不需要注意极性；交流两线制接近开关就不需要注意极性。如图10：

（1）单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。 如图11

（2）单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。 如图12:

（3）S/S端子接法参考图5-图6以及图11-图12

3、有源三线传感器 （电感接近开关、电容接近开关、霍尔接近开关、光电开关等）；直流有源三制线接近开关与光电开关输出管使用三极管输出，因此传感器分NPN和PNP 输出，有的产品是四线制，有双NPN或双PNP，只是状态刚好相反，也有NPN和PNP结合的四线输出。

NPN型当传感器有检测信号VT导通，输出端OUT的电流流向负极，输出端OUT电位接近负极，通常说的高电平翻转成低电平。

PNP型当传感器有检测信号VT导通，正极的电流流向输出端OUT,输出端OUT电位接近正极，通常说的低电平翻转成高电平。

电路中三极管的发射极上的电阻为短路保护采样电阻2-3Ω不影响输出电流。三极管的集电极的电阻为上拉与下拉电阻，提供输出电位，方便电平接口的电路，另一种输出的三极管集电极开路输出不接上拉与下拉电阻。

简单说当三极管VT导通,相当于一个接点导通，如图13：

（1）单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-） 。如图14：

（2）单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+） 。如图15：

（3）S/S端子接法参考图5-图6、图11-图12以及图14-图15

PLC输入接口电路形式和外接元件（传感器）输出信号形式的多样性，因此在PLC输入模块接线前必要了解PLC输入电路形式和传感器输出信号的形式， 才能确保PLC输入模块接线正确无误，在实际应用中才能游刃有余，后期的编程工作和系统稳定奠定基础。

在工业现场中，压力、位移、温度、流量、转速等各类模拟量传感器因设计使用的技术方法不同。

传感器工作配电的方式主要分为两线制和四线制 ，其输出的模拟信号也各有差异，而常见的有0-20mA、4-20mA电流信号和0-75mV、0-5V、1-5V电压信号。

要把各类传感器模拟信号成功采集到PLC/DCS/FCS/MCU/FA/PC系统，就要根据传感器与数据采集系统的功能和技术特点 进行匹配选型，同时也要考虑到工业现场传感器与PLC等数据采集系统的供电差异及各种EMC干扰的影响，通常把传感器输出的模拟信号隔离、放大、转换后送到PLC等数据采集系统。

PLC通过信号线采集传感器的模拟或数字信号，然后进行处理，如果传感器是模拟输出，PLC就要接模拟输入接口，如果传感器是数字信号输出，PLC就要接数字输入接口。

开关量传感器就是一个无触点的开关，开关量传感器可作为PLC的开关量输入信号。一般用于开关量控制的设备，机床，机器等。

模拟量传感器是把不同的物理量(如压力、流量、温度)转换成模拟量(4-20MA的电流或1-5V的电压)。模拟量传感器作为PLC的模拟量输入模块的输入信号。一般用于过程控制。

数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量(或数字编码)的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU）、存储器、通讯接口电路等。

常用的模拟量传感器分为两线制和四线制，两线制和四线制都只有两根信号线，它们之间的主要区别 在于：两线制的两根信号线既要给传感器或者变送器供电，又要提供电流电压信号；而四线制的两根信号线只提供电流信号。通常提供两线制电流电压信号的传感器或者变送器是无源的；而提供四线制电流信号的传感器或者变送器是有源的。

因此，当PLC等数据采集系统的模板输入通道设定为连接四线制传感器时，PLC只从模板通道的端子上采集模拟信号，而当PLC等数据采集系统的模板输入通道设定为连接二线制传感器时，PLC的模拟输入模板的通道上还要向外输出一个直流24V的电源，以驱动两线制传感器工作。

4-20mA和电工标准有关，4-20mA信号制是国际电工委员会(IEC)过程控制系统用模拟信号标准。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用4-20mA,联络信号采用1-5VDC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。

因为信号起点电流为4mA，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA，不与机械零点重合，这种活零点有利于识别断电和断线等故障。

根据模拟信号传感器的性能选型搜索

1

1、两线制电流/电压输出传感器 (无供电电源，由负载提供16—24V配电，输出4-20mA/0-5V)。

1.1 两线制无源4-20mA输入型传感器，经电流隔离配电器配电后与PLC连接。如图1所示，称重、测距传感器正端接16—24VDC,负端输出4-20mA电流。

▲图1 两线制4-20mA隔离配电器典型应用图

1.2 两线制无源电压信号输入型传感器，经电压配电器配电后与PLC连接。如图2、图3所示，位移、电子尺传感器正端、负端接16—24VDC电压。

▲图2 非隔离两线无源电压配电器

▲图3 隔离型电压配电器

如图4、图5所示，应力片、称重电桥传感器正端、负端接16—24VDC电压。

▲图4 隔离型电压信号转换放大

▲图5 隔离型电桥电压配电器

1.3 两线制传感器输出4-20mA电流环路经隔离器隔离后与PLC连接。如图6所示，压力、流量传感器正端接9—32VDC,负端输出4-20mA电流。

▲图6 两线制4-20mA电流环路隔离器典型应用图

1.4 两线制传感器输出4-20mA电流经隔离调理匹配（解决输入输出间冲突）后与PLC连接。如图7所示，温度、转速传感器正端接12—24VDC,负端输出4-20mA电流。

▲图7 两线制4-20mA信号与PLC匹配隔离调理典型应用图

2

2、四线制电流/电压(输入/输出)型传感器 (有自己的供电电源24VDC，输入/输出:4-20mA或0-5V)。

2.1 四线制电流输出型传感器经模拟信号隔离放大后与PLC连接。

如图8所示，温度、湿度传感器正端接24VDC,负端输出4-20mA电流。

▲图8 四线制传感器信号I/I隔离放大后与PLC连接典型应用图

如图9所示，压力、转速传感器正端接24VDC,负端输出4-20mA电流。

▲图9 四线制传感器信号I/V转换后与PLC连接典型应用图

2.2 四线制电压输出型传感器经模拟信号隔离放大后与PLC连接。如图10所示，压力、转速传感器正、负端接24V电源,输出端输出0-5V电压。

▲图10 四线制传感器信号V/I转换后与PLC连接典型应用图

如图11所示，液位、流量传感器正、负端接24V电源,输出端输出0-5V电压。

▲图11 四线制传感器信号V/V隔离后与PLC连接典型应用图

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