以下内容节选自机械工业出版社出版的西门子自动化技术丛书----《SIMATIC S7- 1500 与 TIA博途软件使用指南》， 作者崔坚。更多更详细的内容请您参考《SIMATIC S7- 1500 与 TIA博途软件使用指南》一书。

  模拟量模块---模拟量输入模块

  3.4.6模拟量输入模块

  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)转换器按线性比例关系转换为数字量信号为0～27648，这样CPU就可以计算出当前阀门的开度。采样的数值可以用于其它计算，也可以发送到人机界面用于阀门的开度显示。S7-1500标准型模拟量输入模块为多功能测量模块，具有多种量程。每一个通道的测量类型和范围可以任意选择，不需要量程卡，只需要改变硬件配置和外部接线。随模拟量输入模块包装盒带有屏蔽套件，具有很高的抗干扰能力。

  1) 模拟量输入模块类型

  S7-1500 PLC/ET200 MP的模拟量输入模块型号以“SM 531”开头，“5”表示为S7-1500系列，“3”表示为模拟量，“1”表示为输入类型。35MM、25MM宽模块类型和技术参数分别参考表表3- 10、表3- 11。

  注意：命名方式便于记忆，只适合S7-1500/ET 200MP子系列

   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精度少于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3- 12，所有标有“X”的位都置为“0”，例如输入模块的分辨率为13位（12位＋1符号位），最后3位将被置“0”，那么转换后数值最小都是以8的倍数进行变换。上面列出的S7-1500模拟量输入模块分辨率都是16位（15位+1符号位），所以每次最小变化为1，精度非常高。

  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板规范手册。

3) 模拟量输入模数对应关系

• 不同量程范围的模拟量输入信号对应不同的测量值，电压信号的模数对应关系参考表3- 13、表3- 14、表3- 15。

  

• 电流信号分4线制和2线制测量方式。无论是4线制还是2线制测量方式，与模块的连接线都是2根，区别在于模块是否供电。例如一个4线制仪表，仪表需要24V供电，然后输出4~20mA信号，那么需要电源线2根，信号线2根，模拟量输入模块只接收电流信号；如果是一个2线制仪表，需要模拟量输入模块提供的2根信号线向仪表供电。如果选择2线制仪表，输出只能是4~20mA信号，这是因为仪表有阻抗。电流信号的模数对应关系参考表3- 16、表3- 17。

• 电阻信号的模数对应关系参考表3- 18。

  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。带有符号位的16位分辨率输入信号正常范围为-27648～27648，而不是-32768～32767。）除此之外，测量类型为2线制电阻专门用于测量PTC，这里不再介绍。

•   热电阻测量可以连接Pt 100、Pt 200、Pt 500、Pt 1000、Ni 100、Ni 1000、LG-Ni 1000等类型传感器，测量范围可以分为标准范围和气候范围。如果在参数化测量范围中选择“标准”类型时，1个数值=0.1℃，例如测量值为200时表示实际的温度值为20℃；如果在参数化测量范围中选择“气候型”类型时，1个数值=0.01℃，例如测量值为200时表示实际的温度值为2℃。其它类型的热电阻传感器（如Ni x00等）用模拟值表示实际温度值的方法与上述热电阻传感器相同。热电阻信号的模数对应关系参考表3- 19、表3- 20、表3- 21、表3- 22.

• 模拟量输入信号也可以直接连接B、N、E、R、S、J、T、K等类型热电偶采集温度信号，模拟值表示方法与热电阻（例如PT x00）在“标准”测量范围时的模拟值表示方法相同，1个数值=0.1℃。例如测量值为200时表示实际的温度值为20℃。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。以K型热电偶为例的模数对应关系参考表3- 23，其它类型这里不再介绍。

  4) 模拟量输入连接不同的传感器

  一个S7-1500模拟量模块可连接多种类型的传感器，与S7-300/400相比，不需要量程卡进行模块内部的跳线，而是使用不同序号的端子连接不同类型的传感器，并且需要在TIA博途软件中进行配置。这样的好处是没有通道组的概念，相邻通道间连接传感器类型没有限制。例如第一个通道连接电压信号，第二个通道可以连接电流信号，而使用量程卡的S7-300/400模块则不行。目前三种模拟量输入模块连接不同类型传感器的端子序号固定。以模块AI 8xU/I/RTD/TC ST为例，连接不同类型传感器的端子接线如图3- 17所示。

图中所用缩写的含义如下：

Un+/Un-        ：电压输入通道 n（仅电压）

Mn+/Mn-        ：测量输入通道 n

In+/In-        ：电流输入通道 n（仅电流）

Ic n+/Ic n-    ：RTD 的电流输出，通道 n

UVn            ：2 线制变送器 (2WT) 通道 n 的电源电压

Comp+/Comp-    ：补偿输入

IComp+/IComp-  ：补偿电流输出

L+：电源电压连接

M              ：接地连接

MANA           ：模拟电路的参考电位

  图3- 17中的电源元件随模块包装盒提供。需要将电源元件插入前连接器底部，用于模拟量模块的供电。连接电源电压到端子 41 (L+) 和 44(M)，端子 42 (L+) 和 43 (M) 用于级联到下一个模块并提供电源。三种模拟量输入模块的接线端子固定，连接不同传感器的端子分配如下。

• 连接电压类型传感器

  使用通道4个端子中的第3、第4端子连接。

• 连接4线制电流信号

  仪表的电源与信号线分开，使用通道中第2、第4端子连接。

• 连接2线制电流信号

  仪表的电源与信号线共用，使用通道中第1、第2端子连接。

• 连接热电阻信号

  使用1、3、5、7通道的第3、第4端子向传感器提供恒流源信号IC+和IC-，在热电阻上产生电压信号，使用相应通道0、2、4、6通道的第3、第4端子作为测量端。测量2、3、4线制热电阻信号的原理相同，都需要占用两个通道，图中仅列出4线制接线方式。考虑到导线电阻对测量阻值的影响，使用4线制接线和3线接线，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。

• 连接热电偶

  使用通道中第3、第4端子连接。热电偶由一对传感器以及所需安装和连接部件组成。热电偶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份，可以分为几种热电偶，例如K型、J型和N型热电偶。不管其类型如何，所有热电偶的测量原理都相同。

  热电偶的工作原理

  如图3- 18所示，如果测量点的温度与热电偶的自由端（连接点）的温度不同，会在自

由端产生电压即热电动势。所产生的电压大小取决于测量点与自由端的温度差以及热

电偶所使用的材料成份。

  由于热电偶测量的总是温度差，所以必须将自由端的温度作为参考点，以便通过测量出的温度差确定测量点的温度。热电偶可以从连接点处通过补偿导线进行扩展，这样，可以将参考点安装在需要的位置，便于安装温度传感器。补偿导线与热电偶的导线是由同种材料制成，使用铜缆连接参考点和模块。

  有多种方式可以获得热电偶参考点的温度（用于温度补偿），以模块AI 8xU/I/RTD/TC ST为例，热电偶温度的补偿方式如表3- 24所示。

  固定参考点温度

  如图3- 19所示，可以将热电偶直接或通过补偿导线连接到模块，模块端子处的温度就是参考点的温度，图例中是25°C，那么设定的固定补偿温度为25°C。如果使用铜导线连接参考点到模块，这时需要知道参考点处的温度，图例中是25°C，同样可以设定固定的补偿温度为25°C。

  动态参考温度

   如果参考点的温度持续变化，使用固定参考点温度作为参考进行测量就不准确，这时可以使用任意一个热电阻通道测量参考点处的温度，例如模块端子处或参考点接线处的温度。在用户程序中调用WRREC (SFB 53)将参考点温度值写入模块中，提高测量的准确度。

  内部补偿

  测量元件位于模块内部，可以测量端子处的温度，这样将模块端子作为参考点，模块端子处的温度就是参考点的温度。温度内部补偿适用于将热电偶直接或通过补偿导线连接到模拟量输入模块的端子，如图3- 20所示。使用铜线连接参考点到模块端子则不能使用这样的方式，因为参考点处的温度与端子处的温度可能有大的偏差，影响测量的精度。

注意：通过内部温度补偿的方式并不能总是达到外部补偿的准确性。

  模块的参考通道（外部补偿）

  使用模块特定的温度测量端子37~40连接外部热电阻 (RTD) 确定参考点温度，如图3- 21所示。将热电偶直接或通过补偿导线连接到模拟量输入端子不能使用外部补偿方式，因为这时的参考点是模块端子处的温度。

  5) 传感器隔离与连接方法

   隔离变送器可以浮地，非隔离变送器则必须接地。以电压信号为例，模拟量输入模块连接隔离传感器参考图3- 22所示。

图中所用缩写的含义如下：

Un+/Un-        ：电压输入通道 n

L+             ：电源电压连接

M              ：接地连接

MANA：模拟电路的参考电位

UCM                          ：共模电压，测量输入/模拟地 MANA 参考点之间的电位差，

UISO                      ：绝缘电压，测量模拟地和PLC功能地参考点之间的电位差

  隔离变送器信号负端可以不连接模块的MANA，但如果环境中存在电磁干扰或者使用了长电缆，则会造成UCM  超过规定的限制值。例如输入模块AI 8xU/I/RTD/TC ST，通道输入U0+ -U0-是20V，而通道输入与MANA之间 UCM是10V，如果超出限制值后，模拟量值显示超上限。这时需要使用电缆将信号负端与MANA端进行等电位连接，以MANA作为测量的基准点。一些模块可以检测到无效的电位差 UCM，可以通过CPU的诊断缓冲区读出。

  如果由于电磁干扰或者使用了长电缆，MANA与PLC功能地之间的电位差UISO可能超出限制值，例如输入模块AI 8xU/I/RTD/TC ST，UISO为75 V DC/60 V AC，这时需要使用电缆将MANA端与地进行等电位连接，以地作为测量的基准点，如图3- 22所示。

  电压、4线制电流和热电偶信号可以将信号负端连接MANA 。2线制、电阻和热电阻信号不能连接MANA ，因为电源由模块提供，没有电位差的问题，这时需要将MANA 与模块的M端连接。

  非隔离变送器信号负端以本地端的地为测量电位。如果连接多个非隔离变送器，相互之间也必须进行等电位连接。如果信号负端也就是变送器侧的地与模块的MANA电压差超过限制，需要将MANA 与变送器侧的地进行等电位连接，从而保证测量的准确性。同样，如果MANA与PLC侧的功能地之间的电位差UISO超过限制值，也需要进行等电位连接，如图3- 23所示。