数字量输入及输出模块概述
之前介绍的数字量输入模块的通道全部是输入型,而数字量输出模块的通道全是输出型。如果工程项目还需要少量的输入及少量的输出通道,就需要分别购买数字量输入及数字量输出模块才能满足要求。有没有一种模块,其本身既集成了数字量输入通道,又集成了数字量输出通道呢?
S7-200 SMART的设计人员考虑到了这种需求,提供了四种同时集成数字量输入及输出的模块,分别是:EM DT16、EM DR16、EM DT32和 EM DR32。
2.5.2 数字量输入及输出模块——EM DT16
EM DT16是具有8通道的数字量输入及8通道的晶体管输出型数字量模块,模块的外形尺寸为45mm×100mm×81mm(宽度×高度×厚度)。每个EM DT16模块消耗背板5V电流145mA,每个输入通道消耗24V传感器电流4mA。
EM DT16上下各有两个接线端子排,上面两个编号为X10和X11,为数字量输入接线端子;下面两个编号为X12和X13,为数字量输出接线端子。
EM DT16的数字量输入通道既支持源型接线方式,也支持漏型接线方式,而数字量输出通道仅支持漏型接线方式。EM DT16的接线图见附录中附图4-1。
2.5.3 数字量输入及输出模块——EM DR16
EM DR16模块具有8个数字量输入通道和8个继电器型数字量输出通道,其外形尺寸为45mm×100mm×81mm(宽度×高度×厚度)。每个模块消耗背板5V电流145mA;模块的每个数字量输入通道消耗24V传感器电流4mA,每个继电器线圈消耗24V传感器电流11mA。
EM DR16上下各有两个接线端子排,上面两个编号为X10和X11,为数字量输入接线端子;下面两个编号为X12和X13,为数字量输出接线端子。
EM DR16的数字量输入通道既支持源型接线方式,也支持漏型接线方式;而数字量输出通道为继电器的常开触点,在负载情况下,支持10万次的开合。EM DR16的接线图见附录中附图4-2。
2.5.4 数字量输入及输出模块——EM DT32
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工业现场有很多模拟量信号需要采集和控制。所谓“模拟量”,是指其信号值随着时间的变化而连续变化的物理量,比如温度、压力、转速等。模拟量与数字量的区别在于:数字量是离散的,只有0和1两种取值;模拟量的值是连续变化的曲线,在*大值和*小值之间连续变化。
模拟量信号采集基本是这样一个过程:现场的模拟量传感器将采集的信号通过信号线传送到PLC的模拟量输入模拟量中,CPU通过读取模拟量输入模块的值来获取实际的物理量。常见的模拟量传输信号有:4~20mA、±10V等。
假如当前信号线上的电流等于5mA,那么它表达了一个什么样的含义呢?这“5mA”的信号是怎样被转换成温度或压力的值的呢?我们知道现代的微电子计算机都是基于冯·诺依曼的二进制理论,它只能处理0和1组成的数字量的信号,CPU是无法理解“5mA”表示的含义的。模拟量的信号在被CPU处理之前,都要先转换成数字量,这就常说的模数转换。
经过模数转换后,外部的模拟量信号被转换成数字信号存储在模拟量模块中,CPU根据模拟量模块的地址,读取相应的值,就可以进行运算处理了。
EM AE04是具有4路模拟量输入通道的模块,其外形尺寸为45mm×100mm×81mm
(宽度×高度×厚度)。该模块无负载功率1.5W,消耗背板5V电流80mA。EM AE04模拟量模块支持的输入电压信号包括±10V、±5V、±2.5V、±1.25V四种,支持的输入电流信号包括0~20mA和4~20mA两种。
CPU并不能直接处理模拟量的信号,而是需要将其转换成相应的数值。对于电压信号而言,EM AE04的转换精度为12bit+1bit符号位;对于电流信号而言,EM AE04的转换精度为12bit。对于双极性信号(比如±10V),其正常转换量程范围为“-27648~+27648”;对于单极性信号(比如4~20mA),其正常转换量程范围为 “0~27648”。
EM AE04的上部和下部各有一个接线端子排,上面的编号为X10,下面的编号为X11。X10的1号端子为24V电源正极;2号端子为24V电源负极;3号端子为功能性接地;剩下的端子为模拟量通道0(AI0)和模拟量通道1(AI1)的输入通道。
模数转换也称为A/D转换,由专门的模数转换器完成。总体来说,模数转换器包括两个部分,即模拟部分和数字部分,模拟部分主要包括采样器和调节器,采样后的信号经过调制器,然后输出一位一位的数据位流;数字部分是一个数字滤波器,它对模拟部分输出的数字流进行除噪处理,滤除大部分的量化噪声,*终得到转换后的数字量结果。
听起来有点抽象,对于模数转换,我们不探究太多的细节,先弄清楚几个与模拟量模块型号选择有关的概念。
① 分辨率:是指将满量程的信号分成N等份,每一份所表示的大小。N越大,分辨率就越高,转换后的数字量就越接近实际模拟量。比如S7-1200的模拟量输入模块SM 1231 AI 4×13bit,名称中的“13bit”表示“12bit”的分辨率+“1bit”的符号位。“12bit”的分辨率表示把满量程信号分成2的12次方(4096)等份;比如满量程信号为温度100℃,那么每一份等于100℃/4096=0.0244℃,表示该模拟量模块能检测到的*小温度变化是0.0244℃。如果我们选择“8bit”的模块,它表示把满量程信号分成2的8次方(256)等份;仍以满量程信号为温度100℃为例,则每一份等于100℃/256=0.39℃,所以“8bit”的模块能检测到的*小温度变化为0.39℃,显然它的分辨率比12bit的要小很多,对测量信号的变化的敏感度要低。
② 精度:是指测量值和实际值的偏差。模拟量转换的精度除了取决于A/D转换的分辨率,还受到转换芯片的外围电路的影响。在现场的实际应用中,输入的模拟量信号会有波动、噪声和干扰,内部模拟电路也会产生噪声、漂移,这些都会对转换的*后精度造成影响,这些因素造成的误差要大于A/D芯片的转换误差。因此,高精度必须要具有高分辨率,但高分辨率并不表示高精度。
③ 转换速率:是能够重复进行数据转换的速度,即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间(包括稳定时间),则是转换速率的倒数。