模拟量模块的循环时间定义模拟量模块的循环时间是指模块处理所有通道所需的时间。循环时间取决于所采用的测量值采集方式，如多路复用或并行采集测量值。顺序处理测量值此过程将连续（按顺序）处理模块中的模拟量通道。对于模拟量输入，使用诸如多路复用器等方式将值传送到转换器中，然后再按顺序进行转换。模拟量模块的循环时间从模块所有激活的模拟量通道的总转换时间中得出。STEP7 提供可禁用未使用的模拟量通道的选项，以此减少循环时间。下图简要介绍了确定 n 通道模拟量模块循环时间的几个因素。图 2-21采用多路转换的模拟量模块的循环时间并行采集测量值此过程可以同时（并行）处理模块的模拟量通道，而不是按顺序进行处理。在并行处理测量值中，模块的循环时间通常不变的，与所用的通道数无关。例如，高速模拟量模块通过并行采集测量值缩短周期时间。有关HS 模块的更多信息，请参见“高速模拟量模块 (页 113)”一节。应了解模拟技术的哪些方面2.18模拟量输出模块的稳定时间和响应时间模拟值处理52 功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC2.18模拟量输出模块的稳定时间和响应时间稳定和响应时间是指定模拟量输出变量的输出延时时间及其过程中的可用性。响应时间新输出值的响应时间定义为，从向模块内部存储器输入数字量输出值到达到将在模拟量输出中输出的值（残差为1%）之间的时间。响应时间 (tA) 是应用时间 (tX)、转换时间 (tW) 和稳定时间 (tE) 的总和：tA = tX + tW+ tE模拟量输出模块的稳定时间和响应时间tA 响应时间tX 应用时间tZ 模块循环时间tW 转换时间tE 稳定时间t1新数字量输出值位于模块的内部存储器中t2 模块将激活数字量输出值并开始转换t3模块将在模拟量输出通道的端子处结束转换并输出模拟量信号t4 信号已稳定并到达所指定的模拟量输出值（残差为 1 %）图 2-22输出通道的稳定时间和响应时间应了解模拟技术的哪些方面2.18 模拟量输出模块的稳定时间和响应时间模拟值处理功能手册, 06/2014,A5E03461444-AC 53应用时间CPU/IM（接口模块）会将新输出值写入到模拟量输出模块的内部存储器中。所需时间不由CPU/IM 决定。 并将这些输出值异步转换到缓冲区存储器的条目中。Zui坏的情况下，应用时间 (tX) 可能等于循环时间 (tZ)。如果CPU在传输进行转换的值后立即在模块内部的存储器写入一个新值，则将发生这种情况。在下次转换之前，都不会对该新值进行处理。下图显示了模拟量输出模块以非等时同步模式从内部存储器对输出值进行非周期性访问。有关等时同步模式的更多信息，请参见章节“高速模拟量模块(页113)”中的“等时同步模式”部分。tX 应用时间t1 新数字量输出值位于模块的内部存储器中t2 模块将激活数字量输出值并开始转换t3模块将在模拟量输出通道的端子处结束转换并输出模拟量信号图 2-23输出值的应用转换时间输出通道的转换时间从模块内部存储器中传输的数字值 (t2) 开始，到进行数模转换 (t3)时结束。稳定时间稳定时间从模拟量信号输出到模块 (t3) 端子时开始，在达到输出值 (t4) 时结束。考虑 1%的残差时，当输出信号稳定在Zui终值，便达到输出值。稳定时间取决于模块的输出类型，以及所连接的负载。模拟量输出的负载包括连接线路和连接的执行器。输出“电流”时，稳定时间将随着电阻欧姆的增大而增加。电感负载则会导致随后出现输出值波动。输出“电压”时，电感负载则会导致随后出现波动。应了解模拟技术的哪些方面2.19滤波模拟值处理54 功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC2.19 滤波使用滤波功能大多数模拟量输入模块允许在STEP7中组态测量信号的滤波。对模拟值的滤波可降低干扰信号的强度。在测量值变化缓慢时滤波功能非常重要，例如温度测量。滤波原理测量值通过过滤进行滤波处理。模块通过指定数量的已转换（数字化）模拟值来计算平均值。滤波不能与指定时间段的测量值积分一起使用。因此，无法通过对测量信号进行滤波以便过滤掉指定的干扰频率。但是，这种滤波可以返回更加“稳定”的数据值，因为它可以抑制覆盖测量信号的峰值。可以根据所使用的模块，组态4 种（无、弱、中、强）或更多等级的滤波。滤波等级可确定生成平均值时所需的模拟值数量。 滤波系数越大，滤波效果越好。图 2-24 在STEP 7 中选择滤波级别滤波方法在移动平均值中计算可组态的测量值数（如4、8、32）时需要使用滤波算法。每个新测量值都将计入，之后将忽略Zui旧的测量值。这种机制可以抑制覆盖测量信号的干扰峰值。有用信号跳转在一定时间后才在数据中变得比较明显（请参见下例）。各产品范围的模块使用不同的滤波算法。滤波可以为线性，也可以为指数。两者的差异对强滤波尤其明显，并会根据所用产品的不同产生较快或较慢的上升速率。有关具体模块所支持的定制滤波功能的信息，请参见模拟量输入模块手册。应了解模拟技术的哪些方面2.19滤波模拟值处理功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC 55示例 1：线性滤波下图显示了在阶跃响应之后每个滤波等级设置中经过滤波的模拟值达到大约 时所需的模块周期数 (k)。此规范适用于模拟量输入处的所有信号更改。① 无滤波 (k = 1)② 弱滤波 (k = 4)③ 中等滤波 (k = 16)④ 强滤波(k = 32)图 2-25 具有 4 个滤波等级的线性滤波应了解模拟技术的哪些方面2.19 滤波模拟值处理56 功能手册,06/2014, A5E03461444-AC示例 2： 指数滤波下图显示了不同数量的模块循环滤波系数的阶跃响应。① 无滤波 (k =1)② 弱滤波 (k = 4)③ 中等滤波 (k = 16)④ 强滤波 (k = 32)图 2-26 具有 4个滤波等级的指数滤波应了解模拟技术的哪些方面2.20 2 线制变送器的负载模拟值处理功能手册, 06/2014,A5E03461444-AC 572.20 2 线制变送器的负载2 线制变送器2 线制变送器是电流变送器，可以将过程变量转换为 4 和20 mA 之间的电流信号。两条连接线路为变送器提供至少为 4 mA 的输出电流。 有关将2线制变送器连接到模拟量输入模块的更多信息，请参见连接电流变送器一节 (页 72)。负载负载是指电流回路中较大的外部电阻。如果外部电阻大于指定的负载，那么 2线制变送器的供电电压将过低。电阻包括变送器电阻以及连接到电流回路的所有其它电阻。模拟量模块的技术数据中指定了变送器中所允许的Zui大负载，如820 Ω。示例 1： 将变送器连接到电路根据所用 2 线制变送器的技术数据，需要至少 8.5 V 的电源电压(Umin)。通过欧姆定律，可以计算出电流为 20 mA 时所用变送器 (R2DMU) 的电阻值。电源电压至少为 8.5 V时，变送器的电阻为 425 Ω。由于电阻值小于 820 Ω，因此可以将变送器连接到模拟量输入模块 (AI)，而不会超出Zui大负载。① 2线制变送器UV 通道中的馈电电压端子I+ 电流输入端子Umin 2 线制变送器的电压降低图 2-27将变送器连接到电路应了解模拟技术的哪些方面2.20 2 线制变送器的负载模拟值处理58 功能手册, 06/2014,A5E03461444-AC示例 2：连接变送器和其它设备如果将多台测量设备串联在一起，那么所有相连电阻的总和不能超出Zui大负载值。如果将 2 线制变送器连接 8.5 V的电源电压，则需连接测量设备的电阻②。变送器Zui大负载： 820 Ω电压降为 8.5 V 时的变送器电阻： 425Ω其它所连设备的Zui大电阻： 395 Ω因此，测量仪器的电阻不会超过 395 Ω。① 2 线制变送器② 数字万用表③ 齐纳二极管UV通道中的馈电电压端子I+ 电流输入端子Umin 2 线制变送器的电压降低RMess 测量仪器的电阻UMess 测量仪器处的电压降低图2-28 将变送器和其它设备连接到电路计算所允许的电压降低Zui大电流为 20 mA 时，电流回路中的Zui大额外电阻不能超过 395Ω。根据欧姆定律计算所连测量仪器 (UMess) 电压降低的公式如下所示：UMess = RMess * I = 395 Ω *0.020 A = 7.9 V由此可以看出，测量仪器的电压降低不应超过 7.9 V。模拟值处理功能手册, 06/2014,A5E03461444-AC 59模拟值表示 33.1 概述模拟值转换CPU仅处理数字化后的模拟值。模拟量输入模块将模拟量信号转换为数字值，并由 CPU 进一步处理。模拟量输出模块将 CPU的数字量输出值转换为模拟量信号。16 位精度的模拟值表示所有 I/O值的数字化模拟值在同一额定范围内都相同。模拟值可表示为二进制补码形式的定点数， 这将导致下列状态：低于 16 位的精度在精度低于 16位的模拟量模块存储器中，模拟值采用左对齐方式。未用的Zui低有效位数以“0”填充，从而减少了可表示的测量值数。 无论精度如何，模块都将占用+32767 和 -32768范围内的一系列值。两个连续值之间的缩放值取决于模块的精度。以下示例中显示如何使用“0”值填充Zui低有效位。● 精度为 16 位的模块支持以 1个单位为步长递增值 (20 = 1)。● 精度为 13 位的模块支持以 8 个单位为步长递增值 (23 =8)。输入范围表示下表列出了按双极性和单极性进行数字化表示的输入范围。 精度为 16位。有关分配各测量范围中指定测量值的信息，请参见各模拟量输入模块的设备手册。输出范围表示下表列出了按双极性和单极性进行数字化表示的输出范围。精度为 16位。有关分配各测量范围中指定输出值的信息，请参见各模拟量输出模块的设备手册。本章介绍了变送器与模拟量输入连接的基本过程。有关特定的接线方式信息，请参见各模块手册。有关电缆布线和屏蔽或电位均衡等更多信息，请参见功能手册“组态防干扰型控制器可连接到模拟量输入的变送器可将下列变送器连接到模拟量输入模块，具体取决于测量类型：●电压变送器● 电流变送器– 2 线制变送器– 4 线制变送器● 电阻变送器– 4 线制连接– 3 线制连接– 2 线制连接●热电偶隔离变送器和非隔离变送器变送器具有多种型号：● 隔离变送器未连接到本地接地电位。 可以进行浮点计算。●非隔离变送器可以在本地连接到接地电位。非隔离变送器将连接到导电外壳上。注意：所有非隔离变送器相互之间必须进行带电连接，而且在本地连接到接地电位。连接变送器4.1 概述模拟值处理66 功能手册, 06/2014,A5E03461444-AC本图中所用的缩写下图中所有缩写的说明：AI 模拟量输入模块M 接地连接L+ 电源电压连接Mn+/Mn-测量输入，通道 nICn+/ICn- 至热敏电阻 (RTD) 通道 n 的电流输出Un+/Un- 电压输入通道 nIn+/In-电流输入通道 nCOMP+/COMP- 补偿输入IComp+/IComp- 补偿电流输出UV 通道上的馈入电压（连接可用于 2线制变送器 (2DMU) 或与 2/4线制变送器的 ET 200eco PN 和 ET 200pro 一起使用）。UCM测量输入/模拟地 MANA 参考点之间的电位差。UISO 测量输入和中央地参考点之间的电位差MANA模拟地的参考点模拟量信号线路通常使用屏蔽双绞线电缆连接模拟量信号。 这样，可以提高抗扰性。连接变送器4.2 通过 MANA连接来连接模拟量输入模拟值处理功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC 674.2 通过 MANA连接来连接模拟量输入测量输入和中央地的参考电位通过 MANA 连接在模拟量输入模块中是电气隔离的。受限电位差UISO（绝缘电压）需始终确保未超出模拟地 MANA 和中央地参考点之间所允许的电位差 UISO。以下原因可能会导致电位差 UISO： 超出Zui大线路长度。如果要确保不超过允许的值 UISO，请在终端 MANA和中央接地点之间使用等电位连接电缆。连接变送器4.2 通过MANA 连接来连接模拟量输入模拟值处理68 功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC受限电位差 UCM（共模）需始终确保未超测量输入和模拟地 MANA 之间所允许的电位差 UCM。以下原因可能会导致电位差 UCM ：● 环境中存在EMC 干扰● 使用了接地的变送器● 使用了长电缆如果超出所允许的电位差UCM，则可能会发生测量错误/故障。一些模块可以检测到无效的电位差 UCM 并通过 CPU的诊断缓冲区条目报告此错误。如果要确保未超出Zui大值 UCM，则需通过一个等电位连接电缆将测量输入与模拟地 MANA的参考点进行互连。①等电位连接电缆② 接地总线电缆③ 中央地图 4-1 示例： 具有 MANA 连接的模拟量输入模块的参考电位连接变送器4.3 不通过MANA 连接来连接模拟量输入模拟值处理功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC 694.3 不通过 MANA连接来连接模拟量输入在没有 MANA连接的模拟输入模块中，测量输入和中央地的参考电位相互之间是电气隔离的。受限电位差UISO（绝缘电压）应始终确保未超出测量输入和中央地参考点间的Zui大电位差 UISO。以下原因可能会导致电位差 UISO ：超出Zui大线路长度。如果要确保不超过允许的值UISO，请在测量输入的参考点和中央接地点之间使用等电位连接电缆。连接变送器4.3 不通过MANA 连接来连接模拟量输入模拟值处理70 功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC受限电位差 UCM（共模）应始终确保未超出测量输入参考点之间所允许的电位差 UCM。以下原因可能会导致电位差 UCM ：● 环境中存在 EMC 干扰●使用了接地的变送器● 使用了长电缆如果超出所允许的电位差 UCM，则可能会发生测量错误/故障。一些模块可以检测到无效的电位差 UCM并通过 CPU 的诊断缓冲区条目报告此错误。如果要确保不超过允许的值 UCM ，请在测量输入的参考点之间使用等电位连接电缆，或者对于ET 200eco PN 和 ET 200pro，在测量输入的参考点和接地点之间使用等电位连接电缆。① 等电位连接电缆（不适用于 2线制变送器和电阻型变送器）② 接地总线电缆③ 中央地图 4-2 示例： 不具有 MANA连接的模拟量输入模块的参考电位连接变送器4.4 连接电压变送器模拟值处理功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC714.4 连接电压变送器下图显示了如何连接电压变送器。 如果要确保不超过允许的值 UCM，请在测量输入的参考点和模拟地 MANA之间使用等电位连接电缆，或者对于ET 200eco PN 和 ET 200pro，在测量输入的参考点和接地点之间使用等电位连接电缆。①等电位连接电缆（仅适用于具有 MANA 连接的模块）图 4-3 示例： 将电压变送器接线到模拟量输入模块连接变送器4.5连接电流变送器模拟值处理72 功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC4.5 连接电流变送器电流变送器可作为 2线制变送器和 4 线制变送器。以下列出了电流变送器提供电压的各种方式。对 2 线制变送器进行连接，并将它们与模块的电源相连接2线变送器可将过程变量转换为电流。 2 线变送器连接到模拟量输入模块的端子，与抗短路电源电压接通。因此，这种变送器通常称为“无源变送器”。这种便捷的接线方式意味着 2线制变送器非常合适用于工业环境中。如果要采用这种连接方式，则需要在 STEP 7 中设置测量类型“电流（2 线制变送器）”。说明必须对2 线变送器进行电气隔离。① 2 线制变送器 (2WT)② 等电位连接电缆（仅适用于具有 MANA 连接的模块）图 4-4 示例： 将2 线制变送器接线到模拟量输入模块将 2 线制变送器接线到 4 线制变送器的模拟量输入下图显示了另一种连接方式： 使用模块的电源线L+ 为 2 线制变送器供电。如果要采用这种连接方式，则需要在 STEP 7 中设置测量类型“电流（4线制变送器）”。在这种连接方式中，将移除电源电压 L+ 和模拟电路之间的电气隔离。① 2 线制变送器 (2WT)②等电位连接电缆（仅适用于具有 MANA 连接的模块）图 4-5 示例： 将 2 线制变送器接线到 4 线制变送器的模拟量输入对 4线变送器进行接线和连接4 线制变送器提供了连接独立电源电压的端子。 这些变送器均由外部电源进行供电。因此，通常称为“有源变送器”。如果要采用这种连接方式，则需要在 STEP 7中设置测量类型“电流（4 线制变送器）”。 ① 4 线制变送器 (4WT)②等电位连接电缆（仅适用于具有 MANA 连接的模块）连接热敏电阻和电阻模块在端子 IC+ 和 IC-处的电流恒定，可进行电阻测量。恒定电流流入待测电阻，在此作为压降进行测量。 必须将恒定电流电缆直接与热敏电阻/电阻连接。使用采用 4线制或 3 线制连接补偿的测量方式来测量线路电阻，从而实现比使用2线制连接的测量方式更高的准确度。使用两线连接的测量方式进行测量时，结果通常为线路电阻和实际电阻；因此，必须要降低测量结果的准确度。下图举例说了如何进行连接。热敏电阻的4 线制连接使用高抗阻测量方式在 M0+ 和 M0- 端子上测量热敏电阻上的电压。确保接线时极性的正确性（IC0+ 和M0+，以及热敏电阻上的 IC0- 和 M0-）。请始终将 IC0+ 和 M0+ 线路以及 IC0- 和 M0-线路直接连接到热敏电阻。热敏电阻的 3 线制连接由于模块不同（带有 4 个端子的模块将采用 3 线制连接（每个通道）），可能需要在M0- 和 IC0-之间（请参见下图）或在 M0+ and IC0+ 之间插入一个电桥。请始终将 IC0+ 和 M0+线路直接连接到端子电阻。 使用导线横截面积相同的电缆。对于 ET 200AL、ET 200eco PN 和ET200pro，不需要电桥，因为所有必需连接都是在内部实现的。热敏电阻的 2 线制连接在带有 4 个端子的模块上安装 2线制设备（按通道）时，需要在模块的 M0+ 和 IC0+ 之间和在 M0- 和 IC0-之间插入一个电桥，如下图所示。此时，只进行线路电阻测量，但不会进行补偿。由于物理限制，所以此测量类型的准确性低于使用 3 线制或 4线制连接的测量方式。但这种测量类型的接线十分便捷，只需将电桥插入到插头中即可，节省了大量时间。对于 ET 200AL、ET200eco PN 和ET 200pro，不需要电桥，因为所有必需连接都是在内部实现的。连接热电偶简介热电偶通常在交付时立即可用。保护壳可以防止热电偶被外流破坏。补偿线路相应热电偶的补偿线路由特殊颜色代码标识，这是因为只能使用由与热电偶匹配的材料组成的补偿线路。标准化的补偿线路根据 DIN EN 60584标准指定。需遵守制造商规范中的Zui大温度要求。热电偶连接方式可以采用多种方法将热电偶连接到模拟量输入模块：● 直接连接①。●使用补偿线路②。● 将补偿线路连接到基准结上，然后再将基准结连接电源线路（铜线）上③。① 无补偿线路的热电偶② 有补偿线路的热电偶③连接补偿线路和电源线的热电偶④ 补偿线路（材料与热电偶的相同）⑤ 外部基准结⑥ 例如，铜制电源电缆图 4-10 示例：将热电偶接线到模拟量输入模块上连接变送器4.7 连接热电偶模拟值处理功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC77更多信息有关热电偶的选择及其工作原理等更多信息，请参见热电偶 (页 78)一节。选择热电偶简介热电偶是用于准确测量温度的电气设备。它们由连接到一处的两种不同的金属组成。该点的温度发生变化时会产生电压差，从而可以计算出温度值。热电偶可以测量较大范围内的温度，是一种非常坚固耐用的设备。因此非常适合用于工业应用。选择合适的热电偶时，应考虑以下条件：● 温度范围● 气候环境●价格接地的热电偶在接地的热电偶中，传感器外壳内部连接有一根热电偶导线。这样，就可以在传感器外壳和热电偶测量端之间形成良好的热传导。未接地的热电偶在未接地的热电偶中，热电偶不会连接到传感器外壳。温度变化的响应时间也要比接地的热电偶长。测量点具有电气隔离。类型和温度范围不同类型的热电偶由不同成分的材料构成。说明由于实际环境的影响，热电偶超出指定温度范围后会变得非常不准确。因此，只能在制造商指定的温度范围内使用热电偶。热电偶5.1选择热电偶模拟值处理功能手册, 06/2014, A5E03461444-AC79下表列出了不同热电偶的类型、材料成分以及温度测量范围：热电偶结构和工作原理热电偶结构热电偶包含一对热敏元件及相应的安装和连接元件。两根以不同金属/金属合金制成的导线的末端（热端）焊接在一起。焊接点将作为测量点，而热电偶的空闲端则作为基准结。空闲端与评估设备（例如，模拟量输入模块）通过绝缘导线或电缆进行互连。不同材料成分产生了不同热电偶类型（例如K/J/N）；所有热电偶应用相同的测量原理，而与其类型无关。① 热电压采集点② 例如，铜制电源电缆③ 基准结④补偿线路（材料与热电偶的相同）⑤ 连接点⑥ 具有正负热敏元件的热电偶⑦ 测量点图 5-1热电偶热电偶的工作原理测量点和热敏元件对空闲端（连接点）间的温度差会在基准结处产生热电压。该热电压的值取决于测量点和空闲端之间的温度差以及热敏元件对的材料成分。热电偶始通常会采集一个温差值。这意味着，必须获取空闲端的温度（基准结）才能确定测量点温度。热电偶可以从连接点处通过补偿线路进行扩展。这样，可以在指定点设置基准结，从而可以在此处保持温度一致或便于安装温度传感器。补偿线路与热电偶的导线是由同种材料制成。使用铜缆连接基准结和模块。说明需始终查看极性，这是因为不正确的连接将导致不可接受的测量误差。