plc如何测量

在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）的测量功能是其实现精准控制的核心基础。本文将系统阐述PLC进行测量的完整技术体系，涵盖从模拟量与数字量信号的采集原理、各类传感器与变送器的选型与接入，到内部编程处理与数据通信的全过程。文章深入探讨了测量精度的影响因素、抗干扰策略以及高级测量应用，旨在为工程师提供一套从理论到实践的详尽指南。

       在现代化的工厂车间或复杂的控制系统中，我们常常需要知道一个水箱的液位、一条管道的压力、一台电机的转速，或者一个房间的温度。这些物理量的获取，是自动化系统做出判断和执行的“眼睛”与“耳朵”。而承担这一“感知”任务的关键设备，正是可编程逻辑控制器（PLC）。许多人将PLC单纯地理解为逻辑控制器，殊不知，其强大的测量能力构成了所有高级控制策略的基石。那么，PLC究竟是如何完成这些测量任务的？其背后的技术脉络与实现细节又是怎样的？本文将深入剖析PLC测量的完整链条，为您揭开从物理世界到数字世界的转换之谜。

       测量信号的类型：模拟量与数字量

       PLC所处理的测量信号，从根本上分为两大类：模拟量信号与数字量信号。理解这两者的区别，是入门PLC测量的第一步。模拟量信号是指在时间上和数值上都连续变化的信号。例如，温度从20摄氏度缓慢上升到25摄氏度的过程，压力在0到1兆帕之间平滑变动，这些物理量经传感器转换后，通常表现为一个连续变化的电压或电流信号，如0到10伏直流电压，或4到20毫安电流。这种信号的优点在于能够精确反映被测量的细微变化。相反，数字量信号，也称开关量信号，其状态是离散的，通常只有“开”和“关”、“高”和“低”两种明确状态，例如一个按钮是否被按下，一个限位开关是否被触发，它直接对应着PLC输入点上的“1”或“0”。PLC对数字量的测量本质上是状态检测，而对模拟量的测量则是幅值采集，后者在技术上更为复杂。

       模拟量输入模块：从物理量到数字值的桥梁

       当PLC需要测量温度、压力等连续量时，就必须依赖模拟量输入模块。这个模块是整个测量链路的硬件核心。它的工作流程可以概括为三步：信号接收、模数转换、数据传递。首先，现场传感器或变送器将物理量转换成标准的模拟电信号（如4到20毫安），并通过导线传送至模块的输入端。模块内部的前端电路会对信号进行初步处理，如滤波去除高频噪声。随后，核心器件模数转换器（ADC）登场，它以固定的采样频率将连续的模拟信号“切片”，并量化为一个离散的数字值。这个数字值的范围（例如0到27648）对应着模拟信号的量程范围（例如4到20毫安）。最后，这个数字值被存入模块的缓冲存储器，等待PLC的中央处理器（CPU）在扫描周期中读取。

       关键传感器与变送器的角色

       PLC本身并不直接“感受”世界，它依赖于各类传感器和变送器作为其感知器官。传感器负责感知物理量并将其转换为可测量的信号，但信号可能较弱或不标准。变送器则在此基础上，将传感器信号放大、调理，并转换成远距离传输也无明显衰减的标准工业信号。例如，铂热电阻感知温度变化引起自身电阻改变，温度变送器则将此电阻变化转换为稳定的4到20毫安电流信号输出。在压力测量中，压阻式传感器将压力转换为毫伏级电压，压力变送器则将其转换为标准信号。正确选择传感器和变送器，是保证测量源头准确的关键。

       数字量输入的测量本质：状态捕获与滤波

       相比于模拟量测量的复杂，数字量（或称开关量）测量看似简单，但其中也有诸多技术细节。PLC通过数字量输入模块连接按钮、行程开关、接近开关等设备。其测量目的就是准确无误地捕获这些触点的“通”（1）或“断”（0）状态。然而，现场电磁干扰或机械触点的抖动（在闭合瞬间产生一系列快速通断）会导致错误信号。因此，高质量的数字量输入模块内部都设计有硬件去抖动电路和光耦隔离电路。去抖动电路通过一个短暂的延迟时间来忽略掉抖动产生的不稳定脉冲，确保PLC读到的是一个干净、稳定的状态信号。光耦隔离则用光信号传递电信号，切断了外部电路与PLC内部电路的直接电气连接，极大提升了抗干扰能力和系统安全性。

       测量精度与分辨率的核心概念

       在评估PLC测量能力时，精度和分辨率是两个必须厘清的核心指标。分辨率是指模数转换器能够分辨的最小信号变化量，通常用位数表示，例如16位。一个16位的模数转换器，其数字量输出有65536（2的16次方）个可能的值，分辨率越高，对微小变化的感知越灵敏。而精度则是指测量结果与真实值之间的接近程度，它反映了测量的正确性。精度受多种因素影响，包括模数转换器本身的线性度、参考电压的稳定性、前端调理电路的温漂等。一个高分辨率的系统不一定高精度，但一个高精度的系统通常需要足够的分辨率作为支撑。在选择模拟量模块时，必须综合考量其精度等级和分辨率是否满足工艺要求。

       采样周期与程序扫描周期的协调

       PLC的测量并非实时连续进行，而是受到两个重要周期的影响：模拟量输入模块的采样周期和PLC中央处理器的程序扫描周期。采样周期是模块自身进行模数转换的频率，例如每秒100次。程序扫描周期是CPU从头至尾执行一遍用户程序所需的时间。模块在独立进行采样和转换，并将结果存入缓冲区；CPU则在每个扫描周期的特定阶段（通常是输入采样阶段）一次性读取所有输入模块缓冲区中的最新数据。如果被测量变化很快，而采样周期或扫描周期过长，就可能丢失重要的过程变化信息。因此，对于快速变化量（如流量），需要选择高速模块并优化程序结构，有时甚至需要使用中断功能来及时响应。

       测量数据的线性化与工程值转换

       PLC从模拟量模块读取到的，通常是一个与信号大小成比例的数字量原始值（RAW Value）。例如，4到20毫安对应0到27648。这个原始值对于操作人员而言没有直接意义。因此，必须在PLC程序中进行“标度变换”，将其转换为具有工程单位的实际值，例如0到100摄氏度，0到1.6兆帕。这个过程通常通过线性变换公式完成。更复杂的情况是，某些传感器的输出与被测量呈非线性关系，例如热电阻的温度-电阻关系。这时就需要在程序中使用查表法或公式计算法进行非线性校正，这一过程称为线性化。精确的标度变换和线性化是测量结果能否直观、准确应用于显示和控制的前提。

       软件滤波算法：提升信号质量的有效手段

       即使硬件电路已经进行了滤波，测量信号中仍可能掺杂随机干扰，导致读取值波动跳动。为了获得稳定可靠的测量值，在PLC程序中实施软件滤波是常见且有效的手段。最简单的是一阶滞后滤波（或称惯性滤波），它通过算法使输出值缓慢跟随输入变化，从而平滑掉快速抖动。平均滤波法则连续采集多个样本并计算其算术平均值，能有效抑制周期性干扰。中值滤波法则是取连续多个样本的中位数，对于脉冲性干扰有很好的滤除效果。工程师需要根据信号特性和工艺要求，在程序的测量值处理环节中灵活选用或组合这些滤波算法，在响应速度和稳定性之间取得最佳平衡。

       抗干扰与接地：保障测量稳定的工程实践

       工业现场环境恶劣，充斥着动力电缆的电磁辐射、大型设备的启停冲击等干扰。这些干扰轻则导致测量值跳动，重则损坏模块。因此，系统的抗干扰设计与实施是测量稳定性的生命线。关键措施包括：为模拟量信号使用屏蔽双绞线，并将屏蔽层在控制柜侧单点接地，以抵消共模干扰。信号电缆应与动力电缆分开敷设，最好垂直交叉。为传感器和变送器提供独立、干净的稳压电源，避免电源耦合干扰。在PLC系统侧，建立良好、统一的参考地电位，采用高性能的隔离式模拟量模块。这些工程细节往往比程序算法更能决定测量的成败。

       高速计数与脉冲测量

       除了模拟量和普通数字量，PLC还经常需要测量频率或累计脉冲数，例如通过旋转编码器测量电机转速或位置。这类信号变化极快，普通输入模块无法胜任。这时就需要用到高速计数器功能。高速计数器是PLC内部的一种专用硬件资源，它能够独立于主程序扫描周期，以极高的速度（可达数百千赫兹）对来自特定输入点的脉冲序列进行计数、测量频率或脉宽。PLC程序通过专用指令配置和读取高速计数器的当前值。基于此，可以精确计算出转速、流量（通过流量计的脉冲输出）或长度（通过编码器脉冲）。这是PLC实现精确运动控制和流量累计的基础。

       温度测量的特殊性与处理

       温度是工业中最常见的测量参数之一，其测量有其特殊性。常用的温度传感器如热电偶和热电阻，其输出信号（微伏级热电势或电阻变化）非常微弱，且热电偶输出为非线性的毫伏信号，易受干扰。因此，PLC系统通常使用专用的温度测量模块。这些模块内置了高精度放大电路、冷端补偿电路（针对热电偶）以及非线性线性化算法，能够直接处理传感器信号，并以数字量的形式输出温度值，省去了外部变送器。在编程时，只需调用相应的功能块读取已转换好的温度工程值，大大简化了系统构成和编程复杂度。

       测量数据的存储与趋势记录

       测量得来的数据不仅用于实时控制，其历史记录对于故障诊断、工艺优化和质量追溯也至关重要。现代中高端PLC都具备强大的数据存储和归档功能。通过编程，可以将关键的测量值（如峰值、谷值、平均值）定期记录到PLC的保持性存储器或外插的存储卡中。更高级的系统支持“趋势记录”功能，能以固定的时间间隔（如1秒）连续记录一个或多个变量的变化曲线。这些历史数据可以通过人机界面（HMI）以趋势图的形式回放，也可以上传至上位机数据库进行深度分析。这实现了从瞬时测量到长期过程监控的跨越。

       通过通信总线集成分布式测量

       在大型分布式控制系统中，测量点可能遍布工厂各处。若全部采用电缆直连至中央控制柜的PLC模块，布线将极其复杂且成本高昂。此时，现场总线或工业以太网技术提供了完美解决方案。支持总线协议的远程输入输出站或智能测量仪表可以安装在设备附近，它们通过一根总线电缆与主PLC相连。这些远程站独立完成本地信号的采集和模数转换，然后将数字化的测量结果通过通信网络周期性地发送给主PLC。这种方式大大减少了布线工作量，提高了系统灵活性，并使得测量系统的扩展和维护变得更加便捷。常见的总线包括过程现场总线（PROFIBUS）、过程现场总线分布式外设（PROFINET IO）等。

       测量系统的诊断与维护

       一个可靠的测量系统必须具备自我诊断和便于维护的能力。现代PLC的智能模块通常提供丰富的诊断信息，例如模块是否就绪、通道是否断线、信号是否超量程、电源是否正常等。这些诊断位可以在PLC程序中直接读取，并触发报警，提示维护人员及时处理。此外，在系统设计时就需要考虑维护便利性，例如在信号回路中设置测试端子，便于接入标准仪器进行信号源校验；使用可拆卸的接线端子，方便传感器更换；在程序中预留模拟量强制和仿真功能，允许在设备停机时模拟信号输入以测试逻辑。定期的系统校准也是维持长期测量精度的必要环节。

       安全测量与功能安全考量

       在对安全有严格要求的场合，如紧急停车系统、燃烧控制器等，普通的测量通道可能无法满足安全完整性等级的要求。这时需要采用安全相关的测量方案。安全型PLC配合安全型模拟量输入模块，通过内部多重冗余设计（如双通道采集、交叉比较）、连续自检测、安全通信协议等手段，确保即使发生单个故障，系统也能检测到并进入安全状态，或者保证测量功能的持续正确执行。这类系统的设计、选型和编程需遵循严格的功能安全标准，如国际电工委员会的功能安全标准（IEC 61508）。

       从测量到控制：闭环的形成

       测量的最终目的是为了控制。当PLC完成对一个过程变量（如温度）的精确测量后，这个测量值就成为了闭环控制的反馈输入。PLC程序中的控制算法（如比例积分微分控制，即PID控制）会持续比较测量值（实际值）与预设值（设定值）之间的偏差，并根据算法运算结果，输出控制信号（如调节阀门开度）去纠正偏差，从而使过程变量稳定在设定值附近。至此，测量、比较、计算、执行构成了一个完整的闭环，测量作为这个闭环的感知环节，其准确性、稳定性和实时性直接决定了整个控制系统的最终性能。没有精准的测量，一切高级控制策略都无从谈起。

       综上所述，PLC的测量是一个融合了硬件技术、软件算法和工程实践的系统性工程。它始于对物理世界的感知，经由精密的信号转换与处理，最终化为可靠的数据，服务于控制、监控与决策。掌握其原理与细节，意味着掌握了自动化系统洞察环境的钥匙。随着工业互联网与智能传感技术的发展，PLC的测量功能正朝着更高精度、更高集成度、更智能化的方向不断演进，持续为智能制造提供坚实的数据基石。