PLC基础课 第4讲｜模拟量：4–20mA/0–10V 是怎么变成“显示 0–100.0℃”的？

【明扬工控商城 · 基础课程系列】 本讲将重点讲解如何通过PLC接收模拟量信号（如4–20mA或0–10V），经过适当的计算与标定，最终将其转换为一个标准的显示值（如“0–100℃”）并驱动显示屏。你将学会如何通过PLC进行模拟信号处理与转换，解决实际工程中的信号标定与单位转换问题。

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一、模拟量信号简介

模拟量信号（Analog Signal）是指变化连续的信号，它与物理量（如温度、压力、流量等）成比例关系。最常见的模拟量信号包括：

• 4–20mA：电流信号，常用于远距离传输。
• 0–10V：电压信号，适合短距离控制与测量。

在PLC应用中，模拟量信号一般用来采集现场传感器（如温度传感器、压力传感器）的信息，再通过PLC进行处理，控制执行器或驱动显示设备。

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二、模拟量信号与物理量的关系

1. 4–20mA 信号转换为温度（如 0–100℃）

假设我们使用的温度传感器输出的信号是 4–20mA，且温度范围为 0℃ 到 100℃。如何将 4mA 对应 0℃，20mA 对应 100℃，并通过PLC显示出来呢？

步骤 1：计算比例系数

4mA 到 20mA 对应的温度范围是 0℃ 到 100℃，所以我们可以通过以下公式来计算每一毫安所代表的温度增量：

每 mA 对应的温度增量 = (温度范围上限 - 温度范围下限) / (信号最大值 - 信号最小值)
    = (100 - 0) / (20 - 4)
    = 100 / 16
    = 6.25℃/mA

因此，每增加 1mA，温度就增加 6.25℃。

步骤 2：编写PLC程序进行线性转换

PLC 程序中，我们通过以下公式将 4–20mA 的信号转换为温度值：

温度 = (模拟量输入值 - 4) * 6.25℃

这表示如果模拟输入值为 4mA，则温度为 0℃；如果输入为 20mA，则温度为 100℃。

步骤 3：编程示例

// 假设模拟量输入信号为 4–20mA，PLC 采集到的输入值是 ai1（0–4095 对应 4–20mA）
模拟量输入值 = ai1 * (20 - 4) / 4095 + 4  // 转换到 4-20mA 范围
温度 = (模拟量输入值 - 4) * 6.25  // 线性转换为温度值
显示温度(温度)  // 驱动显示屏显示结果

2. 0–10V 信号转换为温度（如 0–100℃）

与 4–20mA 类似，0–10V 信号也常用于表示温度。假设我们使用的温度传感器输出的是 0–10V，且温度范围为 0℃ 到 100℃。我们同样可以通过公式来将 0–10V 映射到温度范围。

步骤 1：计算比例系数

每 1V 对应的温度增量 = (温度范围上限 - 温度范围下限) / (信号最大值 - 信号最小值)
    = (100 - 0) / (10 - 0)
    = 10℃/V

因此，每增加 1V，温度就增加 10℃。

步骤 2：编写PLC程序进行线性转换

PLC 程序中，我们通过以下公式将 0–10V 的信号转换为温度值：

温度 = 模拟量输入值 * 10℃

这表示如果模拟输入值为 1V，则温度为 10℃；如果输入为 10V，则温度为 100℃。

步骤 3：编程示例

// 假设模拟量输入信号为 0–10V，PLC 采集到的输入值是 ai1（0–4095 对应 0–10V）
模拟量输入值 = ai1 * 10 / 4095  // 转换到 0-10V 范围
温度 = 模拟量输入值 * 10  // 线性转换为温度值
显示温度(温度)  // 驱动显示屏显示结果

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三、模拟量信号与标定

有时传感器的标定不一定是线性的，特别是在温度传感器、压力传感器等设备中，可能需要使用实际测量数据对传感器的输出进行标定。

1. 标定过程

假设你有一台温度传感器，其输出信号并不完全符合线性关系，标定的过程如下：

1. 测量实际温度（例如，0℃、50℃、100℃）并记录对应的模拟信号值（4mA, 10mA, 20mA）。
2. 将这些实际温度与对应的信号值代入线性公式，计算出适应该设备的转换系数或修正函数。
3. 在 PLC 中编写程序，将实际的测量信号与计算出的转换系数进行比对，输出修正后的温度值。

2. 插值法（非线性标定）

若传感器的输出与物理量之间并非线性关系，可以使用插值法来进行标定。

温度 = (信号值 - 信号下限) / (信号上限 - 信号下限) * (温度上限 - 温度下限) + 温度下限

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四、总结

在 PLC 系统中，模拟量信号的转换是非常重要的基础工作，涉及到对输入信号的采集、转换公式的编写、标定与调试等过程。通过本讲，你学会了如何将常见的 4-20mA 和 0-10V 信号转换为实际的温度值，并成功驱动显示屏。

重点回顾：

• 如何计算模拟信号与物理量之间的转换系数；
• 如何编写 PLC 程序进行模拟量信号的转换；
• 如何对传感器进行标定，以确保信号精度。

下次课程，我们将介绍如何使用 PLC 控制 PID 调节器来实现温度、压力等物理量的闭环控制，敬请期待！

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