控制系统中的模拟信号示例

了解模拟信号

模拟信号是信息的连续表示，随时间平滑变化。它可以在连续范围内取任何值，通常表示为连续波。模拟信号反映了它们所代表的真实世界现象，保留了原始信号源的所有细微差别。

温度模拟图

图 1.模拟控制允许连续信号检测或输出控制。例如，温度传感器根据温度输出毫安值。

模拟值的特性

连续性：模拟信号本质上是连续的，这意味着它们在其范围内具有无限数量的可能值。

振幅和频率：模拟信号的振幅表示测量量的大小或强度，而频率对应于信号振荡的速率。

噪声敏感性：模拟信号在传输和处理过程中容易受到噪声、干扰和劣化的影响。电噪声、信号衰减和失真等因素可能会引入误差并影响信号的准确性。

模拟信号的优缺点

模拟信号具有多种优势，使其成为众多应用的。模拟信号由于其连续性而提供高分辨率和高精度。它们可以表示有关测量量的微小变化和细粒度信息。它们还支持实时监测和控制，使系统能够快速响应系统参数调整。此外，模拟信号可合理地表示其测量的数据，为工程师和技术人员提供直观的数据进行解释。尽管过去模拟控制的实施成本更高，但成本和传感速度限制比以往任何时候都低。

考虑到模拟控制的优势，它们在可编程逻辑控制器PLC中的输入和输出可用性有限的原因仍然有几个。例如，许多带有数字信号的控制应用现在在市场上占据主导地位。数字信号足以用于开/关控制和基于逻辑的决策，这是PLC技术的基础。对于大多数工程师和技术人员来说，数字信号仍然更容易测试和排除故障。

数字和模拟 I/O 模块的接线

图2.并排比较表明，隔离数字布线（左侧）与更令人生畏的模拟图（右侧）相对简单。图片（修改后）由 Automation Direct 提供

现代 PLC 设计为灵活和模块化。数字控制模块可以满足广泛的应用需求，并可轻松配置所需的输入和输出数量。另一方面，模拟信号通常过于具体（例如某些电流范围，或仅设计用于RTD，诸如此类），从而限制了它们在某些不灵活的应用中的使用。

模拟信号在控制系统中的应用

某些行业由于其过程的性质和所需的测量类型而更有可能依赖模拟信息。以下是一些通常依赖模拟信息的行业：

传感与测量

模拟信号广泛用于控制系统中的传感和测量目的。温度传感器、压力传感器、液位传感器和位置传感器等传感器产生模拟信号，提供有关被测物理参数的连续和信息。

比例控制

模拟信号对于实现比例控制系统至关重要，其中输出控制信号与输入信号成正比。例如，在加热系统中，模拟温度传感器生成模拟信号，该信号与所需的设定值进行比较，并按比例调整输出控制信号以达到所需的温度。

反馈控制

模拟信号用于反馈控制系统，其中输出信号与所需的设定值不断比较。模拟反馈信号允许对系统变量进行连续监控和调整，以保持稳定性、准确性和所需性能。

变速驱动器

变速驱动系统中利用模拟信号来控制电动机的速度和扭矩。通过调制模拟控制信号，可以平稳地调节电机的性能，从而实现对各种工业过程的控制。

制造和工业自动化

涉及制造、装配线、机器人和机器自动化的行业通常需要对物理变量进行控制。模拟信号用于反馈控制、比例控制和调节各种过程。

模拟信号的现代替代品

一种常见的方法是使用数字通信协议来传输已经转换为二进制数字的模拟信息。这消除了在接收端使用模数转换器 （ADC） 的需要，因为信息已经是数字格式。

IO-Link 和 Modbus/以太网是可用于传输模拟信息的数字通信协议示例。这些协议提供了一种以数字格式在设备之间传输数据的方法，包括模拟传感器数据。以下是如何使用这些协议：

IO-Link（IO-Link）

IO-Link是一种点对点通信协议，用于将传感器和执行器连接到控制系统。虽然IO-Link支持数字和模拟信号，但它也提供了传输模拟值的能力。连接到IO-Link主站的模拟传感器可以直接以数字值的形式提供数据，无需外部ADC。然后，IO-Link主站可以通过数字接口将数字值传送到控制系统。

Modbus over Ethernet

Modbus 是一种常用的串行通信协议，允许设备之间通过网络进行通信。Modbus/TCP 使用以太网作为底层网络基础设施，是基于 TCP/IP 的网络的 Modbus 协议的扩展。虽然Modbus主要是一种数字协议，但它也可以传输模拟数据。连接到支持 Modbus 的设备或控制器的模拟传感器可以在内部将其模拟信号转换为数字值，然后通过 Modbus/以太网网络传输。

IO-Link网络结构

图3.IO-Link设备将数据从执行器和传感器传送到控制器，通常是PLC。 图片由IO-Link提供