工控机的模拟量IO卡
在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，如压力的、温度的、流量的、声音的、电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡（模块）在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。
如果是在比较好的现场或者实验室，如学校的实验室，就可以使用USB/PCI这种采集卡。和常见的内置采集卡不同，外置数据采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置数据采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。
数据采集卡，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集）其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。
数据采集卡的技术参数：
（1）通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路
（2）采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换一个点所需时间有关，例如：AD转换一个点需要T = 10uS，则其采样频率f = 1 / T为100K，即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫兹（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等
（3）缓存的区别及它的作用：主要用来存储AD芯片转换后的数据。有缓存可以设置采样频率，没有则不可以。缓存有RAM和FIFO两种:FIFO应用在数据采集卡上，做数据缓冲，存储量不大，速度快。RAM是随机存取内存的简称。一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。
（4）分辨率：采样数据最低位所代表的模拟量的值，常有12位、14位、16位等（12位分辨率，电压5000mV）12位所能表示的数据量为4096（2的12次方），即±5000 mV电压量程内可以表示4096个电压值，单位增量为（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。分辨率与A/D转换器的位数有确定的关系，可以表示成FS/2n。FS表示满量程输入值，n为A/D转换器的位数。位数越多，分辨率越高。
（5）精度：测量值和真实值之间的误差，标称数据采集卡的测量准确程度，一般用满量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如满量程范围为0~10V，其精度为0.1%FSR，则代表测量所得到的数值和真实值之间的差距在10mv以内。
（6）量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ，要求输入信号在量程内进行。
（7）增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大。由两种型号PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。
（8）触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动AD转换方式。
模/数（A/D）转换板卡
A/D卡通常可以按分辨率和速度两个参数分类。
按分辨率可将A/D卡分为：8位、12位、16位和超高分辨率（大于16位）几种。另外还有一部分不常用的10位分辨率的板卡。8位A/D卡称为低分辨率卡，用在一些简单采集和高速采集上。12/16位A/D卡为最常用的板卡。大于16位的板卡（通常这类板卡转换速度很低，一般在1Hz~1kHz之间，但分辨率可以达到20~24位）通常只用在一些慢速测量的场合，如压力、流量、地质共振力等。
按采集速度可将A/D卡分文低速、中速和高速板卡，目前对其定义如下：
低速板卡：采样速度在100kHz以下；
中速板卡：采样速度在200kHz~500kHz；
高速板卡：采样速度在1MHz以上。
在选择板卡时，除了速度和分辨率，还要确定以下几个参数。
（1）通道数量：指A/D卡的输入信号输入通道数量。
（2）输入范围：指A/D卡的输入电压的范围，如0~10V，0~5V，—10V~+10V或更低如0~100mV、—25~+25mV。单极性输入指输入为正电压，双极性输入指支持正、负输入电压。
（3）输入通道的形式：有单端和双端（或称差分）两种。单端输入指输入以地线为参考；双端（或差分）输入指输入有正（+）、负（-）和地（GND），输入电压为正输入和负输入的差值。
如下图所示，是研华公司的亚当系列远程I/O板卡ADAM4520。
ADAM-4520/4522是有源的RS-232到RS-422/485的转换器，无须任何软件驱动，硬件配置正确即可实现转换功能。RS-485端带有硬件自动数据流控制（自动流控，Automatic data flow），使用时无须额外进行软件自动流控；信号端具有3000VDC隔离保护，这样就有效的防止模块在收到高压冲击时而损坏。 ADAM-4520/4522外观与ADAM-4000系列数据采集模块完全相同，安装方式有导轨安装、壁挂安装等，也可以与ADAM-4000数据采集模块叠加在一起。波特率最高可以达到115.2kbps，使用10V-30V直流电源供电。大多数工业计算机系统都带有标准的RS-232的端口。虽然RS-232得到了普遍的使用，但它的传输速率、传输距离及网络容量还是有一定的限制。RS-422和RS-485标准通过将数据及控制信号使用差分信号进行传送，克服了RS-232的不足。ADAM-4520/4522隔离转换器能够让您在早期的RS-232系统上充分利用RS-422和RS-485的优点。它能够将RS-232信号透明转换为RS-422和RS-485信号。无须改动PC上的任何硬件及软件。ADAM-4520能够轻松地建立起一套基于PC硬件的、工业级远程通讯系统。它能够将通讯距离再延长1200米（4000英尺），或再增加32个连接节点。
如下图所示是北京双诺测控公司出品的A/D转换板卡，其技术参数如下：
AC1056板卡
（1）100kHz 12位AD， A/D内置1微秒采样保持器；
（2）16单端、8差分（双端）输入，输入开关选择输入模式， 输入阻抗 >100MΩ， 最大输入电压： < +15V / －15V，DB25孔式输入连接器。
（3）输入为双极性输入幅度：0~5V（可以选择0~ 10V），单极性输入幅度0~10V，
（4）输入程控放大器，放大倍率：1，2，4，8倍。
（5）最大通过率: 50kHz，输入通道建立时间<10uS，精度0.1％，分辨率12位。
（6）自带DC－DC供给采样部分的电源。
（7）数字IO，TTL电平兼容。40脚扁平电缆插座输出:高电压 > 3.5V，低电压 < 0.4V，输出下拉电流 > 5ｍＡ/路，输入电流：<0.1mA。
（8）二路16位计数器，TTL电平输入（1056A)。
（9）二路12位D/A转换器，输出0－10V或0±10V，输出精度0.2%，分辨率12位，输出建立时间小于50uS，输出驱动电流<6mA 。
（10）AC1056占用4条PC I/O地址线, I/O地址可从100H-3F0H间选择。
（11）工作模式：软件查询。
（12）半长PC插卡，工作温度0－50度。
数/模（D/A）转换板卡
D/A卡通常可以按速度和输出方式两个方面分类。按速度可以分为高速（支持数据的连续转换，速度大于500kHz）和通用（输出准静态信号）的，在实际中我们所接触的多为D/A卡。按D/A卡的输出可以划分为电压和电流。电流输出通常为4~20mA或0~10mA，用于远距离输出或控制现场中标准电流环设备。电流输出通常指4~20mA输出（0~10mA已经基本淘汰）。
如下图所示，是北京双诺测控的一款D/A转换板卡。AC1331－4路12位高速光电隔离数模转换板，具有多功能的特点。
双诺测控 AC1331板卡
其技术指标如下：
（1）AC1331还特别设计了上电输出清零的功能－防止PC机上电过程中D/A输出电压过高而引起的用户设备的损坏。
（2）AC1331支持4路同时锁存功能，应用高速光电隔离器件，使操作可以达到非隔离D/A板的速度。
（3）AC1331采用数据总线、选通译码总线隔离的方式。
（4）板上自带DC－DC，在电压输出时不需要外接电源。
（5）AC1331支持电压与电流的同时输出，电流输出（4－20毫安）为下拉吸入方式。
（6）输出DB25芯(孔)插座。
（7）4路12位D/A转换器－DAC7625 x 4 x 2光电隔离，隔离电压大于500V。高速光耦、实时操作，不需要软件延时。
（8）每路输出可分别选择输出为：0-5V、-5V－+5V、0-10V、-10V－+10V同时支持4－20mA电流输出（吸入式），同时上电清零。
（9）电压输出精度0.1％(5V)、0.3%(其它档电压输出)，电流输出精度0.3％。
（10）输出分辨率12位，误差±1LSB(FSR)
（11）电压输出负载电流 <5mA/通道
电压输出建立时间<50uS
（12）输出最大电容负载能力：100PF
（13）工作温度：0－70℃
（14）占用PC I/O地址16个，拨码器选择地址范围100H－3F0H
半长8位PC插卡（19.5cm Í 11.3cm）
西门子Profinet通讯快速入门，手把手带您使用并诊断信息！
1 PROFINETIO概述
PROFINET是一种用于工业自动化领域的创新、开放式以太网标准（IEC61158）。使用PROFINET，设备可以从现场级连接到管理级。
• PROFINET用于自动化的开放式工业以太网标准。
• PROFINET基于工业以太网。
• PROFINET采用TCP/IP和IT标准。
• PROFINET是一种实时以太网。
• PROFINET实现现场总线系统的无缝集成。
通过PROFINET，分布式现场设备（如现场IO设备，例如信号模板）可直接连接到工业以太网，与PLC等设备通讯。并且可以达到与现场总线相同或更优越的响应时间，其典型的响应时间在10ms的数量级，完全满足现场级的使用。
在使用Step7 进行组态的过程中，这些现场设备（IOdevice, IO设备）制定由一个中央控制器(IOcontroller, IO控制器)。借助于具有PROFINET的能力接口或代理服务器，现有的模板或设备仍可以继续使用，从而保护PROFIBUS用户的投资。
IOSupervisor（IO监视设备）用于HMI和诊断。
在PROFINET的结构中，PROFINETIO是一个执行模块化，分布式应用的通讯概念。 PROFINETIO能让您从您所熟悉的PROFIBUS一样，创造出自动化的解决方案。所以不管您组态PROFINETIO或PROFIBUS，在STEP7中有着相同的应用程序外观
2 PROFINETIO现场设备简介
以下SIMATIC产品用于PROFINET分布式设备：
• IM151-3 PN 作为IO设备直接连接ET200S的接口模块。
•CPU317-2DP/PN或CPU315-2DP/PN作为IO控制器的CPU模块，用于处理过程信号和直接将现场设备连接到工业以太网。
• IE/PBLINKPNIO将现有的PROFIBUS设备透明的连接到PROFINET的代理设备。
• IWLAN/PBLINKPNIO将PROFIBUS设备通过无线的方式透明的连接到PROFINET的代理设备。
•CP343-1用于连接S7-300到PROFINET，连接现场设备的通讯处理器。
•CP443-1 Advanced用于连接S7-400到PROFINET，连接现场设备并带有集成的WEB服务器和集 成的交换机的通讯处理器。
•CP1616可作为IO设备。用于连接PC到PROFINET，连接现场设备并带有集成交换机的通讯处理器。
• SOFTPNIO作为IO控制器，用于运行编程器或PC的通讯软件。
• STEP7用于已有的PROFIBUS进行传统方式组态PROFINET
3 PNIO组态
PROFINETIO的IO现场设备在PROFINET上有着相同的等级，在网络组态时分配给一个IO控制器。现场IO设备的文件描述定义在GSD(XML)文件。
1. 导入GSD文件，并在Step7中进行硬件组态
2. 编写相关程序，下载到IO控制器中
3. IO控制器和IO设备自动的交换数据
3.1本例设备简介
4 PNIO的组态步骤
4.1 打开Step7软件
在桌面上选择Step7图标SIMATIC Manager，并双击。
4.2 新新建建一一个个项项目目
点击工具栏中的 按钮，弹出Newproject(新建项目)对话框。在Name: 栏中写入要新建的工程名，PNController_IODevice1。
点击“OK”按钮，在SIMATIC Manager中新建了该工程。
4.3 添加IOController
在SIMATIC Manager左侧栏内，右键点击 ，弹出菜单，插入一个S7-300站。
将站加进程序中
点击硬件组态
右侧栏内为产品分类，点击SIMATIC 300图标的+号。找到RACK300的机架Rail，用鼠标托拽到左上侧的空白栏内。
在这个机架中添加IO控制器的CPU模块，找到CPU-300的CPU315-2PN/DP的版本V2.6，使用鼠标托拽到机架的2号槽中。
加进去的时候弹出网络配置，点击“NEW”按钮，增加新网络。
点击OK,可以看到PLC已经添加完成，并且在软件里可以看到PROFINET的标志。
4.5 对IODevice进进行行硬硬件件组组态态
在这个子网Ethernet(1)中，配置另外两个IO设备站，配置IO设备站与配置PROFIBUS从站类似。同样在右侧的栏内找到需要组态的PROFINETIO的ET200S的标
识，并且找到与相应的硬件相同的订货号的ET200S接口模块。
用鼠标双击(1)IM151-3图标，弹出该ET200S的属性界面。可以看到对于ET200S的简单描述，订货号，设备名称，设备号码和IP地址。其中Device Name设备名
称可以根据工艺的需要来自行修改，这里改为ET200S1。Device Number设备号码用于表示设备的个数。IP地址也可以根据需要来修改。这里使用默认状
态192.168.0.2。点击OK按钮，关闭该对话框。
使用同样的方式在右侧的产品栏内，选择其它ET200S的模块添加到IO设备的模块列表中。
使用同样的方式组态另一个ET200S站，并改其Device name为ET200S2。也可以使用鼠标点击ET200S1的图标，加上Ctrl键，复制出另一个ET200S2站。因为
实际的组态中两个ET200S的硬件组态是相同的。IP地址保持默认状态，192.168.0.3。可以看到DI模版地址分别为2.0至2.3，3.0至3.3。DO模板的地址分别
为2.0至2.1，3.0至3.1。点击工具栏 图标，完成对该项目的硬件组态完成编译和保存。
4.6 编编写写用用户户程程序序
在SIMATIC Manager中，依照等级次序，点击+号至Blocks。
可以看见右侧栏内的OB1，双击OB1，进入LAD/STL/FBD的编程界面中。使用STL语言编程。根据在硬件组态中的ET200S两个站的DI，DO模板地址，
在Network1中，对ET200S1进行数据读写；在Network2中，对ET200S2进行数据读写。点击工具栏进行保存。
4.7 设置PG/PC接口
对于PROFINET的组态下载和调试，使用TCP/IP协议，所以在SIMATIC Manager中选择Options菜单，选择“Set PG/PCInterace...”
选择TCP/IP->Intel(R) PRO/1000MT...接口参数。其中Intel(R) PRO/1000MT...表示本台PG/PC的以太网卡。点击OK即可。
可以在SIMATIC Manager的界面的状态栏中，发现已经选择的PG/PC接口。
对本台PG/PC作为IOsupervisor，通过一根FC标准以太网线连接SCALANCEX206-1交换机。双击本地网络连接图标 ，给本机设置IP地址192.168.0.100。注
意要使各台PN设备要在同一个网段上192.168.0.0。
4.8 设置IO设备名
从图中看到两个ET200S站的一些信息。IP地址，由于没有下载PLC的硬件组态，故没有IP地址。MAC地址，是ET200S的PN接口模块在出厂时固化的硬件地址，不能修改。设备类型，此时指示在Ethernet(1)上的PNIO的类型均为ET200S。设备名，目前在ET200S的MMC卡中没有存储任何信息。通过下拉菜单
指示硬件组态的ET200S的设备名称为ET200S1，根据不同的MAC地址，通过鼠标选择不同ET200S设备。选择MAC地
址为08-00-06-6B-F7-A6的ET200S，通过“ASSIGN NAME”按钮，给其命名ET200S1
ET200S1的MAC地址在IM151-3的接口模块上，打开接口模块的前盖，可以看见相应的MAC地址。
ET200S2的MAC地址在IM151-3的接口模块上，打开接口模块的前盖，可以看见相应的MAC地址.
来查看组态的设备名是否正确。绿色的√，表示正确。
设置完毕后保存和编译刚刚的组态。
4.9 下下载载硬硬件件组组态
点击OK下载。会弹出一个对话框，询问是否给IO控制器的IP地址设置为192.168.0.1。点击yes。
让PLC运行即可
4.10 下下载载用用户户程程序序
在SIMATIC Manager中用鼠标点击左侧栏内的Blocks。
点击工具栏中的按钮，下载用户程序.
4.11 测测试试用用户户程程序序
然后，双击OB1，打开用户编程界面。用鼠标点击工具栏中的眼镜图标，进行在线
测试用户程序。在线后，编程界面的标题栏，状态栏显示绿色。并且在程序窗口的右侧，出现程序指令的状态字。在STANDARD的栏下表示的是各个字的在线值。由于对于此位置的在线值，不能以二进制形式表示，那么也就不能清晰的显示二进制DI和DO的信号状态。可以使用变量表的方式来观察。
在SIMATIC Manager中的右侧栏的空白处，单击鼠标右键，弹出插入变量表的菜单。
保持默认名字VAT_1，点击OK。
在SIMATIC Manager中出现名字为VAT_1的变量表。双击打开。
在Address栏中，添加所要观察的变量MW0，MW4；添加所要强制的变量MW2，MW6。用鼠标点击DisplayFormat栏，点击右键选择Binary方式显示。
在线观察
如果ET200S1的DI模板，有信号输入，那么相应的位会显示为1。
同样，可以强制DO模板的输出。使用鼠标在对应的Modifyvalue栏中，强制你所要的对应的输出。那么观察DO模板输出灯变亮。
5 PNIO的诊断
5.1在线诊断
通过SIAMTIC Manager在线，你可以观察到系统的当前一般状态信息。包括运行，停止，故障显示等等。点击SIMATIC Manager工具栏中的"在线"图标，使其在线.
通过显示访问点，你可以看到在SIMATIC Manger的右侧栏内的PROFINET设备状态。用鼠标点击SIMATIC Manager中工具栏的“configure network”图标。
通过硬件诊断，你可以快速的查找出现故障的模块的信息。打开HWConfig界面，在该界面的工具栏内点击 图标，使其在线。
通过双击故障设备图标，查找故障信息。双击ET200S1图标。可以快速的查找故障原因。
通过双击CPU315-2PN/DP图标，可以在Diagnostic Buffer中查找CPU停机的诊断信息。
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