4. 食品产线模拟量信号采集与标定

食品产线上，温度、压力、液位、流量和称重是最常被监控的五类物理量。PLC 本身只认识数字，变送器负责把物理量变成 4–20 mA 或 0–10 V 的标准电信号，模拟量输入模块再把电信号变成 0～27648 的整数。本章要解决的核心问题就是：如何把这一串整数还原成带工程单位的真实数值，并让它在产线上可信可用。

一、信号接入：先分清两线制、三线制与电压型

S7-1200 常用的模拟量输入模块有 SM 1231 AI 4×13 位（6ES7 231-4HD32-0XB0）等型号，支持电流和电压输入，但同一通道的电流/电压量程由模块侧面的量程卡或组态决定，接线前必须确认。食品车间里最常见的接法是：

• 两线制 4–20 mA 变送器（压力、液位、部分温度一体式变送器）：模块提供 24 V 回路电源，变送器“+”接模块 24 V，“−”接通道电流输入端子，信号与供电共用一对线。
• 三线制/四线制变送器（流量计、称重仪表、带独立供电的温度变送器）：变送器单独供 24 V，输出“+”“−”分别接模块通道的正负端子，注意信号地与模块 M 端子的等电位连接。
• 0–10 V 输出（部分液位计、称重仪表模拟输出）：接电压输入端子，长距离传输时易受干扰，食品车间潮湿、变频器多，建议优先选 4–20 mA。

4–20 mA 的“活零点”是它抗干扰的关键：断线时电流为 0，PLC 读到低于 4 mA 对应的数值即可判断传感器故障，这一点在食品产线的卫生清洗、蒸汽加热等工况下尤为重要。

二、模块组态与量程设置

在 TIA Portal 的设备视图中打开 PLC 的“设备组态”，双击模拟量模块进入属性，逐通道设置：

1. 测量类型：电流或电压；
2. 测量范围：4–20 mA、0–20 mA 或 0–10 V 等；
3. 干扰频率抑制：50 Hz（国内电网），与积分时间相关，会影响采样速度；
4. 断线诊断：4–20 mA 量程下使能断线检测，模块会在诊断缓冲区报“断线”。

组态完成后，模块把量程内的信号线性映射为整数：4–20 mA 对应 0～27648，0–10 V 对应 0～27648。注意 4–20 mA 量程下，低于 4 mA（约 0～−4864 区间）是负值区，可用于断线判断；超过 20 mA 时读数会超过 27648，属于超量程。这些边界值是后面标定和排障的判断依据。

三、NORM_X 与 SCALE_X：两步走完工程值转换

TIA Portal 提供两条标准指令完成线性标定：NORM_X 把原始整数归一化为 0.0～1.0 的浮点数，SCALE_X 再把归一化值映射到工程上下限。以食品杀菌釜温度为例：变送器量程 0～150 ℃，输出 4–20 mA，模块读数存于 IW64，则：

// 温度：0~150 ℃，4~20 mA → 0~27648
"NORM_X"(MIN := 0, VAL := "IW64", MAX := 27648, OUT => #tempNorm);
"SCALE_X"(MIN := 0.0, VAL := #tempNorm, MAX := 150.0, OUT => #tempPV);

// 压力：0~1.0 MPa，4~20 mA
"NORM_X"(MIN := 0, VAL := "IW66", MAX := 27648, OUT => #presNorm);
"SCALE_X"(MIN := 0.0, VAL := #presNorm, MAX := 1.0, OUT => #presPV);

两条指令的 MIN/MAX 必须与模块组态的量程一致，否则标定结果整体偏移。若变送器量程与工艺量程不同（例如压力变送器 0～1.6 MPa，但工艺只关心 0～0.6 MPa），应把 SCALE_X 的 MIN/MAX 设为变送器实际量程，再在程序里做工艺判断，而不是随意改 SCALE_X 的上下限，否则会破坏线性关系。

四、称重传感器信号采集与标定实战

称重是食品配料、包装计量的关键环节。称重传感器（应变式）输出 mV 级信号，通常经称重仪表放大为 4–20 mA 或 0–10 V 后送入 PLC，也有通过 RS-485/Modbus 直接读重量的方案。以模拟量方案为例，仪表量程 0～50 kg 对应 4–20 mA：

1. 空秤时记录原始值 IW68，例如 0；放上 20 kg 标准砝码，记录原始值，例如 11059（理论值 27648×20/50≈11059）。
2. 若实测与理论偏差较大，说明仪表零点或增益需在仪表侧校准，而不是在 PLC 里硬改系数。
3. 用 NORM_X/SCALE_X 按 0～50 kg 转换，得到 weightPV；再在空秤和满载两点复核，误差应小于工艺允许值（如 ±0.1 kg）。

称重标定的关键是两点法：零点（空秤）和量程点（标准砝码）都要覆盖，只做零点会导致斜率错误。食品产线常有振动、清洗水冲击，建议在程序中对重量做一阶滤波（如 5～10 个扫描周期滑动平均），并设置稳定判断窗口后再触发配料逻辑。

五、标定后的验证与常见问题

标定完成不等于结束，必须做三点验证：零点（空载/常温/常压）、量程点（标准砝码、标准压力源或已知液位）、中间点（如 50% 量程）。以液位为例，变送器 0～2 m 对应 4～20 mA，注水到 1 m 时程序应显示约 1.00 m，偏差超过 1% 就要检查 NORM_X/SCALE_X 的上下限是否与模块组态一致。

常见问题有三类：一是读数固定为 0 或负值，多为接线极性反、两线制未供 24 V 或量程卡位置错误；二是读数跳动大，多为信号线与变频器动力线同槽、屏蔽层单端接地不良，应分开走线并加滤波；三是读数整体偏移，多为变送器零点漂移或 SCALE_X 的 MIN 未按实际量程设置。排障时先看模块诊断缓冲区和原始整数 IW 值，再判断问题出在现场侧还是程序侧，能大幅缩短停机时间。

把以上环节串起来，一条完整的模拟量通道就是：变送器输出标准信号 → 模块组态并转换为 0～27648 → NORM_X 归一化 → SCALE_X 映射为工程值 → 边界判断与滤波 → 参与联锁、显示和配料控制。掌握这条链路，温度、压力、液位、流量和称重五类信号就能用同一套方法稳定接入 S7-1200。