2. 模拟量基础

在PLC模拟量采集与过程控制工程中，所有后续的接线、组态、标定、滤波、PID整定，最终都建立在一组最基础的术语之上。如果这些术语理解偏差，现场就会出现“量程设错导致数值翻倍”“分辨率不够导致小信号跳变”“精度和分辨率混为一谈导致选型错误”等典型问题。本节把这些基础概念一次讲清，并给出工程中可直接使用的判断方法。

一、模拟信号与数字信号：本质区别在“连续”与“离散”

模拟信号是随时间连续变化的物理量，例如温度变送器输出的4～20mA电流、压力传感器输出的0～10V电压、热电偶输出的mV级热电势。它的特点是：在任意时刻都有定义，取值可以在量程范围内连续取任意实数，理论上具有无限多的中间值。

数字信号则是在时间和幅值上都离散的信号。PLC内部的CPU只能处理二进制数，因此模拟量模块必须完成两件事：一是把连续电流/电压采样成一个个离散时刻的值，二是把每个采样值量化成有限位数的数字量。例如12位模块把0～10V量程分成4096份，16位模块分成65536份。这个过程就是A/D转换。

二、连续量与离散量：从物理量到PLC数据的映射

连续量是可以在区间内取任意值的量，如温度、压力、流量、液位、位移。离散量只能取有限个确定值，如开关的ON/OFF、电机的运行/停止、阀门的开/关。PLC的开关量输入输出处理的是离散量，模拟量输入输出处理的是连续量。

需要特别注意的是：连续量进入PLC后，在模块内部被转换成离散的数字量，但它在工程意义上仍然代表连续量。例如4～20mA对应0～100℃，PLC读到数字量2048，我们通过标定公式反算出实际温度。因此，模拟量通道的组态必须同时配置：信号类型（电流/电压/热电阻/热电偶）、量程上下限、工程单位、滤波方式。

三、量程、分辨率、精度、线性度：四个最容易混淆的术语

这四个术语经常被混用，但它们在工程中回答的是完全不同的问题：

• 量程（Range）：测量范围的上限与下限之差。例如0～10V、4～20mA、0～100℃。量程决定“能测多大范围”。
• 分辨率（Resolution）：能分辨的最小变化量，通常由A/D位数决定。例如12位模块在0～10V量程下，分辨率=10V/4096≈2.44mV；16位模块分辨率≈0.153mV。分辨率决定“能看多细”。
• 精度（Accuracy）：测量值与真实值的接近程度，通常用满量程的百分比或绝对误差表示，如±0.1%FS。精度决定“测得准不准”，它受分辨率、温漂、非线性、噪声、基准源等多种因素影响。
• 线性度（Linearity）：实际输入输出曲线与理想直线的最大偏差，通常用%FS表示。线性度决定“输入和读数是否成比例”，非线性会导致标定曲线弯曲。

四、核心原理：从物理量到工程值的完整信号链

下面这张图把本节的核心概念串成一条完整的信号链：现场连续量经过变送器变成标准模拟信号，再经过A/D转换变成离散数字量，最后通过量程映射和线性度修正还原为工程值。图中同时标出了分辨率、精度、线性度分别作用在哪个环节。

五、案例场景：量程、分辨率、精度如何影响实际工程

假设一个水箱液位测量项目：液位变送器输出4～20mA，对应0～5m，PLC选用12位模拟量输入模块，模块精度标称±0.2%FS。我们来算三个关键值：

量程：0～5m
分辨率：5m / 4096 ≈ 1.22mm
模块精度：±0.2% × 5m = ±10mm
综合误差：分辨率误差 + 精度误差 + 变送器误差 + 线性度误差

若变送器精度为±0.1%FS，则变送器误差 = ±5mm
总误差估算 ≈ ±(1.22 + 10 + 5)mm ≈ ±16.2mm

这个例子说明：分辨率只有1.22mm，但系统总误差可能达到16mm。如果工艺要求液位控制精度±5mm，那么仅靠提高A/D位数是不够的，必须同时选择更高精度的变送器、更稳定的基准源，并做好屏蔽接地和滤波。

六、常见误区与复盘

• 误区一：分辨率等于精度。16位模块分辨率很高，但如果基准源漂移、前端噪声大，实际精度可能还不如一只稳定的12位模块。分辨率是“刻度”，精度是“准不准”。
• 误区二：量程越大越好。量程选得过大，小信号只用到A/D的一小段码值，分辨率被浪费。例如0～10V量程测0～1V信号，12位模块实际只用了约410个码值。
• 误区三：忽略线性度。线性度差的传感器，两端误差小、中间误差大，用两点标定无法修正，必须做多点标定或查表补偿。
• 误区四：4～20mA断线不判断。4mA对应零点，若线路断开电流为0mA，PLC读到低于下限的码值，应组态断线报警，否则会被误判为负温度或负液位。

掌握这些基础术语后，后续的模拟量模块选型、通道组态、标定公式、滤波参数和PID整定才有可靠的依据。模拟量工程的核心，不是追求“无限精确”，而是在量程、分辨率、精度、线性度和成本之间找到满足工艺要求的最佳平衡点。