2.1.2 模拟量输入模块
系统中从检测装置过来的模拟量需经过A/D转换才能输入到CPU处理，这就要求PLC有模拟量输入处理模块。
SM 331模拟量输入 [简称模入(AI)] 模块目前有三种规格型号，即8AI?12位模块、8AI?16位模块和2AI?12位模块。系统选用了8AI?12位模入模块，其端子接线图如图2-1所示。
图2-1 SM 331端子接线图
SM 331模入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数。SM 331可选用4档积分时间：2.5、16.7、20和100ms，相对应的以位表示的精度：8、12、12、14。SM 331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A/D转换部件。某一通道开始转换模拟量输入值起到再次开始转换的时间是模入模块的循环时间。
SM 331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需要接24V的直流电压L+，有反接保护作用。不用的通
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道要在组态软件中屏蔽掉，以免受干扰。
2.1.3 模拟量输出模块
经过CPU处理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这就要求PLC配有模拟量输出模块。
SM 332模拟量输出[简称模出(AO)]模块目前有3种规格型号：4AO?12位模块、2AO?12位模块和4AO?16位模块。系统选用4AO?12的模出模块，其端子接线图如图2-2所示。
图2-2 SM 332 4AO?12位模入模块端子接线图
SM 332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路与负载连接。4线回路的精度高，因此采用4线回路，它与负载的接线如图2-3所示。
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图2-3 通过4线回路将负载与隔离的模出模块连接
2.1.4 电源模块
PS 307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS 307系列模块除输出额定电流不同外(有2、5、10A)，其工作原理和参数都一样。系统选用10A的电源模块。
PS 307 10A模块基本电路如图2-4所示。PS 307 10A模块的输入接单相交流系统，输入电压120/230V，50/60HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离。输出电压允许范围20(?5%)V，最大上升时间2.5s，最大残留纹波150mV，PS 307可安装在导轨上，除了给S7-300供电，也可给I/O模块提供负载电源。
图2-4 PS 307电源模块(10A)基本电路图
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2.2 控制对象特性
2.2.1 一阶单容上水箱特性
单容水箱系统结构图如图2-5所示，电动调节阀由S7-300PLC手动输出，通
图2-5 上水箱液位控制系统原理图
过阶跃响应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号(阶跃信号)。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，决定模型中各参数。
由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系统的阶跃响应曲线如图2-6所示，t=0时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升到稳态值h(∞)，该曲线可用一阶有时延环节来近似。
图2-6 一阶系统阶跃响应曲线
如图2-5所示，设水箱进水口的进水量为Q1，出水口出水量Q2，水箱液面高
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度为h。出水阀4固定于某一开度值。 根据物料动态平衡的关系，求得：
R2Cd?h??h?R2?Q1 (2-1) dt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
G(s)?R2H(s)K?? (2-2) Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T为水箱的时间常数(阀4的开度大小会影响到水箱的时间常数)，T=R2*C，K=R2为过程放大倍数，R2为阀4的液阻，C为水箱的容量系数。令输入量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为
H(s)?KR0KR0KR0?? (2-3)
1s(Ts?1)ss?T根据上式，需要确定的参数是过程放大系数K和水箱的时间常数T。 当t=T时，
?1有 h（T） (2-4) ?KR（?0?632KR0?0?632h（?）01?e）即 h(t)?KR0(1?e?tT) (2-5)
当t→∞时，h(∞)=KR0，因而有K=h(∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入。
过t=0作曲线切线，该切线与h(∞)线交于一点，则这段切线在时间轴上的投影即为时间常数T，见图2-6。
在一阶单容上水箱对象特性测试实验中，先设定输出值的大小，这个值根据出水阀门的开度大小来设定，初次设定的值为46。开启单向泵电源开关，启动动力支路，将被控参数液位高度控制在15.85cm。上水箱的水位趋于平衡，平衡后输出值、水箱水位高度和测量显示值如表2-1所示。
表2-1 第一次稳定后的纪录值
PLC输出值 水箱水位高度h1 组态显示值 0~100 46 cm 17.0 cm 15.85 迅速增加PLC手动输出值，增加5%的输出量，此引起的阶跃响应的过程参数如表2-2所示。，由此得到的变化曲线如图2-7所示。
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