电位器为调节可编程逻辑控制器(PLC)参数提供了一种便捷、用户友好的方法。典型PLC通过0至10VDC模拟输入接口支持电位器连接。遗憾的是，该接口并不像表面看起来那么简单。我们既要克服线性度问题，又要解决电位器自身的物理限制。
本技术简报将介绍两种连接电位器至PLC的不同方法。我们将探讨采用10VDC电源的解决方案，以及基于电阻分压器的替代方案。这些实用方法均通过Crouzet Millenium Slim PLC进行演示。
本文是PLC电位器应用系列文章的第3部分。请先查阅前置文档：
图 1 ：安装在施耐德电气22mm支架上的Vishay电位器特写
技术提示 ：Crouzet Millenium Slim系列小型PLC常配备输入电阻约10kΩ的双用途数字/模拟输入接口这会增加设计复杂度——特别是线性度问题——因为PLC会拉低模拟设备的输出请务必查阅前置文档
10VDC 电源的应用方案
由于PLC设计支持最大10VDC模拟输入，自然可采用10VDC电源驱动电位器这样滑动端电压将在0至10VDC间变化这也是前文采用的基本假设
图2和图3所示的Wago公司859-802电源就是典型实例这款DIN导轨式电源输入24VDC，可提供非隔离的10VDC输出
接线方式非常简单将电位器两端分别连接10VDC电源和地线滑动端则接入PLC的模拟输入端口如先前文章所述，PLC的输入电阻会对电位器形成负载。例如，当旋转角度设为50%时，理论上滑臂应输出5 VDC电压，但由于PLC的11.7 kΩ输入电阻，实际测量值为4.12 VDC。
图 2 ：安装在Phase Dock训练器上的Crouzet PLC图像。22毫米的施耐德电位器在开关板上可见。
图 3 ：安装在PLC实训装置中的Wago 10 VDC电源特写。
技术提示 ：模拟电路易受多种噪声源干扰，包括地线噪声。Wago电源为非隔离设计，意味着其10 VDC输出与24 VDC输入共用地线。在某些方面，它类似于高性能的7810稳压器（7805系列器件之一）。需注意地回路路径，防止形成地环路。理想情况下，PLC、电源返回端和电位器接地端应通过低阻中心接地点（星型接地）短接。使用屏蔽线或双绞线也有助于消除噪声。
采用分压电路
作为额外的设计挑战，我们可通过电阻网络优化电位器接口成本，从而省去电源模块。此处"成本优化"可能用词不当，因为该技术需要两个昂贵的PLC模拟输入端口。根据具体设计和所选PLC型号，前文提到的10 VDC电源方案可能成本更低。从长期维护角度看，纯电阻方案较为复杂，使用电源方案可能更简便且问题更少。
图4展示了一个可行的电阻网络方案，利用PLC主24 VDC作为激励电压连接电位器。注意观察：
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系统由PLC主24 VDC电源供电。
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11.7 kΩ电阻（R4和R5）代表PLC的1、2号输入通道。
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电阻R3代表10 kΩ可变电阻。
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R1将PLC输入通道1的电压降至10 VDC以下。本设计假设最大电源电压为30 VDC。
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电阻R2通过限制可变电阻R3和R4负载引起的电压波动来"稳定"系统。注意R1与R2形成的戴维南等效源电阻相对于R4和R5的负载较低。因此，电位器两端的电压由电阻R2稳定维持。考虑到R1原本阻值约25 kΩ，增加的电流消耗是可接受的代价。
图 4 ：连接电位器R2至PLC的电阻网络原理图。请注意，R4和R5代表每个PLC输入通道的输入电阻。
需认识到该电阻电路是比例式的。这意味着关键信号信息包含在PLC模拟输入通道1和通道2的输入电压比值中。因此，该系统对24伏直流电源的变化具有相对免疫力。我们可以证明该比值与电源电压无关。我们的设计挑战是将两个输入都限制在PLC的0至10伏直流电压范围内。
技术提示 ：比例式意味着系统电压变化与激励（供电）电压成正比。在图4中，24伏直流电源电压的波动将导致通道1和通道2产生线性比例变化。两个信号之间的比例变化也得以保持。因此，只要PLC电源电压满足要求（数据手册规定为22.8至28.8伏直流），系统就能不受电源电压波动影响。
电阻网络的线性化
电阻网络带来了软件挑战，因为电位器移动时每个电压都会变化。仔细观察图4可见，R3/R4组合电阻值根据R3滑片位置不同，在10千欧至5.5千欧之间变化。这种可变负载将同时改变PLC通道1和通道2的电压。计算表明，当采用24伏直流电源时，PLC通道1电压将在7.3至6.5伏直流之间摆动。
我们开发了一个电子表格，包含基于电位器位置的通道1和通道2电压的精确计算数据。关键数据存在于"比值"列，该列由通道1电压和通道2电压计算得出。查找表（标记为输入和输出的列）通过放大比值并复制电位器位置数据生成。例如，当系统检测到通道1与通道2测量数据比值为0.149时，PLC会将其识别为电位器处于20%位置。对应的"输入"值15是由于前提文章中描述的非线性负载所致。
电子表格下载地址：
Divider.xlsx (39.7 KB)
图 5 ：用于计算比例查找表的电子表格部分。
技术提示 ：比例式系统能掩盖电源电压波动的变化。但无法适应快速变化（尖峰和噪声）。从实际角度看，本设计中的两个通道是在PLC自然扫描周期的不同时刻读取的。在不同时间段读取会扭曲这些比例读数。可能需要添加数字滤波器以防止大负载切换时产生的干扰波动。
图6展示了Crouzet PLC程序。注意电位器输入（图4中的CH2）按0至30,000比例缩放，而电位器参考输入（图4中的Ch1）按0至300比例缩放。这种缩放充分利用了16位有符号整数系统的全范围，无需使用浮点数。
此处下载Crouzet程序：
Analog_10_w_resistor.pcs (53.5 KB)
图 6 ：展示缩放、除法和查找表的Crouzet功能块演示程序。
结果
两种方法在系统限制范围内均表现良好：
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电位器固有的死区限制了小数值和大数值的性能。刻度盘在0至0.75和9.25至10之间的设置不可用。
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查找表能有效实现数据线性化。PLC测量结果与0.75至9.25之间的电位器刻度设置高度吻合。
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就本文采用的整数方案而言，10VDC电源供电方法更具优势，因其计算涉及更多比特位。双通道电阻法仅能将电位器旋转划分为100个区段。若采用浮点数，两种方法的性能将趋于接近。
技术提示 ：这正是Spinal Tap乐队"这些能到11"的设计理念能派上用场的场景。严肃来说，采用-1至11刻度指示的电位器可确保0至10的设置呈线性。或许施耐德电气可以研究这个设计问题。另一种方案是物理调整刻度设置，使机械硬止点位于-1处，再通过PLC代码加1进行标准化处理。遗憾的是，最终系统的音量效果会逊色，毕竟"这些只能到9"。
故障模式与维修便利性
硬性故障和软性故障的性能需额外考量：
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两种方法的查找表均基于10kΩ电位器设计。更换不同阻值单元将使查找表失效。
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10伏直流电源的波动会立即影响性能。
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双通道方法中24伏直流电源的变化很容易适应。然而，由于两个通道并非同时采样，24伏直流电源中的噪声会影响性能。
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两种方法都易受噪声干扰，需要特别注意接地和屏蔽。
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双通道方法不够直观。例如，图4中电阻R2的加入并不显而易见。但它对查找表有着深远影响。
最后的思考
这个电位器与PLC接口的应用看似简单。实则不然，我们用了三篇文章来描述限制条件及线性化系统的方法，以使PLC内部测量与电位器刻度标记对齐。
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第1部分通过戴维南等效电路视角，描述了大多数PLC相关的电位器负载问题。
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第2部分指出了电位器的物理死区限制，以及使用查找表实现系统线性化的方法。
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第3部分（即本最终篇）展示了如何为电位器供电，使其输出与PLC的0至10伏直流模拟输入兼容。
采用10伏直流电源是常见且直接的解决方案。物理连接易于实现且便于故障排查。相比之下，电阻分压法接线更复杂、不够直观，且需占用PLC两个资源有限的模拟输入通道。从系统和全生命周期角度看，两种方案成本可能相当——若计入设备生命周期内必然的故障排查时间，10伏直流电源方案可能更具优势。
从初始成本和全系统生命周期成本考量，您更倾向哪种方案？您还遇到过其他解决方案吗？此外，请在下面的空白处留下您的意见和建议。
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