仪器仪表信号传递方式在工业生产的应用

冯碧波

江苏天将生物科技有限公司，江苏省宿迁市，223800

导读：设备、物料的监测是现代工业的重要组成部分，自动化的监测离不开自动仪表，而仪表信号的传递是现代工业自动化的重中之重。

摘要：目前自动化仪表应用方面还存在一些不足，本文主要介绍多种仪器仪表信号传输方式，进而探讨仪器仪表信号传输方式后期发展方向。

关键词：自动化；仪表；信号传输；开关量；模拟量；通讯

1引言

自动化仪器仪表在现代工业中的对设备、物料监测的应用，使得现代工业发展不断的飞速发展。为了进一步提高设备、物料监测的及时高效，仪器仪表信号传输方式也在不断的进化，为设备、物料监测提供了较大的便利。自动化仪表信号传输作为在现代工业控制系统中关键的技术，其对提高现代工业自动化、智能化水平有着较大的帮助，提高了现代工业生产水平增加经济效益。

2仪器仪表信号传输方式概述

信号传输是一个比较广泛的概念，随着技术的进步，信号传输也变得多样化，如：开关量、模拟量、通讯等。开关量的状态只有0/1；模拟量信号主要是电压或者电流信号，可以是0-10V直流电压，也可以是4-20mA直流电流，还有使用0-20mA直流电流的；通讯的方式比较多，如：RS485、RS232、Hart、以太网、Can等。

以日常生活举例，说话就是一个比较常见信号传输过程。甲与乙通过说话的方式进行工作上的沟通，甲所用的语言必须是乙能听懂的，甲说话的音量必须适中保证乙能听得清楚，而且不会因为声音大产生耳鸣，甲所讲的工作范围必须在乙工作范围之内，这样才能保证两个人有效的沟通。

我们通过信号传输对照“说话”，对信号传输的进行解释。“甲所用的语言”，对应信号传输类型，如：开关量、电压信号、电流信号、脉冲信号、RS485、RS23、Hart、Can、以太网等。“甲音量”对应信号电压、电流大小，如：电压信号0-10V、电流4-20mA等。“乙工作范围”对应信号传输中PLC、DCS中I/O模块或通讯模块的类型。

3开关量

开关量，我们在日常生活中找个相似的例子，如：电灯的开关。“开”电灯，按下“开”，电灯通电，电灯亮；“关”电灯，按下“关”，断开电源，电灯灭。拆开电灯开关可以看到里面有触点，通过触点的接通与断开，达到通断的目的。

开关量只有两个状态，没有中间状态。当我们想要获取连续的状态，如：温度、压力、pH值、电流大小、电压大小等时，开关量无法满足。除了开关量不能监测连续的状态外，开关量还有灵敏度的问题。

IFM品牌LMT292料位，该产品在监测粉体物料时，粉体物料的DC（介电常数）必须大于1.8，根据不同的物料设定不同的开关阈值（灵敏度），如：在淀粉行业常用的SP=8%（开）、rP=5%（关）。

基恩士品牌夹钳式流量传感器FD-X系列，该系列可安装在管道上作为监测管道内液体是否流动，重复进度为±0.1%of F.S，在φ6配管上通过相当于80倍高速加算处理后该产品的响应时间依然达到50ms。

开关量的灵敏度在实际使用中还受到PLC I/O模块型号的影响，DI模块使用继电器输入（有物理开关动作）就比晶体管输入要慢很多（PLC的工作方式：逐行扫描对开关量精度影响不在此展开）。

综上所述，开关量在使用中比较适合在监测精度不高的工作场合，如：

（1）在储罐子上监测高低液位；

（2）管道上监测物料流动；

（3）阀门、继电器、接触器开启闭合状态；

（4）变频器、软启动运行状态；

4模拟量

通过对开关量的表述，我们可以理解在监测温度、压力、pH值、电导率、设备运行电流（注意区分电流信号，如4-20mA）、电源电压等，就不能使用开关量，而是需要一组连续的数值来描述设备、物料对应的状态，就是模拟量。

一般厂家在设计生产仪器仪表时，采用正相关，即被测设备、物料正向变化，则反应在信号上，信号强度也正向变化，如，使用温度增加，则仪器仪器输出的电压或电流绝对数值也增加。

我们举两个例子：

（1）E+H牌TM411-1E63温度变送器，量程为0-150℃，对应电流信号4-20mA。西门子选择S7-300系列AI模块。在被监测设备、物料温度上升时，温度变送器输入到AI模块的模拟电流信号也增加。

（2）ABB牌ACS510-01变频器，X1接线模块，7#、9#端子参数设置和J1拨码开关选择，可输出0-10V电压信号，对应电机转速。当电机转速上升时，变频器7#、9#端子输入到AI模块的电压信号也增加。

“仪器仪表在输出不同信号时，所扮演的角色是不一样的”，输出电流信号时，仪器仪表可以看做一个电流源，而在输出电压信号时，仪器仪表可以看做是一个电流源。电压源本质上的特性（电压源容易受电阻影响），造成了电压信号在长距离传输后更容易产生信号漂移，因此在实际工作中我们发现使用电流信号的仪器仪表要比使用电压信号的仪器仪表精度要高，应用的也比较广泛。

无论是电压信号还是电流信号，都要通过A/D转换电路，转换成数字信号，数字信号进一步积分运算变成无量纲数值，就可以通过编程软件进行处理。在AI模块中数字信号的位数是不相同的（不考虑负值），如：1，数字信号采用8位，对应的精度就是1/256；2，数字信号采用12位，对应精度1/4096；3，数字信号采用13位，对应1/8192；数字信号采用16位，对应1/65536。这些数字信号通过积分运算后转换成0-27648无量纲常数，可以发现无量纲常数对应的不同分辨率数字信号的平滑度是不一样的。

我们在上文中提到ABB牌ACS510-01变频器的选择0-10V信号输出简单设置，其实在实际使用中需要设置的参数要比上文提到的复杂的多得多（用户手册240页），而像西门子MM440系列变频器仅《参数说明书》多达20余页，而且MM440参数还区分一级参数、二级参数、三级参数，这些都增加了工程调试推进的难度。

有没有简易的调试方法呢？随着科技技术的进步和相关科技工作者共同努力，新的仪器仪表调试方法产生了--手操器。

5通讯

开关量和模拟量都是只能反映设备、物料的一种状态，如：液位的高点、低点；设备是否运行；设备是否报故障、温度的数值，通讯技术的就要比这个先进很多。如果设备本身也支持通讯，那么利用通讯技术，通过PLC或DCS读取设备的相关信息。进一步利用可视化技术在上位机上就直接明了的知道那一台设备现在是运行情况。而这些，也只需要一根通讯电缆就可以解决。

我们回到仪器仪表的调试工作。目前，在市场上利用Hart协议进行仪器仪表的调试，大都采用手操器形式，如下图（电脑端窗口界面）。因为这种形式是可视化的，不需要通过查阅说明书修改设备参数，所以利用该类型手操器进行仪器仪表调试会方便很多，并且相关的手操器已经发展出无线形式，这样就进一步提升了便利性。

图1.电脑端窗口界面

通过仪器仪表调试的例子可以看出，采取通讯的方式确实能够提供相当的便利，但是采用通讯方式也是有缺点的。缺点主要体现在通讯距离上，开关量和模拟量（采用电流信号），理论上是不受距离限制的（接线电阻必须符合要求，如：镍金属温度传感器接线电阻必须小于3Ω；铂金属温度传感器接线电阻必须小于1Ω），以下是根据西门子官方研究的通讯距离举例。

表1：

串口通讯
类型	速率	最大距离
RS232C	300~115200bps	15 m
20 mA TTY	9600 bps	1000 m
	19,200 bps	500 m
422/485	115.2 kbps	250 m
	38.4 kbps	500 m
	19.2 kbps	1200 m
注：表格中最大距离数据为通信双方的接口均为隔离型。 如其中任意一方的接口为非隔离型，则最大通信距离为50M。可通过增加第三方的485中继器扩展距离。

表2：

Profibus
传输距离	总线网段电缆的最大长	两个站之间的最大距离
9.6 到 187.5 kbps	1000 m	10000 m
500 kbps	400 m	4000 m
1.5 Mbps	200 m	2000 m
3 到 12 Mbps	100 m	1000 m

表3：

以太网通讯
序号	线缆类型	两个站之间的最大距离
1	西门子标准网线及接头	100m
2	标准塑料光纤电缆(POF)	50 m
3	PCF光纤电缆	100 m
4	多模玻璃光纤	2km
5	单模玻璃光纤	26km

在日常生活中，手机充电器接头形式已经向同一方向发展，前几年还在使用Micro-USB现在基本都在用Tepy-C接口。虽然充电协议有QC、PD等，但是接口是一样的。可以预见不远的将来，充电器会保证最低充电功率协议后，最大充电功率协议不受限制。我们可以想象工业上用的运用的通讯协议，也是会按照这一方向发展的。

这么多的通讯方式在正常的工业生产中也给从业者带来很多困难，同时，我们也发现通讯的发展方向是趋同的。工业生产上常见的的标签打印机和扫描仪，使用的是RS232协议，但是物理接口一般都是RJ-45俗称“水晶头”，且受到通讯距离的限制，支持RS232协议的仪器仪表逐渐减少。 我们工业领域自动抄表项目中，使用因泰莱牌IDM30C智能数字控制仪表作为电能计量仪表，接线端为普通接线端子接线；通讯管理机使用深圳西格玛CS5000物理接口采用RJ-45方式。ABB牌ACS510系列变频器操作面板和变频器之间，物理接口形式同样采用RJ-45方式。

为什么采用RS485协议的仪器仪表也能够适用RJ-45物理接口呢，RS485协议的仪器仪表也比使用以太网通讯协议的产品多呢？那是因为无论是Profibus协议还是以太网通讯，都是在RS485基础上开发出来的，以太网通讯比Profibus容易受到干扰，所以目前阶段使用范围比使用RS485协议的产品少。但是随着五六类网线、超六类网线和带屏蔽层的工业用网线的产生，加上长距离通讯光纤的运用，使得以太网通讯有了更大的发展空间。

我们增加一些关于通讯技术基础方面的内容，这样更加方便读者对通讯的理解和工作中合理的运用。我们以在RS485通讯协议基础上发展出来的MODBUS通讯的电气特征为例，逻辑“1”以两线间的电压差为+(0.2~6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V表示，根据需要选择不同的通讯频率进行通讯。负责在通讯总线上发布查询控制命令的称之为主站（唯一），响应命令的称之为从站。主站一般为PLC、DCS，从站为被控制电气设备（如：变频器、私服控制器、电子秤）或者监控的仪器仪表（如：pH二次表、在线水分仪）。在通讯过程中，每发送一次数据称为一帧，包含：地址域（1 Bytte）、功能域（1 Bytte）、数据域（N Bytte）、校验域（2 Bytte），不同的“域”有不同的功能。每发布一次数据，都有目标从站，对应地址域；该数据需要读取、制位的功能，对应功能位；被读取、被制位的状态，对应数据域；数据有没有结束，对应校验位。

在实际运用中会简单很多，如：西门子PLC使用Profibus通讯，PLC在选型的时候所选的CPU支持Profibus通讯，模块也支持Profibus通讯，只要在编程组态的时候把总线调出来（组态过程不在此说明），从站通过拨码开关设置即可。要是仪器仪表不支持Profibus通讯，只支持RS485通讯，也是可以实现的，只不过需要在CPU组态时增加自由口通讯模块，在编程是增加自由口功能块，这些已经很成熟。

5G技术是新一代信息通讯和工业控制相结合的最好契机，为工业应用提供了数字化，网络化、智能化实现的途径。5G技术可以实现远程协同设计、远程控制、AI视觉、设备感知、等先进技术在工业上的应用，从而达到提升生产效率的目的。未来，远程控制、设备预测性维修等场景将会主要运用场合。

注：本文提及编程软件为西门子STEP 7 v5.5； PLC的CUP为S7-400系列；PLC的模块为S7-300系列；上位机为西门子SIMATIC WinCC v7.5 SP2；

参考文献：

[1]西门子SIMATIC STEP 7  v5.5编程手册；

[2]西门子SIMATIC S7-300模块数据；

[3]IFM LMTx9x操作说明；

[4]ABB低压交流传动 ACS510-01用户手册；

[5]ABB变频器CN_ACS580_FW_rev用户手册；

[6]西门子MM440系列用户手册；

[7]基恩士夹钳式流量传感器FD-X系列说明书；

[8]E+H牌温度变送器TM411-1E63使用说明书；

[9]因泰莱牌IDM30C智能数字控制仪表使用说明书；

[10]西格玛牌CS5000通讯管理机使用说明书；