工程項(xiàng)目中常用模擬量信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換

河鋼集團(tuán)唐鋼公司信息自動(dòng)化部 王偉偉

1 引言

在現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如何讓控制系統(tǒng)知道被控對(duì)象的運(yùn)行情況和被控狀態(tài)并作出相應(yīng)的反應(yīng)，這就需要利用現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器采集被控對(duì)象的各種參數(shù)，并把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換更電信號(hào)，傳輸給控制系統(tǒng)。本文將主要介紹傳感器的工作原理，信號(hào)類(lèi)型，傳輸方式，轉(zhuǎn)換方法。

2 溫度信號(hào)

溫度是過(guò)程控制系統(tǒng)中重要的被控變量之一，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用非接觸式測(cè)溫方式，檢測(cè)方式包括熱膨脹原理法、壓力溫度原理法、熱效應(yīng)法、熱電阻原理法及熱輻射原理法等?，F(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的是熱電阻原理法和熱電勢(shì)原理法。

2.1 熱電阻原理法

熱電阻的測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度數(shù)據(jù)。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此處以PT100熱電阻為例，PT100是指100Ω鉑熱電阻，一般用于650℃以下的工業(yè)環(huán)境，高于該溫度，將產(chǎn)生偏差。

PT100的接線(xiàn)方法一般采用三線(xiàn)制，在熱電阻的根部的一端連接一根導(dǎo)線(xiàn)，另一端連接兩根導(dǎo)線(xiàn)，采用三線(xiàn)制是為了消除連接導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線(xiàn)也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，特別容易造成測(cè)量誤差。采用三線(xiàn)制，將導(dǎo)線(xiàn)一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。

PLC信號(hào)采集模塊一般選用331-1KF01-0AB0，硬件和軟件中都要選擇好一致的測(cè)量信號(hào)類(lèi)型RTD（熱電阻線(xiàn)性），軟件中測(cè)量范圍選擇PT100。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：西門(mén)子PLC采集的模擬量信號(hào)PIW，一般都是整數(shù)格式，所以需要轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的實(shí)數(shù)格式。利用西門(mén)子已有的轉(zhuǎn)換功能塊，I_DI把整數(shù)變成雙整數(shù)，然后利用DI_R把雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)。（下文中所有的介紹的模擬量信號(hào)都需要首先按如此方式轉(zhuǎn)換）。因?yàn)镻T100的分辨率為100，所以用轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的實(shí)數(shù)除以100，就是所得的溫度信號(hào)值。

2.2 熱電勢(shì)原理法

熱電勢(shì)原理法最典型的代表就是熱電偶，當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)0，稱(chēng)為參考端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱(chēng)為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱(chēng)為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱(chēng)為“熱電動(dòng)勢(shì)”。這電動(dòng)勢(shì)其實(shí)就是電壓信號(hào)，PLC模塊根據(jù)電壓信號(hào)的變化來(lái)讀取溫度值。熱電偶在使用過(guò)程中，要采用與其型號(hào)相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與控制系統(tǒng)連接，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用就是為了消除導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶連接處根據(jù)環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的誤差。

圖1 熱電阻接線(xiàn)原理圖

熱電偶的接線(xiàn)方法相比熱電阻要簡(jiǎn)單，一般采用兩線(xiàn)制，正極負(fù)極對(duì)應(yīng)接好即可。以S級(jí)熱電偶為例，S級(jí)熱電偶的正負(fù)極是鉑銠合金與純鉑組成。測(cè)量范圍可以達(dá)到0-1600℃，一般加熱爐中應(yīng)用比較廣泛。

熱電偶的數(shù)據(jù)采集，采用西門(mén)子331-7PF11-OAB0，軟件中測(cè)量類(lèi)型選擇TC-IL分度號(hào)選擇S型熱電偶，根據(jù)上文的方法，轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，再將這個(gè)實(shí)數(shù)除以10，就可以得出所測(cè)量的溫度值。

3 電流信號(hào)

這里所提到的電流信號(hào)，是指模擬量信號(hào)的電流信號(hào)，一般為4-20mA，通過(guò)電流信號(hào)傳輸?shù)膫鞲衅饔泻芏?，比如，測(cè)量介質(zhì)壓力、閥門(mén)開(kāi)度、介質(zhì)濃度、距離長(zhǎng)度等等。所以作者把這些統(tǒng)一歸類(lèi)到電流信號(hào)類(lèi)別里。電流信號(hào)到處理，不管現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)數(shù)據(jù)是什么類(lèi)型，壓力，開(kāi)度，等等，轉(zhuǎn)換方法基本都是一樣的。

電流信號(hào)的采集：電流信號(hào)一般采用西門(mén)子331-7KF01-OAB0，測(cè)量型號(hào)選擇電流信號(hào)，值得注意的是，這里的電流信號(hào)還分為兩類(lèi)，2線(xiàn)制與4線(xiàn)制。（二者的區(qū)別在于，信號(hào)是有源還是無(wú)源。2線(xiàn)制是現(xiàn)場(chǎng)傳感器沒(méi)有獨(dú)立的外部電源供給，直接靠PLC模塊供電進(jìn)行工作，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，施工時(shí)簡(jiǎn)單，快速，接線(xiàn)工人容易理解；但是缺點(diǎn)也很明顯，就是，如果在比較惡劣的工況下，導(dǎo)線(xiàn)損壞，很容易導(dǎo)致短路，直接燒壞PLC模塊。4線(xiàn)制是現(xiàn)場(chǎng)傳感器有外部的獨(dú)立供電電源，產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)，用萬(wàn)用表測(cè)量電壓值為0，只有電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，抗干擾能力強(qiáng)，模塊不直接供電，即使現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生短路，也不易傷損PLC模塊。缺點(diǎn)就是施工麻煩，成本提高。）

數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換：現(xiàn)場(chǎng)采集的電流信號(hào)為整數(shù)格式，首先按上文方法，轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)格式。

4-20mA的信號(hào)區(qū)別于上文的電阻或者電壓信號(hào)，4-20mA對(duì)應(yīng)的是一個(gè)量程，AI模塊每個(gè)通道轉(zhuǎn)換到數(shù)字量的時(shí)候，如果是單極性信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是0到27648，雙極性對(duì)應(yīng)的是－27648到27648。4－20毫安信號(hào)是單極性，所以對(duì)應(yīng)的是0－27648。計(jì)算公式為：

T*(MAX-MIN)/27648+MIN，其中，T為模塊讀取的值（實(shí)數(shù)格式），MAX傳感器量程最大值，MIN傳感器量程最小值，(MAX-MIN)/27648即為該傳感器的最小分辨率。

根據(jù)公式所計(jì)算的出來(lái)的結(jié)果，即為所測(cè)數(shù)據(jù)值。

值得注意的是，當(dāng)采用差壓變送器測(cè)量介質(zhì)流量時(shí)，根據(jù)上述公式計(jì)算，得出的結(jié)果只是差壓變送器的差壓值，不是實(shí)際的介質(zhì)流量。想要得出介質(zhì)流量，還需要根據(jù)流量計(jì)廠家所提供的計(jì)算書(shū)，進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。也可以采用通用公式Q/Q1=√(ΔP/P1)，其中Q為流量計(jì)算值，Q1為流量計(jì)流量最大量程，ΔP為所測(cè)壓差值（用模擬量轉(zhuǎn)換計(jì)算公式轉(zhuǎn)換而來(lái)）P1為流量計(jì)上差壓變送器最大量程。

該公式計(jì)算所得的數(shù)據(jù)是不考慮溫度和壓力的影響的，不能作為計(jì)量依據(jù)，有一定的誤差。但是可以作為自控系統(tǒng)的參考數(shù)據(jù)。

4 SSI接口信號(hào)

SSI信號(hào)英文全稱(chēng)Synchronous Serial Interface，SSI接口通信協(xié)議是一種帶有幀同步信號(hào)的串行數(shù)據(jù)協(xié)議，全雙工的串行接口。是通過(guò)二個(gè)信號(hào)（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)）的串行方式來(lái)傳輸，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)是差分方式傳送（RS422），信號(hào)傳輸精確，抗干擾能力較強(qiáng)，適合長(zhǎng)距離傳輸。

以SSI接口信號(hào)為傳輸方式的傳感器主要是編碼器（絕對(duì)值型），MTS位移傳感器（俗稱(chēng)磁尺），代碼類(lèi)型一般采用格雷碼或者二進(jìn)制碼。

圖2

SSI接口信號(hào)的采集一般用西門(mén)子338-4BC01-OABO，在STEP7硬件配置中，SSI位數(shù)，代碼類(lèi)型要根據(jù)編碼器或者磁尺的銘牌數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置，比如銘牌標(biāo)注信號(hào)25bit，gray。指的是SSI位數(shù)為25位，采用格雷碼碼值。信息一定要一一對(duì)應(yīng)，否則計(jì)算出的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。

銘牌中還有一個(gè)重要的信息就是分辨率，這個(gè)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中要用到。SSI接口信號(hào)采集到模塊中為雙整數(shù)格式，需要先把雙整數(shù)格式轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，用這個(gè)實(shí)數(shù)乘以銘牌中的分辨率就可以得出該傳感器當(dāng)前的測(cè)量值。