工程項目中常用模擬量信號采集與轉換

河鋼集團唐鋼公司信息自動化部 王偉偉

1 引言

在現代自動控制系統中，如何讓控制系統知道被控對象的運行情況和被控狀態并作出相應的反應，這就需要利用現場各種傳感器采集被控對象的各種參數，并把這些參數轉換更電信號，傳輸給控制系統。本文將主要介紹傳感器的工作原理，信號類型，傳輸方式，轉換方法。

2 溫度信號

溫度是過程控制系統中重要的被控變量之一，工業現場通常采用非接觸式測溫方式，檢測方式包括熱膨脹原理法、壓力溫度原理法、熱效應法、熱電阻原理法及熱輻射原理法等。現代自動控制系統中最常用的是熱電阻原理法和熱電勢原理法。

2.1 熱電阻原理法

熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度數據。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此處以PT100熱電阻為例，PT100是指100Ω鉑熱電阻，一般用于650℃以下的工業環境，高于該溫度，將產生偏差。

PT100的接線方法一般采用三線制，在熱電阻的根部的一端連接一根導線，另一端連接兩根導線，采用三線制是為了消除連接導線電阻引起的測量誤差。這是因為測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橋臂電阻，其連接導線也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環境溫度變化，特別容易造成測量誤差。采用三線制，將導線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，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。

PLC信號采集模塊一般選用331-1KF01-0AB0，硬件和軟件中都要選擇好一致的測量信號類型RTD（熱電阻線性），軟件中測量范圍選擇PT100。

數據轉換：西門子PLC采集的模擬量信號PIW，一般都是整數格式，所以需要轉換成可以進行浮點運算的實數格式。利用西門子已有的轉換功能塊，I_DI把整數變成雙整數，然后利用DI_R把雙整數轉換成實數。（下文中所有的介紹的模擬量信號都需要首先按如此方式轉換）。因為PT100的分辨率為100，所以用轉換過來的實數除以100，就是所得的溫度信號值。

2.2 熱電勢原理法

熱電勢原理法最典型的代表就是熱電偶，當有兩種不同的導體或半導體組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0，稱為參考端，回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩結點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電動勢則稱為“熱電動勢”。這電動勢其實就是電壓信號，PLC模塊根據電壓信號的變化來讀取溫度值。熱電偶在使用過程中，要采用與其型號相對應的補償導線與控制系統連接，補償導線的作用就是為了消除導線與熱電偶連接處根據環境溫度變化所產生的誤差。

圖1 熱電阻接線原理圖

熱電偶的接線方法相比熱電阻要簡單，一般采用兩線制，正極負極對應接好即可。以S級熱電偶為例，S級熱電偶的正負極是鉑銠合金與純鉑組成。測量范圍可以達到0-1600℃，一般加熱爐中應用比較廣泛。

熱電偶的數據采集，采用西門子331-7PF11-OAB0，軟件中測量類型選擇TC-IL分度號選擇S型熱電偶，根據上文的方法，轉換成實數，再將這個實數除以10，就可以得出所測量的溫度值。

3 電流信號

這里所提到的電流信號，是指模擬量信號的電流信號，一般為4-20mA，通過電流信號傳輸的傳感器有很多，比如，測量介質壓力、閥門開度、介質濃度、距離長度等等。所以作者把這些統一歸類到電流信號類別里。電流信號到處理，不管現場所測數據是什么類型，壓力，開度，等等，轉換方法基本都是一樣的。

電流信號的采集：電流信號一般采用西門子331-7KF01-OAB0，測量型號選擇電流信號，值得注意的是，這里的電流信號還分為兩類，2線制與4線制。（二者的區別在于，信號是有源還是無源。2線制是現場傳感器沒有獨立的外部電源供給，直接靠PLC模塊供電進行工作，這種方式的優點在于，施工時簡單，快速，接線工人容易理解；但是缺點也很明顯，就是，如果在比較惡劣的工況下，導線損壞，很容易導致短路，直接燒壞PLC模塊。4線制是現場傳感器有外部的獨立供電電源，產生的測量信號，用萬用表測量電壓值為0，只有電流值。這種方式的優點在于，抗干擾能力強，模塊不直接供電，即使現場發生短路，也不易傷損PLC模塊。缺點就是施工麻煩，成本提高。）

數據的轉換：現場采集的電流信號為整數格式，首先按上文方法，轉化成實數格式。

4-20mA的信號區別于上文的電阻或者電壓信號，4-20mA對應的是一個量程，AI模塊每個通道轉換到數字量的時候，如果是單極性信號對應的數字量是0到27648，雙極性對應的是－27648到27648。4－20毫安信號是單極性，所以對應的是0－27648。計算公式為：

T*(MAX-MIN)/27648+MIN，其中，T為模塊讀取的值（實數格式），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。

根據公式所計算的出來的結果，即為所測數據值。

值得注意的是，當采用差壓變送器測量介質流量時，根據上述公式計算，得出的結果只是差壓變送器的差壓值，不是實際的介質流量。想要得出介質流量，還需要根據流量計廠家所提供的計算書，進行進一步的計算。也可以采用通用公式Q/Q1=√(ΔP/P1)，其中Q為流量計算值，Q1為流量計流量最大量程，ΔP為所測壓差值（用模擬量轉換計算公式轉換而來）P1為流量計上差壓變送器最大量程。

該公式計算所得的數據是不考慮溫度和壓力的影響的，不能作為計量依據，有一定的誤差。但是可以作為自控系統的參考數據。

4 SSI接口信號

SSI信號英文全稱Synchronous Serial Interface，SSI接口通信協議是一種帶有幀同步信號的串行數據協議，全雙工的串行接口。是通過二個信號（時鐘和數據）的串行方式來傳輸，時鐘和數據信號是差分方式傳送（RS422），信號傳輸精確，抗干擾能力較強，適合長距離傳輸。

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

圖2

SSI接口信號的采集一般用西門子338-4BC01-OABO，在STEP7硬件配置中，SSI位數，代碼類型要根據編碼器或者磁尺的銘牌數據來設置，比如銘牌標注信號25bit，gray。指的是SSI位數為25位，采用格雷碼碼值。信息一定要一一對應，否則計算出的結果會產生很大的偏差。

銘牌中還有一個重要的信息就是分辨率，這個在數據轉換中要用到。SSI接口信號采集到模塊中為雙整數格式，需要先把雙整數格式轉換成實數，用這個實數乘以銘牌中的分辨率就可以得出該傳感器當前的測量值。