与发射机通话

过程控制系统供应商通常必须提供一系列I/O(输入/输出)选项，以便与用户在过程单元中部署的过程传感器和执行器中可能发现的各种信号类型进行通信。这些传感器包括“四大”过程变量(流量、压力、温度和液位)的传感器，以及控制阀、安全传感器、分析仪、称重单元等。

如果所有这些设备都有一种通信方式，生活就会简单得多，但它们没有。三种最常见的通信格式包括:HART模拟、数字(二进制)和脉动。(目前我们将忽略各种现场总线协议、无线和以太网。)让我们来看看这三个。

模拟

最常见的模拟通信协议是4- 20ma电流环路。在当今的现场设备产品中，添加HART通信也是很常见的。其他可能有电压信号、电阻信号、脉冲信号，可能还有其他更专业的信号。但这一切意味着什么呢?

传感器通过调制一些电信号来测量它想要的变量。它可以引起电压、电阻或电容的变化。例如:

• 热电偶产生与温度相关的电压
• 应变计、热敏电阻和rtd会根据运动或温度改变电阻
• 一些压力传感器设计使用电容的变化来量化压力的变化。

直接来自传感器的原始信号通常不适合按原样发送到控制系统。它需要通过一些额外的电路来控制信号缩放、线性、补偿和放大。具有这种能力的设备通常称为换能器。热电偶和rtd是例外，因为许多控制系统具有可以直接接收此类信号的I/O卡;然而，这些信号非常微弱，难以远距离传输。它们也会受到干扰，因此当处理单元及其控制系统变得更加复杂时，用户将更多地插入发射器来增强信号。大多数温度变送器也可以与各种热电偶和RTD类型接口。请记住，术语“换能器”和“发射机”通常可以互换使用，但后者表明有能力调节信号并将信号发送到更远的距离。

在大多数情况下，这个更强大的信号将是一个4- 20ma电流回路。变送器将从控制系统的I/O连接中的电源中提取给定的24vdc电流电平，对应于变量。该变量的零读数将绘制4ma，最大读数绘制20ma。任何超出这些限制的东西都表明有故障。

双线制设备可以使用从电源中获得的电流为其内部电路供电，这意味着所有设备都可以在4毫安或更低的电压下工作，因此不需要其他电源。然而，有些设备不能在4ma下工作，它们需要外部电源。这些是四线设备，其中两根电线传输过程变量，两根电线输入所需的任何水平的电力。科里奥利流量计是需要外部电源的设备的典型例子。有些模型使用更有创意的方法，并将信号格式更改为10-20 mA。虽然这压缩了可用的信号范围，但它不需要额外的电源连接。

大多数制造商已经对这种信号格式进行了标准化，从其他电流环路值和电压开始。旧的电压信号已经失去了理想的，由于他们的易感性的线路损耗通过导线电阻。

将HART添加到模拟信号中是一种通过调制当前信号来携带附加信息的方法，该方法允许在不破坏基本过程变量的情况下将数字信息搭载在模拟信号上。(下文将详细介绍HART。)仔细观察模拟信号会发现它不是一条直线，而是以1.2或2.2 kHz调制以携带二进制序列。如果没有调制解调器，I/O连接无法“看到”数字信号，因此正常的过程变量不会改变。

数字

在某些情况下，称信号为“数字”意味着类似于现场总线、Modbus或以太网的信号，其中数据以数据包的形式发送。然而，在这种情况下，我们讨论的是二进制信号，或者只是开或关的信号。有许多过程传感器不发送标量数据。它们被简单地设置为当变量越过特定阈值时改变信号状态。例如，当液位太接近底部时，水箱中的低液位报警器就会打开。另一种可能是压力开关，当储罐中的压力达到给定点时，它会打开压缩机。

这种装置可以简单地关闭或打开一组触点，如继电器。在其他情况下，模拟信号可能发生变化。开表示20毫安，关表示4毫安，但这实际上是一个模拟设备。

脉冲

有些传感器，特别是涡轮流量计，以脉动的形式发出信号，其频率表示过程变量。这种流量计使用接近传感器，每次涡轮螺旋桨经过时都会触发。更高的流量使涡轮旋转更快，并以更高的频率发送脉冲。计算频率提供了模拟测量。

这种信号格式的多样性源于希望为给定的工作提供最好的工具，但实际结果可能会让最终用户感到困惑。至少信号格式的数量在最近几年已经减少了，系统供应商正在做更好的工作来容纳剩下的那些。

彼得·韦兰德是控制工程．打电话给他。pwelander@cfemedia.com．

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