工程项目中温度仪表常用模拟量信号采集与转换

    导语：三畅仪表今天主要介绍自动控制工程项目中常用模拟量信号的采集，传感器功能及使用方法介绍，PLC模拟信号采集模块的选型，信号在PLC模块中的转换方法。

1 引言
    在现代自动控制系统中，如何让控制系统知道被控对象的运行情况和被控状态并作出相应的反应，这就需要利用现场各种传感器采集被控对象的各种参数，并把这些参数转换更电信号，传输给控制系统。三畅仪表将主要介绍传感器的工作原理，信号类型，传输方式，转换方法。

2 温度信号
    温度是过程控制系统中重要的被控变量之一，工业现场通常采用非接触式测温方式，检测方式包括热膨胀原理法、压力温度原理法、热效应法、热电阻原理法及热辐射原理法等。现代自动控制系统中最常用的是热电阻原理法和热电势原理法。

2.1 热电阻原理法
    热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度数据。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此处以PT100热电阻为例，PT100是指100Ω铂热电阻，一般用于650℃以下的工业环境，高于该温度，将产生偏差。PT100的接线方法一般采用三线制，在热电阻的根部的端连接一根导线，另一端连接两根导线，采用三线制是为了
消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，特别容易造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
    PLC信号采集模块一般选用331-1KF01-0AB0，硬件和软件中都要选择好一致的测量信号类型RTD（热电阻线性），软件中测量范围选择PT100。
    数据转换：西门子PLC采集的模拟量信号PIW，一般都是整数格式，所以需要转换成可以进行浮点运算的实数格式。利用西门子已有的转换功能块，I_DI把整数变成双整数，然后利用DI_R把双整数转换成实数。（下文中所有的介绍的模拟量信号都需要首先按如此方式转换）。因为PT100的分辨率为100，所以用转换过来的实数除以100，就是所得的温度信号值。

2.2 热电势原理法
    热电势原理法最典型的代表就是热电偶，当有两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为参考端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两结点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。这电动势其实就是电压信号，PLC模块根据电压信号的变化来读取温度值。热电偶在使用过程中，要采用与其型号相对应的补偿导线与控制系统连接，补偿导线的作用就是为了消除导线与热电偶连接处根据环境温度变化所产生的误差。

图1 热电阻接线原理图

    热电偶的接线方法相比热电阻要简单，一般采用两线制，正极负极对应接好即可。以K型热电偶为例，K型热电偶的正负极是铂铑合金与纯铂组成。测量范围可以达到0-1600℃，一般加热炉中应用比较广泛。热电偶的数据采集，采用西门子331-7PF11-OAB0，软件中测量类型选择TC-IL分度号选择K型热电偶，根据上文的方法，转换成实数，再将这个实数除以10，就可以得出所测量的温度值。

3 电流信号
    这里所提到的电流信号，是指模拟量信号的电流信号，一般为4-20mA，通过电流信号传输的传感器有很多，比如，测量介质压力、阀门开度、介质浓度、距离长度等等。所以作者把这些统一归类到电流信号类别里。电流信号到处理，不管现场所测数据是什么类型，压力，开度，等等，转换方法基本都是一样的。
    电流信号的采集：电流信号一般采用西门子331-7KF01-OAB0，测量型号选择电流信号，值得注意的是，这里的电流信号还分为两类，2线制与4线制。（二者的区别在于，信号是有源还是无源。2线制是现场传感器没有独立的外部电源供给，直接靠PLC模块供电进行工作，这种方式的优点在于，施工时简单，快速，接线工人容易理解；但是缺点也很明显，就是，如果在比较恶劣的工况下，导线损坏，很容易导致短路，直接烧坏PLC模块。4线制是现场传感器有外部的独立供电电源，产生的测量信号，用万用表测量电压值为0，只有电流值。这种方式的优点在于，抗干扰能力强，模块不直接供电，即使现场发生短路，也不易伤损PLC模块。缺点就是施工麻烦，成本提高。）
    数据的转换：现场采集的电流信号为整数格式，首先按上文方法，转化成实数格式。
    4-20mA的信号区别于上文的电阻或者电压信号，4-20mA对应的是一个量程，AI模块每个通道转换到数字量的时候，如果是单极性信号对应的数字量是0到27648，双极性对应的是－27648到27648。4－20毫安信号是单极性，所以对应的是0－27648。计算公式为：
    T*(MAX-MIN)/27648+MIN，其中，T为模块读取的值（实数格式），MAX传感器量程最大值，MIN传感器量程最小值，(MAX-MIN)/27648即为该传感器的最小分辨率。
    根据公式所计算的出来的结果，即为所测数据值。
    值得注意的是，当采用差压变送器测量介质流量时，根据上述公式计算，得出的结果只是差压变送器的差压值，不是实际的介质流量。想要得出介质流量，还需要根据流量计厂家所提供的计算书，进行进一步的计算。也可以采用通用公式Q/Q1=√(ΔP/P1)，其中Q为流量计算值，Q1为流量计流量最大量程，ΔP为所测压差值（用模拟量转换计算公式转换而来）P1为流量计上差压变送器最大量程。
    该公式计算所得的数据是不考虑温度和压力的影响的，不能作为计量依据，有一定的误差。但是可以作为自控系统的参考数据。

4 SSI接口信号
    SSI信号英文全称Synchronous Serial Interface，SSI接口通信协议是一种带有帧同步信号的串行数据协议，全双工的串行接口。是通过二个信号（时钟和数据）的串行方式来传输，时钟和数据信号是差分方式传送（RS422），信号传输精确，抗干扰能力较强，适合长距离传输。
    以SSI接口信号为传输方式的传感器主要是编码器（绝对值型），MTS位移传感器（俗称磁尺），代码类型一般采用格雷码或者二进制码。

    SSI接口信号的采集一般用西门子338-4BC01-OABO，在STEP7硬件配置中，SSI位数，代码类型要根据编码器或者磁尺的铭牌数据来设置，比如铭牌标注信号25bit，gray。指的是SSI位数为25位，采用格雷码码值。信息一定要一一对应，否则计算出的结果会产生很大的偏差。
    铭牌中还有一个重要的信息就是分辨率，这个在数据转换中要用到。SSI接口信号采集到模块中为双整数格式，需要先把双整数格式转换成实数，用这个实数乘以铭牌中的分辨率就可以得出该传感器当前的测量值。