谈谈自动控制系统的输入输出信号
在仪表自动化工程设计中，要使设计选用的仪表、控制设备能正常运行，除了设备自身因素外，还有一个容易被忽视的因素，就是控制系统、仪表之间的信号匹配与传输。
为了描述方便，我们将所有接收信号和/或输出信号的仪表控制设备统称为集中控制设备：如DCS、PLC、SIS等控制系统，二次仪表（如调节器、指示仪、记录仪、闪光报警器等）等。
集中控制设备要接收现场仪表信号，如温度传感器、流量、压力、液位变送器等信号；集中控制设备要向现场执行器输出控制信号，如调节阀，变频器等；集中控制设备之间也有信号互相传输，如安全栅与控制系统输入卡件或盘装仪表之间等。
输入到集中控制设备的信号叫输入信号，从集中控制设备输出的信号叫输出信号。当一台仪表或设备的输出信号作为另一台仪表或设备的输入信号的时候，输出和输入的信号必须互相匹配。比如现场有一台压力变送器输出信号4~20mA到DCS系统，这就应该选择DSC系统4~20mA模拟量输入卡才能匹配。
如果信号不匹配会造成什么后果呢？
（1）集中控制设备就接受不到信号，或者接受到信号导致集中控制设备出现不正确的信息，使控制系统或者说控制回路无法正常运行；
（2）最坏的情况有可能损毁集中控制设备的部件（元件），如控制系统开关量输入卡是接受干接点信号，而发送给它的是220VAC有源接点信号，这样会导致某个通道，甚至整块卡都会损坏。
信号是控制设备之间联系的纽带，也可以说是控制设备之间对话的语言，如果语言不同，他们之间就不能相互交流，也就是说整个控制系统或者说控制回路就不可能正常运行。
因此在设计选用现场仪表、集中控制设备时，匹配好输入到集中控制设备的信号类型、集中控制设备输出到下一级控制设备的信号类型就非常重要，而自动控制系统中存在多种信号类型，人们在实际应用中，对于这些信号类型的概念又非常容易混淆。
下面我们来谈谈常用的信号类型及选用原则。
一、常用信号类型及含义
1、模拟量信号
模拟量是在时间和数量上都是连续的物理量，其表示的信号则为模拟信号。模拟量在连续的变化过程中任何一个取值都是一个具体有意义的物理量，如温度，压力，电流等。常用模拟量信号有：热电阻、热电偶、4~20mA、1~5VDC、mV等。
模拟量信号如下图：
模拟量信号通常来自现场仪表，如铂热电阻，压力，流量、液位变送器等；集中控制设备也会发送模拟量信号给调节阀，变频器等；集中控制设备之间也有模拟量信号交流，如盘装仪表之间的信号。
2、开关量信号
一般指的是触点的“开”与“关”的状态，在计算机设备中也会用“0”或“1”来表示开关量的状态。开关量分为有源开关量信号和无源开关量信号谈谈自动控制系统的输入输出信号，有源开关量信号指的是“开”与“关”的状态时带电源，通常电源是220VAC, 24VDC；无源开关量信号指的是当开关处于“开”和“关”的状态时不带电源，行话俗称之为干接点。对于控制系统来说，通常开关量输入卡件接收的是无源开关量信号，开关量输出信号根据实际应用可以有源，也可以无源。
开关量信号如下图：
开关量信号通常由现场仪表发出，如温度开关、压力，流量，物位开关、位置开关等；集中控制设备发送开关量信号到执行器，如开关阀，电磁阀等，集中控制设备之间也有开关量信号交流，如盘装仪表发出信号至闪光信号报警器等。
3、数字量信号
数字量仪表选型原则，也就是离散量，指得是分散开来的、不存在中间值的量。例如，一个开关所能够取的值是离散的，只能是开或者关，不存在中间的状况。所以数字量在时间和数量上都是离散的物理量，其表示的信号则为数字信号，数字量是由0和1组成的信号，如循环二进制码。
数字量信号如下图：
4、脉冲量信号
脉冲量就是瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。在量化后，其变化持续有规律就是数字量，在工业应用中一些流量计就可以输出脉冲信号，如椭圆齿轮量计通常使用其输出的脉冲信号。如果其由0变成某一固定值并保持不变仪表选型原则，其就是开关量。
脉冲量信号如下图：
5、通信
通信就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息，依据通信协议不同有HART、RS-485等。
二、数字量信号和模拟量信号的区别
很多人容易将数字量信号与模拟量信号混淆。
1、在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量，表示数字量的信号叫数字信号。
例如：在工厂成品打包工段，打包机每打好一包成品，发出一个信号，输入到计算机进行统计（如，每小时、每班、每天、每月的打包数量）管理，其输入信号就是数字信号。
2、在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量，表示模拟量的信号叫模拟信号。
例如：热电阻在工作时输出的电阻信号就属于模拟信号，因为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳,所以测得的电阻信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。而且，这个电阻信号在连续变化过程中的任何一个取值都是具体的物理意义，即表示一个相应的温度。
三、选用信号类型的原则
选用仪表信号类型时，除了上面提到的输出信号或输入信号的仪表信号类型必须匹配之外，我们在多年的设计和仪表选型的工作中，总结出很多非常有价值的经验，有助于降低控制系统的复杂性，控制成本，减少发生错误的概率。在这里分享4条经验给大家，希望对你们的工作有所帮助：
1、在控制系统应用中信号类型应尽可能少，可以减少控制系统输入、输出卡件类型，减少备品备件，节省投资。
比如在某个工程项目中，有一台现场仪表只能输出脉冲量信号，这时就需要选用一块脉冲量输入卡用于接收这台仪表的信号，通常情况一块脉冲量输入卡有8个通道（可接收8台仪表的信号），而现在只用了一个通道，资源利用率很低。像这种情况可以选择一台将输入脉冲量信号转换成4~20mA输出的转换器，来减少DCS系统的输入卡种类，经济上也更合理。
2、在可能的情况下，仪表信号应选用电流信号（如4~20mA）传输，如果选用电压信号（如1~5VDC）传输，在线路上会有电压降，线路越长压降越大，因此造成信号衰减。
3、在同一个工程项目中，通信信号的标准应尽可能统一，可以减少系统集成、调试、维护工作量。
4、非标准的信号（如振动传感器、速度传感器等）应将其转换成标准信号（如4~20mA），使集中控制设备易于接收。
作者简介：
邱老师，自控学堂创办人，教授级高级工程师、从事自控工程设计30余年，是国家科技进步一等奖获得者，获国务院特殊津贴、行业工程设计大师等荣誉称号，国家科技进步奖评审专家。
毕业于浙江大学化工自动化及仪表专业，在国家甲级设计院从事石油化工及化纤行业自控工程设计30余年B2B电子商务平台，任教授级高级工程师、专业总工程师、设计部主任、技术处长等职，负责专业技术管理、质量管理、技术开发B2B电子商务平台，退休后任某国家一级协会秘书长。
从事仪表自控工程设计和管理30余年，先后承担了几十个大中型工程项目的设计、施工安装指导、调试开车及新技术开发等工作。所承担的项目获得国家及省部级优秀设计奖9项、省部级科技进步一等奖3项、国家科技进步一等奖1项，获国务院特殊津贴、行业工程设计大师荣誉称号，国家科技奖评审专家。
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