在工業(yè)控制系統(tǒng)中，各類傳感器、執(zhí)行器和控制器之間的信號(hào)傳輸是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)。這些信號(hào)的格式與傳輸方式直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和抗干擾能力。我們將從工業(yè)信號(hào)的分類、常見格式及其應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行科普，幫助您更好的了解這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)。

工業(yè)信號(hào)的基本分類

工業(yè)信號(hào)按照物理特性可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類，這是所有信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)劃分方式。

模擬信號(hào)
模擬信號(hào)以連續(xù)變化的電壓或電流值表示物理量（如溫度、壓力、流量等）。其特點(diǎn)是信號(hào)值與實(shí)際物理量呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，在溫度傳感器中，0-100℃可能對(duì)應(yīng)4-20mA的電流信號(hào)。
優(yōu)點(diǎn)：能夠精確反映連續(xù)變化的物理量，適用于高精度場(chǎng)景。
缺點(diǎn)：易受電磁干擾，長距離傳輸可能導(dǎo)致信號(hào)衰減。

數(shù)字信號(hào)
數(shù)字信號(hào)通過離散的二進(jìn)制數(shù)值（0和1）傳遞信息，常見于開關(guān)量控制（如設(shè)備啟停）或復(fù)雜數(shù)據(jù)通信（如設(shè)備狀態(tài)傳輸）。
優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可通過校驗(yàn)機(jī)制保證數(shù)據(jù)完整性。
缺點(diǎn)：需依賴協(xié)議解析，對(duì)傳輸速率和帶寬有一定要求。

工業(yè)場(chǎng)景中的典型信號(hào)格式

電流信號(hào)：4-20mA標(biāo)準(zhǔn)

在過程控制領(lǐng)域（如化工、電力），4-20mA電流信號(hào)是應(yīng)用最廣泛的模擬信號(hào)格式。其特點(diǎn)包括：

斷線檢測(cè)：當(dāng)電流低于4mA時(shí)，可判定為線路故障。

抗干擾性：電流信號(hào)受線路電阻影響較小，適合長距離傳輸（通常可達(dá)1km）。

安全設(shè)計(jì)：最低值設(shè)為4mA而非0mA，避免與設(shè)備斷電混淆。

應(yīng)用場(chǎng)景：壓力變送器、液位計(jì)等需要高精度連續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備。

電壓信號(hào)：0-10V與1-5V

電壓信號(hào)常見于短距離、低成本的場(chǎng)景：

0-10V：多用于變頻器調(diào)速、小型傳感器。

1-5V：通過設(shè)置1V的基準(zhǔn)值，可識(shí)別線路斷開故障。

局限性：電壓信號(hào)易受線路阻抗影響，傳輸距離一般不超過50米。

脈沖信號(hào)

通過單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量或頻率傳遞信息，典型應(yīng)用包括：

流量計(jì)量：渦輪流量計(jì)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生固定脈沖數(shù)，累計(jì)脈沖計(jì)算總量。

位置檢測(cè)：旋轉(zhuǎn)編碼器通過脈沖數(shù)記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

數(shù)字通信協(xié)議

隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，數(shù)字協(xié)議逐漸成為主流：

HART協(xié)議：在4-20mA基礎(chǔ)上疊加數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙向通信（如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)）。

Modbus RTU：基于RS-485的串行協(xié)議，支持多設(shè)備組網(wǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線：如PROFIBUS、CANopen等，支持高速、多節(jié)點(diǎn)通信。

信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

抗干擾設(shè)計(jì)

工業(yè)環(huán)境中存在電機(jī)啟停、變頻器諧波等強(qiáng)干擾源，常用防護(hù)措施包括：

屏蔽雙絞線：減少電磁耦合干擾。

信號(hào)隔離器：通過光電或磁電隔離切斷地環(huán)路。

濾波電路：濾除特定頻率的噪聲。

信號(hào)轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化

由于設(shè)備廠商標(biāo)準(zhǔn)不一，需通過信號(hào)調(diào)理器完成格式轉(zhuǎn)換。例如：

將熱電阻的電阻值轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)。

將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)報(bào)文。

時(shí)間同步需求

在運(yùn)動(dòng)控制等場(chǎng)景中，精確的時(shí)間同步至關(guān)重要。**IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）**可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)同步，廣泛應(yīng)用于多軸協(xié)同控制。

工業(yè)信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化
傳統(tǒng)模擬信號(hào)逐漸被工業(yè)以太網(wǎng)（如EtherCAT、PROFINET）取代，支持更高速率（100Mbps以上）和設(shè)備互聯(lián)。

無線傳輸技術(shù)
Wi-Fi 6、5G等技術(shù)的應(yīng)用，使旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如機(jī)械臂）的布線難題得到緩解，但需解決實(shí)時(shí)性和可靠性問題。

邊緣計(jì)算集成
在信號(hào)采集端增加預(yù)處理功能，例如通過智能變送器直接完成溫度補(bǔ)償、量程轉(zhuǎn)換等操作。

結(jié)語

工業(yè)信號(hào)格式的選擇需綜合考慮精度、距離、成本和環(huán)境因素。隨著技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)模擬信號(hào)與新型數(shù)字技術(shù)正在融合發(fā)展。理解這些基礎(chǔ)信號(hào)特性，有助于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升工業(yè)控制的可靠性與效率。

審核編輯 黃宇