工业自动化仪表信号的远距离传输研究

工业自动化仪表信号的远距离传输研究

刘昊章

广西工联工业工程咨询设计有限公司 广西南宁 530003

摘 要：随着我国工业自动化的不断发展，仪表信号因为自身性质的原因经常出现受干扰、不稳定的情况。本文主要研究了在工业自动化背景下仪表信号的远距离传输，并提出了几点相关的建立和策略。

关键词：工业自动化；仪表信号；远距离传输

在工业生产工作的过程中，我国大部分的工厂都已经采用了自动化技术，为了保证自动化技术可以有效的进行，就需要考虑到仪表信号的具体传输能力和远距离传输的极限。通过这一方式帮助工业自动化的实现，实现工业的可持续发展。

1、制约信号传数距离的因素

1. 1. 现场仪表

在工业自动化技术中，只有最小的工作电压才可以让仪表正常的工作，理论上来讲就是指由工业控制室发出的电压在经过电气线路的时候，电压会被缩减，但是缩减后的电压也必须大于仪表所需要的工作电压，这既是仪表信号工作的原理也是仪表信号工作的最低要求。

1. 2. 控制室内的接口设备

仪表信号的传输工作离不开控制室的接口，一般情况下接口大多都是设置在安全栅、二次显示仪表、隔离器等物上。其次因为仪表信号的工作条件较容易得到满足，所以根据研究表明接口设备的使用以及工作状态甚至是工作能力都不是直接影响仪表信号远距离传输的主要原因。

1. 3. 仪表信号的类型

在工业自动化生产中所使用的仪表信号大约在20mA以下，这种信号在传输的过程中所需要的电压值以及电缆长度都比较短，因此传输效果较差只能适用于短距离传输工作。仪表信号的模式也有对应的数字量信号模式，使用较为广泛的就是罐区液位计、智能电动执行机构的智能协议等，这些信号模式和各类总线信号相差不多，它们在信号协议规范的要求之下，传输的距离虽然得到了一定的限制但是已经足够满足我国各大工业的使用要求，最大的传输距离可以达到上千米，在很大程度上解决了信号传输距离短的这一问题。

1. 4. 电缆的选择

电缆作为信号传输的主要工具，因此电缆的选择至关重要，在最开始的工程设计中有关现场仪表安装的环节中，对于现场仪表仪器和控制系统的安装是早已经就被设计师选定好的。因此，对于电缆的选择就变得尤为重要，电缆选择的好坏将会直接影响信号传输的效率以及传输距离，对于电缆来说，无论是电阻参数、电感参数还是电容参数都需要有一个特定的值，这个值必须要与实际信号传输距离成一定的比例，只有这样才能保证信号可以正常的进行传输工作。

1. 5. 本安回路的防爆要求

在本安设计中要想合理的计算仪表信号的传输距离，需要对回路中的各项参数进行匹配，这些参数主要包括电缆参数、关联设备参数等等。无论是哪一种参数都需要满足对应的匹配条件。电缆的C₁和L₁会因为信号传输距离的增加而增加，对应的比例也会越来越大，但是根据本安系统所限制的规则考虑来看，无论是C₁还是L₁在理论和实际上都不允许无限制的增加，进而本安的防爆功能也成为了可以影响信号传输距离的因素之一。

2、理论计算仪表的最远传输距离

2.1本安防爆的距离要求

根据研究得出，如果只考虑本安防爆要求的话，不考虑任何外界因素和突发状况，本安最远的传输距离可以达到一千米左右，同时要想进一步的增长信号传输距离就需要使用本安电缆，详细的测试数据见图1。

图1本安防爆的距离约束

2.2仪表最小工作电压

工厂内部经常使用的变速器为ABB型号，该变速器的最小工作电压是13.3VDC。同时还需要测量安全栅的输出电压、电缆的最大压降值，回路过程中的最大电流值，电流允许的最大电阻值等等。按照正常规模的工厂自动化设计考虑，仪器信号的传输距离可以达到21千米。从理论层面上考虑，信号的传输距离虽然有21千米之多，但是受到实际工作情况以及相关不可避免的因素影响之后，实际的传输距离在1.1千米左右。

2.3仪表信号类型

如果采用了合理的总线电缆，那么信号传输的距离就可以达到预期效果，在智能化的帮助之下，现如今的仪表可以提供普通的4到20mA的模拟量，还可以提供总线协议。其中智能雷达控制总线、智能电动阀控制总线等都可以达到上千米的信号传输距离。

2.4电缆相关因素

在信号传输的过程中，传输距离会受到电缆材料、电阻、电流量等影响，在路径中还存在着很多的干扰源，其中常见的有电气电缆和变压器等等。因为各种特殊原因的干扰，对于此类影响因素无法进行系统的分析，无法量化。根据实际的使用情况可以得知，如果在信号传输的过程中发生了超过800mH的电感出现，将会导致信号检测发生延迟，无论是时间还是准确率都出现了问题，还有着极大可能出现动作失误的情况^[1]。

3、对于各种影响信号传输因素的策略方法

3.1现场仪表

根据研究分析得知，如果想要增加工厂自动化的信号传输距离，那么就需要提高在电压稳定情况下工作电压较低的本安仪表。在面对用于安全联锁场合中的电磁阀时，需要针对实际使用功耗情况进行有针对性地计算电压值并启动电压。除了非本安防爆仪表之外，需要根据电缆距离、仪表使用功耗的具体情况进行调整，一般情况下都是适当的提高外供电工作电压的等级。在应用了智能化技术之后，我国大部分工厂都选择了智能类型的仪表，并主要选择具有针对性功能的仪表，比如可以改变传输信号类型的仪表型号，通过这种方式达到增加传输距离的目的。

3.2控制室的接口设备

对于本安系统设计来讲，接口的设计没有特别多的选择，接口的主要使用地方也是固定的。其中DCS卡件在对仪表进行供电的过程中，可以有效的减少回路中的电阻，进而减少了电缆上的允许压降。针对这一情况，工厂还可以选用隔离式安全栅，采取直接对变送器供电的方式，增加信号的传输距离。

3.3电缆的选择

目前我国对于信号传输的研究早已发展的较为成熟，电缆的选择也变得更加多种多样，功能也比较完善。在选择电缆的过程中，需要首先选择直径大一些的电缆，具体的选择方法需要根据工厂所需要的信号传输距离而设定，距离越远，直径也就越大。同时还有部分工厂采用了光缆这一传播媒介，在实际的使用过程中，信号传输距离可以达到数公里左右，可以有效的满足工厂所需要的传输距离。但是光缆也存在着一定的不方便性，光缆的使用需要在仪表和接口设备之间增加信号转换设备，才能保证信号可以正常的传输。对于经常遇到的总线问题可以使用专用的通信电缆，通信电缆可以有效的降低电缆内部的分布电容，可以有起到很好的抗干扰作用，但是该类电缆的造价较高，在使用的时候应该结合性价比等各方面因素进行考虑。

3.4采用无线传输的方式

大多数的信号传输目的都是为了将信号传输距离进行延长，保证信号可以实现远距离传输的需求，为了实现这一目的，在现场施工的过程中可以采用RTU这种现场信号收集装备，因其本身就具备远距离传输的能力。RTU设备可以有效的针对这一问题，可以使用本身无线GPRS等远程传输功能将现场信号进行无线远距离传输，从而实现要求。

结束语

综上所述，在工厂智能化应用较为广泛的背景下，信号传输功能也需要得到相应的改善，无论是传输距离还是传输性能方面都需要得到提高。信号传输距离的有效改善可以帮助工厂更好的发展。

参考文献：

[1]夏明东.工业自动化仪表信号的远距离传输[J].光电子·激光,1990(02):120-121.