下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
工业数据与工业通信协议在工业自动化和过程控制领域扮演着重要的角色。工业数据是指在生产过程中产生的各种数据，如传感器数据、设备状态数据、生产参数等。这些数据对于掌握生产情况、优化生产过程和提高生产效率具有重要意义。工业通信协议则是指用于实现不同设备和系统之间通信的规范和标准。
工业数据信号传输的需求促进了远传仪表的产生。远传仪表作为一种数据传输工具，能够将工业现场的数据通过远程通信方式传输到监控中心或其他数据处理系统，实现对工业过程的实时监测和远程控制。这种传输方式提高了数据传输的效率和可靠性，便于对工业数据进行集中管理和分析。因此，远传仪表的出现是对工业数据信号传输需求的有效回应和解决方案，如图3-1所示。
图3-1 就地仪表与远传仪表
工业数据信号传输技术的发展主要经历了模拟信号时代、数字信号时代、网络化时代三个阶段。图3-2为工业数据信号传输技术的发展历程，其将工业数据信号传输与工业自动化仪表及控制系统联系在一起，体现了相互之间的映射关系。
❑模拟信号时代：在早期的工控系统中，主要采用模拟信号。这些信号由传感器、执行器等设备产生，表现为电压、电流等连续变化的物理量。典型代表是早期的气动与电动信号。
❑数字信号时代：随着计算机技术的发展，数字信号在工控系统中逐渐取代了模拟信号。得益于数字信号的优势，出现了HART协议这种过渡型的混合型信号，以及现场总线的数字型和无线数字型信号。
图3-2 工业数据信号传输技术的发展历程
❑网络化时代：随着互联网的普及，工控系统开始采用网络化方式进行信号传输和处理。借助网络，各个设备能够实时共享数据，实现远程监控和控制。网络化的信号传输理论上仍属于数字信号传输，此时现场总线也得到拓展，形成了适配网络协议传输的总线协议。
工业数据信号传输离不开信号，最早的仪表信号是用模拟方式传输的，例如气动压力信号、0～10V电压、1～5V电压、0～20mA电流、4～20mA电流等。随着技术的发展，现代工业数据收集包含多个步骤，如涉及多种设备和不同工业通信协议的解析、多种来源工业数据的格式转换、实时数据的存储及其预处理等，接下来将对工业数据信号传输中的相关技术进行简要介绍。
以压缩空气作为能源的仪表称为气动仪表。气动信号是指利用洁净压缩空气，将压力、流量以及液位等过程参数转换为可传送的空气压力信号。气动仪表的标准传输信号范围为20～100kPa。
传输电流信号或电压信号的仪表为电动仪表，也称DDZ仪表。这种仪表主要传输两种类型的信号，即0～10mA和4～20mA的直流电流信号。其中，DDZ-Ⅰ型和DDZ-Ⅱ型仪表使用0～10mA的直流电流信号，DDZ-Ⅲ型仪表则采用4～20mA的直流电流信号。
在介绍模拟量信号前，首先需要清楚开关量信号、模拟量信号、数字量信号间的关系。
❑开关量信号：由一对触点构成，这两个触点存在两种状态，即闭合状态或断开状态。例如对于一只压力表，开关量信号负责传递压力是否存在的信息，即有压力与无压力的状态。
❑模拟量信号：模拟量信号是指幅度随时间不断变化的信号，如电压和电流。这些信号在经过采样和量化处理后，转变为数字量信号。模拟量指的是那些不能被PLC直接处理的连续变化的物理量。为了处理这些物理量，需要在模拟量输入模块中将它们转换成与输入信号成比例的数字量。以压力表为例，压力大小是通过将压力值转化为电压或电流这类模拟量信号来传递的。
❑数字量信号：这类信号由0和1构成，通常经过编码而呈现出规律性。它们与模拟量信号之间的关系在于，数字量信号是模拟量信号经量化处理后的结果。在PLC系统中，数字量要在模拟量输出模块中将其转换为与相应数字信号成比例的电压或电流，这增强了系统的抗干扰能力。
本节最重要的概念是开关量和模拟量信号，简单地说，开关量用于控制，模拟量用于调节。
国际电工委员会（IEC）制定的4～20mA（1～5V）信号标准被广泛应用于过程控制系统的模拟信号传输。自DDZ-Ⅲ型电动仪表开始，我国一直遵循这一国际信号标准。在此标准下，仪表传输信号使用4～20mA的电流范围，联络信号则采用1～5V的电压范围，即采用电流传输、电压接收的信号系统。
模拟量信号传输可采用电压信号（0～10V、0～24V），但工业上最常采用4～20mA电流来传输。由于连接电缆可能存在电阻较高以及传输距离较远等问题，使用电压信号进行远程传输时，电线电阻与接收仪表输入电阻的分压作用可能会导致明显的误差。然而，当使用恒定电流源信号进行长距离传输时，如果传输回路是单一直线且没有分支，那么流经回路的电流便不会因电线长度不同而改变，从而可以保证信号传输的精准度。
出于安全防爆的考虑，选择20mA作为最大电流限制，因为这样的电流水平在开关动作时产生的电火花不足以引燃瓦斯。同时，没有将电流下限设定为0mA的目的是保证线路断开时能够被及时检测到。在正常操作中，电流水平应维持在4mA以上，若传输线路发生故障而导致断开，环路中的电流会降至零。
模拟量信号也容易被恶意攻击者利用，进而遭受各种形式的攻击。例如，攻击者可以通过对模拟量信号的干扰或篡改，来影响信号的完整性和准确性，进而达到窃取信息、破坏系统等目的。在特定的高压情况下，当模拟信号的电压水平超过供电电压时，可能会导致供电电压降至故障信号二极管的压降范围内。在这种情况下，内部的二极管会进入正向偏置状态，使得电流从输入信号流向电源。此外，过压信号还可能通过开关并继续流向下游的元件，对其造成损害。
因此，对于模拟信号的处理和传输，需要采取一系列的保护措施，以确保信息的安全性和完整性。例如，采取必要的物理隔离防护，并使用电磁屏蔽效果更好的屏蔽电缆。
随着微电子技术的持续发展，微处理器已广泛应用于各种变送器、传感器、控制器，甚至是集散控制系统和可编程逻辑控制器。传输需求的大幅增长使得现场设备与控制室设备之间必须交换大量的信息，而传统的模拟信号传输方式已不足以应对现场的实际需求。此外，现场仪表的安装位置有时并不理想，这给现场参数调试带来不便。因此，急需一种全数字化、双向、多变量的通信解决方案来替代传统的模拟传输方法。
HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是工业自动化领域的一种通信协议，它主要用来解决传统4～20mA模拟信号传输方式的局限性。传统的模拟信号只能提供有限信息，无法实现设备参数的远程监测和调整，HART协议通过FSK技术将数字信号叠加于4～20mA的信号之上，使仪表和控制系统之间既能传输模拟量信号，也能通过数字通信实现设备的配置、诊断和校准等功能。
在图3-3所示的点对点网络中，传统的电流信号用于控制过程，配置参数通过HART协议进行数字传输。HART多点通信网络用于设备间距较大的情况。
图3-3 点对点网络
如图3-4所示，与主设备通信只需要两根电线。如果需要，配置IS屏蔽和辅助电源可用于多达15个设备。
图3-4 多点网络
HART协议的目的是对仪表进行监测与远程调校，调校过程分为以下三步。
1）将模拟变送器值与内部生成的可追溯参考值进行比较，以此判断是否需要对现场设备进行校准。
2）量程模块分别使用4mA和20mA的上下量程值，需要对传感器值的量程进行校准。
3）量程模块的输出传递给DAQ块，随后该模块将百分比范围值转换为环路电流信号。必要时需要对电流回路进行校准。
HART协议参考了OSI模型，它使用了物理层、数据链路层和应用层，因此也存在网络安全问题。不法分子可使用手持终端接入HART网络，或者直接采取搭线窃听的方式，对现场设备进行非法控制与数据篡改。