0.3 計算機測控系統的輸入/輸出信號

工業生產過程實現計算機測控的前提是，必須將工業生產過程的工藝參數、工況邏輯和設備運行狀況等物理量經過傳感器或變送器轉變為計算機可以識別的電信號（電壓或電流）或邏輯量。在實際工程中，通常將電信號分為模擬量信號和開關量信號。

1.模擬量信號

許多來自現場的檢測信號都是模擬信號，如液位、壓力、溫度、位置、PH值、電壓、電流等，通常都是將現場待檢測的物理量通過傳感器轉換為電壓或電流信號；許多執行裝置所需的控制信號也是模擬量，如調節閥、電動機、電力電子的功率器件等的控制信號。

模擬信號有兩種類型：一種是由各種傳感器獲得的低電平信號；另一種是由儀器、變送器輸出的4～20 mA的電流信號或1～5 V的電壓信號。這些模擬信號經過采樣和A/D轉換輸入計算機后，常常要進行數據正確性判斷、標度變換、線性化等處理。

模擬信號非常便于傳送，但它對干擾信號很敏感，容易使傳送中的信號的幅值或相位發生畸變。因此，有時還要對模擬信號進行零漂修正、數字濾波等處理。

模擬量輸出信號可以直接控制過程設備，而過程又可以對模擬量信號進行反饋。閉環PID控制系統采取的就是這種形式。模擬量輸出還可以用來產生波形，這種情況下D/A變換器就成了一個函數發生器。

模擬信號的常用規格如下所述。

1）1～5 V電壓信號

1～5 V電壓信號規格通常用于計算機測控系統的過程通道。工程量的量程下限值對應的電壓信號為1 V，工程量上限值對應的電壓信號為5 V，整個工程量的變化范圍與4 V的電壓變化范圍相對應。過程通道也可輸出1～5 V電壓信號，用于控制執行機構。

2）4～20 mA電流信號

4～20 mA電流信號通常用于過程通道和變送器之間的傳輸信號。工程量或變送器的量程下限值對應的電流信號為4 mA，量程上限對應的電流信號為20 mA，整個工程量的變化范圍與16 mA的電流變化范圍相對應。過程通道也可輸出4～20 mA電流信號，用于控制執行機構。

有的傳感器的輸出信號是毫伏級的電壓信號，如K分度熱電偶在l 000 ℃ 時輸出信號為41.296 mV。這些信號要經過變送器轉換成標準信號（4～20 mA）后再送給過程通道。熱電阻傳感器的輸出信號是電阻值，一般要經過變送器轉換為標準信號（4～20 mA）后再送到過程通道。

對于采用4～20 mA電流信號的系統，只需采用250 Ω 的電阻就可將其變換為1～5 V直流電壓信號。

2.開關量信號

有許多的現場設備往往只對應于兩種狀態，例如，按鈕、行程開關的閉合和斷開、電動機的起動和停止、指示燈的亮和滅、儀器儀表的BCD碼、繼電器或接觸器的釋放和吸合、晶閘管的通和斷、閥門的打開和關閉等，可以用開關輸出信號去控制或者對開關輸入信號進行檢測。

開關信號是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號。在二進制系統中，數字信號是由有限字長的數字組成的，其中每位數字不是0就是1。數字信號的特點是，它只代表某個瞬時的量值，是不連續的信號。開關信號的處理主要是監測開關器件的狀態變化。

開關量信號反映了生產過程、設備運行的現行狀態、邏輯關系和動作順序。例如，行程開關可以指示出某個部件是否達到規定的位置，如果已經到位，則行程開關接通，并向工控機系統輸入1個開關量信號；又如工控機系統欲輸出報警信號，則可以輸出1個開關量信號，通過繼電器或接觸器驅動報警設備，發出聲光報警。如果開關量信號的幅值為TTL/CMOS電平，有時又將一組開關量信號稱為數字量信號。

開關量輸入信號有觸點輸入和電平輸入兩種方式。觸點又有動合和動開之分，其邏輯關系正好相反，猶如數字電路中的正邏輯和負邏輯。工控機系統實際上是按電平進行邏輯運算和處理的，因此工控機系統必須為輸入觸點提供電源，將觸點輸入轉換為電平輸入。開關量輸出信號也有觸點輸出和電平輸出兩種方式。輸出觸點也有動合和動開之分。

數字（開關）信號輸入計算機后，常常需要進行碼制轉換的處理，如BCD碼轉換成ASCII碼，以便顯示數字信號。

對于開關量輸出信號，可以分為兩種形式：一種是電壓輸出，另一種是繼電器輸出。電壓輸出一般是通過晶體管的通斷來直接對外部提供電壓信號的，繼電器輸出則是通過繼電器觸點的通斷來提供信號的。電壓輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，但帶負載能力弱；繼電器輸出方式則與之相反。對于電壓輸入，又可分為直流電壓和交流電壓，相應的電壓幅值可以為5 V、12 V、24 V和48 V等。

針對某個生產過程設計一套計算機測控系統，必須了解輸入/輸出信號的規格、接線方式、精度等級、量程范圍、線性關系、工程量換算等諸多要素。