3、数据采集的物理层：传感器与执行器、模拟量信号与数字量信号、信号隔离与抗干扰

大家好，我是老张。今天咱们聊聊数据采集的物理层。说白了，就是传感器怎么把物理世界的温度、压力、流量这些玩意儿，变成PLC能认得的电信号。

我刚开始做项目那会儿，总觉得这层没啥技术含量。后来吃过亏才明白——物理层要是没整明白，上层写得再花哨也是白搭。信号一飘，数据全废。

3.1 传感器与执行器：现场的眼睛和手

传感器是啥？就是现场的眼睛。它把物理量变成电信号。执行器呢？就是手。它接收PLC的指令，去开关阀门、调节转速。

常见的传感器类型：

• 温度传感器：热电偶、热电阻（PT100）、热敏电阻
• 压力传感器：压阻式、电容式、谐振式
• 流量传感器：电磁式、涡街式、超声波式
• 液位传感器：浮球式、雷达式、静压式
• 位移传感器：LVDT、编码器、接近开关

常见的执行器类型：

• 电动执行器：调节阀、开关阀
• 气动执行器：气缸、气动阀门
• 液压执行器：液压缸、液压马达
• 变频器：控制电机转速
• 继电器/接触器：通断控制

3.2 模拟量信号：4-20mA与0-10V

模拟量信号，就是连续变化的信号。工业现场最常用的就两种：4-20mA电流环和0-10V电压信号。

3.4-20mA电流环

这个是我最喜欢的信号类型。为啥？因为它抗干扰能力强。电流信号不像电压信号，线路上有压降也不怕。你想想看，电流在回路里是恒定的，只要接收端内阻够小，信号就不会衰减。

4-20mA的特点：

• 4mA代表零值：不是0mA。为什么？因为4mA可以用来给传感器供电，还能检测断线。如果信号掉到0mA，你就不知道是信号为零还是线断了。
• 20mA代表满量程：比如一个0-100℃的温度变送器，4mA对应0℃，20mA对应100℃。
• 两线制/四线制：两线制信号和供电共用两根线，四线制分开。

3.2.2 0-10V电压信号

0-10V信号在楼宇自控和部分工业设备里用得比较多。它的优点是接线简单，但抗干扰能力不如4-20mA。

0-10V的特点：

• 0V代表零值：没法区分是信号为零还是线路故障。
• 10V代表满量程：比如一个0-10V的位移传感器，0V对应0mm，10V对应100mm。
• 容易受干扰：长距离传输时，线路电阻和电磁干扰都会影响精度。

两种信号的对比：

特性	4-20mA	0-10V
抗干扰能力	强	弱
传输距离	远（可达数公里）	近（一般几十米）
断线检测	支持（低于4mA）	不支持
接线复杂度	两线制/四线制	三线制/四线制
适用场景	工业现场、长距离	短距离、控制柜内

3.3 数字量信号：开关量与脉冲量

数字量信号，说白了就是0和1。要么通，要么断。工业现场的数字量信号主要有两种：开关量和脉冲量。

3.3.1 开关量信号

开关量信号就是最简单的通断信号。比如按钮按下去，触点闭合，PLC收到一个高电平。松开，触点断开，PLC收到低电平。

常见的开关量信号：

• 干接点：无源触点，比如继电器触点、按钮触点
• 湿接点：有源信号，比如接近开关输出的24V信号
• NPN/PNP：这是传感器输出的两种类型。NPN输出低电平，PNP输出高电平。PLC的输入模块要匹配。

3.3.2 脉冲量信号

脉冲量信号也是数字量，但它代表的是频率或计数。比如编码器输出的脉冲，每转一圈输出N个脉冲。PLC通过计数脉冲数量，就能算出转速或位置。

常见的脉冲量信号：

• 增量式编码器：输出A、B两相脉冲，可以判断方向
• 绝对式编码器：输出格雷码或二进制码，直接给出位置
• 流量计脉冲输出：每流过一定体积，输出一个脉冲

3.4 信号隔离与抗干扰

信号隔离，是工业现场最容易被忽视的环节。很多人觉得信号线接上就能用，结果现场一开机，数据乱跳。为什么？干扰。

3.4.1 干扰的来源

工业现场的干扰源太多了：

• 变频器：高频开关会产生强烈的电磁干扰
• 大功率电机：启停时会产生浪涌电流
• 焊接设备：电弧会产生宽频带干扰
• 电源谐波：开关电源产生的谐波会耦合到信号线上
• 地环路：不同设备的地电位不同，形成环流

3.4.2 信号隔离的方法

信号隔离，就是把输入和输出在电气上完全隔开。常用的隔离方式有三种：

1. 光耦隔离

光耦隔离是最常见的。输入信号驱动LED发光，光敏三极管接收光信号，输出电信号。电气上完全隔离，没有直接连接。

2. 磁耦隔离

磁耦隔离用变压器或磁环实现。信号通过磁场耦合，不直接连接。适合高频信号隔离。

3. 电容隔离

电容隔离用电容耦合信号。适合数字信号隔离，成本低，但抗共模干扰能力不如光耦。

3.4.3 抗干扰的实战技巧

除了隔离，还有一些实战技巧：

• 屏蔽线接地：模拟量信号一定要用屏蔽线，而且屏蔽层要单端接地。我习惯在PLC侧接地，传感器侧悬空。
• 信号线与动力线分开走：不要走同一个线槽。如果必须交叉，要垂直交叉。
• 使用信号隔离器：如果PLC模块不带隔离，可以在信号线上加装隔离器。一个隔离器也就几百块，比换模块便宜多了。
• 电源滤波：在PLC和传感器的电源入口加装滤波器，可以有效抑制高频干扰。
• 合理布线：信号线尽量短，不要盘成线圈。线圈会像天线一样接收干扰。

3.5 小结

物理层是数据采集的基础。传感器选型、信号类型选择、隔离和抗干扰，每一个环节都影响最终的数据质量。

我个人觉得，做SCADA系统，最怕的就是现场数据不准。你上层写得再漂亮，报表做得再花哨，数据是假的，一切都是白搭。所以，物理层一定要下功夫。

下一章，咱们聊聊PLC的模拟量模块和数字量模块，看看数据是怎么从传感器进到PLC的。