工业自动化模拟信号的“黄金标准”——4~20 mA

为什么工业自动化需要一个“黄金标准”？在20世纪20年代之前， 乐器 工业自动化仪表仍然各自独立运行，彼此之间几乎没有关联。它们大多是现场安装的仪表，操作人员需要到现场查看读数。即使在操作室里设置了多个仪表的集中显示，也只是现场仪表的安装位置发生了变化而已。

如果需要将压力表从现场移至手术室，只需将压力表的取压管延伸至手术室即可。现在肯定不会这么做了，但我上世纪60年代初入行做自控设计时，也曾这样做过：将取压管铺设到手术室，并选择带边缘的压力表，因为这种压力表的边缘有孔，可以直接固定在仪表盘正面。当然，这里指的是集成了检测传感器和参数显示的仪表，例如弹簧管压力表、膜片压力表、U型管压力表、玻璃液体温度计、双金属温度计、转子流量计、机械水表、玻璃管水位计等等。

但随着能够输出实时信号的传感器的出现，仅仅依靠传感器来检测参数已经不够了。还需要显示器，而显示器又涉及“接触信号”，也就是传感器输出的电信号类型和信号范围。因此，与该传感器匹配的显示器的输入信号必须能够接收这种信号，并且信号范围也必须满足要求。传感器的电信号输出形式多种多样，例如电压、电阻、电感、电容和脉冲，每种信号都有不同的范围。显示器的刻度也在不断变化，这使得显示器的设计、生产、销售和使用变得异常复杂。仅仅为了满足电压测量的要求，就可能需要成百上千种规格和型号。我是一名自控设计师，即使在20世纪70年代和80年代，我也还在为这个问题苦恼。要设计一个温度检测系统，就需要温度传感器和显示器。例如，所使用的温度传感器是铂铑铂热电偶，刻度为S，温度范围为0-1300℃。因此，显示器必须与之对应，并且必须与刻度为S、温度范围为0-1300℃的铂铑铂热电偶完全匹配，不能有任何误差。这对显示器制造商来说确实很棘手。他们需要准备成百上千种规格的显示器供用户选择，甚至还要为每个用户定制显示器！

这只是热电偶而已。还有热敏电阻、红外测温仪、电阻式远程压力表、金属管式电动远程转子流量计等等，信号类型、测量参数和测量范围也各不相同。因此，仅此一项就可能有成千上万种具体的型号和规格。关键在于，每种具体型号和规格的产品销量有限，无法批量生产。你觉得这很麻烦吗？

人们依然很聪明。如果我们继续这样做，就会有人站出来要求我们制定规则和标准，统一信号，创建一种“通用语言”。也就是说，无论你使用什么传感器，如果你想发出测量信号，测量信号的类别和范围必须相同，以便所有人都能使用。接收测量信号显示仪器的生产也会变得简单。至少信号类别和测量范围是相同的。在当时的技术条件下，只有测量参数范围不同，这只是显示刻度的问题。不同的用户只需要订购专用刻度即可。

本文提出的问题是工业控制系统中各仪器间采用的统一标准通信信号机制，即信号系统问题。该机制用于确保不同仪器之间的兼容性和互联互通能力。

当然，凡事都需要循序渐进，因此许多仪器制造商都提出了一些建议和实践。例如，在电控仪表方面，福克斯波罗建议使用10~50mA，泰勒建议使用1~5mA，霍尼韦尔建议使用4~20mA，当然，还有0~10V和0~10mA等电信号。气动仪表由于其天然的防爆性能，在20世纪50年代和60年代非常流行。它们的气动信号范围在早期也非常宽广，例如2~14、3~15、3~18、5~20、5~25、6~30、3~27psi等等。

经过多年的积累，各种信号系统的优缺点已得到充分展现。气动信号适用于20~100kPa的范围，而在激烈的电信号竞争中， 4~20mA 它脱颖而出，成为电信号系统的最终选择。但在20世纪80年代末，随着电子技术的发展，电仪表的防爆性能和精度得到提升，气动仪表逐渐登上历史舞台。如今，它的身影已难觅踪迹。

工业控制人员将4-20mA称为工业自动化模拟信号的“黄金标准”和“通用语言”。据推测，自动化公司最早引入4-20mA可能是在20世纪50年代中后期，至今已近70年。这70年证明了4-20mA的强大生命力。 4-20mA虽然自动化仪器的信号系统已经从模拟信号过渡到数字信号，但在工业控制场景中，仍有数亿个变送器以模拟信号模式工作，远未完全淘汰！