模拟探头和数据采集技术尽管性能强大，但也存在一些风险。Modbus 作为一种数字通信协议，可以解决许多此类问题。在关于 Modbus 的三篇系列博文的第一篇中，我们将介绍这一诞生已久的现场总线协议，讨论其优点，并探讨它如何在维萨拉设备中得到应用。

什么是 Modbus？
Modbus 于 1979 年由 Modicon 开发，是目前市场上历史悠久的现场总线协议之一。其初始的开发目的是创建开放式协议；该策略大获成功后，由于无需许可证或专有硬件，并且可以自由部署控制系统，Modbus 目前成为行业标准协议并得到大多数可编程逻辑控制器 (PLC) 品牌的支持。维萨拉产品使用基于 RS-232 或 RS-485 协议的 Modbus RTU，或基于以太网网络的 Modbus TCP/IP。但 Modbus 存在潜在的缺陷，该缺陷在串行线路通信 (RS-485) 中尤为突出。如果您采用多供应商配置，在同一网络中使用不同制造商生产的仪器，那么不同品牌之间可能会发生一些兼容性问题。

维萨拉 Indigo201 模拟数据处理单元
维萨拉 Indigo 平台可广泛用于多种颇具挑战性的工业应用。其产品的构成包括模拟数据处理单元和连接的可更换型智能探头，该探头可用于测量诸如相对湿度和温度、露点温度、二氧化碳或过氧化氢浓度等变量。所有测量和计算均由 Indigo 兼容探头以数字方式处理，该探头也可作为独立设备使用，无需数据处理单元。探头会把数据传送到数据处理单元，然后数据处理单元将其以模拟形式连接到 PLC。

模拟信号传输问题
通常情况下，数字湿度探头（在此示例中为维萨拉 HMP3）有两个传感器：一个用于测量温度（例如 PT100 传感器），另一个用于测量相对湿度（例如维萨拉 HUMICAP^® 传感器）；这些传感器实际上分别测量电阻和电容的变化。探头将模拟信号转换为数字数据，对温度和相对湿度进行必要的计算，并将准确的数字数据发送到 Indigo201 模拟数据处理单元。然后数据处理单元将该信号转换回模拟形式，借助模拟电缆连接到 PLC，在 PLC 处再次转换为数字数据以便处理和存储。

正如所料，在数据处理单元中将数字数据转换为模拟形式，然后在 PLC 或其他控制系统中再转换回数字形式将增加误差。从质量和监管的角度来看，确保测量的准确性十分重要，而减少误差的方式之一是使用数字通信。这便是 Modbus 可以发挥作用的地方。

Modbus 的优点
与 Indigo201 搭配使用的探头也可与 Modbus RTU 数字通信协议兼容。由于 Modbus 使用数字通信，因此探头除了测量相对湿度和温度外，还可用于测量许多其他参数，包括露点/霜点温度、绝对湿度、混合比、湿球温度和焓值，以及获取设备状态、序列号和安全Hash函数等更多信息。允许 Modbus Master 检查安全Hash状态可确保传感器未遭篡改以及探头配置未经更改。多个探头也可连接到同一网络；在模拟系统中，要实现这一点需要在 PLC 系统中安装大量额外的电缆和 (I/O) 模块。Modbus 还通过尽量减少模拟和数字之间的转换来降低出现数据误差的风险，从而成为数字化数据传输的理想选择。

数据处理单元不仅是一种模拟数字协议转换器 
尽管 Indigo 兼容探头可用作独立的测量仪器，但要实现良好的可用性，通常需要与具有本地用户界面、显示屏和多种电源选项的数据处理单元搭配运行，这种数据处理单元的部分型号具备数字通信优势。Indigo202 数据处理单元提供与探头一致的 Modbus RTU，而 Indigo500 系列数据处理单元则使用 Modbus TCP/IP 协议进行通信。

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从汽车行业到食品生产，再到制药、钢铁或化工生产，湿度测量在许多工业生产过程中都发挥着重要作用。可能存在数百个甚至数千个测量点需要进行测量，因此确保稳定、精确且可靠的测量至关重要。

在相对湿度较高（大于 90% RH）的环境中，要达到这种测量效果会更难。在相对湿度较高的环境中，包括湿度传感器本身在内的物体都可能处于接近饱和的温度。在这样的环境中，蒸汽压力梯度不足以维持液态水从传感器表面不断蒸发。传感器可能会在数分钟或更长的时间内都处于湿润状态，即使在环境不再处于饱和状态后也会导致长时间的测量中断。

模块化探头和变送器

为了确保能在恶劣的工业环境中稳定可靠地进行测量，维萨拉制造了 Indigo500 系列模块化信号转换单元，该信号转换单元可与我们智能测量探头搭配使用。解决方案适用于多种工业测量应用场景，也适用于室外测量应用场景，其中包含采用维萨拉加热探头技术的湿度探头，即使在相对湿度达到 100% 的环境中，使用该湿度探头也可确保可靠且准确的湿度测量。Indigo500 系列还支持适用于温度、露点、油中水分、二氧化碳 (CO₂) 和汽化过氧化氢 (H₂O₂) 测量的智能测量探头，为用户提供了测量灵活性。

无论用于哪种环境，所有的 Indigo 智能测量探头都能实现准确、可靠的测量，具备良好的长期稳定性，使您可以检测到微弱的信号，从而根据准确的测量数据做出更好、更及时的决策。

Indigo510 简介

Indigo500 系列的第一款产品是 Indigo520，它提供了广泛的定制化选项和功能，支持双探头，专为恶劣的工业环境而设计，配备了坚固耐用的金属外壳，其金属外壳的耐用性已在参考案例中得到验证。对于不需要 Indigo520 提供的全部功能的客户以及只需要一个探头的客户，我们现在为其提供了同样坚固耐用的替代产品。

新型 Indigo510 与我们的旗舰 Indigo520 产品建立在同一平台上，且配备相同的金属外壳、软件、显示器和模块化。其功能包括对单个维萨拉智能测量探头的模块化支持（意味着可以根据需要更改探头类型）、直流输入和两个模拟输出。在保持制造质量和良好的测量功能前提下，减少了功能，从而拉低了价格。因此，Indigo510 适用于在恶劣条件下需要对单个变量（如湿度）进行精准、可靠测量的应用场景。Indigo510 客户还可从其变送器的定期平台更新和软件改进中受益。

Indigo 智能信号转换单元和智能测量探头系列与维萨拉 Insight 软件共同打造了一个可靠的生态系统，可保障您运营中的能源效率、安全性和最终产品质量。 

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维萨拉 Indigo 系列是一种模块化解决方案，它包括可互换的探头、智能变送器和 Indigo Insight 电脑软件。可供选择的探头选件覆盖了对以下参数的测量：湿度、温度、露点、二氧化碳、油中水分和汽化过氧化氢。这些探头可连接到三种不同的变送器：Indigo201、Indigo202 和 Indigo520。但是什么时候使用探头就够了，什么时候又需要同时使用探头和变送器呢？

与 Indigo 兼容的智能探头以我们成熟的技术为基础，具备执行测量所需的功能，换句话说，这些探头实际上已经具备变送器的功能了。 

Indigo 探头在设计上已充分考虑用户的需求。细节上我们也十分重视，例如，采用了标准化电缆，传感器主体中有指示探头是否加电的指示灯。该灯还指示通信链接是否正常。它开始闪烁时，说明数据已成功传输到系统。设想一下这样的情形：您正在将几个探头安装在一个困难的地方，如在一个大型工业设施内离地 6 米的位置。您如何了解探头的工作情况呢？通过与 Indigo 兼容的探头中的指示灯，您可以知道探头是否在工作、是否在传输数据。出故障时指示灯变红。这是反映了该设备优点的诸多细节之一。

与此同时，标准化电缆实现了很高的灵活性。如果您需要更长的电缆，不必将整个产品退还给我们；只要使用一根标准电缆连接变送器和探头即可。

只使用探头还是同时使用探头和变送器取决于您具有的系统连接类型。例如，您是否可以使用 Modbus RTU 串行协议？您的电源是否合适？是否需要电流隔离？

一般情况下，选择只使用探头的客户通常是原始设备制造商 (OEM) 或系统集成商，后者使用自己的用户界面来查看测量数据。如果最终用户满足系统链接和电压供给的要求且不需要变送器提供的功能，则使用独立的探头即可。但是，并不存在使用独立探头特别有利的特定应用领域或行业。有时，某些公司一开始确信自己需要探头和变送器，但是最后又放弃了变送器。例如，某制药公司最初同时购买了与 Indigo 兼容的探头和 Indigo201 变送器。过了一段时间后，公司意识到使用 Modbus 对他们而言十分合适，因此决定只使用 Indigo 测量探头而不再搭配 Indigo 变送器。

使用变送器的好处

即使 Indigo 探头可作为独立测量仪表，我们仍强烈建议将它们与 Indigo 变送器一起使用。例如，当事情不清楚或有问题时，或者在现场执行维修工作时，变送器配备本地显示器很有用。隐性成本可能下降。例如，在变送器的显示器上显示来自探头的数据有助于用户查看当前的情况。 

让我们来看一个北欧客户的真实案例，该客户为位于加勒比海地区的最终用户购买了不搭配变送器的 Indigo 探头。这些探头使用模拟信号连接到最终用户的自动化系统。系统出现了一个问题，尽管做了大量故障排除工作，但是最终用户还是无法找出根本原因。购买探头的公司最终派了一位技术人员去加勒比海地区，才得知模拟信号量程错误，这导致系统无法正确响应探头传输的数据。在这个案例中，如果购买探头的公司还购买了变送器（具有连接到系统的显示器），根本不需要派技术人员过去。一开始就购买带有显示器的变送器在经济上更合算。

如果您追求维修效率，配备带制造商专用维修电缆的模拟输出变送器，让技术人员逐个检查测量设备是不够的。大型工业设施内可能会用到数百个测量探头，在其中采用具有显示器的变送器将是明智的选择。

变送器的重要性还体现在可以查看历史数据。有时自动化系统不长期存档数据，甚至可能根本不存档，这使得在变送器中配备本地数据存储器很有必要。这样可以很方便地从趋势视图分析历史数据，同时现场检查工艺过程条件。事件日志对于检查随机工艺过程故障也很有用。

不要忘记变送器也是具有良好防水性能的接线盒。内部带有接线头的变送器可承受苛刻条件，因此无需添加额外的现场接线盒进行互连。所有连接都可以在变送器外壳内进行。

此外，变送器具备电流隔离性能，在苛刻的工业环境下，这是一项重要特性。电流隔离是分离电路中消除杂散电流的一种设计方法。信号可以在电流隔离的电路之间传递，但是杂散电流（例如交流电源引起的接地电位或电流的差异）会被阻断。如果没有电流隔离，测量可能会受到干扰，从而导致数据不准确，糟糕的是，缺少电流隔离还可能会导致设备故障。如果您在工业环境中使用模拟信号，应始终使用具有电流隔离性能的设备，而这可以通过使用 Indigo 变送器实现。 

模拟还是数字通信？

Indigo 变送器产品有以下三款可供选择：Indigo201、Indigo202 和 Indigo520。Indigo200 系列变送器有三个模拟输出，而 Indigo520 有四个，可支持用户将更多的信号传输到自动化系统。尽管一些 Indigo 兼容探头（如测量气化过氧化氢的 HPP270 系列探头）有两个模拟输出，但是变送器可测量更多变量。如果您的系统有三个、四个或更多变量，就需要购买变送器，因为它具有更多模拟输出。

模拟信息对于现代工业应用通常是不够的 – 需要更高级的变送器来传输特定数据，如测量是否正常进行、数据是否可靠以及变送器显示零的原因。在露点测量中，让用户知道何时进行自动校准十分重要，因为此时无法提供测量数据或数据不可靠，而模拟信息无法做到这一点。当需要在模拟信息中显示在线-离线测量状态时，您需要使用分别用于继电器和二进制输入的单独信号来表示。这种问题只存在于模拟通道。如果您使用数字系统链接（如 Modbus RTU、Modbus TCP/IP 或 OPC UA），则对于可从设备传输的数值个数没有限制。

尽管模拟输出可能看起来很简单，实际上它们可能更复杂，因为系统需要进行信号转换。此外，数字通信使变送器可以直接连接到现有自动化系统，不会增加系统的复杂性。数字通信的另一优点是它可以消除模数转换中出现的误差。也无需校准模拟回路，这对于关键制造业（如制药公司）来说很重要。除了校准传感器之外，用户还可能需要校准进入系统的模拟信号。在数字链接中，信息在数值上始终是准确的，无需进行数据传输校准。

可靠性

Indigo520 变送器已在实验室条件下进行了彻底测试。根据维萨拉的测试理念，我们都是按超出标准的要求来测试测量设备的。将变送器暴露在不同的温度、湿度水平、盐雾、紫外线、机械冲击和振动条件下，直到它无法正常工作，为了解产品在现场的耐受性提供可靠的资料。因此，我们可以保证我们设备的规格参数经过了试验和测试的验证，是真实有效的。

配备基于以太网的 Modbus TCP/IP 的 Indigo520 变送器适用于与 Indigo 兼容的智能探头。这些探头种类繁多，测量范围涵盖湿度、温度、露点、油中水分、二氧化碳和气化过氧化氢，适用于多种应用乃至严苛的环境。Indigo 变送器和探头均具备抗腐蚀性能，可耐受不同的环境和温度。在安装有 Indigo520 的环境苛刻的场所中，澳大利亚珀斯的一家输电场榜上有名。在那里，设备全天候暴露在具有阳光直射等恶劣条件的自然环境中。

使用包含变送器和智能探头的产品组合时，用户还可以轻松拆下它们，送去校准，而无需移除变送器。与此同时，可将经过实验室校准的替代探头连接到变送器，从而降低停机时间。

综上所述，我们通常建议您选择一款 Indigo 变送器来搭配 Indigo 探头。

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我们有些客户的应用要求在户外安装测量变送器，因此，维萨拉 Indigo500 及其智能探头系列经过专门设计，足以耐受这些严苛的环境条件。例如，当测量燃气轮机进气中的湿度或柴油发电站燃烧空气中的湿度时，就需要将测量设备置于室外。也有一些应用确实不需要室外测量，但会考虑实际情况决定室外测量。

在大多数室外应用中，重要的测量参数通常是湿度和温度，但变压器应用的油中水分测量也必须是室外应用。另一个常见的室外应用是针对建筑物中按需控制通风的 CO₂ 测量 – 这种应用真正受益于 Indigo500 支持多参数配置的能力，这是因为（举例来说）您可以将仪表放在建筑物的屋顶上，并使用另一个探头测量相对湿度。

室外应用的三个主要难题

室外使用的仪表需要足够坚固，以应对三大挑战：较大温差、天气变化、太阳辐射或紫外线照射。温度是容易验证的参数之一。Indigo500 已经通过环境试验室中的测试和验证，可确保该设备不仅能承受室外苛刻温度，还能承受动态的、循环温度的快速变化。

天气方面的主要挑战是设备进水，因此我们使用防水防尘 (IP) 测试对 Indigo500 进行了验证。该测试涉及将设备暴露在喷水中，确保整体机械结构的坚固性。水分侵入外壳的另一种方式是以蒸汽的形式进入，在设计中也要考虑到了这一点。在变送器背面设计一个“呼吸元件”，使壳体内部和外部的水蒸气平衡稳定，从而防止因温度变化引起壳体内部的冷凝和压力变化。当温暖的外壳暴露在冷雨中被浇淋时，冷温可能导致外壳受压，进而增加水气进入外壳内部的可能性 — 测试工程师称之为“热带雨”测试。

为了防止太阳辐射，我们选择铝合金作为机壳材料，因为它能抗紫外线，不会降低性能指标。特殊的表面处理可防止氧化和生锈。所有这些因素均已在 Indigo500 的设计中有所考虑，并在整个研发过程中通过环境测试得到了验证，可确保设备能够满足各种室外应用的需求。最后，近两年的冬天，我们一直在芬兰南部的野外测试 Indigo500，尽管这里持续潮湿多雨，但没有任何问题报告反馈。

室内室外准确测量

无论您的应用是在室内还是室外，将 Indigo500 连接到您当前的测控系统和使用都是相同的操作过程。准确的测量数据可以使用相同的系统接口和连接方式进行传输，包括模拟输出、开关触点继电器、以太网和本地操作界面（如触摸面板显示）。

虽然 Indigo500 的主要用途不是室外应用，但我们遵循严格的设计要求，以确保其符合与室外设备相同的标准。当然，如果设备足以应对室外的苛刻条件，这也就意味着它对室内应用同样坚固可靠。无论您在何处使用，Indigo500 都是多年以来您可以依赖的可靠、准确的测量数据设备。

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