电流环是一种模拟的电子信号,可以用二条导线进行远程监控或是控制的应用,利用电流来传递信号,在线同一时间只会有一个电流命令。

电流环主要的应用是用在过程控制应用中的业界标准 4–20 mA电流环,广泛的用在仪表和PID控制器数据采集与监控系统(SCADA)以及可编程逻辑控制器(PLC)之间的信号传输。4–20 mA信号也用来发送控制器输出给调制的现场设备(例如控制阀英语control valves)。电流环的好处是简单,并且抗噪声能力高。在国际上有大量的用户以及设备供应商。有些4–20 mA现场设备可以用电流环供电,不需额外的电源,而HART通信协议利用电流环进行设备和控制器之间的通信。有许多自动化通信协议可以取代模拟的电流环,但4–20 mA仍然是主要的工业标准之一。

过程控制的4–20 mA电流环

在工业过程控制中,常用模拟信号 4–20 mA 电流环作为电子信号传输,4 mA对应0%的量测量或是控制量,20 mA对应100%的量测量或是控制量。可以用电流环发送现场传感器的信号,也可以发送要给致动设备(例如阀)的控制信号。

电流环的主要好处如下:

  • 电流环可以为远程设备供电,电源由控制器提供,因此不需要额外给远程设备的电源线。许多仪表制造商的4–20 mA传感器是透过电流环供电的。
  • 表示0%的信号为“有供电的0”,也就是4 mA,因此现场传感器没有信号输出时也可以提供电源。
  • 信号是电流信号,其精准度不会受到互连接线的电压降影响。
  • 抗噪声的能力强,因为接线多半是双绞线,而本身也是低阻抗电路。
  • 可以自我监测,电流低于3.8 mA或高于20.5 mA都视为故障[1]
  • 可以使用长导线(长度会受电阻以及可以提供的电压所限制)
  • 只要电流环上的电阻没有超过允许值,可以在电流环上加上灯号,由电流环供电
  • 利用电阻即可转换为电压
  • 电流环供电的电流转压强(I to P)转换器可以将4–20 mA的电流信号转换到3–15 psi压强输出,提供给控制阀,因此4–20 mA电流信号可以集成到现有的气压系统中。

现场仪表量测的信号有压强温度、水位、体积流率PH值或其他的物理量。电流环可以用来控制阀门位置或是其他输出执行器。因为仪表的输入端子可能有一个电流环的输入是接到外壳(接地)。若要串接数个仪表,可能需要模拟隔离器。

电流值和过程变量之间的关系可以透过校正来设置,将4到20 mA的信号范围转换为不同的工程单位。工程单位和电流之间的关系不一定要正相关。4 mA可以对应工程单位最大值,20 mA可以对应工程单位最小值。

主动设备以及被动设备

依电流环的电流来源,设备可以分为是“主动”(提供电流环电源)或是“被动”(需要电流环提供电源)。例如图表记录器英语chart recorder可以提供电流环电源,也可以提供压强传感器,压强传感器调整电流环上的电流,送信号给图表记录器,但压强传感器不提供电源,因此是被动设备。另一个电流环可能包括被动(不供供电)的图表记录器、被动压强传感器,以及24 V电源(电源是主动设备)。“四线”(4-wire)仪表有独立电源,不需靠电流环来供电。

面板显示及图表记录器有时会称为“指示设备”或是“过程监控”。数个被动设备可以串接在同一个电流环上,一个电流环只能有一个传感器,也只能有一个主动设备。

模拟控制信号的演进

 
有气压膜致动器以及智能4–20 mA定位装罝的控制阀,4–也可以将目前阀的位置以及状态回授透过电流环传到控制器

4–20 mA信号是在1950年问世,前身是早期非常成功的3–15 psi气压控制信号标准,而当时的电子设备已相当便宜而且可靠,可以当成旧标准的电子版本。3–15 psi标准和4–20 mA有类似之处,都可以作为远程设备的动力源,而且其零信号有压力输出。不过4–20 mA标准比较适合电子控制器。

转换是渐进的,而且因为现场有大量已装设的3–15 psi设备,转换一直延续到21世纪。气压阀的运作相较于电子驱动的阀,在成本以及可靠度上都有优势,因此气压致动仍然是工业标准。为了建构混合气压和电流信号的系统,由控制器产生4–20 mA信号,但仍然可以使用气压阀,制造商开发了各种的电流-压强(I to P)转换器。一般会放在控制阀附近,将4–20 mA电流信号转换为3–15 psi(或0.2–1.0 bar)的压强信号。此信号再输送给阀致动器(或气压定位装罝)。定位装罝是特制的控制器,有机械连杆连接到致动器的可动部分。确保可以克服摩擦力,并且让阀控制组件可以移动到理想的位置。也可以用更高的气压来让阀动作。

随着低价工业微控制器的开发,在1980年代中期,“智能”阀定位装罝渐渐普及,在新架设的设备中很常使用。其中包括电流-压强转换器,以及阀位置以及状态的监控。后者会透过电流环回传控制器,使用像是HART通信协议之类的通信协议。

长距离电路

以往模拟电流环曾用在电话线路中,是向各地电话公司租用的线路。当时常用的是4–20 mA的电流环信号,需要点对点的直流连续性(DC ontinuity)传输能力,现今只有少数有专门硬件配线的电话仍使用模拟电流环,其他的都已被半导体切换的技术取代了。直流连续性无法透过无线电波、光纤传播,也无法用多接的多路电话设备发送。 根据基本的直流电路理论,可知电路上任一点的电流都相同。4–20 mA的电流环电路,长度可以到数英哩。目前仍有旧有使用此一技术的系统。在贝尔系统的电路中,最大会用到125 VDC的直流电压。

离散控制

电流环也可以输送离散控制的信号,方式是用不同大小的电路表示不同的信号。在单一对信号在线可以有多个控制机能。没有特定机能通用的电流大小标准。同一机能对应的电流大小可能会随制造商而不同。目前几乎通用的是0 mA表示电路故障,若有火灾的可能,6 mA表示正常,15 mA可能表示有火灾,0 mA是故障信号,表示线路有问题,需告知监控站。有些设备(双路无线电英语two-way radio的远程控制设备)可以反转电流的方向,也可以在直流信号上加上音频信号。

这类设备可以用在许多的场合中。例如可以用电流环驱动避难的警报系统,或是让交通信号量同步。

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参考资料

  1. ^ NAMUR standard NE 043 "Standardisation of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters"
  • Lipták, Béla G. Instrumentation Engineers' Handbook. Process Measurement and Analysis. CRC Press. 2003. HB. ISBN 0-8493-1083-0

外部链接