電流環是一種類比的電子訊號,可以用二條導線進行遠端監控或是控制的應用,利用電流來傳遞訊號,線上同一時間只會有一個電流命令。

電流環主要的應用是用在過程控制應用中的業界標準 4–20 mA電流環,廣泛的用在儀表和PID控制器資料採集與監控系統(SCADA)以及可程式化邏輯控制器(PLC)之間的訊號傳輸。4–20 mA訊號也用來傳送控制器輸出給調變的現場裝置(例如控制閥英語control valves)。電流環的好處是簡單,並且抗雜訊能力高。在國際上有大量的使用者以及裝置供應商。有些4–20 mA現場裝置可以用電流環供電,不需額外的電源,而HART通訊協定利用電流環進行裝置和控制器之間的通訊。有許多自動化通訊協定可以取代類比的電流環,但4–20 mA仍然是主要的工業標準之一。

過程控制的4–20 mA電流環

在工業過程控制中,常用類比訊號 4–20 mA 電流環作為電子訊號傳輸,4 mA對應0%的量測量或是控制量,20 mA對應100%的量測量或是控制量。可以用電流環傳送現場感測器的訊號,也可以傳送要給致動裝置(例如閥)的控制訊號。

電流環的主要好處如下:

  • 電流環可以為遠端裝置供電,電源由控制器提供,因此不需要額外給遠端裝置的電源線。許多儀表製造商的4–20 mA感測器是透過電流環供電的。
  • 表示0%的訊號為「有供電的0」,也就是4 mA,因此現場感測器沒有訊號輸出時也可以提供電源。
  • 訊號是電流訊號,其精準度不會受到互連接線的電壓降影響。
  • 抗雜訊的能力強,因為接線多半是雙絞線,而本身也是低阻抗電路。
  • 可以自我監測,電流低於3.8 mA或高於20.5 mA都視為故障[1]
  • 可以使用長導線(長度會受電阻以及可以提供的電壓所限制)
  • 只要電流環上的電阻沒有超過允許值,可以在電流環上加上燈號,由電流環供電
  • 利用電阻即可轉換為電壓
  • 電流環供電的電流轉壓強(I to P)轉換器可以將4–20 mA的電流訊號轉換到3–15 psi壓強輸出,提供給控制閥,因此4–20 mA電流訊號可以整合到現有的氣壓系統中。

現場儀表量測的訊號有壓強溫度、水位、體積流率PH值或其他的物理量。電流環可以用來控制閥門位置或是其他輸出執行器。因為儀表的輸入端子可能有一個電流環的輸入是接到外殼(接地)。若要串接數個儀表,可能需要類比隔離器。

電流值和過程變數之間的關係可以透過校正來設定,將4到20 mA的訊號範圍轉換為不同的工程單位。工程單位和電流之間的關係不一定要正相關。4 mA可以對應工程單位最大值,20 mA可以對應工程單位最小值。

主動裝置以及被動裝置

依電流環的電流來源,裝置可以分為是「主動」(提供電流環電源)或是「被動」(需要電流環提供電源)。例如圖表記錄器英語chart recorder可以提供電流環電源,也可以提供壓強感測器,壓強感測器調整電流環上的電流,送訊號給圖表記錄器,但壓強感測器不提供電源,因此是被動裝置。另一個電流環可能包括被動(不供供電)的圖表記錄器、被動壓強感測器,以及24 V電源(電源是主動裝置)。「四線」(4-wire)儀表有獨立電源,不需靠電流環來供電。

面板顯示及圖表記錄器有時會稱為「指示裝置」或是「過程監控」。數個被動裝置可以串接在同一個電流環上,一個電流環只能有一個感測器,也只能有一個主動裝置。

類比控制訊號的演進

 
有氣壓膜致動器以及智慧型4–20 mA定位裝罝的控制閥,4–也可以將目前閥的位置以及狀態回授透過電流環傳到控制器

4–20 mA訊號是在1950年問世,前身是早期非常成功的3–15 psi氣壓控制訊號標準,而當時的電子裝置已相當便宜而且可靠,可以當成舊標準的電子版本。3–15 psi標準和4–20 mA有類似之處,都可以作為遠端裝置的動力源,而且其零訊號有壓力輸出。不過4–20 mA標準比較適合電子控制器。

轉換是漸進的,而且因為現場有大量已裝設的3–15 psi裝置,轉換一直延續到21世紀。氣壓閥的運作相較於電子驅動的閥,在成本以及可靠度上都有優勢,因此氣壓致動仍然是工業標準。為了建構混合氣壓和電流訊號的系統,由控制器產生4–20 mA訊號,但仍然可以使用氣壓閥,製造商開發了各種的電流-壓強(I to P)轉換器。一般會放在控制閥附近,將4–20 mA電流訊號轉換為3–15 psi(或0.2–1.0 bar)的壓強訊號。此訊號再輸送給閥致動器(或氣壓定位裝罝)。定位裝罝是特製的控制器,有機械連桿連接到致動器的可動部份。確保可以克服摩擦力,並且讓閥控制元件可以移動到理想的位置。也可以用更高的氣壓來讓閥動作。

隨著低價工業微控制器的開發,在1980年代中期,「智慧型」閥定位裝罝漸漸普及,在新架設的裝置中很常使用。其中包括電流-壓強轉換器,以及閥位置以及狀態的監控。後者會透過電流環回傳控制器,使用像是HART通訊協定之類的通訊協定。

長距離電路

以往類比電流環曾用在電話線路中,是向各地電話公司租用的線路。當時常用的是4–20 mA的電流環訊號,需要點對點的直流連續性(DC ontinuity)傳輸能力,現今只有少數有專門硬體配線的電話仍使用類比電流環,其他的都已被半導體切換的技術取代了。直流連續性無法透過無線電波、光纖傳播,也無法用多接的多路電話裝置傳送。 根據基本的直流電路理論,可知電路上任一點的電流都相同。4–20 mA的電流環電路,長度可以到數英哩。目前仍有舊有使用此一技術的系統。在貝爾系統的電路中,最大會用到125 VDC的直流電壓。

離散控制

電流環也可以輸送離散控制的訊號,方式是用不同大小的電路表示不同的訊號。在單一對訊號線上可以有多個控制機能。沒有特定機能通用的電流大小標準。同一機能對應的電流大小可能會隨製造商而不同。目前幾乎通用的是0 mA表示電路故障,若有火災的可能,6 mA表示正常,15 mA可能表示有火災,0 mA是故障訊號,表示線路有問題,需告知監控站。有些裝置(雙路無線電英語two-way radio的遠端控制裝置)可以反轉電流的方向,也可以在直流訊號上加上音訊訊號。

這類裝置可以用在許多的場合中。例如可以用電流環驅動避難的警報系統,或是讓交通號誌同步。

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參考資料

  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

外部連結