ทำไมต้อง 4-20mA?

4-20mA คืออะไร?

มาตรฐานสัญญาณ 4-20mA DC (1-5V DC) กำหนดโดย International Electrotechnical Commission (IEC) และใช้สำหรับสัญญาณอะนาล็อกในระบบควบคุมกระบวนการ

โดยทั่วไป กระแสสัญญาณสำหรับเครื่องมือและมิเตอร์จะตั้งค่าไว้ที่ 4-20mA โดย 4mA แสดงถึงกระแสขั้นต่ำ และ 20mA แสดงถึงกระแสสูงสุด

เหตุใดจึงมีกระแสเอาต์พุต?

ในการตั้งค่าทางอุตสาหกรรม การใช้เครื่องขยายสัญญาณเพื่อปรับสภาพและส่งสัญญาณในระยะทางไกลโดยใช้สัญญาณแรงดันไฟฟ้าอาจทำให้เกิดปัญหาหลายประการ ประการแรก สัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่ส่งผ่านสายเคเบิลอาจไวต่อการรบกวนทางเสียงได้ ประการที่สอง ความต้านทานแบบกระจายของสายส่งอาจทำให้แรงดันไฟฟ้าตก ประการที่สาม การจัดหาพลังงานให้กับเครื่องขยายสัญญาณในภาคสนามอาจเป็นเรื่องท้าทาย

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้และลดผลกระทบของเสียงรบกวน กระแสไฟฟ้าจึงถูกใช้เพื่อส่งสัญญาณเนื่องจากมีความไวต่อเสียงรบกวนน้อยกว่า กระแสลูป 4-20mA ใช้ 4mA เพื่อแสดงสัญญาณศูนย์ และ 20mA เพื่อแสดงสัญญาณเต็มสเกล โดยมีสัญญาณที่ต่ำกว่า 4mA และสูงกว่า 20mA ใช้สำหรับการแจ้งเตือนข้อผิดพลาดต่างๆ

ทำไมเราถึงใช้ 4-20mA DC (1-5V DC)?

อุปกรณ์ภาคสนามสามารถใช้ระบบสองสายได้ โดยที่แหล่งจ่ายไฟและโหลดเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมโดยมีจุดร่วม และใช้สายไฟเพียงสองสายเท่านั้นสำหรับการสื่อสารสัญญาณและการจ่ายไฟระหว่างเครื่องส่งสัญญาณภาคสนามและอุปกรณ์ในห้องควบคุม การใช้สัญญาณ 4mA DC เป็นกระแสเริ่มต้นจ่ายกระแสไฟฟ้าในการทำงานแบบคงที่ให้กับเครื่องส่งสัญญาณ และการตั้งค่าจุดศูนย์ทางไฟฟ้าที่ 4mA DC ซึ่งไม่ตรงกับจุดศูนย์ทางกล ช่วยให้สามารถตรวจจับข้อผิดพลาด เช่น การสูญเสียพลังงานและการขาดของสายเคเบิล . นอกจากนี้ระบบสองสายยังเหมาะสำหรับการใช้แผงกั้นเพื่อความปลอดภัยซึ่งช่วยป้องกันการระเบิด

เครื่องมือในห้องควบคุมใช้การส่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าแบบขนาน โดยที่เครื่องมือที่อยู่ในระบบควบคุมเดียวกันใช้ขั้วต่อร่วม ทำให้สะดวกสำหรับการทดสอบเครื่องมือ การปรับแต่ง อินเทอร์เฟซคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์แจ้งเตือน

เหตุผลในการใช้ 4-20mA DC สำหรับการสื่อสารสัญญาณระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามและอุปกรณ์ในห้องควบคุมก็คือระยะห่างระหว่างสนามไฟฟ้าและห้องควบคุมอาจมีนัยสำคัญ ส่งผลให้มีความต้านทานสายเคเบิลสูงขึ้น การส่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าในระยะทางไกลอาจส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกที่เกิดจากความต้านทานของสายเคเบิลและความต้านทานอินพุตของอุปกรณ์รับสัญญาณ การใช้แหล่งสัญญาณกระแสคงที่สำหรับการส่งสัญญาณระยะไกลช่วยให้แน่ใจว่ากระแสในลูปยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยไม่คำนึงถึงความยาวของสายเคเบิล ซึ่งรับประกันความแม่นยำในการส่งสัญญาณ

เหตุผลในการใช้สัญญาณ 1-5V DC สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ในห้องควบคุมคือเพื่ออำนวยความสะดวกให้กับอุปกรณ์หลายตัวที่รับสัญญาณเดียวกัน และช่วยในการเดินสายและสร้างระบบควบคุมที่ซับซ้อนต่างๆ หากใช้แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าเป็นสัญญาณการเชื่อมต่อ เมื่ออุปกรณ์หลายเครื่องได้รับสัญญาณเดียวกันพร้อมกัน ความต้านทานอินพุตจะต้องเชื่อมต่อแบบอนุกรม ซึ่งจะเกินความสามารถในการรับน้ำหนักของอุปกรณ์ส่งสัญญาณ และความต่างศักย์กราวด์ของสัญญาณของอุปกรณ์รับสัญญาณจะแตกต่างกัน ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและป้องกันแหล่งจ่ายไฟจากส่วนกลาง

การใช้สัญญาณแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายจำเป็นต้องแปลงสัญญาณปัจจุบันที่ใช้สำหรับการสื่อสารกับเครื่องมือภาคสนามให้เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า วิธีที่ง่ายที่สุดคือการเชื่อมต่อตัวต้านทานมาตรฐาน 250 โอห์มแบบอนุกรมในวงจรส่งสัญญาณปัจจุบัน โดยแปลง 4-20mA DC เป็น 1-5V DC โดยปกติแล้ว งานนี้จะดำเนินการให้สำเร็จโดยเครื่องส่ง

แผนภาพนี้ใช้ตัวต้านทาน 250 โอห์มในการแปลงสัญญาณกระแส 4-20mA เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า 1-5V จากนั้นใช้ตัวกรอง RC และไดโอดที่เชื่อมต่อกับพินการแปลง AD ของไมโครคอนโทรลเลอร์

“ที่นี่ได้แนบแผนภาพวงจรอย่างง่ายสำหรับการแปลงสัญญาณกระแส 4-20mA เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า:

เหตุใดเครื่องส่งจึงเลือกใช้สัญญาณ DC 4-20mA ในการส่งสัญญาณ

1. ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยสำหรับสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย: ความปลอดภัยในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องมือที่ป้องกันการระเบิด จำเป็นต้องลดการใช้พลังงานแบบคงที่และไดนามิกที่จำเป็นเพื่อให้เครื่องมือทำงานต่อไป เครื่องส่งสัญญาณที่ส่งสัญญาณมาตรฐาน DC 4-20mA โดยทั่วไปจะใช้แหล่งจ่ายไฟ 24V DC การใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงมีสาเหตุหลักมาจากไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ และมุ่งเน้นไปที่ความจุแบบกระจายและการเหนี่ยวนำของสายเชื่อมต่อระหว่างเครื่องส่งสัญญาณและอุปกรณ์ในห้องควบคุม ซึ่งต่ำกว่ากระแสการจุดระเบิดของก๊าซไฮโดรเจนมาก

2. แนะนำให้ใช้การส่งแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้ามากกว่าแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า: ในกรณีที่ระยะห่างระหว่างสนามและห้องควบคุมเป็นอย่างมาก การใช้สัญญาณแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าสำหรับการส่งสัญญาณอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญได้เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกที่เกิดจากความต้านทานของสายเคเบิลและอินพุต ความต้านทานของเครื่องรับ การใช้สัญญาณต้นทางกระแสสำหรับการส่งสัญญาณระยะไกลช่วยให้แน่ใจว่ากระแสในลูปคงที่ ไม่ว่าสายเคเบิลจะมีความยาวเท่าใดก็ตาม ดังนั้นจึงรักษาความแม่นยำในการส่งสัญญาณ

3. การเลือกกระแสสูงสุด 20mA: การเลือกกระแสสูงสุด 20mA ขึ้นอยู่กับการพิจารณาด้านความปลอดภัย การใช้งานจริง การใช้พลังงาน และต้นทุน อุปกรณ์ป้องกันการระเบิดสามารถใช้ได้เฉพาะแรงดันต่ำและกระแสต่ำเท่านั้น กระแสไฟ 4-20mA และ 24V DC ปลอดภัยสำหรับใช้งานในสภาวะที่มีก๊าซไวไฟ กระแสไฟจุดระเบิดสำหรับก๊าซไฮโดรเจนที่มี 24V DC คือ 200mA ซึ่งสูงกว่า 20mA อย่างมาก นอกจากนี้ ยังคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ เช่น ระยะห่างระหว่างเครื่องมือในสถานที่ผลิต น้ำหนักบรรทุก การใช้พลังงาน ข้อกำหนดส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ และข้อกำหนดด้านแหล่งจ่ายไฟ

4. ทางเลือกของ 4mA เป็นกระแสเริ่มต้น: เครื่องส่งสัญญาณส่วนใหญ่ที่เอาต์พุต 4-20mA ทำงานในระบบสองสาย โดยที่แหล่งจ่ายไฟและโหลดเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับจุดร่วม และใช้สายไฟเพียงสองเส้นเท่านั้นสำหรับการสื่อสารสัญญาณ และแหล่งจ่ายไฟระหว่างเครื่องส่งสัญญาณภาคสนามและอุปกรณ์ในห้องควบคุม การเลือกกระแสเริ่มต้น 4mA เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวงจรเครื่องส่งสัญญาณในการทำงาน กระแสไฟฟ้าเริ่มต้น 4mA ซึ่งไม่ตรงกับจุดศูนย์เชิงกล จะให้ "จุดศูนย์ที่ทำงานอยู่" ซึ่งช่วยระบุข้อผิดพลาด เช่น การสูญเสียพลังงานและการขาดของสายเคเบิล

การใช้สัญญาณ 4-20mA ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการรบกวน ปลอดภัย และความน่าเชื่อถือน้อยที่สุด ทำให้เป็นมาตรฐานที่นำไปใช้อย่างกว้างขวางในการใช้งานทางอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม รูปแบบสัญญาณเอาท์พุตอื่นๆ เช่น 3.33mV/V, 2mV/V, 0-5V และ 0-10V ก็ใช้เพื่อจัดการสัญญาณเซ็นเซอร์ได้ดีขึ้นและรองรับระบบควบคุมต่างๆ