自動化儀表電流信號傳輸分析

艾合買提·依米提

（寶鋼集團 新疆八鋼公司檢修中心煉鋼維護部，新疆 烏魯木齊830022）

0 前言

電子技術的發展帶動了工業自動化技術的應用發展，目前測控技術的高端技術產品不斷應用于工業和其它相關行業，特別是測量轉換技術中的信息數字化網絡技術的廣泛應用，給測量轉換的信號傳輸帶來質的變革—數字化革命， 如 FF、Prufibus、CANBUS、LONWORKS、HART等現場總線技術和RS-232/485、YTT20mA電流環串行通訊技術的廣泛應用。但不管現場測控儀表間信號傳輸方式發生怎樣的變化，4—20mA信號傳輸應用還是現代工業現場控制裝置應用的主流，包括帶HART協議的智能測控儀表，因此有必要對測控儀表之間聯絡的4—20mA信號傳輸應用做一些探討。

1 4—20mA信號傳輸的理論條件

信號源輸出的4—20mA信號 （各類電流變送器和電流輸出AO卡）從理論分析上看作是一個恒流源，它可以向無限遠的終端真實地傳輸被轉換的物理信息，但是從變送器轉換或AO模塊和其它測控裝置的內部機理上認識，所表現出來的特性并不是恒流源特性上所描述的——有無窮大的輸出內阻，其內阻是一定的，在一定的負載范圍內隨負載變化而變化（負載電阻大它變小、負載電阻小它變大），從而可以確保在某一過程物理量的檢測轉換中能使其電流值不隨負載的變化而變化，但當傳輸線路距離增大時則負載電阻增大到超出其范圍后就會破壞其恒流性能，達不到不失真遠距離傳輸的要求。各類電流型變送器或AO電流輸出模塊，其輸出電路基本結構原理如下圖示：

圖1

設某一過程物理量（熱工量、電學量等）檢測、運算轉換對應的輸出電流為I，則為：

當RL從0－500歐姆變化而I不變，式中rT跟隨負載變化（rT是T導通狀況下電阻值）；

當 RL＝0 時→I↑→Vbe↓→rT↑→I↓確保了 I不變；

當RL＝500歐姆時→I↓→Vbe↑→rT↓→I↑確保了I不變；

由以上分析知：rT隨RL向相反方向變化，才使得I保持不變，確保了恒流性能。

2 24VDC供電的二線制變送器配電方式

即控制室配電柜中24VDC電源通過信號線對現場的二線制變送器實現配電,而現場變送器的4—20mA輸出信號再通過同一信號線傳輸到控制室的轉換顯示盤柜內。

工業自動化測控系統的一般設計都是以控制室配電方式進行配電配盤（柜）設計，很少以現場配電方式進行配電配盤（柜）設計。以上兩種配電方式在線路正常傳輸過程中沒有本質的區別,但當線路出現絕緣程度降低的情況下,控制室配電柜24VDC電源配電方式的二線制變送器4—20mA輸出信號進入到轉換顯示盤柜內的信號不是真實的過程物理量對應的電流信號,而是控制室盤（柜）內24VDC電源的供電系統與負載（含傳輸線路電阻、線路絕緣電阻和二線制變送器本身）構成的回路電流,由于線路絕緣電阻下降的存在，回路負載阻值下降，總回路的電流會大于二線制變送器的實際應轉換變送的測量過程參數的電流，使得控制室內的儀表（DCS）顯示值大于實際過程參數值，這就是為什么當現場傳輸信號的線路絕緣下降時，各類監控系統的參數顯示值會大于現場過程的實際檢測值的原因。在二線制變送器的配電線路上變送器可以看作是一個唯一可變的負載，測量回路過程物理量轉換的4—20mA檢測電流的源動力還是電源，但這一電流受變送器這一可變負載變化（過程物理量實時變化）的控制（24VDC電壓在一定范圍波動不影響這一變化），而通常情況下,也就是理論上我們把控制室內轉換顯示部分（顯示儀表裝置、DCS、PLC等的AI通道）和傳輸線路上的線電阻稱作是變送器的負載，而變送器的負載特性是反映在信號恒流特性上的技術性能要求。

3 二線制變送器4—20mA信號恒流特性

恒流特性是反映變送器的負載能力的特性，在二線制變送器中4—20mA輸出信號的恒流特性是由其本身的結構特性決定，影響二線制變送器恒流特性有兩個重要的技術參數，一是供電電壓范圍；二是二線制變送器的負載電阻范圍。供電電壓低，負載能力差；電壓高，負載能力好，也就是恒流特性好。在實際使用中一般供電電壓為24VDC，但可以在小范圍內變化而不影響過程測量結果，這是由二線制變送器內部結構轉換原理所決定的，小范圍內電壓的波動在內部轉換線路上會自動改變二線制變送器的內阻，使得回路總電阻不變，從而確保恒流性，進而能準確反映過程測量結果。

一般情況下二線制變送器的供電電壓有一定的范圍限制，其要求的低端電壓是為保證變送器基本工作電壓的需要，但它不能確保變送器特定的負載能力要求；高端電壓的要求是為保證變送器能處于安全工作狀態的需要，可以在其供電電壓范圍內調整來提高其特定的負載能力要求。變送器的負載包括控制室內轉換顯示部分和傳輸線路上的線電阻，因此實際使用時可根據實際負載大小和供電電壓范圍改變其供電電壓，從而滿足恒流特性的要求。

4 4—20mA輸出控制信號與控制儀表的驅動電壓要求

所有 DCS（PLC或PID調節器）的AO模塊和其它測控裝置輸出的4—20mA信號，都要去驅動一定負荷的過程控制儀表。在其后的負載能力上進行的電流/電壓轉換所表現出的最大能量形式是最大的驅動電壓參數值，實際上也是從另一方面反映電流輸出AO模塊和其它測控裝置的恒流性能參數，其測試原理如圖示，測試方法如下：

圖2

（1）外部激勵（通過系統構架中的AO模塊及其它測控裝置輸出模塊的前一級配置的功能模塊信號）來調整使AO模塊、裝置輸出的電流為20mA；

(2)觀察增大電位器電阻直到mA表上的電流開始快速下降為止；

（3）記錄快速下降時的電壓表上的電壓值，此電壓值就是該AO模塊或其它測控裝置的驅動電壓值。

以上的第二步調整終止后電位器的電阻值即為反映AO模塊、裝置恒流性能的最大負載電阻值。要提高已設計配置好的DCS（PLC或PID調節器）的AO模塊、裝置的驅動電壓來適應現場控制儀表對驅動電壓的要求，應用中唯一的解決方案是提高DCS（PLC或PID調節器）的電流輸出AO模塊、裝置的供電電壓（在規定極限范圍內的電壓）。這里所講的驅動電壓也是測控儀表的控制信號電壓（經信號電流轉換的電壓），并不是對執行機構等控制儀表直接的驅動能量，是驅動能量的控制轉換信號。

DCS、PLC及其它測控裝置輸出的4—20mA信號的AO模塊、裝置，在技術規格書中有時對驅動電壓這一指標直接進行描述。其測試原理同上圖，測試方法步驟如下：

（1）外部激勵（通過系統構架中的AO模塊、裝置輸出模塊的前一級配置的功能模塊信號）來調整使AO模塊和其它測控裝置輸出電流為20mA；

（2）調電位器值為0歐；

（3）記錄mA表上的示值；

（4）調圖中電位器，觀察電壓表數值，直到電壓表上示值為技術規格書上要求的值一樣；

（5）再次記錄mA表上的示值；

（6）比較（3）和（5）兩步mA表上的示值是否相同，若一樣說明其驅動能力達到要求。

以上（3）和（5）兩步mA表上的示值相同，也說明AO模塊、裝置滿足了一定驅動能力下的恒流性能。若mA表上的示值不相同，說明AO模塊、裝置電流輸出模塊滿足不了技術規格書上要求的驅動能力。

當電流輸出的AO模塊、裝置恒流性能由于負載的原因而下降時，AO模塊、裝置輸出的電流對應的實際負載電壓就會小于理論上的I*R電壓，也就是流過負載上的電流實際值小于理論值I（即不失真值），在這種情況下現場的執行裝置，即AO模塊、裝置輸出所帶動的各類負載就不能達到過程運算（PID等各類功能運算）所控制的工位（開/關、移動位置）要求，當運算達不到理想狀態時，根據回路調節系統的控制原理，調節控制系統就會自動改變運算功能模塊的輸入，從而改變AO模塊、裝置輸出使其現場執行裝置的工位（開/關、移動位置）能達到要求。在這樣的調節運算過程中如果不出現極限的工位狀態（最大或最?。?，從被控過程工藝參數的記錄（曲線或實時數據庫）上是看不出調節控制的參數品質會發生什么變化，但對過程運算（PID等各類功能運算）功能模塊和執行元件來講硬件的負荷會增大，儀表長期運行的技術性能指標會急劇下降，從而降低其使用壽命周期。因此，對于一個調節控制系統的AO模塊、裝置性能（恒流性能或驅動電壓）的測試應是我們在實際應用中要關注的重要問題。

電流AO模塊、裝置的恒流性能和驅動電壓能力是對同一概念的不同描述，要提高電流AO模塊、裝置恒流性能或驅動電壓就必須提高源動力，即AO模塊、裝置的供電電壓，但不能超出AO模塊、裝置技術參數所描述供電電壓范圍的極限電壓。

5 AO模塊、裝置輸出4—20mA信號的開路電壓意義

DCS、PLC及其它輸出4—20mA信號的AO模塊、裝置，在技術規格書中還有一個技術參數指標描述就是“開路電壓”。開路電壓在一定意義上講可以代表AO模塊、裝置對負載的驅動能力這一關鍵參數的基本描述，但它不是電流AO模塊、裝置對負載驅動電壓的表述。一般來講相同品牌產品的電流輸出AO模塊、裝置開路電壓大，驅動能力（電壓）就大，但對不同品牌產品的電流輸出AO模塊、裝置其開路電壓的大小就不能同比分析。開路電壓一般描述的都是最大值不能超出某一值，限制要求的目的是保護AO模塊本身。

另外，一般情況下DCS、PLC及其它變送裝置輸出4—20mA信號的AO模塊、裝置的硬件通道在不使用時，由于其開路電壓的存在，在安裝調試時應從硬件或軟件處理上使其短路，不能長期處于開路狀態，否則就會燒壞模塊或通道。這在應用時稍加注意即可。

6 結論

對各類4—20mA輸出信號傳輸問題應用研究的關鍵技術指標，主要就是對發信儀表（AO模塊、變送裝置）的輸出特性上內部激勵源的研究，掌握好發信儀表的負載能力與其內部激勵源之間的關系，用以提高對現場實際應用中的理論分析，不斷解決實踐問題。