در کنترل فرآیند، انواع مختلفی از ورودی های فرآیند وجود دارد. ترموکوپل ها و RTD ها خواندن مستقیم دما را ارائه می دهند در حالی که سیگنال های دیجیتال مانند Modbus کنترل دقیقی بر متغیرهای فرآیند و نمایش ارائه می دهند. سیگنال های آنالوگ، جایی که اطلاعات مربوط به فرآیند از طریق مقادیر مختلف ولتاژ یا جریان منتقل می شود، نوع اصلی ورودی در صنایعی هستند که امروزه به کنترل فرآیند نیاز دارند. از بین تمام سیگنال های مهم مورد استفاده برای انتقال پارامتر فرآیند در صنعت، سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر مهم ترین است.
همانطور که استاندارد حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر در صنعت کنترل فرآیند تبدیل شده است، بسیاری از اصول راه اندازی و استفاده از آن را درک نمی کنند.
خلاصه ای از تاریخ پایه حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر
اولین بار در دهه 1950 با ظهور کنترل های الکتریکی و الکترونیکی، استاندارد سیگنال 4-20 میلی آمپر به عنوان یکی از محبوب ترین رسانه ها برای انتقال سیگنال و کنترل الکترونیکی در محیط های صنعتی حاکم شد.
قبل از پذیرش گسترده کنترل های الکتریکی و الکترونیکی، صنایع اغلب از سیستم های کنترل پنوماتیک استفاده می کردند. فشار هوا در 3psi به عنوان “صفر زنده” و 15psi نشان دهنده 100٪ بود. به این ترتیب، استاندارد سیگنال 4-20 میلی آمپر مدرن تر، کنترل های پنوماتیک قبلی 3-15psi را تقلید می کند. هر فشار زیر 3psi “صفر مرده” و یک وضعیت هشدار در نظر گرفته شد. برخی از تاسیسات هنوز هم امروزه از کنترل پنوماتیک استفاده می کنند. مبدل های I/P مدرن (مبدل های جریان به فشار) برای تبدیل حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر به محدوده های پنوماتیک معمولی مانند 3-15psi در دسترس هستند. در حلقه‌های کنترلی دو سیمه 4-20 میلی آمپر، ما از ترانسمیتر های 2 سیمه برای تبدیل سیگنال‌های فرآیند مختلف که نشان‌دهنده جریان، سرعت، موقعیت، سطح، دما، فشار، کرنش، pH و غیره هستند، به 4-20 میلی‌آمپر DC استفاده می‌کنیم. انتقال سیگنال در مسافتی با از دست دادن سیگنال کم یا بدون از دست دادن سیگنال است.
اصول اولیه حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر
به زبان ساده ما 2 حلقه سیم را با یک مثلث درک می کنیم. از مثلث، می توانم به سرعت سه جزء مشترک یک حلقه جریان، نحوه سیم کشی آنها و حتی جهت جریان جریان را شناسایی کنم.
هر ضلع مثلث یک جزء از حلقه جاری را نشان می دهد. رئوس مثلث نشان دهنده یک اتصال سیمی بین این اجزا است. برای مرجع، من همچنین یک علامت مثبت/بعلاوه را روی “قله” مثلث قرار می دهم. من همچنین از سه حرف اول “TRIangle” برای شناسایی اجزای اصلی استفاده خواهم کرد. با پذیرش این قرارداد که جریان جریان از منبع مثبت به منبع منفی می‌رود و به منبع منفی باز می‌گردد، می‌بینم که جریان در خلاف جهت عقربه‌های ساعت در حلقه جریان نمادین من حرکت می‌کند.
ترانسمیتر منبع جریان نیست، بلکه صرفاً جریان و مقدار جریان را از طریق آن تنظیم می کند. جریان از منبع تغذیه تامین می شود، در عملکرد کنترل شده از طریق ترانسمیتر، سپس به گیرنده جریان می یابد و به منبع تغذیه باز می گردد. جریانی که از گیرنده می گذرد ولتاژی تولید می کند که به راحتی توسط ورودی آنالوگ یک کنترل کننده یا دستگاه مانیتورینگ اندازه گیری می شود. اکنون با یک مدار DC استاندارد متوجه خواهیم شد:
مدار DC ساده بالا را در نظر بگیرید که شامل یک منبع تغذیه و سه بار است. یک حلقه جریان برای هدایت جریان به ولتاژ نیاز دارد. این توسط منبع تغذیه با ولتاژ منبع تغذیه با برچسب Vtot ارائه می شود. سپس جریان از حلقه عبور می کند و از هر بار عبور می کند. افت ولتاژ در هر بار را می توان از قانون اهم محاسبه کرد. افت ولتاژ V1 در سراسر R1 است.
هر عنصر در حلقه یا ولتاژ ارائه می دهد یا افت ولتاژ دارد. با این حال، جریان، “I” در همه جای حلقه یکسان است. این اصل مهم حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر است. جریان در تمام نقاط در سراسر حلقه یکسان است.
برای کمک به درک عملکرد یک حلقه جریان دو سیمه، اجازه دهید هر عنصر حلقه جاری را جداگانه در نظر بگیریم:
- سنسور
سنسور معمولا دما، رطوبت، جریان، سطح یا فشار را اندازه گیری می کند. فناوری ای که وارد سنسور می شود متفاوت خواهد بود و بسته به اینکه دقیقاً چه چیزی برای اندازه گیری در نظر گرفته شده است.
- ترانسمیتر
دوم، هر چه سنسور نظارت می کند، باید راهی برای تبدیل اندازه گیری آن به سیگنال جریان بین 4 تا 20 میلی آمپر وجود داشته باشد. اگر یک سنسور ارتفاع یک مخزن 50 فوتی را اندازه گیری کند، ترانسمیتر باید 0 فوت را به عنوان خالی بودن مخزن ترجمه کند و سپس یک سیگنال 4 میلی آمپری ارسال کند. برعکس، 50 فوت به عنوان پر بودن مخزن ترجمه می شود و سپس یک سیگنال 20 میلی آمپری را ارسال می کند. اگر مخزن نیمه پر باشد ترانسمیتر 12 میلی آمپر را ارسال می کند. ترانسمیتر معمولاً از خروجی 4 میلی آمپر برای نشان دادن سطح 0٪ و خروجی 20 میلی آمپر برای نشان دادن 100٪ سطح همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است استفاده می کند:
3. منبع تغذیه
حلقه جریان از توان DC استفاده می کند زیرا بزرگی جریان نشان دهنده سطح سیگنالی است که در حال ارسال است. برای حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر با ترانسمیتر های 2 سیم، رایج ترین ولتاژ منبع تغذیه حلقه 24 ولت DC است، اما مواردی از 12 ولت، 15 ولت و 36 ولت DC نیز وجود دارد. برخی از سیستم های قدیمی از ولتاژ بالاتری استفاده می کنند. اما مهمترین چیزی که در مورد منبع تغذیه باید به خاطر بسپارید این است که باید روی سطحی تنظیم شود که از مجموع حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار با ترانسمیتر، به اضافه افت ولتاژ در گیرنده، و برای فواصل طولانی انتقال، بیشتر باشد. افت ولتاژ در سیم محاسبه این افت نیز باید حداکثر سطح جریانی را که می تواند در حلقه جریان 4-20 میلی آمپر جریان داشته باشد در نظر بگیرد.
- حلقه
علاوه بر منبع VDC کافی، باید یک حلقه نیز وجود داشته باشد که به سیم واقعی سنسور به دستگاهی که سیگنال 4-20 میلی آمپر را دریافت می کند و سپس به ترانسمیتر متصل می کند، اشاره دارد. سیگنال جریان روی حلقه با توجه به اندازه گیری سنسور توسط ترانسمیتر تنظیم می شود. سیم کشی در حلقه می تواند 2 سیم، 3 سیم و 4 سیم با پیکربندی منبع و ورودی/خروجی سینک باشد.
- گیرنده
در نهایت، در جایی از حلقه دستگاهی وجود خواهد داشت که می تواند سیگنال فعلی را دریافت و تفسیر کند. این سیگنال جریان باید به واحدهایی ترجمه شود که به راحتی توسط اپراتورها قابل درک باشد، مانند پایه های مایع در یک مخزن یا درجه سانتیگراد یک مایع. این دستگاه همچنین باید یا اطلاعات دریافتی را نمایش دهد (برای اهداف نظارتی) یا به طور خودکار کاری با آن اطلاعات انجام دهد. نمایشگرهای دیجیتال، کنترل‌کننده‌ها، محرک‌ها و سوپاپ‌ها دستگاه‌های رایجی هستند که در حلقه قرار می‌گیرند.
این اجزا برای تکمیل یک حلقه جریان 4-20 میلی آمپری کافی است. سنسور یک متغیر فرآیند را اندازه گیری می کند، ترانسمیتر آن اندازه گیری را به سیگنال جریان تبدیل می کند، سیگنال از طریق یک حلقه سیم به گیرنده می رسد، و گیرنده یک عمل را با آن سیگنال نمایش می دهد یا انجام می دهد.
