艾合買提·依米提

（寶鋼集團(tuán) 新疆八鋼公司檢修中心煉鋼維護(hù)部，新疆 烏魯木齊830022）

0 前言

電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，目前測(cè)控技術(shù)的高端技術(shù)產(chǎn)品不斷應(yīng)用于工業(yè)和其它相關(guān)行業(yè)，特別是測(cè)量轉(zhuǎn)換技術(shù)中的信息數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給測(cè)量轉(zhuǎn)換的信號(hào)傳輸帶來(lái)質(zhì)的變革—數(shù)字化革命， 如 FF、Prufibus、CANBUS、LONWORKS、HART等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和RS-232/485、YTT20mA電流環(huán)串行通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但不管現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表間信號(hào)傳輸方式發(fā)生怎樣的變化，4—20mA信號(hào)傳輸應(yīng)用還是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置應(yīng)用的主流，包括帶HART協(xié)議的智能測(cè)控儀表，因此有必要對(duì)測(cè)控儀表之間聯(lián)絡(luò)的4—20mA信號(hào)傳輸應(yīng)用做一些探討。

1 4—20mA信號(hào)傳輸?shù)睦碚摋l件

信號(hào)源輸出的4—20mA信號(hào) （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(gè)恒流源，它可以向無(wú)限遠(yuǎn)的終端真實(shí)地傳輸被轉(zhuǎn)換的物理信息，但是從變送器轉(zhuǎn)換或AO模塊和其它測(cè)控裝置的內(nèi)部機(jī)理上認(rèn)識(shí)，所表現(xiàn)出來(lái)的特性并不是恒流源特性上所描述的——有無(wú)窮大的輸出內(nèi)阻，其內(nèi)阻是一定的，在一定的負(fù)載范圍內(nèi)隨負(fù)載變化而變化（負(fù)載電阻大它變小、負(fù)載電阻小它變大），從而可以確保在某一過(guò)程物理量的檢測(cè)轉(zhuǎn)換中能使其電流值不隨負(fù)載的變化而變化，但當(dāng)傳輸線路距離增大時(shí)則負(fù)載電阻增大到超出其范圍后就會(huì)破壞其恒流性能，達(dá)不到不失真遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。各類電流型變送器或AO電流輸出模塊，其輸出電路基本結(jié)構(gòu)原理如下圖示：

圖1

設(shè)某一過(guò)程物理量（熱工量、電學(xué)量等）檢測(cè)、運(yùn)算轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的輸出電流為I，則為：

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

當(dāng) RL＝0 時(shí)→I↑→Vbe↓→rT↑→I↓確保了 I不變；

當(dāng)RL＝500歐姆時(shí)→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(guò)信號(hào)線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的二線制變送器實(shí)現(xiàn)配電,而現(xiàn)場(chǎng)變送器的4—20mA輸出信號(hào)再通過(guò)同一信號(hào)線傳輸?shù)娇刂剖业霓D(zhuǎn)換顯示盤柜內(nèi)。

工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)都是以控制室配電方式進(jìn)行配電配盤（柜）設(shè)計(jì)，很少以現(xiàn)場(chǎng)配電方式進(jìn)行配電配盤（柜）設(shè)計(jì)。以上兩種配電方式在線路正常傳輸過(guò)程中沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,但當(dāng)線路出現(xiàn)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(hào)進(jìn)入到轉(zhuǎn)換顯示盤柜內(nèi)的信號(hào)不是真實(shí)的過(guò)程物理量對(duì)應(yīng)的電流信號(hào),而是控制室盤（柜）內(nèi)24VDC電源的供電系統(tǒng)與負(fù)載（含傳輸線路電阻、線路絕緣電阻和二線制變送器本身）構(gòu)成的回路電流,由于線路絕緣電阻下降的存在，回路負(fù)載阻值下降，總回路的電流會(huì)大于二線制變送器的實(shí)際應(yīng)轉(zhuǎn)換變送的測(cè)量過(guò)程參數(shù)的電流，使得控制室內(nèi)的儀表（DCS）顯示值大于實(shí)際過(guò)程參數(shù)值，這就是為什么當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)的線路絕緣下降時(shí)，各類監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)顯示值會(huì)大于現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程的實(shí)際檢測(cè)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(gè)唯一可變的負(fù)載，測(cè)量回路過(guò)程物理量轉(zhuǎn)換的4—20mA檢測(cè)電流的源動(dòng)力還是電源，但這一電流受變送器這一可變負(fù)載變化（過(guò)程物理量實(shí)時(shí)變化）的控制（24VDC電壓在一定范圍波動(dòng)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(nèi)轉(zhuǎn)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(fù)載，而變送器的負(fù)載特性是反映在信號(hào)恒流特性上的技術(shù)性能要求。

3 二線制變送器4—20mA信號(hào)恒流特性

恒流特性是反映變送器的負(fù)載能力的特性，在二線制變送器中4—20mA輸出信號(hào)的恒流特性是由其本身的結(jié)構(gòu)特性決定，影響二線制變送器恒流特性有兩個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，一是供電電壓范圍；二是二線制變送器的負(fù)載電阻范圍。供電電壓低，負(fù)載能力差；電壓高，負(fù)載能力好，也就是恒流特性好。在實(shí)際使用中一般供電電壓為24VDC，但可以在小范圍內(nèi)變化而不影響過(guò)程測(cè)量結(jié)果，這是由二線制變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換原理所決定的，小范圍內(nèi)電壓的波動(dòng)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換線路上會(huì)自動(dòng)改變二線制變送器的內(nèi)阻，使得回路總電阻不變，從而確保恒流性，進(jìn)而能準(zhǔn)確反映過(guò)程測(cè)量結(jié)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(fù)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(tài)的需要，可以在其供電電壓范圍內(nèi)調(diào)整來(lái)提高其特定的負(fù)載能力要求。變送器的負(fù)載包括控制室內(nèi)轉(zhuǎn)換顯示部分和傳輸線路上的線電阻，因此實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際負(fù)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(hào)與控制儀表的驅(qū)動(dòng)電壓要求

所有 DCS（PLC或PID調(diào)節(jié)器）的AO模塊和其它測(cè)控裝置輸出的4—20mA信號(hào)，都要去驅(qū)動(dòng)一定負(fù)荷的過(guò)程控制儀表。在其后的負(fù)載能力上進(jìn)行的電流/電壓轉(zhuǎn)換所表現(xiàn)出的最大能量形式是最大的驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)值，實(shí)際上也是從另一方面反映電流輸出AO模塊和其它測(cè)控裝置的恒流性能參數(shù)，其測(cè)試原理如圖示，測(cè)試方法如下：

圖2

（1）外部激勵(lì)（通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)架中的AO模塊及其它測(cè)控裝置輸出模塊的前一級(jí)配置的功能模塊信號(hào)）來(lái)調(diào)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(kāi)始快速下降為止；

（3）記錄快速下降時(shí)的電壓表上的電壓值，此電壓值就是該AO模塊或其它測(cè)控裝置的驅(qū)動(dòng)電壓值。

以上的第二步調(diào)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(fù)載電阻值。要提高已設(shè)計(jì)配置好的DCS（PLC或PID調(diào)節(jié)器）的AO模塊、裝置的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)控制儀表對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的要求，應(yīng)用中唯一的解決方案是提高DCS（PLC或PID調(diào)節(jié)器）的電流輸出AO模塊、裝置的供電電壓（在規(guī)定極限范圍內(nèi)的電壓）。這里所講的驅(qū)動(dòng)電壓也是測(cè)控儀表的控制信號(hào)電壓（經(jīng)信號(hào)電流轉(zhuǎn)換的電壓），并不是對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等控制儀表直接的驅(qū)動(dòng)能量，是驅(qū)動(dòng)能量的控制轉(zhuǎn)換信號(hào)。

DCS、PLC及其它測(cè)控裝置輸出的4—20mA信號(hào)的AO模塊、裝置，在技術(shù)規(guī)格書(shū)中有時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓這一指標(biāo)直接進(jìn)行描述。其測(cè)試原理同上圖，測(cè)試方法步驟如下：

（1）外部激勵(lì)（通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)架中的AO模塊、裝置輸出模塊的前一級(jí)配置的功能模塊信號(hào)）來(lái)調(diào)整使AO模塊和其它測(cè)控裝置輸出電流為20mA；

（2）調(diào)電位器值為0歐；

（3）記錄mA表上的示值；

（4）調(diào)圖中電位器，觀察電壓表數(shù)值，直到電壓表上示值為技術(shù)規(guī)格書(shū)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(shuō)明其驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到要求。

以上（3）和（5）兩步mA表上的示值相同，也說(shuō)明AO模塊、裝置滿足了一定驅(qū)動(dòng)能力下的恒流性能。若mA表上的示值不相同，說(shuō)明AO模塊、裝置電流輸出模塊滿足不了技術(shù)規(guī)格書(shū)上要求的驅(qū)動(dòng)能力。

當(dāng)電流輸出的AO模塊、裝置恒流性能由于負(fù)載的原因而下降時(shí)，AO模塊、裝置輸出的電流對(duì)應(yīng)的實(shí)際負(fù)載電壓就會(huì)小于理論上的I*R電壓，也就是流過(guò)負(fù)載上的電流實(shí)際值小于理論值I（即不失真值），在這種情況下現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行裝置，即AO模塊、裝置輸出所帶動(dòng)的各類負(fù)載就不能達(dá)到過(guò)程運(yùn)算（PID等各類功能運(yùn)算）所控制的工位（開(kāi)/關(guān)、移動(dòng)位置）要求，當(dāng)運(yùn)算達(dá)不到理想狀態(tài)時(shí)，根據(jù)回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制原理，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)改變運(yùn)算功能模塊的輸入，從而改變AO模塊、裝置輸出使其現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行裝置的工位（開(kāi)/關(guān)、移動(dòng)位置）能達(dá)到要求。在這樣的調(diào)節(jié)運(yùn)算過(guò)程中如果不出現(xiàn)極限的工位狀態(tài)（最大或最?。?，從被控過(guò)程工藝參數(shù)的記錄（曲線或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)）上是看不出調(diào)節(jié)控制的參數(shù)品質(zhì)會(huì)發(fā)生什么變化，但對(duì)過(guò)程運(yùn)算（PID等各類功能運(yùn)算）功能模塊和執(zhí)行元件來(lái)講硬件的負(fù)荷會(huì)增大，儀表長(zhǎng)期運(yùn)行的技術(shù)性能指標(biāo)會(huì)急劇下降，從而降低其使用壽命周期。因此，對(duì)于一個(gè)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的AO模塊、裝置性能（恒流性能或驅(qū)動(dòng)電壓）的測(cè)試應(yīng)是我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中要關(guān)注的重要問(wèn)題。

電流AO模塊、裝置的恒流性能和驅(qū)動(dòng)電壓能力是對(duì)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(qū)動(dòng)電壓就必須提高源動(dòng)力，即AO模塊、裝置的供電電壓，但不能超出AO模塊、裝置技術(shù)參數(shù)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(hào)的開(kāi)路電壓意義

DCS、PLC及其它輸出4—20mA信號(hào)的AO模塊、裝置，在技術(shù)規(guī)格書(shū)中還有一個(gè)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)描述就是“開(kāi)路電壓”。開(kāi)路電壓在一定意義上講可以代表AO模塊、裝置對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力這一關(guān)鍵參數(shù)的基本描述，但它不是電流AO模塊、裝置對(duì)負(fù)載驅(qū)動(dòng)電壓的表述。一般來(lái)講相同品牌產(chǎn)品的電流輸出AO模塊、裝置開(kāi)路電壓大，驅(qū)動(dòng)能力（電壓）就大，但對(duì)不同品牌產(chǎn)品的電流輸出AO模塊、裝置其開(kāi)路電壓的大小就不能同比分析。開(kāi)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(hù)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(hào)的AO模塊、裝置的硬件通道在不使用時(shí)，由于其開(kāi)路電壓的存在，在安裝調(diào)試時(shí)應(yīng)從硬件或軟件處理上使其短路，不能長(zhǎng)期處于開(kāi)路狀態(tài)，否則就會(huì)燒壞模塊或通道。這在應(yīng)用時(shí)稍加注意即可。

6 結(jié)論

對(duì)各類4—20mA輸出信號(hào)傳輸問(wèn)題應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，主要就是對(duì)發(fā)信儀表（AO模塊、變送裝置）的輸出特性上內(nèi)部激勵(lì)源的研究，掌握好發(fā)信儀表的負(fù)載能力與其內(nèi)部激勵(lì)源之間的關(guān)系，用以提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的理論分析，不斷解決實(shí)踐問(wèn)題。