工控中4-20ma凭什么是标准？有问题如何检测？看完成为高手
转载自：原创 电气自动化应用 2020-03-09 20:52:59
工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等;另外电物理量(简称电量),例如电流、电压、功率、频率等,都需要转换成标准模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是用4~20mA直流电流来传输模拟量。4-20mA，指的就是最小电流为4mA，最大电流为20mA。
那么为什么4~20mA是行业标准呢？
采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。
在工业现场，要完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：
①由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；
②传输线的分布电阻会产生电压降；
③在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们会用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4-20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。
4-20mA控制回路怎么工作?
4-20mA构成基础要件：
①24V电源供电
②变送器控制4-20mA信号使其与过程变量成比例变化
③指示器将4-20mA信号转化为相应过程变量
④指示器或控制器I/O输入电阻250Ω分流器生成1-5V输入信号(欧姆定律：电压=电流×电阻，4-20mA×250Ω=1-5V)
通常情况下：
①它们将热电偶或热电阻传感器的温度信号转换为4-20mA信号然后再输出；
②控制器再将4-20mA反译为具体的温度值；
③基于此温度值，控制回路给实现对过程终端控制元件的控制。
同样，控制回路中的压力变送器，通常用来测量过程介质的压力值：
①传感器感知压力，又由变送器将信号转换为4-20mA信号；
②调节器再将4-20mA信号反译为压力值；
③调节器根据压力值，给阀门发送指令，控制阀门开度实现安全阀控制，确保容器不产生危险压力。
常见故障、原因与排查步骤
◆接线和端子的问题：坏的终端，绝缘问题，线路的腐蚀及污染等；
◆回路电源：噪音干扰、过压等问题都可能导致回路工作的不正常；
◆控制系统I/O卡件故障；
◆变送器；
◆传感器：元件的损坏、测量通道的阻塞。
1、验证4-20mA信号
用串联法或用毫安电流钳表测量4-20毫安信号：
①验证电源供电
②查找线路问题
③查找I/O问题
④查找有问题的接线终端
故障排查步骤：
①测量回路中的毫安数值，如果测量到了0mA，那么继续深入排障；
②如果控制器没有指示显示，可能是I/O输入的保险丝熔断，回路出现开路故障。
2、控制器I/O问题排障：4-20mA回路排障(替代测试)
变送器替代测试是非常好的I/O故障分析方法，即使用测试设备输出一个标准信号来核对控制的输出。故障排查步骤：
①断开变送器连接，将回路校准器或过程表连接在原变送器位置；
②设置毫安模拟，并设置范围在4-20毫安；
③验证指示器的正确数值，在同一测试中完成对线路、电源供电和I/O的测试；
④如果控制器没有指示显示，可能是I/O输入的保险丝熔断，回路出现开路故障。可通过测量在250Ω输入来进行验证。
3、电源供电问题排查
使用回路校验仪或多用表，测量回路供电电压。
故障排查步骤：
①测量电源供电，应该在近似24V。
②如果测量结果是不确定的，就进行替代测试。
a、断开装置回路电源
b、将回路校准器或过程表的24V回路供电端连接在这个位置
c、如果此时问题得到解决，那么装置的回路电源可能有缺陷或者存在过载
4、线路噪声排障
线路噪声产生的原因：绝缘性能差、电缆屏蔽故障、接地回路故障、临界电源供电、布线错误等。噪声信号的捕捉和确认可以通过带万用表功能的过程多用表，或者万用表、手持式示波表等设备来查找系统中是否存在交流信号。
在正常情况下，系统中应该只有少量的mV级的交流电压存在。
回路故障工具推荐
1、测量4-20mA信号
所用工具：万用表、过程校验仪、FLUKE773毫安钳形表、FLUKE789过程万用表
技术人员需要查验哪些信息：测得的毫安数值是否为预计的数值？
2、输出4-20mA信号
所用工具：过程校验仪、FLUKE789过程万用表
技术人员需要查验哪些信息：I/O或者其他毫安输入设备是否正确工作？供电、布局和I/O是否正确工作？
3、测量DC24V回路电压
所用工具：万用表、过程校验仪、FLUKE773毫安钳形表、FLUKE789过程万用表
技术人员需要查验哪些信息：完整的DC24V供电是否可用？是否存在缺陷和过载情况？
4、输出0-10V、1-5V电压
所用工具：具备电压输出的过程校验仪或特定的毫安钳形表FLUKE773
技术人员需要查验哪些信息：I/O或者其他电压输入设备是否正确工作？
5、连续性测量
所用工具：万用表、过程校验仪、多功能过程校验仪
技术人员需要查验哪些信息：查找短路、不良端子、电阻接线等。