전류 루프

Current loop
이 기사는 아날로그 전기 신호 방식에 대한 것입니다.디지털 직렬 통신에 대해서는 디지털 전류 루프 인터페이스를 참조하십시오.해양 현상에 대해서는 루프 해류를 참조하십시오.네트워크 분석 변수에 대해서는 루프 전류를 참조하십시오.

전기 신호 전달에서는 한 쌍의 도체를 통해 장치를 원격으로 모니터링하거나 제어해야 하는 아날로그 전류 루프가 사용됩니다.동시에 존재할 수 있는 전류 레벨은 1개뿐입니다.

전류 루프의 주요 적용 분야는 프로세스 제어 애플리케이션용 사실상의 표준 4~20mA 전류 루프이며, 프로세스 계측에서 PID 컨트롤러, SCADA 시스템 및 PLC(Programmable Logic Controller)로 신호를 전송하는 데 광범위하게 사용됩니다.또한 제어 밸브와 같은 변조 필드 장치로 제어기 출력을 전송하는 데도 사용됩니다.이러한 루프는 단순성과 내소음성이라는 장점이 있으며 대규모 국제 사용자 및 장비 공급업체 기반을 가지고 있다.일부 4~20mA 필드 디바이스는 전류 루프 자체에 의해 전력이 공급되므로 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다.또한 "스마트" HART 프로토콜은 필드 디바이스와 컨트롤러 간의 통신에 루프를 사용합니다.다양한 자동화 프로토콜이 아날로그 전류 루프를 대체할 수 있지만, 4-20mA는 여전히 주요 산업 표준입니다.

프로세스 제어 4~20mA 루프

아날로그 컨트롤 루프 신호 전달이 공압 시대에서 전자 시대로 발전했음을 보여줍니다.
송신 감지 및 제어에 사용되는 전류 루프의 예.스마트 밸브 포지셔너의 구체적인 예가 나와 있습니다.

산업 프로세스 제어에서는 아날로그 4~20mA 전류 루프가 일반적으로 전자 신호 전달에 사용되며, 4~20mA의 두 값은 측정 또는 제어 범위의 0~100%를 나타냅니다.이러한 루프는 현장 계측에서 센서 정보를 전달하고 밸브와 같은 프로세스 변조 장치로 제어 신호를 전달하는 데 모두 사용됩니다.

현재 루프의 주요 장점은 다음과 같습니다.

  • 루프에 의해 리모트디바이스에 전력이 공급되고 컨트롤러에 의해 전력이 공급되기 때문에 전원 배선이 불필요해지는 경우가 많습니다.많은 계측기 제조업체는 "루프 전원"을 사용하는 4-20mA 센서를 생산합니다.
  • 4mA의 "실시간" 또는 "상승" 영점을 사용하면 필드 송신기에서 프로세스 신호가 출력되지 않아도 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.
  • 신호의 정확도는 상호 연결 배선의 전압 강하에 영향을 받지 않습니다.
  • 보통 트위스트 페어 컨덕터를 통한 저임피던스 회로이기 때문에 노이즈 내성이 높습니다.
  • 자체 모니터링입니다. 3.8mA 미만 또는 20.5mA 이상의 전류가 고장을 [1]나타내기 위해 사용됩니다.
  • 사용되는 전압에 대한 저항 한계까지 긴 케이블을 통해 반송할 수 있습니다.
  • 인라인 디스플레이는 허용되는 총 루프 저항을 초과하지 않는 한 삽입 및 루프에 의해 구동할 수 있습니다.
  • 저항을 사용하여 전압으로 쉽게 변환할 수 있습니다.
  • 루프 구동식 "I to P"(전류 대 압력) 변환기는 4-20mA 신호를 제어 밸브용 3-15psi 공압 출력으로 변환하여 4-20mA 신호를 기존 공압 플랜트에 쉽게 통합할 수 있습니다.

현장 계측 측정은 압력, 온도, 레벨, 흐름, pH 또는 기타 공정 변수와 같습니다.전류 루프는 밸브 포지셔너 또는 다른 출력 액추에이터를 제어하기 위해서도 사용할 수 있습니다.계측기의 입력 단자는 섀시 접지(접지)에 연결된 전류 루프 입력의 한 쪽을 가질 수 있으므로 여러 계측기를 직렬로 연결할 때 아날로그 절연체가 필요할 수 있습니다.

전류 값과 프로세스 변수 측정 간의 관계는 4~20mA 범위의 범위에 서로 다른 엔지니어링 단위를 할당하는 교정에 의해 설정됩니다.엔지니어링 유닛과 전류 간의 매핑을 반전하여 4mA가 최대값을 나타내고 20mA가 최소값을 나타내도록 할 수 있습니다.

액티브 디바이스와 패시브 디바이스

루프의 전류원에 따라 디바이스는 액티브(전원 공급 또는 '소싱') 또는 패시브(루프 전원에 의존 또는 '싱크')로 분류될 수 있습니다.예를 들어 차트 레코더는 압력송신기에 루프전력을 공급할 수 있다.압력 송신기는 루프 상의 전류를 변조하여 신호를 스트립 차트 레코더로 전송하지만, 그 자체는 루프에 전력을 공급하지 않으므로 수동적입니다.또 다른 루프에는 2개의 패시브 차트 레코더, 패시브 압력 송신기 및 24V 배터리가 포함될 수 있습니다(배터리는 액티브 장치입니다).4-와이어 기기에는 전류 루프와 별도의 전원 공급기 입력이 있습니다.

패널 마운트 디스플레이 및 차트 레코더는 일반적으로 '인디케이터 장치' 또는 '프로세스 모니터'라고 불립니다.복수의 패시브 인디케이터 디바이스를 직렬로 접속할 수 있습니다만, 루프에는 송신기 디바이스와 전원(액티브디바이스)을 1개만 탑재할 필요가 있습니다.

아날로그 제어 신호의 진화

공압 다이어프램 액추에이터가 장착된 제어 밸브와 "스마트" 4~20mA 포지셔너를 통해 현재 루프를 통해 실제 밸브 위치와 상태를 피드백합니다.

4-20mA의 규칙은 1950년대에 매우 성공적이었던 3-15psi의 공압 제어 신호 표준에서 탄생했으며, 이때 전자 장치가 전기적으로 이전 표준을 에뮬레이트할 수 있을 만큼 저렴하고 신뢰할 수 있게 되었습니다.3 ~ 15 psi 규격은 일부 리모트디바이스에 전력을 공급할 수 있는 것과 같은 기능을 가지고 있어 「라이브」제로가 되어 있습니다.그러나 4-20mA 표준은 당시 개발 중인 전자 제어기에 더 적합했다.

3 ~ 15psi 장치의 거대한 설치 기반 덕분에 전환은 점진적으로 진행되었고 21세기까지 연장되었습니다.전동 밸브보다 공압 밸브의 작동은 비용과 신뢰성에 많은 이점이 있기 때문에 공압 작동은 여전히 업계 표준입니다.제어기에 의해 4-20mA가 생성되지만 공압 밸브를 사용할 수 있는 하이브리드 시스템을 구성할 수 있도록 제조업체에서 다양한 전류-압력(I-P) 변환기를 사용할 수 있습니다.이들은 보통 제어 밸브에 대해 로컬이며 4~20mA를 3-15psi(또는 0.2~1.0bar)로 변환합니다.그런 다음 이 신호는 밸브 액추에이터 또는 더 일반적으로 공압 포지셔너로 공급됩니다.포지셔너는 액추에이터 동작에 기계적 링크가 있는 전용 컨트롤러입니다.이렇게 하면 마찰 문제가 극복되고 밸브 컨트롤 요소가 원하는 위치로 이동할 수 있습니다.또한 밸브 작동을 위해 더 높은 공기압을 사용할 수 있습니다.

값싼 산업용 마이크로 프로세서가 개발되면서 1980년대 중반부터 "스마트" 밸브 포지셔너를 사용할 수 있게 되었고 새로운 설치에 매우 인기가 있습니다.여기에는 I-P 변환기, 밸브 위치 및 상태 모니터링이 포함됩니다.후자는 HART와 같은 프로토콜을 사용하여 전류 루프를 통해 컨트롤러로 피드백됩니다.

롱 서킷

아날로그 전류 루프는 지역 전화회사에서 임대한 전화 케이블에서 건조 쌍에 의해 건물 간에 전달되는 경우가 있었습니다.아날로그 텔레포니 시절에는 4~20mA 루프가 더 일반적이었습니다.이러한 회로에는 엔드 투 엔드 직류(DC) 연속성이 필요하며 전용 와이어 쌍이 유선 연결되어 있지 않는 한 반도체 스위칭이 도입되면서 사용이 중단되었습니다.마이크로파 무선, 광섬유 또는 다중 전화 회선 접속에서는 DC 연속성을 사용할 수 없습니다.기본적인 DC 회로 이론에 따르면 전류는 라인 전체에서 동일합니다.루프 길이가 마일 단위인 4~20mA 회선 또는 엔드 투 엔드를 넘는 전화 케이블쌍으로 동작하는 회선이 흔히 볼 수 있었습니다.이 기술을 사용하는 레거시 시스템이 아직 존재합니다.벨 시스템 회로에서는 최대 125VDC의 전압이 사용되었습니다.

개별 제어

이산 제어 기능은 루프를 통해 전송되는 이산 전류 레벨로 나타낼 수 있습니다.이를 통해 단일 와이어 쌍에서 여러 제어 기능을 작동할 수 있습니다.특정 기능에 필요한 전류는 응용 프로그램 또는 제조업체마다 다릅니다.하나의 의미와 관련된 특정 전류는 없습니다.0 mA는 회로에 장애가 있음을 나타내는 것은 거의 범용적입니다.화재 경보의 경우, 6mA는 정상일 수 있고, 15mA는 화재가 감지되었음을 의미하며, 0mA는 경보 회로가 고장났음을 모니터링 사이트에 알리는 고장 징후를 생성합니다.양방향 무선 원격 제어 콘솔과 같은 일부 장치는 전류의 극성을 반전시킬 수 있으며 오디오를 DC 전류로 다중화할 수 있습니다.

이러한 디바이스는 설계자가 생각할 수 있는 모든 리모트 컨트롤에 사용할 수 있습니다.예를 들어 전류 루프는 대피 사이렌을 작동시키거나 동기화된 교통 신호를 명령할 수 있습니다.

쌍방향 무선 사용

Motorola T-1300 시리즈 리모컨은 전화 하우징에 내장되어 있습니다.다이얼은 스피커와 볼륨 컨트롤로 대체되었다.이 리모컨은 2선 회로를 사용하여 기지국을 제어합니다.

전류 루프 회로는 원격 사이트의 무선 기지국을 제어하기 위해 사용할 수 있는 방법 중 하나입니다.쌍방향 무선 업계에서는 이러한 유형의 리모트컨트롤을 DC 리모트라고 부릅니다.이 이름은 제어 포인트와 무선 기지국 사이에 DC 회선의 연속성이 필요하기 때문에 붙여졌습니다.전류 루프 리모컨을 사용하면 작동 지점과 무선 트랜시버 사이의 추가 와이어 쌍의 비용이 절감됩니다.Motorola MSF-5000 기지국과 같은 일부 기기는 일부 기능에서 4mA 미만의 전류를 사용합니다.다른 유형인 톤 리모트는 더 복잡하지만 제어점과 기지국 [2]사이의 오디오 경로만 필요합니다.

예를 들어 택시 배차 기지국은 물리적으로 8층 건물의 옥상에 위치할 수 있습니다.택시 회사 사무실은 근처에 있는 다른 건물 지하에 있을지도 모릅니다.사무실에는 현재 루프 회선을 통해 택시 회사 기지국을 작동하는 원격 제어 장치가 있을 것입니다.회선은 통상, 전화 회선 또는 같은 배선을 경유합니다.제어기능 전류는 회로의 디스패치사무실 끝에 있는 리모트컨트롤 콘솔에서 발생합니다.쌍방향 무선 사용의 경우, 아이돌 회선에는 통상은 전류가 존재하지 않습니다.

쌍방향 무선 사용에서는 무선 제조업체가 특정 기능에 대해 서로 다른 전류를 사용합니다.극성은 단일 회로에서 더 많은 기능을 얻기 위해 변경됩니다.예를 들어, 이러한 전류의 존재로 인해 베이스 스테이션의 상태가 변경되는 가능한 방식 중 하나를 생각해 보겠습니다.

  • no current는 채널1 로 수신하는 것을 의미합니다(디폴트).
  • +6 mA는 채널1에서의 송신을 의미합니다.
  • -6 mA는 수신 모드로 유지되지만 채널 2로 전환됩니다.-6 mA 전류가 존재하는 한 리모트베이스 스테이션은 채널2에서 수신을 계속합니다.
  • -12 mA는 채널 2에서 송신하도록 베이스 스테이션에 명령할 수 있습니다.

이 회로는 극성에 민감합니다.전화 회사의 케이블 스플라이서가 실수로 도체를 반전시킨 경우 채널 2를 선택하면 송신기가 잠깁니다.

각 전류 레벨은 회로의 다른 쪽 끝에서 일련의 접점을 닫거나 솔리드 스테이트 로직을 작동할 수 있습니다.그 접점의 폐쇄로 인해 제어된 디바이스의 상태가 변화했습니다.일부 리모트 컨트롤 기기에는 제조원 간의 호환성을 위해 옵션이 설정되어 있을 수 있습니다.즉, +18 mA 전류로 전송하도록 설정된 기지국에서는 +6 mA가 존재할 때 전송하도록 옵션을 변경할 수 있습니다.

쌍방향 무선 사용에서는 AC 신호도 회선 쌍에 존재했습니다.베이스 스테이션이 아이돌 상태일 경우 수신 오디오는 베이스 스테이션에서 디스패치사무실로 회선을 통해 전송됩니다.송신 커맨드 전류가 존재하는 경우, 리모트 제어 콘솔은 오디오를 송신해 송신합니다.디스패치 오피스에 있는 사용자의 음성은 변조되어 트랜스미터의 동작을 일으킨 DC 전류에 중첩됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ NAMUR 표준 NE 043 "디지털 전송기의 장애 정보에 대한 신호 수준의 표준화"
  2. ^ US6950653 "분산된 디스패치 스테이션에서 사용하기 위한 육상 모바일 무선 디스패치용 스캐닝 톤 리모트 어댑터" (특허에서는 이 톤 리모트에 대해서는 설명하지 않지만 이 시그널링 시스템을 설명하는 문구가 사용되고 있음을 확인)

추가 정보

  • 립탁, 벨라 G계측 엔지니어 핸드북. 프로세스 측정 및 분석.CRC 프레스2003년 HB. ISBN0-8493-1083-0

외부 링크