自动化仪表电流信号传输分析
【摘要】不管现场测控仪表信号传输方式发生怎样变化，4—
20ma信号传输应用还是现代工业现场应用的主流，包括带hart协议的智能测控仪表，因此有必要对测控仪表之间联络的4—20ma信号传输应用做一些探讨和认识。
【关键词】传输原理；恒流特性；驱动能力；开路电压
0 前言
电子技术的发展带动了工业自动化技术的应用发展，目前测控技术的高端技术产品不断应用于工业和其它相关行业，特别是测量转换技术中的信息数字化网络技术的广泛应用，给测量转换的信号传输带来质的变革—数字化革命，如ff、prufibus、canbus、lonworks、hart等现场总线技术和rs-232/485、ytt20ma电流环串行通讯技术的广泛应用。但不管现场测控仪表间信号传输方式发生怎样的变化，4—20ma信号传输应用还是现代工业现场控制装置应用的主流，包括带hart协议的智能测控仪表，因此有必要对测控仪表之间联络的4—20ma信号传输应用做一些探讨。
1 4—20ma信号传输的理论条件
信号源输出的4—20ma信号（各类电流变送器和电流输出ao卡）从理论分析上看作是一个恒流源，它可以向无限远的终端真实地传输被转换的物理信息，但是从变送器转换或ao模块和其它测控装置的内部机理上认识，所表现出来的特性并不是恒流源特性上所描述的——有无穷大的输出内阻，其内阻是一定的，在一定的负载范
围内随负载变化而变化（负载电阻大它变小、负载电阻小它变大），从而可以确保在某一过程物理量的检测转换中能使其电流值不随
负载的变化而变化，但当传输线路距离增大时则负载电阻增大到超出其范围后就会破坏其恒流性能，达不到不失真远距离传输的要求。各类电流型变送器或ao电流输出模块，其输出电路基本结构原理如下图示：
图1
设某一过程物理量（热工量、电学量等）检测、运算转换对应的输出电流为i，则为：
i=24/（ rl+rt+rc+re）ma；rt是晶体管导通可变内阻；
当rl从0-500欧姆变化而i不变，式中rt跟随负载变化（rt是t导通状况下电阻值）；
当rl=0时→i↑→vbe↓→rt↑→i↓确保了i不变；
当rl=500欧姆时→i↓→vbe↑→rt↓→i↑确保了i不变；
由以上分析知：rt随rl向相反方向变化，才使得i保持不变，确保了恒流性能。
2 24vdc供电的二线制变送器配电方式
即控制室配电柜中24vdc电源通过信号线对现场的二线制变送器实现配电，而现场变送器的4—20ma输出信号再通过同一信号线传输到控制室的转换显示盘柜内。
工业自动化测控系统的一般设计都是以控制室配电方式进行配
电配盘（柜）设计，很少以现场配电方式进行配电配盘（柜）设计。
以上两种配电方式在线路正常传输过程中没有本质的区别，但当线路出现绝缘程度降低的情况下，控制室配电柜24vdc电源配电方式的二线制变送器4—20ma输出信号进入到转换显示盘柜内的信号不是真实的过程物理量对应的电流信号，而是控制室盘（柜）内24vdc电源的供电系统与负载（含传输线路电阻、线路绝缘电阻和二线制变送器本身）构成的回路电流，由于线路绝缘电阻下降的存在，回路负载阻值下降，总回路的电流会大于二线制变送器的实际应转换变送的测量过程参数的电流，使得控制室内的仪表（dcs）显示值大于实际过程参数值，这就是为什么当现场传输信号的线路绝缘下降时，各类监控系统的参数显示值会大于现场过程的实际检测值的原因。在二线制变送器的配电线路上变送器可以看作是一个唯一可变的负载，测量回路过程物理量转换的4—20ma检测电流的源动力还是电源，但这一电流受变送器这一可变负载变化（过程物理量实时变化）的控制（24vdc电压在一定范围波动不影响这一变化），而通常情况下，也就是理论上我们把控制室内转换显示部分（显示仪表装置、dcs、plc等的ai通道）和传输线路上的线电阻称作是变送器的负载，而变送器的负载特性是反映在信号恒流特性上的技术性能要求。
3 二线制变送器4—20ma信号恒流特性
恒流特性是反映变送器的负载能力的特性，在二线制变送器中4—20ma输出信号的恒流特性是由其本身的结构特性决定，影响二线制变送器恒流特性有两个重要的技术参数，一是供电电压范围；二
是二线制变送器的负载电阻范围。供电电压低，负载能力差；电压高，负载能力好，也就是恒流特性好。在实际使用中一般供电电压为24vdc，但可以在小范围内变化而不影响过程测量结果，这是由二线制变送器内部结构转换原理所决定的，小范围内电压的波动在内部转换线路上会自动改变二线制变送器的内阻，使得回路总电阻不变，从而确保恒流性，进而能准确反映过程测量结果。
一般情况下二线制变送器的供电电压有一定的范围限制，其要求的低端电压是为保证变送器基本工作电压的需要，但它不能确保变送器特定的负载能力要求；高端电压的要求是为保证变送器能处于安全工作状态的需要，可以在其供电电压范围内调整来提高其特定的负载能力要求。变送器的负载包括控制室内转换显示部分和传输线路上的线电阻，因此实际使用时可根据实际负载大小和供电电压范围改变其供电电压，从而满足恒流特性的要求。
4 4—20ma输出控制信号与控制仪表的驱动电压要求
所有 dcs（plc或pid调节器）的ao模块和其它测控装置输出的4—20ma信号，都要去驱动一定负荷的过程控制仪表。在其后的负载能力上进行的电流/电压转换所表现出的最大能量形式是最大的驱动电压参数值，实际上也是从另一方面反映电流输出ao模块和其它测控装置的恒流性能参数，其测试原理如图示，测试方法如下：图2
（1）外部激励（通过系统构架中的ao模块及其它测控装置输出模块的前一级配置的功能模块信号）来调整使ao模块、装置输出
的电流为20ma；
（ 2 ）观察增大电位器电阻直到ma表上的电流开始快速下降为止；
（3）记录快速下降时的电压表上的电压值，此电压值就是该ao 模块或其它测控装置的驱动电压值。
以上的第二步调整终止后电位器的电阻值即为反映ao模块、装置恒流性能的最大负载电阻值。要提高已设计配置好的dcs（plc
或pid调节器）的ao模块、装置的驱动电压来适应现场控制仪表对驱动电压的要求，应用中唯一的解决方案是提高dcs（plc或pid 调节器）的电流输出ao模块、装置的供电电压（在规定极限范围内的电压）。这里所讲的驱动电压也是测控仪表的控制信号电压（经信号电流转换的电压），并不是对执行机构等控制仪表直接的驱动能量，是驱动能量的控制转换信号。
dcs、plc及其它测控装置输出的4—20ma信号的ao模块、装置，在技术规格书中有时对驱动电压这一指标直接进行描述。其测试原理同上图，测试方法步骤如下：
（1）外部激励（通过系统构架中的ao模块、装置输出模块的前一级配置的功能模块信号）来调整使ao模块和其它测控装置输出电流为20ma；
（2）调电位器值为0欧；
（3）记录ma表上的示值；
（4）调图中电位器，观察电压表数值，直到电压表上示值为技
