電流ループ
電気信号伝送において、アナログ電流ループは、一対の導体を介してデバイスを遠隔監視または制御する必要がある場合に使用されます。常に1つの電流レベルのみが存在します。
電流ループの主要な用途は、プロセス制御アプリケーションにおける業界の事実上の標準である4～20mA電流ループです。このループは、プロセス計装機器から比例・積分・微分（PID）コントローラ、監視制御・データ収集（SCADA）システム、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）への信号伝送に広く使用されています。また、コントローラの出力を制御弁などの変調フィールドデバイスに送信するためにも使用されます。これらのループは、シンプルさと耐ノイズ性という利点があり、世界中に多くのユーザーと機器サプライヤーがいます。一部の4～20mAフィールドデバイスは電流ループ自体から電力を供給できるため、別個の電源は不要です。また、「スマート」なHART（Highway Addressable Remote Transducer）プロトコルは、フィールドデバイスとコントローラ間の通信にこのループを使用しています。様々なオートメーションプロトコルがアナログ電流ループに取って代わる可能性はありますが、4～20mAは依然として主要な業界標準です。
プロセス制御4～20mAループ
産業用プロセス制御では、アナログ4～20mA電流ループが電子信号伝達に広く用いられており、4mAと20mAの2つの値は、測定範囲または制御範囲の0～100%を表します。これらのループは、フィールド計装機器からのセンサー情報の伝送と、バルブなどのプロセス制御機器への制御信号の伝送の両方に使用されます。
電流ループの主な利点は次のとおりです。
- ループはコントローラから供給される電力でリモートデバイスに電力を供給できる場合が多く、電源ケーブルの配線が不要になります。多くの計測機器メーカーは、「ループ電源」対応の4～20mAセンサーを製造しています。
- 4 mA の「ライブ」または「上昇」ゼロにより、フィールド トランスミッターからプロセス信号が出力されない場合でもデバイスに電力を供給できます。
- 信号の精度は相互接続配線における電圧降下によって影響を受けません。
- 通常はツイストペア導体を介した低インピーダンス回路であるため、ノイズ耐性が高くなります。
- 自己監視機能があり、3.8mA未満または20.5mAを超える電流は故障とみなされます。[ 1 ]
- 使用電圧の抵抗限界まで長いケーブルで伝送できます。
- 許容されるループ抵抗の合計を超えない限り、インライン ディスプレイを挿入してループから電力を供給することができます。
- 抵抗器を使用して電圧に簡単に変換できます。
- ループ電源の「I to P」（電流から圧力）コンバータは、4～20 mA 信号を制御バルブ用の 3～15 psi 空気圧出力に変換できるため、4～20 mA 信号を既存の空気圧プラントに簡単に統合できます。
現場計測機器の測定には、圧力、温度、レベル、流量、pH 、その他のプロセス変数が含まれます。電流ループは、バルブポジショナーやその他の出力アクチュエータの制御にも使用できます。計測機器の入力端子の電流ループ入力の片側がシャーシグランド（アース）に接続されている場合があるため、複数の計測機器を直列に接続する場合は、アナログアイソレータが必要になる場合があります。
電流値とプロセス変数測定値の関係はキャリブレーションによって設定され、4～20mAの範囲に異なる工学単位が割り当てられます。工学単位と電流値のマッピングは反転可能で、4mAが最大値、20mAが最小値を表します。
アクティブデバイスとパッシブデバイス
ループの電流源に応じて、デバイスはアクティブ（電力を供給する、つまり「ソース」する）またはパッシブ（ループ電力に依存する、つまり「シンク」する）に分類されます。例えば、チャートレコーダーは圧力トランスミッターにループ電力を供給する場合があります。圧力トランスミッターはループの電流を変調してストリップチャートレコーダーに信号を送信しますが、それ自体はループに電力を供給しないため、パッシブです。別のループには、2台のパッシブチャートレコーダー、1台のパッシブ圧力トランスミッター、および24Vバッテリー（バッテリーがアクティブデバイス）が含まれる場合があります。4線式計測器には、電流ループとは別に電源入力があることに注意してください。
パネルマウントディスプレイとチャートレコーダーは、一般的に「指示計」または「プロセスモニター」と呼ばれます。複数の受動指示計は直列に接続できますが、ループには送信装置と電源（能動装置）がそれぞれ1つずつ必要です。
アナログ制御信号の進化
4-20mA規格は、1950年代に、電子機器が安価になり信頼性も向上し、従来の規格を電気的にエミュレートできるようになったことで、それ以前に非常に成功を収めていた3-15psiの空気圧制御信号規格から生まれました。3-15psi規格は、一部の遠隔機器に電力を供給でき、ゼロ点を「ライブ」で設定できるという点で、従来の規格と同じ特徴を持っていました。しかし、当時開発されていた電子制御装置には、4-20mA規格の方が適していました。
この移行は緩やかで、3～15psi デバイスの膨大な設置ベースにより、21 世紀まで続いています。電動バルブよりも空気圧バルブの操作には多くのコストと信頼性の利点があるため、空気圧作動は今でも業界標準となっています。4～20mA をコントローラで生成しながらも空気圧バルブを使用できるハイブリッド システムの構築を可能にするため、メーカーからさまざまな電流 - 圧力 (I - P) コンバータが提供されています。これらのコンバータは通常、コントロール バルブの近くに設置され、4～20mA を 3～15psi (または 0.2～1.0bar) に変換します。この信号は次に、バルブ アクチュエータ、またはより一般的には空気圧ポジショナーに送られます。ポジショナーは、アクチュエータの動きに機械的にリンクされた専用のコントローラです。これにより、摩擦の問題が克服され、バルブ制御要素が目的の位置に移動します。また、バルブ作動により高い空気圧を使用することもできます。
安価な産業用マイクロプロセッサの開発により、1980年代半ば以降、「スマート」バルブポジショナーが登場し、新規設備で非常に人気が高まっています。これらには、電流/電圧コンバータに加え、バルブの位置と状態の監視機能が搭載されています。これらの情報は、 HARTなどのプロトコルを使用して、電流ループを介してコントローラにフィードバックされます。
長い回路
アナログ電流ループは歴史的に、地元の電話会社からリースした電話ケーブルのドライペアによって建物間で伝送されることがありました。アナログ電話の時代には、4～20 mA ループの方が一般的でした。これらの回路は、エンドツーエンドの直流 (DC) 連続性を必要とし、専用のワイヤペアがハードワイヤードされていない限り、半導体スイッチングの導入により使用されなくなりました。マイクロ波無線、光ファイバー、または多重化電話回線接続では DC 連続性は利用できません。基本的な DC 回路理論では、回線全体で電流が一定であることが示されています。ループ長が数マイルに及ぶ 4～20 mA 回路や、エンドツーエンドで 1 万フィートを超える電話ケーブルペアで動作する回路を目にすることはよくありました。この技術を使用しているレガシー システムはまだ存在します。ベルシステムの回路では、最大 125 V DC の電圧が使用されていました。
離散制御
離散制御機能は、ループを介して送られる電流の離散的なレベルによって表すことができます。これにより、複数の制御機能を1対の配線で操作できるようになります。特定の機能に必要な電流は、アプリケーションやメーカーによって異なります。特定の電流が単一の意味を持つということはありません。0mAは回路の故障を示すという認識はほぼ普遍的です。火災警報器の場合、6mAは正常、15mAは火災検知、0mAはトラブル表示となり、監視サイトに警報回路の故障を知らせます。双方向無線リモートコントロールコンソールなどの一部のデバイスは、電流の極性を反転したり、DC電流に音声を多重化したりできます。
これらのデバイスは、設計者が思い描くあらゆる遠隔制御ニーズに活用できます。例えば、電流ループを用いて避難サイレンを作動させたり、交通信号を同期させたりすることができます。
双方向無線の使用
電流ループ回路は、遠隔地にある無線基地局を制御するために用いられる方法の一つである。双方向無線業界では、このタイプのリモートコントロールをDCリモートと呼んでいる。この名称は、制御点と無線基地局間のDC回路の連続性が必要であることに由来する。電流ループリモートコントロールは、操作点と無線トランシーバー間の余分な配線にかかるコストを節約する。モトローラMSF-5000基地局などの機器は、一部の機能に4mA未満の電流を使用する。代替タイプであるトーンリモートはより複雑であるが、制御点と基地局間の音声パスのみを必要とする。[ 2 ]
例えば、タクシー配車基地局は8階建てのビルの屋上に設置されているかもしれません。タクシー会社の事務所は近くの別のビルの地下にあるかもしれません。事務所には、電流ループ回路を介してタクシー会社の基地局を操作するリモコン装置が設置されています。この回路は通常、電話線などの配線で接続されます。制御機能用の電流は、回路の配車事務所側にあるリモコンコンソールから供給されます。双方向無線での使用では、アイドル回路には通常、電流は流れていません。
双方向無線機では、無線機メーカーは特定の機能に異なる電流を使用します。極性を変えることで、単一の回路でより多くの機能を実現できます。例えば、これらの電流の存在によって基地局の状態が変化する仕組みを想像してみてください。
- 電流がない場合、チャネル 1 で受信します(デフォルト)。
- +6 mA はチャネル 1 で送信することを意味する可能性があります。
- −6 mA は、受信モードを維持しながらチャンネル 2 に切り替えることを意味する場合があります。−6 mA の電流が供給されている限り、リモート基地局はチャンネル 2 で受信を継続します。
- −12mAは基地局にチャネル2で送信するように指示するかもしれません。
この回路は極性に敏感です。電話会社のケーブル接続業者が誤って導体を逆に接続した場合、チャンネル2を選択すると送信機がロックされます。
各電流レベルは、回路の反対側にある一連の接点を閉じるか、ソリッドステートロジックを動作させる可能性があります。この接点の閉じによって、制御対象デバイスの状態が変化します。一部のリモートコントロール機器では、メーカー間の互換性を確保するためのオプション設定が可能です。例えば、+18mAの電流で送信するように設定されたベースステーションは、オプションを変更することで、（代わりに）+6mAの電流が流れているときに送信するように設定できます。
双方向無線機としての使用では、回路ペアには交流信号も存在していました。基地局がアイドル状態の場合、受信音声は基地局から指令室へ回線を介して送信されます。送信指令電流が存在する場合、リモートコントロールコンソールは送信音声を送信します。指令室のユーザーの音声は変調され、送信機を動作させる直流電流に重畳されます。
参照
- 電流源- 電流ループトランスミッタ
- 電流-電圧変換器
- 高速道路アドレス指定可能リモートトランスデューサプロトコル
- NAMUR – 4～20mAの故障レベルを定義するドイツの業界標準化団体
- 配管および計装図 – 制御スキームと関連する配管および容器を示します。
参考文献
- ^ NAMUR規格NE043「デジタル送信機の障害情報のための信号レベルの標準化」
- ^ US 6950653 「分散したディスパッチステーションで使用する陸上移動無線ディスパッチ用のスキャントーンリモートアダプタ」（特許ではこのトーンリモートについて説明されていないが、この信号システムを説明するためにこのフレーズが使用されていることを確認している。）
さらに読む
- リプタック、ベラ・G. 『計装エンジニアハンドブック』プロセス計測と分析. CRC Press. 2003. ハードカバー. ISBN 0-8493-1083-0
外部リンク
