为什么我们用4-20毫安电流传输模拟量信号因为它就像一个幽默小生总能让现场总线控制系统的舞台活跃起来
工业现场总线控制系统的优缺点幽默解析
在工业自动化领域，RS232、RS485和CAN等数字信号传输方式如鱼得水，但当涉及模拟量信号时，我们又该如何选择呢？答案是4-20毫安电流，这个小生不仅幽默风趣，而且让我们的现场总线控制系统活跃起来。
首先，让我们聊聊为什么会采用4-20毫安电流来传输模拟量。工业上，我们需要测量各种非电物理量，如温度、压力、速度和角度等。这些都需要转换成模拟量才能安全地传输数百米到控制室或显示设备。在这个过程中，噪声是不可避免的，但幸运的是，使用电流信号可以有效减少干扰。噪声电压可能达到数V，但是由于它的功率很弱，所以产生的噪声电流微不足道，从而对精度造成影响非常小。此外，由于电源内阻接近无穷大，并且导线电阻串联在回路中，不会影响精度，因此普通双绞线即可承担数百米的传输距离。
在接收端，只需一个250欧姆至地的抵抗就能获得0-5V的输出。这意味着低输入阻抗接收器，即使面临nA级别的输入电流噪声，也只能产生微弱的电子噪声。
为何上限设定为20mA？这背后的原因与防爆要求有关。当通断引起的小火花能量不足以点燃瓦斯时，它们被认为安全。此外，为确保能够检测到断线情况，当工作正常时不会低于4mA，而一旦有故障导致环路断开，环路当前降至零，便可作为报警值。这就是为什么常见取2mA作为断线报警阈值。
变送器将物理量转换成4~20mA输出，并依赖外部供给稳定的直流供货。但它们通常需要四根导线：两根供货以及两根用于数据通信。如果我们共用VCC或者GND，那么只需三根导线，这种设计称作三线制变送器。而更高效的一种设计，即两線制变送器，可以通过其自身提供足够的大功率消耗来驱动整个系统，使得只需两个导线即可完成所有任务。这使得两線制传感器成为可能，同时也带来了挑战，因为它们必须能够在轻负载条件下高效运行。
为了实现这种功能，我们通常需要一个VI（Voltage-to-Current）转换器，将0~3.3V输入转换为4~20mA输出。LM358运放是一个常用的选择，只要给予+12v额外供货，就可以构建出这样的转换设备了。
综上所述，在工业总线控制系统中采用4-20毫安电流来传输模拟量是一种既实用又高效的手段，它不仅克服了干扰问题，还简化了硬件配置，使得我们的应用更加灵活和便捷。