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什么是4-20mA控制回路?常见故障如何排查?

2021-10-03  土地球

什么是4-20mA回路?它是如何工作的?

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工业过程中测试回路包括传感器输入、温度、压力、流量等。

被测量的过程变量被转化成信号传输到回路中的其它单元,例如显示器和控制器;接着控制器根据信号对过程进行控制,例如,对阀门等执行关闭或开启的动作。

控制回路可以是模拟量的,也可以是离散量。


4-20mA控制回路的构成基础要件

  • 24V电源供电

  • 变送器控制4-20mA信号使其与过程变量成比例变化

  • 指示器将4-20mA信号转化为相应过程变量

  • 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,4-20 mA X 250 ohms = 1-5V)


控制回路中的温度变送器和压力变送器

回路中的温度变送器通常通常测量的是过程介质,如流体等的温度值。


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,控制回路会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. 控制器再将4-20mA信号反译为压力值;

  3. 控制器根据压力值,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。

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常见控制回路故障及原因

  • 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。

回路故障排查步骤

一. 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。

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二. 控制器I/O问题排障:4-20毫安回路排障(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。

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三. 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。

2.1 断开装置回路电源
2.2 将回路校准器或过程表的24V回路供电端连接在这个位置
2.3 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

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四. 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。

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回路排障工具推荐

可被测量或被模拟输出的变量

测量和输出信号所用工具

技术人员需要查验哪些信息

测量4-20mA信号

万用表,回路校准器

测得的毫安数值是否为预计的数值?

输出4-20mA信号

回路校准器

I/O或者其他毫安输入设备是否正确工作?供电、布线和I/O是否正确工作?

测量24V回路电压

万用表

完整的24V供电是否可用?是否存在缺陷和过载的情况?

提供24V回路电压供电

回路校准器

对固定供电仪表的替代测试,检测回路供电是否要求?

输出0-10V,1-5V电压

具备电压输出的回路校准器或特定的毫安钳形表

I/O或者其他电压输入设备是否正确工作?

连续性测量

万用表,过程表,多功能过程校验仪

查找短路、不良端子、电阻连接线和错误布线

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