4-20mAカレントループ・トランスミッタ製品の基礎


なぜ4-20mAカレントループが使われ続けるのか?

産業用制御システムにおいて、4-20mAカレントループ・トランスミッタ製品は、使用、設置および保守が容易なことからコントロールセンターとフィールドに設置されたセンサ/アクチュエータ間のデータ伝送の最も一般的な通信方式の1つとして、今でも使用されています。

4-20mAカレントループ・トランスミッタ製品の歴史は、初期の産業用オートメーション・サイトでアクチュエータの制御のために圧搾空気信号を使い、比例制御を行ったことから始まりました[1]。代表的な圧力レベルは3PSI~15PSIであり、3PSIはゼロスケールを、15PSIはフルスケールの入出力を表しました。圧搾空気のラインが故障した場合、圧力は0PSIまで低下し、対応が必要なフォールト(故障)状態であることを表しました。電子技術が主流になると、圧搾空気ラインは、アンプ、トランジスタ、およびその他のディスクリート電子部品で構成された4-20mAカレントループに置き換えられました。

「なぜカレントループを使うのか」と疑問に思われるかもしれません。キルヒホッフの法則から、閉ループの電流は一定です。このため、4-20mAカレントループでは、非常に長い距離にわたるループ上の任意の点で、配線抵抗に関係なく、一定の電流を実現できます。もちろん、そのためにはオームの法則に従って、十分なループ電圧が必要です。圧搾空気システムと同様に、配線の破損や断線によってループが途切れた場合にはループ電流が0mAとなり、対応が必要なフォールト状態であることがわかります。さらに、カレントループは電気的に大きな過渡波形によるダメージに対する保護が比較的容易であることや、本来、RFI(無線周波妨害)やEMI(電磁妨害)に強いという特長も備えています[2]。

4-20mAトランスミッタで最もよく使われるのは、図1の2線式トポロジです。これを2線式センサ・トランスミッタと呼びます。

図1:2線式の4-20mAセンサ・トランスミッタと、2線式 アナログ入力モジュールのブロック図

2線式センサ・トランスミッタは、圧力、位置、温度、レベル、張力、荷重、流量、水や大気などの組成/汚染をはじめとした、フィールドで計測した物理的な数値をアナログ入力モジュールに伝送するために使用されます。名前からも分かるように、この型式のトランスミッタは2本の配線のみで動作します。4-20mAカレントループの通信に使う 2本の配線を電源として使い、フィールドのセンサを動作させることが、この手法の主要な設計要件の1つです。センサ、センサのコンディショニング回路、4-20mAトランスミッタ回路の動作時の消費電流は、合計で4mA未満であることが必要です。さもないと、トランスミッタは4mAの0スケール・レベルを送信できないことになります[3]。

VLOOPのGNDは、この2線式センサ・トランスミッタに与えられた2つの接続点のどれでもありません。このため、このトランスミッタ回路はローカル・グラウンド(GND)(またの名を2-Wire GND)を使わなければなりません。トランスミッタの出力電流が変化すると、レシーバ・リターン(RTN)端子の電圧が変化することから[3]、2-Wire GNDの電位はVLOOP GNDの電位に対してフローティングさせておくことが必要です。もしセンサがVLOOP GNDに対して異なる電位に接続される可能性がある場合、絶縁が必要になります。例えば熱電対は、温度を計測しようとする物体と、熱的および電気的に短絡していることが多いため、この状態は熱電対用のセンサ・トランスミッタ製品では一般的です。

2線式や3線式のセンサ・トランスミッタの絶縁トポロジ

2線式トランスミッタで唯一可能な絶縁トポロジは、図2の入力絶縁型2線式トランスミッタです。入力絶縁型2線式トランスミッタは、ループを電源とした絶縁型のローカル電源を使い、センサ、センサのコンディショニング回路や絶縁型の通信回路に電源を供給します。絶縁障壁を越えてトランスミッタの出力ステージにデータを伝送する方法としては、PWM(パルス幅変調)のデジタル絶縁と1線式やSPI(シリアル・ペリフェラル・インタフェース)信号が一般的に良く使われます。

図2:入力絶縁型2線式4-20mAセンサ・トランスミッタのブロック図

前に述べたように、2線式センサ・トランスミッタが主に受ける制約は、回路全体の消費電流を4mA未満としなければならないことです。このため、使用可能なセンサが制約され、100Ω、120Ωや350Ωなどの低抵抗ブリッジはブリッジ電流の制限なしには使用できず、ブリッジの感度や精度が低下するなどの悪影響を与えます。図3の3線式センサ・トランスミッタ・トポロジは、4mAを超える動作電流のセンサ・トランスミッタの設計をサポートします。

図3:3線式センサ・トランスミッタと3線式アナログ入力モジュールのブロック図

3線式センサ・トランスミッタは、電源とGND接続を3線式アナログ入力モジュールから提供され、センサやコンディショニング回路に電源を供給します。このことで、センサ電源は必要に応じて十分に供給でき、オームの法則の範囲内で、センサの出力範囲が制限されることもありません。このことで、3線式トランスミッタは、その他の主要な出力電流範囲である0-20mAや0-24mAの出力も発生できます。3線式センサ・トランスミッタは、0-10Vや±10Vなどの電圧出力が必要な場合にも使われます。

3線式トランスミッタにも、絶縁トポロジの一例があります。センサと、アナログ入力モジュール電源やGNDの電位との間に絶縁が必要な場合、入力絶縁型3線式トランスミッタを使います。入力絶縁型3線式トランスミッタは入力絶縁型2線式トランスミッタと同様の手法を使います。ローカルの絶縁型電源を使い、センサやセンサ用のコンディショニング回路に電源を供給、データは絶縁障壁を越えて3線式トランスミッタの出力ステージに伝送されます。

図4:入力絶縁型3線式 センサ・トランスミッタのブロック図

まとめ

4-20mAカレントループ・トランスミッタは、これまで何十年にもわたって使われてきましたが、現在も、産業用ファクトリ・オートメーションや制御のアプリケーションに盛んに使用されています。3線式アナログ出力のPLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)の市場ではフィールド・レベルの2線式や3線式のセンサ・トランスミッタが多く使われ、4線式センサ・トランスミッタはその他の市場で使用されています。

参考文献

  1. Dataforth Corporation: 4-20mA トランスミッタ・アプリケーション・ノート(英語)
  2. TIブログ記事: "Industrial DACs: How to protect 2-wire transmitters" Precision" (英語)
  3. TIブログ記事: "2-Wire 4-20 mA Sensor Transmitters blog series" (英語)

※2016年6月9日マイナビニュース掲載のテキサス・インスツルメンツ寄稿記事を転載