在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，4-20 mA電流環(huán)因其抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)傳輸場(chǎng)景。標(biāo)準(zhǔn)的4-20 mA系統(tǒng)通過(guò)電流表示傳感器的測(cè)量范圍，其中4 mA代表零點(diǎn)輸出，20 mA對(duì)應(yīng)滿量程值。圖1展示了一個(gè)典型的4-20 mA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再由變送器轉(zhuǎn)換為成比例電流，最終由遠(yuǎn)程接收端還原為電壓進(jìn)行處理。

圖1

隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)精度和智能化要求的提升，傳統(tǒng)模擬變送器逐漸被具備數(shù)字處理能力的“智能變送器”所取代（見(jiàn)圖2）。現(xiàn)代智能變送器通常集成微控制器和ADC/DAC模塊，可實(shí)現(xiàn)增益與偏移校正、非線性補(bǔ)償、數(shù)字濾波等功能。這類(lèi)設(shè)備通過(guò)軟件算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理后，再以標(biāo)準(zhǔn)電流形式輸出，從而顯著提升測(cè)量精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2

為了應(yīng)對(duì)異常工況，符合NAMUR NE43規(guī)范的智能儀表還支持超限報(bào)警功能。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)程變量超出正常范圍時(shí)，輸出電流可自動(dòng)調(diào)整至20.5 mA或3.9 mA以上，用于指示高/低越限狀態(tài)。此外，在發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)（如傳感器損壞或斷線），系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)置輸出3.6 mA或21.0 mA來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的故障安全機(jī)制。

近年來(lái)，4-20 mA模擬信號(hào)與數(shù)字通信協(xié)議的融合成為一大趨勢(shì)。HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議作為主流解決方案之一，采用頻移鍵控（FSK）方式在4-20 mA直流信號(hào)上疊加1200 Hz（邏輯1）和2200 Hz（邏輯0）的交流信號(hào)（見(jiàn)圖3），實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字信息并行傳輸。該技術(shù)無(wú)需額外布線即可完成參數(shù)配置、診斷數(shù)據(jù)讀取等操作，極大提升了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可維護(hù)性。

圖3

HART協(xié)議定義了三類(lèi)命令集（如圖4所示）：通用命令確保所有設(shè)備基礎(chǔ)功能兼容；常規(guī)命令覆蓋常用操作如自校準(zhǔn)和多變量采集；特定命令則允許廠商擴(kuò)展個(gè)性化功能。每個(gè)HART設(shè)備擁有唯一的38位地址，包含制造商ID、設(shè)備類(lèi)型碼和序列號(hào)，保障了網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠識(shí)別與通信。

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圖4

4-20 mA傳感器系統(tǒng)從最初的純模擬架構(gòu)逐步演進(jìn)為集傳感、處理、通信于一體的智能平臺(tái)。未來(lái)，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）與邊緣計(jì)算的發(fā)展，此類(lèi)系統(tǒng)將在實(shí)時(shí)性、安全性與互操作性方面持續(xù)優(yōu)化，為智能制造提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)。