انواع خروجی‌های رایج ابزار دقیق . معرفی سیگنال‌های 4-20 mA، ولتاژی، رله‌ای، پالسی و دیجیتال

مقدمه

تجهیزات ابزار دقیق برای اینکه اطلاعات اندازه‌گیری‌شده را به PLC، DCS، Indicator، Controller یا سایر تجهیزات منتقل کنند، باید از یک Output Signal مناسب استفاده کنند.

برای مثال یک Pressure Transmitter ابتدا فشار را اندازه‌گیری می‌کند، اما سیستم کنترل مستقیماً فشار را دریافت نمی‌کند. Transmitter مقدار اندازه‌گیری‌شده را به یک سیگنال استاندارد مانند:

• 4-20 mA
• 0-10 V
• Pulse
• Frequency
• Relay Contact
• HART
• Modbus
• Profibus

تبدیل می‌کند.

به همین دلیل شناخت انواع خروجی‌های ابزار دقیق برای:

• طراحی سیستم
• انتخاب تجهیزات
• سیم‌بندی
• اتصال به PLC و DCS
• Commissioning
• Troubleshooting

اهمیت زیادی دارد.

 

خروجی ابزار دقیق چیست؟

Instrument Output Signal سیگنالی است که تجهیز برای انتقال اطلاعات اندازه‌گیری‌شده یا وضعیت خود به سیستم دیگری تولید می‌کند.

این خروجی می‌تواند:

• Analog
• Digital
• Discrete
• Pulse
• Frequency
• Pneumatic
• Communication Protocol

باشد.

 

مهم‌ترین انواع خروجی ابزار دقیق

رایج‌ترین خروجی‌های تجهیزات ابزار دقیق عبارت‌اند از:

1. 4-20 mA
2. 0-20 mA
3. 0-10 V
4. 1-5 V
5. Relay Contact
6. Open Collector
7. Pulse Output
8. Frequency Output
9. HART
10. Modbus
11. Profibus
12. Foundation Fieldbus
13. 3-15 psi Pneumatic Signal

 

خروجی آنالوگ چیست؟

Analog Output یک سیگنال پیوسته است که مقدار آن متناسب با Process Variable تغییر می‌کند.

برای مثال اگر Pressure Transmitter دارای Range زیر باشد:

0 تا 10 bar

می‌تواند فشار را به Signal:

4-20 mA

تبدیل کند.

به‌صورت معمول:

0 bar → 4 mA

5 bar → 12 mA

10 bar → 20 mA

 

خروجی 4-20 mA چیست؟

4-20 mA رایج‌ترین خروجی آنالوگ در ابزار دقیق صنعتی است.

در این سیستم:

4 mA = 0% Range

20 mA = 100% Range

است.

این Signal در تجهیزاتی مانند:

• Pressure Transmitter
• Temperature Transmitter
• Flow Transmitter
• Level Transmitter
• Analyzer
• Valve Positioner

بسیار رایج است.

 

چرا 4-20 mA پرکاربرد است؟

دلایل اصلی:

• مقاومت مناسب در برابر Noise
• مناسب بودن برای مسیرهای طولانی
• امکان تشخیص قطع Loop
• قابلیت Loop-Powered
• سازگاری گسترده با PLC و DCS
• امکان استفاده همزمان از HART

هستند.

 

Live Zero چیست؟

در 4-20 mA مقدار صفر Process برابر 4 mA است، نه صفر میلی‌آمپر.

به این ویژگی:

Live Zero

گفته می‌شود.

در نتیجه اگر Process واقعاً روی Zero باشد:

4 mA

داریم.

اما در شرایطی مانند قطع کامل Wire ممکن است Current به:

0 mA

برسد.

 

فرمول تبدیل 4-20 mA به درصد

فرمول:

Percent = ((mA - 4) / 16) × 100

مثلاً:

12 mA = 50%

16 mA = 75%

20 mA = 100%

 

خروجی 0-20 mA چیست؟

در این استاندارد:

0 mA = 0%

20 mA = 100%

است.

این Signal در برخی سیستم‌های صنعتی استفاده می‌شود، اما نسبت به 4-20 mA در Process Instrumentation کمتر رایج است.

 

تفاوت 4-20 mA و 0-20 mA

4-20 mA دارای Live Zero است.

در 0-20 mA مقدار:

0 mA

هم می‌تواند Zero Process باشد و هم در بعضی شرایط نشانه قطع Loop.

به همین دلیل 4-20 mA برای بسیاری از سیستم‌های ابزار دقیق انتخاب محبوب‌تری است.

 

خروجی ولتاژی چیست؟

در بعضی تجهیزات به‌جای Current از Voltage Signal استفاده می‌شود.

خروجی‌های رایج شامل:

• 0-5 V
• 1-5 V
• 0-10 V
• ±10 V

هستند.

 

خروجی 0-10 V چیست؟

در این خروجی:

0 V = 0%

10 V = 100%

است.

این Signal در:

• HVAC
• Automation
• Sensor
• Actuator
• VFD

کاربرد زیادی دارد.

 

تفاوت 4-20 mA و 0-10 V

4-20 mA:

• مناسب‌تر برای مسیر طولانی
• Live Zero
• مقاوم‌تر در برابر اثر Voltage Drop کابل
• رایج در Process Instrumentation

0-10 V:

• ساده
• رایج در HVAC و Automation
• حساس‌تر به Voltage Drop
• وابسته‌تر به Ground Reference

 

خروجی 1-5 V چیست؟

خروجی 1-5 V از نظر نسبت Signal به 4-20 mA شباهت زیادی دارد.

اگر 4-20 mA از Resistance برابر:

250 Ω

عبور کند:

4 mA → 1 V

20 mA → 5 V

خواهد شد.

 

خروجی Bipolar چیست؟

بعضی تجهیزات دارای خروجی‌هایی مانند:

-10 V تا +10 V

هستند.

این نوع Signal می‌تواند علاوه بر Magnitude، جهت را نیز نمایش دهد.

کاربرد آن در برخی:

• Drive
• Motion System
• Position Control

رایج است.

 

خروجی Discrete چیست؟

Discrete Output معمولاً فقط دو وضعیت دارد:

• ON
• OFF

یا:

• Open
• Closed

این نوع خروجی در Switchها بسیار رایج است.

 

تجهیزاتی با خروجی Discrete

نمونه‌ها:

• Pressure Switch
• Level Switch
• Temperature Switch
• Flow Switch
• Limit Switch

هستند.

 

Relay Output چیست؟

Relay Output یکی از رایج‌ترین خروجی‌های Discrete است.

تجهیز در شرایط مشخص Contact داخلی Relay را تغییر می‌دهد.

ترمینال‌های رایج:

• COM
• NO
• NC

هستند.

 

NO چیست؟

NO = Normally Open

یعنی Contact در شرایط مرجع باز است و پس از عمل کردن Relay بسته می‌شود.

 

NC چیست؟

NC = Normally Closed

یعنی Contact در شرایط مرجع بسته است و پس از عمل کردن Relay باز می‌شود.

 

COM چیست؟

COM = Common

ترمینال مشترک Relay Contact است.

 

Dry Contact چیست؟

Dry Contact معمولاً Contactی است که خودش Voltage خروجی مشخصی تولید نمی‌کند.

این Contact مانند یک Switch در مدار خارجی عمل می‌کند.

مثلاً می‌تواند به Digital Input یک PLC متصل شود.

 

Wet Contact چیست؟

در Wet Contact، Signal همراه با Voltage مشخص در خروجی وجود دارد.

مثلاً تجهیز می‌تواند خروجی:

24 VDC

به PLC ارسال کند.

 

تفاوت Dry Contact و Wet Contact

Dry Contact:

• خروجی Contact
• معمولاً بدون Supply مستقل روی Contact
• انعطاف بیشتر در Wiring

Wet Contact:

• دارای Voltage مشخص
• باید با Input مقصد سازگار باشد

 

Relay Output در Pressure Switch

فرض کنید Pressure Switch روی:

8 bar

تنظیم شده باشد.

وقتی Pressure به Set Point برسد، Contact تغییر وضعیت می‌دهد.

PLC می‌تواند این وضعیت را به‌صورت:

Pressure High

دریافت کند.

 

Open Collector Output چیست؟

Open Collector یک خروجی Transistor-Based است.

این Output معمولاً خودش Voltage کامل تولید نمی‌کند و برای ایجاد Signal به Pull-Up یا Supply خارجی نیاز دارد.

در سنسورها و تجهیزات الکترونیکی رایج است.

 

Open Drain چیست؟

Open Drain مفهوم مشابه Open Collector دارد، اما معمولاً با MOSFET ساخته می‌شود.

کاربرد هر دو در Digital Output و Pulse Signal دیده می‌شود.

 

PNP Output چیست؟

در Sensorهای صنعتی PNP یکی از خروجی‌های رایج است.

در حالت Active، خروجی معمولاً Positive Supply را به Load ارسال می‌کند.

به‌صورت ساده:

PNP = Sourcing Output

 

NPN Output چیست؟

در NPN Output معمولاً مسیر Load به 0V برقرار می‌شود.

به‌صورت ساده:

NPN = Sinking Output

 

تفاوت PNP و NPN

PNP:

• Positive Switching
• بسیار رایج در بسیاری از سیستم‌های اروپایی

NPN:

• Negative/Sinking Switching
• در برخی سیستم‌ها و تجهیزات رایج

PLC Digital Input باید با نوع Sensor Output سازگار باشد.

 

Pulse Output چیست؟

در Pulse Output تجهیز مجموعه‌ای از Pulseهای الکتریکی ایجاد می‌کند.

هر Pulse می‌تواند نماینده مقدار مشخصی از Process باشد.

این خروجی در Flowmeterها بسیار رایج است.

 

مثال Pulse Output در Flowmeter

فرض کنید:

1 Pulse = 1 Liter

اگر Flowmeter:

1000 Pulse

ارسال کند، Total Volume برابر:

1000 Liter

است.

 

Pulse Value یا K-Factor چیست؟

K-Factor رابطه بین تعداد Pulse و مقدار Process را مشخص می‌کند.

برای مثال:

100 Pulse/Liter

یا:

1 Pulse/Liter

ممکن است تعریف شود.

 

Pulse Output برای Totalizer

Pulse Signal برای Totalizing بسیار مناسب است.

به همین دلیل در:

• Water Meter
• Gas Meter
• Turbine Flowmeter
• Energy Meter

زیاد استفاده می‌شود.

 

Frequency Output چیست؟

در Frequency Output، فرکانس Signal متناسب با مقدار Process تغییر می‌کند.

مثلاً:

0 Hz → 0% Flow

1000 Hz → 100% Flow

 

تفاوت Pulse و Frequency

Pulse Output معمولاً برای Counting و Totalization استفاده می‌شود.

Frequency Output می‌تواند برای نمایش مقدار لحظه‌ای Process بر اساس تعداد Cycle در واحد زمان استفاده شود.

البته در بسیاری از تجهیزات این دو مفهوم ارتباط نزدیک دارند.

 

خروجی NAMUR چیست؟

در برخی سنسورهای صنعتی، به‌خصوص Proximity Sensorهای مورد استفاده در Hazardous Area، خروجی‌های مطابق استانداردهای NAMUR دیده می‌شوند.

این Signalها معمولاً Current-Level مشخصی دارند و از طریق Interface مناسب مانند:

• NAMUR Amplifier
• Barrier
• Isolator

به سیستم کنترل متصل می‌شوند.

 

NAMUR Sensor چیست؟

NAMUR Sensor معمولاً Sensor کم‌مصرفی است که برای کاربردهای صنعتی و بعضاً Intrinsically Safe طراحی می‌شود.

این Sensor مانند Contact ساده NO/NC معمولی سیم‌بندی نمی‌شود و Interface مخصوص می‌خواهد.

 

خروجی دیجیتال ارتباطی چیست؟

در Smart Instrumentها اطلاعات می‌توانند به‌صورت Digital Data منتقل شوند.

نمونه پروتکل‌ها:

• HART
• Modbus
• Profibus
• Foundation Fieldbus

هستند.

 

HART چیست؟

HART یک پروتکل ارتباطی دیجیتال است که در کاربرد کلاسیک می‌تواند روی Loop:

4-20 mA

قرار گیرد.

بنابراین تجهیز می‌تواند همزمان:

• Analog Process Signal
• Digital Information

ارسال کند.

 

اطلاعات قابل انتقال با HART

بسته به تجهیز:

• PV
• Device Status
• Tag
• LRV
• URV
• Diagnostics
• Secondary Variable

در دسترس هستند.

 

خروجی Modbus چیست؟

Modbus یک پروتکل ارتباطی دیجیتال است.

دو نوع رایج:

• Modbus RTU
• Modbus TCP

هستند.

 

مزیت خروجی Modbus

با یک ارتباط دیجیتال می‌توان چندین Data Point را منتقل کرد.

مثلاً یک Power Meter می‌تواند همزمان:

• Voltage
• Current
• Power
• Frequency
• Energy

را از طریق Modbus ارسال کند.

 

Modbus RTU

معمولاً روی ارتباط Serial مانند:

RS-485

استفاده می‌شود.

 

Modbus TCP

روی Ethernet اجرا می‌شود.

در سیستم‌های جدید برای ارتباط PLC، Meter، Analyzer و Gateway رایج است.

 

Profibus چیست؟

Profibus یک خانواده پروتکل‌های صنعتی است.

دو نوع شناخته‌شده:

• Profibus DP
• Profibus PA

هستند.

 

Profibus PA در ابزار دقیق

Profibus PA برای تجهیزات Field در صنایع Process طراحی شده است.

تجهیزاتی مانند:

• Pressure Transmitter
• Flowmeter
• Level Transmitter

می‌توانند از این Protocol استفاده کنند.

 

Foundation Fieldbus چیست؟

Foundation Fieldbus یک سیستم ارتباط دیجیتال برای Process Instrumentation است.

Deviceهای مختلف می‌توانند روی یک Bus مشترک اطلاعات خود را انتقال دهند.

 

تفاوت 4-20 mA و Fieldbus

در 4-20 mA سنتی معمولاً:

هر Loop → یک Process Variable اصلی

اما در Fieldbus:

یک Network → چند Device و چند Variable

می‌تواند وجود داشته باشد.

 

خروجی Pneumatic چیست؟

قبل از گسترش سیستم‌های الکترونیکی، انتقال Signal پنوماتیکی بسیار رایج بود.

یکی از استانداردهای معروف:

3-15 psi

است.

 

3-15 psi چیست؟

در Signal پنوماتیکی رایج:

3 psi = 0%

15 psi = 100%

است.

این مفهوم شبیه 4-20 mA است.

 

چرا از 3 psi شروع می‌شود؟

مشابه Live Zero در 4-20 mA، مقدار پایین Signal صفر مطلق نیست.

وجود Pressure پایه می‌تواند برای تشخیص برخی Faultها و کارکرد سیستم Pneumatic مفید باشد.

 

I/P Converter چیست؟

I/P = Current to Pressure

این تجهیز Signal:

4-20 mA

را به Signal پنوماتیکی مانند:

3-15 psi

تبدیل می‌کند.

 

P/I Converter چیست؟

P/I Converter برعکس عمل می‌کند:

Pressure Signal → Current Signal

مثلاً:

3-15 psi → 4-20 mA

 

خروجی‌های رایج در Pressure Transmitter

Pressure Transmitter می‌تواند بسته به مدل دارای خروجی‌هایی مانند:

• 4-20 mA
• 4-20 mA + HART
• Profibus PA
• Foundation Fieldbus
• Modbus در برخی تجهیزات

باشد.

 

خروجی‌های رایج Temperature Transmitter

• 4-20 mA
• HART
• Profibus
• Foundation Fieldbus

 

خروجی‌های رایج Flowmeter

Flowmeterها تنوع خروجی بیشتری دارند:

• 4-20 mA
• Pulse
• Frequency
• Relay
• HART
• Modbus
• Profibus
• Foundation Fieldbus

 

خروجی‌های رایج Level Transmitter

• 4-20 mA
• HART
• Modbus
• Profibus PA
• Foundation Fieldbus

 

خروجی‌های رایج Analyzer

Analyzer می‌تواند دارای چند خروجی همزمان باشد:

• 4-20 mA
• Relay Alarm
• Modbus
• Ethernet
• HART در برخی مدل‌ها

 

خروجی‌های رایج Switchها

Switchها معمولاً دارای:

• Relay Contact
• Transistor Output
• PNP
• NPN

هستند.

 

خروجی Control Valve Positioner

Positioner معمولاً Input دریافت می‌کند، اما Smart Positioner ممکن است Feedback یا Communication نیز ارائه کند.

موارد رایج:

• 4-20 mA
• HART
• Position Feedback
• Limit Switch
• Digital Communication

 

Analog یا Digital؛ کدام بهتر است؟

پاسخ به کاربرد بستگی دارد.

Analog Output مزایایی مانند:

• سادگی
• عیب‌یابی آسان
• سازگاری بالا

دارد.

Digital Communication می‌تواند:

• اطلاعات بیشتر
• Diagnostics
• چند Variable
• Remote Configuration

ارائه کند.

در بسیاری از Plantها هر دو همزمان استفاده می‌شوند.

 

انتخاب خروجی مناسب ابزار دقیق

برای انتخاب Signal Output باید بررسی شوند:

• Control System
• Distance
• Required Accuracy
• Number of Variables
• Existing Wiring
• Hazardous Area
• Communication Requirement
• Diagnostics Requirement
• Speed

 

خروجی مناسب برای PLC

PLC می‌تواند بسته به Moduleهای موجود Signalهای مختلفی دریافت کند:

• 4-20 mA → AI
• 0-10 V → AI
• Relay → DI
• Pulse → High-Speed Input
• Modbus → Communication Port
• Profibus → Communication Module

 

خروجی مناسب برای DCS

در DCSهای Process معمولاً:

• 4-20 mA
• HART
• Foundation Fieldbus
• Profibus PA

زیاد استفاده می‌شوند.

 

چرا باید Output Type قبل از خرید مشخص شود؟

ممکن است یک Pressure Transmitter از نظر:

• Range
• Connection
• Material

کاملاً مناسب باشد، اما Output آن با سیستم کنترل سازگار نباشد.

برای مثال اگر DCS فقط:

4-20 mA/HART

را پشتیبانی کند، خرید مدل Profibus ممکن است Integration را دشوار کند.

 

Output Signal در Datasheet

در Instrument Datasheet باید نوع خروجی دقیقاً مشخص شود.

مثلاً:

Output: 4-20 mA, 2-Wire, HART

یا:

Output: Modbus RTU, RS-485

 

نکته مهم درباره Active و Passive Output

علاوه بر نوع Signal باید مشخص شود خروجی:

• Active
• Passive

است.

این موضوع در 4-20 mA و برخی Digital Signalها برای Wiring اهمیت زیادی دارد.

 

Active 4-20 mA Output

در Active Output تجهیز خودش Current Loop را Drive می‌کند.

معمولاً باید به Passive Input متصل شود.

 

Passive 4-20 mA Output

Passive Output به Loop Power خارجی نیاز دارد.

Two-Wire Transmitterها نمونه رایجی از این ساختار هستند.

 

خروجی Isolated چیست؟

در Isolated Output، مسیر Signal از بخش‌های دیگر تجهیز از نظر الکتریکی جدا شده است.

مزایا:

• کاهش Ground Loop
• حفاظت بهتر
• کاهش Noise

 

Non-Isolated Output چیست؟

در این حالت Signal ممکن است Ground یا Reference مشترک با بخش‌های دیگر داشته باشد.

در سیستم‌های چند تجهیزی باید Grounding با دقت بررسی شود.

 

نکته مهم در انتخاب سیگنال

هیچ خروجی‌ای در همه کاربردها «بهترین» نیست.

برای مثال:

• 4-20 mA برای Process Measurement بسیار مناسب است.
• Pulse برای Totalization عالی است.
• Relay برای Alarm و Status ساده است.
• HART برای Smart Instrument Diagnostics مفید است.
• Modbus برای انتقال چند Data Point مناسب است.

انتخاب باید بر اساس کاربرد واقعی انجام شود.

 

مقایسه انواع خروجی‌های رایج ابزار دقیق

برای انتخاب صحیح خروجی یک Instrument باید نوع سیگنال، سیستم مقصد، فاصله انتقال، شرایط محیطی و کاربرد تجهیز بررسی شود.

1. خروجی 4-20 mA

نوع سیگنال: Analog Current

کاربرد رایج: ترانسمیترهای فشار، دما، فلو و سطح

اتصال معمول: Analog Input یا AI در PLC و DCS

 

2. خروجی 0-20 mA

نوع سیگنال: Analog Current

کاربرد رایج: برخی تجهیزات و سیستم‌های کنترلی

اتصال معمول: Analog Input یا AI

 

3. خروجی 0-10 V

نوع سیگنال: Analog Voltage

کاربرد رایج: HVAC، سنسورها، اکچویتورها و سیستم‌های اتوماسیون

اتصال معمول: Voltage Analog Input

 

4. خروجی 1-5 V

نوع سیگنال: Analog Voltage

کاربرد رایج: تجهیزات ابزار دقیق و سیستم‌های کنترلی

اتصال معمول: Analog Input

 

5. خروجی Relay Contact

نوع سیگنال: Discrete

کاربرد رایج: Alarm، Status و انواع Switch

اتصال معمول: Digital Input یا DI

 

6. خروجی PNP و NPN

نوع سیگنال: Discrete Transistor Output

کاربرد رایج: Proximity Sensor، Photoelectric Sensor و سایر سنسورهای صنعتی

اتصال معمول: Digital Input یا DI سازگار

 

7. خروجی Pulse

نوع سیگنال: Pulse

کاربرد رایج: Flowmeter، Meter و Totalizer

اتصال معمول: Digital Input، Counter Input یا High-Speed Input

 

8. خروجی Frequency

نوع سیگنال: Frequency

کاربرد رایج: اندازه‌گیری Flow، Speed و برخی تجهیزات اندازه‌گیری

اتصال معمول: Frequency Input یا High-Speed Input

 

9. خروجی 4-20 mA + HART

نوع سیگنال: Analog + Digital Communication

کاربرد رایج: Smart Transmitterها و Smart Instrumentها

اتصال معمول: 4-20 mA Analog Input همراه با HART Interface

 

10. خروجی Modbus RTU

نوع سیگنال: Digital Communication

کاربرد رایج: Analyzer، Flowmeter، Power Meter و تجهیزات هوشمند

ارتباط معمول: RS-485

 

11. خروجی Modbus TCP

نوع سیگنال: Digital Communication

کاربرد رایج: تجهیزات هوشمند، PLC، Analyzer و Gateway

ارتباط معمول: Ethernet

 

12. خروجی Profibus PA

نوع سیگنال: Digital Fieldbus

کاربرد رایج: تجهیزات ابزار دقیق صنایع Process

ارتباط معمول: Profibus PA Network

 

13. خروجی Foundation Fieldbus

نوع سیگنال: Digital Fieldbus

کاربرد رایج: Pressure Transmitter، Flowmeter، Level Transmitter و سایر Field Instrumentها

ارتباط معمول: Foundation Fieldbus Network

 

14. خروجی 3-15 psi

نوع سیگنال: Pneumatic

کاربرد رایج: سیستم‌های کنترل پنوماتیکی، Positioner و تجهیزات قدیمی‌تر Process Control

اتصال معمول: Pneumatic Line

 

انتخاب سریع خروجی ابزار دقیق

برای Process Measurement ساده:

4-20 mA

برای Measurement همراه با Diagnostics و Configuration:

4-20 mA + HART

برای Alarm و Status:

Relay Contact یا Discrete Output

برای Totalization:

Pulse Output

برای اندازه‌گیری Rate یا Speed:

Frequency Output

برای انتقال چند Process Variable از یک تجهیز:

Digital Communication

برای ارتباط با Analyzer، Meter و تجهیزات هوشمند:

Modbus RTU یا Modbus TCP

برای شبکه دیجیتال تجهیزات Field در صنایع فرآیندی:

Profibus PA یا Foundation Fieldbus

برای سیستم‌های کنترل پنوماتیکی:

3-15 psi

 

خلاصه بسیار سریع

4-20 mA → اندازه‌گیری آنالوگ

0-10 V → سیگنال آنالوگ ولتاژی

Relay → وضعیت و Alarm

PNP/NPN → خروجی دیجیتال Sensor

Pulse → شمارش و Totalizer

Frequency → Rate و Speed

HART → 4-20 mA + اطلاعات دیجیتال

Modbus → ارتباط دیجیتال چندمتغیره

Profibus PA → شبکه ابزار دقیق

Foundation Fieldbus → شبکه دیجیتال Field Instrument

3-15 psi → سیگنال پنوماتیکی

 

خروجی مناسب برای انواع تجهیزات ابزار دقیق

نوع خروجی Instrument به نوع تجهیز، کاربرد، سیستم کنترل و مشخصات پروژه بستگی دارد.

در ادامه خروجی‌های رایج تجهیزات مختلف را بررسی می‌کنیم.

 

خروجی Pressure Transmitter

Pressure Transmitter فشار Process را اندازه‌گیری و به Signal قابل استفاده برای سیستم کنترل تبدیل می‌کند.

خروجی‌های رایج:

4-20 mA

4-20 mA + HART

Profibus PA

Foundation Fieldbus

در برخی تجهیزات خاص، پروتکل‌های دیجیتال دیگری نیز وجود دارند.

 

مثال خروجی Pressure Transmitter

فرض کنید Pressure Transmitter دارای Range زیر باشد:

0 تا 16 bar

و Output آن:

4-20 mA

باشد.

در این صورت:

0 bar → 4 mA

4 bar → 8 mA

8 bar → 12 mA

12 bar → 16 mA

16 bar → 20 mA

بنابراین اگر PLC مقدار 12 mA دریافت کند، فشار برابر 8 bar است.

 

خروجی Differential Pressure Transmitter

DP Transmitter نیز معمولاً خروجی‌هایی مانند:

4-20 mA

4-20 mA + HART

Foundation Fieldbus

Profibus PA

دارد.

DP Transmitter می‌تواند برای اندازه‌گیری:

Pressure Difference

Flow

Level

Filter Differential Pressure

استفاده شود.

 

خروجی Temperature Transmitter

Temperature Transmitter مقدار Sensorهایی مانند:

RTD

Thermocouple

را دریافت کرده و به Signal استاندارد تبدیل می‌کند.

خروجی‌های رایج:

4-20 mA

4-20 mA + HART

Profibus PA

Foundation Fieldbus

 

آیا RTD خروجی 4-20 mA دارد؟

خود RTD معمولاً Transmitter نیست.

RTD یک Sensor مقاومتی است.

برای تبدیل Signal آن به 4-20 mA معمولاً از:

Temperature Transmitter

استفاده می‌شود.

ساختار:

RTD → Temperature Transmitter → 4-20 mA → PLC/DCS

 

آیا Thermocouple خروجی 4-20 mA دارد؟

خود Thermocouple یک Voltage بسیار کوچک وابسته به Temperature تولید می‌کند.

اگر خروجی استاندارد 4-20 mA لازم باشد، از Temperature Transmitter استفاده می‌شود.

 

خروجی Flow Transmitter

Flow Instrumentها از متنوع‌ترین تجهیزات از نظر Output هستند.

خروجی‌های رایج:

4-20 mA

4-20 mA + HART

Pulse

Frequency

Relay

Modbus RTU

Modbus TCP

Profibus

Foundation Fieldbus

 

چرا Flowmeter چند خروجی دارد؟

یک Flowmeter ممکن است چند Variable مختلف داشته باشد.

مثلاً:

Instantaneous Flow

Total Flow

Density

Temperature

Diagnostic Status

به همین دلیل ممکن است چند Output همزمان ارائه کند.

 

خروجی Magnetic Flowmeter

در Electromagnetic Flowmeter خروجی‌های رایج می‌توانند شامل:

4-20 mA

Pulse

Frequency

Relay

HART

Modbus

Profibus

باشند.

نوع دقیق خروجی به مدل و Optionهای تجهیز بستگی دارد.

 

خروجی Coriolis Flowmeter

Coriolis Flowmeter می‌تواند چند Variable را اندازه‌گیری کند.

مانند:

Mass Flow

Density

Temperature

Volumetric Flow

خروجی‌ها ممکن است شامل:

4-20 mA

Pulse/Frequency

HART

Modbus

Fieldbus

باشند.

 

خروجی Turbine Flowmeter

Turbine Flowmeter معمولاً می‌تواند Signal پالسی یا فرکانسی متناسب با Flow تولید کند.

در بعضی سیستم‌ها این Signal ابتدا به:

Flow Transmitter

یا:

Flow Computer

ارسال می‌شود.

 

خروجی Ultrasonic Flowmeter

بسته به مدل می‌تواند شامل:

4-20 mA

Pulse

Relay

Modbus

HART

Ethernet Communication

باشد.

 

خروجی Vortex Flowmeter

خروجی‌های رایج می‌توانند شامل:

4-20 mA

HART

Pulse

Frequency

Fieldbus

باشند.

 

خروجی Level Transmitter

Level Transmitterها معمولاً خروجی‌هایی مانند:

4-20 mA

4-20 mA + HART

Profibus PA

Foundation Fieldbus

Modbus در برخی مدل‌ها

دارند.

 

خروجی Radar Level Transmitter

Radar Level Transmitter معمولاً Smart Instrument است.

خروجی‌های رایج:

4-20 mA

HART

Fieldbus

Profibus PA

بسته به مدل تجهیز.

 

خروجی Ultrasonic Level Transmitter

خروجی‌های رایج:

4-20 mA

Relay

HART در برخی مدل‌ها

Modbus در برخی تجهیزات

هستند.

 

خروجی Level Switch

Level Switch برخلاف Level Transmitter معمولاً مقدار پیوسته Level را ارسال نمی‌کند.

خروجی‌های رایج:

Relay Contact

PNP

NPN

NAMUR

هستند.

 

خروجی Pressure Switch

Pressure Switch معمولاً خروجی:

NO/NC Contact

Relay Contact

یا Electronic Switching Output

دارد.

در مدل‌های Electronic ممکن است:

PNP

NPN

نیز وجود داشته باشد.

 

خروجی Temperature Switch

Temperature Switch معمولاً برای Alarm یا Trip استفاده می‌شود.

خروجی می‌تواند:

Relay

Dry Contact

Electronic Switching Output

باشد.

 

خروجی Flow Switch

Flow Switch معمولاً وضعیت:

Flow Present / No Flow

یا:

Low Flow / Normal Flow

را اعلام می‌کند.

خروجی رایج:

Relay Contact

PNP

NPN

است.

 

خروجی Proximity Sensor

Proximity Sensorهای صنعتی معمولاً دارای خروجی‌هایی مانند:

PNP

NPN

NAMUR

هستند.

مدل Sensor باید با Digital Input سیستم کنترل سازگار باشد.

 

خروجی Gas Detector

Fixed Gas Detector می‌تواند بسته به مدل دارای:

4-20 mA

HART

Relay

Modbus

Digital Communication

باشد.

 

چرا Gas Detector چند خروجی دارد؟

مثلاً:

4-20 mA → مقدار Gas Concentration

Relay → Alarm

Digital Communication → Diagnostics و Configuration

بنابراین یک Gas Detector می‌تواند همزمان چند نوع اطلاعات ارائه کند.

 

خروجی Flame Detector

Fire & Gas Flame Detectorها ممکن است دارای:

Relay Output

4-20 mA

Digital Communication

باشند.

نوع Output باید با Fire & Gas System سازگار باشد.

 

خروجی Analyzer

Analyzerها معمولاً اطلاعات بیشتری نسبت به یک Transmitter ساده دارند.

خروجی‌های رایج:

4-20 mA

Relay

Modbus RTU

Modbus TCP

Ethernet

Digital Communication

هستند.

 

مثال Analyzer

یک pH Analyzer ممکن است:

4-20 mA → مقدار pH

Relay 1 → High Alarm

Relay 2 → Low Alarm

Modbus → Measurement + Diagnostics

ارائه کند.

 

خروجی Conductivity Analyzer

ممکن است شامل:

4-20 mA

Relay

Modbus

باشد.

 

خروجی Oxygen Analyzer

بسته به مدل:

4-20 mA

Relay

Modbus

Ethernet

می‌تواند ارائه شود.

 

خروجی Vibration Transmitter

Vibration Transmitter می‌تواند خروجی:

4-20 mA

ارائه کند.

اما سیستم‌های Machinery Monitoring پیشرفته ممکن است Signalهای Sensor و Communication متفاوتی داشته باشند.

 

خروجی Load Cell

Load Cell معمولاً مستقیماً 4-20 mA تولید نمی‌کند.

خروجی خام آن می‌تواند در حد:

mV/V

باشد.

برای تبدیل آن از:

Load Cell Transmitter

Weight Transmitter

Weighing Indicator

استفاده می‌شود.

 

خروجی Load Cell Transmitter

پس از Signal Conditioning می‌توان خروجی‌هایی مانند:

4-20 mA

0-10 V

Modbus

Fieldbus

دریافت کرد.

 

خروجی Encoder

Encoderها ممکن است دارای:

Pulse

A/B Channels

Quadrature Signal

یا Communication Protocol

باشند.

برای Position و Speed Measurement استفاده می‌شوند.

 

خروجی Control Valve چیست؟

Control Valve معمولاً Final Control Element است و بیشتر Signal ورودی دریافت می‌کند.

مثلاً:

4-20 mA → Positioner

اما Positioner می‌تواند اطلاعات Feedback نیز ارسال کند.

 

Position Feedback

Smart Positioner یا Position Transmitter می‌تواند موقعیت واقعی Valve را به سیستم کنترل ارسال کند.

مثلاً:

4-20 mA Feedback

که می‌تواند متناظر با:

0% Closed

تا:

100% Open

باشد.

 

Limit Switch در Valve

On/Off Valveها معمولاً برای اعلام Position دارای:

Open Limit Switch

Close Limit Switch

هستند.

خروجی این Switchها می‌تواند به DI سیستم کنترل ارسال شود.

 

خروجی Solenoid Valve چیست؟

Solenoid Valve معمولاً Output Signal تولید نمی‌کند، بلکه یک فرمان Electrical دریافت می‌کند.

مثلاً:

24 VDC

یا:

110/230 VAC

اما Valve Assembly ممکن است دارای Limit Switch برای Position Feedback باشد.

 

خروجی Smart Instrument

Smart Instrumentها علاوه بر Process Variable می‌توانند اطلاعات دیگری ارائه کنند.

مانند:

Device Status

Diagnostics

Sensor Temperature

Secondary Variable

Maintenance Information

Configuration Data

 

4-20 mA یا HART؟

این دو الزاماً رقیب یکدیگر نیستند.

در کاربرد رایج HART:

4-20 mA → Process Variable اصلی

HART → Digital Communication

بنابراین یک Loop می‌تواند هر دو را همزمان داشته باشد.

 

مزیت 4-20 mA

مزایا:

سادگی

قابلیت اطمینان بالا

عیب‌یابی آسان

سازگاری گسترده

مناسب مسیرهای طولانی

 

محدودیت 4-20 mA

یک Loop کلاسیک معمولاً مقدار اصلی محدودی را به‌صورت Analog منتقل می‌کند.

برای اطلاعات بیشتر به Communication دیگری مانند HART نیاز است.

 

مزیت HART

HART می‌تواند بدون حذف Signal اصلی 4-20 mA اطلاعات بیشتری فراهم کند.

مانند:

Tag

Range

Diagnostics

Device Status

Secondary Variables

 

محدودیت HART

برای استفاده از اطلاعات Digital آن باید سیستم یا Interface از HART پشتیبانی کند.

Analog Input معمولی فقط Signal Current را دریافت می‌کند.

 

4-20 mA یا Modbus؟

4-20 mA برای انتقال یک Process Variable بسیار ساده و قابل فهم است.

Modbus می‌تواند تعداد زیادی Variable را از یک Device منتقل کند.

 

مثال 4-20 mA و Modbus

فرض کنید یک Power Meter داریم.

اگر از Analog Signal استفاده کنیم، ممکن است برای هر Variable به Output جداگانه نیاز داشته باشیم.

اما با Modbus می‌توان اطلاعاتی مانند:

Voltage

Current

Power

Frequency

Energy

را از یک Communication Link دریافت کرد.

 

مزیت Modbus

امکان انتقال Data زیاد

کاهش تعداد Signal Wire در برخی کاربردها

دسترسی به چند Variable

Diagnostics بهتر در برخی تجهیزات

 

محدودیت Modbus

نسبت به Signal ساده 4-20 mA به Configuration بیشتری نیاز دارد.

مواردی مانند:

Address

Baud Rate

Register

Data Type

Network Configuration

باید صحیح باشند.

 

Relay یا 4-20 mA؟

Relay فقط وضعیت مشخصی را اعلام می‌کند.

مثلاً:

Pressure High

اما 4-20 mA مقدار واقعی Pressure را ارسال می‌کند.

 

مثال

Pressure Switch:

Pressure > 10 bar → Contact Active

Pressure Transmitter:

Pressure = 10.37 bar → Signal متناسب

بنابراین کاربرد این دو متفاوت است.

 

Pulse یا 4-20 mA؟

Pulse برای:

Totalization

Counting

مناسب است.

4-20 mA برای:

Instantaneous Measurement

بسیار رایج است.

 

آیا Flowmeter می‌تواند هر دو را داشته باشد؟

بله.

یک Flowmeter ممکن است:

4-20 mA → Instantaneous Flow

Pulse → Total Volume

را همزمان ارسال کند.

 

Frequency یا Pulse؟

این دو از نظر فیزیکی می‌توانند شباهت داشته باشند اما نحوه استفاده متفاوت است.

Pulse معمولاً بر اساس تعداد Event تفسیر می‌شود.

Frequency معمولاً تعداد Cycle در واحد زمان را نشان می‌دهد.

 

Relay یا PNP/NPN؟

Relay دارای Contact الکترومکانیکی است.

PNP/NPN خروجی Electronic هستند.

Relay معمولاً:

کندتر

اما از نظر نوع Circuit انعطاف‌پذیرتر

است.

PNP/NPN:

سریع‌تر

بدون Contact مکانیکی

و مناسب Sensorهای Electronic

هستند.

 

انتخاب خروجی برای Pressure Measurement

انتخاب رایج:

4-20 mA

اگر Diagnostics لازم باشد:

4-20 mA + HART

اگر Plant از Fieldbus استفاده کند:

Profibus PA یا Foundation Fieldbus

 

انتخاب خروجی برای Temperature Measurement

در بسیاری از Process Plantها:

Temperature Transmitter + 4-20 mA/HART

انتخاب رایجی است.

 

انتخاب خروجی برای Flow Measurement

بسته به نیاز:

4-20 mA → Flow Rate

Pulse → Total Flow

HART → Configuration/Diagnostics

Modbus → Multiple Variables

 

انتخاب خروجی برای Level Measurement

برای Continuous Level:

4-20 mA/HART

برای Point Level:

Relay / PNP / NPN / NAMUR

 

انتخاب خروجی برای Alarm

برای Alarm مستقل:

Relay Contact

یکی از ساده‌ترین روش‌هاست.

اما Alarm می‌تواند داخل PLC/DCS نیز از روی Analog Measurement ایجاد شود.

 

انتخاب خروجی برای Trip

Trip Signal باید مطابق Safety Philosophy پروژه طراحی شود.

در کاربردهای Safety-Critical صرفاً انتخاب NO یا NC کافی نیست.

مواردی مانند:

De-energize to Trip

Line Monitoring

Fault Detection

SIL Requirement

باید بررسی شوند.

 

De-Energize to Trip چیست؟

در این فلسفه، از دست رفتن انرژی می‌تواند سیستم را به وضعیت Trip هدایت کند.

مزیت آن این است که برخی Faultها مانند قطع Power یا Wire می‌توانند به حالت ایمن منجر شوند.

اما طراحی باید بر اساس Risk Assessment انجام شود.

 

Energize to Trip چیست؟

در این حالت برای ایجاد Trip باید Circuit Energize شود.

این روش نیز کاربردهای خاص خود را دارد.

انتخاب بین این دو به فلسفه Safety پروژه بستگی دارد.

 

مهم‌ترین سؤال هنگام خرید Instrument

قبل از سفارش تجهیز فقط نپرسید:

«خروجی آن چیست؟»

بلکه مشخص کنید:

Output Type چیست؟

Signal Range چیست؟

Active است یا Passive؟

Isolated است؟

چند Output دارد؟

HART دارد؟

Relay چند Contact دارد؟

Pulse Active است یا Passive؟

PNP است یا NPN؟

Modbus RTU است یا TCP؟

Power Supply چیست؟

سیستم مقصد چه Inputی دارد؟

 

مثال مشخصات خروجی Pressure Transmitter

یک Specification می‌تواند به شکل زیر باشد:

Output: 4-20 mA

Communication: HART

Wiring: 2-Wire

Supply: 24 VDC Nominal

Failure Mode: Configurable High/Low

البته مقادیر دقیق باید بر اساس Datasheet سازنده انتخاب شوند.

 

مثال مشخصات خروجی Flowmeter

Output 1: 4-20 mA

Output 2: Pulse/Frequency

Communication: HART یا Modbus

Relay: Alarm/Status

Power Supply: طبق Datasheet

 

مثال مشخصات خروجی Level Switch

Supply: 24 VDC

Output: PNP

Function: High Level Detection

Connection: 3-Wire

یا در یک مدل دیگر:

Output: SPDT Relay Contact

بنابراین حتی دو Level Switch با کاربرد مشابه ممکن است Wiring کاملاً متفاوتی داشته باشند.

 

اشتباه رایج در خرید تجهیزات ابزار دقیق

یکی از اشتباهات رایج این است که فقط:

Range

Process Connection

Brand

بررسی شوند.

در حالی که Output Signal نیز باید با سیستم مقصد کاملاً سازگار باشد.

 

چک‌لیست انتخاب خروجی ابزار دقیق

قبل از خرید یا نصب Instrument این موارد را بررسی کنید:

Output Signal

Analog یا Digital

Current یا Voltage

4-20 mA یا 0-10 V

Active یا Passive

2-Wire / 3-Wire / 4-Wire

PNP یا NPN

NO یا NC

Pulse Type

Maximum Frequency

HART Support

Communication Protocol

Isolation

Power Supply

Load Resistance

Fault Output

PLC/DCS Compatibility

Hazardous Area Requirement

 

سوالات متداول

رایج‌ترین خروجی ابزار دقیق چیست؟

در صنایع فرآیندی، 4-20 mA یکی از رایج‌ترین Signalهای Analog برای انتقال Process Variable است.

 

چرا 4-20 mA به‌جای 0-20 mA استفاده می‌شود؟

یکی از مزایای مهم آن Live Zero است.

در 4-20 mA مقدار صفر Measurement برابر 4 mA است و صفر میلی‌آمپر می‌تواند نشان‌دهنده Faultهایی مانند قطع Loop باشد.

 

خروجی HART چیست؟

HART امکان Communication دیجیتال با Smart Instrument را فراهم می‌کند و در کاربرد رایج می‌تواند همراه Signal آنالوگ 4-20 mA استفاده شود.

 

خروجی Relay چیست؟

یک Contact خروجی است که می‌تواند برای انتقال وضعیت‌هایی مانند Alarm، Trip یا Switch Status استفاده شود.

 

Dry Contact چیست؟

Contactی است که معمولاً خودش Voltage Signal تولید نمی‌کند و برای استفاده به Circuit خارجی نیاز دارد.

 

PNP و NPN چیست؟

دو نوع خروجی Transistor Sensorهای DC هستند.

PNP معمولاً Sourcing و NPN معمولاً Sinking است.

 

Pulse Output چیست؟

خروجی‌ای است که اطلاعات را به شکل Pulse منتقل می‌کند و در Flowmeterها، Meterها و Totalization بسیار رایج است.

 

کدام خروجی برای Flowmeter بهتر است؟

به کاربرد بستگی دارد.

برای Flow Rate:

4-20 mA

برای Totalization:

Pulse

برای Diagnostics:

HART

و برای چند Variable:

Digital Communication مانند Modbus

می‌تواند مناسب باشد.

 

آیا 4-20 mA و HART همزمان کار می‌کنند؟

بله. در HART کلاسیک، Communication دیجیتال روی همان Loop 4-20 mA قرار می‌گیرد.

 

آیا Modbus جایگزین 4-20 mA است؟

در برخی کاربردها می‌تواند اطلاعات بیشتری منتقل کند، اما همیشه جایگزین مناسب 4-20 mA نیست.

انتخاب به معماری سیستم و Reliability Requirement بستگی دارد.

 

خروجی ابزار دقیق چگونه به PLC متصل می‌شود؟

نوع خروجی تعیین می‌کند چه Interfaceای لازم است.

4-20 mA → AI

0-10 V → Voltage AI

Relay → DI

PNP/NPN → DI مناسب

Pulse → Counter/High-Speed Input

Modbus → Communication Interface

 

جمع‌بندی

تجهیزات ابزار دقیق برای انتقال Measurement، Status و Diagnostic Information از انواع مختلف Output استفاده می‌کنند.

رایج‌ترین خروجی‌ها عبارت‌اند از:

4-20 mA

0-10 V

1-5 V

Relay Contact

PNP

NPN

NAMUR

Pulse

Frequency

HART

Modbus

Profibus PA

Foundation Fieldbus

3-15 psi

برای Process Measurement، سیگنال 4-20 mA همچنان یکی از پرکاربردترین روش‌هاست.

برای Smart Instrumentها، 4-20 mA همراه HART امکان دسترسی به اطلاعات بیشتری را فراهم می‌کند.

برای Status و Alarm معمولاً از Discrete Output مانند Relay استفاده می‌شود.

در Flow Measurement، Pulse و Frequency نیز کاربرد زیادی دارند.

در سیستم‌های دیجیتال، پروتکل‌هایی مانند Modbus، Profibus و Foundation Fieldbus امکان انتقال چندین Variable و اطلاعات Diagnostic را فراهم می‌کنند.

بنابراین انتخاب Output فقط بر اساس نوع Instrument انجام نمی‌شود و باید:

Process

Control System

Wiring

Distance

Safety

Communication

و Compatibility

به‌صورت همزمان بررسی شوند.