تفاوت Active و Passive در سیگنال 4-20 mA چیست؟ راهنمای کامل سیم‌بندی، Loop Power و اتصال به PLC/DCS

سیگنال 4-20 mA یکی از رایج‌ترین استانداردهای انتقال سیگنال آنالوگ در ابزار دقیق صنعتی است. بسیاری از ترانسمیترهای فشار، دما، فلو، سطح، آنالایزرها و تجهیزات کنترلی از این سیگنال برای ارسال مقدار اندازه‌گیری‌شده به PLC، DCS، کنترلر یا نمایشگر استفاده می‌کنند.

اما یکی از سوال‌های مهم هنگام نصب و سیم‌بندی این تجهیزات این است:

خروجی 4-20 mA دستگاه Active است یا Passive؟

و در طرف مقابل:

ورودی آنالوگ PLC یا DCS از نوع Active است یا Passive؟

اگر این موضوع به‌درستی تشخیص داده نشود، ممکن است Loop به‌درستی کار نکند، سیگنال دریافت نشود یا حتی در برخی شرایط سیم‌بندی اشتباه به تجهیزات آسیب وارد کند.

در این مقاله تفاوت Active و Passive در 4-20 mA، مفهوم Loop Power، Source و Sink، نحوه اتصال به PLC/DCS و نکات مهم قبل از سیم‌بندی را بررسی می‌کنیم.

 

سیگنال 4-20 mA چیست؟

در سیستم‌های ابزار دقیق، سیگنال جریان 4 تا 20 میلی‌آمپر برای انتقال مقدار اندازه‌گیری‌شده استفاده می‌شود.

در این استاندارد معمولاً:

4 mA = مقدار حداقل اندازه‌گیری

و

20 mA = مقدار حداکثر اندازه‌گیری

است.

برای مثال اگر یک ترانسمیتر فشار دارای Range برابر 0 تا 10 bar باشد:

• 0 bar → 4 mA
• 5 bar → 12 mA
• 10 bar → 20 mA

به این ترتیب PLC یا DCS با اندازه‌گیری جریان Loop می‌تواند مقدار واقعی فرآیند را محاسبه کند.

 

چرا از 4 mA به جای 0 mA استفاده می‌شود؟

یکی از مزایای مهم استاندارد 4-20 mA این است که مقدار 4 mA به‌عنوان Live Zero شناخته می‌شود.

اگر مقدار فرآیند صفر باشد، Loop همچنان جریان 4 mA دارد.

اما اگر جریان به صفر برسد، ممکن است نشانه‌ای از:

• قطع کابل
• قطع تغذیه
• خرابی تجهیز
• باز شدن مدار

باشد.

به همین دلیل 4-20 mA از نظر تشخیص خطا نسبت به سیگنال 0-20 mA مزیت دارد.

 

مفهوم Loop در 4-20 mA چیست؟

Loop به مدار بسته‌ای گفته می‌شود که جریان 4-20 mA در آن گردش می‌کند.

این مدار معمولاً شامل بخش‌هایی مانند:

• منبع تغذیه
• ترانسمیتر
• ورودی آنالوگ PLC یا DCS
• سیم‌های ارتباطی
• گاهی ایزولاتور یا Barrier

است.

برای اینکه Loop به‌درستی کار کند، باید یک منبع انرژی برای ایجاد ولتاژ لازم در مدار وجود داشته باشد.

اینجاست که مفهوم Active و Passive اهمیت پیدا می‌کند.

 

تفاوت Active و Passive در 4-20 mA چیست؟

به زبان ساده:

Active

تجهیزی که خودش انرژی لازم برای خروجی جریان 4-20 mA را فراهم می‌کند.

یعنی تجهیز می‌تواند جریان خروجی را Source کند.

Passive

تجهیزی که خودش Loop Voltage را تأمین نمی‌کند و برای کارکرد نیاز به منبع تغذیه خارجی دارد.

یعنی تجهیز فقط جریان Loop را کنترل می‌کند و به یک منبع خارجی وابسته است.

پس مهم‌ترین سؤال این است:

چه کسی انرژی Loop را تأمین می‌کند؟

 

Passive Output چیست؟

در یک خروجی Passive، خود تجهیز ولتاژ Loop را تولید نمی‌کند.

بنابراین باید یک منبع خارجی مانند:

24 VDC

در مدار قرار گیرد.

در این ساختار معمولاً ترانسمیتر میزان جریان عبوری را بین 4 تا 20 mA کنترل می‌کند.

این نوع خروجی در بسیاری از ترانسمیترهای 2-Wire رایج است.

 

ترانسمیتر 2-Wire چیست؟

در یک ترانسمیتر 2-Wire همان دو سیم هم برای تغذیه تجهیز و هم برای انتقال سیگنال استفاده می‌شوند.

یعنی:

• انرژی موردنیاز تجهیز از Loop تأمین می‌شود.
• جریان 4-20 mA نیز روی همان دو سیم منتقل می‌شود.

به چنین تجهیزی معمولاً:

Loop-Powered Transmitter

گفته می‌شود.

در این حالت باید یک منبع تغذیه خارجی در Loop وجود داشته باشد.

 

مدار معمول یک خروجی Passive

یک مدار ساده ممکن است به شکل زیر باشد:

24 VDC → Transmitter → PLC Analog Input → 0V

در این ساختار منبع 24 ولت، انرژی Loop را تأمین می‌کند و ترانسمیتر جریان را در محدوده 4-20 mA کنترل می‌کند.

 

Active Output چیست؟

در یک خروجی Active، خود تجهیز انرژی لازم برای خروجی آنالوگ را فراهم می‌کند.

بنابراین دستگاه می‌تواند جریان 4-20 mA را مستقیماً به Load ارسال کند.

در این حالت خروجی تجهیز:

Current Source

است.

این ساختار در برخی تجهیزات دارای تغذیه مستقل مانند:

• برخی فلومترها
• آنالایزرها
• کنترلرها
• ترانسمیترهای 3-Wire
• ترانسمیترهای 4-Wire

دیده می‌شود.

 

تفاوت 2-Wire، 3-Wire و 4-Wire

یکی از راه‌های اولیه برای درک نوع خروجی، بررسی روش تغذیه تجهیز است.

تجهیزات 2-Wire

معمولاً:

• Loop-Powered هستند.
• تغذیه و سیگنال روی دو سیم منتقل می‌شوند.
• خروجی آن‌ها اغلب Passive است.

تجهیزات 3-Wire

معمولاً دارای:

• تغذیه مثبت
• Common یا 0V
• سیم سیگنال

هستند.

نوع خروجی باید از Datasheet بررسی شود.

تجهیزات 4-Wire

معمولاً تغذیه جداگانه دارند و دو سیم نیز برای خروجی استفاده می‌شود.

بسیاری از این تجهیزات می‌توانند خروجی Active داشته باشند، اما باز هم Datasheet مرجع اصلی است.

 

Active Analog Input چیست؟

فقط خروجی ترانسمیتر Active یا Passive نیست.

ورودی PLC یا DCS نیز می‌تواند Active یا Passive باشد.

یک Active Analog Input معمولاً Loop Power لازم را برای ترانسمیتر فراهم می‌کند.

یعنی خود کارت ورودی می‌تواند انرژی لازم برای یک ترانسمیتر Loop-Powered را تأمین کند.

در این حالت معمولاً نیازی به منبع 24 VDC جداگانه در Loop نیست.

 

Passive Analog Input چیست؟

Passive Analog Input خودش Loop Voltage تأمین نمی‌کند.

این ورودی فقط جریان عبوری را اندازه‌گیری می‌کند.

بنابراین باید جریان توسط یک منبع دیگر ایجاد شود.

این منبع می‌تواند:

• خروجی Active یک تجهیز
• یا منبع تغذیه خارجی

باشد.

 

قانون مهم Source و Sink

یکی از مهم‌ترین قواعد در مدارهای 4-20 mA این است:

Source باید با Sink جفت شود.

به عبارت دیگر، در یک Loop باید یک طرف انرژی را تأمین کند و طرف دیگر آن را دریافت یا اندازه‌گیری کند.

ترکیب‌های رایج:

Passive Transmitter Output + Active PLC Input

یا

Active Transmitter Output + Passive PLC Input

است.

 

چه ترکیب‌هایی ممکن است مشکل ایجاد کنند؟

Active + Active

اگر هم خروجی تجهیز و هم ورودی PLC بخواهند Loop را تغذیه کنند، ممکن است دو Source در یک مدار قرار بگیرند.

این وضعیت می‌تواند باعث:

• عملکرد نادرست
• جریان غیرقابل پیش‌بینی
• Alarm
• یا در شرایط نامناسب آسیب به تجهیزات

شود.

Passive + Passive

اگر هیچ‌کدام از دو طرف انرژی Loop را تأمین نکنند، مدار منبع تغذیه نخواهد داشت.

در نتیجه:

• جریان 4-20 mA ایجاد نمی‌شود.
• PLC مقدار صحیح دریافت نمی‌کند.

مگر اینکه منبع تغذیه جداگانه در Loop اضافه شود.

 

آیا داشتن خروجی 4-20 mA به معنی Active بودن است؟

خیر.

این یکی از اشتباهات رایج در ابزار دقیق است.

عبارت:

4-20 mA Output

به‌تنهایی مشخص نمی‌کند که خروجی Active است یا Passive.

برای تشخیص باید موارد زیر را در Datasheet یا Wiring Diagram بررسی کنید:

• Active Output
• Passive Output
• Current Source
• Current Sink
• Loop-Powered
• Externally Powered
• 2-Wire
• 3-Wire
• 4-Wire

 

چطور Active یا Passive بودن خروجی را تشخیص دهیم؟

بهترین روش بررسی مدار سیم‌بندی سازنده است.

اگر در Wiring Diagram مشاهده کردید که یک منبع تغذیه خارجی مانند 24 VDC باید در Loop قرار گیرد، خروجی معمولاً Passive است.

اگر تجهیز خودش خروجی 4-20 mA را بدون منبع خارجی در Loop تأمین می‌کند، خروجی Active است.

 

مثال اول: ترانسمیتر Passive با PLC Active

فرض کنید یک ترانسمیتر فشار 2-Wire داریم.

خروجی تجهیز:

Passive 4-20 mA

است.

اگر Analog Input کارت PLC دارای Loop Power باشد، PLC می‌تواند انرژی موردنیاز Loop را تأمین کند.

در این حالت اتصال کلی به شکل زیر است:

Active PLC AI → Passive Transmitter → Return

این یکی از ترکیب‌های رایج در صنعت است.

 

مثال دوم: ترانسمیتر Passive با PLC Passive

اگر هم ترانسمیتر و هم ورودی PLC Passive باشند، باید یک منبع تغذیه خارجی به مدار اضافه شود.

برای مثال:

24 VDC → Transmitter → PLC AI → 0V

در این مدار منبع 24 VDC نقش Source را دارد.

 

مثال سوم: خروجی Active با PLC Passive

فرض کنید یک فلومتر یا آنالایزر دارای تغذیه مستقل است و خروجی:

Active 4-20 mA

دارد.

در این حالت خود تجهیز جریان را Source می‌کند.

بنابراین بهتر است به یک:

Passive Analog Input

متصل شود.

 

فرق Loop Power با تغذیه خود دستگاه چیست؟

این دو مفهوم را نباید با هم اشتباه گرفت.

ممکن است یک دستگاه خودش از برق:

• 24 VDC
• 110 VAC
• 220 VAC

تغذیه شود، اما خروجی آنالوگ آن هنوز Passive باشد.

یعنی تغذیه اصلی دستگاه الزاماً به معنی Active بودن خروجی 4-20 mA نیست.

بنابراین همیشه باید مشخصات Analog Output جداگانه بررسی شود.

 

Loop Resistance چیست؟

هر Loop دارای مقاومت الکتریکی است.

این مقاومت می‌تواند شامل:

• مقاومت ورودی PLC
• مقاومت کابل
• Barrier
• Isolator
• نمایشگر
• سایر تجهیزات سری

باشد.

ترانسمیتر باید بتواند جریان موردنیاز را در مجموع این مقاومت‌ها برقرار کند.

اگر مقاومت Loop بیش از حد مجاز باشد، ممکن است تجهیز نتواند به 20 mA برسد.

 

محاسبه ساده محدودیت Loop

بر اساس قانون اهم:

V = I × R

بنابراین برای ایجاد جریان 20 mA روی یک مقاومت مشخص، باید ولتاژ کافی در مدار وجود داشته باشد.

برای مثال اگر مجموع مقاومت Loop برابر 500 Ω باشد:

V = 0.02 × 500

V = 10 V

علاوه بر این مقدار، خود ترانسمیتر نیز به حداقل ولتاژ کاری نیاز دارد.

به همین دلیل هنگام طراحی Loop باید:

• Supply Voltage
• Minimum Transmitter Voltage
• Load Resistance

با هم بررسی شوند.

 

ارتباط HART با Loop 4-20 mA

در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق، پروتکل HART روی همان Loop 4-20 mA استفاده می‌شود.

برای عملکرد صحیح HART ممکن است به حداقل مقاومت مشخصی در Loop نیاز باشد.

یکی از مقادیر رایج در بسیاری از سیستم‌ها حدود:

250 Ω

است.

اما مقدار دقیق باید از Manual تجهیز بررسی شود.

همچنین در سیستم‌های دارای Barrier، Isolator یا کارت‌های خاص باید سازگاری HART بررسی شود.

 

Galvanic Isolation چیست؟

Galvanic Isolation یعنی جداسازی الکتریکی بین بخش‌های مختلف مدار.

در سیستم‌های ابزار دقیق، Isolation می‌تواند به کاهش مشکلاتی مانند:

• Ground Loop
• Noise
• اختلاف پتانسیل زمین
• تداخل الکتریکی

کمک کند.

در بعضی پروژه‌ها از:

Signal Isolator

برای جداسازی سیگنال 4-20 mA استفاده می‌شود.

 

Polarity در 4-20 mA

در بیشتر مدارهای DC باید قطب مثبت و منفی به‌درستی رعایت شوند.

قبل از اتصال سیم‌ها، ترمینال‌های:

• • ●
  • ●
• Signal
• Return
• Loop+
• Loop-

را مطابق Wiring Diagram سازنده بررسی کنید.

اتصال اشتباه Polarity می‌تواند باعث عدم عملکرد Loop شود.

 

قبل از سیم‌بندی 4-20 mA چه چیزهایی را بررسی کنیم؟

قبل از هر اتصال، بهتر است چک‌لیست زیر بررسی شود.

۱. نوع Output

مشخص کنید خروجی:

Active است یا Passive؟

۲. نوع Analog Input

بررسی کنید ورودی PLC یا DCS:

Active است یا Passive؟

۳. Loop Supply

مشخص کنید انرژی Loop از کجا تأمین می‌شود.

آیا:

• PLC Loop Power دارد؟
• منبع 24 VDC خارجی لازم است؟
• خود تجهیز جریان را Source می‌کند؟

۴. Polarity

ترمینال‌های مثبت و منفی را مطابق دیاگرام سیم‌بندی متصل کنید.

۵. Load Resistance

بررسی کنید مجموع مقاومت Loop در محدوده مجاز تجهیز باشد.

۶. Isolation

در صورت نیاز بررسی کنید آیا Galvanic Isolation لازم است.

۷. HART

اگر ارتباط HART نیاز است، مقاومت و تجهیزات Interface نیز باید با آن سازگار باشند.

 

اصطلاحات مهم در مدارهای 4-20 mA

هنگام مطالعه Datasheet ممکن است با اصطلاحات زیر مواجه شوید:

Loop-Powered
تجهیز انرژی خود را از Loop دریافت می‌کند.

Externally Powered
تجهیز تغذیه جداگانه دارد.

Current Source
تجهیز جریان را به مدار ارائه می‌کند.

Current Sink
تجهیز جریان را دریافت یا کنترل می‌کند.

Active Output
خروجی انرژی لازم برای سیگنال را فراهم می‌کند.

Passive Output
خروجی برای کار به Loop Power خارجی نیاز دارد.

 

آیا همه ترانسمیترهای 2-Wire Passive هستند؟

در کاربردهای رایج، بسیاری از ترانسمیترهای 2-Wire به‌صورت Loop-Powered و Passive Output طراحی می‌شوند.

اما بهتر است هیچ‌گاه فقط بر اساس تعداد سیم‌ها تصمیم نگیرید.

Datasheet و Wiring Diagram تجهیز باید مرجع اصلی باشند.

 

آیا همه PLCها ورودی Active دارند؟

خیر.

کارت‌های Analog Input بسته به مدل و سازنده ممکن است:

• Active
• Passive
• یا قابل تنظیم

باشند.

حتی ممکن است دو کارت از یک برند ساختار تغذیه متفاوتی داشته باشند.

بنابراین مشخصات دقیق کارت I/O باید بررسی شود.

 

اشتباهات رایج در سیم‌بندی 4-20 mA

اتصال Active به Active بدون بررسی مدار

یکی از مهم‌ترین خطاها قرار دادن دو Source در یک Loop است.

اتصال Passive به Passive بدون منبع خارجی

در این حالت Loop انرژی ندارد.

فرض کردن نوع خروجی فقط از روی عبارت 4-20 mA

این عبارت به‌تنهایی اطلاعات کافی نمی‌دهد.

اشتباه در Polarity

می‌تواند مانع عملکرد صحیح Loop شود.

نادیده گرفتن مقاومت Loop

ممکن است باعث شود تجهیز نتواند Full Scale را تولید کند.

اشتباه گرفتن تغذیه دستگاه با تغذیه خروجی آنالوگ

یک تجهیز با برق مستقل الزاماً خروجی Active ندارد.

 

جدول ساده تفاوت Active و Passive

خروجی Active:

• خودش انرژی سیگنال را فراهم می‌کند.
• Current Source است.
• معمولاً به Passive Input متصل می‌شود.
• ممکن است در تجهیزات 3-Wire یا 4-Wire دیده شود.

خروجی Passive:

• خودش Loop Voltage فراهم نمی‌کند.
• به منبع تغذیه خارجی نیاز دارد.
• معمولاً با Active Input یا Loop Supply خارجی استفاده می‌شود.
• در ترانسمیترهای 2-Wire بسیار رایج است.

 

اصل طلایی در اتصال 4-20 mA

برای جلوگیری از اشتباه در سیم‌بندی، این جمله را به خاطر بسپارید:

Source باید با Sink جفت شود.

قبل از اتصال هر تجهیز، دقیقاً مشخص کنید:

چه کسی Loop را تغذیه می‌کند؟

و

چه کسی فقط جریان را اندازه‌گیری یا دریافت می‌کند؟

این بررسی ساده می‌تواند از بسیاری از مشکلات راه‌اندازی جلوگیری کند.

 

جمع‌بندی

Active و Passive در سیگنال 4-20 mA به نحوه تأمین انرژی Loop مربوط می‌شوند.

در خروجی Passive، تجهیز خودش Loop Voltage را فراهم نمی‌کند و برای ارسال سیگنال به منبع تغذیه خارجی نیاز دارد.

در خروجی Active، خود تجهیز انرژی لازم برای سیگنال 4-20 mA را تأمین کرده و جریان را Source می‌کند.

در سمت PLC یا DCS نیز ورودی آنالوگ می‌تواند Active یا Passive باشد.

به همین دلیل قبل از سیم‌بندی باید نوع خروجی تجهیز، نوع ورودی کنترلر، Loop Supply، قطبیت، مقاومت Loop و دیاگرام سازنده بررسی شوند.

مهم‌ترین اصل این است که در یک Loop، منبع و دریافت‌کننده جریان به‌درستی با یکدیگر جفت شوند.