// บทที่ 20.14 · Sensors & Transducers · 4–20 mA & HART

สัญญาณมาตรฐานอุตสาหกรรม: 4–20 mA และ HART

สายคู่เดียวที่ส่งทั้งไฟเลี้ยงและค่าวัดได้ไกลหลายกิโลเมตร ทนสัญญาณรบกวน และบอกได้ว่าสายขาด — นี่คือเหตุที่ 4–20 mA อยู่มาครึ่งศตวรรษ และยังเป็นสัญญาณที่ช่างวัดคุมทุกคนต้องเข้าใจถึงระดับโวลต์และโอห์ม

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

ซิมูเลเตอร์ลูป ทำไมต้องกระแส งบแรงดันลูป NE 43 HART

สรุปใน 30 วินาที

$x = LRV + \dfrac{I-4}{16}(URV - LRV)$ · 12 mA = 50 % · 250 Ω แปลงเป็น 1–5 V
งบลูป: $V_s \ge V_\text{min} + I_\text{max}R_\text{loop}$ ใช้ $I_\text{max}$ ≈ 22 mA ไม่ใช่ 20 mA
NE 43: วัดได้ 3.8–20.5 mA · ≤ 3.6 หรือ ≥ 21 mA = อุปกรณ์แจ้งเสีย
HART: FSK ±0.5 mA 1200 Hz = 1, 2200 Hz = 0 · 1200 bit/s · ต้องมี R ลูป 230–1100 Ω

ทำไมอุตสาหกรรมเลือกส่ง "กระแส" พื้นฐาน

ก่อนมีอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือวัดคุมสื่อสารกันด้วยลม: 3–15 psi (20–100 kPa ตาม IEC 60382) สังเกตว่าลมก็เริ่มที่ 3 psi ไม่ใช่ศูนย์ แนวคิด "ศูนย์ที่ยังมีชีวิต" (live zero) จึงมีมาก่อนไฟฟ้า เมื่อเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์เข้ามาในทศวรรษ 1950–60 ผู้ผลิตแต่ละรายใช้ช่วงต่างกัน เช่น 10–50 mA และ 1–5 mA จนกระทั่ง ISA ออกมาตรฐาน S50.1 (ฉบับแรกปี 1975 ฉบับปรับปรุงปี 1982) และ IEC ออก IEC 60381-1 ทำให้ 4–20 mA เป็นภาษากลางของทั้งโลก

เหตุผล	คำอธิบาย
ไม่ขึ้นกับความต้านทานสาย	ทรานสมิตเตอร์เป็นแหล่งกระแส ทุกจุดของวงจรอนุกรมมีกระแสเท่ากัน สายยาวไม่ทำให้ค่าผิดตราบใดที่งบแรงดันพอ ต่างจาก 0–10 V ที่แรงดันตกในสายคือความคลาดโดยตรง
ทนสัญญาณรบกวน	แหล่งกระแสมีอิมพีแดนซ์สูง แรงดันรบกวนที่เหนี่ยวนำในสายสร้างกระแสได้น้อยเมื่อเทียบกับ mA ของสัญญาณ
live zero	0 % = 4 mA ส่วน 0 mA = สายขาด แยกกันได้ทันที
ส่งไฟเลี้ยงบนสายเดียวกัน	3.6 mA ที่ไม่ใช้เป็นสัญญาณเลี้ยงวงจรทรานสมิตเตอร์ได้ราว 38 mW ที่ 10.5 V พอสำหรับเซนเซอร์ ADC และไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังต่ำ
ปลอดภัยในพื้นที่อันตราย	พลังงานต่ำพอทำให้ออกแบบเป็นแบบปลอดภัยในตัว (Ex i) ได้ง่าย

รูป 1 · 2 สาย: ไฟเลี้ยงและสัญญาณบนคู่เดียว · 3 สาย: ลบร่วม · 4 สาย: ไฟเลี้ยงแยก ทรานสมิตเตอร์จ่ายกระแสเอง (active output)

I1 Linear scaling แปลงกระแสเป็นหน่วยวิศวกรรม

x = LRV + \frac{I - 4\ \text{mA}}{16\ \text{mA}}\,(URV - LRV) \qquad I = 4 + 16\,\frac{x - LRV}{URV - LRV}

I2 Sense resistor แปลงกระแสเป็นแรงดัน

V = I\,R_s \qquad 250\ \Omega:\ 4\text{–}20\ \text{mA} \to 1\text{–}5\ \text{V}

ตัวอย่าง I-1

ทรานสมิตเตอร์อุณหภูมิช่วง 0–250 °C

อ่านได้ 12.0 mA → I1: $0 + (8/16)(250) = 125\ ^\circ\text{C}$
อ่านได้ 9.6 mA → $(5.6/16)(250) = 87.5\ ^\circ\text{C}$
ต้องการตั้งเตือนที่ 200 °C → $I = 4 + 16(200/250) = 16.8\ \text{mA}$ · ที่การ์ด 250 Ω = 4.2 V

ซิมูเลเตอร์ลูป 4–20 mA: ลองทำให้มันเสีย พื้นฐาน

ซิมูเลเตอร์นี้จำลองแหล่งจ่าย 24 V ตัวต้านทาน 250 Ω ของการ์ด AI สาย และทรานสมิตเตอร์สองสายที่ต้องการแรงดันขั้วอย่างน้อย 10.5 V ลองเลื่อนค่ากระบวนการเกิน 100 % (เห็นการอิ่มตัวที่ 20.5 mA ตาม NE 43) แล้วเลือกความผิดพลาดแต่ละแบบ

สังเกตกรณี กราวด์ลูป: ค่าผิดไปเงียบ ๆ โดยไม่มีอะไรเตือน เพราะกระแสที่รั่วยังอยู่ในช่วงปกติ นี่คือความผิดพลาดที่อันตรายกว่าสายขาด ทางป้องกันคือต่อกราวด์ของลูปที่จุดเดียว และใช้ตัวแยกสัญญาณ (signal isolator) เมื่อลูปผ่านอุปกรณ์ที่มีกราวด์ของตัวเอง

งบแรงดันลูปและความต้านทานโหลดสูงสุด กลาง

I3 Loop voltage budget งบแรงดันลูป

V_s \;\ge\; V_\text{min} + I_\text{max}\left(R_s + R_\text{wire} + R_\text{barrier} + R_\text{other}\right)

I4 Maximum loop resistance ความต้านทานลูปสูงสุด

R_\text{max} = \frac{V_s - V_\text{min}}{I_\text{max}} \qquad I_\text{max} \approx 22\ \text{mA}

ตัวอย่าง I-2

24 V, ทรานสมิตเตอร์ 10.5 V, สาย 0.75 mm² ยาว 800 m, การ์ด 250 Ω

สายไป–กลับ: $0.0175 \times 1600/0.75 = 37.3\ \Omega$ → ลูปรวม 287.3 Ω
I4: $R_\text{max} = (24 - 10.5)/0.022 = 614\ \Omega$ → ผ่าน แรงดันที่ขั้วทรานสมิตเตอร์ที่ 22 mA = 17.7 V
เพิ่มแบเรียร์ Zener สำหรับพื้นที่อันตราย 340 Ω → ลูปรวม 627 Ω เกิน 614 Ω — ที่ 22 mA ขั้วทรานสมิตเตอร์เหลือ 10.2 V ระดับแจ้งเตือนด้านสูงจะส่งไม่ถึง
แก้ได้โดยใช้ isolator แบบกัลวานิกแทนแบเรียร์ Zener (ไม่กินแรงดันมากเท่า) หรือเพิ่มแรงดันแหล่งจ่ายตามที่ทรานสมิตเตอร์ยอม

NAMUR NE 43: แยก "ค่าสุดขั้ว" ออกจาก "อุปกรณ์เสีย" กลาง

NAMUR (สมาคมผู้ใช้เทคโนโลยีอัตโนมัติในอุตสาหกรรมกระบวนการ ประเทศเยอรมนี) ออกข้อแนะนำ NE 43 กำหนดให้ทรานสมิตเตอร์ส่งค่าวัดได้เพียง 3.8–20.5 mA และใช้กระแสนอกช่วงนี้แจ้งว่าตัวเองผิดปกติ ระบบควบคุมจึงตั้งเงื่อนไขชัดเจนได้ว่าเมื่อใดควรเชื่อค่าและเมื่อใดควรสลับลูปเป็น manual

รูป 2 · แถบสีฟ้าคือช่วงที่ค่ายังเชื่อได้ สีส้มคือการแจ้งความผิดพลาด สีเขียวคือช่วงที่ไม่กำหนดซึ่งระบบควรถือว่าผิดปกติ

I5 NAMUR NE 43 levels ระดับกระแสตาม NE 43

\text{วัด: } 3.8 \le I \le 20.5\ \text{mA} \qquad \text{ผิดพลาด: } I \le 3.6\ \text{mA} \;\text{ หรือ }\; I \ge 21\ \text{mA}

ทิศของการแจ้ง (upscale ≥ 21 mA หรือ downscale ≤ 3.6 mA) เลือกตามความปลอดภัยของกระบวนการ เช่น ทรานสมิตเตอร์อุณหภูมิที่คุมฮีตเตอร์ควรแจ้งด้านสูงเพื่อให้ตัวควบคุมลดความร้อน ส่วนทรานสมิตเตอร์ระดับที่ป้องกันปั๊มทำงานแห้งอาจเลือกด้านต่ำ

0–10 V, 1–5 V, 0–20 mA และ 3–15 psi พื้นฐาน

สัญญาณ	พบที่ไหน	live zero	ข้อควรระวัง
4–20 mA	ทรานสมิตเตอร์กระบวนการ วาล์ว	มี	งบแรงดันลูป กราวด์จุดเดียว
0–20 mA	อุปกรณ์รุ่นเก่า ไดรฟ์บางรุ่น	ไม่มี	แยกสายขาดกับ 0 % ไม่ได้
0–10 V · 2–10 V	HVAC อาคาร ไดรฟ์ เซนเซอร์ OEM	2–10 V มี	แรงดันตกในสาย กราวด์ต่างศักย์ ใช้ระยะสั้น
1–5 V	ภายในตู้ (หลังตัวต้านทาน 250 Ω)	มี	ใช้ภายในตู้เท่านั้น
3–15 psi (20–100 kPa)	ตัวขับวาล์วนิวแมติก (ผ่าน I/P converter)	มี	คุณภาพลม ความล่าช้าในท่อลม

HART: ดิจิทัลซ้อนบนแอนะล็อก ขั้นสูง

HART (Highway Addressable Remote Transducer) พัฒนาโดย Rosemount ในสหรัฐฯ กลางทศวรรษ 1980 แล้วเปิดเป็นมาตรฐานเปิด ปัจจุบันดูแลโดย FieldComm Group หลักการคือใช้โมเด็ม Bell 202 แบบเดียวกับโทรศัพท์ยุคแรก ส่งคลื่นไซน์ ±0.5 mA บนสายเดิม ค่าเฉลี่ยในหนึ่งบิตใกล้ศูนย์ ฟิลเตอร์ของการ์ด AI จึงมองไม่เห็น

I6 HART physical layer ชั้นกายภาพของ HART

\text{บิต 1: } 1200\ \text{Hz} \quad \text{บิต 0: } 2200\ \text{Hz} \quad \pm 0.5\ \text{mA} \quad 1200\ \text{bit/s} \;\Rightarrow\; T_\text{bit} = 833\ \mu\text{s}

รูป 3 · สัญญาณ HART เปลี่ยนความถี่ทุกบิตโดยเฟสต่อเนื่อง

เฟรมอักขระ: start 1 บิต · ข้อมูล 8 บิต (LSB ก่อน) · พาริตีคี่ · stop 1 บิต = 11 บิตต่อไบต์
ความต้านทานลูป: ต้องมี 230–1100 Ω เพื่อให้แรงดัน HART อ่านได้ — ถ้าแหล่งจ่ายต่อตรงเข้าทรานสมิตเตอร์โดยไม่มีตัวต้านทาน communicator จะสื่อสารไม่ได้
คำสั่ง: Universal (ทุกอุปกรณ์ต้องมี เช่น 0 อ่านรหัสอุปกรณ์, 1 อ่าน PV, 3 อ่านตัวแปรและกระแส) · Common practice (ตั้งช่วง damping ทดสอบลูป) · Device-specific
ความเร็ว: ราว 2–3 ข้อความต่อวินาทีในโหมดถาม–ตอบ จึงเหมาะกับการตั้งค่าและวินิจฉัย ไม่ใช่การควบคุมแบบเร็ว
Multidrop: ต่อหลายอุปกรณ์บนคู่สายเดียว กระแสคงที่ราว 4 mA ต่ออุปกรณ์ ใช้เฉพาะ HART ดิจิทัล
WirelessHART (IEC 62591): เครือข่ายเมชไร้สาย 2.4 GHz (IEEE 802.15.4) ข้อมูลชุดเดียวกับ HART แบบสาย — ดู เซนเซอร์อัจฉริยะและ IIoT

ข้อมูลจาก HART ที่ระบบส่วนใหญ่ไม่เคยอ่านคือคุณค่าที่ซ่อนอยู่: สถานะวินิจฉัย อุณหภูมิของตัวเครื่อง จำนวนชั่วโมงทำงาน ค่า PV ที่สองถึงสี่ (เช่น ทรานสมิตเตอร์ DP ที่วัดความดันสถิตด้วย) การดึงข้อมูลเหล่านี้คือก้าวแรกของการบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ ต่อไปที่ Modbus RTU และ TCP

แหล่งอ้างอิง

ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992) Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments
IEC 60381-1 Analogue signals for process control systems — Direct current signals · IEC 60382 Analogue pneumatic signal for process control systems
NAMUR NE 43 Standardization of the signal level for the failure information of digital transmitters
FieldComm Group — HART Communication Protocol · IEC 62591 WirelessHART

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมสัญญาณอุตสาหกรรมเริ่มที่ 4 mA ไม่ใช่ 0 mA?

เรียกว่า live zero เหตุผลแรกคือแยกได้ทันทีว่า 0 % ของกระบวนการ (4 mA) ต่างจากสายขาดหรืออุปกรณ์เสีย (0 mA) เหตุผลที่สองคือทรานสมิตเตอร์แบบสองสายต้องดึงไฟเลี้ยงวงจรของตัวเองจากกระแสในลูป กระแสต่ำสุดจึงต้องมากกว่ากระแสที่วงจรใช้ ซึ่งโดยทั่วไปต่ำกว่า 3.6 mA

ลูป 4–20 mA ยาวได้แค่ไหน?

ไม่มีตัวเลขตายตัว ขึ้นกับงบแรงดัน: แรงดันแหล่งจ่ายต้องมากกว่าแรงดันต่ำสุดที่ทรานสมิตเตอร์ต้องการ บวกกับกระแสสูงสุด (ประมาณ 22 mA) คูณความต้านทานรวมของลูป เช่น 24 V กับทรานสมิตเตอร์ที่ต้องการ 10.5 V ยอมความต้านทานรวมได้ราว 614 Ω หักตัวต้านทาน 250 Ω ของการ์ดแล้วเหลือให้สายและแบเรียร์ราว 360 Ω ซึ่งสาย 0.75 mm² ยาวหลายกิโลเมตรยังอยู่ในงบนี้

HART คืออะไร ใช้กับ PLC ทั่วไปได้ไหม?

HART ส่งข้อมูลดิจิทัลซ้อนบนสายเดียวกับ 4–20 mA ด้วยคลื่นไซน์ ±0.5 mA ที่ 1200 Hz (บิต 1) และ 2200 Hz (บิต 0) ค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์จึงไม่รบกวนสัญญาณแอนะล็อก PLC ที่ไม่รู้จัก HART ยังอ่าน 4–20 mA ได้ตามปกติ ส่วนการอ่านข้อมูลดิจิทัล (สถานะวินิจฉัย ค่าตัวแปรอื่น ตั้งช่วง) ต้องใช้การ์ด AI ที่รองรับ HART มัลติเพล็กเซอร์ หรือ HART communicator