工業自動化類比訊號的「黃金標準」—4~20 mA

為什麼工業自動化需要一個「黃金標準」？在20世紀20年代之前， 樂器 工業自動化儀表仍然各自獨立運行，彼此之間幾乎沒有關聯。它們大多是現場安裝的儀表，操作人員需要到現場查看讀數。即使在操作室裡設置了多個儀表的集中顯示，也只是現場儀表的安裝位置改變了。

如果需要將壓力表從現場移至手術室，只需將壓力表的取壓管延伸至手術室即可。現在肯定不會這麼做了，但我在上世紀60年代初入行做自控設計時，也曾這樣做過：將取壓管鋪設到手術室，並選擇帶有邊緣的壓力表，因為這種壓力表的邊緣有孔，可以直接固定在儀錶板正面。當然，這裡指的是整合了偵測感測器和參數顯示的儀表，例如彈簧管壓力表、膜片壓力表、U型管壓力表、玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、轉子流量計、機械水錶、玻璃管水位計等等。

但隨著能夠輸出即時訊號的感測器的出現，僅僅依靠感測器來偵測參數已經不夠了。還需要顯示器，而顯示器又涉及“接觸訊號”，也就是感測器輸出的電訊號類型和訊號範圍。因此，與該感測器匹配的顯示器的輸入訊號必須能夠接收這種訊號，且訊號範圍也必須滿足要求。感測器的電訊號輸出形式多種多樣，例如電壓、電阻、電感、電容和脈衝，每種訊號都有不同的範圍。顯示器的刻度也在不斷變化，這使得顯示器的設計、生產、銷售和使用變得異常複雜。僅僅為了滿足電壓測量的要求，就可能需要數百上千種規格和型號。我是一名自控設計師，即使在1970年代和1980年代，我也還在為這個問題苦惱。要設計一個溫度檢測系統，就需要溫度感測器和顯示器。例如，所使用的溫度感測器是鉑銠鉑熱電偶，刻度為S，溫度範圍為0-1300℃。因此，顯示器必須與之對應，且必須與刻度為S、溫度範圍為0-1300℃的鉑銠鉑熱電偶完全匹配，且不能有任何誤差。這對顯示器製造商來說確實很棘手。他們需要準備數百種規格的顯示器供用戶選擇，甚至為每個用戶客製化顯示器！

這只是熱電偶而已。還有熱敏電阻、紅外線測溫儀、電阻式遠程壓力表、金屬管式電動遠端轉子流量計等等，訊號類型、測量參數和測量範圍也各不相同。因此，僅此一項就可能有成千上萬種具體的型號和規格。關鍵在於，每種特定型號和規格的產品銷售量有限，無法大量生產。你覺得很麻煩嗎？

人們依然很聰明。如果我們繼續這樣做，就會有人站出來要求我們制定規則和標準，統一訊號，創建一種「通用語言」。也就是說，無論你使用什麼感測器，如果你想發出測量訊號，測量訊號的類別和範圍必須相同，以便所有人都能使用。接收測量訊號顯示儀器的生產也會變得簡單。至少訊號類別和測量範圍是相同的。在當時的技術條件下，只有測量參數範圍不同，這只是顯示刻度的問題。不同的用戶只需要訂購專用刻度即可。

本文提出的問題是工業控制系統中各儀器間所採用的統一標準通訊訊號機制，即訊號系統問題。此機制用於確保不同儀器之間的相容性和互聯互通能力。

當然，凡事都需要循序漸進，因此許多儀器製造商都提出了一些建議和實踐。例如，在電控儀表方面，福克斯波羅建議使用10~50mA，泰勒建議使用1~5mA，霍尼韋爾建議使用4~20mA，當然，還有0~10V和0~10mA等電訊號。氣動儀表由於其天然的防爆性能，在20世紀50年代和60年代非常流行。它們的氣動訊號範圍在早期也非常寬廣，例如2~14、3~15、3~18、5~20、5~25、6~30、3~27psi等等。

經過多年的積累，各種訊號系統的優缺點已充分展現。氣動訊號適用於20~100kPa的範圍，而在激烈的電訊號競爭中， 4~20mA 它脫穎而出，成為電信號系統的最終選擇。但在1980年代末，隨著電子技術的發展，電儀表的防爆性能與精準度得到提升，氣動儀表逐漸登上歷史舞台。如今，它的身影已難覓食蹤跡。

工業控制人員將4-20mA稱為工業自動化類比訊號的「黃金標準」和「通用語言」。據推測，自動化公司最早引進4-20mA可能是在1950年代中後期，至今已近70年。這70年證明了4-20mA的強大生命力。 4-20mA雖然自動化儀器的訊號系統已經從類比訊號過渡到數位訊號，但在工業控制場景中，仍有數億個變送器以類比訊號模式工作，遠未完全淘汰！