4-20mA: ทำความเข้าใจมาตรฐานสัญญาณกระแสไฟฟ้า หัวใจสำคัญของระบบควบคุมอุตสาหกรรม

4-20mA คืออะไร? 

ในโลกของระบบควบคุมและเครื่องมือวัดอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน สัญญาณ 4-20mA ถือเป็นมาตรฐานสำคัญที่ช่วยให้การสื่อสารข้อมูลเป็นไปอย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ ไม่ว่าจะเป็นวิศวกรผู้ออกแบบระบบ หรือหน่วยงานจัดซื้อที่ต้องการจัดหาส่วนประกอบที่เหมาะสม การทำความเข้าใจสัญญาณ 4-20mA จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง

บทความนี้จะพาคุณเจาะลึกทุกแง่มุมของ 4-20mA ตั้งแต่หลักการทำงาน ข้อดีที่โดดเด่น ไปจนถึงการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เพื่อให้คุณมั่นใจในการตัดสินใจเลือกใช้และจัดซื้ออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง

4-20mA คืออะไร และทำไม “กระแส” จึงสำคัญ?

สัญญาณ 4-20mA (มิลลิแอมป์) คือสัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐานที่ใช้ในการส่งข้อมูลการวัดหรือควบคุมจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอีกอุปกรณ์หนึ่งในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เช่น จากเซ็นเซอร์ไปยังคอนโทรลเลอร์ (PLC/DCS) หรือจากคอนโทรลเลอร์ไปยังอุปกรณ์ควบคุม (แอคชูเอเตอร์)

เหตุผลหลักที่เลือกใช้ กระแสไฟฟ้า แทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้าคือ ความทนทานต่อสัญญาณรบกวน (Noise Immunity) สัญญาณกระแสไฟฟ้าจะคงที่ตลอดทั้งวงจร ไม่ว่าสายเคเบิลจะมีความต้านทานมากแค่ไหนก็ตาม ทำให้สัญญาณที่ปลายทางยังคงแม่นยำแม้จะส่งในระยะทางไกล ๆ หรือในสภาพแวดล้อมโรงงานที่มีสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าสูง ซึ่งต่างจากสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่มักจะลดทอนลงไปตามระยะทางและความต้านทานของสายไฟ ทำให้ข้อมูลคลาดเคลื่อนได้ง่าย

ทำไมต้อง 4mA ไม่ใช่ 0mA? (The “Live Zero”)

นี่คือคุณสมบัติเด่นของ 4-20mA ที่ทำให้แตกต่างและมีประสิทธิภาพสูง:

• 4mA: แทนค่าต่ำสุดของช่วงการวัด (0% ของค่าที่วัดได้)
• 20mA: แทนค่าสูงสุดของช่วงการวัด (100% ของค่าที่วัดได้)

การที่ค่าเริ่มต้นที่ 4mA ไม่ใช่ 0mA เรียกว่า “Live Zero” หรือ “Zero Suppression” ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในการ ตรวจสอบสายขาด (Wire Break Detection) หากคอนโทรลเลอร์ตรวจจับสัญญาณได้ต่ำกว่า 4mA (เช่น 0mA) จะสามารถสรุปได้ทันทีว่า สายสัญญาณขาด หรือมีปัญหาในวงจร ไม่ใช่แค่เซ็นเซอร์วัดได้ค่าศูนย์จริง ๆ ซึ่งช่วยให้การแก้ไขปัญหาทำได้รวดเร็ว ลดเวลาการหยุดทำงาน (Downtime) ของระบบได้อย่างมีนัยสำคัญ

หลักการทำงานของสัญญาณ 4-20mA

ระบบ 4-20mA ทำงานร่วมกันโดยอาศัยอุปกรณ์หลัก ๆ ดังนี้:

1. Transmitter (ตัวส่งสัญญาณ):

อุปกรณ์นี้จะรับค่าทางกายภาพจากเซ็นเซอร์ (เช่น อุณหภูมิ, ความดัน, ระดับน้ำ) แล้วทำการ แปลงค่า (Scaling) เหล่านั้นให้อยู่ในรูปของสัญญาณกระแสไฟฟ้า 4-20mA ตัวอย่างเช่น หากเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ 0-100°C:

1. • 0°C จะถูกส่งออกเป็น 4mA
   • 50°C จะถูกส่งออกเป็น 12mA (ค่ากึ่งกลาง)
   • 100°C จะถูกส่งออกเป็น 20mA
2. Loop Power Supply (แหล่งจ่ายไฟ):

โดยทั่วไปคือแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง (DC) ขนาด 24VDC ที่จ่ายพลังงานให้กับวงจร 4-20mA ซึ่งอาจจะจ่ายไฟให้กับ Transmitter โดยตรง หรือในกรณีที่ Transmitter เป็นแบบ “Loop-Powered” Transmitter จะใช้ไฟจาก Loop เดียวกันในการทำงาน ทำให้ประหยัดสายไฟและติดตั้งง่ายขึ้น

1. Receiver / Controller (ตัวรับสัญญาณ / คอนโทรลเลอร์):

อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่รับสัญญาณ 4-20mA เช่น PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed Control System) หรืออุปกรณ์แสดงผล (Indicator) โดยอุปกรณ์เหล่านี้จะแปลงสัญญาณกระแสที่ได้รับกลับไปเป็นค่าทางกายภาพที่อ่านเข้าใจได้ เพื่อนำไปแสดงผล ประมวลผล หรือใช้ในการควบคุมกระบวนการต่อไป

Controller

ข้อดีและประโยชน์ที่เหนือกว่าของ 4-20mA ในอุตสาหกรรม 

ด้วยคุณสมบัติเด่นที่กล่าวมา ทำให้ 4-20mA ได้รับความนิยมอย่างสูงในงานอุตสาหกรรม มีข้อดีหลายประการที่ควรพิจารณาในการออกแบบและจัดซื้อ:

• ความทนทานต่อสัญญาณรบกวนสูง: เป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกใช้ในสภาพแวดล้อมโรงงานที่มีสัญญาณรบกวนสูง ช่วยลดความผิดพลาดของข้อมูลและการบำรุงรักษา
• ตรวจสอบสายขาดได้ (Live Zero): คุณสมบัติเด่นนี้ช่วยให้ทีมบำรุงรักษาสามารถวินิจฉัยปัญหาได้อย่างรวดเร็ว ลดเวลาการหยุดทำงานที่ไม่คาดคิดของเครื่องจักรหรือกระบวนการผลิต ทำให้เกิดความคุ้มค่าในระยะยาว
• ส่งสัญญาณได้ไกล: เหมาะสำหรับโรงงานขนาดใหญ่ที่ต้องส่งสัญญาณข้ามระยะทางไกล ๆ โดยไม่ต้องกังวลเรื่องการลดทอนของสัญญาณหรือความแม่นยำ
• ประหยัดพลังงาน: การใช้พลังงานในการส่งสัญญาณค่อนข้างต่ำ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานโดยรวม
• มาตรฐานสากล: อุปกรณ์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่รองรับสัญญาณ 4-20mA ทำให้ง่ายต่อการจัดหาอุปกรณ์จากหลากหลายผู้ผลิต ลดข้อจำกัดในการเลือกซื้อ และทำให้การออกแบบ ติดตั้ง และบำรุงรักษาระบบเป็นไปอย่างราบรื่น

ลดความซับซ้อนของสายไฟ: โดยเฉพาะอุปกรณ์แบบ Loop-Powered ที่ใช้สายเพียง 2 เส้นในการจ่ายไฟและส่งสัญญาณไปพร้อมกัน ช่วยประหยัดค่าสายไฟและเวลาในการติดตั้ง

การประยุกต์ใช้งาน 4-20mA ในอุตสาหกรรม และสิ่งที่ควรพิจารณาในการจัดซื้อ

สัญญาณ 4-20mA ถูกนำไปใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรมและแอปพลิเคชันหลัก ๆ ดังนี้:

• การวัดและควบคุมอุณหภูมิ: เช่น ในระบบ Boiler, เตาอบ หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
• การวัดและควบคุมความดัน: ในระบบท่อ, ถังเก็บ หรือปั๊ม เพื่อควบคุมความดันให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยและเหมาะสม
• การวัดและควบคุมระดับของไหล: เช่น ระดับน้ำในถัง, ระดับสารเคมีในถังผสม เพื่อควบคุมการเติมหรือระบาย
• การควบคุมอัตราการไหล: ร่วมกับ Flowmeter และ Control Valve เพื่อควบคุมปริมาณของไหลในกระบวนการผลิตได้อย่างแม่นยำ
• การควบคุมตำแหน่งของวาล์ว: แอคชูเอเตอร์ของวาล์วจะรับสัญญาณ 4-20mA เพื่อกำหนดตำแหน่งการเปิด-ปิดของวาล์วได้อย่างละเอียด

สำหรับหน่วยงานจัดซื้อ: เมื่อต้องจัดซื้ออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับ 4-20mA ควรพิจารณา:

• ความเข้ากันได้: ตรวจสอบว่าอุปกรณ์ใหม่สามารถทำงานร่วมกับระบบ PLC/DCS เดิมที่มีอยู่ได้
• คุณภาพและมาตรฐาน: เลือกผู้ผลิตที่มีชื่อเสียงและสินค้าที่ได้มาตรฐานอุตสาหกรรม เพื่อความน่าเชื่อถือและความทนทาน
• บริการหลังการขายและการรับประกัน: เพื่อความมั่นใจในการบำรุงรักษาและการแก้ไขปัญหาในอนาคต
• ราคาที่เหมาะสมกับคุณสมบัติ: เปรียบเทียบราคาและคุณสมบัติของอุปกรณ์จากหลายผู้ผลิตเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่คุ้มค่าที่สุด

สัญญาณ 4-20mA ยังคงเป็นมาตรฐานสัญญาณที่ทรงพลังและเชื่อถือได้ ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของระบบควบคุมอัตโนมัติในงานอุตสาหกรรม ด้วยคุณสมบัติเด่นด้านความทนทานต่อสัญญาณรบกวน, การตรวจสอบสายขาด และความเข้ากันได้กับอุปกรณ์หลากหลายชนิด ทำให้ 4-20mA เป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพสำหรับโรงงานทุกประเภท

การทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในสัญญาณ 4-20mA จึงเป็นสิ่งจำเป็นทั้งสำหรับวิศวกรในการออกแบบระบบที่แข็งแกร่ง และสำหรับหน่วยงานจัดซื้อในการเลือกสรรอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อขับเคลื่อนการผลิตให้มีประสิทธิภาพสูงสุด