En señalización eléctrica se utiliza un bucle de corriente analógico donde un dispositivo debe monitorearse o controlarse de forma remota a través de un par de conductores. Sólo puede haber un nivel actual presente en cualquier momento.
Una aplicación importante de los bucles de corriente es el bucle de corriente de 4 a 20 mA estándar de facto de la industria para aplicaciones de control de procesos , donde se utilizan ampliamente para transportar señales desde la instrumentación de procesos hasta controladores proporcionales, integrales y derivativos (PID) , control de supervisión y adquisición de datos. (SCADA) y controladores lógicos programables (PLC). También se utilizan para transmitir salidas del controlador a los dispositivos de campo modulantes, como válvulas de control . Estos bucles tienen las ventajas de simplicidad e inmunidad al ruido, y cuentan con una gran base internacional de usuarios y proveedores de equipos. Algunos dispositivos de campo de 4 a 20 mA pueden ser alimentados por el propio bucle de corriente, lo que elimina la necesidad de fuentes de alimentación independientes, y el protocolo "inteligente" de transductor remoto direccionable en carretera (HART) utiliza el bucle para las comunicaciones entre dispositivos de campo y controladores. Varios protocolos de automatización pueden reemplazar los bucles de corriente analógicos, pero 4–20 mA sigue siendo un estándar industrial principal.
En el control de procesos industriales , los bucles de corriente analógicos de 4 a 20 mA se utilizan comúnmente para la señalización electrónica, donde los dos valores de 4 y 20 mA representan del 0 al 100% del rango de medición o control. Estos bucles se utilizan tanto para transportar información del sensor desde la instrumentación de campo como para transportar señales de control a los dispositivos de modulación del proceso, como una válvula.
Las principales ventajas del bucle actual son:
Las mediciones de instrumentación de campo incluyen presión , temperatura , nivel, flujo , pH u otras variables del proceso. También se puede utilizar un bucle de corriente para controlar un posicionador de válvula u otro actuador de salida . Dado que los terminales de entrada de los instrumentos pueden tener un lado de la entrada del bucle de corriente conectado a la tierra del chasis (tierra), es posible que se requieran aisladores analógicos al conectar varios instrumentos en serie.
La relación entre el valor actual y la medición de la variable del proceso se establece mediante calibración, que asigna diferentes rangos de unidades de ingeniería al intervalo entre 4 y 20 mA. El mapeo entre unidades de ingeniería y corriente se puede invertir, de modo que 4 mA represente el máximo y 20 mA el mínimo.
Dependiendo de la fuente de corriente para el bucle, los dispositivos pueden clasificarse como activos (que suministran o "abastecen" energía) o pasivos (que dependen de la energía del bucle o que "la absorben"). Por ejemplo, un registrador gráfico puede proporcionar energía de bucle a un transmisor de presión. El transmisor de presión modula la corriente en el bucle para enviar la señal al registrador gráfico de tira, pero en sí mismo no suministra energía al bucle y, por lo tanto, es pasivo. Otro circuito puede contener dos registradores gráficos pasivos, un transmisor de presión pasivo y una batería de 24 V (la batería es el dispositivo activo). Tenga en cuenta que un instrumento de 4 hilos tiene una entrada de fuente de alimentación separada del bucle de corriente.
Las pantallas de montaje en panel y los registradores de gráficos se denominan comúnmente "dispositivos indicadores" o "monitores de procesos". Se pueden conectar varios dispositivos indicadores pasivos en serie, pero un bucle debe tener solo un dispositivo transmisor y solo una fuente de energía (dispositivo activo).
La convención de 4 a 20 mA nació en la década de 1950 a partir del exitoso estándar de señal de control neumático de 3 a 15 psi, cuando la electrónica se volvió lo suficientemente barata y confiable como para emular eléctricamente el estándar más antiguo. El estándar de 3 a 15 psi tenía las mismas características de poder alimentar algunos dispositivos remotos y tener un cero "vivo". Sin embargo, el estándar de 4 a 20 mA se adaptaba mejor a los controladores electrónicos que se estaban desarrollando en ese momento.
La transición fue gradual y se ha extendido hasta el siglo XXI, debido a la enorme base instalada de dispositivos de 3 a 15 psi. Como el funcionamiento de válvulas neumáticas en comparación con válvulas motorizadas tiene muchas ventajas de costo y confiabilidad, el accionamiento neumático sigue siendo un estándar de la industria. Para permitir la construcción de sistemas híbridos, donde el controlador genera 4–20 mA, pero permite el uso de válvulas neumáticas, los fabricantes ofrecen una variedad de convertidores de corriente a presión (I a P). Por lo general, son locales en la válvula de control y convierten de 4 a 20 mA a 3 a 15 psi (o 0,2 a 1,0 bar). Esta señal luego se envía al actuador de la válvula o, más comúnmente, a un posicionador neumático. El posicionador es un controlador dedicado que tiene un vínculo mecánico con el movimiento del actuador. Esto asegura que se superen los problemas de fricción y que el elemento de control de la válvula se mueva a la posición deseada. También permite el uso de presiones de aire más altas para el accionamiento de la válvula.
Con el desarrollo de microprocesadores industriales baratos, los posicionadores de válvulas "inteligentes" están disponibles desde mediados de la década de 1980 y son muy populares para nuevas instalaciones. Estos incluyen un convertidor I a P, además de monitoreo de condición y posición de válvulas. Estos últimos se retroalimentan a través del bucle de corriente al controlador, utilizando protocolos como HART .
Históricamente, los bucles de corriente analógicos se transportaban ocasionalmente entre edificios mediante pares secos en cables telefónicos alquilados a la compañía telefónica local. Los bucles de 4 a 20 mA eran más comunes en la época de la telefonía analógica. Estos circuitos requieren continuidad de corriente continua (CC) de extremo a extremo y, a menos que se cablee un par de cables dedicado, su uso cesó con la introducción de la conmutación de semiconductores. La continuidad de CC no está disponible a través de una conexión de radio de microondas, fibra óptica o circuito telefónico multiplexado. La teoría básica de circuitos de CC muestra que la corriente es la misma a lo largo de toda la línea. Era común ver circuitos de 4 a 20 mA que tenían longitudes de bucle en millas o circuitos que funcionaban sobre pares de cables telefónicos de más de diez mil pies de largo de extremo a extremo. Todavía existen sistemas heredados que utilizan esta tecnología. En los circuitos del Bell System , se emplearon voltajes de hasta 125 VCC.
Las funciones de control discretas se pueden representar mediante niveles discretos de corriente enviada a través de un bucle. Esto permitiría operar múltiples funciones de control a través de un solo par de cables. Las corrientes requeridas para una función específica varían de una aplicación o fabricante a otro. No existe una corriente concreta que esté ligada a un único significado. Es casi universal que 0 mA indique que el circuito ha fallado. En el caso de una alarma de incendio, 6 mA podría ser normal, 15 mA podría significar que se ha detectado un incendio y 0 mA produciría una indicación de problema, indicando al sitio de monitoreo que el circuito de alarma había fallado. Algunos dispositivos, como las consolas de control remoto por radio bidireccional , pueden invertir la polaridad de las corrientes y multiplexar el audio en una corriente continua.
Estos dispositivos se pueden emplear para cualquier necesidad de control remoto que un diseñador pueda imaginar. Por ejemplo, un bucle de corriente podría activar una sirena de evacuación o controlar señales de tráfico sincronizadas .
Los circuitos de bucle actuales son una posible forma de controlar estaciones base de radio en sitios distantes. La industria de las radios bidireccionales llama a este tipo de control remoto control remoto DC . Este nombre surge de la necesidad de continuidad del circuito CC entre el punto de control y la estación base de radio . Un control remoto de bucle de corriente ahorra el coste de pares de cables adicionales entre el punto de operación y el transceptor de radio. Algunos equipos, como la estación base Motorola MSF-5000, utilizan corrientes inferiores a 4 mA para algunas funciones. Un tipo alternativo, el control remoto por tono , es más complejo pero solo requiere una ruta de audio entre el punto de control y la estación base. [2]
Por ejemplo, una estación base de despacho de taxis podría estar ubicada físicamente en la azotea de un edificio de ocho pisos. La oficina de la compañía de taxis puede estar en el sótano de otro edificio cercano. La oficina tendría una unidad de control remoto que operaría la estación base de la compañía de taxis a través de un circuito de corriente. Normalmente, el circuito se realizará a través de una línea telefónica o cableado similar. Las corrientes de la función de control provienen de la consola de control remoto en el extremo de un circuito de la oficina de despacho. En el uso de radios bidireccionales, un circuito inactivo normalmente no tendría corriente presente.
En el uso de radios bidireccionales , los fabricantes de radios utilizan diferentes corrientes para funciones específicas. Las polaridades se cambian para obtener más funciones posibles en un solo circuito. Por ejemplo, imagine un posible esquema en el que la presencia de estas corrientes haga que la estación base cambie de estado:
Este circuito es sensible a la polaridad. Si un empalmador de cables de una compañía telefónica invirtiera accidentalmente los conductores, seleccionar el canal 2 bloquearía el transmisor.
Cada nivel de corriente podría cerrar un conjunto de contactos u operar una lógica de estado sólido en el otro extremo del circuito. Ese cierre de contacto provocó un cambio de estado en el dispositivo controlado. Algunos equipos de control remoto podrían tener opciones configuradas para permitir la compatibilidad entre fabricantes. Es decir, una estación base que fue configurada para transmitir con una corriente de +18 mA podría tener opciones cambiadas para (en su lugar) hacer que transmita cuando haya +6 mA presentes.
En el uso de radio bidireccional, las señales de CA también estaban presentes en el par de circuitos. Si la estación base estuviera inactiva, el audio recibido se enviaría a través de la línea desde la estación base hasta la oficina de despacho. En presencia de una corriente de comando de transmisión, la consola de control remoto enviaría audio para ser transmitido. La voz del usuario en la oficina de despacho sería modulada y superpuesta a la corriente continua que hacía funcionar el transmisor.