En la señalización eléctrica, se utiliza un bucle de corriente analógico cuando se debe supervisar o controlar un dispositivo de forma remota a través de un par de conductores. Solo puede haber un nivel de corriente en cualquier momento.
Una de las principales aplicaciones de los bucles de corriente es el bucle de corriente de 4-20 mA , el estándar de facto de la industria para aplicaciones de control de procesos , donde se utilizan ampliamente para transportar señales desde la instrumentación de procesos a los controladores proporcionales-integrales-derivativos (PID) , sistemas de 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 moduladores, como las válvulas de control . Estos bucles tienen las ventajas de la simplicidad y la inmunidad al ruido, y tienen una gran base internacional de usuarios y proveedores de equipos. Algunos dispositivos de campo de 4-20 mA pueden ser alimentados por el propio bucle de corriente, lo que elimina la necesidad de fuentes de alimentación independientes, y el protocolo "inteligente" Highway Addressable Remote Transducer (HART) utiliza el bucle para las comunicaciones entre los dispositivos de campo y los controladores. Varios protocolos de automatización pueden reemplazar los bucles de corriente analógicos, pero el 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 habitualmente para la señalización electrónica, donde los dos valores de 4 y 20 mA representan el 0-100 % del rango de medición o control. Estos bucles se utilizan tanto para transportar información de sensores desde la instrumentación de campo como para transportar señales de control a los dispositivos de modulación de procesos, como una válvula.
Las principales ventajas del bucle de corriente son:
Las mediciones de instrumentación de campo incluyen presión , temperatura , nivel, caudal , pH u otras variables de 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, es posible que se requieran aisladores analógicos al conectar varios instrumentos en serie.
La relación entre el valor de la corriente y la medición de la variable de proceso se establece mediante la calibración, que asigna diferentes rangos de unidades de ingeniería al intervalo entre 4 y 20 mA. La correlación entre las unidades de ingeniería y la corriente se puede invertir, de modo que 4 mA represente el máximo y 20 mA el mínimo.
Según la fuente de corriente del bucle, los dispositivos pueden clasificarse como activos (que suministran o "generan" energía) o pasivos (que dependen de la energía del bucle o la "absorben"). Por ejemplo, un registrador gráfico puede proporcionar energía del bucle a un transmisor de presión. El transmisor de presión modula la corriente del bucle para enviar la señal al registrador gráfico de banda, pero no suministra energía al bucle por sí mismo y, por lo tanto, es pasivo. Otro bucle 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 cables tiene una entrada de fuente de alimentación separada del bucle de corriente.
Los dispositivos indicadores y los registradores de gráficos montados en panel se denominan comúnmente "dispositivos indicadores" o "monitores de proceso". Se pueden conectar varios dispositivos indicadores pasivos en serie, pero un bucle debe tener solo un dispositivo transmisor y solo una fuente de alimentación (dispositivo activo).
La convención 4-20 mA nació en la década de 1950 a partir del exitoso estándar de señal de control neumático de 3-15 psi, cuando la electrónica se volvió lo suficientemente barata y confiable como para emular eléctricamente el estándar anterior. El estándar de 3-15 psi tenía las mismas características de poder alimentar algunos dispositivos remotos y tener un cero "activo". Sin embargo, el estándar 4-20 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 lugar de válvulas motorizadas tiene muchas ventajas en cuanto a 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 a 20 mA, pero permite el uso de válvulas neumáticas, los fabricantes ofrecen una gama de convertidores de corriente a presión (I a P). Estos suelen ser locales en la válvula de control y convierten 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 garantiza 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, desde mediados de los años 80 se han puesto a disposición posicionadores de válvulas "inteligentes" que son muy populares en las nuevas instalaciones. Estos incluyen un convertidor de I a P, además de monitorización de la posición y el estado de la válvula. Estos últimos se envían de vuelta 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 4-20 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 conectara un par de cables dedicado, su uso cesó con la introducción de la conmutación de semiconductores. La continuidad de CC no está disponible en 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 la línea. Era común ver circuitos de 4-20 mA que tenían longitudes de bucle en millas o circuitos que funcionaban sobre pares de cables telefónicos que tenían más de diez mil pies de longitud de extremo a extremo. Todavía hay sistemas heredados que utilizan esta tecnología. En los circuitos del sistema Bell , se emplearon voltajes de hasta 125 VCC.
Las funciones de control discretas se pueden representar mediante niveles discretos de corriente enviados a través de un bucle. Esto permitiría que se operaran 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 hay una corriente específica que esté vinculada a un solo significado. Es casi universal que 0 mA indica 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, informando al sitio de monitoreo que el circuito de alarma ha fallado. Algunos dispositivos, como las consolas de control remoto por radio bidireccional , pueden invertir la polaridad de las corrientes y pueden multiplexar el audio en una corriente continua.
Estos dispositivos se pueden utilizar para cualquier necesidad de control remoto que pueda imaginar un diseñador. Por ejemplo, un circuito de corriente podría activar una sirena de evacuación o controlar señales de tráfico sincronizadas .
Los circuitos de bucle de corriente son una forma posible de controlar estaciones base de radio en sitios distantes. La industria de radio bidireccional llama a este tipo de control remoto control remoto de CC . Este nombre proviene de la necesidad de continuidad del circuito de CC entre el punto de control y la estación base de radio . Un control remoto de bucle de corriente ahorra el costo 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 de 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 el tejado de un edificio de ocho pisos. La oficina de la compañía de taxis podría estar en el sótano de un 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 bucle de corriente. El circuito normalmente estaría sobre una línea telefónica o cableado similar. Las corrientes de la función de control provienen de la consola de control remoto en el extremo de la oficina de despacho de un circuito. En el uso de radio bidireccional, 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, al seleccionar el canal 2 se bloquearía el transmisor.
Cada nivel de corriente podría cerrar un conjunto de contactos, o hacer funcionar una lógica de estado sólido, en el otro extremo del circuito. Ese cierre de contacto provocaría 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 se configuró para transmitir con una corriente de +18 mA podría tener opciones modificadas para (en cambio) hacer que transmita cuando haya +6 mA.
En el uso de radio bidireccional, las señales de CA también estaban presentes en el par de circuitos. Si la estación base estaba inactiva, el audio de recepción se enviaba 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 enviaba el audio para que se transmitiera. La voz del usuario en la oficina de despacho se modulaba y se superponía sobre la corriente continua que hacía que el transmisor funcionara.