حلقة التيار

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

في الإشارات الكهربائية، تُستخدم حلقة التيار التناظرية عندما يكون من الضروري مراقبة جهاز أو التحكم فيه عن بُعد عبر زوج من الموصلات. ولا يمكن أن يكون هناك سوى مستوى تيار واحد في أي وقت.

يُعدّ استخدام حلقات التيار 4-20 مللي أمبير ، المعيار الصناعي الفعلي، أحد أهم تطبيقات حلقات التيار في تطبيقات التحكم بالعمليات ، حيث تُستخدم على نطاق واسع لنقل الإشارات من أجهزة قياس العمليات إلى وحدات التحكم التناسبية التكاملية التفاضلية (PID) ، وأنظمة التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA) ، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) . كما تُستخدم أيضًا لنقل مخرجات وحدات التحكم إلى أجهزة الحقل المُعدِّلة، مثل صمامات التحكم . تتميز هذه الحلقات بالبساطة ومقاومة التشويش، ولها قاعدة مستخدمين وموردي معدات دولية واسعة. يمكن تشغيل بعض أجهزة الحقل 4-20 مللي أمبير بواسطة حلقة التيار نفسها، مما يُغني عن الحاجة إلى مصادر طاقة منفصلة، ​​ويستخدم بروتوكول HART الذكي (المحول عن بُعد القابل للعنونة على مستوى الشبكة السريعة) هذه الحلقة للاتصالات بين أجهزة الحقل ووحدات التحكم. قد تحل بروتوكولات أتمتة مختلفة محل حلقات التيار التناظرية، لكن يبقى معيار 4-20 مللي أمبير معيارًا صناعيًا رئيسيًا.   

التحكم في العمليات حلقات 4-20 مللي أمبير

يوضح تطور إشارات حلقة التحكم التناظرية من العصر الهوائي إلى العصر الإلكتروني
مثال على حلقات التيار المستخدمة في الاستشعار ونقل التحكم. يظهر مثال محدد لجهاز تحديد موضع الصمام الذكي.

في مجال التحكم بالعمليات الصناعية ، تُستخدم حلقات التيار التناظرية 4-20  مللي أمبير بشكل شائع للإشارات الإلكترونية، حيث تمثل القيمتان 4 و20  مللي أمبير نطاق القياس أو التحكم من 0 إلى 100%. تُستخدم هذه الحلقات لنقل معلومات المستشعرات من أجهزة القياس الميدانية، وكذلك لنقل إشارات التحكم إلى أجهزة تعديل العمليات، مثل الصمامات.

تتمثل المزايا الرئيسية للحلقة الحالية فيما يلي:

  • يمكن للدائرة الكهربائية في كثير من الأحيان تزويد الجهاز البعيد بالطاقة، حيث يتم توفير الطاقة من وحدة التحكم، مما يلغي الحاجة إلى كابلات الطاقة. وتنتج العديد من شركات تصنيع أجهزة القياس  مستشعرات تعمل بتيار 4-20 مللي أمبير، وهي تعمل بنظام "الدائرة الكهربائية".
  • يسمح الصفر "الحي" أو "المرتفع" البالغ 4  مللي أمبير بتشغيل الجهاز حتى بدون وجود إشارة خرج من جهاز الإرسال الميداني.
  • لا تتأثر دقة الإشارة بانخفاض الجهد في الأسلاك المتصلة.
  • يتميز هذا الجهاز بمناعة عالية ضد الضوضاء، لأنه دائرة ذات مقاومة منخفضة، وعادة ما يتم ذلك من خلال موصلات زوجية ملتوية.
  • وهو جهاز مراقبة ذاتي؛ وتُعتبر التيارات الأقل من 3.8  مللي أمبير أو الأكثر من 20.5 مللي أمبير مؤشراً على وجود عطل. [ 1 ] 
  • يمكن نقلها عبر كابلات طويلة حتى الحد الأقصى للمقاومة للجهد المستخدم.
  • يمكن إدخال الشاشات المدمجة وتزويدها بالطاقة من خلال الحلقة، طالما لم يتم تجاوز إجمالي مقاومة الحلقة المسموح بها.
  • تحويل سهل إلى جهد كهربائي باستخدام مقاوم.
  • يمكن لمحولات "I to P" (التيار إلى الضغط) التي تعمل بالطاقة الحلقية تحويل  إشارة 4-20 مللي أمبير إلى  خرج هوائي 3-15 رطل لكل بوصة مربعة لصمامات التحكم، مما يسمح بسهولة دمج  إشارات 4-20 مللي أمبير في المعدات الهوائية الحالية.

تشمل قياسات أجهزة القياس الميدانية الضغط ، ودرجة الحرارة ، والمستوى، والتدفق ، ودرجة الحموضة ، أو غيرها من متغيرات العملية. كما يمكن استخدام حلقة تيار للتحكم في مُوَضِّع الصمام أو أي مُشغِّل خرج آخر . ونظرًا لأن أطراف إدخال الأجهزة قد يكون أحد طرفي إدخال حلقة التيار فيها موصولًا بأرضية الهيكل، فقد يلزم استخدام عوازل تناظرية عند توصيل عدة أجهزة على التوالي.

تُحدد العلاقة بين القيمة الحالية وقياس متغير العملية من خلال المعايرة، التي تُخصص نطاقات مختلفة من الوحدات الهندسية للنطاق بين 4 و20  مللي أمبير. ويمكن عكس العلاقة بين الوحدات الهندسية والتيار، بحيث  يُمثل 4 مللي أمبير الحد الأقصى و20  مللي أمبير الحد الأدنى.

الأجهزة النشطة وغير النشطة

بحسب مصدر التيار في الدائرة، تُصنّف الأجهزة إلى فعّالة (تُزوّد ​​أو "تُزوّد" الطاقة) أو غير فعّالة (تعتمد على أو "تستهلك" طاقة الدائرة). على سبيل المثال، قد يُزوّد ​​مُسجّل البيانات جهاز إرسال الضغط بالطاقة. يقوم جهاز إرسال الضغط بتعديل التيار في الدائرة لإرسال الإشارة إلى مُسجّل البيانات، ولكنه لا يُزوّد ​​الدائرة بالطاقة بنفسه، لذا فهو غير فعّال. قد تحتوي دائرة أخرى على مُسجّلَي بيانات غير فعّالين، وجهاز إرسال ضغط غير فعّال، وبطارية 24  فولت (البطارية هي الجهاز الفعّال). تجدر الإشارة إلى أن الجهاز ذي الأربعة أسلاك يحتوي على مدخل طاقة منفصل عن دائرة التيار.

تُعرف شاشات العرض المثبتة على اللوحة ومسجلات الرسوم البيانية عادةً باسم "أجهزة المؤشر" أو "أجهزة مراقبة العمليات". يمكن توصيل عدة أجهزة مؤشر سلبية على التوالي، ولكن يجب أن تحتوي الحلقة على جهاز إرسال واحد فقط ومصدر طاقة واحد فقط (جهاز نشط).

تطور إشارات التحكم التناظرية

صمام تحكم مزود بمشغل غشائي هوائي ومحدد  موضع "ذكي" يعمل بتيار 4-20 مللي أمبير، والذي يقوم أيضًا بتغذية موضع الصمام وحالته الفعلية عبر دائرة التيار.

 نشأ معيار 4-20 مللي أمبير في خمسينيات القرن الماضي من  معيار إشارة التحكم الهوائي الناجح للغاية 3-15 رطل لكل بوصة مربعة، عندما أصبحت الإلكترونيات رخيصة وموثوقة بما يكفي لمحاكاة المعيار القديم كهربائيًا.  كان معيار 3-15 رطل لكل بوصة مربعة يتمتع بنفس الميزات، مثل القدرة على تشغيل بعض الأجهزة عن بُعد، ووجود نقطة صفر "فعّالة". مع ذلك،  كان معيار 4-20 مللي أمبير أكثر ملاءمة لوحدات التحكم الإلكترونية التي كانت قيد التطوير آنذاك.

كان التحول تدريجيًا وامتد إلى القرن الحادي والعشرين، نظرًا للقاعدة الضخمة المثبتة لأجهزة 3-15  رطل لكل بوصة مربعة. ولأن تشغيل الصمامات الهوائية يتفوق على الصمامات الآلية من حيث التكلفة والموثوقية، لا يزال التشغيل الهوائي معيارًا صناعيًا. ولتمكين إنشاء أنظمة هجينة، حيث يُولّد جهاز  التحكم تيارًا يتراوح بين 4 و20 مللي أمبير، مع إمكانية استخدام الصمامات الهوائية، تتوفر مجموعة من محولات التيار إلى الضغط (I-P) من الشركات المصنعة. عادةً ما تكون هذه المحولات قريبة من صمام التحكم، حيث تحوّل التيار من 4 إلى 20  مللي أمبير إلى 3-15  رطل لكل بوصة مربعة (أو 0.2-1.0  بار). ثم تُغذّى هذه الإشارة إلى مشغل الصمام، أو في الغالب، إلى مُحدد موضع هوائي. مُحدد الموضع عبارة عن وحدة تحكم مخصصة متصلة ميكانيكيًا بحركة المشغل. يضمن هذا التغلب على مشاكل الاحتكاك، وينقل عنصر التحكم في الصمام إلى الموضع المطلوب. كما يسمح باستخدام ضغوط هواء أعلى لتشغيل الصمام.

مع تطور المعالجات الدقيقة الصناعية الرخيصة، أصبحت أجهزة تحديد موضع الصمامات "الذكية" متاحة منذ منتصف ثمانينيات القرن الماضي، وهي شائعة الاستخدام في التركيبات الجديدة. تتضمن هذه الأجهزة محولًا من التيار إلى الضغط، بالإضافة إلى نظام مراقبة موضع الصمام وحالته . تُرسل هذه البيانات عبر حلقة التيار إلى وحدة التحكم، باستخدام بروتوكولات مثل HART .

الدوائر الطويلة

تاريخيًا، كانت حلقات التيار التناظري تُستخدم أحيانًا لنقل البيانات بين المباني عبر أزواج أسلاك جافة في كابلات الهاتف المستأجرة من شركة الهاتف المحلية.  وكانت حلقات 4-20 مللي أمبير أكثر شيوعًا في عصر الاتصالات الهاتفية التناظرية. تتطلب هذه الدوائر استمرارية تيار مستمر (DC) من طرف إلى طرف، وما لم يتم توصيل زوج أسلاك مخصص بشكل دائم، فقد توقف استخدامها مع ظهور تقنية التبديل بأشباه الموصلات. لا تتوفر استمرارية التيار المستمر عبر أجهزة الراديو الميكروويفية أو الألياف الضوئية أو وصلات دوائر الهاتف المتعددة. تُظهر نظرية دوائر التيار المستمر الأساسية أن التيار متساوٍ على طول الخط. كان من الشائع رؤية  دوائر 4-20 مللي أمبير بأطوال حلقات تصل إلى أميال، أو دوائر تعمل عبر أزواج كابلات الهاتف التي يزيد طولها عن عشرة آلاف قدم من طرف إلى طرف. لا تزال هناك أنظمة قديمة تستخدم هذه التقنية. في دوائر نظام بيل  ، تم استخدام فولتية تصل إلى 125 فولت تيار مستمر.

التحكم المنفصل

يمكن تمثيل وظائف التحكم المنفصلة بمستويات منفصلة من التيار المُرسل عبر حلقة. وهذا يسمح بتشغيل وظائف تحكم متعددة عبر زوج واحد من الأسلاك. تختلف التيارات المطلوبة لوظيفة معينة باختلاف التطبيق أو الشركة المصنعة. لا يوجد تيار محدد مرتبط بمعنى واحد. من الشائع أن  يشير 0 مللي أمبير إلى عطل في الدائرة. في حالة إنذار الحريق،  قد يكون 6 مللي أمبير طبيعيًا، و15  مللي أمبير قد يعني اكتشاف حريق، بينما  يشير 0 مللي أمبير إلى وجود عطل، مما يُعلم مركز المراقبة بتعطل دائرة الإنذار. بعض الأجهزة، مثل وحدات التحكم عن بُعد اللاسلكية ثنائية الاتجاه ، قادرة على عكس قطبية التيارات ودمج الصوت مع تيار مستمر.

يمكن استخدام هذه الأجهزة لأي حاجة للتحكم عن بعد قد يتصورها المصمم. على سبيل المثال، يمكن لحلقة تيار تشغيل صفارة إنذار الإخلاء أو التحكم في إشارات المرور المتزامنة .

استخدام أجهزة الراديو ثنائية الاتجاه

تم دمج جهاز تحكم عن بعد من سلسلة موتورولا T -1300 في هيكل هاتف . استُبدل القرص الدوار بمكبر صوت ومفتاح للتحكم في مستوى الصوت. يستخدم جهاز التحكم هذا دائرة ثنائية الأسلاك للتحكم في محطة القاعدة .

تُعدّ دوائر التيار الحلقي إحدى الطرق الممكنة للتحكم في محطات الإرسال اللاسلكية البعيدة. يُطلق على هذا النوع من التحكم عن بُعد في مجال أجهزة الاتصال اللاسلكي ثنائي الاتجاه اسم "التحكم عن بُعد بالتيار المستمر". ويعود هذا الاسم إلى ضرورة وجود دائرة تيار مستمر متصلة بين نقطة التحكم ومحطة الإرسال اللاسلكية . يُوفّر التحكم عن بُعد بدائرة التيار الحلقي تكلفة الأسلاك الإضافية بين نقطة التشغيل وجهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي. تستخدم بعض الأجهزة، مثل محطة موتورولا MSF-5000، تيارات أقل من 4  مللي أمبير لبعض وظائفها. أما النوع البديل، وهو التحكم عن بُعد بالنغمات ، فهو أكثر تعقيدًا ولكنه لا يتطلب سوى مسار صوتي بين نقطة التحكم ومحطة الإرسال. [ 2 ]

على سبيل المثال، قد تقع محطة إرسال سيارات الأجرة على سطح مبنى من ثمانية طوابق. بينما قد يقع مكتب شركة سيارات الأجرة في قبو مبنى آخر مجاور. يحتوي المكتب على وحدة تحكم عن بُعد تُشغّل محطة إرسال سيارات الأجرة عبر دائرة كهربائية. عادةً ما تكون هذه الدائرة متصلة بخط هاتف أو سلك مشابه. تأتي تيارات وظائف التحكم من وحدة التحكم عن بُعد الموجودة في نهاية الدائرة في مكتب الإرسال. في حالة استخدام أجهزة الاتصال اللاسلكي ثنائية الاتجاه، لا يمر تيار كهربائي عادةً في الدائرة غير المستخدمة.

في استخدام أجهزة الراديو ثنائية الاتجاه ، يستخدم مصنّعو أجهزة الراديو تيارات مختلفة لوظائف محددة. ويتم تغيير الأقطاب للحصول على المزيد من الوظائف الممكنة عبر دائرة واحدة. على سبيل المثال، تخيل مخططًا محتملاً حيث يؤدي وجود هذه التيارات إلى تغيير حالة المحطة الأساسية:

  • عدم وجود تيار يعني الاستقبال على القناة 1 (الوضع الافتراضي).
  • قد يعني +6 مللي أمبير الإرسال على القناة 1 .
  • قد يعني التيار -6 مللي أمبير البقاء في وضع الاستقبال ولكن التبديل إلى القناة 2. طالما  كان التيار -6 مللي أمبير موجودًا، ستستمر محطة القاعدة البعيدة في الاستقبال على القناة 2.
  • قد يؤدي -12 مللي أمبير إلى توجيه المحطة الأساسية للإرسال على القناة 2 .

هذه الدائرة حساسة للقطبية. إذا قام فني توصيل كابلات شركة الهاتف بعكس الموصلات عن طريق الخطأ، فإن اختيار القناة 2 سيؤدي إلى تشغيل جهاز الإرسال.

يمكن لكل مستوى تيار أن يُغلق مجموعة من نقاط التلامس، أو يُشغّل منطق الحالة الصلبة، في الطرف الآخر من الدائرة. ويؤدي إغلاق نقاط التلامس هذا إلى تغيير حالة الجهاز المُتحكّم به. قد تحتوي بعض أجهزة التحكم عن بُعد على خيارات مُعدّة للسماح بالتوافق بين الشركات المُصنّعة. أي،  يمكن تغيير خيارات محطة أساسية مُهيّأة للإرسال بتيار +18 مللي أمبير، لتُرسل بدلاً من ذلك عند  وجود تيار +6 مللي أمبير.

في استخدام أجهزة الاتصال اللاسلكي ثنائية الاتجاه، كانت إشارات التيار المتردد موجودة أيضًا على زوج الدوائر. إذا كانت المحطة الأساسية في وضع الخمول، فسيتم إرسال الصوت المُستقبَل عبر الخط من المحطة الأساسية إلى مكتب الإرسال. في حالة وجود تيار أمر الإرسال، سترسل وحدة التحكم عن بُعد الصوت المراد إرساله. سيتم تعديل صوت المستخدم في مكتب الإرسال ودمجه مع تيار التيار المستمر الذي يُشغّل جهاز الإرسال.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ معيار NAMUR NE 043 "توحيد مستوى الإشارة لمعلومات الأعطال لأجهزة الإرسال الرقمية".
  2. ↑ US 6950653 "محول نغمة المسح عن بعد لإرسال الراديو المتنقل الأرضي للاستخدام مع محطات الإرسال المنتشرة" (لا يصف براءة الاختراع جهاز التحكم عن بعد هذا النغمة ولكنه يؤكد استخدام العبارة لوصف نظام الإشارة هذا.) 

للمزيد من القراءة

  • ليبتاك، بيلا جي. دليل مهندسي الأجهزة. قياس العمليات وتحليلها . مطبعة سي آر سي. 2003. غلاف مقوى. رقم ISBN 0-8493-1083-0