4-20mA 類比訊號完整指南:為什麼是 4 不是 0?

數位訊號只有 ON 和 OFF,但真實世界是連續的——水位 63.5%、pH 7.24、壓力 2.8 bar。要把這些讀進 PLC,靠的是類比訊號,而工業界的絕對主流就是 4-20mA。

這篇講清楚它為什麼這樣設計,以及現場最常踩的四個坑。

一、為什麼是 4~20mA,不是 0~20mA?

這是整個設計最聰明的一點,而且理由跟停止按鈕要用常閉接點是完全一樣的:斷線安全。

所以在程式裡,你應該主動偵測「低於 3.8mA」並發出斷線警報,而不是把它當成 0% 拿去用。

// 類比輸入斷線偵測(以 4-20mA、量程 0~100% 為例)
// 3.8mA 以下 = 斷線 / 感測器故障
IF rawCurrent < 3.8 THEN
    sensorFault := TRUE;
    // ⚠ 重要:故障時不要把 level 設為 0!
    // 那會讓補水泵誤以為水位是 0 而狂灌水。
    // 應該保持上一個有效值,並停止依賴此訊號的自動控制。
ELSE
    sensorFault := FALSE;
    level := (rawCurrent - 4.0) / 16.0 * 100.0;
END_IF;

4-20mA 的另一個優點:抗壓降

電流訊號在整條迴路上是一樣的(基爾霍夫電流定律)。線拉一百公尺、線徑細一點、接點有點電阻——電流值都不會變。

相比之下 0-10V 電壓訊號會因為線材電阻產生壓降,拉遠了讀值就會偏低。所以:

二、兩線式 vs 四線式——買錯就接不起來

這是採購時最常搞錯的事。

兩線式(Loop Powered / 2-Wire)

感測器用同一對線同時取得電源與輸出訊號。整個迴路只有兩條線,DC24V 電源、感測器、PLC 的類比輸入串在同一個迴路上。

DC24V(+) ──── 感測器(+)
              感測器(-) ──── PLC 類比輸入(+)
PLC 類比輸入(-) ──── DC24V(-)

(電流在這個迴路裡流動,大小就是訊號)

優點:只要拉兩條線,現場配線成本低。這是絕大多數壓力、液位傳送器的做法。

四線式(4-Wire)

感測器有獨立的電源線(兩條)和獨立的訊號線(兩條)。通常用在耗電較大的儀器——pH 計、溶氧計、電導度計、流量計這類「有主機、有顯示器」的儀表。

三、縮放(Scaling):把 mA 換成有意義的數字

PLC 的類比模組不會直接給你 mA,它給你一個整數。例如三菱 FX5 的類比模組,4-20mA 可能對應到數值 0~32000(實際範圍依模組與設定而異,請查手冊)。

你要做的是把這個整數,換算成現實世界的單位。

公式

實際值 = (原始值 - 原始下限) × (量程上限 - 量程下限)
         ÷ (原始上限 - 原始下限)
         + 量程下限

範例:壓力傳送器,量程 0~10 bar,PLC 原始值 0~32000

// ST 寫法
// ⚠ 注意型別:一定要用 REAL,否則整數除法會把小數截掉
pressure := INT_TO_REAL(rawValue) / 32000.0 * 10.0;

// 較完整的通用縮放(含下限不為 0 的情況)
pressure := (INT_TO_REAL(rawValue) - 0.0)
          * (10.0 - 0.0) / (32000.0 - 0.0) + 0.0;

還有一個坑:感測器的量程 ≠ PLC 的設定

你買了一支 0~10 bar 的傳送器,但工程師在程式裡寫成 0~16 bar(可能是抄了上一個案子的程式)。讀值會一直偏高 60%,而且完全不會報錯。

驗收時一定要用實際的已知值對一次。 例如液位感測器,先讓水位到一個你確定的高度,看 PLC 顯示對不對。

四、干擾:讀值一直跳動怎麼辦?

類比訊號最怕電氣雜訊,而工廠裡最大的雜訊源就是變頻器。

對策,依重要性排序

1. 訊號線與動力線分開走。 這是最有效、也最常被違反的一條。訊號線和變頻器輸出線綁在同一條管裡,再多濾波都救不了。至少間隔 20~30 公分,必須交叉時請垂直交叉。
2. 用屏蔽線(Shielded Cable),而且屏蔽層要接地。
3. 屏蔽層只接「一端」的地,通常是 PLC 側 / 控制盤側。 兩端都接地會形成接地迴路(Ground Loop),反而引入更大的雜訊。這一點非常多人做錯。
4. 變頻器加裝輸出電抗器或 EMC 濾波器,並確實接地。
5. 軟體濾波(移動平均)——這是最後一道,不是第一道。硬體沒做好,靠軟體平均只是把爛訊號平均得比較好看而已,遲滯還會變大。

// 簡易移動平均濾波(取 8 筆)
// 注意:濾波會增加延遲,不要濾過頭
buf[idx] := rawValue;
idx := (idx + 1) MOD 8;

sum := 0;
FOR i := 0 TO 7 DO
    sum := sum + buf[i];
END_FOR;

filtered := sum / 8.0;   // ← 8.0 是 REAL,避免整數除法

五、驗收清單

類比訊號接好之後,這五件事一定要確認:

• ☐ 斷線測試——把訊號線拔掉,PLC 有沒有正確報「感測器故障」?(而不是顯示 0 然後啟動泵浦)
• ☐ 零點與滿刻度——用實際已知值對照,不要只信出廠標定
• ☐ 量程設定一致——感測器銘牌上的量程 = 程式裡的縮放參數?
• ☐ 干擾測試——把附近所有變頻器與大馬達啟動,讀值穩不穩?
• ☐ 屏蔽層單端接地——確認只接一端

小結

• 4mA 是「活零點」——低於 3.8mA 就是斷線,要報警,而且絕不能當成 0 拿去用
• 電流訊號抗壓降,適合長距離;電壓訊號只適合盤內短距離
• 兩線式與四線式接法完全不同,接錯讀不到或燒模組——接線前看說明書
• 縮放最常見的 bug 是整數除法截斷,讀值永遠 0 而且不報錯
• 抗干擾的第一名永遠是訊號線與動力線分開走,不是軟體濾波
• 屏蔽層只接一端的地,兩端都接會形成接地迴路

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