계장신호는 왜 4~20mA, 24VDC로 정했을까?

 

계장에서는 통일된 사용합니다. 현장에서 늘 사용하지만 왜 이렇게 정했을까 하는 원천적인 의문이 가끔 들곤 합니다

계장의 기초지만 간과하거나 대수롭지 않게 생각했던 계장신호에 대해서 얘기해 볼까 합니다

 

계장신호는 계장용으로 사용하는 신호로 Range가 통일된 신호를 의미합니다

계장용 Transmitter에서 수신계까지의 출력신호, 조절계에서 조작단 까지의 출력신호인 것입니다

국제적으로 통일된 신호 Level ( IEC902 )는 전류 신호 : 4 ~ 20 mA DC, 공기압 신호 : 20 ~ 100 kPa 입니다

계장의 초창기에 공기식 신호를 많이 사용했으나 시대가 시대인만큼 요즘은 전류신호만 사용한다고 해도 무방합니다

 

직류신호의 이점은 원거리 전송이 가능하다는 것이며 그 거리는 수 Km 이상입니다

전송방식은 2선식 전송방식과 4선식 전송방식이 있으며, 현재는 2선식 전송방식을 대부분 사용합니다

아래 그림과 같이 4선식은 전원을 별도로 Transmitter에 공급해줘야 하기에 구성이 불편한 단점이 있습니다

 

 

2선식 전송방식

4선식 전송방식

 

그러면 계장신호는 왜  4~20mA를 사용할까요?

1~5VDC의 전압신호와 공기압을 사용하기도 하지만 현재는 거의 사용하지 않기에 전류신호에 대해서만 얘기할까 합니다

전류신호는 0mA부터 시작하지 않을까요?  단순한 답이지만 0mA로 시작하면 현장 전송기의 고장, 전선의 합선과 단선으로 인한 이상신호를 가려낼 수가 없기 때문입니다

예를 들어 온도를 측정 전송하는 계측기의 측정범위가 0~100℃ 라면 0℃일 경우 0mA를 전송하고 100℃라면 20mA를 전송하는데 현장 계측기 계통의 고장으로 전원상실 될 경우에도 0mA 가 될것이고, 이럴 경우 이상신호인지 실제로 0℃ 인지 구분 할수 없는 상황이 됩니다

4~20mA로 사용한다면 4mA이면 0℃로 인식하고 전원계통 문제로  0mA 이면 이상신호로 인식하고 배제할 수 있습니다 

 

 

계장계통의 전원은 일반적으로 24VDC의 루프전원을 사용하는데 왜 그럴까요?

4 ~ 20mA에 계장기기류의 평균 임피던스치 와 같은 250옴 저항을 연결하면, (V=IR) 이므로 4mA x 250옴=1VDC, 20mA x 250옴 = 5VDC 됩니다

전원문제는 Load Resistance가 좌우합니다. 위에서 설명한 대로 약 750옴까지의 (Load Resistance) 임피던스에 20mA를 고려했을 때 12VDC로는 너무 전원이 낮고, 50VDC로는 너무 높기 때문입니다

또한 안전성 측면에서 볼 때도 인간에게 손상을 줄 수 있는 전압은 25VDC부터라고 합니다

 요즈음의 스마트 계기는 대부분 13VDC ~ 45VDC까지 사용할 수가 있다고 하는 이유도 이를 고려한 것으로 보입니다

 

교류(AC)를 사용하지 않는 이유는, 신호용 케이블에는 Resistance(저항성), Inductance(유도성), Capacitance(용량성)성분을 갖고 있으며, 교류(AC)는 원천적으로 과도현상(Transient)특성을 갖고 있으므로, 이것이 XL성분(Inductive Reactance)과 XC 성분(Capacitive Reactance)에 영향을 주게 되고, 주파수도 영향을 주며 , 주변의 외란도 개입할 소지가 많으므로 직류를 선택 한 것입니다

그에 비해 직류는 외부의 외란에 대해 영향을 적게 받으며, 전자기술과 반도체 기술의 발전으로 내부 회로와 부품의 집적화가 가능해 소형, 경량화가 가능합니다

다만, 그에 비례해서 내부 회로가 약하거나 큰 외란에 쉽게 손상되는 경우도 있습니다

여러가지 요인들을 종합 고려했을때 교류에 비해 직류 전원이 설비 구성이 용이하고, 신호 전달의 정확성과 신뢰성이 높아 대부분의 현장에서 적용하고 있습니다