4-20mA 신호
4-20mA Analog Signal
정의
측정값을 4~20mA 전류로 표현하는 산업 표준 아날로그 신호. 0%가 4mA여서 단선(0mA)을 구별할 수 있고 전류 방식이라 장거리·노이즈에 강하다.
자세한 설명
4-20mA는 계측기(트랜스미터)가 측정 범위의 0%를 4mA, 100%를 20mA로 하는 전류로 변환해 전송하는 방식이다. 전류 신호는 배선 저항에 의한 전압강하의 영향을 받지 않아 수백 m 배선에서도 값이 보존되고, 저임피던스 루프여서 전압 신호(0-10V 등)보다 노이즈에 강하다. 특히 0%를 0mA가 아닌 4mA로 띄워 둔 라이브 제로 덕분에, 0mA는 곧 단선·기기 고장으로 판별할 수 있어 신호 자체가 진단성을 가진다.
배선은 2선식이 표준으로, 전원(DC24V)과 신호가 같은 두 가닥을 공유하며 트랜스미터는 4mA 이하의 잔여 전류로 자체 구동된다. 수신측(PLC 아날로그 입력)은 루프에 직렬로 들어가 250Ω 저항으로 1-5V로 변환해 읽는 구성이 일반적이며, 하나의 루프에 표시계·기록계를 직렬 추가할 때는 루프 전체의 부하저항 합이 트랜스미터의 허용 부하를 넘지 않는지 확인해야 한다. 4mA에 아래로 여유를 둔 3.8mA 이하·20.5mA 이상을 이상 판정 대역으로 쓰는 NAMUR NE43 관례도 널리 적용된다.
PLC에서의 활용은 스케일링이다. 아날로그 입력 유닛이 4-20mA를 디지털값으로 변환하면, 프로그램에서 공학 단위(압력 MPa, 온도 도, 유량 m³/h)로 환산해 감시·제어에 쓴다. 스케일 상하한 설정 실수는 지시값 전체가 틀어지는 오류이므로, 시운전 시 기준 신호 발생기(루프 캘리브레이터)로 4·12·20mA를 주입해 표시값을 검증하는 절차가 표준이다.
공식
측정값 = (I - 4) / 16 × (상한 - 하한) + 하한 (I: mA)
예: 0~1MPa 트랜스미터에서 12mA = (12-4)/16 × 1 = 0.5MPa 실무 예시
0~1.6MPa 압력트랜스미터의 4-20mA 신호를 PLC 아날로그 입력에 연결하고 스케일을 0~1.6MPa로 설정했다. 시운전에서 루프 캘리브레이터로 4·12·20mA를 주입해 HMI 표시 0·0.8·1.6MPa를 확인했고, 3.6mA 이하를 단선 경보로 설정해 이후 발생한 케이블 단선을 즉시 검출할 수 있었다.
실무 포인트
- 0mA는 측정값이 아니라 단선·고장 신호다. 하한 이탈(예: 3.6mA 이하) 경보를 설정해 진단성을 활용한다.
- 루프에 기기를 직렬 추가할 때는 총 부하저항이 트랜스미터 허용치 이내인지 확인한다.
- 스케일 상하한 설정 오류는 전 구간 지시 오류를 만든다. 시운전 시 기준 전류 주입으로 3점 이상 검증한다.
- 신호선은 실드 트위스트페어를 사용하고 동력선과 분리 포설한다. 전류 방식도 강한 노이즈원 옆에서는 오차가 생긴다.
- 루프 전원의 극성 역접속은 트랜스미터에 따라 무지시·소손을 유발하므로 결선 시 극성을 확인한다.