第10章 4–20 mA工业电流环
——从模拟信号传输到智能工业仪表的基础通信方式
在工业自动化发展过程中，曾经出现过多种模拟信号标准，例如0–10 V电压信号、1–5 V电压信号、10–50 mA电流信号和4–20 mA电流信号。最终，4–20 mA成为工业过程测量领域应用最广泛的模拟标准。
即使今天已经进入HART、FOUNDATION Fieldbus、PROFIBUS PA和工业以太网时代，4–20 mA仍然大量存在。原因在于它简单、可靠、抗干扰、适合远距离传输。
工业测量链为：
物理量 → 传感器 → 智能变送器 → 4–20 mA电流环 → PLC/DCS模拟输入模块 → 控制系统
本章重点分析为什么选择4–20 mA、电流信号传输原理、二线制/三线制/四线制结构、回路供电、故障电流设计以及电流环诊断技术。
10.1 为什么工业选择4–20 mA？
10.1.1 从电压信号到电流信号
早期工业测量常采用电压传输，例如传感器 → 0–10 V → 控制柜。但电压传输存在明显问题：
- 线路电阻影响：传输线100 Ω、电流10 mA时，线路压降 ( V = IR ) 产生1 V损失，接收端电压降低。
- 长距离传输困难：工业现场距离可达几十米甚至几百米，电压信号容易受电阻、接地和干扰影响。
因此工业采用电流传输。
10.1.2 电流信号的优势
10.2 为什么是4–20 mA？
10.2.1 不是0–20 mA？
如果采用0–20 mA表示0～100%，当设备断电或线路断开时也是0 mA，系统无法区分“正常零点”还是“线路故障”。
因此工业采用**活零点（Live Zero）**设计，即4 mA表示0%。
对应关系：
