Сигналы и стандарты. Токовая петля Аналоговый сигнал 4 20 ма
]; позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться "токовая петля" 4...20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность "токовой петли" начала падать после появления стандарта на интерфейс RS -485 (1983 г.) и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.
В передатчике "токовой петли" используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в "токовой петле" протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля , сопротивления нагрузки и э. д. с. индуктивной помехи (рис. 2.10), а также от напряжения питания источника тока (см рис. 2.11). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.
Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка , э. д. с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в "токовой петле" и для ее подавления следует использовать экранирование (подробнее о борьбе с помехами см. раздел 3).
В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.
На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления . При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500Ом соответственно.
Основным недостатком "токовой петли" является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рис. 2.12 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS -485 [Optically ].
Вторым недостатком "токовой петли", ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0...20 мА и 4...20 мА; гораздо реже используют 0...60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4...20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии (см. раздел
Фундаментальные основы работы токовой петли 4..20 мАС 1950-х годов токовая петля используется для передачи данных от измерительных преобразователей в процессе мониторинга и контроля. При низкой стоимости реализации, высокой помехоустойчивости и возможности передачи сигналов на большие расстояния, токовая петля оказалась особенно удобной для работы в промышленных условиях. Этот материал посвящен описанию базовых принципов работы токовой петли, основам проектирования, настройке.
Использование тока для передачи данных от преобразователя
Датчики промышленного исполнения часто используют токовый сигнал для передачи данных в отличие, от большинства других преобразователей, таких,например, как термопары или тензорезистивные датчики, которые используют напряжение сигнала. Несмотря на то, что преобразователи,использующие напряжение в качестве параметра передачи информации,действительно эффективно применяются во многих производственных задачах, существует круг приложений, где использование характеристик тока предпочтительнее. Существенным недостатком при использования напряжения для передачи сигналов в промышленных условиях является ослабление сигнала при его передаче на значительные расстояния вследствие наличия сопротивления проводных линий связи. Можно,конечно, использовать высокий входной импеданс устройств, чтобы обойти потери сигнала. Однако, такие устройства будут весьма чувствительны к шуму, которые индуцируют находящиеся поблизости моторы, приводные ремни или радиовещательные передатчики.
Согласно первому закону Кирхгофа сумма токов, втекающих в узел,равна сумме токов, вытекающих из узла.
В теории, ток,протекающий в начале контура,должен достичь его конца в полном объеме,
как показано на рис.1. 1.
Рис.1. В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в начале контура равен току в его конце.
Это основной принцип, на котором работает контур измерения.. Измерение тока в любом месте токовой петли (измерительного контура) дает один и тот же результат. Используя токовые сигналы и приемные устройства для сбора данных с низким входным сопротивлением, в промышленных приложениях возможно получить значительный выигрыш от улучшения помехоустойчивости и увеличения длины линии связи.
Компоненты токовой петли
В состав основных компонентов токовой петли входят источник постоянного тока, первичный преобразователь, устройство сбора данных, и провода, соединяющие их в ряд, как показано на рисунке 2.
Рис.2. Функциональная схема токовой петли.
Источник постоянного тока обеспечивает питание системы. Преобразователь регулирует ток в проводах в диапазоне от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой «живой» ноль, а 20 мА представляет максимальный сигнал.
0 mA (отсутствие тока) означает разрыв в цепи. Устройство сбора данных измеряет величину регулируемого тока. Эффективным и точным методом измерения тока является установка прецизионного резистора- шунта на входе измерительного усилителя устройства сбора данных (на рис.2) для преобразования тока в напряжение измерения, чтобы в конечном итоге получить результат,однозначно отражающий сигнал на выходе преобразователя.
Чтобы помочь лучше понять принцип работы токовой петли, рассмотрим для примера конструкцию системы с преобразователем, имеющую следующие технические характеристики:
Преобразователь используется для измерения давления
Преобразователь расположен в 2000 футов от устройства измерения
Ток,измеряемый устройством сбора данных, обеспечивает оператора информацией о величине давления, приложенного к преобразователю
Рассмотрение примера начнем с подбора подходящего преобразователя.
Проектирование токовой системы
Выбор преобразователя
Первым шаг в проектировании токовой системы является выбор преобразователя. Независимо от типа измеряемой величины (расход, давление, температура, и т.д.) важным фактором в выборе преобразователя является его рабочее напряжение. Только подключение источника питания к преобразователю позволяет регулировать величину тока в линии связи. Значение напряжения источника питания должно находиться в допустимых пределах: больше, чем минимально необходимое,меньше, чем максимальное значение, которое может привести к повреждению преобразователя.
Для токовой системы, рассматриваемой в примере, выбранный преобразователь измеряет давление и имеет рабочее напряжение от 12 до 30 В. Когда преобразователь выбран, требуется правильно измерить токовый сигнал, чтобы обеспечить точное представление о давлении, подаваемом на датчик.
Выбор устройства сбора данных для измерения тока
Важным аспектом, на который следует обратить внимание при построении токовой системы, является предотвращение появления токового контура в цепи заземления. Общим приемом в таких случаях является изоляция. Использовав изоляцию, вы можете избежать влияния контура заземления, возникновение которого поясняет рис.3.
Рис.3. Контур заземления
Заземляющие контуры образуются при двух подключенных терминалов в цепи в разных местах потенциалов. Эта разница приводит к появлению дополнительного тока в линии связи, что может привести к появлению ошибок при измерениях.
Под изоляцией устройства сбора данных понимается электрическое отделение земли источника сигнала от земли входного усилителя измерительного устройства, как показано на рисунке 4.
Поскольку ток не может течь через барьер изоляции, точки заземления усилителя и источника сигнала имеют один и тот же потенциал. Таким образом исключается возможность непреднамеренно создать контур заземления.
Рис.4. Синфазное напряжение и напряжение сигнала в схеме с изоляцией
Изоляция также предотвращает от повреждения устройство сбора данных при наличии больших синфазных напряжений. Синфазным называют напряжение одинаковой полярности,которое присутствует на обоих входах инструментального усилителя. Например, на рис.4. и положительный (+) ,и отрицательный (-) входы усилителя имеют +14 V синфазного напряжения. Многие устройства сбора данных имеют максимальный входной диапазон ±10 В. Если устройство сбора данных не имеет изоляции и синфазное напряжение выходит за максимальный входной диапазон, вы можете повредить устройство. Хотя нормальное (сигнальное) напряжение на входе усилителя на рис.4 составляет только +2 В, добавка +14 в может дать в результате напряжение +16 В
(Сигнальное напряжение - это напряжение между « + » и « - » усилителя, рабочее напряжение есть сумма нормального и синфазного напряжения),что представляет опасный уровень напряжения для устройств сбора с меньшим рабочим напряжением.
При изоляции общая точка усилителя электрически отделена от нуля заземления. В схеме на рисунке 4 потенциал в общей точке усилителя «приподнят» на уровень +14 V. Такой прием приводит к тому, величина входного напряжения падает с 16 до 2 В.Теперь сбора данных, устройства больше не на риск перенапряжения ущерб. (Обратите внимание, что изоляторы имеют максимальную синфазного напряжения они могут отвергнуть.)
После того как устройство сбора данных изолировано и защищено, последним шагом при комплектовании токовой петли является выбор соответствующего источника питания.
Выбор источника питания
Определить, какой источник питания наилучшим образом отвечает вашим требованиям, весьма просто. При работе в токовой петле, блок питания должен выдавать напряжение, равное или большее, чем сумма падений напряжений на всех элементах системы.
Устройство сбора данных в нашем примере использует прецизионной шунт для измерения тока.
Необходимо рассчитать падение напряжения на этом резисторе. Типовой шунтирующий резистор имеет сопротивление 249 Ω. Основные расчеты при диапазоне тока в токовой петле 4 .. 20 мА
показывают следующее:
I*R=U
0,004A*249Ω= 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V
С шунта сопротивлением 249 Ω мы можем снять напряжение в диапазоне от 1 до 5 В, увязав величину напряжения на входе устройства сбора данных с величиной выходного сигнала преобразователя давления.
Как уже упоминалось,преобразователь давления требует минимального рабочего напряжения 12 В при максимальным 30 В. Добавив падение напряжения на прецизионном шунтирующем резисторе к рабочему напряжению преобразователя, получаем следующее:
12 В+ 5 В=17 В
На первый взгляд, хватит напряжения 17В.Необходимо,однако, учесть дополнительную нагрузку на блок питания, которую создают провода, имеющее электрическое сопротивление.
В случаях, когда датчик находится далеко от измерительных приборов, вы должны учитывать фактор сопротивления проводов при расчетах токовой петли. Медные провода имеют сопротивление постоянному току, которое прямо пропорционально их длине. С датчиком давления из рассматриваемого примера вам необходимо учесть 2000 футов длины линии связи при определении рабочего напряжения источника питания. Погонное сопротивление одножильного медного кабеля 2.62 Ω/100 футов. Учет этого сопротивления дает следующее:
Сопротивление одной жилы длиной 2000 футов составит 2000*2,62/100= 52,4 м.
Падение напряжения на одной жиле составит0,02* 52,4= 1,048 В.
Чтобы замкнуть цепь,необходимы два провода,тогда длина линии связи удваивается, и
полное падение напряжения составит 2,096 В. В итоге около 2.1 В благодаря тому,что расстояние от преобразователя до вторичного прибора составляет 2000 футов. Просуммировав падения напряжения на всех элементах контура, получим:
2,096 В + 12 В+ 5 В=19,096 В
Если вы использовали 17 V для питания рассматриваемой схемы, то напряжение, подаваемое на преобразователь давления будет ниже минимального рабочего напряжения за счет падения на сопротивлении проводов и шунтирующем резисторе. Выбор типового источник питания 24 В удовлетворит требованиям по питанию для преобразователя. Дополнительно имеется запас напряжения для того, чтобы разместить датчик давления на большем расстоянии.
С выбором правильно подобранных преобразователя, устройства сбора данных, длины кабелей и источника питания разработка простой токовой петли завершена. Для более сложных приложений вы можете включить дополнительные каналы измерений в систему.
Юрий Курцевой (Maxim Integrated)
Высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала токовой петли 4-20 мА MAX 12900 производства Maxim Integrated может конвертировать ШИМ — сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4 … 20мА для двух- , трех- или четырех проводных конфигураций .
Токовая петля 4…20 мА на сегодняшний день является одним из наиболее популярных методов передачи данных во многих отраслях промышленности. Благодаря своей устойчивости к помехам при передаче сигнала от передатчика к приемнику она идеально подходит для таких задач. Другое преимущество – относительная простота и бюджетность метода. Хотя, конечно, необходимость контроля за падением напряжения в некоторых участках цепи и за рядом других параметров часто приводит к усложнению схемы и увеличению стоимости решения. В таблице 1 обобщаются преимущества и недостатки метода передачи данных на основе токовой петли 4…20 мА.
Таблица 1. Преимущества и недостатки токовой петли 4…20 мА
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Основной стандарт во многих отраслях промышленности | Одной токовой петле соответствует только один канал передачи данных Возможность передачи значения только одной переменной |
| Простота в подключении и настройке | Для одновременной работы нескольких каналов данных (для передачи значений нескольких переменных) требуется создать столько же токовых петель. Но использование большого количества проводов может приводить к проблемам с контурами заземления, если независимые петли не изолированы должным образом. |
| Сигнал не деградирует с увеличением дистанции | Проблемы, связанные с изоляцией каналов, возрастают с увеличением количества каналов |
| Меньшая чувствительность к помехам | – |
| Отсутствие тока указывает на ошибку в канале передачи данных | – |
Все датчики с интерфейсом 4…20 мА, в зависимости от конфигурации, могут быть разделены на три группы:
- двухпроводной (питаемый петлей) датчик 4…20 мА;
- трехпроводной датчик 4…20 мА;
- четырехпроводной датчик 4…20 мА.
Наиболее удобной конфигурацией является решение, питаемое петлей. Однако если сам датчик потребляет более 3…4 мА из бюджета петли 4…20 мА, то для его функционирования придется использовать дополнительный источник питания. При подключении таких датчиков придется использовать 4-проводную конфигурацию. 3-проводная конфигурация является упрощенной версией предыдущей, в которой объединен положительный вывод питания датчика с токовой петлей (рисунок 1б). На рисунке 1 показаны все описанные выше конфигурации. В таблице 2 приводятся преимущества и недостатки каждого из них.
Таблица 2. Преимущества и недостатки датчиков с разными схемами подключения
| Конфигурация | 2-проводная | 3-проводная | 4-проводная |
|---|---|---|---|
| Преимущества | Не нужен локальный блок питания; малая стоимость; подходит для работы в агрессивных условиях | Экономичнее варианта с четырьмя проводами; простота реализации; возможность использования устройств индикации и других устройств, требующих дополнительного питания; возможность использовать мощные выходы, реле | Внешнее питание; возможность передавать переменный сигнал; изоляция цепи питания; возможность использования устройств индикации и других устройств, требующих дополнительного питания; возможность использовать мощные выходы, реле |
| Недостатки | Падение напряжения на участках петли может вызвать проблемы; имеются ограничения по потреблению схемы | Отсутствие изоляции петли питания; линии питания и петли нужно реализовывать с осторожностью | Более высокая стоимость; больше проводов; неприменим в агрессивной среде эксплуатации |
Применение MAX12900 в схемах датчиков с 2-, 3- или 4-проводными конфигурациями токовой петли
MAX12900 – это высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала с ультрамалым потреблением для датчиков с передатчиком 2…20 мА. В его компактный корпус встроено 10 модулей:
- LDO-преобразователь с широким входным диапазоном напряжений;
- цепи обработки ШИМ-модулированных сигналов для двух входов;
- два малопотребляющих операционных усилителя с малым дрейфом;
- один операционный усилитель с малым дрейфом напряжения смещения и широкой полосой пропускания;
- два диагностических компаратора;
- контроллер включения с выходом индикации хорошего качества питания (power-good выход);
- источник опорного напряжения с малым дрейфом.
Ключевое преимущество MAX12900 в том, что он может конвертировать ШИМ-сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4…20мА для двух-, трех- или четырехпроводных конфигураций. Таким образом он является эквивалентом совокупности малопотребляющего ЦАП с высоким разрешением, обработчика ШИМ-сигнала, двух цепей обработки и активного фильтра с интегрированным малопотребляющим операционным усилителем. Две цепи обработки сигналов обеспечивают стабильную ШИМ-амплитуду, несмотря на колебания амплитуды сигнала, изменения температуры и напряжения питания. Усилитель с широкой полосой пропускания в сочетании с дискретным транзистором преобразует входное напряжение в выходной ток и позволяет использовать HART® и FOUNDATION Fieldbus H1 модуляцию сигнала. Благодаря ОУ с малым напряжением смещения и источнику опорного напряжения с низким дрейфом обеспечивается минимальный уровень ошибки в широком диапазоне температур. Малопотребляющий ОУ и компараторы являются блоками для создания продвинутых диагностических систем. Мониторинг шины питания, измерение выходного тока и детектирование разрыва цепи – вот некоторые примеры диагностических возможностей таких систем. Все это, наряду с высокой точностью и малым общим потреблением делает MAX12900 идеальным устройством для интеллектуальных датчиков с интерфейсом токовая петля.
Применение MAX12900 в качестве 2-проводного передатчика (питание через токовую петлю)
На рисунке 2 показана упрощенная блок-схема и модель того, как MAX12900 может быть сконфигурирован в качестве части датчика с питанием через петлю. Такая конфигурация требуется для систем, работающих в агрессивных средах, она должна соответствовать директиве ATEX Directive 94/9/EC и получить сертификат IECEx. Такая реализация схемы датчика возможна только в случаях, когда передатчик потребляет менее 4 мА. ШИМ-сигналы, генерируемые микроконтроллером, поступают на специальные цепи нормирования и обработки ШИМ-сигнала, встроенные в MAX12900. С использованием одного из встроенных операционных усилителей и внешней RC-цепи можно создать фильтр низких частот. Для конвертирования напряжения в ток используются внешние транзисторы.
На рисунке 3 показана реализация на уровне электрической принципиальной схемы двухпроводной токовой петли, питающей сенсор (обратите внимание, что весь выделенный бирюзовым цветом блок интегрирован в MAX12900).
Одни из наиболее распространенных датчиков такого типа – это датчики температуры. Давайте попробуем спроектировать передатчик датчика температуры на базе MAX12900 с применением прецизионной термопары и специализированного преобразователя сигнала термопары (MAX31856). MAX31856 обрабатывает сигнал с термопары и передает данные по интерфейсу SPI. Таким образом, чтобы считывать показания с датчика и генерировать ШИМ-сигналы для MAX12900, необходимо использовать микроконтроллер. В отладочном комплекте MAX12900EVKIT для этой задачи применяется микроконтроллер STM32L071 . Ключевой момент в такой схеме – оценить бюджет по потребляемой мощности для наихудших сценариев (максимальные потребления тока для всех рабочих значений температуры и напряжения). На основе этого можно принять решение о применении той или иной конфигурации токовой петли: двух-, трех- или четырехпроводной.
В соответствии с техническим описанием MAX12900EV, общее потребление малопотребляющего микроконтроллера и MAX12900 составляет 3,5 мА для худшего случая. MAX31856 потребляет максимум 2 мА при напряжении питания 3,3 В (таблица 3). Таким образом общее потребление превышает 4 мА, а это значит, что реализовать двухпроводной передатчик не представляется возможным.
Таблица 3. Потребление компонентов датчика температуры
Применение MAX12900 в схеме трехпроводного передатчика
Исключив возможность использовать двухпроводное решение, посмотрим, какова возможность проектирования трехпроводной схемы. Первое, что следует иметь в виду – это возможность применения только одного положительного вывода питания и для передачи данных, и для питания схемы. Напряжение 24 В (от ПЛК) является слишком высоким для микроконтроллера и MAX31856, для работы которых требуется напряжение 3,3 В. Существует несколько подходов решения этой проблемы. Первый – это использовать для преобразования 24 В в 3,3 В DC/DC-преобразователь, например, MAX17550 , как это изображено на рисунке 4. MAX17550 является ультракомпактным синхронным понижающим DC/DC-преобразователем с высоким КПД и выходным током до 25 мА. Для изоляции датчика/МК ШИМ-интерфейса с MAX12900 используется цифровой двухканальный изолятор MAX12930 . На рисунке 4 компоненты в пунктирном квадрате находятся в изолированным домене питания с плавающей землей, которая отличается от земли ПЛК.
Другой подход к решению проблемы с питанием – использовать линейный преобразователь напряжения с ультрамалым током покоя MAX15006AATT+ , который может обеспечить напряжение 3,3 В с током нагрузки до 50 мА, как это показано на рисунке 5.
Вторая проблема, о которой нужно помнить при разработке таких датчиков – плавающая земля передатчика. Датчик сам по себе, микроконтроллер и MAX12900 – передатчик для обмена данными – должны иметь общую шину земли. В то же самое время потенциал этой земли является плавающим потенциалом по отношению к земле ПЛК. Состояние плавающей земли зависит от передаваемых данных и уровня нагрузки петли. Для решения этой проблемы применяются несколько подходов, например использование двухканального малопотребляющего MAX12930 (как показано на рисунке 4) для изоляции PWMA- и PWMB-входов от передатчика.
Альтернативный подход заключается в том, чтобы использовать активную схему, которая занимается постоянным мониторингом и управляет общим уровнем земли микроконтроллера и датчика. Такой вариант реализации становится возможным и удобным благодаря присутствию ОУ общего назначения, а именно – OP2, интегрированного в MAX12900. Для этой схемы также требуется использовать внешний n-канальный MOSFET-транзистор с малым напряжением управления Q3 и PNP-транзистор общего назначения Q4, чтобы согласовать падения напряжения на RLOAD и RSENSE.
Применение MAX12900 в схемах с четырехпроводным передатчиком
Мы рассмотрели, как MAX12900 может быть применен в двух- и трехпроводных передатчиках. Реализация четырехпроводного решения по сравнению с ними очень проста, поскольку для датчика и ПЛК имеются отдельные контуры питания и земли.
Заключение
Ультрамалопотребляющий аналоговый формирователь сигнала MAX12900 производства компании Maxim Integrated для передатчиков 4…20 мА предлагает непревзойденный уровень гибкости в различных приложениях и идеально подходит для использования в промышленных датчиках для систем контроля и автоматизации, сигналы которых необходимо преобразовать в сигнал токовой петли 4…20 мА.
Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.
В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.
Что такое токовая петля 20 мА?
Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.
Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник
Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?
Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.
Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?
Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.
Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?
Существует две веские причины.
Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.
Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается - ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.
Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю
Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?
Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости - сигнал 20 мА.
Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?
Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).
Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.
Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.
Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?
Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I 2 R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла.
Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?
Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.
Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?
Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.
Что еще требуется для передачи цифровых данных?
Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.
Что такое стандарт HART?
HART - общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.
Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.
Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.
Какие еще улучшения дает HART?
Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.
Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко - порядка одного раза в секунду. Например, температура - наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.
Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.
Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?
Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.
Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.
Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?
Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.
Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?
Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).
Рис. 3. MAX12900 - малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли
MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.
Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?
Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 - референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.
Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей
В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).
Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли
Заключение
В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.
Нижний Новгород
Данная статья является продолжением серии публикаций в журнале ИСУП, посвященных нормирующим *, **, *** ****. Статья «Преобразование подобного в подобное в системах измерения и управления» (ИСУП. 2012. № 1) была посвящена нормирующим , которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе.
Почему именно сигнал 4…20 мА?
Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:
- на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и стоимость, снижаются;
- токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
- обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
- токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя: минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.
Характеристики преобразователей токовой петли 4…20 мА
Рассмотрим основные характеристики и особенности, которые необходимо учитывать при выборе . В качестве примера приведем нормирующие преобразователи НПСИ-ГРТП, выпускаемые научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (рис. 2).
Рис. 2.
Внешний вид НПСИ-ГРТП - выпускаемых НПФ «КонтрАвт» преобразователей с гальваническим разделением 1, 2, 4 каналов токовой петли
Предназначены для выполнения всего лишь двух основных функций:
- измерение активного токового сигнала 4…20 мА и преобразование его в такой же активный токовый сигнал 4…20 мА с коэффициентом преобразования 1 и с высоким быстродействием;
- гальваническое разделение входных и выходных сигналов токовой петли.
Основная погрешность преобразования НПСИ-ГРТП составляет 0,1 %, температурная стабильность - 0,005 % / °C. Рабочий диапазон температур - от -40 до +70 °C. Напряжение изоляции - 1500 В. Быстродействие - 5 мс.
Варианты подключения к источникам активных и пассивных сигналов показаны на рис. 3 и 4. В последнем случае требуется дополнительный источник питания.
Рис. 3. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к активному источнику
Рис. 4. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к пассивному источнику с применением дополнительного блока питания БП
В системах измерения, где необходимо разделение входных сигналов, источником входного сигнала, как правило, являются измерительные датчики (ИД), а приемниками - вторичные измерительные приборы (ИП) (регуляторы, контроллеры, регистраторы и пр.).
В системах управления, где требуется разделение выходных сигналов, источниками являются управляющие устройства (УУ) (регуляторы, контроллеры, регистраторы и пр.), а приемниками - исполнительные устройства (ИУ) с токовым управлением (мембранные исполнительные механизмы (МИМ), тиристорные регуляторы, частотные преобразователи и пр.).
Примечательно, что для преобразователя НПСИ-ГРТП, выпускаемого , не требуется отдельное питание. Он запитывается от входного активного источника тока 4…20 мА. При этом на выходе также формируется активный сигнал 4…20 мА, и дополнительного источника в выходных цепях не требуется. Поэтому решение на базе разделителей токовой петли, которое используется в НПСИ-ГРТП, является весьма экономичным.
Выпускаются три модификации преобразователя: . Они различаются по количеству каналов (1, 2, 4 соответственно) и конструктивному исполнению (рис. 2). Одноканальный преобразователь размещен в малогабаритном узком корпусе шириной всего 8,5 мм (габариты 91,5 × 62,5 × 8,5 мм), двухканальный и четырехканальный - в корпусе шириной 22,5 мм (габариты 115 × 105 × 22,5 мм). Преобразователи с гальванической развязкой применяются в системах с десятками и сотнями сигналов, для этих систем размещение такого количества преобразователей в конструктивных оболочках (шкафах) становится важнейшей проблемой. Ключевым фактором здесь является ширина одного канала преобразования вдоль DIN-рельса. в 1-, 2‑ и 4‑канальном исполнениях имеют предельно малую «ширину канала»: 8,5, 11,25 и 5,63 мм соответственно.
Следует обратить внимание, что в многоканальных модификациях НПСИ-ГРПТ2 и НПСИ-ГРТП4 все каналы полностью не связаны между собой. С этой точки зрения работоспособность одного из каналов никак не влияет на работу других каналов. Вот почему один из аргументов против многоканальных преобразователей - «сгорает один канал, а перестает работать весь многоканальный прибор, и это резко понижает безопасность и устойчивость системы» - не работает. Зато такое важное положительное свойство многоканальных систем, как более низкая «цена канала», проявляется в полной мере. Двух- и четырехканальные модификации преобразователей снабжены винтовыми разъемными соединителями, которые облегчают их монтаж, техническое обслуживание и ремонт (замену).
В ряде задач требуется подать сигнал 4…20 мА на несколько гальванически изолированных приемников. Для этого можно применить как одноканальные преобразователи НПСИ-ГРТП1, так и многоканальные НПСИ-ГРТП2 и НПСИ-ГРТП4. Схемы соединения приведены на рис. 5.
Рис. 5.
Применение одноканальных и двухканальных преобразователей для размножения сигнала «1 в 2»
Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений в одноканальной модификации производится пружинными клеммными соединителями, а в двух- и четырехканальных - разъемными винтовыми соединителями.
Рис. 6.
Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей
Таким образом, новую линейку преобразователей для разделения токовой петли 4…20 мА, представленную НПФ «КонтрАвт», можно вполне обоснованно назвать компактным и экономичным решением, способным конкурировать по совокупности характеристик с соответствующими импортными аналогами. Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому пользователь имеет возможность опробовать устройства в работе, оценить их характеристики и принять взвешенное решение о целесообразности их применения.
____________________________
