Дачний календар

Сигнали та стандарти. Уніфіковані аналогові сигнали в системах автоматики Як організується сигнал 4 20 ма

Калібратор струмової петлі РЗУ-420 призначений для завдання уніфікованих сигналів струму 4...20 мА у процесі випробування систем автоматики, а також контролю величини струму і напруги. Живлення струмового контуру може здійснюватися як від системи, так і від приладу.

Виконання приладу – переносне, з автономним живленням від батарей. Можливе також живлення приладу від мережі 220 з застосуванням зовнішнього мережевого адаптера.

Прилад має інтуїтивно зрозумілий інтерфейс та простий у використанні. Широка функціональність РЗУ-420, ергономічність та невисока вартість роблять його незамінним для наладчика АСУ ТП під час проведення пуско-налагоджувальних робіт. Використання РЗУ-420 дозволяє суттєво скоротити час пуско-налагодження.

Калібратор струмової петлі РЗУ-420 пройшов всебічне тестування в умовах реальної роботи та отримав позитивні оцінки у всіх технічних перевірках та тестах.

Можливості РЗУ-420

Одночасне відображення на дисплеї завдання струму з точністю до тисячної частки мА та відображення вихідного завдання у відсотках від шкали 4...20 мА з точністю до десятої частки відсотка.
Діапазон завдання струму: 0...25 мА (за шкалою з лінійною залежністю).
РЗУ-420 має можливість вимірювати такі параметри струмової петлі, як струм I та напруга U.
Прилад може працювати від зовнішнього джерела живлення, так і від вбудованого. Перемикання режимів здійснюється натисканням клавіші на панелі приладу з постійним відображенням вибраного режиму живлення на дисплеї.
Прилад дозволяє виконувати як плавне завдання струму з дискретністю 0,1% шкали, так і покрокове завдання струму кожні 1 мА. Також РЗУ-420 дозволяє генерувати сигнал 4...20 мА режимі функціонального завдання: меандр, пила, трикутник, синусоїда. Перемикання режиму завдання здійснюється клавішею на лицьовій панелі приладу з постійним відображенням вибраного режиму на дисплеї.
Прилад має індикацію обриву струмової петлі. При обриві струмової петлі спалахує повідомлення «обрив» на РК-індикаторі.
Прилад має індикацію стану батареї живлення, що постійно відображається на дисплеї, що дозволяє розрахувати час роботи від даного комплекту батарей.
Дисплей приладу оснащений підсвічуванням для можливості роботи в умовах недостатнього освітлення.
Максимальна основна похибка завдання/вимірювання становить лише ±0,1 %.
Корпус приладу виконаний з ударостійкого пластику з рівнем пиловологозахисту IP20.
Є сертифікат засобу виміру.

Фундаментальні основи роботи струмової петлі 4..20 мА

З 1950-х років струмова петля використовується для передачі даних від вимірювальних перетворювачів у процесі моніторингу та контролю. За низької вартості реалізації, високої завадостійкості та можливості передачі сигналів на великі відстані, струмова петля виявилася особливо зручною для роботи в промислових умовах. Цей матеріал присвячений опису базових принципів роботи струмової петлі, основ проектування, настроювання.

Використання струму передачі даних від перетворювача

Датчики промислового виконання часто використовують струмовий сигнал передачі даних на відміну, від більшості інших перетворювачів, таких, наприклад, як термопари або тензорезистивні датчики, які використовують напругу сигналу. Незважаючи на те, що перетворювачі, що використовують напругу як параметр передачі інформації, дійсно ефективно застосовуються в багатьох виробничих завданнях, існує коло додатків, де використання характеристик струму краще. Істотним недоліком при використанні напруги передачі сигналів у промислових умовах є ослаблення сигналу при його передачі на значні відстані внаслідок наявності опору провідних ліній зв'язку. Можна, звичайно, використовувати високий вхідний імпеданс пристроїв, щоб уникнути втрати сигналу. Однак, такі пристрої будуть дуже чутливі до шуму, які індукують мотори, що знаходяться поблизу, приводні ремені або радіомовні передавачі.

Згідно з першим законом Кірхгофа сума струмів, що втікають у вузол, дорівнює сумі струмів, що випливають із вузла.
Теоретично, струм, що протікає на початку контуру, повинен досягти його кінця в повному обсязі,
як показано на рис.1. 1.

Рис.1. Відповідно до першого закону Кірхгофа струм на початку контуру дорівнює струму в його кінці.

Це основний принцип, на якому працює контур вимірювання. Вимірювання струму в будь-якому місці струмової петлі (вимірювального контуру) дає той самий результат. Використовуючи струмові сигнали та приймальні пристрої для збору даних з низьким вхідним опором, у промислових додатках можна отримати значний виграш від покращення завадостійкості та збільшення довжини лінії зв'язку.

Компоненти струмової петлі
До складу основних компонентів струмової петлі входять джерело постійного струму, первинний перетворювач, пристрій збору даних, та дроти, що з'єднують їх у ряд, як показано на малюнку 2.

Рис.2. Функціональна схема струмової петлі.

Джерело постійного струму забезпечує живлення системи. Перетворювач регулює струм у проводах в діапазоні від 4 до 20 мА, де 4 мА є «живий» нуль, а 20 мА представляє максимальний сигнал.
0 mA (відсутність струму) означає розрив ланцюга. Пристрій збору даних вимірює величину струму, що регулюється. Ефективним і точним методом вимірювання струму є установка прецизійного резистора- шунта на вході вимірювального підсилювача пристрою збору даних (на рис.2) для перетворення струму в напругу вимірювання, щоб зрештою отримати результат, що однозначно відображає сигнал на виході перетворювача.

Щоб допомогти краще зрозуміти принцип роботи струмової петлі, розглянемо для прикладу конструкцію системи з перетворювачем, що має такі технічні характеристики:

Перетворювач використовується для вимірювання тиску
Перетворювач розташований за 2000 футів від пристрою вимірювання
Струм, що вимірюється пристроєм збору даних, забезпечує оператора інформацією про величину тиску, прикладеного до перетворювача

Розгляд прикладу почнемо з вибору відповідного перетворювача.

Проектування струмової системи

Вибір перетворювача

Першим кроком у проектуванні струмової системи є вибір перетворювача. Незалежно від типу вимірюваної величини (витрата, тиск, температура тощо) важливим фактором у виборі перетворювача є його робоча напруга. Тільки підключення джерела живлення до перетворювача дозволяє регулювати величину струму лінії зв'язку. Значення напруги джерела живлення має бути в допустимих межах: більше, ніж мінімально необхідне, менше, ніж максимальне значення, що може призвести до пошкодження перетворювача.

Для струмової системи, що розглядається в прикладі, вибраний перетворювач вимірює тиск і має робочу напругу від 12 до 30 В. Коли перетворювач обраний, потрібно правильно виміряти струмовий сигнал, щоб забезпечити точне уявлення про тиск, що подається на датчик.

Вибір пристрою збору даних для вимірювання струму

Важливим аспектом, на який слід звернути увагу при побудові струмової системи, є запобігання появі струмового контуру в ланцюзі заземлення. Загальним прийомом у разі є ізоляція. Використовуючи ізоляцію, можна уникнути впливу контуру заземлення, виникнення якого пояснює рис.3.

Рис.3. Контур заземлення

Заземлювальні контури утворюються при двох підключених терміналів у ланцюзі у різних місцях потенціалів. Ця різниця призводить до появи додаткового струму лінії зв'язку, що може призвести до появи помилок при вимірах.
Під ізоляцією пристрою збору даних розуміється електричне відділення землі джерела сигналу від землі вхідного підсилювача вимірювального пристрою, як показано на рисунку 4.

Оскільки струм не може текти через бар'єр ізоляції, точки заземлення підсилювача та джерела сигналу мають той самий потенціал. Таким чином, виключається можливість ненавмисно створити контур заземлення.

Рис.4. Синфазна напруга та напруга сигналу у схемі з ізоляцією

Ізоляція також запобігає пошкодженню пристрою збору даних за наявності великої синфазної напруги. Синфазним називають напругу однакової полярності, яка є на обох входах інструментального підсилювача. Наприклад, на рис.4. і позитивний (+), і негативний (-) входи підсилювача мають +14 V синфазної напруги. Багато пристроїв збору даних мають максимальний вхідний діапазон ±10 В. Якщо пристрій збору даних не має ізоляції і синфазна напруга виходить за максимальний вхідний діапазон, ви можете пошкодити пристрій. Хоча нормальна (сигнальна) напруга на вході підсилювача на рис.4 становить лише +2 В, добавка +14 може дати в результаті напруга +16 В
(Сигнальна напруга - це напруга між «+» і «-» підсилювача, робоча напруга є сумою нормальної та синфазної напруги), що представляє небезпечний рівень напруги для пристроїв збору з меншою робочою напругою.

При ізоляції загальна точка підсилювача електрично відокремлена від нуля заземлення. У схемі на малюнку 4 потенціал у загальній точці підсилювача «піднятий» на рівень +14 V. Такий прийом призводить до того, що величина вхідної напруги падає з 16 до 2 В. Тепер збору даних, пристрої більше не на ризик перенапруги збитки. (Зверніть увагу, що ізолятори мають максимальну синфазну напругу вони можуть відкинути.)

Після того, як пристрій збору даних ізольований і захищений, останнім кроком при комплектуванні струмової петлі є вибір відповідного джерела живлення.

Вибір джерела живлення

Визначити, яке джерело живлення найкраще відповідає вашим вимогам, дуже просто. При роботі в струмовій петлі блок живлення повинен видавати напругу, рівну або більшу, ніж сума падінь напруги на всіх елементах системи.

Пристрій збору даних у нашому прикладі використовує прецизійний шунт для вимірювання струму.
Необхідно розрахувати падіння напруги на цьому резисторі. Типовий шунтуючий резистор має опір 249 Ω. Основні розрахунки при діапазоні струму в струмовій петлі 4 .. 20 мА
показують наступне:

I*R=U
0,004A * 249Ω = 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V

З шунта опором 249 Ω ми можемо зняти напругу в діапазоні від 1 до 5, пов'язавши величину напруги на вході пристрою збору даних з величиною вихідного сигналу перетворювача тиску.
Як уже згадувалося, перетворювач тиску вимагає мінімальної робочої напруги 12 В при максимальному 30 В. Додавши падіння напруги на прецизійному резисторі шунтуючого до робочої напруги перетворювача, отримуємо наступне:

12 В+ 5 В=17 В

На перший погляд, вистачить напруги 17В. Необхідно, проте, врахувати додаткове навантаження на блок живлення, яке створюють дроти, що має електричний опір.
Якщо датчик знаходиться далеко від вимірювальних приладів, ви повинні враховувати фактор опору проводів при розрахунках струмової петлі. Мідні дроти мають опір постійному струму, який прямо пропорційний їх довжині. З датчиком тиску з прикладу вам необхідно врахувати 2000 футів довжини лінії зв'язку при визначенні робочої напруги джерела живлення. Погонне опір одножильного мідного кабелю 2.62 Ω/100 футів. Облік цього опору дає таке:

Опір однієї жили завдовжки 2000 футів становитиме 2000*2,62/100= 52,4 м.
Падіння напруги на одній жилі складе 0,02 * 52,4 = 1,048 В.
Щоб замкнути ланцюг, необхідні два дроти, тоді довжина лінії зв'язку подвоюється, і
повне падіння напруги становитиме 2,096 У. У результаті близько 2.1 У тому,що відстань від перетворювача до вторинного приладу становить 2000 футів. Просумувавши падіння напруги на всіх елементах контуру, отримаємо:
2,096 + 12 + 5 = 19,096 В

Якщо ви використовували 17 V для живлення схеми, що розглядається, то напруга, що подається на перетворювач тиску буде нижче мінімальної робочої напруги за рахунок падіння на опорі проводів і шунтувальному резисторі. Вибір типового джерела живлення 24 В задовольнить вимоги живлення для перетворювача. Додатково є запас напруги для того, щоб розмістити датчик тиску на більшій відстані.

З вибором правильно підібраних перетворювача, пристрої збору даних, довжини кабелів та джерела живлення розробка простої струмової петлі завершена. Для більш складних програм можна включити додаткові канали вимірювань у систему.

Токова петля - спосіб передачі інформації за допомогою вимірюваних значень сили електричного струму. Як правило, система з використанням струмової петлі включає датчик (тиску, температури, газів тощо), передавач, приймач і аналого-цифровий перетворювач (АЦП) або мікроконтролер (рисунок 1).

Рис. 1.

На виході датчика формується напруга, пропорційна вимірюваному параметру. Передавач (підсилювач струму, керований напругою) перетворює напругу від датчика відповідний струм від 4 до 20 мА. На іншому кінці лінії приймач (підсилювач напруги, керований струмом) перетворює струм 4...20 мА назад у напругу. Аналого-цифровий перетворювач оцифровує вихідну напругу приймача для подальшої обробки процесором або мікроконтролером.

У системах з інтерфейсом струмової петлі інформація передається за допомогою модульованого сигналом струму. У струмовому петлі 4 ... 20 мА, найменше значення сигналу відповідає струму 4 мА, а найбільше - 20 мА. Отже, весь діапазон допустимих значень становить 16 мА. У петлі постійно підтримується струм 4 мА, тому при нижчій величині струму виявляється урвище лінії і дозволяє легко діагностувати таку ситуацію.

Як правило, в системах промислової автоматики датчики віддалені на великі відстані від центрального вузла, що управляє, тому струмова петля досі не втратила свою актуальність, оскільки є найбільш перешкодостійким аналоговим інтерфейсом, особливо — в порівнянні з методами передачі даних напругою. Більш повноцінна система, що включає другу струмову петлю (наприклад, для управління приводом), продемонстрована на малюнку 2.

Рис. 2.

Спираючись на цю схему, розглянемо рішення, які компанія Maxim пропонує для її реалізації.

Операційний підсилювач
як перетворювач напруга-струм

На малюнку 3 представлена проста реалізація перетворювача «напруга струм» з використанням операційного підсилювача (ОУ) MAX9943.Даний ОУ при напрузі живлення ±15 забезпечує вихідний струм більше ±20 мА, а також стабільний при ємнісному навантаженні до 1 нФ, що робить його дуже придатним для використання в довгій лінії передачі. Для роботи в діапазоні вихідного струму 0...20 мА можливе однополярне живлення підсилювача, оскільки MAX9943 забезпечує розмах вихідної напруги, що дорівнює напруги живлення ( rail-to-rail output).

Рис. 3.

У цій схемі залежність між вхідною напругою та струмом на навантаженні описується виразом: V IN = (R2/R1) r R SENSE ґ I LOAD + V REF . Типове значення навантажувального опору може становити кілька кОм, У цьому прикладі: R1 = 1 кОм; R2 = 10 кОм; R SENSE = 12,5 Ом; R LOAD = 600 Ом.

Для перетворення вхідної напруги ±2,5 В струм ±20 мА опорна напруга V REF повинна бути дорівнює 0 В. Щоб отримати струмовий вихід 4...20 мА з вхідної напруги 0...2,5 В, необхідно задати зсув для постійної присутності в лінії струму 4 мА. При V REF = -0,25 Вхідна напруга 0…2,5 перетворюється на вихідний струм 2…22 мА. Зазвичай розробники вибирають трохи розширений динамічний діапазон для можливості подальшого програмного калібрування. Залежності вхідної напруги та вихідного струму показані на рисунках 4 та 5.

Рис. 4. Залежність I LOAD від V IN для виходу ±20 мА

Рис. 5. Залежність I LOAD від V IN для виходу 4-20мА

MAX15500 і MAX15501 - формувачі сигналу струмової петлі

Схема на малюнку 3 з використанням операційних підсилювачів - це проста реалізація струмової петлі, що викликає складності при калібруванні, а також велику похибку під час передачі сигналів у реальних умовах експлуатації. Насправді, для реалізації перетворювача «напруга-струм» доцільно використовувати однокристальні рішення, технічні параметри яких жорстко описані у документації.

Рис. 6.

Приклад такого рішення MAX15500/15501,програмовані за інтерфейсом SPI формувачі аналогового струмового виходу чи виходу напруги. Вхідна напруга цих перетворювачів, зазвичай, береться з виходу зовнішнього ЦАП. Для MAX15500 діапазон вхідної напруги 0...4,096 В, а для MAX15501 - 0...2,5 В. Програмно доступні шість режимів роботи вихідного каскаду: ±10 В; 0…5; 0 ... 10 В; ±20 мА; 0...20 мА; 4...20 мА. Мікросхеми забезпечують захист від короткого замикання; визначення обриву лінії передачі; захист від перегріву та визначення падіння напруги нижче порогового.

MAX5661 - ЦАП з струмовим виходом

Найбільш інтегрований варіант перетворювача з струмовим виходом MAX5661.Це одноканальний 16-бітний ЦАП з прецизійним високовольтним підсилювачем, який організує закінчене рішення для перетворення цифрового сигналу від процесора в програмований струмовий вихід (0...20 мА або 4...20 мА) або в напругу промислового стандарту ±10 В.

Рис. 7.

Управління та передача даних у ЦАП здійснюється за чотирипровідним SPI-інтерфейсом. У мікросхемі передбачений вихід #FAULT, за допомогою якого можна діагностувати обрив струмової петлі або коротке замикання на виході напруги. Слід зазначити, що MAX5661 вимагає використання зовнішнього джерела опорної напруги 4,096 В. У документації наводиться список рекомендованих ультрапрецизійних ІОН, наприклад, MAX6341, MAX6133або MAX6033.Для швидкого освоєння всього функціоналу MAX5661 пропонується налагоджувальний набір. MAX5661EVCMAXQU+з інтерфейсом до ПК керувати ЦАП з допомогою графічного інтерфейсу (GUI).

MAX1452 - перетворювач сигналу датчика
у струмову петлю

Досі розглядали рішення, придатні перетворення сигналу від мікроконтролера чи ЦАП, тобто. передачі керуючих сигналів. Для отримання струмового сигналу з боку датчика Maxim пропонує мікросхему MAX1452,поєднує в собі аналогову частину з ОУ для формування інформаційного сигналу та цифрову схему, що забезпечує компенсацію температурного дрейфу, підстроювання зсуву нуля, а також програмований за допомогою PGA коефіцієнт передачі. Усі коефіцієнти підстроювання зберігаються у вбудованій EEPROM пам'яті обсягом 768 байт.

На малюнку 8 представлена схема включення MAX1452 з струмовим виходом 4...20 мА та живленням від струмової петлі. Для формування струму у петлі використовується транзистор 2N2222A.

Рис. 8.

HART-модем DS8500

HART ( Highway Addressable Remote Transducer Protocol) - цифровий промисловий протокол передачі даних, що дозволяє, як правило, здійснити налаштування датчика або отримати інформацію про його стан з використанням лінії, на якій організована аналогова струмова петля. Для передачі цифрових даних використовується FSK-модульований сигнал (модуляція перемикання частоти) поверх струмової петлі 4 ... 20 мА (рисунок 9). Такий спосіб реалізації дозволяє використовувати протокол HART у вже існуючих системах з аналоговим струмовим петлею.

Рис. 9.

Для організації фізичного рівня HART (модуляції та демодуляції) компанія Maxim пропонує мікросхему HART-модему DS8500,яка дозволяє здійснювати напівдуплексний режим приймання-передачі, при цьому "1" модулюється частотою 1,2 кГц, "0" - 2,2 кГц. Функціонально DS8500 складається з демодулятора, цифрового фільтра, АЦП, модулятора та ЦАП (рисунок 10).

Рис. 10.

Подібна архітектура (з наявністю цифрової фільтрації та ЦАП, що генерує чистий синусоїдальний сигнал із безперервним по фазі перемиканням між частотами) забезпечує надійний прийом сигналу в умовах перешкод.

Висновок

Компанія Maxim пропонує повний спектр рішень для організації передачі даних з використанням струмової петлі як від датчиків до центрального блоку управління, так і від цього блоку до виконавчих вузлів. Крім цього, для розширення функціоналу подібної промислової системи в лінійці Maxim присутні понад 300 різних мікросхем інтерфейсів RS-485/RS-232, CAN, LIN.