Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики. Сигналы и стандарты Получить выходной сигнал 4.20 ма

Токовая петля — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. Как правило, система с использованием токовой петли включает в себя датчик (давления, температуры, газов и т.п.), передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или микроконтроллер (рисунок 1).

Рис. 1.

На выходе датчика формируется напряжение, пропорциональное измеряемому параметру. Передатчик (усилитель тока, управляемый напряжением) преобразует напряжение от датчика в соответствующий ток от 4 до 20 мА. На другом конце линии приемник (усилитель напряжения, управляемый током) преобразует ток 4…20 мА обратно в напряжение. Аналого-цифровой преобразователь оцифровывает выходное напряжение приемника для последующей обработки процессором или микроконтроллером.

В системах с интерфейсом токовой петли информация передается с помощью модулированного сигналом тока. В токовой петле 4…20 мА, наименьшее значение сигнала соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом, весь диапазон допустимых значений составляет 16 мА. В петле постоянно поддерживается ток 4 мА, поэтому при более низкой величине тока обнаруживается обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.

Как правило, в системах промышленной автоматики датчики удалены на большие расстояния от центрального управляющего узла, поэтому токовая петля до сих пор не утратила свою актуальность, поскольку является наиболее помехоустойчивым аналоговым интерфейсом, особенно — по сравнению с методами передачи данных напряжением. Более полноценная система, включающая в себя вторую токовую петлю (например, для управления приводом), продемонстрирована на рисунке 2.

Рис. 2.

Опираясь на эту схему, рассмотрим решения, которые предлагает компания Maxim для ее реализации.

Операционный усилитель
в качестве преобразователя напряжение-ток

На рисунке 3 представлена простая реализация преобразователя «напряжение-ток» с использованием операционного усилителя (ОУ) MAX9943. Данный ОУ при напряжении питания ±15 В обеспечивает выходной ток более ±20 мА, а также стабилен при емкостной нагрузке до 1 нФ, что делает его весьма подходящим для использования в длинной линии передачи. Для работы в диапазоне выходного тока 0…20 мА возможно однополярное питание усилителя, поскольку MAX9943 обеспечивает размах выходного напряжения, равный напряжению питания (rail-to-rail output ).

Рис. 3.

В данной схеме зависимость между входным напряжением и током на нагрузке описывается выражением: V IN = (R2/R1) ґ R SENSE ґ I LOAD + V REF . Типовое значение нагрузочного сопротивления может составлять несколько кОм, В этом примере: R1 = 1 кОм; R2 = 10 кОм; R SENSE = 12,5 Ом; R LOAD = 600 Ом.

Для преобразования входного напряжения ±2,5 В в ток ±20 мА опорное напряжение V REF должно быть равно 0 В. Чтобы получить токовый выход 4…20 мА из входного напряжения 0…2,5 В, необходимо задать смещение для постоянного присутствия в линии тока 4 мА. При V REF = -0,25 В входное напряжение 0…2,5 В преобразуется в выходной ток 2…22 мА. Обычно разработчики выбирают немного расширенный динамический диапазон для возможности последующей программной калибровки. Зависимости входного напряжения и выходного тока показаны на рисунках 4 и 5.

Рис. 4. Зависимость I LOAD от V IN для выхода ±20 мА

Рис. 5. Зависимость I LOAD от V IN для выхода 4-20мА

MAX15500 и MAX15501 — формирователи сигнала токовой петли

Схема на рисунке 3 с использованием операционных усилителей — это простая реализация токовой петли, которая вызывает сложности при калибровке, а также большую погрешность при передаче сигналов в реальных условиях эксплуатации. На практике, для реализации преобразователя «напряжение-ток» целесообразно использовать однокристальные решения, технические параметры которых жестко описаны в документации.

Рис. 6.

Пример подобного решения — MAX15500/15501, программируемые по интерфейсу SPI формирователи аналогового токового выхода или выхода напряжения. Входное напряжение для этих преобразователей, как правило, берется с выхода внешнего ЦАП. Для MAX15500 диапазон входного напряжения 0…4,096 В, а для MAX15501 — 0…2,5 В. Программно доступны шесть режимов работы выходного каскада: ±10 В; 0…5 В; 0…10 В; ±20 мА; 0…20 мА; 4…20 мА. Микросхемы обеспечивают защиту от короткого замыкания; определение обрыва в линии передачи; защиту от перегрева и определение падения питающего напряжения ниже порогового.

MAX5661 — ЦАП с токовым выходом

Наиболее интегрированный вариант преобразователя с токовым выходом — MAX5661. Это одноканальный 16-битный ЦАП с прецизионным высоковольтным усилителем, который организует законченное решение для преобразования цифрового сигнала от процессора в программируемый токовый выход (0…20 мА или 4…20 мА) или в напряжение промышленного стандарта ±10 В.

Рис. 7.

Управление и передача данных в ЦАП осуществляется по четырехпроводному SPI-интерфейсу. В микросхеме предусмотрен выход #FAULT, с помощью которого можно диагностировать обрыв в токовой петле или короткое замыкание на выходе напряжения. Следует отметить, что MAX5661 требует использования внешнего источника опорного напряжения 4,096 В. В документации приводится список рекомендуемых ультрапрецизионных ИОН, например, MAX6341, MAX6133 или MAX6033. Для быстрого освоения всего функционала MAX5661 предлагается отладочный набор MAX5661EVCMAXQU+ с интерфейсом к ПК для управления ЦАП с помощью графического интерфейса (GUI).

MAX1452 — преобразователь сигнала датчика
в токовую петлю

До сих пор мы рассматривали решения, подходящие для преобразования сигнала от микроконтроллера или ЦАП, т.е. для передачи управляющих сигналов. Для получения токового сигнала со стороны датчика Maxim предлагает микросхему MAX1452, сочетающую в себе аналоговую часть с ОУ для формирования информационного сигнала и цифровую схему, обеспечивающую компенсацию температурного дрейфа, подстройку сдвига нуля, а также программируемый с помощью PGA коэффициент передачи. Все коэффициенты подстройки хранятся во встроенной EEPROM-памяти объемом 768 байт.

На рисунке 8 представлена схема включения MAX1452 с токовым выходом 4…20 мА и питанием от токовой петли. Для формирования тока в петле используется транзистор 2N2222A.

Рис. 8.

HART-модем DS8500

HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol ) — цифровой промышленный протокол передачи данных, позволяющий, как правило, осуществить настройку датчика или получить информацию о его состоянии с использованием линии, на которой организована аналоговая токовая петля. Для передачи цифровых данных используется FSK-модулированный сигнал (модуляция переключением частоты) поверх токовой петли 4…20 мА (рисунок 9). Такой способ реализации позволяет использовать протокол HART в уже существующих системах с аналоговой токовой петлей.

Рис. 9.

Для организации физического уровня HART (модуляции и демодуляции) компания Maxim предлагает микросхему HART-модема DS8500, которая позволяет осуществлять полудуплексный режим приема-передачи, при этом «1» модулируется частотой 1,2 кГц, «0» — 2,2 кГц. Функционально DS8500 состоит из демодулятора, цифрового фильтра, АЦП, модулятора и ЦАП (рисунок 10).

Рис. 10.

Подобная архитектура (с наличием цифровой фильтрации и ЦАП, который генерирует чистый синусоидальный сигнал с непрерывным по фазе переключением между частотами) обеспечивает надежный прием сигнала в условиях помех.

Заключение

Компания Maxim предлагает полный спектр решений для организации передачи данных с использованием токовой петли как от датчиков до центрального управляющего блока, так и от этого блока до исполнительных узлов. Помимо этого, для расширения функционала подобной промышленной системы в линейке Maxim присутствуют более 300 различных микросхем интерфейсов RS-485/RS-232, CAN, LIN.

Литература

1. "How to use highvoltage and highcurrent-drive opamps in 4-20 mA current-loop systems", Maurizio Gavardoni, Maxim Engineering Journal №68

2. «Аналоговая токовая петля — решения от компании Maxim», Анатолий Андрусевич, «Компоненты и технологии» №8 2009

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.
____________________________

]; 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

Нижний Новгород

Почему именно сигнал 4…20 мА?

Характеристики преобразователей токовой петли 4…20 мА

Рис. 3. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к активному источнику

Рис. 5. Применение одноканальных и двухканальных преобразователей для размножения сигнала «1 в 2»

Рис. 6. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.

Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.

Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.

В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!

Унифицированные аналоговые сигналы

С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).

Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.

В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.

Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В

При использовании этого типа сигнала для получения информации с датчика весь его (датчика) диапазон делится на диапазон напряжения 0-10 В. Например, датчик температуры имеет диапазоны -10…+70 °С. Тогда при -10 °С на выходе датчика будет 0 В, а при +70 °С — 10 В. Все промежуточные значения находятся из пропорции.

Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.

Управление сигналом 0-10 В

С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.

Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.

Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.

«Токовая петля»: унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА

Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.

По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:

Во-первых, токовый сигнал можно передать на большие расстояния в сравнении с сигналом 0-10 В, в котором происходит падение напряжения на длинной линии, обусловленное сопротивлением проводников.
Во-вторых, легко диагностировать обрыв линии, т.к. рабочий диапазон сигнала начинается от 4 мА. Поэтому если на входе 0 мА — значит на линии обрыв.

Управление сигналом 4-20 мА

Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.

Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.

Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.

Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА

Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.

На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.

При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.

Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.

Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем: