Преимущества использования унифицированного токового сигнала 4 — 20 мА в цепях управления

Несмотря на развитие беспроводных сетей для связи между центральным устройством и периферией в системах автоматики и телемеханики, традиционные интерфейсы широко применяются, и ещё долго будут применяться в подобных устройствах. В этой области уже несколько десятилетий используется интерфейс типа «токовая петля», снискавший популярность благодаря простоте и надежности.

Как работает токовая петля 4…20 мА

Работает токовая петля следующим образом. Сигнал кодируется в виде аналогового сигнала, минимальное значение которого составляет 4 мА, а максимальное – 20 мА. Например, есть датчик для измерения температуры воды. Температуре 0 градусов соответствует уровень 4 мА, а 100 градусов – 20 мА. Тогда промежуточные значения будут лежать в этом диапазоне. Например, 50 градусам будет соответствовать ток 12 мА. Центральное устройство (ЦУ) на приёмной стороне измеряет ток и обрабатывает принятое входное от датчиков значение.

Другой вариант – когда с центральным устройством связан не датчик, а исполнительный механизм (актуатор). Это может быть позиционер клапана, дроссельная заслонка и т.п. Актуатор служит приёмником, а центральное устройство – передатчиком. Генерируя выходной сигнал от 4 до 20 мА, ЦУ управляет положением исполнительного механизма.

Чаще всего уровень тока в 4 мА принят за нулевой, а 20 мА — за полный диапазон. Например, если датчик положения пневматического клапана выдаёт сигнал в 4 мА, обычно, это означает, что клапан полностью закрыт, а если 20 мА – то полностью открыт. При промежуточных значениях, соответственно, клапан принимает соответствующие промежуточные значения. Но нет никаких ограничений, чтобы сделать наоборот – вопрос только в обработке сигнала на приёмной стороне. Если сигнал дискретный, то за уровень логического нуля обычно принимают 4 мА, а за единицу – 20 мА (но можно и наоборот).

На первый взгляд, здесь присутствует усложнение. Зачем преобразовывать напряжение в ток, а потом обратно, если можно сразу подать сигнал напряжения, например, в пределах 0…5 вольт, и на приемной стороне также обойтись без дополнительного преобразования? При малом (например, в несколько сантиметров) расстоянии между приёмником и передатчиком, это действительно так. При увеличении расстояния у токовой схемы есть серьёзное преимущество.

Потери напряжения в линии

При подаче сигнала, кодируемого уровнем напряжения, часть напряжения упадёт на проводах соединительной линии. Приемной части «достанется» лишь оставшаяся часть. Это сузит диапазон измерения или регулирования, но главное – такая линия требует калибровки, причём не только во время пусконаладки, но и в процессе эксплуатации. Ведь сопротивление линии со временем может измениться (например, из-за окисления клеммных контактов).

Преобразователь сигнала в ток «подстраивается» под сопротивление линии, сохраняя ток стабильным при неизменном задающем сигнале (конечно, в определенных пределах). Кроме того, значение тока не зависит от входного сопротивления приёмной части (тоже в определенных пределах). Это свойство позволяет в теории делать линию связи бесконечной, лишь следя за тем, чтобы ее сопротивление не вышло за определенную границу.

Ещё одним преимуществом такого интерфейса является его высокая помехозащищённость. В нормальном режиме в одном проводе линии связи ток течёт к приёмнику, а в другом – к передатчику (в разные стороны). Помеха же наводит ЭДС сразу в двух проводах (является синфазной), поэтому токовая петля поглощает такой всплеск без искажения сигнала. Этому же способствует низкое входное сопротивление приёмника.

И ещё один плюс токовой петли – врождённая возможность самодиагностики линии связи. Если ток в цепи упал ниже 4 мА, скорее всего, произошел обрыв измерительной линии. Если превысил 20 мА – есть повод подозревать в цепи короткое замыкание.

Существуют конечно, и недостатки. Главный из них – возможность передачи по одному каналу только одного сигнала. Это заставляет использовать для передачи большого количества сигналов кабели с большим количеством жил, что ведёт к снижению помехоустойчивости. Другой врожденный минус – низкая скорость передачи данных, связанная с наличием собственной ёмкости линии связи, которая с ростом длины линии будет увеличиваться (стандарт разрабатывался в 50-х годах прошлого века, тогда это не имело значения).

Интересно, что наряду с токовой петлей 4…20 мА существовал стандарт, в котором наибольший ток мог достигать 60 мА (использовался для телетайпных линий связи). Но это требовало применения более мощных источников питания, поэтому соображения экономичности взяли верх, и этот стандарт потихоньку прекратил своё существование. Также применялся стандарт в 40 мА, но и он сошел со сцены. При этом не существует никаких принципиальных ограничений на применение любого другого значения максимального тока в линии.

Аналоговый вход (AI)

На входе приёмной части установлен преобразователь входного тока в напряжение, например, искробезопасный барьер. Обычно это просто резистор определенного сопротивления. В большинстве случаев его номинал равен 250 Ом. При токе в 4 мА на нём падает напряжение в 1 вольт, а при токе в 20 мА – 5 вольт, что довольно удобно для дальнейших преобразований.

Если выбрать в качестве входных резисторы 125 или 500 Ом, можно получить уровни напряжения 0,5…2,5 или 2…10 вольт. Измеряется входное напряжение обычно с помощью операционного усилителя – резистор подключается между инвертирующим и неинвертирующим входами, а дальше разность напряжений можно масштабировать так, как необходимо и преобразовать в цифровой вид.

Схема аналогового входа токовой петли

Если приёмником служит периферийное устройство (актуатор), то, в зависимости от входного тока, изменяется положение задвижки, частота вращения электродвигателя, степень открытия пневматических клапанов и происходят другие действия с исполнительными механизмами. Если же приёмником служит центральное устройство, например, контроллер, он обрабатывает сигнал датчика (о положении заслонки, о температуре или давлении, о скорости вращения вала и т.п) и предпринимает действия, заложенные в алгоритме.

Аналоговый выход (AO)

В настоящее время передающая часть токовой петли строится на интегральных преобразователях, выполняемых в виде одной микросхемы. Таков, например, преобразователь MAX12900. Эта микросхема разработана для работы под управлением микроконтроллера путем использования широтно-импульсной модуляции. ШИМ-сигнал с контроллера обрабатывается микросхемой и преобразуется в напряжение. Для конвертации напряжения в ток необходимы внешние транзисторы. Такое решение применяется на стороне передатчика, если им служит центральное устройство (компьютер).

Если передатчиком служит датчик (температуры, оборотов двигателя, давления, расхода, уровня и т.д.), то такое решение часто является излишним. В этом случае бывает рациональнее построить передающую часть на дискретных элементах. Сигнал с датчика преобразовывается в напряжение, которое затем конвертируется в ток с помощью операционного усилителя.

С появлением в 80-х годах прошлого столетия интерфейса RS-485 и общей тенденцией перехода на цифровые линии связи, популярность токовой петли стала падать. Тем не менее, она не сошла со сцены, применяется в новых разработках, под неё выпускаются электронные компоненты и готовые устройства. В современных системах автоматизации на промышленных объектах сигнал 4…20 мА применяется достаточно широко для приёма данных от датчиков и управления исполнительными механизмами или задания частоты вращения для частотного привода.

Обзор современных протоколов промышленной автоматизации — Modbus, Profinet, EtherCAT и др.

Чем отличаются аналоговый сигнал от цифрового — примеры использования

Что такое петля фаза-ноль простым языком — методика проведения измерения

Что такое оптрон, как работает, основные характеристики и где применяется

Какие провода бывают — все разновидности кабелей и проводов

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт