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.
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.
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.
Похожие статьи:
Загрузка...