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.
____________________________

Один из интерфейсов промышленной автоматики — токовая петля 4-20мА, используется для передачи данных от измерительных преобразователей контроллерам. В интерфейсе идёт представление аналогового сигнала: 0мА — обрыв, 4мА — минимальный уровень сигнала, 20мА — максимальный уровень сигнала. Выпускается множество промышленных датчиков с интерфейсом токовой петли 4-20мА.

В статье предлагаю ознакомиться с преобразователем аналогового сигнала 0-5В (можно пересчитать и на другие диапазоны) в аналоговый сигнал 4-20мА — микросхемой xtr115.

Микросхема универсальная: к ней можно подключать резистивную нагрузку, источники напряжения 0-5В, с пересчётом и другие диапазоны, с добавлением одного операционного усилителя измерительный мост, выход микроконтроллера с аналоговым сигналом (ЦАП) или ШИМ сигналом пропущенным через фильтр.

Входной сигнал подаваемый на Iin (вывод 2) контролирует выходной ток управля транзистором Q1. Вход питания (+) линии 4-20 подключается к V+ (вывод 7), выход Io (вывод 4). Схема имеет встроенные стабилизаторы на 5В Vreg (вывод 8) и 2,5В(xtr115) или 4,096В (xtr116) Vref (вывод 1), которые можно использовать для питания внешних схем, при его использовании нужно учесть: что максимальный ток, который можно снять со стабилизатора не должен превышать 3,7мА (микросхема потребляет около 200мкА, а минимальный уровень интерфейса 4-20 — 4мА), так же весь отдаваемый ток микросхемой со всех её выводов должен вернуться на вывод Iret. Напряжение с вывода Vref можно использовать для смещения входного сигнала, поступаемого на вход Iin, для получения минимального уровня тока 4мА на интерфейсе 4-20. Ток протекающий через Iin (вывод 2) 100 кратно увеличивается протекает через Io (вывод 4), Io=100*Iin .

Рассмотрим схему включения преобразователя xtr115u с аналоговым входом 0-5В.

Основой преобразователя выступает микросхема xtr115. Транзистор Q1 должен быть мощностью не менее 0,8Вт, напряжением 40В и током 20мА, например MMBT2222A, BC817, но лучше взять что-нибудь по мощнее. Конденсатор C2 сглаживает пульсации на линии 4-20, резистор R3 ограничивает максимальный протекаемый ток, на нём может выделяться до 0,1Вт, рекомендуется типоразмер 1206. По входу конденсатор C1 выступает в роли входного фильтра. Резистор R1 ограничивает протекание входного тока на вход Iin для 5В на 160мкА, что соответствует 16мА на выходе Io, расчётное значение R1 31,25кОм. Резистор R2 номиналом в 62,5кОм устанавливает смещение 4мА на выходе Io (вывод 4), для этого с вывода источника опорного напряжения Vref на вход сигнала Iin должен протекать ток 40мкА. Протекание тока через резистор смещения R2 в 40мкА и протекание тока через резистор R1 ограниченного на 160мкА даёт на входе Iin диапазон от 40 до 200мкА, микросхема умножает это значение на 100 и на выходе Iout диапазон протекаемого тока 4-20мА.

Внимание! дополнение к схеме. Транзистора в корпусе sot23 не подходят для данной схемы, их можно применять только на малых напряжениях до 15В и наличии токоограничивающего резистора (R3). Максимальное тепловыделение на транзисторе может достигать 0.8Вт, а это уже корпуса D-PACK, при меньшем напряжении с натяжкой sot-223. На резисторе R3 может выделяться мощность около 0.1Вт, оптимальный типоразмер 1206.
Плата приведенная в статье проектировалась для знакомства с данной микросхемой и работает при напряжениях на токовом интерфейсе ниже 15В, кратковременно проверялась на 30В.

Внутреннее устройство преобразователя.

Для облегчения подбора резисторов R1 и R2 и для добавления установки/калибровки минимального и максимального значения номиналы резисторов были снижены до более распространенного номинала из таблицы E и к ним были добавлены подстроечные многооборотные резисторы.

R3 — установка нуля, подстройка 4мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к общему проводу. R1 — установка максимального значения, подстройка 20мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к VDD 5V.

Печатная плата имеет следующий вид:

Микросхема преобразователя xtr115 в корпусе SO8, транзистор в корпусе sot-23 (транзистор подобран без запаса по мощности, лучше выбрать в более большом корпусе с лучшим рассеиванием тепла). Все резисторы и конденсаторы в корпусе 0805. Резистор R2 номиналом в 30К разбит на 2: 10К и 20К. Подстроечные резисторы R1 и R3 многооборотные в корпусе 3296W. Разъём X1 выполнен в виде PLS-3R, квадратный вывод — GND, клеммник X2 — 350-021-14 имеет шаг 3,5мм.

Примеры использования интерфейса токовой петли 4-20мА xtr115:

Самое простое, что можно подключить к преобразователю — это переменный резистор (R1, на схеме с примерами выше) сопротивлением от 3,3кОм или датчик с изменяемым выходным сопротивлением.

Так же к xtr115 можно подключить выход микроконтроллера ЦАП или ШИМ через фильтр (П-образный фильтр на C1, R2, C2, на схеме выше), который выровняет ШИМ сигнал контроллера в аналоговый сигнал, что бы его можно будет подать на вход Vin преобразователя. Не стоит забывать про уровни: выходной сигнал микроконтроллера должен перекрывать весь рабочий диапазон преобразователя (4-20мА), для этого напряжение питания микроконтроллера должно быть то же 5В, как и у преобразователя, или придётся ставить дополнительные согласующие элементы.

К преобразователю так же можно подключить готовые датчики с изменяемым на выходе напряжением. Например: линейный датчик температуры LM35 (U1, см. на схеме выше), для работы которого понадобиться только резистор подтяжки R3 номиналом в 2кОм, которым можно подтянутся к встроенному в xtr115 стабилизатору напряжения 5В. Такое решение будет допустимо только для датчиков с небольшим потребляемым током, до 3,7мА, если больше они своим потреблением внесут искажения в работу интерфейса 4-20мА, для таких задач придётся использовать внешний источник питания.

Благодаря устойчивости к электромагнитным помехам, создаваемым электромоторами, контакторами, реле и другими источниками, управляющие токовые петли, особенно, популярная петля 4-20 мА, применяются во многих промышленных приложениях. У стандартных технологических контроллеров часто есть выходы 4-20 мА (иногда 0-20 мА), используемые для управления скоростью, давлением, температурой и другими параметрами в системах с замкнутым контуром регулирования.

Сделать схему приемника сигнала 4-20 мА не очень сложно. Существует несколько доступных компонентов, разработанных специально для этой цели. Однако цена этих компонентов, приобретаемых в небольших количествах, оказалась несколько выше, чем я ожидал (свыше $10).

В поисках более дешевой альтернативы я обнаружил выпускаемую микросхему . Это исключительно универсальный дифференциальный усилитель с единичным усилением и широким диапазоном напряжений питания. Используя сдвоенную версию усилителя (INA2134) и совсем немного точных резисторов, я сделал схему приемника 4-20 мА, которая стоит меньше $2.60.

Схема на Рисунке 1 моделировалась в MultiSim 8 с использованием микросхемы INA134. (Переназначение выводов для INA2134 никаких трудностей не вызывает). Моделирование выполнялось для источника переменного тока со средним значением 12 мА, изменяющегося с частотой 10 Гц, пиковая амплитуда которого 8 мА обеспечивала размах выходного сигнала от 4 мА до 20 мА. Здесь можно использовать любое разумное значение частоты, но в типичных системах петля 4-20 мА обычно управляет медленными процессами.

Одна из секций INA2134 используется для смещения выходного напряжения. Показанные на схеме однопроцентные резисторы и прецизионные внутренние резисторы с лазерной подгонкой микросхемы INA2134 обеспечивают достаточно точное смещение +2 В. Схема работает от одного источника питания 24 В, и это смещение ей необходимо, чтобы выходное напряжение не опускалось слишком близко к шине земли. (В технической документации указано, что выходное напряжение должно быть на 2 В выше напряжения отрицательной шины питания и на 2 В ниже напряжения положительной шины).

На резисторе 150 Ом с допуском 1%, включенном между входами усилителя, падает 0.6 В при токе 4 мА и 3 В при токе 20 мА. С учетом смещения 2 В это дает диапазон выходных напряжений то 2.6 В до 5 В (Рисунок 2). В моем устройстве это напряжение оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Выход АЦП подключен к небольшому микроконтроллеру, управляющему процессом преобразования.

Обратите внимание, что при изменении входного тока от 0 мА до 20 мА выходное напряжение меняется в диапазоне от 2.0 В до 5.0 В. Простой заменой резисторов разработчики могут выбрать другой выходной диапазон, подходящий для конкретного приложения. Напряжение источника питания можно увеличить до 36 В. В случае двуполярного питания (до ±18 В) смещение не требуется, и в схеме можно использовать одиночный усилитель INA134 с одним входным резистором, благодаря чему ее стоимость становится меньше $1.60.

И з предыдущих разделов ясно, что не подвергнутые обработке сигналы от весьма разнообразны и диапазон их изменения простирается от нескольких милливольт (для термопары) до более чем сотни вольт для тахогенератора. Кроме того, они могут быть вызваны изменениями напряжения постоянного тока, переменного тока или даже сопротивления. Поэтому совершенно очевидно, что если аналоговые входные платы лишь в диапазоне сигналов, то необходимо использовать некоторую .

В происхождение входного сигнала можно представить так, как показано на рис. 4.13. Первичный сигнал от датчика на месте преобразуется в стандартный сигнал , а совокупность датчика и этого устройства называется передатчиком или . После этого стандартизированный сигнал, несущий информацию об измеряемой переменной , может быть подан на обычную аналоговую входную плату.

Возникает естественный вопрос: каким должен быть этот стандартизированный сигнал? Аналоговые сигналы - это сигналы низкого уровня и поэтому подвержены помехам (или шумам, как их чаще всего называют). Сигнал, представленный электрическим током, менее подвержен влиянию шумов, чем сигнал, представленный напряжением, поэтому обычно выбирается токовый контур. Преобразователь и принимающее устройство соединяются по схеме, изображенной на рис. 4.14, причем токовый сигнал на приемной стороне преобразуется в напряжение при помощи балластного резистора. Токовый контур можно использовать с несколькими приемными устройствами (это могут быть, например, измерительный прибор, диаграммный самописец или вход ПЛК), соединенными последовательно.

Самый распространенный стандарт представляет аналоговый сигнал в виде тока с диапазоном изменения 4-20 мА, где 4мА минимальному уровню сигнала, а 20 мА - максимальному. Если, например, преобразователь давления дает сигнал 4-20 мА, представляющий давление в диапазоне 0-10 бар, то давлению 8 бар будет соответствовать тока 8 х (20 - 4)/10 + 4 = 16.8 мА. Сигнал 4-20 мА часто с помощью балластного резистора величиной 250 Ом преобразуется в сигнал 1 -5 В.

«Нулевой» сигнал 4 мА (называемый смещением) предназначен для двух целей. Во-первых, он используется как от повреждений преобразователя или кабельного шнура. Если происходит преобразователя или обрыв шнура или же в линии связи возникает короткое замыкание, то ток через балластный резистор будет равен нулю, что соответствует «отрицательному» сигналу 0 В на приемной стороне. Это может быть очень легко обнаружено и использовано как аварийный сигнал «неисправность преобразователя».

Ток смещения 4 мА также упрощает компоновку . На рис. 4.14 предполагалось, что преобразователь имел местный ис-

Рис. 4.15. Двухпроводным преобразователь 4-20 мА

точник питания и обеспечивал токовый сигнал. Подобная компоновка возможна, но более распространенной (и более простой) является схема, изображенная на рис. 4.15. Здесь источник питания (обычно 24-30 В постоянного тока) помещается на стороне приемного устройства, а сигнальные линии служат как для питания преобразователя, так и для передачи тока. Преобразователь отбирает от источника питания ток в диапазоне 4-20 мА в соответствии с измеряемым сигналом. Этот ток, как и раньше, преобразуется в напряжение с помощью балластного резистора.

Смещение в 4 мА обеспечивает ток, необходимый преобразователю для его нормальной работы. Очевидно, этого нельзя добиться, если диапазон сигнала будет составлять 0-20 мА. Преобразователи, включаемые по схеме рис. 4.15, обычно называются двухпроводными.

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: