Как работает токовая петля 4-20 мА

«Токовая петля» начала применяться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позже, начиная с 1962 года, широкое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.

Дальнейшее распространение «токовой петли» стало замедляться начиная с 1983 года, с появлением интерфейсного стандарта RS-485, и на сегодняшний день «токовая петля» почти нигде в новом оборудовании как таковая не применяется.

Передатчик «токовой петли» отличается от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем используется источник тока, а не источник напряжения.

Ток, в отличие от напряжения, двигаясь из источника по цепи не меняет своего текущего значения в зависимости от параметров нагрузки. Вот почему «токовая петля» не чувствительна ни к сопротивлению кабеля, ни к сопротивлению нагрузки, ни даже к ЭДС индуктивной помехи.

Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.

Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.

По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.

Первый и главный недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в его низком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от упомянутого выше источника тока, расположенного на передающей стороне.

Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.

Ниже приведена графическая зависимость максимально доступной скорости передачи данных по «токовой петле» от длины применяемого кабеля при различных уровнях искажений (дрожания) и при разных напряжениях, оценка проводилась так же как для интерфейса RS-485.

Еще один недостаток «токовой петли» заключается в отсутствии определенного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже ограничивает практическое применение данного интерфейса. Но справедливости ради можно отметить, что фактически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется значительно реже.

Практически низкая скорость передачи данных по «токовой петле» любого типа (аналоговой или цифровой) позволяет использовать ее одновременно с несколькими приемниками соединенными последовательно, причем согласование длинной линии не потребуется.

Аналоговая версия «токовой петли»

Аналоговая «токовая петля» нашла применение в технике, где необходимо например передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Здесь токовая петля обеспечивает некоторые преимущества.

Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к стандартному диапазону позволяет изменять компоненты системы. Примечательна и возможность высокоточной (не более +-0,05% погрешности) передачи сигнала на значительное расстояние. Наконец, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.

Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.

Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.

Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и условий работы устройства, с которым применяется токовая петля.

Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.

Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.

Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.

Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.

Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.

Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.

В качестве примера передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством посредством протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.

Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.

Цифровая версия «токовой петли»

Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.

На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Гальваническое разделение сигналов 4…20 мА – узко и экономно

В статье рассматривается компактное и экономичное решение по гальваническому разделению сигналов 4…20 мА в системах измерения и управления.

Данная статья является продолжением серии публикаций в журнале ИСУП, посвященных нормирующим преобразователям сигналов температурных датчиков*, измерительным преобразователям напряжения и тока**, частоты***, мощности****. Статья «Преобразование подобного в подобное в системах измерения и управления» (ИСУП. 2012. № 1) была посвящена нормирующим преобразователям НПСИ-УНТ, которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе.

Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011. Стандарт устанавливает их допустимые диапазоны, а также вводит ограничения на величину сопротивлений источников и приемников этих сигналов. Если ряд отечественных унифицированных сигналов дополнить сигналами, которые широко используются иностранными производителями средств автоматизации, то получится обширное множество сигналов напряжения 0…1, 0…2,5, 0…5, 0…10, –1…1, –10…10 В и сигналов тока 0…5, 0…20, 4…20, –20…20 мА. Это означает, что в системе, вполне вероятно, будут присутствовать датчики и приборы с различными типами аналоговых сигналов. Они хоть и будут унифицированными, но будут разными. Это значит, что датчик не будет стыковаться со вторичным измерительным прибором, а управляющий прибор не сможет управлять исполнительным механизмом. В системах с десятками или даже тысячами сигналов такая ситуация возникает просто неизбежно. Особенно остро проблема стоит в тех случаях, когда ядром системы является контроллер измерительно-управляющей системы (ИУС), который в целях удешевления и унификации работает с одним типом унифицированного сигнала. В современных контроллерах таким сигналом чаще всего является ток 4…20 мА.

Картину взаимодействия контроллера, который работает с одним типом сигнала 4…20 мА, с самыми разнообразными датчиками и исполнительными устройствами иллюстрирует рис. 1. Задачу согласования устройств с различными типами сигналов как раз и призваны решать нормирующие преобразователи сигналов.

Рис. 1. Согласование сигналов в многоканальных измерительно-управляющих системах ИУС: под воздействием электромагнитных наводок удаленные приборы находятся под разными потенциалами

На рис. 1 показаны канал 3 на входе и канал 2 на выходе, в которых ни тип сигнала, ни его диапазон не изменяются, и тем не менее установлен нормирующий преобразователь. Дело в том, что в данных каналах нормирующие преобразователи решают еще одну задачу – гальваническое разделение цепей. Необходимость гальванического разделения возникает прежде всего в тех случаях, когда многоканальная измерительная система работает с неизолированными источниками сигналов, находящимися под разными потенциалами. Как известно, в промышленных условиях даже заземленные источники, но расположенные на некотором удалении друг от друга, находятся под разными потенциалами частотой 50 Гц, обусловленными электромагнитными наводками от силовых цепей (рис. 1). Гальваническая развязка решает эту проблему: она полностью устраняет влияние разности постоянных потенциалов и значительно подавляет переменные наводки частотой 50 Гц.

Кроме того, гальваническое разделение предохраняет измерительные цепи и от высокочастотных помех, которые вызваны короткими импульсами тока в силовых цепях. Такие импульсы возникают при работе сварочных аппаратов, индукторов, частотных преобразователей, тиристорных коммутаторов, а также при грозовых разрядах.

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 нормирующих преобразователей, обеспечивающих гальваническое разделение сигналов токовой петли 4…20 мА. 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

Преобразователи НПСИ-ГРТП 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 НПФ КонтрАвт, 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: НПСИ-ГРТП1, НПСИ-ГРТП2 и НПСИ-ГРТП4. 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. Преобразователи НПСИ-ГРТП 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.
____________________________
*Нормирующие преобразователи сигналов // ИСУП. 2010. № 3.
**Нормирующие преобразователи действующих значений напряжения и тока // ИСУП. 2012. № 3.
***Методы измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов // ИСУП. 2013. № 3.
****Измерительные преобразователи мощности нагрузки в однофазной сети // ИСУП. 2015. № 5.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 6(66)_2016

Источник

Аналоговые полевые интерфейсы: токовая петля 4-20 мА – от простого к сложному

Интерфейс токовая петля 4-20 мА – один из самых старых, и в то же время самых надежных и помехоустойчивых стандартов передачи информации на большие расстояния. Основным его применением являются промышленные системы автоматики. В последнее время, в связи с распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). О физических основах токовой петли, особенностях ее реализации и разновидностях интерфейса призвана напомнить эта статья.

Любая система управления помимо электроники и исполнительных устройств включает в себя набор интерфейсов, с помощью которых происходит сопряжение всех ее элементов в единое целое. Именно интерфейсы обеспечивают надежное функционирование оборудования в реальных, порой весьма жестких условиях. Анализ наиболее популярных аналоговых и цифровых способов обмена информацией с удаленными элементами показывает, что многие из них основаны на использовании токовой петли (Current Loop). Благодаря простоте, высокой помехозащищенности и ряду других положительных качеств, токовая петля, особенно интерфейс 4-20 мА, заслуженно стала одной из самых распространенных основ для передачи информации на большие расстояния.

Однако сегодня, во многом благодаря почтенному возрасту данного метода, истоки которого следует искать в технической литературе середины ХХ века, некоторые разработчики, особенно начинающие, не до конца понимают всех его особенностей, что приводит к появлению досадных ошибок при проектировании. Поэтому базовую информацию о данном методе передачи данных необходимо периодически обновлять, что и является целью этой статьи.

Почему ток, а не напряжение?

Как известно из школьного курса физики, режим работы участка электрической цепи (двухполюсника) определяется двумя основными параметрами: напряжением U – разностью потенциалов на его концах, и током I, протекающим через него (рисунок 1). В общем случае связь между значениями U и I может быть достаточно сложной, ведь она зависит от внутренней начинки двухполюсника, который может содержать все что угодно, в том числе и источники электрической энергии. Однако в простейшем случае, – для резистора с сопротивлением R, – эти два параметра связаны законом Ома: U = I × R.

Рис. 1. Основные соотношения для резистивного двухполюсника

Таким образом, при использовании на приемной стороне резистора в качестве датчика входного сигнала, теоретически нет никакой разницы между способами передачи сигнала – с помощью напряжения или с помощью тока, ведь эти два параметра взаимосвязаны. Более того, с технической точки зрения передавать информацию с помощью напряжения проще, чем с помощью тока, ведь большинство существующих источников электрической энергии является источниками напряжения, да и приборов, в том числе и полупроводниковых, способных контролировать или регулировать напряжение, намного больше. Кроме этого, система, передающая информацию с помощью напряжения при бесконечно большом сопротивлении измерительного элемента (R ⇒ ∞) практически не потребляет тока (I ⇒ 0). Это означает, что теоретически она может быть намного экономичней, ведь в этом случае мощность сигнала P, а следовательно, и затраты энергии на его передачу могут быть сколь угодно малыми (P = U × I ⇒ 0).

И действительно, вряд ли кто-то будет использовать токовую петлю для связи, например, двух микроконтроллеров, расположенных на одной плате в нескольких сантиметрах друг от друга. Однако когда речь заходит о расстояниях больше десяти метров или о передаче информации в сложной электромагнитной обстановке, основные недостатки токовой петли при работе на малых расстояниях превращаются в ее достоинства, и она становится одним из самых надежных и эффективных способов передачи информации.

Основным преимуществом токовой петли является высокая точность передачи информации. В реальной системе связи на величину напряжения сигнала на приемной стороне влияют физические параметры линии, в первую очередь – активное сопротивление ее проводников R_Л1 и R_Л2 (рисунок 2). Действительно, согласно второму закону Кирхгофа, сумма напряжений в замкнутом контуре должна быть равна нулю, поэтому напряжение U_ВЫХ, генерируемое передатчиком, равно сумме падений напряжений на сопротивлениях проводов линии связи U_Л1, U_Л2 и входном сопротивлении приемника U_ВХ. Это означает, что для точной передачи сигнала, особенно аналогового, с помощью напряжения необходимо каждый раз подстраивать систему под конкретную линию связи. Учитывая, что активные сопротивления проводников R_Л1 и R_Л2 физической линии зависят от многих факторов, в первую очередь от температуры, такую настройку необходимо проводить регулярно, в зависимости от времени суток и погодных условий.

Рис. 2. Системы связи на основе передачи напряжения и тока

В отличие от напряжения, величина которого отличается для каждого участка, ток во всех элементах неразветвленной электрической цепи одинаков. Это означает, что качество передаваемой информации (силу тока) можно контролировать не только на приемной, но и на передающей стороне, тем самым подстраиваясь под все изменения параметров линии. Таким образом, система передачи данных на основе токовой петли не требует каких либо дополнительных инструментов калибровки или автоподстройки под конкретную линию связи – эту функцию автоматически выполняет передатчик.

Влияние параметров линии связи в системе, передающей информацию с помощью напряжения, теоретически можно уменьшить, увеличив внутреннее сопротивление приемника (в идеальном случае R ⇒ ∞). В этом случае произойдет уменьшение тока в линии, а следовательно, и падение напряжения на сопротивлениях R_Л1 и R_Л2. Однако при работе с длинными линиями это приведет к ухудшению качества связи, поскольку кроме сигнала в системе существуют еще и помехи.

Рис. 3. Влияние помехи на различные системы связи

Это также можно объяснить иначе: в системе на основе передачи напряжения энергия помехи выделится на входе приемника, где она причинит максимальный вред, а в системе на основе передачи тока – на выходе передатчика, где эффект от ее воздействия будет минимальным. Действительно, поскольку падение напряжения на участке резистивной цепи пропорционально ее сопротивлению, энергия помехи должна выделиться на участке, имеющем максимальное сопротивление. В системе на основе передачи напряжения внутреннее сопротивление передатчика R_ПЕР (источника напряжения) должно быть как можно меньше, а приемника (вольтметра) – максимально большим (рисунок 3). В системе на основе передачи тока все наоборот: внутреннее сопротивление передатчика (источника тока) должно быть максимально большим, а приемника (амперметра) – минимальным. Таким образом, теоретически (и практически) системы связи на основе токовой петли имеют больший уровень помехозащищенности, чем системы связи на основе передачи напряжения.

Интерфейс 4-20 мА

В основе интерфейса 4-20 мА лежит токовая петля с рабочими значениями токов в диапазоне 4…20 мА. Изменение значения тока до значения менее 3,8 мА свидетельствует об обрыве линии, а выше 20,5 мА – о коротком замыкании. Таким образом, этот интерфейс позволяет контролировать целостность физических соединений в системе.

В общем случае логическое соответствие уровней тока может быть любым, однако традиционно малый уровень соответствует низкому уровню контролируемой величины, а большой – высокому. Так, например, выходной сигнал аналогового датчика, контролирующего уровень заполнения бака, равный 4 мА, будет соответствовать пустому баку, а 20 мА – полному. Если же бак будет заполнен наполовину, то датчик сформирует ток 12 мА (4 + (20 – 4)/2 = 12 мА). В цифровых двоичных системах ток, равный 4 мА, обычно соответствует уровню логического нуля, а 20 мА – логической единице.

Прототипом электрического интерфейса 4-20 мА является его пневматический аналог с уровнями давлений 3…15 фунтов на квадратный дюйм (0,2…1 бар). До широкого распространения электроники именно этот стандарт был доминирующим в промышленности. Именно в нем появился «смещенный ноль», когда низкий уровень сигнала отличался от нулевого значения. В свое время это было связано с тем, что, во-первых, давление меньше 0,2 бар было технически сложно обнаружить, а во-вторых – уменьшение давления ниже этой величины свидетельствовало о наличии повреждений.

По мере развития электроники, особенно в области микроконтроллеров, пневматические системы управления постепенно вытеснялись электронной автоматикой. Однако до сих пор выпускается множество устройств с пневматическими интерфейсами управления, например, регулирующая арматура для трубопроводов. Это связано с тем, что использование в них электрических приводов технически сложно или дорого. В этом случае используются специализированные преобразователи интерфейсов «токовая петля 4-20 мА» в «давление 3-15 фунтов на квадратный дюйм» (и наоборот), предназначенные для сопряжения электронной и пневматической частей системы управления (рисунок 4).

Рис. 4. Преобразователи электрического интерфейса «токовая петля 4-20 мА» в пневматический «3-15 фунтов на квадратный дюйм»

Основными преимуществами интерфейса 4-20 мА являются:

Все это привело к широкому распространению данного интерфейса на практике, особенно в промышленных системах, и поддержке большим количеством производителей, что является еще одним, пожалуй, самым главным его преимуществом.

Однако, как и любой другой интерфейс, токовая петля имеет ряд недостатков и ограничений, на которые следует обратить внимание при разработке. Основным из них является возможность передачи по одному кабелю только одного сигнала. При большом количестве устройств это может стать проблемой, поскольку кроме увеличения количества кабелей могут возникнуть нежелательные паразитные контуры в цепи заземления, что негативно скажется на помехоустойчивости системы. Также при большом количестве одновременно используемых интерфейсов необходимо уделять особое внимание качеству и состоянию кабелей, поскольку все преимущества токовой петли исчезают при нарушении изоляции передающих линий.

Еще одним недостатком токовой петли является относительно низкая (по сегодняшним меркам) скорость передачи информации, напрямую зависящая от длины линии. В отличие от систем на основе передачи напряжения, для которых скорость перезаряда паразитной емкости кабеля можно повысить, например, увеличением мощности передатчика (ведь его кратковременный максимальный выходной ток теоретически ничем не ограничен), выходной ток передатчика для токовой петли не должен превышать 20 мА. Пусть в системе связи используется типовой кабель с погонной емкостью, равной 75 пФ/м. В этом случае отрезок линии длиной 1 км будет иметь емкость 75 нФ. Пусть входное сопротивление приемника равно 250 Ом, что при выходном токе 20 мА обеспечивает напряжение на входе приемника 5 B. В этом случае для заряда паразитной емкости линии до такого напряжения потребуется около 18,5 мкс. Нетрудно подсчитать, что максимальная скорость передачи в этом случае не может превышать 54 кбит/с, и она будет пропорционально уменьшаться по мере увеличения длины кабеля. В реальных системах скорость передачи данных по интерфейсу 4-20 мА обычно не превышает 9600 кбит/с. Тем не менее, для большинства систем управления этого оказывается вполне достаточно.

Основные узлы интерфейса 4-20 мА

В идеальном случае для создания информационного сигнала следовало бы использовать специализированный управляемый генератор тока. Однако технически оказалось проще разделить функции электропитания и формирования сигнала и использовать в системе два отдельных узла: источник питания, обеспечивающий систему электрической энергией, и управляемый стабилизатор тока, выполняющий функцию генератора (передатчика) сигнала. Это позволило:

При таком подходе источник питания для приемопередающей части в общем случае может находиться в любой части системы: как в локальном, так и в удаленном оборудовании, а также подключаться в виде отдельного устройства непосредственно в разрыв кабеля линии связи (рисунок 5).

Рис. 5. Варианты построения системы связи на основе интерфейса 4-20 мА

Напряжение питания приемопередающей части зависит от падения напряжения в линии связи. Чем длиннее линия связи и чем тоньше провод, тем выше должен быть этот параметр. Для объектов, расположенных на значительном расстоянии, напряжение питания может достигать 120 В и более.

В целом напряжение источника питания должно быть приблизительно на 10% больше общего падения напряжения на всех элементах приемопередающего тракта при максимальном токе (20 мА). Если напряжение питания будет ниже, то из-за высокого сопротивления контура управляемый стабилизатор тока просто не сможет обеспечить нужный ток. Повышенное же значение этого параметра в худшем случае, например, при обрыве кабеля, может привести к выходу оборудования из строя.

Дистанционное питание удаленного оборудования

Поскольку падение напряжения в линии не влияет на качество передачи информации, то возникает вопрос: а можно ли его дополнительно увеличить, отобрав часть энергии сигнала для питания удаленного оборудования? Оказывается, в некоторых случаях это вполне возможно. Например, если на приемной стороне добавить в линию дополнительное сопротивление 500 Ом (рисунок 6), то при протекании тока на нем будет формироваться падение напряжения от 2 В (при токе 4 мА) до 10 В (при токе 20 мА), что вполне достаточно для питания маломощных измерительных узлов (в данном случае мощность при токе 4 мА будет равна 8 мВт). Очевидно, что введение дополнительного падения напряжения в линии должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением напряжения источника питания.

Рис. 6. Дистанционное питание удаленного датчика с помощью токовой петли

В большинстве случаев мощности сигнала, снимаемого с токовой петли интерфейса 4-20 мА, достаточно для питания большинства датчиков, например, датчиков температуры или влажности, положения ротора электродвигателя и других малопотребляющих устройств. Однако если разработчику необходимо удаленно питать устройства, содержащие более мощные приборы, например, реле или жидкокристаллический экран с LED-подсветкой, тогда необходимо использовать иные варианты: либо отдельный источник питания, либо другие разновидности интерфейса 4-20 мА.

Разновидности интерфейсов 4-20 мА

Все рассмотренные выше варианты использования интерфейса 4-20 мА относились к его двухпроводной версии, которая является самой простой и бюджетной. Как было сказано выше, единственным недостатком двухпроводного соединения является ограниченная мощность питания удаленного оборудования, связанная с конечным значением как максимального тока в линии (20 мА), так и максимального падения напряжения на приемной стороне.

Этот недостаток полностью устранен в четырехпроводной версии рассматриваемого интерфейса, в которой для питания удаленного оборудования используется отдельный узел, подключаемый с помощью отдельного электрического кабеля (рисунок 7). При таком подходе информационная часть системы оказывается полностью изолированной от всех остальных цепей (при условии, что передатчик и приемник интерфейса 4-20 мА тоже содержат соответствующие изолирующие компоненты), что обеспечивает наивысший уровень защиты от электромагнитных помех. Напряжение питания удаленного оборудования в общем случае может быть любым. Чаще всего используются постоянные (12, 24 или 48 В) или переменное (220 В, 50 Гц) напряжения, что позволяет использовать для этой цели стандартные шины и источники питания.

Рис. 7. Четырехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Очевидно, что такой вариант подключения является самым сложным и дорогим, однако он позволяет дистанционно питать оборудование теоретически любой мощности и передавать информацию с наивысшим уровнем помехозащищенности. Конечно, на практике реальная мощность подключаемого оборудования ограничена пропускной способностью электрического кабеля, да и к интерфейсу 4-20 мА, откровенно говоря, такой способ соединения относится лишь формально, ведь в данном случае речь идет фактически о двух параллельно работающих независимых системах: системе питания и системе передачи информации.

Незначительно упростить систему можно путем замены двух двухпроводных кабелей одним четырехпроводным. Однако этот вариант в большинстве случаев будет компромиссным, поскольку жилы проводников электрической части кабеля чаще всего должны иметь большее сечение, а при высоких питающих напряжениях – и большую прочность изоляции, по сравнению с проводами его информационной части. Да и вероятность ошибочного подключения оборудования при использовании четырехпроводного кабеля значительно возрастает.

Если позволяют технические условия, то можно использовать промежуточный – трехпроводный вариант интерфейса. Его потенциальные возможности (высокая мощность дистанционного подключаемого оборудования и уровень помехозащищенности) за счет отдельных линий питания и передачи информации аналогичны четырехпроводной версии, но, за счет исключения электрической изоляции между разными частями системы, эта версия интерфейса оказывается проще и бюджетней. Например, в трехпроводной версии интерфейса 4-20 мА приемопередающие узлы и все остальное оборудование можно питать от одного источника (рисунок 8).

Рис. 8. Трехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Таким образом, трех- и четырехпроводные версии 4-20 мА позволяют увеличить мощность дистанционно подключаемого оборудования, однако при этом возрастает как сложность, так и стоимость системы. Кроме этого, при использовании систем на опасных объектах увеличение уровня мощности, подаваемой к удаленному узлу, может вызвать проблемы с обеспечением требуемого уровня искро-, взрыво- и пожарной безопасности. Следует также отметить, что при использовании двухпроводной версии интерфейса 4-20 мА проблем с сертификацией оборудования для работы во взрывоопасных средах практически не возникает, то есть, на удаленное оборудование подается настолько мало энергии, что там даже нет условий для возникновения искры.

Стандарты и примеры применения токовой петли

За все время существования токовой петли было разработано несколько вариантов ее практического применения, которые получили достаточно широкое распространение. Изначально (в 50-х годах ХХ века) токовая петля с уровнями сигналов 0-60 мА использовалась в телеграфии, однако из-за недопустимо высокого (даже в то время) энергопотребления уже с начала 60-х годов максимальный уровень тока был уменьшен до 20 мА. На сегодняшний день 20 мА является предельным значением тока для большинства интерфейсов, хотя, в соответствии с ГОСТ 26.011-80, значение этой величины, по согласованию с заказчиком, может достигать 100 мА.

Токовая петля упоминается в ряде отечественных стандартов, например, ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84), ГОСТ 27696-88 или ГОСТ 28854-90 и зарубежных, например, IEC 62056-21/DIN 66258. Однако ни один из них не является спецификацией непосредственно токовой петли. Например, IEC 62056-21 стандартизирует протокол связи с электросчетчиками, ГОСТ 27696-88 – интерфейсы, применяемые в промышленных роботах, а ИРПС – интерфейс соединения компьютеров с периферийными устройствами (принтерами, телетайпами и прочим). Таким образом, большинство производителей использует уровни сигналов токовой петли, ставшие традиционными, хотя, уровни сигналов 4-20 мА (впрочем, как и 0-5 мА и 0-20 мА) непосредственно указаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

Пик популярности токовой петли пришелся на эпоху аналоговой телефонии, ведь именно этот способ связи использовался для соединения проводных телефонов с АТС. В телефонных системах необходимая дальность связи, достигающая нескольких десятков километров, обеспечивается использованием повышенного напряжения питания (24…125 В). Стандартная полоса частот при этом составляет 0,3…3,4 кГц, а максимальный ток в линии обычно не превышает 20 мА.

Токовая петля с уровнями 0-5 мА является физическим уровнем стандарта MIDI (Musical Instrument Digital Interface), широко используемого для обмена данными между электронными музыкальными инструментами. Это формат обеспечивает передачу данных со скоростью 31,25 кбит/с на небольшие расстояния (в пределах студии или концертной площадки).

Основным применением токовой петли с уровнями сигнала 4-20 мА являются промышленные системы автоматики, для которых необходима высокая надежность, поэтому в них и используется «смещенный ноль», чтобы своевременно обнаружить неисправность системы управления и принять надлежащие меры для предотвращения возникновения аварийной ситуации.

В последнее время, в связи с повсеместным распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). Проводная версия данного протокола фактически является надстройкой над аналоговым интерфейсом 4-20 мА и позволяет использовать одну и ту же линию связи для одновременной передачи и аналогового (при ограничении полосы до 25 Гц) и цифрового сигналов. Передача цифровых данных обеспечивается путем подмешивания в аналоговый сигнал высокочастотных несущих с амплитудой ±0,5 мА, модулированных по частоте (1200/2200 Гц) или фазе (3200 Гц). При использовании частотной модуляции пропускная способность цифрового канала равна 1200 бит/с, а фазовая модуляция, за счет использования 8-позиционной манипуляции, позволяет увеличить этот параметр до 9600 бит/с. На момент написания статьи последней является 7-я версия протокола (HART 7), описанная в документе HCF-SPEC-13. Некоторые фрагменты проводной версии данного интерфейса вошли в стандарт IEC 61158-CPF9, а беспроводной – в IEC 62591:2010.

Заключение

Почтенный возраст токовой петли вовсе не является причиной для ее забвения. Несмотря на то, что некоторые разработчики считают этот интерфейс отжившим свое, он, тем не менее, продолжает активно развиваться. А еще необходимо понимать, что принципы работы любой, даже самой современной системы связи остаются неизменными, поскольку они базируются на фундаментальных физических законах, корректировать которые человек пока еще не научился. Это означает, что каждый разработчик должен знать основы – физику явлений в системах передачи данных, поскольку в противном случае даже самое современное оборудование будет вести себя совершенно непредсказуемым образом. И наоборот – глубокое понимание тонкостей всех процессов, происходящих в системе, позволит принять правильное решение в любой, даже самой сложной ситуации.

Источник