Токовая петля

2019-10-08 Промышленное  Комментариев нет

Токовая петля представляет собой проводной интерфейс для передачи данных с помощью измеряемых значений электрического тока. Впервые токовая петля появилась еще в далеких 50-х, но до сих пор она не потеряла актуальность и широко используется в промышленном оборудовании — различных датчиках, исполнительных механизмах и т.д.

На сегодняшний день стандартом токового сигнала является диапазон 4-20 мА, он окончательно вытеснил другие стандарты, использующиеся ранее – 60 мА, 0-5 мА, 0-20 мА. В этом диапазоне току в 4 мА соответствует наименьшее значение сигнала (0), а току в 20 мА соответственно наибольшее значение (100%). Значение тока менее 4 мА означает обрыв цепи, в этом заключается основное преимущество сигнала 4-20 мА перед 0-20 мА. Ток более 20 мА свидетельствует о наличии короткого замыкания в линии. Таким образом осуществляется самодиагностика.

Интерфейс токая петля

В передатчике токовой петли используется источник тока. Ток, протекающий от передатчика к приемнику, не зависит от от сопротивления кабеля Rкабеля, сопротивления нагрузки Rн, индуктивной составляющей Eинд, от напряжения питания источника тока. Влиять может только емкостная наводка Eемк, которая приложена параллельно источнику тока и не может быть ослаблена. Поэтому для ее ослабления применяется экранированный кабель. В приемнике 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 500 Ом соответственно.

Приведу типичный пример использования данного интерфейса.

Нам необходимо измерить температуру с помощью датчика термосопротивления и передать значение контроллеру. По своему принципу работы датчик в зависимости от температуры изменяет свое сопротивление и это значение мы по идее можем напрямую передавать на ПЛК. Но такой способ далеко не всегда является оптимальным, а в ряде случаев даже неприемлемым.

В первую очередь это связано с тем, что на промышленных объектах приборы разнесены между собой на большие расстояния, что порождает ряд негативных факторов — электромагнитные помехи, которые могут искажать сигнал, сами кабели имеют сопротивление, емкости, индуктивности, что также вносит искажение, датчики могут находиться под разными потенциалами, что обусловлено электромагнитными наводками от силовых линий. Все это может привести к тому, что на контроллер будут приходить неточные значения от датчика.

Во вторых разнообразие различных датчиков, в том числе термосопротивлений, может привести к тому, что контроллер может просто не поддерживать данный тип, а вот унифицированный токовый сигнал 4-20 мА он поддерживать наверняка будет.

Поэтому зачастую наиболее предпочтительным способом передачи данных является использование нормирующих преобразователей, которые вначале преобразуют сигнал от датчика в унифицированный сигнал токовой петли 4-20 мА и затем уже передают его дальше. Такой способ передачи позволяет передавать сигнал без искажений, так как для токовой петли характерны:

  • высокая помехоустойчивость, так как ток протекающей в контуре не зависит от сопротивления нагрузки, сопротивления кабеля, э. д. с. индуктивной помехи, источника питания, падения напряжения.
  • высокая точность передачи информации. Ток в отличии от напряжения, величина которого может отличаться на разных участках цепи, всегда одинаков на всем протяжении электрической цепи. 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.

Нельзя не упомянуть и про недостатки данного интерфейса, на которые также следует обращать внимание. Это в первую очередь невысокая по сегодняшним меркам скорость передачи данных, по сравнению с более современными RS-232, RS-485, Ethernet, которая зависит от протяженности линии связи. Обычно она не превышает 9600 кбит/с, что впрочем вполне приемлемо для большинства систем.

Про максимальную длину линии сказать точно не могу, тут многое зависит от сопротивления линии и сопротивления приемника сигнала. По крайней мере при длине до 400м вполне возможна нормальная передача данных.

HART-протокол

В 80-х годах фирмой Rosemount был разработан HART протокол (Highway Addressable Remote Transduserвысокоскоростной адресный удаленный передатчик), как усовершенствование токовой петли. Он является своего рода надстройкой стандартного 4-20 мА, позволяющей передавать по одному проводу помимо аналогового еще и цифровой сигнал. По аналоговому передаются основная измеряемая величина и состояние линии связи, а цифровой несет в себе дополнительные параметры, такие как данные о процессе, тип датчика, настройки прибора, диагностическую информацию. При этом оба сигнала никак не влияют друг на друга.

Цифровой сигнал накладывается на аналоговый методом частотной модуляции, то есть аналоговый передается в диапазоне частот 0...10 Гц, а цифровой — 1200 Гц, соответствующий логической 1 и 2200 Гц, соответствующий логическому 0. В приемном устройстве с помощью фильтров высоких и низких частот они разделяются. Выбранные частоты для формирования сигнала HART соответствуют американскому стандарту BELL 202, который распространяется на телефонные каналы связи.

HART протокол

Снятие показаний и конфигурирование датчиков, использующих HART протокол, осуществляется с помощью HART-коммуникатора или HART-модема.

HART протокол построен по принципу master/slave, где мастером обычно выступают контроллеры, компьютеры, а в качестве ведомого ((slave) — полевые устройства. Ведомые устройства сами не начинают опрос, они только передают данные в ответ на запросы мастера. В HART сети могут быть два мастера, например контроллер и коммуникатор.

HART протокол

При этом коммуникаторы подключаются последовательно к каждой линии 4-20 мА, идущей от датчиков. В случае, если полевых устройств много, такой способ подключения неудобен, поэтому применяются HART мультиплексоры. В таком случае основная информация с датчиков идет по токовому выходу 4-20 мА, а конфигурация, настройка параметров, калибровка осуществляется либо по шине RS-485 либо по Ethernet HART мультиплексора. Далее эти данные могуть передаваться на контроллер, или на компьютер.

Таким образом можно сказать, что HART протокол является промежуточным вариантом при переходе с аналоговой системы управления процессами на полностью цифровую, но благодаря простоте внедрения в уже существующие установки, широкой поддержке большинством производителей автоматики, он еще длительное время будет использоваться как при модернизации систем автоматизации, так и при внедрении новых.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Комментарии

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>