Интерфейсы токовой петли. Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики Мультиплексор токовых сигналов 4 20

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.
____________________________

Нижний Новгород

Почему именно сигнал 4…20 мА?

Характеристики преобразователей токовой петли 4…20 мА

Рис. 3. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к активному источнику

Рис. 5. Применение одноканальных и двухканальных преобразователей для размножения сигнала «1 в 2»

Рис. 6. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

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:

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.

Датчики тока (преобразователи) предназначены для бесконтактного контроля тока в электрических цепях с номинальным напряжением до 660 В. Датчик преобразовывает входной сигнал переменного тока в выходной сигнал постоянного тока 4-20мА или 0-20мА или 0-10в, который можно направить на универсальные измерительные приборы или контроллеры управления.

Датчики герметизированы и могут устанавливаться в любом месте, включая скрытые и труднодоступные места. Не ремонтируются и не требуют обслуживания, содержат встроенный трансформатор тока и универсальную платформу «Айюми», разработанную специально для применения с выпускаемыми нами измерительными трансформаторами и состоящую из прецизионного выпрямителя на ОУ, интегрирующей цепи (постоянная времени 0.6-0.8сек) и формирователя выходного аналогового сигнала.

Номинальное напряжение питания датчиков составляет 24в(ДС), работоспособность полностью сохраняется в диапазоне напряжений 20-28в. Датчики малочувствительны к пульсациям и нестабильности питающих напряжений. Рабочий диапазон температур -40...+85 град С. В настоящее время для заказа доступны датчики:

ТП03С (фото 2)на номинальные токи от 1 до 90А с отв. 11мм ТТП60 (фото 5)- на токи от 10 до 500А с отв. 37мм ТП60 - на токи от 0,05 до 300А с отв. 37мм ТП102С (фото 4)- на токи от 0,05 до 40А с отв.14 мм.

Внутри указанных диапазонов для заказа доступны любые токи. Линейность и стабильность крайне высока в диапазоне 1-100% номинального тока.Приведенная погрешность преобразования составляет менее 2% без калибровки и менее 1% с дополнительной калибровкой при изготовлении.Датчики выпускаются по ТУ 27.11.50.120-001-11976052-2017

При заказе возможно указать пониженное напряжение питания 9(12)в при соответственном снижении макс. величины вых. сигнала до 3(5)в.

Наименование датчика тока для заказа: ТП03C-хх/yy-zz(mm), где

хх- номинальный ток (А)
yy- выходной сигнал: 0-1в/0-10в/0-20мА/4-20мА
zz- 00-жесткие вывода
mm - примечание, например (клеммник) - вывода выполнены в виде клеммника. Внимание! опция доступна в полном объеме для ТПП60 и ТП60. Для ТП03 и ТП102 только в отношении варианта 4-20мА

Например: ТП03С-30А/(4-20мА)-00, т.е. датчик ТП03С с ном. вх. током 30А, выходом 4-20мА, жесткие вывода для печатного монтажа.

Еще раз обратите внимание: При заказе, значения номинального тока и параметров выходного сигнала может быть указано любое в пределах указанных пределов, т.е. для ТП03С - 1...90А; ТП102С - 0,1...40А;ТП60 - 0,05...300А ТТП60 - 10...500А для входного тока, и 0...20мА; 1...20мА; 0...10в. для выходного сигнала! Чувствительность датчиков не хуже 0.1% от ном. тока. Это не отражается на цене.

Внимание: Входное сопротивление измерителя на принимающей стороне должно быть:

не ниже 50кОм для модификаций 0-1в;
не ниже 100кОм для 0-10в;
не выше 500 ом для 0-20мА (включая сопр. проводников)
не выше 500 ом для 4-20мА (включая сопр. проводников) при 24в. питания токовой петли

Корпус датчика обеспечивает прекрасную гальваническую развязку от контролируемой цепи, что достаточно для любых приложений.

Датчик ТП03С имеет отверстие диаметром 11мм, ТП102С - 14мм, ТТП60 и ТП60 - 37мм для контролируемых линий. При необходимости возможно применение любых трансформаторов тока нашего производства для увеличения отверстия или измеряемых токов. Пример такой реализации приведен на фото 1. Такая конструкция позволяет контролировать цепи бесконтактным способом, без снятия с них изоляции, что значительно повышает надежность и безопасность электросетей. Малый номинальный измеряемый ток и приличное отверстие ТП102С и ТП60 позволяет использовать его также в качестве дифференциального трансформатора тока для измерения токов утечки в линиях (трансформатор тока нулевой последовательности),например для версии 100мА диапазон измерения входного тока составляет от 1 до 100мА с хорошей линейностью.

Устройство и принцип работы

При протекании тока во внешней цепи, встроенный токовый трансформатор обеспечивает гальваническую развязку и трансформирует этот ток в более низкий, который усиливается усилителем-преобразователем ток-напряжение. Полученное напряжение выпрямляется прецизионным выпрямителем и поступает на RC цепь, позволяющую выделить среднее напряжение, пропорциональное вх. току. На выходе RC цепи установлен формирователь напряжение — ток, который дополнительно выполняет роль буфера и приводит выходной сигнал к 0. Выходное напряжение формируется при протекании тока формирователя через Rn. Благодаря этому, выходное напряжение может изменяться в широких пределах (0-1в;0-2в и т.д.) для заданного значения вх. тока, что позволяет корректировать коэфф. преобразования подстройкой резистора нагрузки. Данная подстройка может осуществляться и при необходимости снижения коэфф. передачи или подстройки АЦП под имеющийся ИОН. В то-же время величина вых. напряжения и внутреннее сопротивление (не более 49,9 ом для 0-1в и 499 ом для варианта 0-10в) аналогового выхода позволяет без труда сопрягать его с АЦП микроконтроллеров или стандартными измерительными приборами, имеющими вход 0-1в или 0-10в. При необходимости, на этапе изготовления, возможно снижение или увеличение постоянной времени RC цепи или настройки требуемого вых. напряжения или тока.

Модификация датчика с выходом 0-20мА не имеет встроенного резистора. Макс. напряжение на выходе 4 может достигать 10в. что ограничивает вх. сопротивление измерителя с учетом сопротивления проводов величиной 500 ом. В модификации 4-20мА установлен встроенный резистор 0...10 ом и применяется 2-х проводное подключение, что ограничивает вх. сопротивление измерителя уже до 800 ом при питании 24в.

Собственное потребление датчиков «Айюми» при отсутствии вх. тока не превышает 0,8-1мА в диапазоне напряжений 20-28в. При превышении вх. тока выше номинального включается встроенная схема защиты, ограничивающая выходной ток начиная с 20 до 35мА по логарифмическому закону (24-39мА для 4-20), при этом напряжение на выходе не может превышать 11в, а максимальный потребляемый ток - 38мА, что позволяет использовать его с маломощными источниками питания.Обратите внимание: предельно допускаемый входной ток для ТП03 и ТП102 не должен превышать 200А во избежание повреждения встроенного трансформатора или электронной схемы. Для ТТП60 это предел установлен в размере 500А длительно и 1000а длительностью до 2сек., для ТП60 с диапазоном 0.05-150а в размере 300а, для 150-300а в размере 500а

Типовые схемы подключения датчиков приведены на рис. 3.

На рис. 3а изображена схема подключения ТП03С-хх/(0-1в) к универсальному измерителю 0-1в и особенностей не имеет, аналогичное подключение имеет и Т03С-хх/(0-10в) к универсальному измерителю 0-10в.
На рис. 3б изображена схема сопряжения ТП03С-хх/(0-10в) с АЦП микроконтроллера со встроенным ИОН=5в. Для снижения выходного напряжения с 10 до 5в. установлен дополнительный резистор 510 ом. Для других напряжений ИОН величину добавочного резистора можно рассчитать по ф-ле: Rx=510*Ux/(10-Ux).
На рис. 3в изображена схема подключения ТП03С-хх/(4-20мА) к универсальному измерителю 4-20мА и особенностей не имеет.
На рис. 3г изображена схема подключения ТП03С-хх/(0-20мА) к универсальному измерителю 0-20мА.