Jste zde

Proudová smyčka 4-20 mA - obecný popis

Antonín Vojáček, 4. Červen 2014 - 22:15

Proudová smyčka 4 - 20 mA je stále ještě dost využívaný standard pro přenos hodnot naměřených veličin v oblasti průmyslové automatizace. Vlivem velké šumové imunity dovoluje přenos na vzdálenosti stovek metrů a umožňuje napájení připojených komponent přímo ze smyčky. Následující článek shrnuje vlastnosti a poukazuje na některé obecné zákonitosti v návrhu takovéto smyčky.

ÚVOD

Proudová smyčka 4 - 20 mA se již dlouhou dobu využívá v průmyslové automatizační technice. V praxi se však lze setkat s dvěma možnými verzemi:

analogová proudová smyčka - hodnoty jsou vyjádřené proudy v rozsahu 4 až 20 mA
digitální proudová smyčka - hodnoty log. 0 jsou vyjádřené proudem 4mA a log. 1 proudem 20mA

Ve většině případů se však využívá analogové varianty. Pro přenos digitálního signálu se častěji využívá proudové smyčky 0-20mA.

Výhodou proudové smyčky je značná imunita proti elektromagnetickému rušení (často se vyskytujícímu v průmyslu), přenos na velké vzdálenosti a její jednoduchost. V případě přenosového média lze využít pouze dvou vodičů, i když se vyskytují verze se třemi, případně čtyřmi vodiči pro zlepšení některých parametrů. Výhodou proudu jako signálové veličiny je i snadná detekce přerušení smyčky v případě, že detekovaný proud klesne k 0 mA. Odolnost proti rušení je dána nízkým vstupním odporem proudových vstupů připojených zařízení do smyčky ( řádově desítky ). Pokud je proudová smyčka napájena z dostatečně dimenzovaného zdroje napětí, nemá nenulový odpor vodičů (a tedy i úbytky napětí na nich) přímý vliv na přenášenou hodnotu. Dále je možné provádět napájení připojených komponent přímo prostřednictvím smyčky.

Komponenty proudové smyčky

Komponenty mohou být po stránce vlivu na smyčku rozděleny do dvou typů:

Aktivní - vkládá do smyčky zdroj napětí
Pasivní - na zařízení vzniká úbytek napětí

Komponenty napájené přímo ze smyčky musí však zajistit spolehlivé uzavření smyčky. Nejčastěji se využívá napájení +24 V, protože toto napětí se nejčastěji využívá pro napájení zařízení a komponent v průmyslové automatizaci. Napájecí napětí +12V se obvykle využívá pro systémy založené na počítačích.

Typická smyčka je složena z těchto komponent:

senzor - převádí měřenou neelektrickou veličinu na napěťový signál
převodník napětí - proud/vysílač (transducer/transmitter) - provádí převod napětí na proud v rozsahu 4 až 20 mA
napájecí zdroj smyčky (power supply)- obvykle poskytuje napájení pro vysílač a přijímač, případně ostatní komponenty zapojené ve smyčce vyžadující stejnosměrné napájecí napětí
přijímač (receiver, process monitor, controller) - provádí zpětný převod proudu na napětí, případně i vyhodnocení a zobrazení

Základní princip funkce

Základní funkci smyčky lze popsat obrázkem 1. Tvoří ji výše uvedené komponenty propojené vedením. Případné další komponenty se vkládají sériově do smyčky a mohou se podílet na změně proudu smyčkou.

Obr.1 Příklad struktury proudové smyčky 4-20 mA

Funkce obvodu na obrázku 1 je zřetelná. Výstupní napětí generované senzorem je nejdříve převedeno na proud, kdy hodnotě 4mA odpovídá například nulová hladina měřené veličiny a hodnotě 20 mA plný rozsah senzoru ( příklad zapojení vysílače je na Obr.3.). Přijímač ( vyhodnocovací zařízení ) provede převod proudu opět na napěťový signál, který pak může být libovolně zpracováván analogovým nebo digitální zpracováním signálu. Jak již bylo napsáno v úvodu, je toto řešení přenosu hodnot vhodné pro přenos na dlouhé vzdálenosti stovek i více metrů. V případě systémů využívajících přenosu napěťového signálu dochází se vzrůstající délkou vedení k růstu úbytku napětí na vedení vlivem nenulového odporu vodiče a konečného vstupního odporu přijímače. To limituje maximální možnou délku úseku z důvodu poklesu amplitudy signálu na minimální přijímačem detekovatelnou hodnotu. V případě proudové smyčky tyto úbytky nemají vliv na hodnotu signálového proudu. To však platí jen za podmínek uvedených dále.

Maximální odpor smyčky

Katalogové listy vysílačů pro proudovou smyčku obvykle specifikují maximální odpor smyčky, kterou může vysílač budit, aby byl dosažen maximální rozkmit do 20mA. To je dáno podmínkou, že součet všech napětí ve smyčce musí být roven napájecímu napětí smyčky. Tzn. při protékajícím proudu smyčkou 20mA musí být rozdíl napájecího napětí a úbytků napětí na vedení menší než minimální potřebné napájení pro vysílač. Samozřejmě nesmí být v druhém mezním případě překročeno mezní napájecí napětí ve smyčce připojených komponent. Na následujícím obrázku 2 je uveden příklad.

Obr. 2 Napěťový stav ve smyčce pro komponenty napájené ze smyčky

Obr. 3 Příklad obvodového řešení vysílače v podobě převodníku U -> I (4 - 20 mA) napájeného ze smyčky

Při průchodu maximálního signálového proudu 20 mA vzniká na vedení, které reprezentují dva rezistory s hodnotou 81,6 Ohm, úbytek napětí 1,64 V. Součet těchto napětí s úbytkem napětí 5 V na přijímači (process monitor) a nejnižším mezním napájecím napětím vysílače (transmitter) tvoří minimální použitelné napětí zdroje pro proudovou smyčku 16,28 V. Pokud je napájecí napětí smyčky pevně stanoveno (například 24 V), existuje zde maximální možný odpor resp. délka vedení, kterou se může vysílač zatížit, aby mohlo být dosaženo rozkmitu signálového proudu až 20 mA.

Na obrázku 3 je pak uveden hrubý příklad možného obvodového řešení vysílače uvedeného v obrázcích 1 a 2. Tvoří ho převodník napětí na proud s využitím operačního zesilovače a odporové zpětnovazební sítě, která nastavuje offset proudového zdroje 4mA i převodní konstantu mezi změnou napětí a rozkmitem signálového proudu 16 mA. Napájecí napětí je odvozeno přímo z proudové smyčky. Vstupy Vin+ a Vin- značí vstupní a výstupní svorku proudové smyčky. Toto řešení využívá i senzor tlaku s výstupem na smyčku firmy MAXIM MAX1459.

Možnosti zapojení

Komponenty napájené z proudové smyčky

Komponenty s napájením z proudové smyčky obsahují 2 svorky (pro napájení i pro proudovou smyčku společné), jak je vidět na následujícím obrázku 4. Vyhodnocovací zařízení resp. přijímač musí mít spotřebu (max. 4 mA), proto je výhodné jako zobrazovací jednotku použít LCD displeje.

Obr. 4 Příklad struktury s přijímačem a vyhodnocovacím zařízením napájených z proudové smyčky

Komponenty s externím napájením

Komponenty pro tyto struktury musí obsahovat vždy 4 svorky (2 pro napájení a 2 pro proudovou smyčku), jak lze vidět na následujících obrázcích 5 a 6.

Obr. 5 Příklad struktury s vysílačem a vyhodnocovacím zařízením napájených z externího zdroje

Obr. 6 Příklad struktury s vysílačem, přijímače a vyhodnocovacím zařízením napájených z externího zdroje

Porovnání dvou, tří a čtyřvodičové varianty

Norma ANSI/ISA-S50.01 definuje klasifikaci typů vysílače podle počtu použitých vodičů (viz Obr. 7). Cílem je možnost odděleného vedení napájení a proudového výstupního signálu.

Obr 7. Typy vysílačů

Typ 2 - dvouvodičový vysílač

Typ 2 využívá pouze jednoho páru vodičů a odpovídá popisu uvedenému výše. Využívá se pro konvenční měření tlaku, teploty, výšky hladiny a polohy.

Typ 3 - třívodičový vysílač

Typ 3 využívá zvláštního vodiče pro zemnění vysílače.

Typ 4 - čtyřvodičový vysílač

Tento typ definuje dva páry vodičů, kde jeden je určen pro přenos napájení a druhý pár pro přenos proudového signálu. Toho využívají například magnetické průtokoměry, některé senzory tlaku apod. Výhodou je možnost odlišného napájecího napětí pro vysílač a přijímač a přenosu výkonu ze zdroje do spotřebiče, který je ve smyčce limitován hranicí 4mA. Navíc v případě značné vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem není nutné do návrhu napájecího napětí zahrnout i úbytky napětí na vodičích, protože zdroj napájení může být v blízkosti zařízení. Důležité je pak provést oddělení přenášeného signálu mezi vysílačem a přijímačem pro snížení rušení a vlivu zemních proudových smyček. Optické signálové oddělení je obvykle provedeno v zařízení přijímače, ale je možné ho provést i vně v případě, že přijímač oddělení neposkytuje.

HART a 4-20mA

Zajímavostí je možnost komunikace mezi vysílačem a přijímačem analogové proudové smyčky. Existuje protokol HART (Highway Addresable Remote Transducer), který slouží k přenosu různých přidaných řídicích informací. Používá nízkoúrovňové digitální signály vysílané prostřednictvím proudové smyčky 4-20mA definované standardem frekvenčního klíčování (FSK) Bell 202.

Příkazová sada standardu HART se dělí na 3 skupiny:

Universální příkazy - jsou implementovány ve všech zařízeních podporujících standard HART a umožňují vzájemnou komunikaci mezi různými zařízeními různých výrobců. Obsahují: přenos dat o výrobci a typu zařízení, měřené veličině a jejích jednotkách, osmiznakový popis a další.
Obecné příkazy - nejsou již implementovány ve všech zařízeních HART a obsahují možnost: změnu rozsahů vysílače, nastavení nul, testování.
Specifické příkazy - speciální příkazy, které jsou odlišné mezi různými zařízeními. Například obsahují: zahájení a ukončení měření, volbu primární proměnné, ladění parametrů.

ZÁVĚR

Proudová smyčka je stále aktuálním řešením, jak provádět analogový spolehlivý přenos naměřených hodnot ze snímačů teploty, tlaku, průtoku, vlhkosti a mnoha dalších ke zpracovávajícímu a řídicímu zařízení na velké vzdálenosti a s dostatečnou přesností. Dnes průmyslově vyráběné snímače již přímo poskytují výstup ve formě vysílače pro proudovou smyčku nebo existují převodníky napětí na proud 4-20mA ať již jako moduly (například pro platinové senzory Pt100, senzory tlaku atd.) nebo jako součástky v podobě integrovaných obvodů (například IO firmy Analog Devices AD694). Komunikace se dále rozšiřuje o datový přenos různých informací mezi vysílačem a přijímačem, například prostřednictvím protokolu HART.