Dlaczego 4-20mA?

Co to jest 4-20mA?

Standard sygnału 4-20 mA DC (1-5 V DC) został zdefiniowany przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC) i jest używany dla sygnałów analogowych w systemach sterowania procesami.

Ogólnie rzecz biorąc, prąd sygnału dla przyrządów i mierników jest ustawiony na 4-20 mA, przy czym 4 mA reprezentuje prąd minimalny, a 20 mA reprezentuje prąd maksymalny.

Dlaczego wyjście prądowe?

W warunkach przemysłowych używanie wzmacniacza sygnału do kondycjonowania i przesyłania sygnałów na duże odległości przy użyciu sygnałów napięciowych może prowadzić do kilku problemów.Po pierwsze, sygnały napięciowe przesyłane kablami mogą być podatne na zakłócenia.Po drugie, rozproszona rezystancja linii przesyłowych może powodować spadki napięcia.Po trzecie, zapewnienie zasilania wzmacniaczowi sygnału w terenie może stanowić wyzwanie.

Aby rozwiązać te problemy i zminimalizować wpływ szumu, do przesyłania sygnałów wykorzystuje się prąd, ponieważ jest on mniej wrażliwy na szum.Pętla prądowa 4-20 mA wykorzystuje 4 mA do reprezentowania sygnału zerowego i 20 mA do reprezentowania sygnału pełnej skali, przy czym sygnały poniżej 4 mA i powyżej 20 mA są wykorzystywane do różnych alarmów usterek.

Dlaczego używamy 4-20mA DC (1-5V DC)?

Przyrządy polowe mogą wdrożyć system dwuprzewodowy, w którym zasilanie i obciążenie są połączone szeregowo ze wspólnym punktem, a tylko dwa przewody służą do przesyłania sygnału i zasilania pomiędzy przetwornikiem polowym a przyrządem w sterowni.Użycie sygnału 4mA DC jako prądu rozruchowego zapewnia statyczny prąd roboczy przetwornika i ustawienie elektrycznego punktu zerowego na 4mA DC, który nie pokrywa się z mechanicznym punktem zerowym, pozwala na wykrycie usterek takich jak utrata zasilania i przerwy w kablach .Dodatkowo system dwuprzewodowy umożliwia zastosowanie barier ochronnych, wspomagających ochronę przeciwwybuchową.

Przyrządy w sterowni korzystają z równoległej transmisji sygnału, gdzie przyrządy należące do tego samego systemu sterowania mają wspólny terminal, co ułatwia testowanie i regulację przyrządów, interfejsy komputerowe i urządzenia alarmowe.

Powodem stosowania prądu stałego 4–20 mA do komunikacji sygnałowej pomiędzy instrumentami obiektowymi a instrumentami w sterowni jest fakt, że odległość pomiędzy obiektem a sterownią może być znaczna, co prowadzi do wyższej rezystancji kabla.Przesyłanie sygnałów napięciowych na duże odległości może skutkować znacznymi błędami wynikającymi ze spadku napięcia spowodowanego rezystancją kabla i rezystancją wejściową urządzenia odbiorczego.Użycie sygnału źródła prądu stałego do zdalnej transmisji gwarantuje, że prąd w pętli pozostanie niezmieniony niezależnie od długości kabla, gwarantując dokładność transmisji.

Powodem stosowania sygnału 1-5 V DC do wzajemnych połączeń między przyrządami w sterowni jest umożliwienie wielu przyrządom odbioru tego samego sygnału oraz pomoc w okablowaniu i tworzeniu różnych złożonych systemów sterowania.Jeżeli jako sygnał połączenia wykorzystywane jest źródło prądowe, a jednocześnie wiele przyrządów odbiera ten sam sygnał, ich rezystancje wejściowe muszą być połączone szeregowo.Przekroczyłoby to obciążalność przyrządu nadawczego, a potencjały uziemienia sygnału przyrządów odbiorczych byłyby inne, wprowadzając zakłócenia i uniemożliwiając scentralizowane zasilanie.

Wykorzystanie do połączenia sygnału źródła napięcia wymaga przekształcenia sygnału prądowego wykorzystywanego do komunikacji z przyrządami terenowymi na sygnał napięciowy.Najprostszą metodą jest połączenie standardowego rezystora 250 omów szeregowo w obwodzie przesyłu prądu, przekształcając 4–20 mA prądu stałego na 1–5 V prądu stałego.Zwykle zadanie to realizuje nadajnik.

Na tym schemacie zastosowano rezystor 250 omów do konwersji sygnału prądowego 4–20 mA na sygnał napięciowy 1–5 V, a następnie zastosowano filtr RC i diodę podłączoną do styku konwersji AD mikrokontrolera.

„Załączam prosty schemat obwodu do konwersji sygnału prądowego 4–20 mA na sygnał napięciowy:

Dlaczego nadajnik został wybrany do transmisji sygnału 4-20 mA DC?

1. Względy bezpieczeństwa w środowiskach niebezpiecznych: Bezpieczeństwo w środowiskach niebezpiecznych, szczególnie w przypadku przyrządów w wykonaniu przeciwwybuchowym, wymaga minimalizacji statycznego i dynamicznego zużycia energii niezbędnego do podtrzymania działania przyrządu.Przetworniki wysyłające standardowy sygnał 4-20 mA DC zazwyczaj korzystają z zasilacza 24 V DC.Zastosowanie napięcia stałego wynika głównie z tego, że eliminuje potrzebę stosowania dużych kondensatorów i cewek indukcyjnych oraz skupia się na rozproszonej pojemności i indukcyjności przewodów łączących pomiędzy przetwornikiem a przyrządem w sterowni, która jest znacznie niższa niż prąd zapłonu gazowego wodoru.

2. Preferowana jest transmisja ze źródła prądu w stosunku do źródła napięcia: W przypadkach, gdy odległość między polem a sterownią jest znaczna, wykorzystanie do transmisji sygnałów źródła napięcia może spowodować znaczne błędy ze względu na spadek napięcia spowodowany rezystancją kabla i wejściem rezystancja instrumentu odbiorczego.Wykorzystanie sygnału źródła prądowego do zdalnej transmisji gwarantuje, że prąd w pętli pozostanie stały, niezależnie od długości kabla, zachowując w ten sposób dokładność transmisji.

3. Wybór 20 mA jako prądu maksymalnego: Wybór maksymalnego prądu 20 mA opiera się na względach bezpieczeństwa, praktyczności, zużycia energii i kosztów.Przyrządy przeciwwybuchowe mogą wykorzystywać wyłącznie niskie napięcie i niski prąd.Prąd 4-20mA i napięcie 24V DC są bezpieczne do stosowania w obecności gazów palnych.Prąd zapłonu wodoru przy napięciu 24 V DC wynosi 200 mA, czyli jest znacznie wyższy niż 20 mA.Dodatkowo brane są pod uwagę takie czynniki, jak odległość między instrumentami w miejscu produkcji, obciążenie, pobór mocy, wymagania dotyczące podzespołów elektronicznych i wymagania dotyczące zasilania.

4. Wybór prądu rozruchowego 4mA: Większość przetworników generujących prąd 4-20mA pracuje w układzie dwuprzewodowym, gdzie zasilanie i obciążenie są połączone szeregowo ze wspólnym punktem, a do komunikacji sygnałowej wykorzystywane są tylko dwa przewody oraz zasilanie pomiędzy nadajnikiem polowym a przyrządem w sterowni.Wybór prądu rozruchowego 4mA jest niezbędny do prawidłowego działania obwodu przetwornika.Prąd rozruchowy 4 mA, który nie pokrywa się z mechanicznym punktem zerowym, zapewnia „aktywny punkt zerowy”, który pomaga zidentyfikować usterki, takie jak utrata zasilania i przerwy w kablach.

Zastosowanie sygnałów 4-20 mA zapewnia minimalne zakłócenia, bezpieczeństwo i niezawodność, co czyni go powszechnie przyjętym standardem w zastosowaniach przemysłowych.Jednak inne formaty sygnałów wyjściowych, takie jak 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0–5 V i 0–10 V, są również używane w celu lepszej obsługi sygnałów czujników i obsługi różnych systemów sterowania.