Zakaj 4-20mA?

Kaj je 4-20mA?

Standard signala 4–20 mA DC (1–5 V DC) je določila Mednarodna komisija za elektrotehniko (IEC) in se uporablja za analogne signale v sistemih za nadzor procesov.

Na splošno je signalni tok za instrumente in števce nastavljen na 4–20 mA, pri čemer 4 mA predstavlja najmanjši tok in 20 mA največji tok.

Zakaj je trenutni izhod?

V industrijskih okoljih lahko uporaba ojačevalnika signala za kondicioniranje in prenos signalov na velike razdalje z uporabo napetostnih signalov povzroči več težav. Prvič, napetostni signali, ki se prenašajo po kablih, so lahko dovzetni za hrupne motnje. Drugič, porazdeljeni upor daljnovodov lahko povzroči padce napetosti. Tretjič, zagotavljanje moči za ojačevalnik signala na terenu je lahko izziv.

Za reševanje teh težav in zmanjšanje vpliva hrupa se za prenos signalov uporablja tok, ker je manj občutljiv na hrup. Tokovna zanka 4-20 mA uporablja 4 mA za predstavitev ničelnega signala in 20 mA za predstavitev polnega signala, pri čemer se signala pod 4 mA in nad 20 mA uporabljata za različne alarme napak.

Zakaj uporabljamo 4-20mA DC (1-5V DC)?

Terenski instrumenti lahko izvajajo dvožilni sistem, kjer sta napajalnik in obremenitev zaporedno povezana s skupno točko, za signalno komunikacijo in napajanje med terenskim oddajnikom in instrumentom v nadzorni sobi pa se uporabljata samo dve žici. Uporaba signala 4 mA DC kot zagonskega toka zagotavlja statični delovni tok oddajniku in nastavitev električne ničelne točke na 4 mA DC, ki ne sovpada z mehansko ničelno točko, omogoča zaznavanje napak, kot so izguba električne energije in pretrganje kabla . Poleg tega je dvožilni sistem primeren za uporabo varnostnih pregrad, kar pomaga pri protieksplozijski zaščiti.

Instrumenti v kontrolni sobi uporabljajo napetostno vzporedni prenos signala, kjer instrumenti, ki pripadajo istemu nadzornemu sistemu, delijo skupni terminal, zaradi česar je primeren za testiranje instrumentov, prilagajanje, računalniške vmesnike in alarmne naprave.

Razlog za uporabo 4–20 mA enosmernega toka za signalno komunikacijo med terenskimi instrumenti in instrumenti v nadzorni sobi je lahko velika razdalja med poljem in nadzorno sobo, kar povzroči večjo odpornost kabla. Oddajanje napetostnih signalov na velike razdalje lahko povzroči znatne napake zaradi padca napetosti, ki ga povzroči upor kabla in vhodni upor sprejemnega instrumenta. Uporaba signala vira stalnega toka za daljinski prenos zagotavlja, da tok v zanki ostane nespremenjen ne glede na dolžino kabla, kar zagotavlja natančnost prenosa.

Razlog za uporabo signala 1–5 V DC za medsebojno povezavo med instrumenti v nadzorni sobi je olajšanje sprejemanja istega signala več instrumentov in pomoč pri ožičenju in oblikovanju različnih kompleksnih nadzornih sistemov. Če se kot signal medsebojne povezave uporablja tokovni vir, ko več instrumentov hkrati prejme isti signal, morajo biti njihovi vhodni upori povezani zaporedno. To bi preseglo obremenitev oddajnega instrumenta, potenciali ozemljitve signala sprejemnih instrumentov pa bi bili drugačni, kar bi povzročilo motnje in preprečilo centralizirano napajanje.

Uporaba signala napetostnega vira za medsebojno povezavo zahteva pretvorbo tokovnega signala, ki se uporablja za komunikacijo s terenskimi instrumenti, v napetostni signal. Najenostavnejša metoda je zaporedno povezovanje standardnega 250-ohmskega upora v tokokrogu za prenos toka, ki pretvori 4-20 mA DC v 1-5 V DC. Običajno to nalogo opravi oddajnik.

Ta diagram uporablja 250-ohmski upor za pretvorbo tokovnega signala 4–20 mA v napetostni signal 1–5 V, nato pa uporablja RC filter in diodo, ki je priključena na AD pretvorniški zatič mikrokrmilnika.

»Tukaj je priložen preprost diagram vezja za pretvorbo tokovnega signala 4–20 mA v napetostni signal:

Zakaj je oddajnik izbran za uporabo signala 4-20 mA DC za prenos?

1. Varnostni vidiki za nevarna okolja: Varnost v nevarnih okoljih, zlasti za instrumente, odporne proti eksploziji, zahteva zmanjšanje statične in dinamične porabe energije, ki je potrebna za delovanje instrumenta. Oddajniki, ki oddajajo standardni signal 4-20 mA DC, običajno uporabljajo napajalnik 24 V DC. Uporaba enosmerne napetosti je predvsem zato, ker odpravlja potrebo po velikih kondenzatorjih in induktorjih in se osredotoča na porazdeljeno kapacitivnost in induktivnost povezovalnih žic med oddajnikom in instrumentom v kontrolni sobi, ki je veliko nižja od vžignega toka vodikovega plina.

2. Prenos tokovnega vira ima prednost pred napetostnim virom: V primerih, ko je razdalja med poljem in nadzorno sobo precejšnja, lahko uporaba signalov napetostnega vira za prenos povzroči znatne napake zaradi padca napetosti, ki ga povzročita upor kabla in vhod odpornost sprejemnega instrumenta. Uporaba signala tokovnega vira za daljinski prenos zagotavlja, da tok v zanki ostane konstanten, ne glede na dolžino kabla, s čimer se ohranja natančnost prenosa.

3. Izbira 20 mA kot največjega toka: Izbira največjega toka 20 mA temelji na vidikih varnosti, praktičnosti, porabe energije in stroškov. Protieksplozijsko varni instrumenti lahko uporabljajo samo nizko napetost in nizek tok. Tok 4-20 mA in 24 V DC sta varna za uporabo v prisotnosti vnetljivih plinov. Vžigalni tok za vodikov plin s 24 V DC je 200 mA, bistveno višji od 20 mA. Poleg tega se upoštevajo dejavniki, kot so razdalja med instrumenti na mestu proizvodnje, obremenitev, poraba energije, zahteve za elektronske komponente in zahteve za napajanje.

4. Izbira 4 mA kot začetni tok: Večina oddajnikov, ki oddajajo 4-20 mA, deluje v dvožilnem sistemu, kjer sta napajalnik in obremenitev zaporedno povezana s skupno točko, za komunikacijo signala pa se uporabljata samo dve žici. in napajanje med terenskim oddajnikom in instrumentom v nadzorni sobi. Izbira začetnega toka 4 mA je bistvena za delovanje vezja oddajnika. Začetni tok 4 mA, ki ne sovpada z mehansko ničelno točko, zagotavlja "aktivno ničelno točko", ki pomaga prepoznati napake, kot so izguba električne energije in pretrganje kabla.

Uporaba signalov 4-20 mA zagotavlja minimalne motnje, varnost in zanesljivost, zaradi česar je široko sprejet standard v industrijskih aplikacijah. Vendar pa se uporabljajo tudi drugi formati izhodnih signalov, kot so 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0–5 V in 0–10 V, za boljšo obdelavo signalov senzorjev in podporo različnim nadzornim sistemom.