Струмова петля 20 мА. Питання та відповіді

1. Що таке струмова петля 20 мА?
2. Чи може струмова петля використовуватися спільно з цифровими сигналами?
3. Де використовується інтерфейс струмової петлі 4-20 мА?
4. Чому використовують струмовий петлю, а не традиційні інтерфейси, наприклад, RS-232, RS-423, RS-485 і т.д.?
5. Як струмова петля реалізується на стороні датчика і на стороні актуатора?
6. Чому замість струмового петлі не використовувати бездротовий інтерфейс, наприклад, Wi-Fi або інший...
7. Як сигнал струмового контура перетворюється в напругу?
8. Чи справді струмова петля 20 мА є пережитком минулого і використовується тільки в застарілих електронних...
9. Яким чином аналогова струмова петля адаптується до цифрового світу?
10. Що ще потрібно для передачі цифрових даних?
11. Що таке стандарт HART?
12. Які ще поліпшення дає HART?
13. Чи є які-небудь інші поліпшення, які підвищують актуальність даного інтерфейсу?
14. Чи є які-небудь інші переваги у пристроїв з живленням від струмового петлі?
15. Що роблять виробники ІС для спрощення роботи з струмового петлею?
16. Чи можете ви навести приклад реалізації датчика з інтерфейсом струмового петлі?
17. висновок

Що робити, якщо Вам потрібно прочитувати свідчення датчика температури, що працює в умовах промислового виробництва і розташованого на відстані 30 метрів від керуючого контролера? Після довгих роздумів і ретельного вивчення існуючих рішень, Ви напевно виберете НЕ Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet або RS-232/423, а струмовий петлю 20 мА, яка з успіхом використовується вже більше 50 років. Незважаючи на гадану архаїчність цього інтерфейсу, такий вибір, насправді, є виправданим у багатьох випадках.

У даній статті, побудованої у вигляді питань і відповідей, розкриваються особливості використання струмового петлі для збору даних і управління. У статті також розповідається про різні поліпшення і модифікаціях струмової петлі, які були зроблені за всю історію її практичного використання.

Що таке струмова петля 20 мА?

Струмова петля 0-20 мА або струмова петля 4-20 мА є стандарт проводового інтерфейсу, в якому сигнал кодується у вигляді аналогового струму. Струм 4 мА відповідає мінімальному значенню сигналу, а струм 20 мА відповідає максимальному значенню сигналу (рис. 1). У типовому додатку напруга датчика (часто міллівольтного діапазону) перетворюється в струмовий сигнал з діапазону 4-20 мА. Струмова петля використовувалася у всіх аналогових системах ще до появи цифрового управління і заміняла пневматичні системи управління в промислових установках.

Мал. 1. При роботі з датчиком струмова петля включає п'ять основних елементів: датчик, передавач, джерело живлення, який проводить контур (петлю) і приймач

Чи може струмова петля використовуватися спільно з цифровими сигналами?

Да може. Зазвичай для подання логічного «0» використовується струмовий сигнал 4 мА, а для кодування логічного «1» використовується струмовий сигнал 20 мА. Детальніше про це розповідається далі.

Де використовується інтерфейс струмової петлі 4-20 мА?

Він використовується в основному в промислових додатках, в яких датчик і контролер або контролер і актуатор розташовані на значній відстані один від одного, а комунікаційні кабелі пролягають в приміщеннях з великим рівнем електромагнітних завад.

Чому використовують струмовий петлю, а не традиційні інтерфейси, наприклад, RS-232, RS-423, RS-485 і т.д.?

Існує дві вагомі причини.

По-перше, низькоомним контур в струмового петлі забезпечує високу стійкість до зовнішніх шумів. Відповідно до закону Кірхгофа сума струмів замкнутого контуру дорівнює нулю. З цієї причини в струмового петлі неможливо ослаблення або посилення струму (рис. 2). На практиці харчування струмового петлі здійснюється від джерела напруги 12 до 30 В, але електроніка передавача перетворює напругу в струм. З іншого боку, інтерфейси, що використовують сигнали напруги, будуються на основі високоомних контурів, які виявляються досить сприйнятливими до перешкод.

По-друге, струмова петля має природну функцію самодіагностики: якщо контур розривається - струм падає до нуля, що автоматично визначається схемою. Після цього формується аварійне попередження і проводиться локалізація розриву.

Мал. 2. Принцип, що лежить в основі струмової петлі, визначається першим законом Кірхгофа: сума струмів замкнутого контуру дорівнює нулю

Як струмова петля реалізується на стороні датчика і на стороні актуатора?

Пристрої, що підключаються до струмового петлі, можна розділити на дві основні групи: датчики і актуатори. У датчиках реалізується схема передавача, який формує лінійний струмовий сигнал в діапазоні 4 ... 20 мА. У актуаторами використовується схема приймача, який перетворює струм в керуючу напругу. Наприклад, для завдання мінімальної швидкості обертання двигуна контролер формує струмовий сигнал 4 мА, а для завдання максимальної швидкості - сигнал 20 мА.

Чому замість струмового петлі не використовувати бездротовий інтерфейс, наприклад, Wi-Fi або інший провідний інтерфейс, наприклад, Ethernet?

Вище вже було сказано, що струмова петля володіє двома важливими перевагами: високою помехозащищенностью і вбудованою можливістю самодіагностики. Крім того, даний інтерфейс має й інші переваги, у тому числі: невисоку вартість реалізації, легкість настройки і налагодження, простоту діагностики, високу надійність, можливість створення довгих ліній зв'язку аж до декількох сотень метрів (в тому випадку, якщо джерело живлення дозволяє покрити падіння напруги на проводах).

Інші провідні стандарти складніше налаштовувати і обслуговувати, вони чутливі до шуму, слабо захищені від злому і відрізняються високою вартістю реалізації.

Створити бездротовий зв'язок в промисловому середовищі цілком можливо, якщо мова йде про невеликих відстанях. Але при роботі на великих дистанціях виникають труднощі, зв'язкова з необхідністю багаторівневої фільтрації, реалізацією механізмів виявлення та виправлення помилок, що призводить також і до надмірності даних. Все це збільшує вартість і ризик розриву зв'язку. Таке рішення навряд чи виправдано, якщо потрібно всього лише підключити простий датчик температури або контролер клапана / двигуна.

Як сигнал струмового контура перетворюється в напругу?

Все досить просто: струм проходить через резистор, а отримується падіння напруги посилюється за допомогою операційного або диференціального підсилювача. З різних причин для резистора струмового петлі було вибрано стандартне значення опору 250 Ом. Таким чином, сигналом 4 мА відповідає напруга 1 В, а сигналу 20 мА відповідає напруга 5 В. Напруга 1 В виявляється досить великим у порівнянні з фоновими шумом і може бути легко виміряна. Напруга 5 В також є вельми зручним і лежить в діапазоні допустимих значень для більшості аналогових схем. У той же час, максимальна потужність, що розсіюється на резисторі струмового петлі (I2R), становить всього 0,1 Вт, що прийнятно навіть для пристроїв з обмеженими можливостями щодо відведення тепла.

Чи справді струмова петля 20 мА є пережитком минулого і використовується тільки в застарілих електронних приладах?

Зовсім немає. Виробники інтегральних мікросхем і приладів все ще випускають нові продукти, що підтримують цей інтерфейс.

Яким чином аналогова струмова петля адаптується до цифрового світу?

Як було сказано вище, струмова петля дозволяє передавати цифрові дані. Результати вимірювань від датчика можна посилати не у вигляді аналогового безперервного сигналу, а в вигляді дискретних струмових сигналів. Типова розрядність даних при цьому становить від 12 до 16 біт. Іноді використовують розрядність 18 біт, але це скоріше є винятком, так як для звичайних промислових систем цілком вистачає і 16 біт. Таким чином, струмова петля може бути інтегрована в цифрові системи управління.

Що ще потрібно для передачі цифрових даних?

Для виконання обміну цифровими даними буде недостатньо простої пересилання бітів у вигляді струмових імпульсів. Необхідно якимось чином повідомляти користувачеві, коли починається і закінчується пакет даних. Крім того, потрібно контролювати появу помилок і виконувати деякі інші функції. Таким чином, для передачі цифрових даних за допомогою струмового петлі потрібно визначити формат кадрів і реалізувати відповідний протокол передачі.

Що таке стандарт HART?

HART - загальноприйнятий стандарт, який обумовлює не тільки фізичне кодування бітів, але визначає формат і протокол передачі даних. Наприклад, в форматі кадру використовуються різні поля: мультибайтних преамбула, стартовий байт, мультибайтних адреса, поле команди, поле даних, поле, яке вказує кількість байтів даних, фактичні дані і, нарешті, контрольна сума.

Розробка HART була ініційована Rosemount Corp в 1980-х роках, і незабаром він став галузевим стандартом де-факто. Позначення HART (Highway Addressable Remote Transducer) було закріплено в 1990-х роках, коли стандарт став відкритим і навіть був реалізований у вигляді стандарту МЕК для використання в Європі. HART зазнав три основні модифікації, але зберіг зворотну сумісність з усіма попередніми версіями, що є вкрай важливим для ринку промислової електроніки.

Додатковою особливістю HART є включення інформації про виробника електронного пристрою в поле команди. Ця інформація дозволяє уникнути плутанини при виконанні установки, налагодження та документування, так як існує понад 100 постачальників HART-сумісних пристроїв.

Які ще поліпшення дає HART?

Використання байтового поля адреси дозволяє одній струмового петлі працювати з безліччю підключених датчиків, оскільки кожному датчику може бути присвоєно унікальний номер. Це призводить до значної економії коштів, що витрачаються на прокладку проводів і монтаж в порівнянні з з'єднанням точка-точка.

Підключення безлічі пристроїв до однієї загальної струмового петлі означає, що ефективна швидкість передачі даних для кожного окремого пристрою зменшується. Однак найчастіше це не є проблемою. Справа в тому, що в більшості промислових додатків оновлення даних і передача команд відбувається досить рідко - близько одного разу на секунду. Наприклад, температура - найбільш часто вимірюється фізична величина-як правило, змінюється досить повільно.

Таким чином, стандарт HART робить струмовий петлю 20 мА затребуваною навіть у вік цифрових технологій.

Чи є які-небудь інші поліпшення, які підвищують актуальність даного інтерфейсу?

Так, інше важливе вдосконалення стосується харчування. Нагадаємо, що струмова петля використовує діапазон сигналів 4-20 мА. Джерело струму може перебувати в передавачі або приймачі. У той же час і датчику, і актуатора потрібно додаткове джерело для харчування власної електроніки (АЦП, підсилювачі, драйвери і т.д.). Це призводить до ускладнення монтажу і збільшення вартості.

Однак у міру розвитку інтегральних технологій споживання приймачів і передавачів зменшувалася. В результаті з'явилася реальна можливість живлення пристроїв безпосередньо від струмового петлі. Якщо споживання електронних компонентів, що входять до складу датчика або актуатора, не перевищує 4 мА, то немає необхідності в додатковому джерелі живлення. Поки напруга сигнального контуру досить велике, інтерфейс струмового петлі може живити сам себе.

Чи є які-небудь інші переваги у пристроїв з живленням від струмового петлі?

Так. Багато пристроїв з живленням від сигнальних ліній повинні мати дозвіл на використання у вибухонебезпечних зонах. Наприклад, вони повинні бути сертифіковані, як незаймисті (NI) або іскробезпечні (IS). Для пристроїв будь-якого з цих класів потрібно, щоб енергії, споживаної електронікою, було так мало, щоб її не вистачало для загоряння як при нормальних умовах експлуатації, так і при аваріях. Споживана потужність пристроїв з живленням від струмового петлі настільки мала, що вони зазвичай без проблем проходять дану сертифікацію.

Що роблять виробники ІС для спрощення роботи з струмового петлею?

Вони роблять те ж, що і завжди: створюють ІС, які забезпечують реалізацію не тільки базового функціоналу, але безлічі інших додаткових можливостей. Наприклад, Maxim Integrated MAX12900 є малопотребляющій високо інтегрований аналоговий інтерфейс (AFE) для струмового петлі 4-20 мА (рис. 3).

Мал. 3. MAX12900 - малопотребляющій високо інтегрований аналоговий інтерфейс (AFE) для струмового петлі 4-20 мА, який забезпечує виконання базових функцій, а також безлічі додаткових корисних можливостей, в тому числі харчування безпосередньо від струмового петлі

MAX12900 забезпечує не тільки передачу даних, але і харчування безпосередньо від струмового петлі. Мікросхема об'єднує в одному корпусі безліч функціональних блоків: стабілізатор напруги LDO; дві схеми для формування ШІМ-сигналів; два малопотребляющіх і стабільних ОУ загального призначення; один широкосмуговий ОУ з нульовим зміщенням; два діагностичних компаратора, схему управління подачею харчування для забезпечення плавного включення; джерела опорного напруги з мінімальним дрейфом.

Чи можете ви навести приклад реалізації датчика з інтерфейсом струмового петлі?

Компанія Texas Instruments пропонує TIDM-01000 - референсну схему датчика температури з інтерфейсом струмової петлі 4-20 мА. Схема побудована на базі мікроконтролера MSP430 і являє собою бюджетне рішення з мінімальним набором компонентів.

Мал. 4. Референсна схема TIDM-01000 представляє собою датчик температури (RTD) з струмовим інтерфейсом 4-20 мА. Схема побудована на базі декількох ІС, які забезпечують обробку показань датчика і взаємодія з струмового петлею

У TIDM-01000 для управління струмом використовується модуль Smart Analog Combo (SAC), вбудований в мікроконтролер MSP430FR2355. Таким чином, окремий ЦАП не потрібно. Схема має 12-бітове дозвіл з кроком квантування вихідного струму 6 мкА. Запропоноване рішення забезпечує захист від зворотної полярності, а захист входів струмового петлі відповідає вимогам IEC61000-4-2 і IEC61000-4-4 (рис. 5).

Мал. 5. Передавач, побудований з використанням TIDM-01000, вміщується на невеликій друкарській платі. Компактність є ще однією перевагою струмового петлі

висновок

У статті були розглянуті основні питання, присвячені використанню струмової петлі 4-20 мА в промислових додатках. Незважаючи на те, що цей інтерфейс є справжньою «старовиною» за мірками електроніки, тим не менш, його як і раніше широко використовують, в тому числі в сучасних цифрових пристроях. У статті також розповідалося про те, яким чином харчування від токового контуру додатково розширює можливості даного інтерфейсу.