Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы

Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После тщательного изучения существующих решений Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления, а также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования
13323
В избранное

Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.

В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.

При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?

Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.

Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?

Существует две веские причины.

Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.

Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?

Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости – сигнал 20 мА.

Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?

Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).

Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.

Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?

Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I2R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла. 

Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?

Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART – общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.

Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения дает HART?

Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.

Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко – порядка одного раза в секунду. Например, температура - наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.

Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.

Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?

Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.

Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.

Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).

MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли

Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.

Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА

Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей

В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).

Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате

Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли

Заключение

В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX12900AATJ+
MAX12900AATJ+
Maxim Integrated
Арт.: 2583240 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
ANALOG FRONT-END, SENSOR TX, 16BIT, TQFN
MAX12900AATJ+
-
Поиск
предложений
MAX12900AATJ+T
MAX12900AATJ+T
Maxim Integrated
Арт.: 2583241 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Maxim 4-20mA Analog Backen
MAX12900AATJ+T
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()