1

RS485 i pętla prądowa 4-20 mA w aplikacjach przemysłowych

| Technika

Mimo że Bluetooth, Ethernet i inne standardy komunikacyjne są powszechnie dostępne i zapewniają dużą szybkość przesyłania danych, projektanci aplikacji przemysłowych wciąż wykorzystują rozwiązania, które postrzegają jako te zapewniające najbardziej niezawodne połączenie przy najniższych możliwych kosztach. Z tych i wielu innych powodów, łącznie z zaszłościami historycznymi, pętla prądowa 4-20 mA i interfejs RS-485 są nadal szeroko stosowane. Nie tylko nie wychodzą one powoli z użycia, ale nadal są udoskonalane i są projektowane działające w oparciu na nich nowe instalacje.

RS485 i pętla prądowa 4-20 mA w aplikacjach przemysłowych

Zalety pętli prądowej i interfejsu RS-485 obejmują przede wszystkim prostotę projektowania, konfigurowania i uruchamiania. Co więcej, pętla prądowa i RS-485 definiują tylko najniższe, fizyczne warstwy interfejsu dla siedmiowarstwowego modelu sieciowego, bez definiowania formatu danych lub sposobu ich wymiany.

W rezultacie projektanci mogą wybierać spośród wielu rozwiązań rynkowych różniących się złożonością, dopasowując interfejs do wymagań aplikacji lub istniejących zasobów.

Na rynku jest wiele gotowych układów scalonych, które realizują interfejs pętli prądowej 4-20 mA, a oprócz tego mają wiele różnych użytecznych funkcjonalności ułatwiających ich wykorzystanie w systemach mikroprocesorowych i zwiększających niezawodność komunikacji. W niniejszym artykule zostanie przedstawiony przegląd takich rozwiązań, ich parametrów i charakterystyk pod kątem możliwości wykorzystania w systemach elektronicznych.

Podstawy działania

 
Rys. 1. Dzięki proporcjonalnemu przyporządkowaniu sygnału analogowego do poziomu prądu w pętli sygnał interfejsu może bezpośrednio sterować elementem wykonawczym

Pętla prądowa 4-20 mA i RS485 prezentują odmienne podejście do sposobu realizacji interfejsu, niemniej oba z nich są bardzo często wykorzystywane w systemach sterowania i akwizycji danych w przemyśle. Zapewniają elektryczne połączenie sensorów i elementów wykonawczych, takich jak czujniki zbliżeniowe lub przełączniki krańcowe z zaworami, silnikami i regulatorami.

Analogowa pętla prądowa 4-20 mA (nazywana często także pętlą 20 mA lub 0-20 mA) to stary standard pamiętający jeszcze sterowanie pneumatyczne. Koncepcja jest prosta: prąd 4 mA odpowiada stanowi "brak sygnału", a 20 mA "pełny sygnał" - rysunek 1. Sygnał z czujnika przed przesłaniem przez pętlę prądową musi zostać poddany kondycjonowaniu i wyskalowany do wymaganego zakresu prądu.

Jak sama nazwa wskazuje, pętla prądowa nie przypomina tutaj magistrali komunikacyjnej - każdy element wykonawczy ma swoją pętlę. Ma to wiele zalet, bo obwody sterowane przez źródła prądowe mają z reguły małą impedancję i tym samym są o wiele bardziej odporne na zaburzenia elektromagnetyczne w porównaniu do tych sterowanych napięciowo.

Oczywiście wykonanie oddzielnej pętli sterowania dla każdego elementu w sieci jest kosztowne, bo wymaga więcej okablowania i wielu niezależnie działających układów interfejsowych. W warunkach przemysłowych ten problem nie jest zbytnio dokuczliwy, a niekiedy staje się nawet zaletą, bo zwarcie lub rozwarcie w którejś z gałęzi nie wpływa na działanie reszty.

Dzięki temu system komputerowy zarządzający urządzeniem może też w prosty sposób wykrywać miejsca uszkodzeń. Z tego powodu za minimalną wartość prądu w pętli przyjęto 4 mA. Dzięki temu spadek do zera jest prostym wskazaniem, że gdzieś nastąpiła przerwa ciągłości.

 
Rys. 2. Standard RS485 pozwala na umieszczenie wielu transceiverów komunikacyjnych w jednej gałęzi sieci

Ostatnia ważna zaleta pętli prądowej to możliwość zasilania czujników i niskomocowych elementów wykonawczych za pomocą energii dostępnej w ramach interfejsu. Gdy czujnik pobiera niewielki prąd, bez problemu daje się wygospodarować energię do jego zasilania z tych miliamperów płynących w liniach komunikacyjnych. W takich wypadkach nie trzeba tworzyć dodatkowego zasilania, co sprzyja małym kosztom i poprawia niezawodność.

W przypadku RS485 (formalnie jest to obecnie jest TIA/EIA-485A) możliwe jest umieszczenie wielu transceiverów na pojedynczej szynie komunikacyjnej (rys. 2). Dopuszcza się nawet 30 takich odbiorników, ale znane są realizacje jeszcze bardziej złożone.

Komunikacja może być tutaj półdupleksowa (na pojedynczej parze przewodów typu skrętka z transmisją różnicową) lub działać w pełnym dupleksie (z wykorzystaniem dwóch par skrętki). Skrętka zapewnia tutaj niskie koszty okablowania i dobrą odporność na zaburzenia elektromagnetyczne.

Wszystkie odbiorniki nasłuchują w tym samym czasie, ale w danym momencie tylko jeden nadajnik RS485 może być aktywny. Pozostałe są w stanie wysokiej impedancji (tzw. trzecim stanie) i z punktu widzenia komunikacji na szynie są niewidoczne.

Magistrala komunikacyjna wymaga zakończenia rezystancją o wartości równej impedancji falowej dla zapobieżenia odbiciom (tzw. terminatorem pasywnym lub aktywnym). Dotyczy to każdej pary komunikacyjnej i bez dobrze dobranego zakończenia komunikacja na dłuższych dystansach byłaby niemożliwa.

Odpowiednie odpytywanie wielu odbiorników na jednej magistrali lub wysyłanie żądań i zezwoleń jest wymagane do uniknięcia kolizji pakietów danych. Zadanie to przynależy do kontrolera i może być potencjalnie źródłem problemów ograniczających przepustowość, ale jak pokazuje praktyka w sieciach realizowanych za pomocą tych interfejsów rzadko jest to problemem. Typowe osiągi pozwalają na transmisję z szybkością megabitową na krótkich dystansach lub z małą prędkością na odległość ponad 1 km.

Duży zasięg i mały pobór mocy

 
Rys. 3. Jedną z cech szczególnych układu MAX12900AATJ+ jest duża stabilność prądu zasilającego w funkcji temperatury (po lewej) i prądu zasilającego w funkcji napięcia (po prawej)

Pomimo wielu lat obecności na rynku i widocznej dojrzałości zarówno pętli prądowej, jak i interfejsu RS-485 oraz długiej listy podzespołów, które wspierają te standardy, są one wykorzystywane zarówno do nowych projektów, jak i do modernizacji istniejących instalacji. Nietrudno zauważyć, że nowe układy scalone, zawierają liczne dodatkowe funkcje rozszerzające ich zastosowanie poza wymagane minimum, jak niski pobór mocy, ulepszona ochrona przed ESD, wyższe prędkości transmisji, a nawet izolacja galwaniczna we-wy.

Niski pobór mocy jest zawsze ważny, bo oznacza lepszą efektywność energetyczną produktów, szerszy zakres temperatur pracy i niższe koszty materiałowe. Przykładem rozwiązania tego typu jest MAX12900AATJ+ firmy Maxim Integrated przeznaczony do współpracy z czujnikami.

Konwertuje on sygnał PWM z czujnika na sygnał 4-20 mA. Zawiera dwa wzmacniacze operacyjne o niskim dryfcie i jeden o zerowym offsecie, dwa komparatory, sekwenser zasilania, źródło napięcia odniesienia i stabilizator LDO o szerokim zakresie napięć wejściowych.

 
Rys. 4. Transceiver full duplex RS485 SN65HVD37 Texas Instruments ma dużą odporność na sygnały indukowane w przewodach komunikacyjnych

Do zasilenia tych licznych obwodów układ wymaga poniżej 200 μA, więc wystarczy mu z zapasem to, co może uszczknąć z dostępnych 4 mA. Z uwagi na zastosowania przemysłowe realizuje ponadto funkcje diagnostyczne, takie jak kontrola napięcia zasilania, pomiar prądu w pętli od strony czujnika lub detektor przerwy w okablowaniu. Jest dostępny w obudowie TQFN 5×5 mm o 32 wyprowadzeniach, więc może być zamontowany w sąsiedztwie nawet małego sensora (rys. 3).

Innym układem niskomocowym jest transceiver full duplex RS485 SN65-HVD37 Texas Instruments (rys. 4). Jest zasilany napięciem 3,3 V przy pobieranym prądzie poniżej 1 mA. Mimo to charakteryzuje się wysoką odpornością na zaburzenia indukowane w przewodach sieciowych (60 mV).

Gdy do sieci jest połączonych wiele urządzeń, istotnym zagadnieniem staje się załączanie i wyłączanie zasilania przez czujniki i elementy wykonawcze w taki sposób, aby nie powstawały zakłócenia szpilkowe, zapady i przepięcia. Wejście w tryb oszczędzania energii i związany z tym nagły spadek pobieranego prądu przy zasilaniu ze źródła prądowego może wywołać takie przerzuty i zaburzyć pracę innych elementów.

To samo może dziać się przy obluzowanym styku w złączu lub uszkodzonej izolacji w kablu. W tym przypadku producent deklaruje, że takie problemy nie występują. Dodatkowo dodano układ blokujący pracę, gdy poziom napięć i prądów w magistrali wyjdzie poza bezpieczny zakres, bo lepsza jest blokada niż stan nieokreślony.

Ochrona ESD

 
Rys. 5. Transceiver RS-485 MAX22502E z wbudowanym układem preemfazy zapewniającym niską stopę błędów na dużej długości kabla i przy dużej szybkości transmisji

Im bardziej złożony transceiver, mniejsza pobierana przez niego moc, tym zagrożenie ze strony wyładowań elektrostatycznych jest większe. Z uwagi na to wszystkie układy tego typu mają wbudowane układy zabezpieczające przed ESD. Przykładowo układ Maxima MAX22502E to pełnodupleksowy transceiver RS-485/RS-422 przystosowany do pracy z długimi kablami z szybkością 100 Mbit/s.

Producent osiągnął tak dobry wynik poprzez integracje obwodów preemfazy częstotliwościowej transmitowanego sygnału analogowego po to, aby zmniejszyć negatywny wpływ długiego przewodu (niejednorodność, niedopasowanie) i jego wpływ na interferencje międzysymbolowe oraz w konsekwencji na wartość stopy błędów BER (rys. 5).

W zakresie ESD ma on układy ochronne wytrzymujące napięcia wyładowań od 3 do 5 kV. Są także zabezpieczenia przed napięciami wspólnymi w przewodzie skrętki do ±15 V i zwarciami do masy i między liniami skrętki. Wraz z obwodami zewnętrznymi pozwala to spełnić wymagania standardów takich jak ±15 kV HBM, ±7 kV IEC61000-4-2.

Dla standardu RS485 Texas Instruments proponuje THVD1500 - niskomocowy, zasilany napięciem 3,3 V pełnodupleksowy transceiver przeznaczony do pracy w miernikach mediów, systemach monitoringu mienia i bezpieczeństwa obiektów oraz w aplikacjach przemysłowych. Układ ma szeroki zakres dopuszczalnych napięć wspólnych i niski poziom upływu prądu do masy z linii sygnałowych, które to zalety dają możliwość użycia go w systemach, gdzie przewody komunikacyjne są długie, a odbiorników jest wiele.

 
Rys. 6. Właściwy projekt płytki drukowanej z THVD1500 powinien uwzględniać bliskie umieszczenie kondensatorów odsprzęgających blisko linii Vcc, w tym dwie przelotki zmniejszające impedancję połączenia do masy, rezystory podciągające do masy i zasilania po to, aby zmniejszyć wpływ oscylacji podczas przepięć

Gdy prędkość komunikacji może być umiarkowana, a więc np. 256 kbit/s, możliwe jest dołączenie do pojedynczej skrętki nawet 256 transceiverów, bo niska pojemność własna wejść oraz minimalne obciążenie linii przez układ odbiornika na to pozwalają. Jednocześnie wydajna ochrona antystatyczna pozwala na spełnienie wymagań norm HBM, IEC 61000-4-2 i IEC 61000-4-4.

Poza transceiverem uzyskanie dobrych parametrów łączności oraz stopnia ochrony ESD wymaga poświęcenia uwagi jakości użytych komponentów z ich otoczenia oraz poprawności projektu płytki drukowanej (rys. 6), tak aby utrzymana była niska impedancja połączeń linii sygnałowych z elementami ochronnymi oraz projekt uwzględniał poprawny rozpływ prądu podczas wyładowania.

Uzyskanie wysokiego stopnia ochrony wymaganego normami jest możliwe przy zestopniowaniu zabezpieczeń, te zewnętrzne muszą zadziałać jako pierwsze i ograniczyć napięcie wyładowania, które może sięgać 15 kV, do poziomu ok. 3 kV, z jakim radzą sobie elementy wewnętrzne. Jakiekolwiek oscylacje powstałe na reaktancjach pasożytniczych, długie ścieżki mogą całkowicie zepsuć ochronę.

Izolacja galwaniczna

 
Rys. 7. ADM2795E fi rmy Analog Devices może być wykorzystany do budowy półdupleksowego łącza RS485, w którym każdy węzeł jest galwanicznie izolowany od reszty

Jest wiele aplikacji, gdy izolacja galwaniczna jest wymagana i potrzebna, głównie dzieje się to tam, gdzie odbiornik i nadajnik są na różnych i wysokich potencjałach masy lub połączenia są skomplikowane, a więc pełne pętli i odgałęzień z zasilaniem z różnych napięć fazowych. Izolacja zmniejsza też prawdopodobieństwo tego, że w dużej sieci na skutek uszkodzenia któregoś z węzłów zostanie zatrzymana możliwość komunikacji, gdy uszkodzenie wywoła np. zwarcie magistrali do masy.

Przykładem transceivera RS485 z izolacją może być ADM2795E firmy Analog Devices (rys. 7) z obwodami zabezpieczającymi wytrzymującymi przepięcia w magistrali do ±42 V, a izolacja we-wy wytrzymuje 5 kV. Może być zasilany napięciem od 1,7 do 5,5 V, a wbudowana izolacja nie wymaga od konstruktora żadnych dodatkowych czynności - nie ma wpływu na zgodność z TIA/EIA RS-485/RS-422.

Rich Miron
Digi-Key Electronics