Podstawy działania pętli prądowej 4-20 mA
| TechnikaW epoce nowoczesnych cyfrowych standardów komunikacyjnych, takich jak Bluetooth czy Ethernet, w systemach przemysłowych wciąż często spotkać można znacznie starsze rozwiązania, w tym m.in. pętlę prądową 4-20 mA. Ten sprawdzony już od wielu lat interfejs wciąż jest postrzegany jako atrakcyjny, m.in. ze względu na swoją niezawodność oraz stosunkowo niski koszt implementacji.
Pętla prądowa 4-20 mA to prosty analogowy interfejs komunikacyjny, który umożliwia przesyłanie i odczyt pojedynczego sygnału pomiarowego. Od wielu lat jest jednym z najbardziej powszechnych standardów w przemysłowych systemach kontroli i sterowania, znanym i stosowanym już od kilkudziesięciu lat. Każdy elektronik mający styczność z systemami przemysłowymi prawdopodobnie wcześniej lub później spotka się z tym rozwiązaniem, warto zatem przyswoić sobie podstawowe informacje na ten temat i zapoznać się z jego zasadą działania.
Podstawy działania pętli prądowej
W przypadku pętli prądowej 4-20 mA wielkością elektryczną przenoszącą informacje jest natężenie prądu elektrycznego. Przykład prostej pętli prądowej przedstawiono na rysunku 1. Składa się ze źródła napięcia oraz trzech obciążeń o różnej rezystancji.
Wszystkie elementy są połączone szeregowo, zatem przez każdy z nich przepływa prąd o takim samym natężeniu, co jest najważniejszą cechą pętli prądowej. Dzięki temu, inaczej niż w przypadku sygnałów napięciowych, możliwe jest przesyłanie informacji na znaczne odległości bez konieczności martwienia się o straty i zakłócenia związane z dużą rezystancją przewodów transmisyjnych.
Mierzona wielkość przekształcana jest na wartość natężenia prądu, przy czym przyjmuje się, że natężenie o wartości 4 mA oznacza wartość 0%, zaś 20 mA to 100% zakresu pomiarowego. Dzięki przesunięciu zerowej wartości sygnału otrzymano nie tylko możliwości łatwej detekcji błędów w układzie (wartość 0 mA na odbiorniku pozwala wykryć przerwę w obwodzie, zaś znaczne przekroczenie 20 mA umożliwia identyfikację zwarcia), ale również zasilania elementów systemu bezpośrednio z linii sygnałowej, jeśli tylko suma pobieranego przez nie prądu zasilania nie przekroczy ok. 3,5 mA.
Elementy pętli 4-20 mA
Jak wspomniano, jedna pętla prądowa może zostać wykorzystana do obsługi tylko jednego sygnału pomiarowego, czyli do monitorowania pojedynczej wielkości. W skład pętli wchodzą określone rodzaje elementów, które opisane zostaną poniżej.
Czujnik. Elementem niezbędnym w każdym torze pomiarowym jest czujnik, czyli układ przetwarzający mierzoną wartość fizyczną na elektryczną, jak np. rezystancja lub napięcie. Czujniki mogą być wykonane na mnóstwo sposobów i z wykorzystaniem różnych technologii, w zależności od mierzonej wielkości. Do typowych wielkości monitorowanych w układach przemysłowych z wykorzystaniem pętli prądowej zalicza się temperaturę, wilgotność, ciśnienie, przepływ, przemieszczenie czy np. poziom cieczy w zbiorniku.
Przetwornik/nadajnik. Rolą nadajnika jest przetworzenie sygnału wyjściowego z czujnika na sygnał prądowy kompatybilny ze standardem pętli prądowej 4-20 mA. Przykładowo, jeśli czujnik mierzy poziom cieczy w zbiorniku o wysokości dwóch metrów, nadajnik będzie musiał zamienić sygnał z czujnika przy zerowej (minimalnej) wysokości na wymuszenie prądowe o natężeniu 4 mA, przy połowie wysokości (1 m) na 12 mA, zaś przy maksymalnej (2 m) na 20 mA.
Zazwyczaj nadajnik steruje sygnałem w pętli poprzez zmienną wartość rezystancji. Zależnie od implementacji nadajnik może być zasilany bezpośrednio z pętli prądowej lub z zewnętrznego źródła zasilania. Różnice pomiędzy tymi rozwiązaniami opisane zostaną poniżej.
Źródło zasilania. Niezbędnym elementem pętli jest źródło napięcia stałego. W pomiarach wykorzystuje się różne wartości napięcia (m.in. 9, 12, 24 V), choć najczęściej spotykane jest napięcie 24 V. Z wartością napięcia zasilana związane jest pojęcie budżetu pętli, które omówione zostanie w dalszej części tekstu. Niedoszacowanie budżetu spowodowane zbyt niskim napięciem zasilania może skutkować błędną pracą systemu.
Pętla. Fizycznie pętlę prądową tworzą przewody łączące ze sobą poszczególne elementy. Przewody połączeniowe również wnoszą do obwodu pewną rezystancję, jest ona jednak zazwyczaj pomijana ze względu na niewielką wartość względem innych elementów toru pomiarowego. Inaczej jest w przypadku połączeń na znaczne odległości, rzędu kilkuset metrów. Wtedy rezystancja przewodów musi zostać uwzględniona w obliczaniu budżetu pętli.
Odbiornik. W pętli musi zostać umieszczone urządzenie pozwalające odebrać i odczytać wynik pomiaru, a zazwyczaj także przedstawić go w formie czytelnej dla użytkownika. Podstawowym elementem odbiornika jest układ pomiaru natężenia prądu (miliamperomierz), działający zazwyczaj na zasadzie pomiaru napięcia odkładającego się na rezystorze pomiarowym o znanej rezystancji (typowo 250 Ω). Odbiornik może być wyposażony w wiele dodatkowych elementów, jak np. wyświetlacz czy układy wykonawcze, jak również być zintegrowany z bardziej rozbudowanym systemem kontroli i sterowania.
Budżet pętli. Aby pętla prądowa mogła działać prawidłowo, musi charakteryzować się dodatnim budżetem energetycznym - źródło zasilania musi być zdolne do wygenerowania prądu o maksymalnym wymaganym natężeniu przy określonym obciążeniu.
Do obliczenia budżetu pętli konieczna jest znajomość maksymalnego wymaganego natężenia prądu w pętli oraz minimalnego napięcia zasilania lub rezystancji wszystkich elementów. W celu przeprowadzenia przykładowych obliczeń wykorzystany zostanie układ z rysunku 2. Zakładamy, że maksymalny prąd pętli wynosi 23 mA - jest to informacja o błędnym działaniu czujnika. Pętla składa się z czterech elementów: rejestratora graficznego, odbiornika, nadajnika oraz przewodów.
Znając rezystancję rejestratora (350 Ω) oraz odbiornika (250 Ω), można, korzystając z prawa Ohma, obliczyć spadek napięcia na tych elementach. Będzie to odpowiednio 5,75 V (0,023×250) dla odbiornika oraz 8,05 V dla rejestratora (0,023×350). Załóżmy, że minimalne napięcie zasilania nadajnika wynosi 8 V, zaś rezystancja przewodów to 10,7 Ω (ok. 40 m przewodu o przekroju 0,445 mm²), zatem maksymalny spadek napięcia na nich to 0,25 V.
Aby otrzymać wartość budżetu pętli, należy odjąć wszystkie uzyskane wartości spadku napięcia od napięcia zasilania. Dla przytoczonego przykładu (tab. 1) uzyskano wynik 1,95 V, co pozwala stwierdzić, że pętla prądowa powinna w takich warunkach pracować prawidłowo.
Wady i zalety pętli 4-20 mA
Poniżej wymieniono najważniejsze zalety pętli 4-20 mA:
- Pętla prądowa 4-20 mA jest powszechnie przyjętym standardem przemysłowym, dzięki czemu na rynku znaleźć można wiele urządzeń dostosowanych do tych wymagań. Jest to sprawdzone rozwiązanie, charakteryzujące się dużą niezawodnością.
- Zapewnia łatwość połączenia i konfiguracji.
- Wymaga wykorzystania minimalnej liczby przewodów, co znacząco ogranicza koszt montażu systemu.
- Sygnał prądowy znacznie lepiej niż sygnał napięciowy nadaje się do przesyłania na duże odległości, ponieważ jest odporny na zakłócenia związane ze spadkiem napięcia na przewodach.
- Pętla prądowa pozwala łatwo diagnozować uszkodzenia systemu, jak np. zwarcie, ponieważ każdy element pomiarowy ma własną pętlę, zaś wartość zerowa sygnału przesunięta została o 4-miliamperowy offset.
Główną wadą tego rozwiązania jest fakt, że w jednej pętli może być przesyłany tylko jeden sygnał pomiarowy. Ułatwia to wprawdzie diagnozowanie usterek, wymaga jednak stworzenia wielu torów pomiarowych w przypadku konieczności odczytu pomiarów z wielu czujników.
Duża liczba przewodów może doprowadzić do problemów związanych z brakiem odpowiedniej izolacji pomiędzy nimi, np. przypadkowymi pętlami masy. Jednocześnie wraz z liczbą umieszczonych obok siebie pętli rosną wymagania co do jakości wzajemnej izolacji przewodów.
Zasilanie urządzeń z wykorzystaniem pętli prądowej
Jak już wspomniano, poszczególne elementy toru pomiarowego mogą korzystać z zewnętrznego źródła zasilania lub być zasilane bezpośrednio przez prąd płynący w pętli. Urządzenia drugiego typu określa się jako loop-powered lub 2-wires, ponieważ wymagają jedynie dwóch przewodów połączeniowych: dodatniego (+) oraz ujemnego (-).
Urządzenia zasilane z pętli muszą charakteryzować się niskim poborem mocy, przez co zazwyczaj cechują się prostą konstrukcją, w tym m.in. brakiem wyświetlaczy czy mechanicznych przełączników, mają ponadto raczej ograniczoną liczbę funkcjonalności. Dzięki temu są w dodatku tańsze od urządzeń wymagających dodatkowego zasilania.
Podstawową zaletą korzystania z zasilania w pętli jest łatwość montażu systemu, szczególnie w przypadku trudno dostępnych lub odległych lokalizacji. Nie ma konieczności prowadzenia dodatkowych przewodów, cały system można ponadto zasilać z jednego źródła, np. akumulatora czy ogniwa fotowoltaicznego. Bezpośrednio do źródła podłącza się zazwyczaj jedynie nadajnik, który w pętli pełni funkcję źródła prądowego.
Głównym ograniczeniem zasilania z wykorzystaniem pętli jest konieczność przestrzegania wspomnianego już budżetu energetycznego. Należy dopilnować, aby suma spadków napięcia na poszczególnych elementach systemu nie przekroczyła napięcia zasilania. W celu zwiększenia stabilności działania systemu zaleca się ponadto, aby końcowy budżet pętli wynosił przynajmniej ok. 10% nominalnej wartości napięcia źródła zasilania.
Zasilanie z wykorzystaniem zewnętrznego źródła zasilania
Niektóre urządzenia przeznaczone do pracy w pętli prądowej korzystają z zewnętrznego źródła zasilania. Tego typu układy nie muszą już tak restrykcyjnie traktować energooszczędności, zatem charakteryzują się zazwyczaj wyższym stopniem skomplikowania i większą funkcjonalnością, np. mają wyświetlacze z graficznym interfejsem użytkownika czy dodatkowe interfejsy komunikacyjne do połączenia z innymi systemami. Wyróżnia się dwa rodzaje tego typu urządzeń - z całkowicie (4-wires) oraz częściowo (3-wires) izolowanym układem zasilania.
Układy 4-wires - całkowita izolacja linii sygnałowej
Urządzenia z całkowicie izolowanym układem zasilania określa się niekiedy jako 4-wires, ponieważ mają cztery wyprowadzenia - po dwa dla linii sygnałowych oraz zasilania. Tego typu układy pobierają prąd zasilania z zewnętrznego źródła, zatem powodują jedynie minimalny spadek napięcia w pętli prądowej.
Zależnie od sposobu konstrukcji mogą być zasilane zarówno prądem stałym, jak i zmiennym, bezpośrednio z sieci elektrycznej. Przy takiej konfiguracji pętla prądowa jest najczęściej galwanicznie odizolowana od układu zasilania i nie ma możliwości bezpośredniego przepływu prądu pomiędzy tymi dwoma obwodami.
Dzięki zewnętrznemu zasilaniu urządzenia tego typu mogą implementować znacznie więcej zaawansowanych i jednocześnie energochłonnych funkcjonalności. Zestawienie toru pomiarowego z wykorzystaniem takich urządzeń może być ponadto łatwiejsze, ponieważ nie wymaga posiadania wiedzy związanej z obliczaniem budżetu energetycznego pętli.
Niewątpliwą wadą tego rozwiązania jest konieczność zapewnienia dodatkowego źródła zasilania dla poszczególnych elementów pętli. Urządzenia 4-wires są ponadto zazwyczaj droższe, w czasie montażu wymagane jest również poprowadzenie większej liczby przewodów połączeniowych.
Układy 3-wires - wspólna masa obwodu sygnałowego i zasilania
Urządzenia typu 3-wires są w zasadzie podobne do układów 4-wires, z wyjątkiem braku izolacji układu zasilania. W tego typu rozwiązaniu obwody sygnałowy oraz zasilania mają wspólną masę, czyli również wspólną ścieżkę powrotną prądu.
W porównaniu do wspomnianych układów 4-wires, urządzenia 3-wires charakteryzują się niższym kosztem z uwagi na brak wbudowanej izolacji, mogą być również łatwiejsze w montażu (mniejsza liczba przewodów połączeniowych). Mogą być zasilane jedynie napięciem stałym, nie ma zatem możliwości połączenia ich bezpośrednio do instalacji elektrycznej. Wymagają również bardziej starannego montażu oraz prowadzenia przewodów, ponieważ w przypadku błędnej konfiguracji pętli prądowej wynik pomiaru zostanie zakłócony przez przepływający prąd zasilania.
Podsumowanie
Pętla prądowa 4-20 mA wciąż jest jednym z najpopularniejszych standardów w przemysłowych systemach pomiarowych. Świetnie nadaje się do komunikacji na duże odległości, ponieważ nie jest wrażliwa na zakłócenia związane ze spadkiem napięcia na przewodach połączeniowych, przynajmniej do momentu zachowania dodatniego budżetu energetycznego pętli. Charakteryzuje się również prostotą montażu oraz działania.
Elementy toru pomiarowego mogą być zasilane bezpośrednio z pętli (poprzez transmitowany sygnał prądowy) lub z zewnętrznego źródła zasilania. Urządzenia zasilane z pętli muszą charakteryzować się małym zużyciem energii, są zatem zazwyczaj prostsze w konstrukcji i mają mniej dodatkowych funkcjonalności.
Korzystanie z takiego rozwiązania wymaga również dokładnego obliczenia budżetu pętli, aby mieć pewność co do jej poprawnego funkcjonowania w całym zakresie pracy. Bardziej zaawansowane układy, wyposażone np. w wyświetlacze, rozbudowany interfejs użytkownika lub wyprowadzenia do innych systemów, muszą być najczęściej zasilane z zewnętrznego źródła zasilania. Zwiększa to zarówno koszty urządzenia, jak i jego instalacji, ponieważ wymaga poprowadzenia dodatkowych przewodów połączeniowych.
Damian Tomaszewski
