Токовата верига 4-20 mA е стандартният начин, по който индустриалните предаватели изпращат измерване, като налягане, ниво или дебит, към контролна система като пропорционален електрически ток, при който 4 mA винаги означава долния край на обхвата, а 20 mA винаги означава горния край. Тя е устояла десетилетия на по-нови технологии, защото е проста, евтина за окабеляване и трудна за заблуждаване.
В 4-20 mA верига изходът на предавателя се скалира така, че 4 mA представляват 0% от калибрирания обхват, а 20 mA представляват 100%. Пресостравер (предавател за налягане) с обхват 0, 100 psi ще дава 12 mA при 50 psi, чисто линейна зависимост.
Всяка стойност между тях се чете по същия начин: процент от обхвата, преобразуван в ток и след това обратно в инженерни единици от приемащата аналогова входна карта на PLC или DCS.
Тази конвенция води началото си от по-ранни пневматични контролни сигнали (3, 15 psi) и междинен стандарт за ток 10, 50 mA, използван с магнитни усилватели. Със зрялостта на транзисторната електроника 4, 20 mA се наложи като доминиращ сигнал, защото изискваше по-малко енергия и търпеше по-дълги кабелни трасета.
Точните мотиви, които комисиите по стандарти са използвали, за да изберат именно тези числа, не са добре документирани в запазените публични записи, въпреки че основните правила за съвместимост на сигнала днес са обхванати в ANSI/ISA-50.00.01, първоначално издаден под обозначението ISA S50.1.
Най-важното конструктивно решение в целия стандарт е започването на скалата от 4 mA вместо от 0 mA. Това се нарича жива нула. Тъй като здравата, захранвана верига винаги протича с поне 4 mA, отчитане 0 mA не е валидна стойност на процеса, а е повреда.
Това едно свойство позволява на контролна система да различи „резервоарът е празен“ (4 mA) от „проводникът е прекъснат или предавателят е загубил захранване“ (0 mA) без допълнителна диагностична проводка.
Някои предаватели и контролни системи прилагат конвенция за изгаряне при повреда (downscale или upscale burnout) върху това, карайки сигнала да падне под 3.6 mA или да се покачи над 21 mA при вътрешна повреда, така че отказът да е недвусмислен.
В Европа и Япония това често е формализирано чрез NAMUR NE43, който определя специфични зони: приблизително 3.8, 20.5 mA като нормален измервателен обхват, а долните и горните зони са запазени за алармени и повредни състояния.
Токовата верига е сериялен кръг, така че по основен закон на веригите един и същ ток тече във всяка точка от веригата, предавателят, проводникът и приемникът виждат една и съща стойност независимо от съпротивлението на проводника или дребни спадове на напрежението по кабела.
Напрежителният сигнал не притежава това свойство: съпротивлението в дългите кабелни трасета и връзки кара напрежението, което всъщност достига до приемника, да спадне под това, което е изпратено от предавателя, изкривявайки отчитането с разстоянието.
Токовото сигнализиране също така е по-устойчиво на електрически шум в типичното заводско обкръжение. Приемниците с токов вход представят ниско входно съпротивление (порядък на няколко стотин ома), така че индуцираното шумово напрежение от близки мотори, честотни инвертори или превключваща апаратура вкарва много малко допълнителен ток в веригата.
Приемниците с напрежен вход имат значително по-високо входно съпротивление, така че същият индуциран шум предизвиква пропорционално по-голяма и по-разрушителна грешка. Това е основна причина заводите да използват 4, 20 mA до полевите предаватели и да запазват напрежителни сигнали като 0, 10 V за кратки, ниско-шумови трасета като панел-към-панел окабеляване.
Повечето съвременни процесни предаватели са 2-жични, захранвани от веригата устройства: същите две жици, които носят сигнала 4, 20 mA, доставят и DC захранването, от което предавателят се нуждае, за да работи. Захранване, обикновено 24 V DC, е част от веригата заедно с предавателя и приемащо резисторно или аналогово входно устройство, всички свързани последователно.
Предавателят действа като променлив регулатор на тока, извличайки точно тока, който съответства на неговото измерване независимо от напрежението в веригата, стига да има достатъчно напрежение на неговите клеми.
Напрежението на захранването трябва да е достатъчно високо, за да покрие минималното работно напрежение на предавателя, напрежението паднало върху входния резистор на приемника и всяко напрежение загубено в полевото окабеляване при максимален ток 20 mA.
Този резерв се нарича комплайънс напрежение (минимално необходимо напрежение) на веригата и недостигът му е честа причина сигналът да се чете правилно при нисък ток, но да се „насища“ или да се ограничава при приближаване към 100%.
Протоколът HART (Highway Addressable Remote Transducer) добавя малък, симетричен FSK цифров сигнал върху 4, 20 mA тока, използвайки две аудио честоти (около 1200 Hz и 2200 Hz, според стандарта Bell 202, при 1200 бод) за представяне на цифрови единици и нули.
Понеже този цифров сигнал има средна DC стойност равна на нула за всеки цикъл, той се носи по жицата, без да променя аналоговата стойност, която контролната система чете.
Това позволява на техник да извлече конфигурационни данни, диагностична информация и дори вторично измерване по същото окабеляване, използвано за основния 4, 20 mA сигнал, без добавяне на проводници.
Повечето проблеми с токовата верига се проявяват като един от няколко характерни симптома.
| Симптом | Вероятна причина |
|---|---|
| Показва точно 0 mA | Отворена верига: прекъснат проводник, разхлабена клема, изгорял предпазител или предавател без захранване |
| Заклещено на фиксирана стойност, не реагира на промени в процеса | Неизправен предавател, сензор на физическия си предел или късо някъде във веригата |
| Показва над приблизително 21, 22 mA | Грешка във веригата, предавателят е под принуда в наситено състояние или късо съединение в окабеляването принуждава излишен ток |
| Шумно, непостоянно отчитане | Лошо заземяване, повреден екран на кабела или трасировка твърде близо до окабеляване за честотни инвертори или мотори |
Стандартната полева проверка е да се прекъсне веригата и да се включи милиамперметър последователно, или ако не можете да прекъснете веригата, да измерите напрежението върху известен прецизен резистор, обикновено 250 ома, който преобразува 4, 20 mA в удобен 1, 5 V диапазон за стандартен мултиметър.
Изолирайте веригата на сегменти (предавател, окабеляване, захранване, приемник) и проверявайте всеки поотделно, вместо да гадаете за цялата верига наведнъж. Разхлабените или корозирали терминални връзки и повредената изолация са причина за голяма част от реалните полеви повреди, затова визуалната проверка и проверката за непрекъснатост на окабеляването си заслужава, преди да се предполага, че предавателят е повреден.
4, 20 mA веригата ви казва, че инструментът е отказал. Тя не ви казва защо подлежащият актив е излязъл от спецификацията в първия момент, а повредата видима като нулева стойност често се хваща само след като процесът е работил „на тъмно“ за смяна или повече.
Fabrico запълва тази празнина, като чете състоянието на машината и OEE директно от линията чрез компютърно зрение, улавяйки деградация, която единичен сензор и неговото окабеляване могат да пропуснат, и автоматично маршрутизира работна поръчка веднага щом се открие реална загуба.
Произведено в ЕС с данни, съхранявани в ЕС, и притежава сертификати ISO 27001, ISO 20000-1 и ISO 9001. Запазете демонстрация на Fabrico .
Започването на скалата от 4 mA създава жива нула. Тъй като здравата, захранвана верига винаги изтегля поне 4 mA, отчитане 0 mA може да означава само повреда, като прекъснат проводник или умрял предавател, а не легитимно ниско процесно отчитане. Сигнал 0, 20 mA няма да позволи да се различат тези две ситуации.
Токовите вериги са далеч по-малко чувствителни към съпротивление и дължина на кабела отколкото напрежителните сигнали, защото токът е еднакъв във всяка точка на сериялен кръг. Практическото разстояние е ограничено главно от общото съпротивление на веригата и наличното комплайънс напрежение от захранването, а не от деградация на сигнала по начина, по който напрежителните сигнали са, поради което 4, 20 mA е предпочитан за дълги полеви трасета.
Да. HART суперпонира нискоинтензивен FSK цифров сигнал върху 4, 20 mA, използвайки две аудио честоти. Тъй като този цифров сигнал има нулев нетен DC ефект, той не променя аналоговото измерване, така че както аналоговата стойност, така и цифровите диагностични данни пътуват по една и съща двужична верига.
Третирайте го като отворена верига, докато не се докаже обратното: проверете за изгорял предпазител, разхлабена или прекъсната клема, прекъснат проводник или предавател, който е загубил захранване. Истинско процесно отчитане никога не може да произведе 0 mA в правилно функционираща верига с жива нула.
Вход
Блог
