В электрической сигнализации используется аналоговая токовая петля , когда устройство должно контролироваться или управляться удаленно по паре проводников. В любой момент времени может присутствовать только один текущий уровень.
Основным применением токовых контуров является де-факто стандартная токовая петля 4–20 мА для приложений управления технологическими процессами , где они широко используются для передачи сигналов от технологических контрольно-измерительных приборов к пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) контроллерам , диспетчерскому управлению и сбору данных. (SCADA) системы и программируемые логические контроллеры (ПЛК). Они также используются для передачи выходных сигналов контроллера на модулирующие полевые устройства, такие как регулирующие клапаны . Эти шлейфы обладают преимуществами простоты и помехоустойчивости, а также имеют большую международную базу пользователей и поставщиков оборудования. Некоторые полевые устройства с током 4–20 мА могут получать питание от самой токовой петли, что устраняет необходимость в отдельных источниках питания, а «умный» протокол удаленного датчика с адресацией по шоссе (HART) использует петлю для связи между полевыми устройствами и контроллерами. Различные протоколы автоматизации могут заменить аналоговые токовые петли, но 4–20 мА по-прежнему остается основным промышленным стандартом.
При управлении промышленными процессами для электронной сигнализации обычно используются аналоговые токовые петли 4–20 мА, при этом два значения 4 и 20 мА представляют собой 0–100% диапазона измерения или управления. Эти петли используются как для передачи информации от датчиков от полевых приборов, так и для передачи управляющих сигналов на устройства, модулирующие процесс, такие как клапан.
Основными преимуществами токовой петли являются:
Измерения полевых приборов включают давление , температуру , уровень, расход , pH или другие переменные процесса. Токовую петлю также можно использовать для управления позиционером клапана или другим выходным приводом . Поскольку входные клеммы приборов могут иметь одну сторону входа токовой петли, подключенную к заземлению шасси, при последовательном соединении нескольких приборов могут потребоваться аналоговые изоляторы.
Взаимосвязь между значением тока и измерением переменной процесса устанавливается посредством калибровки, которая присваивает различные диапазоны технических единиц диапазону от 4 до 20 мА. Сопоставление технических единиц и тока можно инвертировать, так что 4 мА представляет собой максимум, а 20 мА — минимум.
В зависимости от источника тока в контуре устройства могут быть классифицированы как активные (поставляющие или «источники» энергии) или пассивные (зависящие от мощности контура или «получающие» ее). Например, самописец может обеспечивать питание контура датчика давления. Датчик давления модулирует ток в контуре для отправки сигнала на ленточный самописец, но сам по себе не подает питание в контур и поэтому является пассивным. Другой контур может содержать два пассивных самописца, пассивный датчик давления и аккумулятор на 24 В (аккумулятор является активным устройством). Обратите внимание, что 4-проводной прибор имеет вход питания, отдельный от токовой петли.
Панельные дисплеи и самописцы обычно называют «индикаторными устройствами» или «мониторами процесса». Несколько пассивных индикаторных устройств могут быть соединены последовательно, но шлейф должен иметь только одно передающее устройство и только один источник питания (активное устройство).
Стандарт 4–20 мА родился в 1950-х годах на основе ранее весьма успешного стандарта пневматического управляющего сигнала 3–15 фунтов на квадратный дюйм, когда электроника стала дешевой и достаточно надежной, чтобы электрически имитировать старый стандарт. Стандарт 3–15 фунтов на квадратный дюйм имел те же характеристики, что и возможность питания некоторых удаленных устройств, а также имел «живой» ноль. Однако стандарт 4–20 мА лучше подходил для электронных контроллеров, разрабатывавшихся в то время.
Переход был постепенным и продлился до 21 века из-за огромной установленной базы устройств с давлением 3–15 фунтов на квадратный дюйм. Поскольку работа пневматических клапанов по сравнению с клапанами с электроприводом имеет множество преимуществ по стоимости и надежности, пневматический привод по-прежнему остается отраслевым стандартом. Чтобы обеспечить создание гибридных систем, в которых ток 4–20 мА генерируется контроллером, но допускается использование пневматических клапанов, производители предлагают ряд преобразователей тока в давление (I в P). Обычно они устанавливаются локально на регулирующем клапане и преобразуют сигнал 4–20 мА в давление 3–15 фунтов на квадратный дюйм (или 0,2–1,0 бар). Затем этот сигнал подается на привод клапана или, чаще, на пневматический позиционер. Позиционер представляет собой специальный контроллер, который имеет механическую связь с движением привода. Это гарантирует преодоление проблем трения и перемещение элемента управления клапаном в желаемое положение. Это также позволяет использовать более высокое давление воздуха для срабатывания клапана.
С развитием дешевых промышленных микропроцессоров «умные» позиционеры клапанов стали доступны с середины 1980-х годов и очень популярны для новых установок. К ним относятся преобразователь I в P, а также контроль положения и состояния клапана. Последние передаются обратно по токовому контуру на контроллер с использованием таких протоколов, как HART .
Аналоговые токовые петли исторически иногда передавались между зданиями по сухим парам телефонных кабелей, арендованных у местной телефонной компании. Петли 4–20 мА были более распространены во времена аналоговой телефонии. Эти схемы требуют сквозной непрерывности постоянного тока (DC), и, если выделенная пара проводов не была подключена жестко, их использование прекратилось с введением полупроводниковой коммутации. Непрерывность постоянного тока невозможна через микроволновое радио, оптическое волокно или соединение по мультиплексной телефонной линии. Базовая теория цепей постоянного тока показывает, что ток одинаков по всей линии. Часто можно было увидеть цепи 4–20 мА с длиной шлейфа в милях или цепи, работающие по парам телефонных кабелей, длина которых превышала десять тысяч футов от начала до конца. До сих пор существуют устаревшие системы, использующие эту технологию. В цепях Bell System использовалось напряжение до 125 В постоянного тока.
Функции дискретного управления могут быть представлены дискретными уровнями тока, передаваемого по контуру. Это позволит управлять несколькими функциями управления по одной паре проводов. Ток, необходимый для конкретной функции, варьируется от одного приложения или производителя к другому. Не существует определенного течения, привязанного к одному смыслу. Почти всегда 0 мА указывает на неисправность цепи. В случае пожарной сигнализации 6 мА может быть нормальным, 15 мА может означать, что обнаружен пожар, а 0 мА будет означать индикацию неисправности, сообщая месту мониторинга, что цепь сигнализации неисправна. Некоторые устройства, такие как пульты дистанционного управления с двусторонней радиосвязью , могут менять полярность токов и мультиплексировать звук в постоянный ток.
Эти устройства могут быть использованы для решения любых задач дистанционного управления, которые может себе представить дизайнер. Например, токовая петля может активировать сирену эвакуации или подать команду на синхронизированные сигналы светофора .
Цепи токовой петли являются одним из возможных способов управления базовыми радиостанциями на удаленных объектах. В индустрии двусторонней радиосвязи этот тип пульта дистанционного управления называется пультом постоянного тока . Это название происходит от необходимости обеспечения непрерывности цепи постоянного тока между пунктом управления и базовой радиостанцией . Дистанционное управление по токовой петле экономит затраты на дополнительные пары проводов между рабочей точкой и радиопередатчиком. Некоторое оборудование, например базовая станция Motorola MSF-5000, для некоторых функций использует ток ниже 4 мА. Альтернативный тип, тональный пульт , более сложен, но требует только аудиотракта между точкой управления и базовой станцией. [2]
Например, базовая станция диспетчерской службы такси может физически располагаться на крыше восьмиэтажного здания. Офис компании такси может находиться в подвале другого здания неподалеку. В офисе будет иметься блок дистанционного управления, который будет управлять базовой станцией компании такси по токовой цепи. Цепь обычно проходит через телефонную линию или аналогичную проводку. Токи функций управления поступают с пульта дистанционного управления на диспетчерском конце цепи. При двусторонней радиосвязи в незадействованной цепи обычно отсутствует ток.
При использовании двусторонней радиосвязи производители радиоприемников используют разные токи для определенных функций. Полярности изменены, чтобы получить больше возможных функций в одной цепи. Например, представьте себе одну возможную схему, в которой наличие этих токов приводит к изменению состояния базовой станции:
Эта схема чувствительна к полярности. Если кабельный соединитель телефонной компании случайно перепутал проводники, выбор канала 2 заблокирует передатчик.
Каждый уровень тока может замыкать набор контактов или управлять полупроводниковой логикой на другом конце цепи. Это замыкание контакта вызвало изменение состояния управляемого устройства. Некоторое оборудование дистанционного управления может иметь настройки, обеспечивающие совместимость между производителями. То есть базовая станция, которая была настроена на передачу с током +18 мА, могла бы изменить параметры, чтобы (вместо этого) заставить ее передавать при наличии +6 мА.
При двусторонней радиосвязи сигналы переменного тока также присутствовали в паре цепей. Если базовая станция простаивала, принимаемый звук будет передаваться по линии от базовой станции к диспетчерской. При наличии тока команды передачи консоль дистанционного управления будет отправлять аудиосигнал для передачи. Голос пользователя в диспетчерской будет модулироваться и накладываться на постоянный ток, который заставит передатчик работать.