В электрической сигнализации аналоговая токовая петля используется там, где устройство должно контролироваться или управляться дистанционно через пару проводников. В любой момент времени может присутствовать только один уровень тока.
Основным применением токовых петель является фактический промышленный стандарт токовой петли 4–20 мА для приложений управления технологическими процессами , где они широко используются для передачи сигналов от контрольно-измерительных приборов процесса к пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) контроллерам , системам диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) и программируемым логическим контроллерам (ПЛК) . Они также используются для передачи выходных сигналов контроллера на модулирующие полевые устройства, такие как регулирующие клапаны . Эти петли обладают преимуществами простоты и помехоустойчивости, а также имеют большую международную базу пользователей и поставщиков оборудования. Некоторые полевые устройства 4–20 мА могут питаться от самой токовой петли, что устраняет необходимость в отдельных источниках питания, а «умный» протокол HART использует петлю для связи между полевыми устройствами и контроллерами. Различные протоколы автоматизации могут заменить аналоговые токовые петли, но 4–20 мА по-прежнему является основным промышленным стандартом.
В управлении промышленными процессами аналоговые токовые петли 4–20 мА обычно используются для электронной сигнализации, причем два значения 4 и 20 мА представляют 0–100% диапазона измерения или управления. Эти петли используются как для передачи информации от датчиков с полевых приборов, так и для передачи сигналов управления на устройства модуляции процесса, такие как клапан.
Основными преимуществами токовой петли являются:
Измерения полевых приборов включают давление , температуру , уровень, расход , pH или другие переменные процесса. Токовая петля также может использоваться для управления позиционером клапана или другим выходным приводом . Поскольку входные клеммы приборов могут иметь одну сторону входа токовой петли, подключенную к заземлению шасси (земле), при последовательном подключении нескольких приборов могут потребоваться аналоговые изоляторы.
Связь между текущим значением и измерением переменной процесса устанавливается калибровкой, которая назначает различные диапазоны инженерных единиц диапазону от 4 до 20 мА. Отображение между инженерными единицами и током может быть инвертировано, так что 4 мА представляет максимум, а 20 мА — минимум.
В зависимости от источника тока для контура устройства могут быть классифицированы как активные (поставляющие или «выдающие» питание) или пассивные (полагающиеся на питание контура или «забирающие» его). Например, самописец может обеспечивать питание контура для 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 батарею 24 В (батарея является активным устройством). Обратите внимание, что 4-проводной прибор имеет вход питания, отдельный от токовой петли.
Панельные дисплеи и диаграммные самописцы обычно называют «индикаторными устройствами» или «мониторами процесса». Несколько пассивных индикаторных устройств могут быть соединены последовательно, но контур должен иметь только одно передающее устройство и только один источник питания (активное устройство).
Соглашение 4–20 мА родилось в 1950-х годах из более раннего весьма успешного стандарта пневматического сигнала управления 3–15 psi, когда электроника стала дешевой и достаточно надежной, чтобы электрически эмулировать старый стандарт. Стандарт 3–15 psi имел те же особенности, что и возможность питания некоторых удаленных устройств, и 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 на 3–15 фунтов на квадратный дюйм. Поскольку работа пневматических клапанов по сравнению с моторизованными клапанами имеет много преимуществ по стоимости и надежности, пневматическое приведение в действие по-прежнему является отраслевым стандартом. Чтобы обеспечить создание гибридных систем, где 4–20 мА генерируются контроллером, но позволяют использовать пневматические клапаны, производители предлагают ряд преобразователей тока в давление (I в P). Они обычно располагаются локально по отношению к регулирующему клапану и преобразуют 4–20 мА в 3–15 фунтов на квадратный дюйм (или 0,2–1,0 бар). Затем этот сигнал подается на привод клапана или, что более распространено, на пневматический позиционер. Позиционер представляет собой специальный контроллер, который имеет механическую связь с движением привода. Это гарантирует, что проблемы трения будут преодолены, и элемент управления клапаном переместится в желаемое положение. Это также позволяет использовать более высокое давление воздуха для приведения в действие клапана.
С развитием дешевых промышленных микропроцессоров, «умные» позиционеры клапанов стали доступны с середины 1980-х годов и очень популярны для новых установок. Они включают преобразователь I в P, а также мониторинг положения и состояния клапана. Последние возвращаются через токовую петлю к контроллеру, используя такие протоколы, как HART .
Аналоговые токовые петли исторически иногда переносились между зданиями сухими парами в телефонных кабелях, арендованных у местной телефонной компании. Петли 4–20 мА были более распространены во времена аналоговой телефонии. Эти схемы требуют непрерывности постоянного тока (DC) от начала до конца, и если выделенная пара проводов не была жестко подключена, их использование прекратилось с появлением полупроводниковой коммутации. Непрерывность постоянного тока недоступна через микроволновое радио, оптоволокно или мультиплексное телефонное соединение. Базовая теория цепей постоянного тока показывает, что ток одинаков по всей линии. Было обычным делом видеть схемы 4–20 мА, которые имели длину петли в мили, или схемы, работающие по парам телефонных кабелей, которые были длиннее десяти тысяч футов от конца до конца. Все еще существуют устаревшие системы, использующие эту технологию. В схемах Bell System использовались напряжения до 125 В постоянного тока.
Дискретные функции управления могут быть представлены дискретными уровнями тока, передаваемого по контуру. Это позволит управлять несколькими функциями управления по одной паре проводов. Токи, необходимые для определенной функции, различаются в зависимости от приложения или производителя. Не существует определенного тока, привязанного к одному значению. Почти универсально, что 0 мА указывает на отказ цепи. В случае пожарной сигнализации 6 мА могут быть нормальными, 15 мА могут означать, что обнаружен пожар, а 0 мА вызовут индикацию неисправности, сообщая месту мониторинга о выходе из строя цепи сигнализации. Некоторые устройства, такие как двусторонние пульты дистанционного управления радио, могут менять полярность токов и могут мультиплексировать аудиосигнал на постоянный ток.
Эти устройства могут быть использованы для любой потребности в дистанционном управлении, которую может себе представить проектировщик. Например, токовая петля может активировать эвакуационную сирену или управлять синхронизированными сигналами дорожного движения .
Токовые контуры являются одним из возможных способов управления базовыми радиостанциями на удаленных объектах. В индустрии двусторонней радиосвязи этот тип дистанционного управления называется DC remote . Это название происходит от необходимости обеспечения непрерывности цепи постоянного тока между точкой управления и базовой радиостанцией . Токовый контур дистанционного управления экономит стоимость дополнительных пар проводов между рабочей точкой и радиоприемопередатчиком. Некоторое оборудование, такое как базовая станция Motorola MSF-5000, использует токи ниже 4 мА для некоторых функций. Альтернативный тип, тональный пульт , более сложен, но требует только аудиотракта между точкой управления и базовой станцией. [2]
Например, базовая станция диспетчерской такси может физически располагаться на крыше восьмиэтажного здания. Офис таксомоторной компании может находиться в подвале другого здания неподалеку. В офисе будет пульт дистанционного управления, который будет управлять базовой станцией таксомоторной компании через контур тока. Цепь обычно будет проходить по телефонной линии или аналогичной проводке. Токи функции управления поступают с пульта дистанционного управления на конце цепи диспетчерской. При использовании двусторонней радиосвязи в неиспользуемой цепи ток обычно отсутствует.
При использовании двусторонней радиосвязи производители радио используют разные токи для определенных функций. Полярности меняются, чтобы получить больше возможных функций в одной цепи. Например, представьте себе одну возможную схему, где наличие этих токов заставляет базовую станцию менять состояние:
Эта схема чувствительна к полярности. Если кабельный сплайсировщик телефонной компании случайно перепутал проводники, выбор канала 2 заблокирует передатчик.
Каждый уровень тока может замыкать набор контактов или управлять твердотельной логикой на другом конце цепи. Замыкание этого контакта вызывало изменение состояния на управляемом устройстве. Некоторое оборудование дистанционного управления может иметь параметры, установленные для обеспечения совместимости между производителями. То есть базовая станция, настроенная на передачу с током +18 мА, может иметь измененные параметры, чтобы (вместо этого) заставить ее передавать при наличии +6 мА.
При использовании двусторонней радиосвязи сигналы переменного тока также присутствовали на паре цепей. Если базовая станция была в режиме ожидания, принимаемый аудиосигнал отправлялся по линии с базовой станции в диспетчерскую. При наличии тока команды передачи пульт дистанционного управления отправлял аудиосигнал для передачи. Голос пользователя в диспетчерской модулировался и накладывался на постоянный ток, который заставлял передатчик работать.