إشارة الجهاز 4 20 مللي أمبير. الإشارات التناظرية الموحدة في أنظمة الأتمتة

الحلقة الحالية هي وسيلة لنقل المعلومات باستخدام القيم المقاسة للتيار الكهربائي. عادةً، يشتمل نظام الحلقة الحالية على مستشعر (الضغط، ودرجة الحرارة، والغازات، وما إلى ذلك)، وجهاز إرسال، وجهاز استقبال، ومحول تناظري إلى رقمي (ADC) أو متحكم دقيق (الشكل 1).

أرز. 1.

يتم إنشاء جهد يتناسب مع المعلمة المقاسة عند خرج المستشعر. يقوم جهاز الإرسال (مضخم التيار المتحكم فيه بالجهد) بتحويل الجهد من المستشعر إلى تيار مطابق من 4 إلى 20 مللي أمبير. في الطرف الآخر من الخط، يقوم جهاز الاستقبال (مضخم الجهد المتحكم به حاليًا) بتحويل التيار 4...20 مللي أمبير إلى جهد مرة أخرى. يقوم المحول التناظري إلى الرقمي برقمنة جهد خرج جهاز الاستقبال للمعالجة اللاحقة بواسطة معالج أو وحدة تحكم دقيقة.

في الأنظمة ذات واجهة الحلقة الحالية، يتم نقل المعلومات باستخدام تيار مضمن بالإشارة. في حلقة تيار 4...20 مللي أمبير، تتوافق أصغر قيمة للإشارة مع تيار قدره 4 مللي أمبير، والأكبر - 20 مللي أمبير. وبالتالي، فإن النطاق الكامل للقيم المسموح بها هو 16 مللي أمبير. يتم الحفاظ على تيار الحلقة عند 4 مللي أمبير في جميع الأوقات، لذا فإن مستويات التيار المنخفضة سوف تكتشف خطًا مفتوحًا وتسهل تشخيص هذا الموقف.

كقاعدة عامة، في أنظمة الأتمتة الصناعية، توجد أجهزة الاستشعار على مسافات طويلة من وحدة التحكم المركزية، وبالتالي فإن الحلقة الحالية لم تفقد أهميتها بعد، لأنها الواجهة التناظرية الأكثر مقاومة للضوضاء، خاصة بالمقارنة مع طرق نقل بيانات الجهد . يتم توضيح نظام أكثر اكتمالا، بما في ذلك حلقة التيار الثانية (على سبيل المثال، للتحكم في محرك الأقراص)، في الشكل 2.

أرز. 2.

وبناء على هذا المخطط، سننظر في الحلول التي يقدمها مكسيم لتنفيذه.

مكبر للصوت التشغيلي
كمحول الجهد الحالي

يوضح الشكل 3 تنفيذًا بسيطًا لمحول الجهد إلى التيار باستخدام مضخم تشغيلي (op-amp). ماكس9943.يوفر هذا المضخم التشغيلي تيار إخراج يزيد عن ±20 مللي أمبير مع جهد إمداد يبلغ ±15 فولت، كما أنه مستقر مع حمل سعوي يصل إلى 1 نانومتر، مما يجعله مناسبًا جدًا للاستخدام في خطوط النقل الطويلة. للعمل في نطاق تيار الإخراج 0...20 مللي أمبير، من الممكن توفير طاقة مكبر للصوت أحادي الإمداد، حيث يوفر MAX9943 تأرجحًا لجهد الخرج يساوي جهد الإمداد ( إخراج السكك الحديدية إلى السكك الحديدية).

أرز. 3.

في هذه الدائرة، يتم وصف العلاقة بين جهد الدخل وتيار الحمل بالتعبير: V IN = (R2/R1) ͑ R SENSE ͑ I LOAD + V REF. يمكن أن تكون قيمة مقاومة الحمل النموذجية عدة كيلو أوم، في هذا المثال: R1 = 1 كيلو أوم؛ R2 = 10 كيلو أوم؛ R سينس = 12.5 أوم؛ تحميل R = 600 أوم.

لتحويل جهد دخل ±2.5 فولت إلى تيار ±20 مللي أمبير، يجب ضبط الجهد المرجعي V REF على 0 فولت. للحصول على خرج تيار 4...20 مللي أمبير من جهد دخل 0...2.5 فولت، يجب إزاحة يجب ضبطه ليظل ثابتًا على الخط الحالي 4 مللي أمبير. مع V REF = -0.25 V، يتم تحويل جهد الدخل 0...2.5 V إلى تيار خرج 2...22 مللي أمبير. عادةً ما يختار المطورون نطاقًا ديناميكيًا أوسع قليلاً للسماح بمعايرة البرامج لاحقًا. يظهر الشكلان 4 و5 اعتمادات جهد الإدخال وتيار الخرج.

أرز. 4. اعتماد I LOAD على V IN لإخراج ± 20 مللي أمبير

أرز. 5. اعتماد I LOAD على V IN لإخراج 4-20mA

MAX15500 وMAX15501 - مكيفات الحلقة الحالية

الدائرة في الشكل 3 التي تستخدم المضخم التشغيلي هي تطبيق بسيط لحلقة التيار، مما يسبب صعوبات في المعايرة بالإضافة إلى أخطاء كبيرة في نقل الإشارة في تطبيقات العالم الحقيقي. من الناحية العملية، لتنفيذ محول الجهد إلى التيار، يُنصح باستخدام حلول أحادية الشريحة، والتي تم وصف المعلمات التقنية لها بدقة في الوثائق.

أرز. 6.

مثال على هذا الحل هو ماكس15500/15501،مولدات خرج التيار التناظري أو خرج الجهد قابلة للبرمجة عبر واجهة SPI. عادةً ما يتم أخذ جهد الدخل لهذه المحولات من مخرج DAC خارجي. بالنسبة لـ MAX15500، فإن نطاق جهد الإدخال هو 0...4.096 فولت، وبالنسبة لـ MAX15501 - 0...2.5 فولت. تتوفر ستة أوضاع تشغيل لمرحلة الإخراج في البرنامج: ±10 فولت؛ 0…5 فولت؛ 0…10 فولت؛ ± 20 مللي أمبير؛ 0…20 مللي أمبير؛ 4…20 مللي أمبير. توفر الدوائر الدقيقة حماية ماس كهربائى؛ الكشف عن انقطاع في خط النقل. الحماية ضد ارتفاع درجة الحرارة واكتشاف انخفاض جهد الإمداد إلى ما دون العتبة.

MAX5661-DAC الإخراج الحالي

الإصدار الأكثر تكاملاً لمحول الإخراج الحالي هو ماكس5661.هذا عبارة عن DAC أحادي القناة 16 بت مع مضخم صوت عالي الجهد يوفر حلاً كاملاً لتحويل الإشارة الرقمية من المعالج إلى مخرج تيار قابل للبرمجة (0...20 مللي أمبير أو 4...20 مللي أمبير) أو الجهد القياسي للصناعة ±10 فولت.

أرز. 7.

يتم التحكم ونقل البيانات إلى DAC عبر واجهة SPI بأربعة أسلاك. تحتوي الدائرة الدقيقة على مخرج #FAULT، والذي يمكن استخدامه لتشخيص دائرة مفتوحة في الحلقة الحالية أو دائرة قصر في خرج الجهد. تجدر الإشارة إلى أن جهاز MAX5661 يتطلب استخدام جهد مرجعي خارجي يبلغ 4.096 فولت، وتوفر الوثائق قائمة بالمراجع فائقة الدقة الموصى بها، على سبيل المثال. ماكس6341، ماكس6133أو ماكس6033.لإتقان جميع وظائف جهاز MAX5661 بسرعة، يتم تقديم مجموعة أدوات التطوير ماكس5661EVCMAXQU +مع واجهة للكمبيوتر الشخصي للتحكم في DAC باستخدام واجهة رسومية (GUI).

MAX1452 - محول إشارة الاستشعار
في الحلقة الحالية

لقد نظرنا حتى الآن في الحلول المناسبة لتحويل الإشارة من متحكم دقيق أو DAC، أي. لنقل إشارات التحكم. لتلقي الإشارة الحالية من أجهزة الاستشعار، يقدم مكسيم دائرة كهربائية دقيقة ماكس1452،يجمع بين جزء تناظري مع مضخم تشغيلي لتوليد إشارة معلومات ودائرة رقمية توفر تعويض الانحراف في درجة الحرارة، وتعديل الإزاحة الصفري، ومعامل نقل قابل للبرمجة باستخدام PGA. يتم تخزين جميع معاملات الضبط في ذاكرة EEPROM المدمجة بسعة 768 بايت.

يوضح الشكل 8 مخطط الدائرة لجهاز MAX1452 مع خرج تيار 4...20 مللي أمبير وطاقة حلقة. يستخدم الترانزستور لتوليد التيار في الحلقة 2N2222A.

أرز. 8.

مودم هارت DS8500

هارت ( بروتوكول محول الطاقة عن بعد للطريق السريع) هو بروتوكول نقل بيانات صناعي رقمي يسمح لك، كقاعدة عامة، بتكوين جهاز استشعار أو الحصول على معلومات حول حالته باستخدام خط يتم من خلاله تنظيم حلقة تيار تناظرية. لنقل البيانات الرقمية، يتم استخدام إشارة معدلة بـ FSK (تعديل تبديل التردد) عبر حلقة تيار تبلغ 4...20 مللي أمبير (الشكل 9). تسمح طريقة التنفيذ هذه باستخدام بروتوكول HART في أنظمة حلقة التيار التناظرية الحالية.

أرز. 9.

لتنظيم الطبقة المادية HART (التعديل وإزالة التشكيل)، يقدم مكسيم شريحة مودم HART DS8500،والذي يسمح بالاستقبال والإرسال أحادي الاتجاه، مع تعديل "1" بتردد 1.2 كيلو هرتز، و"0" - 2.2 كيلو هرتز. من الناحية الوظيفية، يتكون جهاز DS8500 من مزيل التشكيل، والمرشح الرقمي، وADC، والمغير، وDAC (الشكل 10).

أرز. 10.

تضمن هذه البنية (مع التصفية الرقمية وDAC التي تولد إشارة جيبية نقية مع التبديل المستمر بين الترددات) استقبالًا موثوقًا للإشارة في البيئات الصاخبة.

خاتمة

يقدم مكسيم مجموعة كاملة من الحلول لتنظيم نقل البيانات باستخدام الحلقة الحالية، سواء من أجهزة الاستشعار إلى وحدة التحكم المركزية، ومن هذه الوحدة إلى الوحدات التنفيذية. بالإضافة إلى ذلك، لتوسيع وظائف مثل هذا النظام الصناعي، يحتوي خط مكسيم على أكثر من 300 شريحة واجهة مختلفة رس-485/رس-232،يمكن، لين.

الأدب

1. "كيفية استخدام opamps ذات الجهد العالي والتيار العالي في أنظمة حلقة التيار 4-20 مللي أمبير"، موريزيو جافاردوني، مجلة مكسيم الهندسية العدد 68

2. "حلقة التيار التناظرية - حلول من مكسيم"، أناتولي أندروسيفيتش، "المكونات والتقنيات" رقم 8 2009

ومن الأقسام السابقة يتضح أنه غير معالج إشاراتإنها متنوعة للغاية ويمتد نطاق تغييراتها من عدة ميلي فولت (للمزدوجة الحرارية) إلى أكثر من مئات فولت لمولد التاكو. يمكن أن يكون سببها أيضًا تغيرات في جهد التيار المستمر أو جهد التيار المتردد أو حتى المقاومة. لذلك، من الواضح تمامًا أنه إذا كانت بطاقات الإدخال التناظرية موجودة فقط في نطاق الإشارة، فمن الضروري استخدام بعضها.

يمكن تمثيل أصل إشارة الدخل كما هو موضح في الشكل. 4.13. يتم تحويل الإشارة الأساسية من المستشعر الموجود في الموقع إلى إشارة قياسية، والجمع بين المستشعر وهذا الجهاز يسمى جهاز الإرسال أو. بعد ذلك، يمكن تغذية إشارة موحدة تحمل معلومات حول المتغير المقاس إلى لوحة إدخال تناظرية تقليدية.

يطرح سؤال طبيعي: ماذا يجب أن تكون هذه الإشارة الموحدة؟ الإشارات التناظرية هي إشارات منخفضة المستوى، وبالتالي فهي عرضة للتداخل (أو الضوضاء كما يطلق عليها بشكل شائع). الإشارة التي يمثلها تيار كهربائي تكون أقل تأثراً بالضوضاء من الإشارة التي يمثلها الجهد، لذلك عادة ما يتم اختيار حلقة تيار. يتم توصيل المحول وجهاز الاستقبال وفقًا للمخطط الموضح في الشكل. 4.14، ويتم تحويل الإشارة الحالية على الجانب المستقبل إلى جهد باستخدام مقاوم الصابورة. يمكن استخدام الحلقة الحالية مع أجهزة استقبال متعددة (قد يكون هذا جهاز قياس أو مسجل مخطط أو مدخل PLC، على سبيل المثال) متصلة على التوالي.

المعيار الأكثر شيوعًا هو الإشارة التناظرية على شكل تيار بمدى يتراوح بين 4-20 مللي أمبير، حيث يكون 4 مللي أمبير هو الحد الأدنى لمستوى الإشارة، و20 مللي أمبير هو الحد الأقصى. على سبيل المثال، إذا أنتج محول الضغط إشارة 4-20 مللي أمبير تمثل ضغطًا في نطاق 0-10 بار، فإن الضغط البالغ 8 بار سيتوافق مع تيار قدره 8 × (20 - 4)/10 + 4 = 16.8 مللي أمبير. غالبًا ما يتم تحويل الإشارة 4-20 مللي أمبير إلى إشارة 1-5 فولت باستخدام مقاومة صابورة 250 أوم.

تخدم الإشارة "الخالية" بقدرة 4 مللي أمبير (وتسمى الإزاحة) غرضين. أولاً، يتم استخدامه ضد تلف العاكس أو سلك الكابل. في حالة انقطاع محول أو سلك، أو حدوث دائرة كهربائية قصيرة في خط الاتصال، فإن التيار عبر مقاومة الصابورة سيكون صفرًا، وهو ما يتوافق مع إشارة 0 فولت "سلبية" على الجانب المستقبل. يمكن اكتشاف ذلك بسهولة واستخدامه كإنذار "فشل المحول".

يعمل تيار التحيز 4 مللي أمبير أيضًا على تبسيط التخطيط. في التين. 4.14 كان من المفترض أن المحول له استخدام محلي

أرز. 4.15. محول بسلكين 4-20 مللي أمبير

مصدر الطاقة وقدمت الإشارة الحالية. من الممكن إجراء ترتيب مماثل، ولكن الترتيب الأكثر شيوعًا (والأبسط) هو الترتيب الموضح في الشكل. 4.15. هنا، يتم وضع مصدر الطاقة (عادةً 24-30 فولت تيار مستمر) على جانب المستقبل، وتعمل خطوط الإشارة على تشغيل المحول وحمل التيار. يقوم المحول بسحب التيار من مصدر الطاقة في نطاق 4-20 مللي أمبير وفقًا للإشارة المقاسة. يتم تحويل هذا التيار، كما كان من قبل، إلى جهد باستخدام مقاوم الصابورة.

توفر الإزاحة 4 مللي أمبير التيار المطلوب بواسطة المحول ليعمل بشكل صحيح. من الواضح أن هذا لا يمكن تحقيقه إذا كان نطاق الإشارة 0-20 مللي أمبير. المحولات متصلة حسب الرسم البياني في الشكل. 4.15 عادة ما تسمى سلكين.

إحدى واجهات الأتمتة الصناعية هي حلقة تيار 4-20 مللي أمبير، تستخدم لنقل البيانات من محولات الطاقة إلى وحدات التحكم. تعرض الواجهة إشارة تناظرية: 0 مللي أمبير - مفتوح، 4 مللي أمبير - الحد الأدنى لمستوى الإشارة، 20 مللي أمبير - الحد الأقصى لمستوى الإشارة. هناك العديد من أجهزة الاستشعار الصناعية المتاحة مع واجهة حلقة تيار 4-20 مللي أمبير.

أقترح في المقالة التعرف على محول الإشارة التناظرية 0-5 فولت (يمكن تحويلها إلى نطاقات أخرى) إلى إشارة تناظرية 4-20 مللي أمبير - دائرة كهربائية دقيقة xtr115.

الدائرة الدقيقة عالمية: يمكنك توصيل حمل مقاوم بها، ومصادر جهد من 0 إلى 5 فولت، مع إعادة الحساب ونطاقات أخرى، مع إضافة مضخم تشغيلي واحد، أو جسر قياس، أو مخرج متحكم دقيق بإشارة تناظرية (DAC) أو مرت إشارة PWM عبر مرشح.

تتحكم إشارة الدخل المطبقة على Iin (دبوس 2) في ترانزستور القيادة الحالي الناتج Q1. يتم توصيل مدخل الطاقة (+) للخط 4-20 بـ V+ (دبوس 7)، ومخرج Io (دبوس 4). تحتوي الدائرة على مثبتات مدمجة لـ 5V Vreg (pin 8) و2.5V (xtr115) أو 4.096V (xtr116) Vref (pin 1)، والتي يمكن استخدامها لتشغيل الدوائر الخارجية؛ عند استخدامها، عليك أن تأخذ في الاعتبار الحساب: أن الحد الأقصى للتيار الذي يمكن إزالته من المثبت يجب ألا يتجاوز 3.7 مللي أمبير (تستهلك الدائرة الدقيقة حوالي 200 ميكرو أمبير، والحد الأدنى لمستوى الواجهة 4-20 هو 4 مللي أمبير)، وكذلك كل التيار الذي توفره الدائرة الدقيقة من يجب أن تعود كافة أطرافه إلى دبوس Iret. يمكن استخدام الجهد الكهربي من طرف Vref لتحيز إشارة الدخل المطبقة على طرف Iin للحصول على مستوى تيار أدنى يبلغ 4 مللي أمبير على الواجهة 4-20. التيار المتدفق عبر Iin (دبوس 2) يزيد 100 مرة خلال Io (دبوس 4) أيو=100*إيين.

دعونا نلقي نظرة على مخطط الاتصال لمحول xtr115u بمدخل تناظري من 0-5 فولت.

يعتمد المحول على شريحة xtr115. يجب أن يكون لدى الترانزستور Q1 قوة لا تقل عن 0.8 واط، والجهد 40 فولت والتيار 20 مللي أمبير، على سبيل المثال MMBT2222A، BC817، ولكن من الأفضل أن تأخذ شيئًا أكثر قوة. يعمل المكثف C2 على تنعيم التموجات على الخط 4-20، ويحد المقاوم R3 من الحد الأقصى لتدفق التيار، ويمكن إطلاق ما يصل إلى 0.1 واط عليه، ويوصى بالحجم 1206. عند الإدخال، يعمل المكثف C1 كمرشح إدخال. يحد المقاوم R1 من تدفق تيار الإدخال إلى دخل Iin لـ 5V عند 160 μA، وهو ما يتوافق مع 16 مللي أمبير عند خرج Io، والقيمة المحسوبة لـ R1 هي 31.25 كيلو أوم. يحدد المقاوم R2 بقيمة اسمية تبلغ 62.5 كيلو أوم انحيازًا قدره 4 مللي أمبير عند مخرج Io (دبوس 4)، ولهذا يجب أن يتدفق تيار قدره 40 μA من خرج مصدر الجهد المرجعي Vref إلى دخل الإشارة Iin. إن تدفق التيار عبر المقاوم المتحيز R2 عند 40 μA وتدفق التيار عبر المقاوم R1 المحدود بـ 160 μA يعطي الإدخال Iفي نطاق من 40 إلى 200 μA، وتضاعف الدائرة الدقيقة هذه القيمة بمقدار 100 وعند الخرج Iout نطاق التدفق الحالي هو 4-20 مللي أمبير.

انتباه! بالإضافة إلى الرسم البياني.الترانزستورات الموجودة في حزمة sot23 ليست مناسبة لهذه الدائرة، ولا يمكن استخدامها إلا عند الفولتية المنخفضة حتى 15 فولت ووجود مقاوم يحد من التيار (R3). يمكن أن يصل الحد الأقصى لتبديد الحرارة على الترانزستور إلى 0.8 واط، وهذا بالفعل عبارة عن علب D-PACK، بجهد أقل مع امتداد sot-223. يمكن للمقاوم R3 إطلاق طاقة تبلغ حوالي 0.1 واط، والحجم الأمثل هو 1206.
تم تصميم اللوحة المعروضة في المقالة للتعرف على هذه الدائرة الدقيقة وتعمل بجهد عند الواجهة الحالية أقل من 15 فولت، وتم اختبارها لفترة وجيزة عند 30 فولت.

الهيكل الداخلي للمحول.

لتسهيل اختيار المقاومات R1 و R2 ولإضافة الحد الأدنى والحد الأقصى لإعداد/معايرة القيمة، تم تخفيض قيم المقاومات إلى القيمة الأكثر شيوعًا من الجدول E وأضيفت إليها أدوات القطع متعددة الدورات.

R3 - إعداد صفر، تعديل 4 مللي أمبير عند خرج الدائرة عندما يكون دخل Vin متصلاً بالسلك المشترك. R1 - تحديد القيمة القصوى، وضبط 20 مللي أمبير عند خرج الدائرة عندما يكون دخل Vin متصلاً بـ VDD 5V.

تبدو لوحة الدوائر المطبوعة كما يلي:

شريحة المحول xtr115 في حزمة SO8، والترانزستور في حزمة sot-23 (تم اختيار الترانزستور بدون احتياطي طاقة، ومن الأفضل اختيار واحد في حزمة أكبر مع تبديد أفضل للحرارة). جميع المقاومات والمكثفات موجودة في السكن 0805. وينقسم المقاوم R2 بقيمة اسمية 30 كيلو إلى 2: 10 كيلو و 20 كيلو. مقاومات القطع R1 و R3 متعددة الأدوار في حزمة 3296 واط. الموصل X1 مصنوع على شكل PLS-3R، والطرف المربع هو GND، والكتلة الطرفية X2 - 350-021-14 لها خطوة 3.5 مم.

أمثلة على استخدام واجهة الحلقة الحالية xtr115 4-20mA:

أبسط شيء يمكن توصيله بالمحول هو المقاوم المتغير (R1، في الرسم التخطيطي مع الأمثلة أعلاه) بمقاومة 3.3 كيلو أوم أو مستشعر بمقاومة خرج متغيرة.

يمكنك أيضًا توصيل إخراج وحدة التحكم الدقيقة DAC أو PWM بـ xtr115 من خلال مرشح (مرشح على شكل حرف U على C1 وR2 وC2، في الرسم البياني أعلاه)، والذي سيؤدي إلى محاذاة إشارة PWM الخاصة بوحدة التحكم في إشارة تناظرية بحيث يمكن تغذيته إلى مدخل Vin للمحول. لا تنس المستويات: يجب أن تغطي إشارة الخرج الخاصة بوحدة التحكم الدقيقة نطاق التشغيل الكامل للمحول (4-20 مللي أمبير)، ولهذا يجب أن يكون جهد إمداد وحدة التحكم الدقيقة هو نفس جهد المحول، وإلا فسوف يجب تثبيت عناصر مطابقة إضافية.

يمكنك أيضًا توصيل أجهزة الاستشعار الجاهزة بجهد خرج متغير بالمحول. على سبيل المثال: مستشعر درجة الحرارة الخطي LM35 (U1، انظر في الرسم البياني أعلاه)، والذي تحتاج إليه فقط لمقاوم سحب لأعلى R3 بقيمة اسمية تبلغ 2 كيلو أوم، والذي يمكن سحبه إلى منظم الجهد 5 فولت المدمج في xtr115. سيكون هذا الحل مسموحًا به فقط لأجهزة الاستشعار ذات استهلاك تيار صغير يصل إلى 3.7 مللي أمبير ؛ إذا كان استهلاكها يشوه تشغيل الواجهة من 4 إلى 20 مللي أمبير ، فسيتعين عليك استخدام مصدر طاقة خارجي لمثل هذه المهام.

الحلقة الحالية عبارة عن واجهة نقل معلومات ذات سلكين حيث يتم تضمين البيانات في القيمة الحالية.

شكر وتقدير

شكرا جزيلا لميخائيل جوك على الكتب المثيرة للاهتمام. ذات مرة، بدأ المؤلفون دراسة الإلكترونيات الحديثة بموسوعة ومنشورات هذا الشخص الرائع. وبدون الإنترنت، كان لا بد من تقليب الكتب المدرسية بيديك بصبر، وكانت الفئران تجري في الغالب تحت الأرض.

تقوم شركة muRata بتزويد القراء باستمرار بمعلومات جديدة، مما يعني أن القراء الآن سيكونون على دراية بالأخبار أيضًا. المنتجات المعنية مذكورة بالفعل في القسم الخاص بأجهزة استشعار القصب. نحن نتحدث عن أحدث التطورات – RedRock.

الحاجة إلى حلقة الحالية

تعتبر الحلقة الحالية 4-20 مللي أمبير بروتوكولًا شائعًا لنقل معلومات المستشعر. في الصناعة، غالبًا ما تكون هناك حاجة لقياس المعلمات الفيزيائية، على سبيل المثال:

• ضغط؛
• درجة حرارة؛
• تدفق السائل.

تنشأ الحاجة باستمرار عندما يلزم نقل المعلومات عبر مسافات تصل إلى مئات الأمتار أو أكثر. تعتبر الحلقة الحالية واجهة رقمية بطيئة، ويرجع ذلك إلى شحن سعة الكابل من المصدر (والذي يتجلى مع زيادة التردد)، وهناك إمكانيات كافية للأجهزة التناظرية أو المنفصلة. يتم تزويد أجهزة الإرسال بـ 12 بطارية (في كثير من الأحيان) أو 24 فولت (في أغلب الأحيان). يسمح الأخير بنقل المزيد من المعلومات؛ ويصبح المعلم المهم هو التيار، وليس الجهد. كلما زاد طول الخط، كان الانخفاض في الإمكانيات أكثر وضوحًا.

الحل التقني المعطى له بعض العيوب. أولا، عليك استخدام الأسلاك المحمية، وثانيا، تؤدي الزيادة في النطاق إلى انخفاض حاد في الكفاءة. تتكون الحلقة الحالية النموذجية من أربعة مكونات:

1. مزود الطاقة. الموقع تعسفي.
2. جهاز الاستقبال أو الشاشة.
3. الارسال (الاستشعار).
4. محول الجهد إلى التيار.

توفر أجهزة الاستشعار معلومات تتناسب مع المعلمة المقاسة، ممثلة بالجهد. ولذلك، تحتاج إلى القيام بالتحويل إلى التيار. ثم يتم تشفير المعلومات إما بالمستوى الحالي أو في شكل ثنائي: 4 مللي أمبير - صفر، 20 مللي أمبير - واحد. على الجانب المتلقي، يتم فك تشفير المعلومات.

يدعي عشاق التكنولوجيا الرقمية السرعة المنخفضة للحلقة الحالية. في الواقع، مع سعة خطية تبلغ 75 pF/m، تشكل قطعة سلك بطول كيلومتر مكثفًا بقيمة اسمية تبلغ 75 nF. مع زيادة التردد، تنخفض المقاومة، ويمنعك تأثير التجانس والتصفية من العمل بشكل صحيح مع المعلومات. في 19 μs، يتم ملء المكثف بالكامل بجهد 5 فولت، مما يتسبب في القيد الملحوظ البالغ 9.6 كيلوبت/ثانية.

تعتبر الحلقة الحالية نفسها بروتوكولًا قديمًا؛ وهناك بروتوكولات أخرى مستخدمة على نطاق واسع جاهزة لتحل محلها، على سبيل المثال، MIDI وواجهة HART الصناعية، غير المعروفة بين عامة الناس.

معلومات عامة

المفاجأة الأولى هي عدم وجود معايير موحدة. أصبحت البروتوكولات 4-20 مللي أمبير، 0-20 مللي أمبير، و0-60 مللي أمبير هي المهيمنة، ولا توجد قواعد صارمة وسريعة. يمكن أن تنتقل أي معلومات في الحلقة الحالية. إذا كان هذا رمزًا ثنائيًا، فإن الواحد يتوافق مع وجود تيار 20 مللي أمبير، اعتمادًا على إعدادات النظام، والصفر يتوافق مع غياب الإشارة أو وجود 4 مللي أمبير. في حالة حدوث فاصل أسطر أثناء إرسال الحزمة، فمن المؤكد أنه سيتم التعرف على ذلك من خلال بايت التوقف.

تم استخدام الواجهة منذ الخمسينيات، وفي الأصل تم ترميز الوحدة على أنها 60 مللي أمبير تيار مستمر. ونتيجة لذلك، كانت كفاءة النظام أقل بكثير. ظهرت حلقة 20 مللي أمبير في عام 1962 كإشارة للطباعة عن بعد - لطباعة الرسائل عن بعد (توصيل آلتين كاتبتين كهربائيتين). منذ بداية الثمانينات، حاولوا تقليل التيار، ولم يكن ذلك ناجحًا دائمًا. قررنا التوصل إلى حل وسط:

1. 4 مللي أمبير تعني الصفر الحي. حتى يعرف النظام على وجه اليقين ما إذا كان هناك انقطاع في الشبكة.
2. تبقى الوحدة 20 مللي أمبير.

القيد الرئيسي هو مسافة نقل المعلومات. تتأثر المعلمة بمعدل البت: على مسافات الكيلومتر، تبلغ سرعة نقل المعلومات المسموح بها 9600 بت/ثانية. لا يتم استخدام الخط أعلى من 19.2 كيلوبت/ثانية. ونتيجة لذلك، يتأثر النطاق بالمعلمات الكهربائية للخط ومستوى التداخل. كان من المفترض أن يتم استبدال الحلقة الحالية وفقًا لأفكار Fieldbus، وفي الواقع، تم استخدام الإصدار القياسي RS-485 (1983) من منفذ COM اليوم. حتى يومنا هذا، يتم توصيل المحطات الطرفية التي تستخدم بروتوكول RS-232 باستخدام حلقة تيار، ويتم إجراء التحويل اللازم على الجانب المتلقي. تعمل الطابعات المحددة أحيانًا وفقًا للبروتوكول. دع الحد النظري هنا يكون 115 كيلو بايت/ ثانية، وفي الممارسة العملية يتم استخدام 9600.

خصوصية الحلقة الحالية هي أن المرسل لا ينتبه إلى الجهد. تختلف القوة. الشيء الرئيسي هو الحفاظ على القيمة الحالية، 20 مللي أمبير. ولذلك، كلما زاد طول الخط، انخفضت الكفاءة. هذه قاعدة مطبقة بصرامة. بشكل دوري، تحدث حلقة تيار مع عزل كلفاني. لهذا الغرض، يتم استخدام optocouplers وهياكل أشباه الموصلات المماثلة.

عادةً ما يتم استخدام الكابل المحمي لتجنب التداخل السعوي المتوازي الذي لا يمكن تعويضه أو تتبعه. يعد الكبل المزدوج الملتوي المحمي خيارًا جيدًا لإنشاء شبكة. بفضل التشابك الوثيق بين الأسلاك، فإنه يزيل التداخل الخارجي في شكل تداخل حثي وتداخل في الوضع الشائع. لإنشاء قناة مزدوجة، يتم استخدام زوجين ملتويين، والواجهة عبارة عن برنامج يتم التحكم فيه باستخدام طرق XON/XOFF. تتغلب التطبيقات المخصصة اللائقة على متاعب إنشاء طلبات واستجابات النقل المسبق.

عند جهاز الاستقبال، يتم تحويل التيار إلى جهد باستخدام مقسم مقاوم. اعتمادًا على الجهد، يتم استخدام مقاومات تتراوح من 125 إلى 500 أوم. في بعض الأحيان يتم تثبيت محول (محول إشارة) على جانب جهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال إلى الواجهة التسلسلية لمنفذ COM. يتم حساب انخفاض الجهد عبر المقاوم وفقًا لقانون أوم، على سبيل المثال، بقيمة اسمية تبلغ 250 أوم ستكون 250 × 0.02 = 5 فولت. وبناءً على ذلك، يمكن معايرة جهاز الاستقبال، إذا لزم الأمر، إلى المستوى المطلوب.

أين يتم استخدام الحلقة الحالية؟

1. السيطرة على العمليات التكنولوجية. في التصنيع، تعتبر حلقة التيار 4-20 مللي أمبير هي الواجهة التناظرية الرئيسية. يتم استخدام الصفر "المباشر" عندما يعني الغياب الكامل للإشارة انقطاع الخط. يتم استخدام تيار 4 مللي أمبير أحيانًا كطاقة لجهاز الإرسال، أو يتم تعديل الإشارة الواردة بواسطة المستشعر وإعادتها كمعلومات. هناك دوائر تكون فيها البطارية منفصلة، ​​ثم يتم تعديل إشارتها. لا يهدر جهاز الاستقبال ولا جهاز الإرسال طاقته الخاصة.
2. في أيام المهاتفة التناظرية، ظلت الحلقة الحالية هي واجهة الاتصال المفضلة. واليوم لا تزال هناك أسلاك كهربائية في الشقق. هنا يتم تشغيل الهاتف بواسطة المحطة ويقوم بتعديل الإشارة للاتصال بالمشترك. كما هو الحال مع المستشعر الموصوف أعلاه. وتبقى هذه السطور بمثابة إرث من العصور الماضية. على سبيل المثال، تستخدم شركة Bella System طاقة التيار المستمر حتى 125 فولت.
3. تُستخدم الحلقة الحالية أحيانًا لنقل المعلومات حسب مستوى الإشارة. على سبيل المثال، 15 مللي أمبير تعني "على النار!"، 6 مللي أمبير تعني "كل شيء على ما يرام"، 0 مللي أمبير تعني انقطاع السطر. تضع أي شركة مصنعة محلية قواعدها الخاصة وتستخدم البروتوكول.
4. في الاتصالات الهاتفية، يمكن التحكم في المحطة الأساسية عبر حلقة تيار. وهذا ما يسمى "جهاز التحكم عن بعد بالتيار المستمر". على سبيل المثال، يستخدم Motorola MSF-5000 تيارات ثابتة تبلغ 4 مللي أمبير لنقل إشارات الخدمة. مثال على هذا البروتوكول:

• لا يوجد تيار - استقبل على القناة 1.
• +6 مللي أمبير - الإرسال على القناة 1.
• -6 مللي أمبير – تلقي المعلومات على القناة 2.
• -12 مللي أمبير - ينقل على القناة 2.

واجهة ميدي

يحظى تنسيق MIDI بشعبية كبيرة بين الموسيقيين وهو عبارة عن بروتوكول تسجيل صوتي رقمي متخصص. على المستوى الفيزيائي، يتم تنظيمه وفقًا لدائرة تيار 5 مللي أمبير. وبطبيعة الحال، نظرا للاختلاف في مستويات الوحدة، فإن معياري النقل غير متوافقين بشكل مباشر. وفقًا لميخائيل جوك، تم تطوير MIDI في عام 1983 وأصبح القاعدة الفعلية لتوصيل أجهزة المزج.

تفيد ويكيبيديا أنه في يونيو 1981، قدمت شركة Roland فكرة الواجهة القياسية إلى شركة تصنيع كبيرة للمركبات، Oberheim Electronics. بالفعل في أكتوبر، ناقش سميث وأوبرهايم وكاكيهاشي هذا الأمر مع مجالس إدارة ياماها وكورج وكاواي، وفي نوفمبر في معرض مجتمع AES أظهروا أول نسخة عملية.

كانت الواجهة قيد التطوير لمدة عامين، وفي يناير 1983، قام سميث بتوصيل جهازي توليف تناظري عبر MIDI. هذا جعل من الممكن نقل الترتيبات مباشرة وإنشاء مقطوعات موسيقية جديدة. في وقت لاحق، تم تقديم ملفات MIDI لدعم نظام التشغيل Windows، مما يسمح للمؤلفين بمعالجة الألحان مباشرة، وتشبعها بمؤثرات خاصة جديدة غير موجودة في أجهزة المزج الأصلية. سمح إدخال عينات من الآلات المختلفة للفنان بإعادة إنتاج المرافقة الموسيقية بأي تعقيد.

تطبيق ميدي

يستخدم MIDI خطوطًا مادية تبلغ 5 مللي أمبير. نادرًا ما يتم العثور عليه 10. يتم إجراء العزل الجلفاني من خلال جهاز optocoupler. يتم التعرف على انعكاس الإشارة كميزة مميزة:

1. هناك الحالي.
2. لا يوجد تيار.

ولذلك فإن MIDI غير متوافق بشكل مباشر مع حلقة التيار التقليدية. رأى العديد من الأشخاص الواجهة المادية، لكنهم لم يعرفوا الاسم. بصريًا، المقبس عبارة عن قرص عازل بفتحة جانبية، ويوجد 5 فتحات (DIN) حول المحيط. الهيكل محاط بدائرة بواسطة شاشة. لدى الموسيقيين ثلاثة أنواع من الواجهة:

1. ميدي في.
2. ميدي خارج.
3. ميدي الظهور.

يوجد أحيانًا منفذ MIDI على اللوحة الأم للكمبيوتر الشخصي. في الوضع العادي، يتم استخدام الأطراف 12 و15 غير المستخدمة من منفذ محول الألعاب DB-15S فعليًا. يتطلب منطق TTL المستخدم هنا محولًا للتواصل مع أجهزة المزج القياسية باستخدام بروتوكول الحلقة الحالي. شريحة المحول ليست معقدة للغاية، فهي تشتمل على optocoupler، والصمام الثنائي، وعدد من العناصر المنطقية.

منفذ MIDI قابل للبرمجة عبر UART كمنفذ COM تسلسلي. توجد بطاقات صوت مع MIDI معروضة للبيع أو بطاقات توسعة منفصلة للفتحات المجانية.

بروتوكول هارت

يعد هذا تطويرًا لبروتوكول Fieldbus المستخدم على نطاق واسع في الصناعة. الأساس الأساسي هو حلقة تيار 4-20 مللي أمبير، مما يعني أنه يمكن استخدام الأزواج الملتوية المتبقية من البروتوكولات القديمة. في البداية، كان المعيار يعتبر واجهة اتصالات متخصصة للغاية، ولكن في عام 1986 تم إصداره للجمهور. يتم الإرسال عبر HART في حزم كاملة تتكون من:

1. الديباجة – 5-20 بايت. يعمل على المزامنة واكتشاف الناقل.
2. بايت البداية - 1 بايت. يشير إلى الرقم الرئيسي للحافلة.
3. العنوان - من 1 إلى 5 بايت. تم تعيينه للسيد والخادم ويعمل بمثابة علامة خاصة للوضع الدفعي.
4. التمديد - من 0 إلى 3 بايت. يشار إلى طوله في بايت البداية.
5. الأمر - 1 بايت. ما يجب على العبد فعله.
6. عدد بايتات البيانات هو 1 بايت. حجم حقل البيانات بالبايت.
7. البيانات – من 0 إلى 255 بايت. البيانات التي تساعد في فك ترتيب الإجراءات.
8. المجموع الاختباري هو 1 بايت. يحتوي على نتيجة عملية XOR المنطقية لجميع البايتات باستثناء بايتتي البداية والنهاية في كتلة البيانات.

وبطبيعة الحال، تعتبر بنية الحزمة نموذجية للأجهزة الرقمية وتحتاج إلى فك تشفيرها من أجل التنفيذ الصحيح للأمر.

ماذا يجب أن تفعل إذا كنت بحاجة إلى قراءة قراءات جهاز استشعار درجة الحرارة الذي يعمل في بيئة إنتاج صناعي ويقع على مسافة 30 مترًا من وحدة التحكم؟ بعد الكثير من التفكير والدراسة المتأنية للحلول الحالية، ربما لن تختار Wi-Fi أو Bluetooth أو ZigBee أو Ethernet أو RS-232/423، بل حلقة تيار تبلغ 20 مللي أمبير، والتي تم استخدامها بنجاح لأكثر من 50 عامًا. على الرغم من الطبيعة القديمة لهذه الواجهة، إلا أن هذا الاختيار له ما يبرره في كثير من الحالات.

تكشف هذه المقالة، المنظمة في شكل أسئلة وأجوبة، ميزات استخدام الحلقة الحالية لجمع البيانات والتحكم فيها. توضح المقالة أيضًا التحسينات والتعديلات المختلفة للحلقة الحالية التي تم إجراؤها عبر تاريخ استخدامها العملي.

ما هي الحلقة الحالية 20 مللي أمبير؟

الحلقة الحالية 0-20 مللي أمبير أو الحلقة الحالية 4-20 مللي أمبير هي معيار واجهة سلكية يتم فيها تشفير الإشارة كتيار تناظري. يتوافق التيار البالغ 4 مللي أمبير مع الحد الأدنى لقيمة الإشارة، والتيار البالغ 20 مللي أمبير يتوافق مع الحد الأقصى لقيمة الإشارة (الشكل 1). في التطبيق النموذجي، يتم تحويل جهد المستشعر (غالبًا في نطاق الميليفولت) إلى إشارة تيار في نطاق 4-20 مللي أمبير. تم استخدام الحلقة الحالية في جميع الأنظمة التناظرية منذ ما قبل ظهور التحكم الرقمي وقد حلت محل أنظمة التحكم الهوائية في المنشآت الصناعية.

أرز. 1. عند العمل باستخدام جهاز استشعار، تتضمن حلقة التيار خمسة عناصر رئيسية: جهاز الاستشعار وجهاز الإرسال ومصدر الطاقة والدائرة الموصلة (الحلقة) وجهاز الاستقبال

هل يمكن استخدام الحلقة الحالية مع الإشارات الرقمية؟

نعم ممكن. عادةً ما يتم استخدام إشارة تيار 4 مللي أمبير لتمثيل المنطق "0" ويتم استخدام إشارة تيار 20 مللي أمبير لتشفير المنطق "1". سيتم مناقشة هذا بمزيد من التفصيل أدناه.

أين يتم استخدام واجهة الحلقة الحالية 4-20 مللي أمبير؟

يتم استخدامه بشكل أساسي في التطبيقات الصناعية حيث يقع المستشعر وجهاز التحكم أو جهاز التحكم والمشغل على مسافة كبيرة من بعضها البعض وتعمل كابلات الاتصال في بيئات ذات مستويات عالية من التداخل الكهرومغناطيسي.

لماذا نستخدم الحلقة الحالية بدلاً من الواجهات التقليدية مثل RS-232، RS-423، RS-485، وما إلى ذلك؟

هناك سببان وجيهان.

أولاً، توفر الدائرة ذات المعاوقة المنخفضة في الحلقة الحالية مناعة عالية للضوضاء الخارجية. وفقا لقانون كيرشوف، فإن مجموع تيارات الدائرة المغلقة هو صفر. لهذا السبب، من المستحيل إضعاف أو تقوية التيار في الحلقة الحالية (الشكل 2). من الناحية العملية، يتم تغذية الحلقة الحالية من مصدر جهد 12 إلى 30 فولت، لكن إلكترونيات المرسل تحول الجهد إلى تيار. من ناحية أخرى، تعتمد الواجهات التي تستخدم إشارات الجهد على دوائر ذات مقاومة عالية تكون عرضة للتداخل.

ثانيًا، تتمتع الحلقة الحالية بوظيفة تشخيص ذاتي طبيعية: إذا كانت الدائرة مكسورة، ينخفض ​​التيار إلى الصفر، وهو ما يتم تحديده تلقائيًا بواسطة الدائرة. بعد ذلك، يتم إصدار تحذير طارئ ويتم تحديد مكان التمزق.

أرز. 2. يتم تحديد المبدأ الكامن وراء الحلقة الحالية من خلال قانون كيرشوف الأول: مجموع التيارات في حلقة مغلقة هو صفر

كيف يتم تنفيذ الحلقة الحالية على جانب المستشعر وعلى جانب المحرك؟

يمكن تقسيم الأجهزة المتصلة بالحلقة الحالية إلى مجموعتين رئيسيتين: أجهزة الاستشعار والمحركات. تقوم المستشعرات بتنفيذ دائرة إرسال تولد إشارة تيار خطية في نطاق 4…20 مللي أمبير. تستخدم المحركات دائرة استقبال تقوم بتحويل التيار إلى جهد تحكم. على سبيل المثال، لتعيين الحد الأدنى لسرعة دوران المحرك، تولد وحدة التحكم إشارة تيار 4 مللي أمبير، ولضبط السرعة القصوى، تولد إشارة 20 مللي أمبير.

لماذا لا تستخدم واجهة لاسلكية، مثل Wi-Fi، أو واجهة سلكية أخرى، مثل Ethernet، بدلاً من الحلقة الحالية؟

لقد قيل أعلاه أن الحلقة الحالية لها ميزتان مهمتان: مناعة عالية للضوضاء وقدرة التشخيص الذاتي المدمجة. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع هذه الواجهة بمزايا أخرى، بما في ذلك: انخفاض تكلفة التنفيذ، وسهولة الإعداد والتصحيح، وسهولة التشخيص، والموثوقية العالية، والقدرة على إنشاء خطوط اتصال طويلة تصل إلى عدة مئات من الأمتار (إذا كان مصدر الطاقة يمكنه تغطية الانخفاض) الجهد على الأسلاك).

تعتبر المعايير السلكية الأخرى أكثر صعوبة في التكوين والصيانة، كما أنها حساسة للضوضاء، وأقل أمانًا ضد القرصنة، ولها تكاليف تنفيذ عالية.

من الممكن تمامًا إنشاء اتصالات لاسلكية في بيئة صناعية إذا كنا نتحدث عن مسافات قصيرة. ولكن عند العمل لمسافات طويلة، تنشأ صعوبات بسبب الحاجة إلى تصفية متعددة المستويات وتنفيذ آليات الكشف عن الأخطاء وتصحيحها، الأمر الذي يؤدي أيضًا إلى تكرار البيانات. كل هذا يزيد من تكلفة ومخاطر انقطاع الاتصال. من غير المحتمل أن يكون هذا الحل مبررًا إذا كنت تحتاج فقط إلى توصيل مستشعر درجة حرارة بسيط أو وحدة تحكم بالصمام/المحرك.

كيف يتم تحويل إشارة الحلقة الحالية إلى الجهد؟

الأمر بسيط للغاية: يمر التيار عبر المقاوم، ويتم تضخيم انخفاض الجهد الناتج باستخدام مضخم تشغيلي أو تفاضلي. لأسباب مختلفة، تم اختيار القيمة القياسية البالغة 250 أوم لمقاومة الحلقة الحالية. وبالتالي، فإن إشارة 4 مللي أمبير تتوافق مع جهد 1 فولت، وإشارة 20 مللي أمبير تتوافق مع جهد 5 فولت. ويبدو أن الجهد 1 فولت كبير بما يكفي مقارنة بضوضاء الخلفية ويمكن قياسه بسهولة. يعد 5V أيضًا مناسبًا جدًا ويقع ضمن النطاق المقبول لمعظم الدوائر التناظرية. في الوقت نفسه، الحد الأقصى للطاقة التي يتبددها المقاوم الحلقة الحالية (I 2 R) هو 0.1 واط فقط، وهو مقبول حتى بالنسبة للأجهزة ذات قدرات تبديد الحرارة المحدودة.

هل حلقة التيار 20 مللي أمبير هي في الحقيقة من بقايا الماضي وتستخدم فقط في الأجهزة الإلكترونية القديمة؟

مُطْلَقاً. لا تزال الشركات المصنعة للأجهزة وIC تصدر منتجات جديدة تدعم هذه الواجهة.

كيف تتكيف حلقة التيار التناظرية مع العالم الرقمي؟

كما ذكر أعلاه، تسمح الحلقة الحالية بنقل البيانات الرقمية. لا يمكن إرسال نتائج القياس من المستشعر كإشارة تناظرية مستمرة، ولكن كإشارات تيار منفصلة. يتراوح عرض البيانات النموذجي من 12 إلى 16 بت. في بعض الأحيان يستخدمون 18 بت، ولكن هذا استثناء إلى حد ما، لأن 16 بت كافية للأنظمة الصناعية العادية. بهذه الطريقة، يمكن دمج الحلقة الحالية في أنظمة التحكم الرقمية.

ما هو المطلوب أيضًا لنقل البيانات الرقمية؟

إن مجرد إرسال البتات على شكل نبضات حالية لا يكفي لتنفيذ تبادل البيانات الرقمية. يجب أن تكون هناك طريقة ما لإخبار المستخدم بموعد بدء حزمة البيانات وانتهائها. بالإضافة إلى ذلك، يلزم مراقبة حدوث الأخطاء وتنفيذ بعض الوظائف الأخرى. وبالتالي، لنقل البيانات الرقمية باستخدام الحلقة الحالية، من الضروري تحديد تنسيق الإطار وتنفيذ بروتوكول الإرسال المقابل.

ما هو معيار هارت؟

HART هو معيار مقبول بشكل عام ولا يحدد التشفير المادي للبتات فحسب، بل يحدد أيضًا تنسيق وبروتوكول نقل البيانات. على سبيل المثال، يستخدم تنسيق الإطار مجالات مختلفة: تمهيد متعدد البايتات، بايت البداية، عنوان متعدد البايتات، حقل أمر، حقل بيانات، حقل يشير إلى عدد بايتات البيانات، البيانات الفعلية، وأخيرًا المجموع الاختباري.

بدأت شركة Rosemount Corp. في تطوير HART في الثمانينيات، وسرعان ما أصبحت معيار الصناعة الفعلي. تم إنشاء تعيين HART (محول الطاقة عن بعد القابل للعنونة على الطريق السريع) في التسعينيات عندما أصبح المعيار مفتوحًا وتم تنفيذه كمعيار IEC للاستخدام في أوروبا. لقد خضع HART لثلاثة تعديلات رئيسية، لكنه ظل متوافقًا مع جميع الإصدارات السابقة، وهو أمر مهم للغاية لسوق الإلكترونيات الصناعية.

ميزة إضافية لـ HART هي تضمين معلومات الشركة المصنعة للجهاز الإلكتروني في حقل الأوامر. تعمل هذه المعلومات على إزالة الارتباك أثناء التثبيت وتصحيح الأخطاء والتوثيق، حيث يوجد أكثر من 100 بائع للأجهزة المتوافقة مع HART.

ما هي التحسينات الأخرى التي تقدمها هارت؟

يسمح استخدام حقل عنوان البايت بتشغيل حلقة حالية واحدة مع أجهزة استشعار متعددة متصلة لأنه يمكن تعيين رقم فريد لكل مستشعر. يؤدي هذا إلى توفير كبير في تكاليف الأسلاك والتركيب مقارنة بالاتصال من نقطة إلى نقطة.

إن توصيل العديد من الأجهزة بحلقة تيار مشتركة واحدة يعني انخفاض معدل نقل البيانات الفعال لكل جهاز على حدة. ومع ذلك، في أغلب الأحيان هذه ليست مشكلة. والحقيقة هي أنه في معظم التطبيقات الصناعية، نادرًا ما يحدث تحديث البيانات ونقل الأوامر - مرة واحدة تقريبًا في الثانية. على سبيل المثال، درجة الحرارة، وهي الكمية الفيزيائية الأكثر قياسًا، تتغير عادة ببطء شديد.

وبالتالي، فإن معيار HART يجعل حلقة التيار 20 مللي أمبير ذات صلة حتى في العصر الرقمي.

هل هناك أي تحسينات أخرى تجعل هذه الواجهة أكثر أهمية؟

نعم، هناك تحسن مهم آخر يتعلق بالتغذية. تذكر أن الحلقة الحالية تستخدم نطاق إشارة يتراوح من 4 إلى 20 مللي أمبير. قد يكون المصدر الحالي موجودًا في جهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال. في الوقت نفسه، يتطلب كل من المستشعر والمشغل مصدرًا إضافيًا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الخاصة بهما (ADC، ومكبرات الصوت، وبرامج التشغيل، وما إلى ذلك). وهذا يؤدي إلى تعقيد التثبيت وزيادة التكلفة.

ومع ذلك، مع تطور التقنيات المتكاملة، انخفض استهلاك أجهزة الاستقبال والإرسال. ونتيجة لذلك، هناك إمكانية حقيقية لتشغيل الأجهزة مباشرة من الحلقة الحالية. إذا كان استهلاك المكونات الإلكترونية المتضمنة في المستشعر أو المشغل لا يتجاوز 4 مللي أمبير، فليست هناك حاجة لمصدر طاقة إضافي. طالما أن جهد حلقة الإشارة مرتفع بما فيه الكفاية، يمكن لواجهة الحلقة الحالية تشغيل نفسها.

هل هناك أي مزايا أخرى للأجهزة التي تعمل بالحلقة؟

نعم. يجب أن تتم الموافقة على العديد من الأجهزة التي تعمل بخط الإشارة للاستخدام في المناطق الخطرة. على سبيل المثال، يجب أن تكون معتمدة على أنها غير محفزة (NI) أو آمنة جوهريًا (I.S.). تتطلب الأجهزة في أي من هذه الفئات أن تكون الطاقة التي تستهلكها الإلكترونيات منخفضة جدًا بحيث لا تكون كافية لإحداث حريق، سواء في ظل ظروف التشغيل العادية أو أثناء الحوادث. إن استهلاك الطاقة للأجهزة التي تعمل بالحلقة منخفض جدًا لدرجة أنها عادةً ما تجتاز هذه الشهادة دون مشكلة.

ما الذي يفعله مصنعو الدوائر المتكاملة لتسهيل عمل الحلقة الحالية؟

إنهم يفعلون ما يفعلونه دائمًا: فهم يقومون بإنشاء عناوين IP التي توفر تنفيذ ليس فقط الوظائف الأساسية، ولكن أيضًا العديد من الإمكانات الإضافية الأخرى. على سبيل المثال، يعد Maxim Integrated MAX12900 واجهة تمثيلية منخفضة الطاقة ومتكاملة للغاية (AFE) للحلقة الحالية 4-20 مللي أمبير (الشكل 3).

أرز. 3. MAX12900 عبارة عن واجهة أمامية تناظرية منخفضة الطاقة ومتكاملة للغاية (AFE) للحلقة الحالية 4-20 مللي أمبير والتي توفر الوظائف الأساسية بالإضافة إلى العديد من الميزات المفيدة الإضافية، بما في ذلك طاقة الحلقة المباشرة.

لا يوفر MAX12900 نقل البيانات فحسب، بل يوفر أيضًا الطاقة مباشرة من الحلقة الحالية. تجمع الدائرة الدقيقة بين العديد من الكتل الوظيفية في حزمة واحدة: مثبت الجهد LDO؛ دائرتين لتوليد إشارات PWM؛ اثنان من مضخمات التشغيل للأغراض العامة منخفضة الطاقة ومستقرة ؛ مضخم تشغيلي واحد عريض النطاق بدون انحياز؛ مقارنتان تشخيصيتان، دائرة التحكم في مصدر الطاقة لضمان بدء التشغيل السلس؛ مصادر الجهد المرجعي مع الحد الأدنى من الانجراف.

هل يمكنك إعطاء مثال على تنفيذ جهاز استشعار بواجهة الحلقة الحالية؟

تقدم شركة Texas Instruments TIDM-01000، وهي دائرة مرجعية لمستشعر درجة الحرارة مع واجهة حلقة تيار 4-20 مللي أمبير. تعتمد الدائرة على وحدة التحكم الدقيقة MSP430 وهي حل للميزانية مع مجموعة صغيرة من المكونات.

أرز. 4. الدائرة المرجعية TIDM-01000 عبارة عن مستشعر درجة الحرارة (RTD) بواجهة تيار 4-20 مللي أمبير. تم بناء الدائرة على أساس العديد من الدوائر المتكاملة التي توفر معالجة قراءات المستشعر والتفاعل مع الحلقة الحالية

يستخدم TIDM-01000 وحدة Smart Analog Combo (SAC) المدمجة في وحدة التحكم الدقيقة MSP430FR2355 للتحكم في التيار. وبالتالي، ليس مطلوبا لجنة المساعدة الإنمائية منفصلة. تتمتع الدائرة بدقة 12 بت مع خطوة تكميم تيار الإخراج 6 μA. يوفر الحل المقترح حماية قطبية عكسية وتلبي حماية مدخلات الحلقة الحالية متطلبات IEC61000-4-2 وIEC61000-4-4 (الشكل 5).

أرز. 5. جهاز الإرسال، المصمم باستخدام TIDM-01000، يتم تركيبه على لوحة دائرة صغيرة. يعد الاكتناز ميزة أخرى للحلقة الحالية

خاتمة

ناقش المقال القضايا الرئيسية المتعلقة باستخدام حلقة تيار 4-20 مللي أمبير في التطبيقات الصناعية. على الرغم من أن هذه الواجهة هي حقا "قديمة" وفقا لمعايير الإلكترونيات، إلا أنها لا تزال تستخدم على نطاق واسع، بما في ذلك في الأجهزة الرقمية الحديثة. ناقش المقال أيضًا كيفية تعزيز طاقة الحلقة لقدرات هذه الواجهة.