Введение

Схема электрической сигнализации
аналоговая схема электрической сигнализации

В электрической сигнализации используется аналоговая схема токового контура, когда необходимо дистанционно контролировать или управлять устройством по паре проводников. В любой момент времени может присутствовать только один уровень тока. Основным применением токовых контуров является промышленный стандарт 4–20 мА для систем управления технологическими процессами, где они широко используются для передачи сигналов от измерительных приборов в ПИД-регуляторы (пропорционально-интегрально-дифференциальные), системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) и программируемые логические контроллеры (ПЛК). Они также используются для передачи выходных сигналов регуляторов на исполнительные механизмы в поле, такие как регулирующие клапаны. Эти контуры обладают преимуществами простоты и помехоустойчивости, а также имеют широкую международную базу пользователей и поставщиков оборудования. Некоторые полевые устройства 4–20 мА могут питаться непосредственно от токового контура, что исключает необходимость в отдельных источниках питания, а "интеллектуальный" протокол HART использует контур для связи между полевыми устройствами и контроллерами. Различные протоколы автоматизации могут заменить аналоговые токовые контуры, но 4–20 мА по-прежнему остается основным промышленным стандартом.

Активные и пассивные устройства

В зависимости от источника тока в контуре, устройства могут классифицироваться как активные (подающие или "источники" питания) или пассивные (потребляющие или "принимающие" питание контура). Например, самописец может обеспечивать питание контура для датчика давления. Датчик давления модулирует ток в контуре для передачи сигнала самописцу, но сам по себе не подает питание в контур и, следовательно, является пассивным. Другой контур может содержать два пассивных самописца, пассивный датчик давления и батарею 24 В (батарея является активным устройством). Следует отметить, что прибор с четырьмя проводами имеет отдельный вход для питания, не связанный с токовым контуром. Панельные дисплеи и самописцы обычно называются "индикаторными устройствами" или "контроллерами процесса". Несколько пассивных индикаторных устройств могут быть соединены последовательно, но в контуре должно быть только одно передающее устройство и только один источник питания (активное устройство).

Эволюция аналоговых сигналов управления

Конвенция 4–20 мА возникла в 1950-х годах на основе более раннего, весьма успешного стандарта пневматических сигналов управления 3–15 psi, когда электроника стала достаточно дешевой и надежной для электрической эмуляции старого стандарта. Стандарт 3–15 psi обладал теми же преимуществами, что и возможность питания удаленных устройств и наличие "живого" нуля. Однако стандарт 4–20 мА лучше соответствовал разрабатываемым в то время электронным контроллерам. Переход был постепенным и продолжается по сей день, в XXI веке, из-за огромного количества установленных устройств, работающих по стандарту 3–15 psi. Поскольку эксплуатация пневматических клапанов имеет множество преимуществ в стоимости и надежности по сравнению с моторными клапанами, пневматический привод по-прежнему является отраслевым стандартом. Для создания гибридных систем, в которых сигнал 4–20 мА генерируется контроллером, но допускается использование пневматических клапанов, производители предлагают широкий спектр преобразователей тока в давление (I в P). Обычно они устанавливаются непосредственно возле управляющего клапана и преобразуют 4–20 мА в 3–15 psi (или 0,2–1,0 бар). Этот сигнал затем подается на привод клапана или, чаще, на пневматический позиционер. Позиционер – это специализированный контроллер, имеющий механическую связь с движением привода. Это обеспечивает преодоление проблем, связанных с трением, и перемещение управляющего элемента клапана в требуемое положение. Он также позволяет использовать более высокое давление воздуха для привода клапана. С развитием недорогих промышленных микропроцессоров, с середины 1980-х годов стали доступны "умные" позиционеры клапанов, которые пользуются большой популярностью при новых установках. Они включают в себя преобразователь I в P, а также мониторинг положения и состояния клапана. Данные мониторинга передаются обратно в контроллер по токовой петле с использованием протоколов, таких как HART.

Длинные цепи

Аналоговые токовые петли исторически иногда прокладывались между зданиями по неэкранированным проводам в телефонных кабелях, арендованных у местной телефонной компании. Токовые петли 4–20 мА были более распространены в эпоху аналоговой телефонии. Эти схемы требуют сквозной электрической цепи постоянного тока (DC), и если не была использована выделенная пара проводов, их применение прекратилось с появлением полупроводниковой коммутации. Сквозная цепь постоянного тока недоступна при использовании микроволновой радиосвязи, оптического волокна или мультиплексной телефонной линии. Базовая теория электрических цепей постоянного тока показывает, что сила тока остается неизменной по всей длине линии. Часто можно было встретить схемы 4–20 мА с длиной петли в милях или схемы, работающие по телефонным кабельным парам длиной более десяти тысяч футов. До сих пор существуют устаревшие системы, использующие эту технологию. В схемах Bell System применялись напряжения до 125 В постоянного тока.

Дискретный контроль

Дискретные функции управления могут быть представлены дискретными уровнями тока, передаваемого по контуру. Это позволяет управлять несколькими функциями управления по одной паре проводов. Токи, необходимые для конкретной функции, различаются в зависимости от применения или производителя. Не существует конкретного тока, однозначно определяющего какое-либо значение. Практически повсеместно 0 мА указывает на неисправность цепи. Например, в системе пожарной сигнализации 6 мА может быть нормальным значением, 15 мА – сигналом о обнаружении пожара, а 0 мА – индикацией неисправности, сообщающей центру мониторинга о выходе из строя контура сигнализации. Некоторые устройства, такие как двухсторонние радиопульты дистанционного управления, могут изменять полярность тока и мультиплексировать аудиосигнал на постоянный ток. Эти устройства могут использоваться для любых задач дистанционного управления, которые может потребовать разработчик. Например, контур тока может активировать сирену эвакуации или управлять синхронизированными светофорами.