HART和4-20MA

仪表输出信号为什么选择仪表输出信号为什么选择 4 20MA 电流的原因电流的原因 仪表仪表输出信号为什么选择 4 20MA 电流的原因 变送器的传统输出直流电信号有 0 5V 0 10V 1 5V 0 20mA 4 20mA 等 目前最广泛采用的是用 4 20mA 电流 来传输模拟量 工业上最广泛采用的是用 4 20mA 电流来传输模拟量 采用电流 信号的原因是不容易受干扰 并且电流源内阻无穷大 导线电阻串联在回路中 不影响精度 在普通双绞线上可以传输数百米 上限取 20mA 是因为防爆的要求 20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯 下限没有取 0mA 的原因是为 了能检测断线 正常工作时不会低于 4mA 当传输线因故障断路 环路电流降 为 0 常取 2mA 作为断线报警值 电流型变送器将物理量转换成 4 20mA 电流输 出 必然要有外电源为其供电 最典型的是变送器需要两根电源线 加上两根 电流输出线 总共要接 4 根线 称之为四线制变送器 当然 电流输出可以与 电源公用一根线 公用 VCC 或者 GND 可节省一根线 称之为三线制变送器 其实大家可能注意到 4 20mA 电流本身就可以为变送器供电 如图 1C 所示 变送器在电路中相当于一个特殊的负载 特殊之处在于变送器的耗电电流在 4 20mA 之间根据传感器输出而变化 显示仪表只需要串在电路中即可 这种变 送器只需外接 2 根线 因而被称为两线制变送器 工业电流环标准下限为 4mA 因此只要在量程范围内 变送器至少有 4mA 供电 这使得两线制传感器的 设计成为可能 在工业应用中 测量点一般在现场 而显示设备或者控制设备 一般都在控制室或控制柜上 两者之间距离可能数十至数百米 按一百米距离 计算 省去 2 根导线意味着成本降低近百元 因此在实际使用中两线制传感器 得到越来越多的应用 仪表仪表输出信号为什么选择 4 20MA 电流的原因 远传信号用电流源优于电压源的原因 因为现场与控制室之间的距离较远 连 接电线的电阻较大时 如果用电压源信号远传 由于电线电阻与接收仪表输入 电阻的分压 将产生较大的误差 而用恒电流源信号作为远传 只要传送回路 不出现分支 回路中的电流就不会随电线长短而改变 从而保证了传送的精度 信号最大电流选择 20MA 的原因 最大电流 20MA 的选择是基于 安全 实用 功 耗 成本的考虑 安全火花仪表只能采用低电压 低电流 综合考虑生产现场 仪表之间的连接距离 所带负载等因素 还有就是功耗及成本问题 对电子元 件的要求 供电功率的要求等因素 信号起点电流选择 4mA 的原因 4 20MA 变送器两线制的居多 两线制即电源 负载串联在一起 有一公共点 而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及 供电仅用两根电线 为什么起点信号不是 0MA 这是基于两点 1 变送器电路没 有静态工作电流将无法工作 信号起点电流 4mA DC 就是变送器的静态工作电流 2 同时仪表电气零点为 4mA DC 不与机械零点重合 这种 活零点 有利于 识别断电和断线等故障 什么是 4 20MA 一般仪器仪表仪表的信号电流都为 4 20mA 指最小电流为 4mA 最 大电流为 20mA 传输信号时候 要考虑到导线上也有电阻 如果用电压传输 则会在导线的产生一定的压降 那接收端的信号就会产生一定的误差了 所以 使用电流信号作为变送器的标准传输 双绞线特性阻抗是 50 欧姆左右 相隔 1CM 宽的 0 2 平方毫米的导线特性阻抗 300 欧姆左右 所以负载电阻选择 50 300 欧姆比较理想 为了 AD 转换方便 负载电阻上的信号最大量程值一般 5 10V 比较合适 那么权衡所有 负载电阻 250 欧姆 电流 20mA 负载压降 5V 比 较满意 那么为什么选择 4 20mA 而不是 0 20mA 呢 为了减少接线的复杂性 传感器选择 2 线要比多线简单的多 2 线既要传输信号 又要给传感器供电 所以设计者从中盗窃 4mA 电流给传感器放大电路供电 这样 4 20mA 的标准就确 定了 4 20mA 输出如何转换成输出如何转换成 1 5V 模拟电压信号模拟电压信号 发布时间 2012 4 5 10 24 41 4 20mA4 20mA 输出如何转换成 1 5V 模拟电压信号 我们先来说一说什么是两线制 它是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线 这两根线既是电源线 又 是信号线 两线制与三线制 一根正电源线 两根信号线 其中一根共 GND 和 四线制 两根正负电源线 两根信号线 其中一根 GND 相比 两线制的优点是 1 1 不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响 可用非常便宜的更细的 导线 可节省大量电缆线和安装费用 2 2 在电流源输出电阻足够大时 经磁场耦合感应到导线环路内的电压 不会产 生显著影响 因为干扰源引起的电流极小 一般利用双绞线就能降低干扰 两 线制与三线制必须用屏蔽线 屏蔽线的屏蔽层要妥善接地 3 3 电容性干扰会导致接收器电阻有关误差 对于 4 20mA 两线制环路 接收器 电阻通常为 250 取样 Uout 1 5V 这个电阻小到不足以产生显著误差 因 此 可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远 4 4 各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接 不因电线长度的不等而造成精度的差异 实现分散采集 分散式采集的好处就 是 分散采集 集中控制 5 5 将 4mA 用于零电平 使判断开路与短路或传感器损坏 0mA 状态 十分方便 6 6 在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件 有利于安全防雷防爆 4 20mA4 20mA 输出如何转换成 1 5V 模拟电压信号 两线制电流变送器的输出为 4 20 mA 通过 250 的精密电阻转换成 1 5V 或 2 10V 的模拟电压信号 转换成数 字信号有多种方法 如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用 因此需 考虑硬件系统工作的安全性和可靠性 系统的输入模块采用压频转换器件 LM 31 将模拟电压信号转换成频率信号 用光电耦合器件 TL117 进行模拟量与 数字量的隔离 同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立 的电源 模拟地与数字地相互分开 这样可提高系统工作的安全性 利用压频 转换器件 LM231 也有一定的抗高频干扰的作用 三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代 从国外的 行业动态及变送器心片供求量即可略知一斑 电流变送器在使用时要安装在现 场设备的动力线上 而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监 控室里 两者一般相距几十到几百米甚至更远 设备现场的环境较为恶劣 强 电信号会产生各种电磁干扰 雷电感应会产生强浪涌脉冲 在这种情况下 单 片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送 微小信号 两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决 我们以 DH4 20 变送模块为核心设计了小型 价廉的穿孔型两线制电流变送器 它具有 低失调电压 30 V 低电压漂移 0 7 V C 超低非线性度 0 01 的特点 它把现场设备动力线的电流隔离转换成 4 20mA 的按线性比例变化的 标准电流信号输出 然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上 双绞线 同时也将位于监测系统的 24V 工作电源送到电流变送器中 测量信号和电源在 双绞线上同时传送 既省去了昂贵的传输电缆 而且信号是以电流的形式传输 抗干扰能力得到极大的加强 HART Highway Addressable Remote Transducer 可寻址远程传感器高速通道的开放通 信协议 是美国 Rosemen 公司于 1985 年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间 的通信协议 HART 装置提供具有相对低的带宽 适度响应时间的通信 经过 10 多年的发展 HART 技术在国外已经十分成熟 并已成为全球智 能仪表的工业标准 HART 协议采用基于 Bell202 标准的 FSK 频移键控信号 在低频的 4mA 20mA 模拟信号上叠加幅度为 0 5mA 的音 频数字信号进行双向数字通讯 数据传输率为 1 2Mbps 由于 FSK 信号的平均值为 0 不影响传送给控制系统模拟信号的大小 保证了 与现有模拟系统的兼容性 7 l d Q J I y O3 b2 s6 C i 通信介质的选择视传输距离长短而定 通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时 最大传输距离可达到 1500 线路总阻抗应在 230 1100 第二层 数据链路层 规定了 HART 帧的格式 实现建立 维护 终结链路通讯功能 HART 协议根据冗余检错码信息 采用自动 重复请求发送机制 消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错 实现通讯数据无差错传送 d Y L9 a e e r H B M h6 A 现场仪表要执行 HART 指令 操作数必须合乎指定的大小 每个独立的字符包括 1 个起始位 8 个数据位 1 个奇偶校验位和一个 停止位 由于数据的有无和长短并不恒定 所以 HART 数据的长度也是不一样的 最长的 HART 数据包含 25 个字节 6 Z F S T K O6 w d T J 第三层 应用层 为 HART 命令集 用于实现 HART 指令 命令分为三类 即通用命令 普通命令和专用命令 t z p p8 T m o N HART MODEM 采用 Smar 公司的 HT2012 是符合 Bell202 标准的半双工调制解调器 实现 HART 协议规定的数字通信的编码或译 码 该芯片专为 HART 仪器设计 片内集成了符合 BELL202 标准的调制器 解调器 时钟及定时电路 检测控制电路 性价比较高 16 脚 DIP 和 28 脚 PLCC 封装 在 5V 供电时工作电流 80 A HT2012 与微控制器交换数字信号 同 AD421 作模拟信号接口 它一方 面与 MCU 的异步串行通信口进行串行通信 一方面将输入的不归零的数字信号调制成 FSK 信号 再经 AD421 叠加在 4mA 20mA 的回 路上输出 或者将回路信号经带通滤波 放大整形后取出 FSK 信号解调为数字信号 从而实现 HART 通信 对于 HART MODEM 所需要的输入时钟 采用 7 3728MHz 的晶振通过两个计数器 74LS161 进行两次 4 分频 得到 16 分频的时钟 s m r R8 g6 v W9 b m2 G N2 C5 h m9 g6 1 K 由于 HART 数字通信的要求 有 0 5mA 的正弦波电流信号叠加在 4mA 电流上 因此整个硬件电路必须保证在 3 5mA 以下还能正常 工作 因此实现系统的低功耗设计非常重要 三 通信的软件设计 O5 T2