چرا از یک حلقه جاری استفاده کنیم؟

در این مقاله این سوال را که چرا از یک حلقه جاری استفاده کنیم؟ پاسخ خواهیم داد.

🔹ارائه دهنده: تیم تولید محتوای میراکنترل

کمی تاریخ

قبل از ظهور مدارهای الکترونیکی، کنترل فرآیند یک تلاش کاملاً مکانیکی بود. تأسیسات از سیگنال‌های کنترل پنوماتیک استفاده می‌کردند که در آن کنترل‌کننده‌ها با فشارهای مختلف هوای فشرده تغذیه می‌شدند.

در نهایت، فشرده سازی هوای 3-15 psi به چند دلیل استاندارد شد :

• سیستم های مهندسی که سیگنال های فشار زیر 3 psi را تشخیص می دهند بسیار گران است
• سیگنال های زیر 3 psi غیرقابل تشخیص هستند
• تشخیص آسان تر سیگنال صفر زنده (3 psi) از خرابی در سیستم (0 psi)

در دهه 1950، با کاهش هزینه سیستم های الکترونیکی، ورودی جریان به سیگنال کنترل فرآیند ترجیحی و کارآمدتر تبدیل شد. محدوده 4-20 میلی آمپر بعداً به دلایل مشابهی مانند 3-15 psi استاندارد شد.

معرفی

در دنیای کنترل فرآیند، انواع بی‌شماری از ورودی‌های فرآیند وجود دارد. ترموکوپل ها و RTD ها خواندن مستقیم دما را ارائه می دهند در حالی که سیگنال های دیجیتال مانند Modbus® کنترل دقیقی بر متغیرهای فرآیند و نمایش می دهند.

سیگنال های آنالوگ، جایی که اطلاعات مربوط به فرآیند از طریق مقادیر مختلف ولتاژ یا جریان منتقل می شود، نوع اصلی ورودی در صنایعی هستند که امروزه به کنترل فرآیند نیاز دارند. از بین تمام سیگنال‌های آنالوگ ممکن که می‌توانند برای انتقال اطلاعات فرآیند استفاده شوند، حلقه 4-20 میلی آمپری تا حد زیادی استاندارد غالب در صنعت است.

همانطور که استاندارد حلقه 4-20 میلی آمپر در صنعت کنترل فرآیند تبدیل شده است، بسیاری از اصول راه اندازی و استفاده از آن را درک نمی کنند. وقتی زمان تصمیم گیری در مورد نمایش و کنترل فرآیند فرا می رسد، ندانستن اصول اولیه ممکن است برای شما هزینه داشته باشد.

درک تاریخچه، عملکرد، مزایا و معایب حلقه 4 تا 20 میلی آمپر به شما کمک می کند تا بفهمید چرا استاندارد غالب برای صنعت است و به شما امکان می دهد در مورد کنترل فرآیند خود تصمیمات آگاهانه بگیرید.

چرا از یک حلقه جاری استفاده کنیم؟

حلقه جریان 4-20 میلی آمپر نشان داده شده در شکل 1 یک روش رایج برای انتقال اطلاعات سنسور در بسیاری از برنامه های کاربردی نظارت بر فرآیند صنعتی است.

سنسور دستگاهی است که برای اندازه‌گیری پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، سرعت، نرخ جریان مایع و غیره استفاده می‌شود. انتقال اطلاعات سنسور از طریق یک حلقه جریان به‌ویژه زمانی مفید است که اطلاعات باید به یک مکان دور در فواصل طولانی ارسال شود (1000). پا، یا بیشتر.

عملکرد حلقه ساده است: ولتاژ خروجی سنسور ابتدا به یک جریان متناسب تبدیل می شود، با 4 میلی آمپر معمولاً خروجی سطح صفر سنسور و 20 میلی آمپر نشان دهنده خروجی در مقیاس کامل سنسور است.

سپس، یک گیرنده در انتهای راه دور، جریان 4-20 میلی آمپر را به یک ولتاژ تبدیل می کند که به نوبه خود می تواند توسط یک کامپیوتر یا ماژول نمایشگر پردازش شود.

با این حال، انتقال خروجی سنسور به صورت ولتاژ در فواصل طولانی دارای چندین اشکال است. مگر اینکه از دستگاه‌های امپدانس ورودی بسیار بالا استفاده شود، ولتاژهای انتقال در فواصل طولانی ولتاژهای کمتری را در انتهای گیرنده به دلیل سیم‌کشی و مقاومت‌های اتصال ایجاد می‌کند.

با این حال، ابزارهای با امپدانس بالا می‌توانند نسبت به دریافت نویز حساس باشند، زیرا سیم‌های بلند حامل سیگنال اغلب در مجاورت سایر سیم‌کشی‌های سیستم با نویز الکتریکی کار می‌کنند. سیم‌های محافظ را می‌توان برای به حداقل رساندن نویز استفاده کرد، اما هزینه بالای آن‌ها ممکن است زمانی که مسافت‌های طولانی در میان باشد، بسیار زیاد باشد.

ارسال جریان در فواصل طولانی باعث کاهش ولتاژ متناسب با طول سیم کشی می شود. با این حال، تا زمانی که ترانسمیتر و پاور ساپلای حلقه بتوانند این افت ها را جبران کنند، این تلفات ولتاژ – که به عنوان “افت های حلقه” نیز شناخته می شوند، جریان 4-20 میلی آمپر را کاهش نمی دهند.

بزرگی جریان در حلقه تحت تأثیر افت ولتاژ در سیم‌کشی سیستم قرار نمی‌گیرد، زیرا تمام جریان (یعنی الکترون‌ها) که از ترمینال منفی (-) منبع تغذیه حلقه منشا می‌گیرند، باید به حالت مثبت (+) خود برگردند. ) ترمینال — خوشبختانه الکترون ها نمی توانند به راحتی از سیم ها بیرون بپرند!

اجزای حلقه فعلی

یک مدار حلقه جریان معمولی 4-20 میلی آمپر از چهار عنصر مجزا تشکیل شده است: سنسور/ مبدل. مبدل ولتاژ به جریان (که معمولاً به عنوان فرستنده و/یا تهویه کننده سیگنال نامیده می شود)؛ منبع تغذیه حلقه؛ و یک گیرنده/مانیتور.

در برنامه‌های مبتنی بر حلقه، هر چهار عنصر در یک مدار سری بسته و پیکربندی حلقه متصل می‌شوند (شکل 1 را ببینید).

1.  سنسور

ابتدا باید نوعی سنسور وجود داشته باشد که یک متغیر فرآیند را اندازه گیری کند. سنسور معمولا دما، رطوبت، جریان، سطح یا فشار را اندازه گیری می کند.

فناوری ای که وارد سنسور می شود بسته به اینکه دقیقاً چه چیزی برای اندازه گیری در نظر گرفته شده است به شدت متفاوت است، اما این به این بحث مربوط نمی شود.

2. ترانسمیتر

دوم، هر چه سنسور نظارت می کند، باید راهی برای تبدیل اندازه گیری آن به سیگنال جریان بین چهار تا بیست میلی آمپر وجود داشته باشد.

اینجاست که یک ترانسمیتر وارد بازی می شود. به عنوان مثال، اگر یک سنسور ارتفاع یک مخزن پنجاه فوتی را اندازه گیری می کرد، ترانسمیتر باید صفر فوت را به عنوان خالی بودن مخزن ترجمه کند و سپس یک سیگنال چهار میلی آمپری را ارسال کند.

برعکس، پنجاه فوت به عنوان پر بودن مخزن ترجمه می شود و سپس یک سیگنال بیست میلی آمپری ارسال می کند. اگر مخزن نیمه پر بود، ترانسمیتر در نیمه راه یا دوازده میلی آمپر سیگنال می داد.

3. پاور ساپلای

برای اینکه سیگنالی تولید شود، باید منبع نیرو وجود داشته باشد، همانطور که در قیاس سیستم آب باید منبع فشار آب وجود داشته باشد.

به یاد داشته باشید که منبع تغذیه باید یک جریان DC (به این معنی که جریان فقط در یک جهت جریان دارد) خروجی دهد. ولتاژهای رایج زیادی وجود دارد که با حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر (9، 12، 24، و غیره) بسته به تنظیمات خاص استفاده می شود.

هنگام تصمیم گیری در مورد ولتاژ پاور ساپلای برای تنظیم خاص خود، حتماً در نظر داشته باشید که ولتاژ پاور ساپلای باید حداقل 10٪ بیشتر از کل افت ولتاژ اجزای متصل (ترانسمیتر، گیرنده و حتی سیم) باشد. استفاده از پاور ساپلای نامناسب می تواند منجر به خرابی تجهیزات شود.

4. حلقه

علاوه بر منبع VDC کافی، باید یک حلقه نیز وجود داشته باشد که به سیم واقعی سنسور به دستگاهی که سیگنال 4-20 میلی آمپر را دریافت می کند و سپس به ترانسمیتر متصل می کند، اشاره دارد.

سیگنال جریان روی حلقه با توجه به اندازه گیری سنسور توسط ترانسمیتر تنظیم می شود. این مؤلفه معمولاً در تنظیم حلقه فعلی نادیده گرفته می‌شود، زیرا سیم برای هر سیستم الکترونیکی مدرن بسیار ذاتی است، اما باید در کاوش ما از اصول در نظر گرفته شود.

در حالی که خود سیم منبع مقاومتی است که باعث افت ولتاژ در سیستم می شود، معمولاً نگران کننده نیست، زیرا افت ولتاژ بخشی از سیم بسیار ناچیز است. با این حال، در فواصل طولانی (بیشتر از 1000 فوت) بسته به ضخامت (گیج) سیم می تواند مقدار قابل توجهی را افزایش دهد.

5. گیرنده

در نهایت، در جایی از حلقه دستگاهی وجود خواهد داشت که می تواند سیگنال فعلی را دریافت و تفسیر کند. این سیگنال جریان باید به واحدهایی ترجمه شود که به راحتی توسط اپراتورها قابل درک باشد، مانند پایه های مایع در یک مخزن یا درجه سانتیگراد یک مایع.

این دستگاه همچنین باید یا اطلاعات دریافتی را نمایش دهد (برای اهداف نظارتی) یا به طور خودکار کاری با آن اطلاعات انجام دهد. نمایشگرهای دیجیتال، کنترل‌کننده‌ها، اکچویتورها و شیرها دستگاه‌های رایجی هستند که در حلقه قرار می‌گیرند.

این اجزا برای تکمیل یک حلقه جریان 4-20 میلی آمپری کافی است. سنسور یک متغیر فرآیند را اندازه گیری می کند، ترانسمیتر آن اندازه گیری را به سیگنال جاری تبدیل می کند، سیگنال از طریق یک حلقه سیمی به گیرنده می رود، و گیرنده یک عمل را با آن سیگنال نمایش می دهد یا انجام می دهد.

مزایا و معایب حلقه های 4-20 میلی آمپر

مزایا

• حلقه جریان 4-20 میلی آمپر استاندارد غالب در بسیاری از صنایع است.
• این ساده ترین گزینه برای اتصال و پیکربندی است.
• از سیم‌کشی و اتصالات کمتری نسبت به سیگنال‌های دیگر استفاده می‌کند و هزینه‌های راه‌اندازی اولیه را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.
• برای travel در مسافت های طولانی بهتر است، زیرا جریان در اتصالات طولانی مانند ولتاژ کاهش نمی یابد.
• نسبت به نویزهای الکتریکی پس زمینه حساسیت کمتری دارد.
• از آنجایی که 4 میلی آمپر برابر با 0% خروجی است، تشخیص عیب در سیستم فوق العاده ساده است.

معایب

• حلقه های فعلی فقط می توانند یک سیگنال فرآیند خاص را منتقل کنند.
• در شرایطی که متغیرهای فرآیندی متعددی وجود دارند که نیاز به انتقال دارند، باید حلقه‌های متعددی ایجاد شود. اگر حلقه های مستقل به درستی ایزوله نشده باشند، اجرای سیم زیاد می تواند منجر به مشکلاتی در حلقه های زمین شود.
• این الزامات جداسازی با افزایش تعداد حلقه ها به طور تصاعدی پیچیده تر می شوند.

خلاصه

سنسورها ولتاژ خروجی را ارائه می دهند که مقدار آن نشان دهنده پارامتر فیزیکی در حال اندازه گیری است. (به عنوان مثال، ترموکوپل نوعی سنسور است که ولتاژ خروجی بسیار پایینی را که متناسب با دمای محیط آن است، ارائه می دهد.)

ترانسمیتر خروجی سنسور را تقویت و تنظیم می کند و سپس این ولتاژ را به جریان مستقیم 4-20 میلی آمپری متناسب تبدیل می کند که در حلقه سری بسته گردش می کند.

گیرنده/مانیتور، معمولاً زیربخشی از پنل متر یا سیستم جمع آوری داده، جریان 4-20 میلی آمپر را به ولتاژی تبدیل می کند که می تواند بیشتر پردازش / نمایش داده شود.

پاور ساپلای حلقه عموماً تمام توان عملیاتی ترانسمیتر و گیرنده و سایر اجزای حلقه را که نیاز به ولتاژ dc به خوبی تنظیم شده دارند فراهم می کند. در کاربردهای مبتنی بر حلقه، عناصر داخلی پاور ساپلای نیز مسیری را برای بستن حلقه سری فراهم می‌کنند.

+24 ولت همچنان پرکاربردترین ولتاژ پاور ساپلای در برنامه های نظارت بر فرآیند 4-20 میلی آمپر (دی سی اس/پی ال سی) است. این به دلیل این واقعیت است که +24 ولت همچنین برای تأمین انرژی بسیاری از ابزارها و قطعات الکترومکانیکی دیگر که معمولاً در محیط های صنعتی یافت می شوند استفاده می شود. ولتاژهای تغذیه پایین تر مانند +12 ولت نیز محبوب هستند زیرا در سیستم های مبتنی بر رایانه استفاده می شوند.

برای سفارش و یا خرید انواع محصولات ابزار دقیق و همچنین کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره رایگان با شماره های 88341674-021 | 88341172-021 تماس حاصل فرمایید.

منبع:

instrumentationtools.com