Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.
В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.
Что такое токовая петля 20 мА?
Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1).
В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА.
Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.
Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник
Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?
Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.
Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?
Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.
Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?
Существует две веские причины.
Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2).
На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток.
С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.
Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.
Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю
Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?
Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА.
В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение.
Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости – сигнал 20 мА.
Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?
Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики.
Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).
Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.
Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях.
Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных.
Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.
Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?
Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В.
Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем.
В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I2R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла.
Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?
Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.
Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?
Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов.
Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит.
Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.
Что еще требуется для передачи цифровых данных?
Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных.
Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции.
Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.
Что такое стандарт HART?
HART – общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.
Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто.
Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе.
HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.
Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.
Какие еще улучшения дает HART?
Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.
Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой.
Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко – порядка одного раза в секунду.
Например, температура — наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.
Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.
Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?
Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.
Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли.
Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания.
Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.
Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?
Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.).
Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях.
Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.
Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?
Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).
Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли
MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли.
Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.
Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?
Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.
Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей
В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется.
Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА.
Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).
Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли
Заключение
В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях.
Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах.
В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.
Конвертеры RS232
В данном разделе представлены преобразователи RS232 и конвертеры интерфейса RS 232. Эти устройства предназначены для преобразования сигналов из RS 232 в другие интерфейсы:
Производители преобразователей (адаптеров) интерфейса RS232 (RS 232)
Компания ИнСАТ поставляет конвертеры RS232 в такие интерфейсы как RS 485, RS 422, CL (Current Loop или Токовая петля), USB и Ethernet.
На нашем сайте представлены преобразователи и конвертеры интерфейса RS232 самых известных российских и зарубежных производителей. Среди отечественных производителей следует выделить компании ОВЕН, НИЛ АП и ТЕКОН. Наиболее популярными зарубежными производителями являются MOXA, ICP DAS, ADVANTECH, KORENIX.
Особенности интерфейса
Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях с использованием конвертеров 232.
Интерфейс RS232 соединяет два устройства (без использования конвертеров 232). Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов).
Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных линий для обеспечения функций определения статуса и управления.
В случае, когда требуется объединить более двух приборов, оснащенных этим интерфейсом, следует использовать специальные устройства — преобразователи интерфейса RS232 в другой интерфейс (например RS485), позволяющий подключать несколько устройств.
Основные параметры интерфейса
| Стандарт | EIA RS-232-C, CCITT V.24 |
| Скорость передачи | 115 Кбит/с (максимум) |
| Расстояние передачи | 15 м (максимум) |
| Характер сигнала | несимметричный по напряжению |
| Количество драйверов | 1 |
| Количество приемников | 1 |
| Схема соединения | полный дуплекс, от точки к точке |
Как видно из таблицы интерфейс RS 232 имеет ограничение на длину — 15 метров. Если требуется соединить устройства, расположенные на большем удалении, то требуется использовать модемы или конвертеры RS 232 в RS 485.
Обзор стандарта RS-232
Данный обзор взят с сайта www.gaw.ru
RS232 — протокол, применяемый для связи компьютеров с модемами и другими периферийными устройствами. В данном обзоре представлен комплект полезной и справочной информации, представлена распиновка стандартных разъемов, а так же описано что такое квитирование (HANDSHAKING).
Определение RS 232
RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами. Максимальная длина этого последовательного интерфейса равна 15 м. Для обеспечения большей устойчивости к помехам информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В. Данные передаются асинхронно с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.
Назначение RS232
Интерфейс RS-232-C разработан для простого применения, однозначно определяемого его названием «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Каждое слово в названии значимое, оно определяет интерфейс между терминалом (DTE) и модемом (DCE) по передаче последовательных данных.
Соединители
Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ти контактными разъемами типа D. Обычно они обозначаются DB-9, DB-9, CANNON 9, CANNON 25 и т.д. Разъемы типов розетки и штырей. Каждый вывод обозначен и пронумерован. Расположение выводов представлено ниже.
Стандарт
Ассоциация электронной промышленности (EIA) развивает стандарты по передаче данных. Стандарты EIA имеют префикс «RS». «RS» означает рекомендуемый стандарт, но сейчас стандарты просто обозначаются как «EIA» стандарты.
RS-232 был введен в 1962. Стандарт развивался и в 1969 представлена третья редакция (RS-232C). Четвертая редакция была в 1987 (RS-232D, известная также под EIA-232D). Этот стандарт идентичен МККТТ (CCITT) V.24/V.28, X.20bis/X.
21bis и ISO IS2110.
Обозначения устройств
Уровни сигналов
В RS232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 иногда обозначают MARK, логический 0 — SPACE . Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 — положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице.
Уровни сигналов данных
| Уровень | Передатчик | Приемник |
| Логический 0 | От +5 В до +15 В | От +3 В до +25 В |
| Логический 1 | от-5 В до -15 В | От -3 В до -25 В |
| Не определен | От -3 В до +3 В |
Уровни управляющих сигналов
| Сигнал | На выходе устр-ва (Driver) | На входе устр-ва (Terminator) |
| «Off» | От -5 В до -15 В | от -3 В до -25 В |
| «On» | От 5 В до 15 В | от 3 В до 25 В |
Ослабление сигнала
Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект сильно связан с электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.
- Дополнительная информация в разделе Кабели и Длина проводов (конвертеры 232).
- Проблемы с источником питания
- Перед соединением двух компьютеров через RS-232, каждый из которых питается от различных источников рекомендуется выравнять напряжения между их сигнальными землями перед подключением.
Контакты разъемов интерфейса RS232
 DB25 Розетка (мама) |
|||
| Контакт | Обозн. | Направление | Описание |
| 1 | SHIELD | — | Shield Ground — защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля |
| 2 | TXD | —> | Transmit Data — Выход передатчика |
| 3 | RXD | Request to Send — выход запроса передачи данных | |
| 5 | CTS |
Энергоучет по комбинированным каналам передачи данных. Комплексные решения Andra
Польская компания Andra занимается разработкой и производством широкого спектра приборов связи и интегрирванных информационных систем для автоматизированных систем контроля и учета. В сферу ее интересов входят проблемы учета электроэнергии (АСКУЭ), диспетчерского управления (АСДУ) и управления технологическими процессами (АСУТП).
Имеет 20-летний опыт работы с беспроводныи и проводными каналами связи. Производственные мощности расположены на территории Польши, там проводятся все разработки и вполняется полный технологический цикл производства. Организованна техподдержка на русском и многих других языках.
Продукция фирмы Andra введена в эксплуатацию на крупнейших польских и европейских энергетических концернах.
Недавно «ЕвроМобайл» и Andra подписали договор о сотрудничестве. Теперь компания «ЕвроМобайл» является единственным официальным представителем Andra на территории России и стран СНГ. Комплексные решения, которые предлагает Andra, заинтересуют компании занимающиеся учетом энергоресурсов, участников оптового рынка электроэнергии и сбытовые компаниями.
Платформа Comander .
Comander – это программноаппаратный комплекс, использующий современные технологии, который собирает информацию от оконечных приборов и передает ее на верхний уровень автоматизированной системы по GPRS/CSD каналу или Ethernet.
Специальные разработки позволяют комплексу Comander провести построение интеллектуальной системи АСКУЭ (АИИСКУЭ) и сгенерировать отчеты об энергопотреблении по удаленно расположенным объектам.
Эта разработка является универсальным и бюджетным вариантом построения системы за счет слияния GSM (GPRS), ZigBee, PLC-технологий передачи информации.
По беспроводным радиоканалам GSM-сети дают возможность получать данные от объектов расположенных в зоне уверенного приема распределенных на значительном расстоянии,.
ZigBee-радиосвязь малого радиуса действия позволяет в нелицензируемом диапазоне частот – 2,4 ГГц / 868 МГц построить системы автоматизации на базе беспроводной телеметрии. Беспроводные ZigBee Mesh-сети производят автоматическую ретрансляцию и маршрутизацию данных. PLC передает данные через электрические сети и не относится к беспроводным технологиям. Таким образом передача информации осуществляется по промышленным и бытовым электросетям и позволяет реализовать сравнительно недорогие решения массового применения.
SMART GSM-терминал Comander μPort
GSM-терминал μPort («микропорт»), или GSM-модем, предназначен для передачи данных с электросчетчиков, контроллеров и других устройств.
Автоматическое GPRS-подключение позволяет этому устройству опрашивать подключенные счетчики в «прозрачном», буферном или гибридном режиме и отправлять файлы на FTP-сервер.
Терминал осуществляет автоматическое переключение на передачу данных по резервному CSD каналу, если уровень приема GSM-сигнала низкий.
На рис.1 представлен общий вид модема, у которого все разъемы расположены под съемной крышкой. Модем имеет два интерфейса: гальванически развязанный последовательный интерфейс RS-485/RS-232 (или токовая петля – CLO) и дискретный вход («сухой» контакт).
Для удобства «распиновка» обозначена на этикетке на корпусе терминала -это видно на фотографии прибора. По RS-485 (контакты 4, 5 – линии А, В) можно подключить до 32 счетчиков. При подключении счетчиков через токовую петлю – до четырех. При подключении по RS-232 – до двух.
Счетчики с выходным напряжением +12 В оснащенные пассивным RS-485 также могут быть опрошены терминалом. Для удобства конфигурации в μPort предусмотрен USB-интерфейс.
Настройку терминала можно проводить через USB-кабель, а уже установленные объекты удобно перенастраивать удаленно по беспроводному GPRS-каналу.
ZigBee-адаптер (модем) Comander ZB
Внешне Comander ZB напоминает μPort и выполнен с ZigBe-модулем то есть работает как Slave-устройство. Топологическое построение ZigBee-сети: масштабируемая Mesh-сеть, в сосав которой входят устройство Comander ZB и Сomander Multiport ZigBee.
К достоинствам ZigBee-каналов передачи данных следует отнести отсутствие оплаты за лицензирование частот и трафик, кроме того не надо выделять средства на поддержание собственной радиосети; а к недостаткам — низкую помехозащищенность.
Устройства подключаются к Comander ZB по такому же интерфейсу, как у μPort: RS-232/RS-485 (или токовая петля 20 мА) с гальванической развязкой и конфигурационный microUSB 2.0.
Излучаемая мощность радиосигнала составляет 10 мВт, радиус действия на открытом пространстве – до 750 метров, в помещении – до 60 метров. Дополнительное шифрование данных ведется алгоритмом AES-256 с помощью симметричных ключей по ZigBee-каналам на сетевом уровне.
PLC-адаптер (модем) Comander PLC
PLC-адаптер Comander PLC работает в сетях ~220 В в соответствии с требованиям PLC-стандарта CENELEC A. Рабочая частота прибора составляет 72 кГц, тип модуляции – BPSK. После включения происходит автоматическое соединение PLC-адаптеров, установленных на объекте, друг с другом.
Скорость передачи данных на Multiport или другое устройство – до 48 кбит/с. В настоящее время ведутся разработки адаптеров по PRIME-стандарту. На основе концентратора Сomander Multiport и PLC-адаптеров можно создать безопасную PLC-сеть.
По PLC-каналам дополнительно ведется шифрование данных алгоритмом AES-256
SMART терминал-концентратор Сomander Multiport
Использование дополнительных портов передачи данных, таких как GSM/GPRS, Ethernet, ZigBee и PLC осуществляется благодаря модульной конструкции терминала-концентратора Сomander Multiport.
Внешний вид концентратора приведен на рис. 2. Ведущим устройством (маршрутизатором) в платформе Comander по отношению к адаптерам ZigBee/PLC-сети выступает Multiport. Все модели Multiport имеют встроенный GSM-модуль и автоматически устанавливают GPRS-соединение для передачи информации.
Кроме того, что Multiport может передавать данные по CSD-каналу, он хранит данные на карте памяти в отличие от μPort. Режим работы в GPRS непрерывен. Исключением является период, который назвается «временным окном», когда терминал автоматически переключается в режим CSD-связи.
После завершения этого сенса возвращается в нормальный режим работы GPRS. Выпускаются модели • Сomander Multiport PLC со встроенным PLC-модулем • Сomander Multiport ZigBee со встроенными GSM- и ZigBee-модулями. Для приема/передачи радиосигналов подключаются GSM- и ZigBee-антенны.
Multiport имеет два интерфейса: RS-232, RS-485, и опции: токовая петля и конфигурационный microUSB 2.0.
Система опроса точек учета
Пример интеллектуальной автоматизированной системы поквартирного учета энергопотребления жилых домов со слиянием коммуникационных и электрических сетей приведен на рис. 3.
Система включает: • микропроцессорные электрические счетчики, подключаемые по интерфейсу RS-485 к ZigBee/PLC/GSMмодемам; • ZigBee-адаптеры (comander ZB), которые через беспроводную гибкую и масштабируемую ZigBee-радиосеть передают данные на концентратор MultiPort; • PLC-адаптеры (comander PLC), передающие данные на концентраторы MultiPort по электросетям; концентраторы MultiPort, которые по GSM-сети передают полученные данные на центральный сервер центра сбора и обработки информации (ЦСОИ) энергетиче-ской компании. Эти устройства могут устанавливаться в ближайшие к домам подстанции;• ` `GSM-модемы μPort по GSM-сети, передающие данные на сервер ЦСОИ для дальнейшей обработки, генерации отчетов и т. д.
Модемы и адаптеры могут быть встроены в счетчики, например, в ADD Grup (Матрица), ELSTER и неко-торые другие, а могут быть укреплены на DIN-рейку или панель. Еще они могут быть встроены в новые разработанные на заказ корпуса счетчиков,.
Интеллектуальные М2М-системы на базе программно-аппаратного комплекса Comander способны опрашивать свыше 10 000 точек учета, С их помощью можно просматривать полную структуру системы и формировать отчеты о потреблении.
Они также автоматически выявляют новые точки учета и, следовательно, являются самоорганизующимися системами сбора данных. Удаленное управление параметрами счетчиков и настройка отправки оповещений о сбоях в работе системы ускоряет и облегчает обслуживание приборов.
В новых версиях ПО появится опция оповещений о пополнения баланса сим-карт, установленных в GSM-терминалах.
Сертифицированные системы учета электроэнергии Comander – это перспективны, надежны и позволяют рационально планировать энергосбережение, использовать ресурсы.
Сейчас проводятся работы по внесению продукции Andra в российский Государственный реестр средств измерений. Системы полностью соответствуют Федеральному закону № 261-ФЗ об энергосбережении и повышении энергетической эффективности.
ПО Comander Connect
ПО Comander Connect осуществляет диагностику и конфигурацию модемов (адаптеров) серии Comander Это прог раммное обеспечение имеет простой и понятный графический интерфейс, поставляемый вместе с приборами. Удаленная связь ПК с устройствами Сomander устанавливается посредством GPRS, а локальная – посредством USB-интерфейса.. ПО Comander CMS
Для полноценной работы разветвленной системы показанной на рис. 3 необходимо программное решение, которое объединит установленные и подключенные устройства,. В комплект поставки платформы Comander входит программный продукт для создания системы централизованного управления и мониторинга каналов связи — Comander Management System (CMS) ( рис. 4),
Он обеспечивает работу более чем с десятью тысячами модемами из диспетчерского центра под управлением ОС Windows. В режиме 24/7 (24 часа в сутки и 7 дней в неделю) на компьютерах отображается список всех модемов по группам. Автоматически осуществляется мониторинг и контроль сети устройств передачи данных.
Программа CMS позволяет просматривать информацию о системе и генерировать отчеты.Кроме того с ее помощью можно удаленно управлять встроенным программным обеспечением терминалов, установленных на объектах. Также полезна и интересна функция мониторинга GSM-сетей (ближайшие базовые станции, прием сигнала) для групп устройств, реализованая в CMS .
Заключение
Комплексные решения Andra позволяют легко поддерживать систему в идеальном рабочем состоянии. Они не привязаны к конкретным счетчикам электроэнергии, тепла, воды, газа или другим устройствам. Комбинируя различные каналы опроса: GSM, Ethernet, ZigBee, PLC и изменяя число точек учета определяются оптимальные конфигурации.
Адаптер сети "Кольцо"-АСК
- количество вторичных преобразователей в сети: до 1000;
- расстояние между вторичными преобразователями: до 1000 м;
- при отключении питания любого прибора связь в кольце не нарушается;
- двухпроводная линия связи между приборами;
- монтаж линии не требует соблюдения полярности;
- каждый прибор сети является ретранслятором;
- простой протокол опроса;
- сетевой адрес приборов задается с кнопок передней панели;
- задержка прохождения сигнала: 1 мс/прибор на скорости 9600 бит/сек;
- возможна работа кольца в конвейерном режиме.
НАЗНАЧЕНИЕ
Адаптер сети кольцо АСК предназначен для сопряжения приборов вторичных цифровых «Радон РИЦ», с установленными в них платами связи ПСК и работающих совместно с измерительными датчиками и преобразователями с персональным компьютером, имеющим стандартный последовательный интерфейс RS-232. Адаптер АСК преобразует уровни интерфейса RS-232 от ЭВМ в сигнал, передаваемый по токовой петле к измерителям. Такое преобразование позволяет увеличить дальность линии связи с измерителями до 1000 метров.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
| N | Наименование параметра | Требования ТУ |
| 1 | Количество каналов связи с измерителями | 2 |
| 2 | Линия связи каналов | двухпроводная |
| 3 | Способ обмена в канале | токовая петля |
| 4 | Интерфейс связи с ЭВМ | RS-232 |
| 5 | Длина связи с ЭВМ, м не более | 10 |
| 6 | Длина линии связи между измерителями, м не более | 1000 |
| 7 | Сопротивление линии связи, не более, Ом | 500 |
| 7 | Напряжение питания, В | 220±15 |
| 8 | Габаритные размеры ,не более, мм | 130х105х65 |
| 9 | Масса, не более, кг | 1,0 |
УСТРОЙСТВО
Конструктивно адаптер выполнен в пластмассовом корпусе. Подключение линий связи с измерителями, линии связи с ЭВМ и сетевого питания производится к клеммникам адаптера.
Все приборы данной системы соединяются в локальную сеть с топологией кольца. Между собой измерители соединены витой порой, длина которой может достигать 1 км.
Передача данных по сети осуществляется последовательно от измерителя к измерителю, начиная с ЭВМ и заканчивая последним измерителем сети. Каждый измеритель является ретранслятором сигнала. При отключении сетевого питания от измерителя линия связи не разрывается.
Для нормальной работы сети необходимо, чтобы все измерители имели надежный контакт с линией связи. ЭВМ подключается к сети с помощью адаптера, который представляет собой преобразователь RS-232 – «токовая петля 20 мА».
Применение «токовой петли» обеспечивает полную гальваническую развязку, как самих измерителей, так и ЭВМ, и не требует экранировать соединительную линию и «выравнивать» потенциалы измерителей.
Адаптер содержит стабилизированный источник питания.
Предприятие-изготовитель поставляет дисковый носитель с рабочей программой обслуживания подключаемых приборов, позволяющей контролировать показания приборов в цифровом виде.
Токовая петля
То́ковая петля́ (current loop) — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока.
В настоящее время такой способ более распространён[источник не указан 429 дней] в инженерной практике, чем использование для этой цели напряжения.
Для задания измеряемых значений тока используется, как правило, управляемый источник тока. По виду передаваемой информации различаются аналоговая токовая петля и цифровая токовая петля.
Цифровая токовая петля
Преобразователь RS-232 / токовая петля
Применяется в телекоммуникационном оборудовании и компьютерах для последовательной передачи данных.
История
Токовая петля использовалась задолго до появления стандартов RS-232 и V.24. В 1960-е годы телетайпы начали использовать стандарт токовой петли 60 миллиампер. Последующие модели (одна из первых — Teletype Model ASR-33) использовали стандарт 20 мА.
Этот стандарт нашел широкое применение в мини-компьютерах, которые первоначально использовали телетайпы для диалога с оператором. Постепенно телетайпы уступили место текстовым видеотерминалам, сохраняя интерфейс токовой петли.
В 1980-х стандарт RS-232 окончательно заменил токовую петлю[источник не указан 429 дней].
Принципы работы
Стандарт цифровой токовой петли использует отсутствие тока как значение SPACE (низкий уровень, логический ноль) и наличие сигнала — как значение MARK (высокий уровень, логическая единица).
Отсутствие сигнала в течение длительного времени интерпретируется как состояние BREAK (обрыв линии).
Данные передаются старт-стопным методом, формат посылки совпадает c RS-232, например 8-N-1: 8 бит, без паритета, 1 стоп-бит.
Токовая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах.
Из-за неидеальности источника тока, максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока. Например при типичном напряжении питания 12 вольт сопротивление не должно превышать 600 Ом.
Источник тока может располагаться в приёмном или передающем конце токовой петли. Узел с источником тока называют активным. В зависимости от конструкции как передатчик, так и приёмник, могут быть либо активными (питать токовую петлю), так и пассивными (питаться от токовой петли).
Для компьютеров семейства ДВК по умолчанию принимается, что передатчик — активный, приёмник — пассивный.
Стандартизация
Стандарт ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84) использует токовую петлю 20 мА для передачи данных. Этот стандарт широко применялся в компьютерах, выпущенных в СССР и странах СЭВ до 1990-х годов. Например ДВК, Электроника-60, Электроника Д3-28, СМ ЭВМ и т. д. Физическое исполнение разъемов ИРПС в стандарте не закреплено, что породило массу вариантов. Часто употребляется разъём СНО53-8-2.
За рубежом токовая петля (Current Loop) специфицирована в стандартах IEC 62056-21 / DIN 66258.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface) использует стандарт токовой петли на 5-штырьковом разъеме DIN 41524 со скоростью 31,25 кбит/с.
Для компьютеров IBM PC и IBM PC XT имелась плата IBM Asynchronous Communications Adapter, поддерживающая последовательную передачу по RS-232 или токовой петле. Для передачи сигналов токовой петли используются незадействованные контакты на разъеме DB25. В более поздних разработках остался только RS-232.
Аналоговая токовая петля
Аналоговая токовая петля используется для передачи аналогового сигнала по паре проводов в лабораторном оборудовании, системах управления производством и т. д.
Применяется смещенный диапазон 4—20 мА, то есть наименьшее значение сигнала (например, 0) соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16 мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.
Интерфейс аналоговой токовой петли позволяет использовать разнообразные датчики (давления, потока, кислотности и т. д.) с единым электрическим интерфейсом. Также данный интерфейс может использоваться для управления регистрирующими и исполнительными устройствами: самописцами, заслонками и т. д.
Диапазоны токов и напряжений описаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».
Основное преимущество токовой петли (по сравнению с более дешёвой параметрической передачей напряжением) — то, что точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока будет автоматически поддерживать требуемый ток в линии. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи.
Несколько приёмников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно (согласно закону Кирхгофа).
Но если в цепи появятся утечки, работа токовой петли нарушится, и средствами реализации самой токовой петли это не обнаруживается, что необходимо учитывать при проектировании ответственных производственных участков.
Поверх аналоговой токовой петли можно передавать цифровую информацию. Такой способ передачи данных описан в HART-протоколе. Конкурирующими протоколами, способными в будущем вытеснить HART, являются различные цифровые полевые шины, такие как Foundation fieldbus или PROFIBUS.
Ссылки
- Current Signal Systems. Chapter 9 — Electrical Instrumentation Signals (англ.)
- http://www.ni.com/white-paper/6940/en/ (англ.)
- https://www.predig.com/indicatorpage/back-basics-fundamentals-4-20-ma-current-loops (англ.)
- https://www.electronics-notes.com/articles/connectivity/serial-data-communications/20ma-current-loop-introduction-what-is.php (англ.)
- https://www.acromag.com/sites/default/files/Acromag_Intro_TwoWire_Transmitters_4_20mA_Current_Loop_904A.pdf (англ.)
- http://www.bookasutp.ru/Chapter2_4.aspx
- http://easyelectronics.ru/tokovaya-petlya.html
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации.Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка установлена 25 марта 2015 года. |
Простая SCADA Owen Process Manager (OPM) | ООО «Сибхолод»
Основные функции OWEN PROCESS MANAGER (OPM)
OPM используется для разработки описаний технологических процессов, сохранения этих описаний на диске для последующего использования. Запуск процессов на исполнение предусматривает опрос всех приборов с периодичностью, отдельно задаваемой для каждого прибора, отображение результатов этого опроса, а также сохранение указанных пользователем значений в файлы протокола.
OPM предоставляет следующие возможности
- отображение и моделирование сети, состоящей из одного или нескольких адаптеров и подключенных к ним приборов ОВЕН, а также схемы технологического процесса на мониторе ПК
- сбор информации, передаваемой подключенными к ПК приборами ОВЕН
- ведение постоянного контроля работы приборов и регистрация данных на ПК через заданные промежутки времени по выбранным каналам приборов
- отображение текущих показаний приборов в цифровом или графическом виде на экране ПК
- выдача сообщений о выходе измеряемых величин за заданные границы
- возможность просмотра архива измерений за любой промежуток времени в табличном и графическом виде с помощью подсистемы Owen Report Viewer (ORV)
Версии OWEN Process Manager
- Поддержка всех приборов ОВЕН с интерфейсом «токовая петля» (подключаются через адаптер АС2)
- Поддержка приборов с интерфейсом RS-485: ТРМ151, ТРМ138, ТРМ148, ТРМ101, ТРМ200, ТРМ201, ТРМ202, МВА8, СИ8, ПКП1, ТРМ210, ТРМ 212, ТРМ 251, МДВВ, а также приборов ТРМ32, ТРМ33, ТРМ34, ТРМ38 и УКТ38, подключаемых через АС2М
- Поддержка приборов МВх, МЭх, ТРМ132М, ТРМ133М, КМС-Ф1
- Программа позволяет считывать, показывать в графическом и цифровом виде и архивировать измеряемые параметры вышеперечисленных приборов. Архивные данные могут быть представлены в табличном и графическом видах и распечатаны на принтере
- Возможен экспорт архивных данных в формат Excel, Dbase, Access
- Демо-версия поддерживает работу с одним прибором ОВЕН
Организация интерфейса связи приборов с ПК
При запуске OPM тестирует рабочий компьютер и автоматически определяет свободные COM-порты, к которым через адаптер интерфейса могут быть подключены приборы ОВЕН. Информация о COM-портах выводится на экран ПК в главном окне программы.
Выбор адаптера интерфейса зависит от типа интерфейса подключаемых приборов. К одному COM-порту возможно подключить только один адаптер интерфейса.
При необходимости увеличения количества отображаемых каналов на ПК необходимо установить дополнительные СОМ-порты. Максимальное количество СОМ-портов определяется характеристиками ПК.
Подключение приборов с интерфейсом RS-485
Для подключения к компьютеру приборов с интерфейсом RS-485 используются:
- ОВЕН АС3-М – автоматический преобразователь RS-232/RS-485;
- ОВЕН АС3 – полуавтоматический преобразователь RS-232/RS-485;
- ОВЕН АС4 – автоматический преобразователь USB/RS-485.
Возможно также использование преобразователей интерфейсов сторонних производителей.
Максимальное количество каналов отображения для одного порта составляет 256. Без использования средств усиления сигнала к преобразователю АС3-М, АС3 или АС4 можно подсоединять до 32 приборов, с использованием усилителя – до 256.
Подключение приборов с интерфейсом «токовая петля»
Для подключения к ПК приборов с интерфейсом «токовая петля» используются:
- ОВЕН АС2 – адаптер интерфейса «токовая петля»/RS-232;
- ОВЕН АС2-М – преобразователь интерфейса «токовая петля»/RS-485.
Через адаптер АС2 прибор подключается к компьютеру напрямую. К АС2 можно подключить до восьми приборов ОВЕН типа ТРМ1-PiC, ТРМ38. Максимальное количество каналов отображения для одного порта (при использовании восьмиканальных приборов типа УКТ38 или ТРМ38) равно 64.
Через преобразователь АС2-М прибор подключается к сети RS-485, которая, в свою очередь, через адаптер АС3-М, АС3 или АС4 может быть подключена к ПК. К каждому преобразователю АС2-М подключается один прибор типа ТРМ1-PiC, ТРМ38, МПР51 и т. п. Максимальное количество каналов отображения для одного порта (при использовании восьмиканальных приборов типа УКТ38 или ТРМ38) равно 256.
Настройка программы
При запуске OPM на экране появляется ее главное окно, в котором пользователю предстоит создать схему технологического процесса. Это окно содержит панель управления и меню.
При нажатии правой кнопки мыши всплывает меню настройки. Необходимо задать:
- тип подключаемого адаптера интерфейса;
- типы подключаемых к адаптеру интерфейса приборов ОВЕН;
- параметры опроса приборов компьютером.
При работе с адаптером интерфейса АС2 необходимо указать канал адаптера, к которому подключен прибор ОВЕН, и указать тип этого прибора, выбрав его из предлагаемого программой списка.
Для приборов, подключаемых через преобразователь RS-232/RS-485 или USB/RS-485, необходимо указать сетевой адрес подключенного прибора ОВЕН, который предварительно вводится в прибор при его программировании.
При задании параметров опроса возможно либо задать частоту опроса прибора, либо задать постоянный опрос. В случае постоянного опроса прибор опрашивается с максимально возможной для данной системы «компьютер–интерфейс–приборы» частотой. Эта частота опроса зависит от мощности компьютера, количества приборов в сети, наличия помех в линиях и т. п.
После записи конфигурации в файл необходимо запустить процесс. Это возможно сделать либо из меню программы, либо кнопкой на панели инструментов. На экране главного окна будут отображаться все текущие значения измеряемых величин.
Процесс, запущенный на исполнение, может быть в любой момент завершен или временно приостановлен. Изменения в схему процесса можно вносить только после его завершения. Измененный процесс возможно сохранить под прежним или новым именем.
Архивация (регистрация) данных
При исполнении процесса программа контролирует (архивирует) значения только тех каналов подключенных приборов, которые указаны пользователем. Для этого в дополнительных окнах программы создаются ссылки на выбранные каналы. Значения, регистрируемые по заданным ссылкам, заносятся в файл архива.
Программа имеет 5 дополнительных окон, выбор окна осуществляется кнопками на панели инструментов.
Частота опроса каналов и архивации данных определяется пользователем для каждой ссылки отдельно.
Просмотр файла архива осуществляется с помощью программы OWEN Report Viewer (ORV). ORV позволяет открывать и просматривать файлы архива (рапорты) либо в табличном, либо в графическом виде и конфигурировать отображение архивных данных для данного процесса.
Пользователь может самостоятельно определять, какие из происшедших событий, зафиксированных в рапорте, следует включать в отображаемые таблицы и графики. Можно также ограничивать временные рамки отображаемых событий с тем, чтобы более подробно рассматривать отдельные эпизоды технологического процесса.
Для последующей обработки данных из архива возможно их сохранение в форматах Access, FoxPro, DBase или Excel.
Система алармов (предупреждающих сообщений)
Программа позволяет следить за нахождением измеряемого параметра в заданном диапазоне значений. Для этого пользователь в созданных ссылках определяет верхнюю и нижнюю границы диапазона контроля.
При выходе измеряемого параметра за указанные границы программа выдает предупреждение («аларм»).
«Алармы» выводятся в специализированных окнах, цвет которых меняется в зависимости от типа сообщения. Информация о причине возникновения «аларма» и инструкции для оператора по ее устранению могут выводиться как автоматически при возникновении «аларма», так и по запросу оператора при нажатии кнопки на панели управления.
Компьютер
не ниже Pentium
Тактовая частота
не ниже 200 Мгц
Оперативная память
не ниже 16 Мбайт
Операционная система
Windows XP, Vista, 7