Повернутися до основ: Loop vs Line Power

Попередня стаття цієї серії "Основи пристроїв, що працюють на петлі", обговорювала пристрої з циклічним або двопровідним живленням. Ці прилади використовують потужність, що подається до струму, щоб живити себе. Двопровідне з'єднання не завжди може бути найоптимальнішим рішенням щодо живлення через його нездатність живити пристрої, які потребують великого падіння напруги. Три- та чотирипровідні пристрої мають зовнішнє джерело живлення для ефективного усунення падіння напруги, розміщеного на контурі струму сигналу технологічного процесу. Важливо розуміти відмінності між цими трьома установками, оскільки вони принципово різні, і кожна має свої переваги та обмеження.

2-дротові з'єднання

Для роботи всіх пристроїв у струмі струму 4-20 мА потрібно десь подавати живлення. Двопровідні пристрої отримують потужність від самого контуру технологічного сигналу. Живлення для шлейфу зазвичай надходить від джерела живлення передавача або якогось іншого виду зовнішнього джерела живлення, і вся потужність системи проходить через дроти, які також несуть сигнал. Оскільки для цього налаштування потрібні лише два дроти, прилади з циклічним живленням також називаються двопровідними пристроями. Навпаки, три- та чотирипровідні пристрої отримують потужність, необхідну для функціонування, від джерела живлення, яке є окремим (але не обов’язково ізольованим) від струму струму. Ці пристрої не можуть працювати від петлі.

4-дротові з'єднання

Чотирипровідне з'єднання використовує струм струму як засіб для передачі лише технологічного сигналу 4-20 мА. Цей тип підключення не буде отримувати енергію, необхідну йому, з поточного контуру. Це призведе до падіння напруги на шлейфі, але це мінімально, якщо порівнювати з таким приладом, що працює на циклі. Натомість чотирипровідні пристрої живлення забезпечуються зовнішнім джерелом живлення. Це може бути джерело змінного або постійного струму, оскільки пристрій живиться незалежно від контуру постійного струму. Поширені джерела живлення 24 В змінного струму або постійного струму, як і 120 або 240 В змінного струму. Все залежить від технічних характеристик пристрою.

Ізольовані чотирипровідні підключені пристрої "плавають" в межах струму. Це означає, що загальний або зворотний сигнальний провід від пристрою не підключається до заземлення джерела живлення. Як видно з назви "чотирипровідний", два дроти підключають джерело живлення до пристрою, а два дроти - технологічний сигнал до пристрою. Отже, ізоляція вбудована в систему. Немає електричного зв’язку між джерелом живлення та технологічним сигналом.

3-дротові з'єднання

Трипровідне з'єднання по суті те саме, що чотирипровідне, за винятком того, що щойно обговорена ізоляція відсутня; трипровідний пристрій не плаває порівняно з поточним контуром. У трипровідному з'єднанні, зворотний сигнал від пристрою та загальний джерело живлення є спільним з'єднанням.

2-дротові з'єднання

Згадуючи переваги двопровідних з'єднань з попередньої статті, ви пам'ятаєте, що вони прості в налаштуванні, менша вартість, зазвичай мають затвердження в небезпечних зонах і не потребують місцевого живлення.

З іншого боку, вони мають дуже обмежені можливості через обмежену кількість енергії, яку вони можуть отримувати від поточного циклу. Три- та чотирипровідні пристрої мають власні набори плюсів і мінусів, які завжди потрібно враховувати при спробі визначити найкраще рішення для середовища управління процесом.

Простий і легкий дисплей для передавача 4-20 мА
Недороге рішення для відображення
Схвалення агентств
Місцеве живлення не потрібне

Обмежені можливості випуску
Не підтримує реле
Не підтримує світлодіодні дисплеї

Рисунок 1. Двопровідні підключення (струм петлі та потужність петлі)

4-дротові з'єднання

Оскільки чотирипровідні пристрої живляться зовні, вони можуть вмістити набагато більше енергоємних функцій, таких як механічні реле, яскраві світлодіодні дисплеї, вдосконалений послідовний зв’язок, такий як Modbus ®, та виходи з живленням, серед іншого. Чотирипровідні з'єднання легше зрозуміти, тому що не потрібно турбуватися про падіння напруги на струмовому контурі. Чотирипровідний пристрій можна живити, просто підключивши його до розетки або до якогось джерела постійного струму, такого як акумулятор.

Як вже згадувалося, чотирипровідні пристрої часто мають відмінну вбудовану ізоляцію сигналу. У пристрої з ізоляцією від сигналу живлення сигнал струму та джерело живлення використовують повністю окремі дроти. Це може значно спростити налаштування та обслуговування при роботі зі складними сигнальними мережами 4-20 мА (що містять безліч змінних процесу 4-20 мА в декількох циклах) або якщо з боку джерела живлення виникає багато електронних шумів.

Чотирипровідні з'єднання, на відміну від двопровідних, вимагають окремого джерела живлення для пристрою, що може бути невигідним залежно від наявності енергії. Як правило, вони дорожчі, оскільки для обробки зовнішнього джерела живлення, яке вони отримують, потрібна внутрішня схема живлення, і, як правило, вони мають більш дорогі компоненти.

Кількість проводу, необхідна для підключення чотирипровідних пристроїв, може стати проблемою для монтажників, особливо в небезпечних зонах, де весь цей провід повинен проходити через трубопровід. Це також може ускладнити технічне обслуговування та усунення несправностей у дорозі, вимагаючи оцінки та ремонту майже подвоєних схем порівняно з аналогічною двопровідною системою.

Чотирипровідні з'єднання також мають менше варіантів, коли мова йде про небезпечні зони. Одні лише високі вимоги до енергії роблять дозволи на внутрішню безпеку (I.S.) та нежиттєздатні (N.I.) надзвичайно рідкісними. Для того, щоб чотирипровідний пристрій був придатним для використання в небезпечній зоні, його часто потрібно закрити у вибухозахищеному корпусі, який, хоча і ефективний, не завжди може бути найкращим із можливих варіантів.

Рисунок 2. 4-провідні підключення (живлення та сигнали)

Більше можливостей, ніж 2 дроти (реле, світлодіоди, послідовний зв’язок)
Простіше зрозуміти проводку
Не потрібно турбуватися про падіння напруги
Відмінна ізоляція (потужність від входів/виходів)

Потрібне окреме місцеве джерело живлення
Загалом дорожче
Більше вимог до проводки
Варіанти обмеженої небезпечної зони

3-дротові з'єднання

Зазвичай виявляється, що тридротові пристрої дешевші за чотирипровідні, перш за все тому, що вони не мають ізоляції. Їх також можна дещо простіше встановити, оскільки їм потрібно менше дроту, і в тому випадку, коли провід потрібно проводити через трубопровід, цей провід часто можна прокласти уздовж тих самих каналів, оскільки вони вже електрично підключені. Більше того, багато однакові переваги чотирипровідних пристроїв, згаданих вище, стосуються і трипровідних, таких як наявність механічних реле, вдосконаленого послідовного зв'язку, вихідних сигналів тощо.

На відміну від чотирипровідних, трипровідні пристрої не мають ізоляції через те, що загальне джерело живлення та зворотний сигнал процесу мають один і той же провід. Маючи справу зі складними сигнальними мережами 4-20 мА, установник повинен бути дуже обережним під час проводки пристроїв, щоб уникнути перетину струмових трактів. Будь-які підстави, загальні відомості або повернення, що перехрестя шляхів із сигнальним контуром процесу спричинять рух струму в різні схеми, і сигнал процесу більше не буде передбачати передбачувані, корисні значення струму.

Три дротові пристрої не можуть живитися від джерела змінного струму (змінного струму). Чотирипровідні пристрої можуть живитись струмом змінного струму, таким як той, який доступний від настінної розетки, оскільки з'єднання, що живить пристрій, повністю відокремлене від підключення до технологічного сигналу. Тридротові пристрої не мають такої ізоляції, тому вся потужність в системі повинна мати постійний струм (постійний струм), як і сигнальний контур технологічного процесу.

Рисунок 3. 3-дротові підключення (живлення та сигнали)

Нижча вартість, ніж 4 дроти
Легше підключати (менше підключень)

Без ізоляції, дуже сприйнятливий до заземлених петель
Може заплутати дроти

Рисунок 4. Що слід пам’ятати при виборі підключення до проводки

В основі цієї теми лежить декілька важливих факторів, які необхідно враховувати при виборі правильного вибору для середовища управління процесом. Пам'ятайте, що три- та чотирипровідні пристрої завжди потребуватимуть джерела живлення, яке буде окремо від контуру технологічного сигналу, хоча це за своєю суттю не означає ізоляцію. Двопровідні пристрої живляться від самого струмового контуру і не потребують зовнішнього джерела живлення.

Незважаючи на те, що було зазначено багато мінусів щодо трипровідних з'єднань, пам'ятайте, що вони справді працюють, і вони є дійсним варіантом, коли ізоляція джерела живлення не є проблемою. Вони часто дешевші за чотирипровідні пристрої, що є безперечним плюсом; проте установник повинен розуміти, що вони роблять, і знати наслідки перетину струмових петель.

Чотири та двопровідні пристрої можна простіше підключити, ніж трипровідні, хоча обидва з різних причин. Пристрої з двома проводами простіші, оскільки підключень менше, але потрібно враховувати падіння напруги. Чотирипровідні пристрої легше підключати через вбудовану ізоляцію, але потрібно враховувати вимоги до зовнішнього живлення.

Як загальне правило, коли мова заходить про вартість пристроїв управління процесом, вважайте двопровідні пристрої найменш дорогими, трипровідні - посередині, а чотирипровідні - найдорожчими. Деякі пристрої та функції пристроїв просто недоступні як двопровідні, однак через невід'ємні вимоги до енергоспоживання.

Що слід пам’ятати

4-провідні або 3-провідні вимагають окремого джерела живлення
3-дротові роботи - спочатку пам’ятайте про вимоги до ізоляції
2-провідний - пам’ятайте про падіння напруги
Витрати зростають із збільшенням кількості проводів
Деякі пристрої недоступні як двопровідні

Як обговорювалося в першій частині цієї серії, "Основи струмових контурів 4-20 мА", контур струму 4-20 мА є домінуючим стандартом керування процесом у багатьох галузях промисловості, які потребують управління процесом. Той факт, що струм не зміниться з моменту, коли він залишає передавач, до того, як він досягне приймача, робить його ідеальним засобом для передачі інформації про процес. Це також набагато простіше і економічно вигідніше, ніж інші протоколи управління процесами. Однак падіння напруги та кількість змінних процесу, які потрібно контролювати, можуть вплинути на вартість та складність впровадження цього стандарту.

Пристрої, які передають та/або приймають інформацію по струму, з'єднані двома, трьома або чотирма проводами. У другій частині «Основи приладів, що працюють на петлі», було досліджено, як двопровідні або петльові пристрої отримують свою потужність від сигнального контуру 4-20 мА, підключеного до пристрою. Це можливо, оскільки струм однаковий у всьому контурі, тому падіння напруги, спричинені пристроями, що живляться з петлею, не впливають на сигнал струму. Пристрої, що працюють на петлі, прості, легко підключаються і використовують дуже мало енергії. Однак важливо пам’ятати про обмеження пристроїв, що працюють на петлі, таких як відсутність реле, світлодіодних дисплеїв або вдосконаленого послідовного зв'язку.

Три- та чотирипровідні пристрої, на відміну від двопровідних, використовують зовнішнє джерело живлення, що дозволяє їм мати набагато вдосконаленіші компоненти, такі як яскравіші світлодіодні дисплеї та вдосконалені опції виводу. Чотирипровідні пристрої також часто мають вбудовану ізоляцію джерела живлення. Три- і чотирипровідні пристрої не завжди можуть бути відповідним варіантом, однак, якщо додаткове живлення неможливе або їм потрібно працювати в небезпечній зоні з дозволами внутрішньої безпеки або некерування.

Інсталятор пристрою повинен мати можливість звертати увагу на технічні характеристики, що стосуються конкретного середовища управління процесом, щоб уникнути проблем із їхньою конкретною системою управління. Персонал, що займається технічним обслуговуванням, повинен знати, як налаштовано середовище, і що це означає з точки зору електричного підключення, для належного обслуговування та усунення несправностей існуючих мереж управління процесами. Знання основ стандарту струму струму 4-20 мА та засобів, за допомогою яких пристрої підключаються до мереж струмового контуру, може пройти довгий шлях до того, щоб мати змогу приймати більш обгрунтовані рішення щодо управління процесом у вашому об’єкті.

Саймон Паонеса - технічний письменник
Precision Digital Corporation