Характарыстыкі выхаднога току пратаколу HART і кіраўніцтва па ўжыванні
Пратакол HART (Адкрыты пратакол сувязі для адрасаваных каналаў дыстанцыйных датчыкаў з высокай хуткасцю) дазваляе ажыццяўляць двухнакіраваную лічбавую сувязь з частотнай маніпуляцыяй (FSK) 1,2 кГц/2,2 кГц у традыцыйных аналагавых токавых контурах ад 4 мА да 20 мА. Гэта спрашчае маніторынг датчыкаў/прывадаў і дэманструе значныя перавагі падчас усталёўкі, маніторынгу і тэхнічнага абслугоўвання абсталявання. У той час як HART забяспечвае абслуговы персанал шматлікія зручнасці дзякуючы партатыўным дапаможным прыладам для запытаў датчыкаў/прывадаў, поўнае выкарыстанне пераваг HART патрабуе падключэння датчыкаў/прывадаў да сістэм кіравання, абсталяваных сумяшчальнымі з HART токавымі ўваходамі або выхадамі. Гэты артыкул прысвечаны токавым уваходам з падтрымкай HART і праблемам, звязаным з інтэграцыяй функцыянальнасці HART у канструкцыі ўваходаў ад 4 мА да 20 мА з абмежаванай прасторай.
Спачатку разгледзім схему перадатчыка HART FSK. На малюнку 1 паказана традыцыйная канструкцыя такой схемы. Пасля яе аналізу мы прадставім аптымізаваны варыянт, які дазваляе эканоміць месца і выдаткі.
Малюнак 1. Традыцыйная схема перадачы HART FSK
На малюнку 1 выкарыстоўваецца Rsense для пераўтварэння сігналаў 4 мА - 20 мА ў сігналы 1 В - 5 В, якія могуць быць прачытаны АЦП. Схема перадачы HART FSK перадае сігналы HART FSK ±500 мВ па пераменным току на контур 4 мА - 20 мА праз кандэнсатар C1. Гэтыя сігналы могуць мець сінусоідную або трапецападобную форму хвалі. Выхад HART-мадэма патрабуе буфераў з дастатковай магутнасцю кіравання з-за нізкага імпедансу Rsense і патэнцыйна высокай ёмістасці кабеляў токавай контуру. Калі сігналы HART неактыўныя, выхад буфера мае нізкі імпеданс контуру, што можа паўплываць на перадачу сігналу 4 мА - 20 мА. Каб вырашыць гэтую праблему, перамыкач SW1 падключаны паслядоўна да выхаду буфера, каб забяспечыць высокі імпеданс падчас неактыўных перыядаў.
Калі SW1 актываваны, напружанне пятлі ад 4 мА да 20 мА можа вагацца ў межах ад 1 В да 5 В. Паколькі гэтыя ваганні звязаны з SW1 па пераменным току, на ўваходных клемах перамыкача можа быць напружанне да ±4 В. Каб вырашыць гэтую праблему, для перамыкача можа спатрэбіцца біпалярная крыніца харчавання з узроўнем напружання ±5 В або вышэй, альбо можна выбраць фотаэлектрычны перамыкач. Трохстанны буфер служыць яшчэ адным жыццяздольным рашэннем, хоць для яго выкарыстання можа спатрэбіцца біпалярная крыніца харчавання. Таксама можа быць рэалізавана трансфарматарная ізаляцыя. Улічваючы частаты сігналаў HART, можа спатрэбіцца аўдыётрансфарматар, але гэта можа прывесці да грувасткіх кампанентаў і значнага занятку месца на друкаванай плаце.
На малюнку 2 паказана палепшаная схема перадачы HART FSK, якая прапануе перавагі ў эканоміі прасторы і эканамічнай эфектыўнасці. У гэтай схеме магчымасці кіравання HART-мадэма AD5700 дастаткова для непасрэднай падачы сігналу FSK ±500 мВ у токавы контур без неабходнасці знешніх буфераў.
Малюнак 2. Палепшаная схема перадачы HART FSK
Калі мадэм не перадае сігналы, выхад FSK AD5700 будзе зрушаны да 0,75 В з імпедансам 70 кОм. Рэзістары R2 і R3 забяспечваюць палепшанае зрушэнне 0,75 В, што дае імпеданс пераменнага току 1,7 кОм. Гэты імпеданс 1,7 кОм у спалучэнні з кандэнсатарам C1 утварае фільтр высокіх частот, які забяспечвае стабільную выходную прадукцыйнасць нават пры найгоршых умовах уваходнага току ў дыяпазоне ад 4 мА да 20 мА (±16 мА пры 25 Гц і Rsense 200 Ом). Такая канфігурацыя кіруе выхадным FSK HART-мадэма ў межах ад 0 В да 1,5 В, што дазваляе ўсёй сістэме працаваць з аднапалярным сілкаваннем да 1,62 В, што адпавядае мінімальным патрабаванням да напружання сілкавання для HART-мадэмаў.
Яшчэ адным важным фактарам з'яўляецца ўваходны імпеданс, які павінен перавышаць 230 Ом. Каб забяспечыць адэкватны ўваходны імпеданс, уваходны рэзістар 250 Ом падзелены на дзве складнікі: 50 Ом і 200 Ом. Уваходны імпеданс пераменнага току разлічваецца як R1+ (Rsense||R2||R3) × 230 Ом. Пры неабходнасці гэты імпеданс можна павялічыць, павялічыўшы значэнні рэзістара зрушэння 0,75 Ом (R2 і R3). Хоць даданне дадатковага рэзістара 50 Ом да шляху перадачы FSK можа нязначна аслабіць сігнал FSK, атрыманы ўзровень напружання ўсё яшчэ адпавядае патрабаванням спецыфікацыі HART.
Паколькі токавы контур працуе ў рэжыме ваганняў напружання, частка току будзе праходзіць праз C1, R2 і R3. Важна пераканацца, што гэта не аказвае істотнага ўплыву на аналагавы сігнал ад 4 мА да 20 мА. Запас памылкі
Схема для ўваходу HART FSK паказана на малюнку 3. Гэтая канструкцыя ўключае паласавы фільтр, які падаўляе перадачу нізкачастотнага аналагавага сігналу, не падвяргаючыся ўздзеянню высокачастотных перашкод. Канфігурацыя фільтра спецыяльна распрацавана для датчыка AD5700 і можа адрознівацца ў залежнасці ад мадэлі HART-мадэма. Ключавой асаблівасцю гэтага паласовага фільтра з'яўляецца ўваходны імпеданс 150 кОм, які забяспечваецца рэзістарам R1, што значна павышае ўстойлівасць да пераходных шумавых перашкод.
Малюнак 3. Уваход HART FSK
Схема вымярэння току для дыяпазону ад 4 мА да 20 мА паказана на малюнку 4. Дакладны рэзістар Rsense 200 Ом пераўтварае сігнал 4 мА–20 мА ў сігнал напружання ад 0,8 В да 4 В, які затым апрацоўваецца АЦП. Сігнал праходзіць праз біпалярны нізкачастотны фільтр (R2, C1, R3, C2) для падаўлення перашкод HART FSK, перш чым паступіць на АЦП для пераўтварэння.
Малюнак 4. Схема вымярэння току
Апісаная тут схема была паспяхова пабудавана і пратэставана, служачы эталоннай схемай для чатырохканальных уваходаў напружання і току PLC/DCS, захоўваючы пры гэтым сумяшчальнасць з HART (CN0364). Апісаная схема можа быць цалкам рэалізавана на гэтай друкаванай плаце, якая таксама падтрымлівае мультыплексаванне HART па чатырох уваходных каналах. Падчас тэставання канала перамыкач перадачы FSK застаецца альбо ўключаным, альбо выключаным; калі ён застаецца ўключаным, канфігурацыя схемы застаецца ідэнтычнай паказанай на малюнку 2.
У гэтым артыкуле апісана рэалізацыя апаратнага забеспячэння на аналагавых уваходах, сумяшчальных з HART. Акрамя таго, дэманструецца ўдасканаленая схема перадачы HART FSK з выкарыстаннем HART-мадэма AD5700. Палепшаная канструкцыя ліквідуе неабходнасць у знешніх буферах або перамыкачах, аптымізуючы выкарыстанне прасторы на друкаванай плаце і зніжаючы выдаткі. Акрамя таго, схема не патрабуе біпалярнага блока харчавання, што не толькі эканоміць месца і зніжае выдаткі, але і спрашчае кіраванне харчаваннем.