noțiuni

Articolul anterior din această serie, Fundamentals of Loop-Powered Devices, a discutat despre dispozitivele cu buclă sau cu două fire. Aceste instrumente utilizează puterea furnizată buclei de curent pentru a se alimenta singuri. O conexiune cu două fire poate să nu fie întotdeauna cea mai optimă soluție de alimentare din cauza incapacității sale de a alimenta dispozitive care necesită o cădere mare de tensiune. Dispozitivele cu trei și patru fire încorporează o sursă de alimentare externă pentru a elimina eficient căderea de tensiune plasată pe bucla de curent a semnalului de proces. Este important să înțelegem diferențele dintre aceste trei setări, deoarece acestea sunt fundamental diferite și fiecare are propriile sale avantaje și limitări.

Conexiuni cu 2 fire

Pentru a funcționa, toate dispozitivele dintr-o buclă de curent de 4-20 mA trebuie alimentate de undeva. Dispozitivele cu două fire își primesc puterea de la bucla de semnal de proces în sine. Puterea pentru buclă provine de obicei de la sursa de alimentare a emițătorului sau de la un alt tip de sursă de alimentare externă, iar toată puterea sistemului se deplasează prin firele care transportă și semnalul. Deoarece această configurare necesită doar două fire, instrumentele cu buclă sunt denumite și dispozitive cu două fire. Dispozitivele cu trei și patru fire, în schimb, primesc puterea de care au nevoie pentru a funcționa de la o sursă de alimentare separată (dar nu neapărat izolată) de bucla de curent. Aceste dispozitive nu pot fi alimentate prin buclă.

Conexiuni cu 4 fire

O conexiune cu patru fire utilizează bucla de curent ca mijloc de a transmite numai semnalul de proces de 4-20 mA. Acest tip de conexiune nu va extrage puterea de care are nevoie din bucla curentă. Va crea o cădere de tensiune pe buclă, dar aceasta este minimă în comparație cu cea a unui dispozitiv alimentat cu buclă. Necesitatea dispozitivelor cu patru fire de alimentare este furnizată în schimb de o sursă de alimentare externă. Aceasta poate fi o sursă de alimentare alternativă sau cu curent continuu, deoarece dispozitivul este alimentat independent de bucla de curent continuu. Alimentările de 24 VAC sau VDC sunt obișnuite, la fel ca 120 sau 240 VAC. Totul depinde de specificațiile dispozitivului.

Dispozitivele izolate cu patru fire conectate „plutesc” în bucla curentă. Aceasta înseamnă că firul de semnal comun sau firul procesului de întoarcere de la dispozitiv nu se conectează la masa de alimentare. După cum se poate observa din denumirea „cu patru fire”, două fire conectează sursa de alimentare la dispozitiv și două fire conectează semnalul de proces la dispozitiv. Prin urmare, izolarea este integrată în sistem. Nu există o conexiune electrică între sursa de alimentare și semnalul de proces.

Conexiuni cu 3 fire

O conexiune cu trei fire este în esență aceeași cu o conexiune cu patru fire, cu excepția faptului că izolarea tocmai discutată nu este prezentă; un dispozitiv cu trei fire nu plutește în comparație cu bucla curentă. Într-o conexiune cu trei fire, semnalul de proces revine de la dispozitiv și comunul sursei de alimentare sunt o conexiune partajată.

Conexiuni cu 2 fire

Reamintind avantajele conexiunilor cu două fire din articolul precedent, vă veți aminti că acestea sunt ușor de configurat, costuri mai mici, prezintă în mod obișnuit aprobări pentru zone periculoase și nu necesită alimentare locală.

Pe de altă parte, au caracteristici foarte limitate datorită cantității limitate de energie pe care o pot extrage din bucla curentă. Dispozitivele cu trei și patru fire au propriul set de argumente pro și contra, care trebuie întotdeauna luate în considerare atunci când se încearcă stabilirea celei mai bune soluții pentru un mediu de control al procesului.

  • Afișaj simplu și ușor pentru transmițător de 4-20 mA
  • Soluție low cost pentru afișare
  • Aprobările agenției
  • Puterea locală nu este necesară
  • Opțiuni de ieșire limitate
  • Nu acceptă relee
  • Nu acceptă afișajele LED

Figura 1. Conexiuni cu 2 fire (bucla curentă și puterea buclei)

Conexiuni cu 4 fire

Deoarece dispozitivele cu patru fire sunt alimentate extern, acestea pot găzdui mult mai multe caracteristici consumatoare de energie, cum ar fi relee mecanice, afișaje LED luminoase, comunicații seriale avansate, cum ar fi Modbus ®, și ieșiri alimentate, printre altele. Conexiunile cu patru fire pot fi mai ușor de înțeles, deoarece nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la căderea de tensiune pe bucla de curent. Un dispozitiv cu patru fire poate fi alimentat prin simpla conectare la o priză de perete sau la un fel de sursă de curent continuu, cum ar fi o baterie.

După cum sa menționat, dispozitivele cu patru fire au adesea o izolare excelentă a semnalului. Într-un dispozitiv cu izolare de la putere la semnal, semnalul curent și sursa de alimentare utilizează fire complet separate. Acest lucru poate face configurarea și întreținerea mult mai ușoară atunci când se ocupă de rețele complexe de semnal de 4-20 mA (cu variabile multiple de proces de 4-20 mA pe mai multe bucle) sau dacă există o mulțime de zgomot electronic de la sursa de alimentare.

Conexiunile cu patru fire, spre deosebire de conexiunile cu două fire, necesită o sursă de alimentare separată pentru dispozitiv, care poate fi dezavantajoasă în funcție de disponibilitatea energiei. În general, acestea sunt mai scumpe, deoarece necesită un circuit de alimentare internă pentru a gestiona puterea externă pe care o primesc și, în general, prezintă componente mai scumpe.

Cantitatea de sârmă necesară pentru conectarea dispozitivelor cu patru fire poate deveni o problemă pentru instalatori, în special în zonele periculoase în care tot sârma respectivă ar trebui să treacă prin conductă. Acest lucru poate face, de asemenea, întreținerea și depanarea mai dificile pe drum, necesitând evaluarea și repararea a aproape dublul circuitelor în comparație cu un sistem similar cu două fire.

Conexiunile cu patru fire au, de asemenea, mai puține opțiuni atunci când vine vorba de zone periculoase. Numai cerințele de putere ridicate fac ca aprobările de siguranță intrinsecă (I.S.) și non-incendiare (N.I.) să fie extrem de rare. Pentru ca un dispozitiv cu patru fire să fie adecvat pentru a fi utilizat într-o zonă periculoasă, trebuie adesea să fie închis într-o carcasă rezistentă la explozii care, deși este eficientă, s-ar putea să nu fie întotdeauna cea mai bună opțiune posibilă.

Figura 2. Conexiuni cu 4 fire (alimentare și semnale)

  • Mai multe capacități decât 2 fire (relee, LED-uri, comunicații seriale)
  • Mai ușor de înțeles cablajul
  • Nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la căderea de tensiune
  • Izolare excelentă (putere de intrare/ieșire)
  • Necesită o sursă de alimentare locală separată
  • În general mai scump
  • Mai multe cerințe de cablare
  • Opțiuni limitate de zonă periculoasă

Conexiuni cu 3 fire

Dispozitivele cu trei fire se găsesc în mod obișnuit să aibă un cost mai mic decât cele cu patru fire, în principal deoarece nu prezintă izolație. De asemenea, pot fi ușor de instalat, deoarece necesită mai puțină sârmă și, în cazul în care sârma trebuie să fie rulată prin conductă, sârma poate fi rulată adesea de-a lungul acelorași canale, deoarece acestea sunt deja conectate electric. Mai mult, multe dintre aceleași avantaje ale dispozitivelor cu patru fire menționate mai sus se aplică și celor cu trei fire, cum ar fi disponibilitatea relelor mecanice, comunicații seriale avansate, ieșiri cu alimentare etc.

Spre deosebire de dispozitivele cu patru fire, dispozitivele cu trei fire nu prezintă izolare din cauza faptului că sursa de alimentare comună și returul semnalului de proces au același fir. Când se ocupă de rețele complexe de semnal de 4-20 mA, un instalator trebuie să fie foarte atent în timp ce conectează dispozitivele pentru a evita traversarea căilor curente. Orice motive, bunuri comune sau retururi care se încrucișează cu bucla de semnal de proces vor face ca curentul să circule în diferite circuite și semnalul de proces nu va mai furniza valori de curent previzibile și utilizabile.

Dispozitivele cu trei fire nu pot fi alimentate de la o sursă de alimentare cu curent alternativ (AC). Dispozitivele cu patru fire pot fi alimentate prin curent alternativ, cum ar fi cel disponibil de la o priză de perete, deoarece conexiunea care alimentează dispozitivul este complet separată de conexiunea la semnalul de proces. Dispozitivele cu trei fire nu prezintă această izolare, deci toată puterea din sistem trebuie să fie de curent continuu (CC), la fel ca bucla de semnal de proces.

Figura 3. Conexiuni 3 fire (alimentare și semnale)

  • Cost mai mic decât 4 fire
  • Mai ușor de conectat (mai puține conexiuni)
  • Fără izolare, foarte susceptibilă la bucle la sol
  • Poate fi confuz cu firul

Figura 4. Lucruri de reținut atunci când alegeți o conexiune de cablare

La baza acestui subiect sunt câțiva factori esențiali care trebuie luați în considerare atunci când se decide alegerea corectă pentru un mediu de control al procesului. Amintiți-vă că dispozitivele cu trei și patru fire vor necesita întotdeauna o sursă de alimentare separată de bucla de semnal de proces, deși acest lucru nu implică în mod inerent izolarea. Dispozitivele cu două fire sunt alimentate de bucla de curent în sine și nu necesită o sursă de alimentare externă.

Deși au fost menționate multe contra în ceea ce privește conexiunile cu trei fire, amintiți-vă că funcționează și sunt o opțiune validă atunci când izolarea sursei de alimentare nu este o problemă. Ele sunt adesea mai ieftine decât dispozitivele cu patru fire, ceea ce reprezintă un plus clar; cu toate acestea, instalatorul trebuie să înțeleagă ce fac și să cunoască implicațiile traversării buclelor curente.

Dispozitivele cu patru și două fire pot fi mai ușor de conectat decât cele cu trei fire, deși ambele din diferite motive. Dispozitivele cu două fire sunt mai ușoare, deoarece există mai puține conexiuni de făcut, dar trebuie luată în considerare căderea de tensiune. Dispozitivele cu patru fire sunt mai ușor de conectat datorită izolației încorporate, dar trebuie luate în considerare cerințele de alimentare externe.

Ca regulă generală atunci când vine vorba de costul dispozitivelor de control al procesului, gândiți-vă la dispozitivele cu două fire fiind cele mai puțin costisitoare, cele cu trei fire fiind la mijloc și dispozitivele cu patru fire ca fiind cele mai scumpe. Unele dispozitive și caracteristici ale dispozitivului nu sunt disponibile doar ca două fire, totuși din cauza cerințelor inerente de consum de energie.

Lucruri de amintit

  • 4 fire sau 3 fire necesită o sursă de alimentare separată
  • Lucrări cu 3 fire - fiți conștienți mai întâi de cerințele de izolare
  • 2 fire - fii conștient de căderile de tensiune
  • Costurile cresc pe măsură ce sunt utilizate mai multe fire
  • Unele dispozitive nu sunt disponibile ca 2 fire

După cum sa discutat în prima parte a acestei serii, Fundamentele buclelor de curent de 4-20 mA, bucla de curent de 4-20 mA este standardul dominant al semnalului de control al procesului în multe industrii care necesită controlul procesului. Faptul că curentul nu se va schimba din momentul în care părăsește emițătorul până când ajunge la receptor îl face un mijloc ideal pentru transferul informațiilor despre proces. De asemenea, este mult mai simplu și rentabil decât alte protocoale de control al proceselor. Cu toate acestea, căderile de tensiune și numărul de variabile de proces care trebuie monitorizate pot avea un impact asupra costului și complexității implementării acestui standard.

Dispozitivele care transmit și/sau primesc informații pe o buclă de curent sunt conectate fie cu două, trei, fie cu patru fire. Partea a doua, Fundamentele dispozitivelor alimentate prin buclă, a explorat modul în care dispozitivele cu două fire sau cu buclă își primesc puterea de la bucla de semnal de proces de 4-20 mA conectată la dispozitiv. Acest lucru este posibil deoarece curentul este același în întreaga buclă, deci căderile de tensiune cauzate de dispozitivele alimentate cu buclă nu afectează semnalul de curent. Dispozitivele alimentate prin buclă sunt simple, ușor de conectat și utilizează foarte puțină energie. Cu toate acestea, este important să fiți conștienți de limitările dispozitivelor alimentate prin buclă, cum ar fi indisponibilitatea relelor, afișajelor LED sau comunicațiilor seriale avansate.

Dispozitivele cu trei și patru fire, spre deosebire de cele cu două fire, utilizează o sursă de alimentare externă care le permite să prezinte componente mult mai avansate, cum ar fi afișaje LED mai luminoase și opțiuni avansate de ieșire. Dispozitivele cu patru fire au, de asemenea, frecvent o izolație integrată a sursei de alimentare. Dispozitivele cu trei și patru fire ar putea să nu fie întotdeauna opțiunea potrivită, cu toate acestea, dacă alimentarea cu energie suplimentară este imposibilă sau trebuie să funcționeze într-o zonă periculoasă cu siguranță intrinsecă sau aprobări non-incendiare.

Un instalator de dispozitiv trebuie să fie în măsură să acorde atenție specificațiilor relevante pentru mediul lor special de control al procesului pentru a evita problemele legate de sistemul lor de control specific. Personalul de întreținere ar trebui să știe cum este configurat mediul și ce înseamnă în ceea ce privește conectivitatea electrică, pentru a întreține și a depana în mod corespunzător rețelele existente de control al proceselor. Cunoașterea elementelor fundamentale ale standardului de buclă de curent de 4-20 mA și a mijloacelor prin care dispozitivele se conectează la rețelele de bucle curente pot face un drum lung spre a putea lua decizii mai în cunoștință de cauză cu privire la controlul procesului în instalația dvs.

De Simon Paonessa - scriitor tehnic
Precision Digital Corporation