4–20 mA interfésszel rendelkező szenzorok használata keskenysávú IoT-szenzorhálózatokon

A 4–20 mA áramhurok az irányítás- és vezérléstechnikában használatos egyik legelemibb és legdominánsabb ipari szabvány a szenzorok folyamatszabályzási körökbe való integrálására

2021. október 20., szerda, 06:00

Címkék: áramerősség mérés áramkör Dolgok internete Endrich Bauelemente Internet of Things szenzortechnika tápegység

A lap előző számának hasábjain ismertetett Endrich IoT-infrastruktúrához kapcsolódóan szeretnénk részletesebben bemutatni néhány már megvalósult vevői projektet, amik erre a platformra épülnek mind a hardver-, mind a használt szoftverszolgáltatásokat illetően. Egyik jó példa erre a Stars’Bridge Kft. megoldása a 4–20 mA szabványos illesztéssel rendelkező szenzorok keskenysávú IoT-kommunikáció képességével való felruházására, a szenzorok a „Dolgok Internetéhez” mint globális szenzorhálózathoz való kapcsolására.

A 4–20 mA áramhurok az irányítás- és vezérléstechnikában használatos egyik legelemibb és legdominánsabb ipari szabvány a szenzorok folyamatszabályzási körökbe való integrálására. Működése rendkívül egyszerű, elemzésére mindössze az Ohm- és a Kirchoff-törvények ismerete szükséges. A Kirchoff-féle huroktörvény szerint egy áramhurokban az egyes fogyasztókon eső feszültségek és a tápfeszültségek előjeles összege nulla, míg minden elemen azonos erősségű áram folyik keresztül.

Az U tápfeszültség így kifejezhető az egyes áramköri fogyasztókon eső feszültségek (U1, U2, U3) összegeként, melyek egyenként az alábbi módon számíthatók ki:

U = U1 + U2 + U3 = I * (R1 + R2 + R3)

1. ábra Áramhurok

Az egyes áramköri elemeknek megfeleltethető a 4–20 mA áramhurok egy-egy egysége, ahogy az a 2. ábrán is látható. A szenzor valamely fizikai mennyiséget érzékel, ez a mennyiség lesz a folyamat egyik változója. Ezt az értéket egy jelátalakító (transzmitter) áramkör kell, hogy 4–20 mA DC áramerősség-értékké alakítsa, és arányosan kell, hogy betáplálja a hurokba.

Ahhoz, hogy a vezetéken áram folyjék, szükség van egy tápegységre, melynek feszültsége általában DC 9 V, 12 V, 24 V attól függően, hogy az egyes áramköri elemek feszültségesése mekkora (huroktörvény). Az egyes elemeket vezeték köti össze, ennek ellenállásán eső feszültség is beleszámít(hat) a teljes hurok összes feszültségesésébe, melyet a tápegység feszültsége kell, hogy képes legyen kompenzálni. Ennek elsősorban hagyományos 4–20 mA-es nagy kiterjedésű (hosszú vezetékezést igénylő) hurok esetén van jelentősége.

A fent említett jelátalakító feladata, hogy a hurokban futó áramerősséget a szenzor által mért adatokkal arányosan szabályozza 4 és 20 mA közötti értéken. A 4 mA indulóérték jelentősége, hogy a szenzor alsó mérési határához (akár fizikai 0 érték) tartozó áramérték jól megkülönböztethető legyen a meghibásodást jellemző áramerősségtől. A hurok szakadása esetén ez az érték 0 mA, ha a szenzor alsó mérési határához is ezt az áramértéket párosítanánk, akkor nem tudnánk felismerni a vezetékszakadást, így logikusabb a jelátalakítónak egy nullánál nagyobb értéket szolgáltatnia alsó méréshatáron is.

Végül a hurok egy pontján szükséges beiktatni egy olyan vevőegységet, ami a 4–20 mA detektálásával képes visszaszámolni a szenzor által mért fizikai jellemző értékét, és kijelezni, továbbítani vagy máshogy felhasználni azt.

2. ábra A 4–20 mA áramhurok részei: a szenzor méri a folyamatjellemzőt, a jelátalakító arányosan 4–20 mA DC elektronikus jellé fordítja le ezt, és szabályozza a hurok áramerősségét; a vevőegység pedig kijelzi, feldolgozza vagy továbbítja az adatot

A 4–20 mA áramhurok számos előnnyel rendelkezik a folyamatszabályozásban használt más szabványokkal szemben, hiszen egyszerű a felépítése, az áramjel nem csökken a távolság függvényében (ellentétben a feszültséggel), kevés vezetékezés szükséges hozzá, valamint nem különösebben érzékeny az elektromágneses interferenciára sem. Mivel 4 mA áramerősség-érték tartozik a 0%-os szenzorkimenethez, könnyű a hurok szakadásából eredő hibát detektálni. Hátránya ennek a rendszernek, hogy egyetlen processz-változó mérésére van lehetőség hurkonként, azaz több párhuzamos mennyiség detektálásánál nő a vezetékezési igény, ami esetleges földhurkok kialakulásához vezethet nem kielégítő izoláció esetén.

A kereskedelemben számos 4–20 mA szabványos interfésszel rendelkező szenzor kapható. Ezekben az eszközökben általában a szenzor és a jelátalakító áramkör is rendelkezésre áll. Csak az általunk képviselt egyik szenzorgyártónál, a MICROSENSOR cégnél 23 különféle 4–20 mA-es kimenetű nyomásszenzor kapható.

3. ábra A MICROSENSOR 4–20 mA áramhurokhoz illeszthető nyomásszenzorainak választéka

Már láttuk, hogy a jeladó és a tápegység mellett kulcseleme az áramhuroknak a vevőegység, mely az adatok értelmezéséről kell, hogy gondoskodjon. A feladat viszonylag egyszerű, a szenzor 0%-os értékéhez 4 mA, 100%-os értékéhez 20 mA konstans DC áramerősség tartozik, melyet a jelvevőnek szükséges mérnie. A legegyszerűbb módszer erre egy pontos, kis ismert OHM értékű söntellenállás felhasználásával feszültséget mérni. Ez esetben az 1. ábrán szereplő hurok egyik ellenállása lesz a söntellenállás, melyen eső feszültséget egy mikrovezérlő ADC bemenetével mérve – az ellenállás ismeretében – kalkulálható a hurok áramerőssége, amiből a mikrokontroller vissza tudja számítani a szenzor által mért (pl. nyomás) értéket.

Ezzel meg is valósult a folyamat kitüntetett változójának meghatározása, ami a beavatkozáshoz, a szabályzókör működtetéséhez szükséges. Ezt a beavatkozást a mikrovezérlő illesztő áramkörökön (például relé, FET vagy egyéb teljesítmény illesztő elemeken) keresztül elvégezheti. Manapság azonban egyre gyakrabban van szükség az adatok központi tárolására és feldolgozására, ilyenkor a szabályzókör kibővül egy – akár távoli – adathalmazon végzett műveletsorral és az ezt lehetővé tévő hálózati infrastruktúrával. Az áramhurok fizikai kiterjesztése természetesen véges, azonban a vevőegység kibővíthető kommunikációs modullal, ami korszerű GSM-technológia, mint például az NB-IoT, LTE-M vagy hagyományos 2G hálózat segítségével a mért adatokat egy felhőalapú adatbázisba képes továbbítani. Ilyen megoldás látható a 4. ábrán.

4. ábra A Stars’Bridge 4–20 mA nyomásszenzor fogadására alkalmas vevő és kommunikációs áramköre

Az áramkör USB portról táplálható, vagy egy Li-SoCl2 (góliát) lítium eldobható elemről is nagyon hosszú ideig üzemeltethető. Az áramkör elsődleges felhasználása egy nyomásszenzor-alapú talajvízszintmérő alkalmazás. A szenzor 4–20 mA áramhurkos illesztéséhez 24 V-os tápfeszültséget kellett biztosítani, ezt a feszültségemelést egy DC/DC konverterrel kellett megoldani. A Boost áramkör csak a mérés idejére van bekapcsolva, hogy ne terhelje az elemet.

Mivel az alkalmazott olcsó mikrokontroller belső A/D átalakítójának felbontása az alkalmazáshoz nem elegendő, egy külső 16 bites ADC került beépítésre, ami I2C buszon keresztül kapcsolódik az MCU-hoz, és egy a 4–20 mA hurokba helyezett söntellenálláson eső feszültséget méri. További környezeti paraméterek a 4–20 mA áramhurkon kívüli mérését beépített I2C buszos légkörinyomás-, páratartalom- és hőmérsékletszenzor biztosítja. Az adatok gyűjtéséről és a GSM modemen való továbbításáról a mikrokontroller soros buszon keresztül gondoskodik. Az alkalmazott kommunikációs eszköz a FiboCom MA510 modemje, ami az Endrich IoT-infrastruktúra központi kommunikációs eleme. Ez a modem alkalmas az NB-IoT, az LTE-M sávokon is adatokat továbbítani az APN felé, de az LPWA szolgáltatások hiányában alkalmas 2G kommunikációra is. A hosszú működési időt biztosító telepes táplálás kis fogyasztású komponensek használatát igényli, ilyen az alkalmazott mikrokontroller és a GSM modem is. A kártya sziget üzemben erdős, mezős területen akár több tíz méteres mélységben elhelyezett szondával is sokáig működőképes kell, hogy maradjon.

5. ábra Az Endrich saját 4–20 mA interfésszel ellátott adatgyűjtő kártyája

6. ábra Az Endrich saját IoT SBC Board 4–20 mA és RS485 interfésszel ellátott tokozott adatgyűjtő kártyája

A mérési eredményeket napi rendszerességgel kell eljuttatni egy felhőalapú adatbázisba, amihez jelen esetben az Endrich Cloud Database szolgáltatását használjuk. A megjelenítésről az Endrich Visual Gateway gondoskodik.

7. ábra Az Endrich Visual Gateway a Stars’Bridge 4–20 mA nyomásszenzor adatainak kijelzésére

A teljes koncepció blokkvázlata:

8. ábra 4–20 mA áramhurkos szenzor kiterjesztése WAN hálózatra

Kiss Zoltán exportigazgató

Kocsis Csaba fejlesztőmérnök

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

www.endrich.com

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
TERMÉK + MEGOLDÁS

Magával ragadó film-, hangzás- és játékélmény? Hódít a Panasonic OLED-je

Média Partnerek