Bucle actual
En la señalización eléctrica, se utiliza un bucle de corriente analógico donde un dispositivo debe ser monitoreado o controlado de forma remota a través de un par de conductores. Solo puede haber un nivel actual en cualquier momento.
Una aplicación importante de los bucles de corriente es el bucle de corriente de 4-20 mA estándar de facto de la industria para aplicaciones de control de procesos , donde se utilizan ampliamente para transportar señales desde la instrumentación de procesos a controladores PID , sistemas SCADA y controladores lógicos programables (PLC). También se utilizan para transmitir las salidas del controlador a los dispositivos de campo moduladores, como las válvulas de control . Estos lazos tienen las ventajas de simplicidad e inmunidad al ruido, y cuentan con una gran base internacional de usuarios y proveedores de equipos. Algunos dispositivos de campo de 4-20 mA pueden ser alimentados por el circuito de corriente en sí, eliminando la necesidad de fuentes de alimentación independientes y el "inteligente"El protocolo HART utiliza el lazo para las comunicaciones entre los dispositivos de campo y los controladores. Varios protocolos de automatización pueden reemplazar los lazos de corriente analógicos, pero 4–20 mA sigue siendo un estándar industrial principal.
Control de proceso lazos de 4-20 mA
En el control de procesos industriales , los lazos de corriente analógicos de 4–20 mA se utilizan comúnmente para la señalización electrónica, con los dos valores de 4 y 20 mA que representan 0–100% del rango de medición o control. Estos bucles se utilizan tanto para transportar información del sensor de la instrumentación de campo como para transportar señales de control a los dispositivos de modulación del proceso, como una válvula.
Las principales ventajas del bucle de corriente son:
- El lazo a menudo puede alimentar el dispositivo remoto, con la energía suministrada por el controlador, eliminando así la necesidad de cableado de energía. Muchos fabricantes de instrumentación producen sensores de 4–20 mA que son "alimentados por bucle".
- El cero "vivo" o "elevado" de 4 mA permite alimentar el dispositivo incluso sin salida de señal de proceso desde el transmisor de campo.
- La precisión de la señal no se ve afectada por la caída de voltaje en el cableado de interconexión.
- Tiene una alta inmunidad al ruido, ya que es un circuito de baja impedancia, generalmente a través de conductores de par trenzado.
- Es autocontrol; se toman corrientes inferiores a 3,8 mA o superiores a 20,5 mA para indicar una falla. [1]
- Puede transportarse por cables largos hasta el límite de la resistencia para la tensión utilizada.
- Las pantallas en línea se pueden insertar y alimentar mediante el lazo, siempre que no se exceda la resistencia total permitida del lazo.
- Fácil conversión a voltaje usando una resistencia.
- Los convertidores "I a P" (corriente a presión) alimentados por bucle pueden convertir la señal de 4–20 mA en una salida neumática de 3–15 psi para válvulas de control, lo que permite una fácil integración de señales de 4–20 mA en la planta neumática existente.
Las mediciones de instrumentación de campo son como presión , temperatura , nivel, flujo , pH u otras variables del proceso. También se puede utilizar un bucle de corriente para controlar un posicionador de válvula u otro actuador de salida . Dado que los terminales de entrada de los instrumentos pueden tener un lado de la entrada del bucle de corriente conectado a la tierra del chasis (tierra), es posible que se requieran aisladores analógicos al conectar varios instrumentos en serie.
La relación entre el valor actual y la medición de la variable del proceso se establece mediante calibración, que asigna diferentes rangos de unidades de ingeniería al intervalo entre 4 y 20 mA. El mapeo entre las unidades de ingeniería y la corriente se puede invertir, de modo que 4 mA represente el máximo y 20 mA el mínimo.
Dispositivos activos y pasivos
Dependiendo de la fuente de corriente para el bucle, los dispositivos pueden clasificarse como activos (que suministran o "abastecen" de energía) o pasivos (que dependen de o "absorben" la energía del bucle). Por ejemplo, un registrador gráfico puede proporcionar alimentación de bucle a un transmisor de presión. El transmisor de presión modula la corriente en el bucle para enviar la señal al registrador de gráfico de banda, pero no suministra energía al bucle por sí mismo y, por lo tanto, es pasivo. Otro lazo puede contener dos registradores gráficos pasivos, un transmisor de presión pasivo y una batería de 24 V. (La batería es el dispositivo activo). Tenga en cuenta que un instrumento de 4 hilos tiene una entrada de fuente de alimentación separada del bucle de corriente.
Las pantallas de montaje en panel y los registradores de gráficos se denominan comúnmente "dispositivos indicadores" o "monitores de proceso". Se pueden conectar varios dispositivos indicadores pasivos en serie, pero un lazo debe tener solo un dispositivo transmisor y solo una fuente de alimentación (dispositivo activo).
Evolución de las señales de control analógicas
La convención de 4–20 mA nació en la década de 1950 a partir del anterior estándar de señal de control neumático de 3–15 psi de gran éxito, cuando la electrónica se volvió lo suficientemente barata y confiable como para emular eléctricamente el estándar anterior. El estándar de 3 a 15 psi tenía las mismas características de poder alimentar algunos dispositivos remotos y tener un cero "en vivo". Sin embargo, el estándar de 4-20 mA se adaptaba mejor a los controladores electrónicos que se estaban desarrollando.
La transición fue gradual y se ha extendido hasta el siglo XXI, debido a la enorme base instalada de dispositivos de 3 a 15 psi. Dado que la operación de válvulas neumáticas sobre válvulas motorizadas tiene muchas ventajas de costo y confiabilidad, la actuación neumática sigue siendo un estándar de la industria. Para permitir la construcción de sistemas híbridos, donde el controlador genera 4-20 mA, pero permite el uso de válvulas neumáticas, los fabricantes ofrecen una gama de convertidores de corriente a presión (I a P). Por lo general, son locales a la válvula de control y convierten 4–20 mA a 3–15 psi (o 0,2–1,0 bar). Esta señal luego se alimenta al actuador de la válvula o, más comúnmente, a un posicionador neumático. El posicionador es un controlador dedicado que tiene un enlace mecánico al movimiento del actuador.Esto asegura que se superen los problemas de fricción y que el elemento de control de la válvula se mueva a la posición deseada. También permite el uso de presiones de aire más altas para el accionamiento de la válvula.
Con el desarrollo de microprocesadores industriales baratos, los posicionadores de válvulas "inteligentes" están disponibles desde mediados de la década de 1980 y son muy populares para nuevas instalaciones. Estos incluyen un convertidor de I a P, además de la posición de la válvula y el control del estado. Estos últimos se retroalimentan a través del bucle de corriente al controlador, utilizando protocolos como HART .
Circuitos largos
Históricamente, los bucles de corriente analógica se transportaban ocasionalmente entre edificios por pares secosen cables telefónicos alquilados a la compañía telefónica local. Los bucles de 4-20 mA eran más comunes en la época de la telefonía analógica. Estos circuitos requieren continuidad de corriente continua (CC) de extremo a extremo y, a menos que se haya cableado un par de cables dedicado, su uso cesó con la introducción de la conmutación de semiconductores. La continuidad de CC no está disponible a través de una radio de microondas, fibra óptica o una conexión de circuito telefónico multiplexado. La teoría básica del circuito de CC muestra que la corriente es la misma en toda la línea. Era común ver circuitos de 4-20 mA que tenían longitudes de bucle en millas o circuitos que funcionaban sobre pares de cables telefónicos que tenían más de diez mil pies de un extremo a otro. Todavía existen sistemas heredados que utilizan esta tecnología. En los circuitos del sistema Bell , se emplearon voltajes de hasta 125 VCC.
Control discreto
Las funciones de control discretas se pueden representar mediante niveles discretos de corriente enviada a través de un bucle. Esto permitiría operar múltiples funciones de control a través de un solo par de cables. Las corrientes necesarias para una función específica varían de una aplicación o fabricante a otro. No existe una corriente específica que esté ligada a un solo significado. Es casi universal que 0 mA indique que el circuito ha fallado. En el caso de una alarma de incendio, 6 mA podría ser normal, 15 mA podría significar que se ha detectado un incendio y 0 mA produciría una indicación de problema, indicando al sitio de monitoreo que el circuito de alarma había fallado. Algunos dispositivos, como las consolas de control remoto por radio bidireccionales , pueden invertir la polaridad de las corrientes y pueden multiplexar el audio en una corriente CC.
Estos dispositivos se pueden emplear para cualquier necesidad de control remoto que pueda imaginar un diseñador. Por ejemplo, un bucle de corriente podría activar una sirena de evacuación o ordenar señales de tráfico sincronizadas .
Uso de radio bidireccional
Los circuitos de bucle de corriente son una forma posible de controlar las estaciones base de radio en sitios distantes. La industria de la radio bidireccional llama a este tipo de control remoto DC remoto . Este nombre proviene de la necesidad de continuidad del circuito de CC entre el punto de control y la estación base de radio . Un control remoto de bucle de corriente ahorra el costo de pares de cables adicionales entre el punto de operación y el transceptor de radio. Algunos equipos, como la estación base Motorola MSF-5000, utilizan corrientes inferiores a 4 mA para algunas funciones. Un tipo alternativo, el tono remoto , es más complejo pero solo requiere una ruta de audio entre el punto de control y la estación base. [2]
Por ejemplo, una estación base de despacho de taxis podría estar ubicada físicamente en la azotea de un edificio de ocho pisos. La oficina de la compañía de taxis podría estar en el sótano de un edificio diferente cercano. La oficina tendría una unidad de control remoto que operaría la estación base de la compañía de taxis a través de un circuito de bucle de corriente. El circuito normalmente estaría sobre una línea telefónica o cableado similar. Las corrientes de la función de control provienen de la consola de control remoto en el extremo de un circuito de la oficina de despacho. En el uso de radio de dos vías, un circuito inactivo normalmente no tendría corriente presente.
En el uso de radio bidireccional , los fabricantes de radio utilizan diferentes corrientes para funciones específicas. Las polaridades se cambian para obtener más funciones posibles en un solo circuito. Por ejemplo, imagine un posible esquema en el que la presencia de estas corrientes haga que la estación base cambie de estado:
- sin corriente significa recibir en el canal 1 , (el predeterminado).
- +6 mA podría significar transmitir en el canal 1
- −6 mA puede significar permanecer en modo de recepción pero cambiar al canal 2 . Mientras estuviera presente la corriente de -6 mA, la estación base remota continuaría recibiendo en el canal 2.
- −12 mA podría ordenar a la estación base que transmita en el canal 2 .
Este circuito es sensible a la polaridad. Si un empalmador de cables de una compañía telefónica invirtiera accidentalmente los conductores, seleccionar el canal 2 bloquearía el transmisor.
Cada nivel de corriente podría cerrar un conjunto de contactos u operar lógica de estado sólido en el otro extremo del circuito. Ese cierre de contacto provocó un cambio de estado en el dispositivo controlado. Algunos equipos de control remoto pueden tener opciones configuradas para permitir la compatibilidad entre fabricantes. Es decir, una estación base que se configuró para transmitir con una corriente de +18 mA podría tener opciones cambiadas para (en su lugar) hacer que transmita cuando haya +6 mA presente.
En el uso de radio bidireccional, las señales de CA también estaban presentes en el par de circuitos. Si la estación base estuviera inactiva, el audio de recepción se enviaría por la línea desde la estación base a la oficina de despacho. En presencia de una corriente de comando de transmisión, la consola de control remoto enviaría audio para ser transmitido. La voz del usuario en la oficina de despacho se modularía y superpondría sobre la corriente continua que hizo que el transmisor funcionara.
Ver también
- Fuente de corriente : un transmisor de bucle de corriente
- Convertidor de corriente a voltaje
- Protocolo de transductor remoto direccionable en autopista
- NAMUR : organismo de estándares de la industria alemana que define los niveles de falla para 4-20 mA
- Diagrama de tuberías e instrumentación : proporciona el esquema de control y las tuberías y recipientes asociados.
Referencias
- ^ Norma NAMUR NE 043 "Estandarización del nivel de señal para la información de fallas de transmisores digitales"
- ^ US 6950653 "Adaptador remoto de tono de escaneo para despacho de radio terrestre-móvil para uso con estaciones de despacho dispersas" (La patente no describe este tono remoto pero confirma el uso de la frase para describir este sistema de señalización).
Otras lecturas
- Lipták, Béla G. Instrumentation Engineers 'Handbook. Medición y análisis de procesos . Prensa CRC. 2003. HB. ISBN 0-8493-1083-0
enlaces externos
- Fundamentos, diseño del sistema y configuración para el bucle de corriente de 4 a 20 mA
- "Primer de bucle de corriente de 4–20 mA" (PDF) . Consultado el 10 de septiembre de 2017 .
- ¿Qué voltaje necesito para operar mi transductor de 4 ... 20 mA?
- Sistemas de señales actuales
- Cómo leer el bucle actual usando arduino
- Circuitos de comunicacion
- Ingeniería de control
- Estándares electrónicos
- Automatización industrial
- Interfaces de comunicación analógica
