實(shí)現(xiàn)0~20mA變送器接入4~20mA采集模塊的一種方法

蘇會勇，劉偉

（北京中電紅石科技股份有限公司，北京 100086）

0 引言

我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號制，儀表傳輸信號采用4～20mA，聯(lián)絡(luò)信號采用1-5VDC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。因?yàn)樾盘柶瘘c(diǎn)電流為4mA，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時儀表電氣零點(diǎn)為4mA，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種活零點(diǎn)有利于識別斷電和斷線等故障。鑒于此原因，現(xiàn)場多數(shù)采用4～20mA模擬量采集模塊及響應(yīng)量程的變送器。傳統(tǒng)方案中，被選傳感器[1]的電流輸出量程為0～20mA時，就應(yīng)該選擇對應(yīng)量程的模擬量輸入模塊，由于現(xiàn)場傳感器提供廠家和PLC[2]系統(tǒng)集成廠家不一定一致，這就有可能導(dǎo)致傳感器輸出信號量程與PLC模擬量模塊輸入量程不對應(yīng)，致使調(diào)試過程受阻，進(jìn)一步有可能導(dǎo)致會更換相關(guān)硬件。有沒有一種辦法使得在充分利用模擬量輸入模塊輸入特性的情況下將被測信號盡可能全量程采集，同時避免模擬量輸入模塊進(jìn)入下溢范圍。

1 量程轉(zhuǎn)化分析設(shè)計

根據(jù)西門子模擬量采集模塊在4～20mA量程范圍內(nèi)的模擬值分析，雖然模擬量采集模塊標(biāo)稱采集范圍為4～20mA，但實(shí)際可接納的輸入范圍是大于該標(biāo)稱量程的。模擬量采集模塊的輸入量程對應(yīng)模擬量值[3]如表1。

由表1可以看到當(dāng)模擬量采集模塊的量程為4～20 mA時，實(shí)際可測的最小輸入信號為1.185 mA，對應(yīng)模擬量值為-4864。充分利用這部分信號輸入范圍是解決問題的關(guān)鍵步驟。

模擬量采集模塊在采用4～20mA量程時，4mA對應(yīng)模擬量值為0，20mA對應(yīng)模擬量值為27648，轉(zhuǎn)化為模擬量值后每毫安對應(yīng)的轉(zhuǎn)換碼數(shù)為M4。公式如（1）。

在采用0～20mA量程時，0mA對應(yīng)模擬量值為0,20mA對應(yīng)模擬量值為27648，轉(zhuǎn)化為模擬量值后每毫安對應(yīng)的轉(zhuǎn)換碼數(shù)為M0。公式如（2）。

由M4和M0可知不同量程下，雖然最大量程20mA對應(yīng)的模擬量值都是27648，但是由于最小量程的不同導(dǎo)致模擬量值的線性化斜率不一致，這就存在一個相互變換的過程如公式（3）。

由表1可知輸入信號小于1.185mA時，模擬量采集模塊是無法識別的，這部分0～1.185mA的小信號要由硬件電路來處理。當(dāng)輸入信號在1.1，5mA～4mA范圍內(nèi)時對應(yīng)的模擬量值為-4864～0，該測量范圍內(nèi)每毫安對應(yīng)的轉(zhuǎn)換碼數(shù)為M-0，公式如（4）。

對比M-0與M4可知，在1.185～4mA范圍內(nèi)的線性化斜率與4～20mA范圍內(nèi)的線性化斜率一致。盡管在使用4～20mA量程時小于1.185mA的電流信號無法采測，但根據(jù)線性化斜率可導(dǎo)到出0mA的模擬量值為Z0。公式如（5）。

表1 模擬量采集模塊的輸入量程對應(yīng)模擬量值

當(dāng)傳感器輸出的0～20mA電流信號接入西門子的4～20mA模擬量采集模塊，根據(jù)公式（2）和公式（4）在程序中就需要有一個模擬量值轉(zhuǎn)換的過程，將用4～20mA模擬量采集模塊采集到的模擬量值轉(zhuǎn)換為在0～20mA量程范圍內(nèi)的模擬量值。如公式（6）。

2 小信號切除硬件電路分析設(shè)計

4～20mA模擬量采集模塊在輸入信號小于1.185mA時，會出現(xiàn)下溢現(xiàn)象，程序讀數(shù)為0x8000，為了不使程序進(jìn)入下溢范圍，需要對實(shí)際輸入信號進(jìn)行小信號切除[4]處理，當(dāng)外部傳感器輸出信號小于1.185mA時通過增加硬件電路將西門子模擬量模塊的輸入信號鉗制在1.185mA左右。考慮傳感器端有內(nèi)阻，可以通過增加一個20KΩ的外置電阻，電阻一端接模塊本身提供的24V電壓，一端接入模塊監(jiān)測回路構(gòu)成小信號切除電路，小信號切除硬件電路如圖1。

圖中I2電流的理論計算值如公式（7）

實(shí)際工程應(yīng)用中，測得模塊供電電壓為23.5V，不足24V，所以I2實(shí)際計算為1.172mA。在誤差分析中可取此值I2≈1.2mA。

3 具體實(shí)施方法

3.1 硬件實(shí)施方法

根據(jù)圖1所示，模塊接線要串入一個外置20KΩ電阻，模擬量輸入模塊采用兩線制接線方法，輸入通道本身會向外提供24V電源[5]。

3.2 軟件實(shí)施方法

根據(jù)量程轉(zhuǎn)化分析設(shè)計中推導(dǎo)的公式得出PIW修正值，如公式（8）。

4 修正結(jié)果分析

4.1 I2取值為1.2mA時的誤差分析

當(dāng)模塊輸出電壓為理論24V時，I2根據(jù)公式（7）計算結(jié)果為1.197mA，相對誤差為：

綜合考慮在理論電壓下的相對誤差0.15‰能滿足I2（定為1）2mA的精度要求。

4.2 最終修正值測量誤差分析

當(dāng)電流傳感器I1=1.185mA時，I2=1.172mA。利用I1根據(jù)公式（4）計算得出I1在正常情況下使用0～20mA模擬量輸入模塊時，所得模擬量值為：

當(dāng)I1=1.185mA時，通過小信號切除電路接入4～20mA模擬量輸入模塊，實(shí)際模塊接收到的電流為I2=1.172mA。通過公式（8）可以得到修正后的值為：

相對誤差為：

當(dāng)輸入電流信號大于1.185 mA時。經(jīng)測算相對誤差為0.065%，在工程實(shí)際使用過程中可以滿足要求。

5 結(jié)語

在現(xiàn)場實(shí)際硬件條件受限的情況下，利用本文說明的方法，可以充分利用模擬量輸入模塊的下沖范圍。但該方法也存在一定問題，在小信號輸入時，雖然設(shè)計了小信號切除電路，但不可避免在輸入信號小于1.185 mA時無法采集。由于實(shí)際工程應(yīng)用中，正常測量信號大多數(shù)不會停留在小信號范圍內(nèi)，所以該方法能滿足絕大數(shù)情況下正常使用且能保證測量精度。