在本博客中，我將重點介紹4/20mA網(wǎng)絡(luò)的功能安全性。讓我們從典型的安全功能開始，它由傳感器、邏輯和執(zhí)行器塊組成。在許多工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)中都可以找到這樣的例子，下面IEC 61784-3中顯示了其中一個示例。在此圖中，4/20mA將用作傳感器與PES以及PES和執(zhí)行器之間的連接。

圖1 - IEC 61784-3中的圖

在過程控制應(yīng)用中，傳感器和執(zhí)行器通常位于距離PES（可編程電子系統(tǒng)）最遠(yuǎn)1公里的地方，并且需要可靠的通信以確保保持安全。4/20mA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在此類系統(tǒng)中使用了30多年，甚至可能超過50年。在此之前，我相信信號是使用氣動和液壓信號傳輸?shù)模▽τ谌魏尾坏?0歲的人，我都不會開玩笑）。事實上，4/20mA包含一些對早期通信方式的反沖，例如帶電零。

PES的兩個例子是PLC（可編程邏輯控制器）或DCS（分布式控制系統(tǒng)）。通常，其中每個都包含模擬輸入和輸出卡。PLC模擬輸出卡中的DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）將來自PLC的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為4至20mA范圍內(nèi)的電流。在模擬輸入卡中，使用250 Ω電阻將4/20mA電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后由ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）如AD7124轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。下面顯示了IEC 61131-6中的PLC框圖。

圖 2 - 帶有外部傳感器和執(zhí)行器的 PLC 框圖，符合 IEC 61131-6 標(biāo)準(zhǔn)

事實上，IEC 61508-4：2010 有自己的上述版本，突出顯示了 ADC 和 DAC。

圖 3 - 符合 IEC 61508-4：2010 的 PES 框圖

為了進(jìn)一步簡化，我們得出如下所示的內(nèi)容，如您所見，每個4/20mA連接通常需要一個ADC和一個DAC。

圖4 - PLC模擬輸入卡和PLC模擬輸出卡中4/20mA信號的兩個典型用例

在這兩種情況下，由接線電阻引起的壓降都不應(yīng)影響測量值。4/20mA的其他優(yōu)點包括良好的EMC魯棒性，以及如果您的傳感器可以在3.6mA<工作，則環(huán)路也可以供電（專為此類應(yīng)用設(shè)計的微控制器包括ADuCM360）。

讓我們更詳細(xì)地看一下傳輸?shù)碾娏髦?。以下范圍來自NAMUR NE-43標(biāo)準(zhǔn)，其中有效信號范圍為3.8mA至20.5mA，旨在使用3.6mA至3.8mA和20.5mA至21mA的電流來傳輸診斷數(shù)據(jù)，但<3.6mA和>21mA的信號表示故障。特別重要的是，開路將產(chǎn)生0mA的電流，因此很容易被識別為故障（檢測到危險）。這是帶電零信號方法的一個關(guān)鍵優(yōu)勢（4mA而不是0mA代表零信號）。

圖 5 - 符合 NAMUR 標(biāo)準(zhǔn) NE-4 的 20/43mA 電流

其他標(biāo)準(zhǔn)，如ISA 50，IEC 60381-1和IEC 61131-2定義的電流范圍略有不同，因此讓我們從現(xiàn)在開始使用4/20mA。曾經(jīng)有使用+/-20mA的應(yīng)用，我認(rèn)為用于電機控制，但你不再看到那么多了。

另一個（除了檢查電流范圍在4至20mA范圍內(nèi)）可用于PLC模擬輸出卡的診斷是測量返回的電流。如果只使用2根電線，則所有熄滅的電流必須再次返回。如果您期望傳輸 10mA 并且您在返回時收到 10mA 以外的任何電流，則有問題。例如，這可能是由于用于產(chǎn)生電流的DAC存在問題。測量返回電流需要模擬輸出卡中的ADC和模擬輸入卡中的ADC，這對ADI公司來說是個好消息。ADC和任何檢測電阻的總誤差將主導(dǎo)您聲稱的安全精度，通常在幾%的范圍內(nèi)。如果您購買ADFS5758，ADI已經(jīng)為您完成了所有這些計算，但這可能是針對其他博客的。

圖 6 - 片內(nèi) ADC 用于將返回電流數(shù)字化作為診斷措施

ADFS5758 DAC包含一個片內(nèi)ADC，用于測量返回的電流。片上ADC可實現(xiàn)更高密度的模擬輸出卡和更高的可靠性（ADC增加了約10%的芯片面積，但仍適合與DAC相同的封裝，因此不會增加PCB面積）。即使對于非安全情況，擁有這樣的片上診斷也非常有用，但如果您想在安全案例中為其申請信用，則需要按照IEC 61508開發(fā)IC進(jìn)行。ADFS5758的開發(fā)符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，包括考慮DAC和ADC之間足夠的獨立性，以允許這一點。

如果您使用標(biāo)準(zhǔn)DAC而不是帶有集成ADC的DAC，則可以使用PLC的模擬輸入卡與模擬輸出卡并聯(lián)來測量返回電流，但這在資源使用方面效率不高。ADFS5758相對于非安全產(chǎn)品AD5758的關(guān)鍵特性之一是用于監(jiān)控環(huán)路電流的模擬輸入引腳。兩者都包含ADC，但在標(biāo)準(zhǔn)部分，片內(nèi)ADC只能監(jiān)控片內(nèi)溫度并運行片內(nèi)診斷。

查看ADFS5758原理圖也提出了安全狀態(tài)的問題。如果診斷要求安全功能進(jìn)入安全狀態(tài)（故障反應(yīng)功能），則可以將DAC的輸出編程為0mA，但更安全的方法可能是使用SMOD（輔助斷開方式）。在上面給出的原理圖中，有兩個SMOD開關(guān)，用于測試SMOD。兩者都允許測量通過公共 20 歐姆電阻的電流，其中一個具有額外的 20 歐姆電阻。這允許在不中斷電流的情況下測試SMOD開關(guān)，并在可能設(shè)置返回電流然后長時間不改變的情況下進(jìn)一步測試ADC。

以上大部分集中在模擬輸出卡上，但用于測量4/20mA信號的模擬輸入卡呢？這里一個有趣的診斷是將兩個檢測電阻串聯(lián)，并在每個檢測電阻上放置一個ADC，并比較輸出。相比之下，診斷對于高達(dá)99%的診斷覆蓋率聲明是好的（參見IEC 61508-2：2010表A.7和A.13），但與同步ADC有關(guān)的問題，如果4/20mA信號是固定值會發(fā)生什么，系統(tǒng)能力仍將存在。我可能會在以后的博客中擴(kuò)展這些問題。

圖7 - 使用兩個檢測電阻和兩個ADC（如AD7124）對模擬輸入卡進(jìn)行診斷的安全概念

以下是基于ADFS5758的單個隔離式每通道解決方案的實現(xiàn)方案。本文來自ADFS5758數(shù)據(jù)手冊。保持較低的元件數(shù)量意味著解決方案的復(fù)雜性較低（ADFS5758 中的所有內(nèi)容都包含在 ADFS5758 的認(rèn)證范圍內(nèi)）和高可靠性。ADP1031是一款配套電源芯片，適合與ADFS5758配合使用。

圖 8 - 每個通道的隔離 4/20mA 輸出，顯示 uC、電源和 DAC

審核編輯：郭婷