magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Endrich lidA lap hasábjain korábban ismertetett Endrich IoT infrastruktúrához kapcsolódóan szeretnénk részletesebben bemutatni néhány már megvalósult vevői projektet, amelyek erre a platformra épülnek mind a hardver, mind a felhasznált szoftver szolgáltatásokat 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, elemzéséhez 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, amíg minden elemen azonos erősségű áram folyik keresztül.
Az U tápfeszültség tehát kifejezhető az egyes áramköri fogyasztókon eső feszültségek (U1, U2, U3) összegeként, amelyek egyenként az alábbi módon számíthatók:
U = U1 + U2 + U3 = I * (R1+R2+R3)

 

 endrich 1

1. ábra  Az áramhurok

 

endrich 2

2. ábra  A 4–20 mA áramhurok részei

 

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 4–20 mA DC áramerősség-értékké alakítja és arányosan betáplálja a hurokba. Ahhoz, hogy a vezetéken áram folyjék szükség van egy tápegységre, amelynek 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, amelyet a tápegység feszültségének kell 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, ezért logikusabb a jelátalakítónak egy nullánál nagyobb értéket szolgáltatnia az 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.
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 folyamatváltozó 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).

 

endrich 3

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


Már láttuk, hogy a jeladó és a tápegység mellett az áramhurok kulcseleme a vevőegység, amely az adatok értelmezéséről gondoskodik. A feladat viszonylag egyszerű, a szenzor 0%-os értékéhez 4 mA, 100%-os értékéhez 40 mA konstans DC áramerősség tartozik, amelyet a jelvevőnek szükséges mérnie. A legegyszerűbb módszer erre egy pontos, ismert kis OHM-értékű söntellenállás felhasználásával feszültséget mérni. Ez esetben az 1. ábrán szereplő hurok egyik ellenállása lesz a söntellenállás, amelyen 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 teljesítményillesztő 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.

 

endrich 4

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


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 talajvízszint-mérő 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 mér.
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 alkatrészek használatát igényli, ilyen az alkalmazott mikrokontroller és a GSM modem is. A kártya szigetüzemben erdős, mezős területen akár több tíz méteres mélységben elhelyezett szondával is sokáig működőképes marad. 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 (5. ábra).

 

endrich 5 

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


A teljes koncepció blokkvázlata a 6. ábrán látható.

 

endrich 6

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

 

Szerzők: Kiss Zoltán – Export Igazgató, Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
  Kocsis Csaba – Fejlesztőmérnök, Stars’Bridge Kft.

 

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7-13.
Tel.: + 36 1 297 41 91
E-mail: hungary@endrich.com
www.endrich.com