在本博客中，我將重點(diǎn)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(kāi)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(gè)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(guò)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(guò)50年。在此之前，我相信信號(hào)是使用氣動(dòng)和液壓信號(hào)傳輸?shù)模▽?duì)于任何不到50歲的人，我都不會(huì)開(kāi)玩笑）。事實(shí)上，4/20mA包含一些對(duì)早期通信方式的反沖，例如帶電零。

PES的兩個(gè)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(gè)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(lái)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(shí)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(jiǎn)化，我們得出如下所示的內(nèi)容，如您所見(jiàn)，每個(gè)4/20mA連接通常需要一個(gè)ADC和一個(gè)DAC。

圖4 - PLC模擬輸入卡和PLC模擬輸出卡中4/20mA信號(hào)的兩個(gè)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(cè)量值。4/20mA的其他優(yōu)點(diǎn)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(jì)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?lái)自NAMUR NE-43標(biāo)準(zhǔn)，其中有效信號(hào)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(lái)傳輸診斷數(shù)據(jù)，但<3.6mA和>21mA的信號(hào)表示故障。特別重要的是，開(kāi)路將產(chǎn)生0mA的電流，因此很容易被識(shí)別為故障（檢測(cè)到危險(xiǎn)）。這是帶電零信號(hào)方法的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)（4mA而不是0mA代表零信號(hào)）。

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(kāi)始使用4/20mA。曾經(jīng)有使用+/-20mA的應(yīng)用，我認(rèn)為用于電機(jī)控制，但你不再看到那么多了。

另一個(gè)（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(cè)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(shí)收到 10mA 以外的任何電流，則有問(wèn)題。例如，這可能是由于用于產(chǎn)生電流的DAC存在問(wèn)題。測(cè)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(duì)ADI公司來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。ADC和任何檢測(cè)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(gòu)買ADFS5758，ADI已經(jīng)為您完成了所有這些計(jì)算，但這可能是針對(duì)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(gè)片內(nèi)ADC，用于測(cè)量返回的電流。片上ADC可實(shí)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(huì)增加PCB面積）。即使對(duì)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(qǐng)信用，則需要按照IEC 61508開(kāi)發(fā)IC進(jìn)行。ADFS5758的開(kāi)發(fā)符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，包括考慮DAC和ADC之間足夠的獨(dú)立性，以允許這一點(diǎn)。

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(lái)測(cè)量返回電流，但這在資源使用方面效率不高。ADFS5758相對(duì)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(yùn)行片內(nèi)診斷。

查看ADFS5758原理圖也提出了安全狀態(tài)的問(wèn)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(kāi)方式）。在上面給出的原理圖中，有兩個(gè)SMOD開(kāi)關(guān)，用于測(cè)試SMOD。兩者都允許測(cè)量通過(guò)公共 20 歐姆電阻的電流，其中一個(gè)具有額外的 20 歐姆電阻。這允許在不中斷電流的情況下測(cè)試SMOD開(kāi)關(guān)，并在可能設(shè)置返回電流然后長(zhǎng)時(shí)間不改變的情況下進(jìn)一步測(cè)試ADC。

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

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

以下是基于ADFS5758的單個(gè)隔離式每通道解決方案的實(shí)現(xiàn)方案。本文來(lái)自ADFS5758數(shù)據(jù)手冊(cè)。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(gè)通道的隔離 4/20mA 輸出，顯示 uC、電源和 DAC

審核編輯：郭婷