4

대부분의 마이크로컨트롤러에 내장된 I/O 기능을 사용하면 아날로그 세계를 쉽게 측정할 수 있습니다. 온도에 대한 데이터 로거를 구축한다고 가정해 보겠습니다. 여러분이 해야 할 일은 모니터링해야 하는 온도 범위(아마도 0°~100°C를 나타내는 0~5V)를 나타내는 선형 전압 출력이 있는 일종의 센서를 구입하는 것입니다. 센서를 아날로그 입력에 연결하고 약간의 코드를 작성하면 작업이 완료됩니다. 쉬운 일.

이제 조금 변형해 보겠습니다. 센서를 마이크로컨트롤러에서 멀리 장착해야 합니다. 전선이 길수록 전압 강하는 더 커지며 결국 100° 범위를 나타내는 5V 스윙은 1V 스윙과 비슷해집니다. 게다가 긴 센서 리드는 라인에서 사용 가능한 전압 신호를 파헤치는 것을 더욱 어렵게 만드는 모든 종류의 노이즈를 포착하는 멋진 안테나 역할을 합니다.

운 좋게도 산업 공정 엔지니어들은 감지 및 제어를 위해 전류 루프를 사용하여 이러한 문제를 처리하는 방법을 오래 전에 알아냈습니다. 가장 일반적인 표준은 4mA~20mA 전류 루프입니다. 여기서는 이것이 어떻게 탄생했는지, 어떻게 작동하는지, 그리고 마이크로 컨트롤러에 이 기본 프로세스 제어 기술을 활용할 수 있는 방법을 살펴보겠습니다. 프로젝트.

프로세스 제어를 위한 현재 표준 4-20mA 전류 루프는 산업 자동화, 공압 프로세스 제어의 초기 혁신에서 직접 파생되었습니다. 전기 제어 장치가 널리 보급되기 전에는 수 마일에 달하는 공압 라인이 공장을 통과하여 액추에이터를 움직일 수 있는 힘뿐만 아니라 상태를 감지하는 능력도 제공했습니다. 프로세스 엔지니어는 압력(감지 범위의 한쪽 끝은 3PSI, 다른 쪽 끝은 15PSI)을 기반으로 하는 공압 신호 시스템을 사용했습니다. 이러한 센서는 프로세스 변수에 따라 라인의 압력을 변경하고 차트 기록기의 입력으로 사용하거나 밸브를 직접 제어하거나 정교한 공압 로직 컨트롤러를 통해 다른 공압 센서 및 액추에이터와 함께 작동할 수도 있습니다.

공압 시스템은 오늘날에도 여전히 많이 사용되고 있지만, 특히 전기를 중심으로 호황을 누리는 산업에서는 4~20mA 전류 루프 시스템이 1940년대와 1950년대에 사실상의 표준이 되었습니다. 전류 루프 시스템에서는 온도, 압력, 유량 등 일부 프로세스 변수를 모니터링하는 변환기가 트랜스미터에 연결됩니다. 트랜스미터는 DC 전원 공급 장치(산업 환경에서 일반적으로 24V)와 직렬로 연결됩니다. 트랜스미터는 변환기의 출력을 4mA~20mA 사이의 전류로 변환하는 역할을 합니다.

키르히호프의 전류 법칙은 전압이 어떠하든 회로의 모든 지점에서 전류가 동일하다는 것을 알려줍니다. 따라서 송신기에 연결되는 전선의 길이가 0.5마일로 인해 전압이 크게 떨어지거나 공장의 다른 곳에서 거대한 모터가 시동되어 루프 전압이 변하는 경우에는 문제가 되지 않습니다. 송신기는 전류를 일정하게 유지합니다. 주어진 프로세스 변수에 대해.

물론 전류 루프는 센서에만 국한되지 않습니다. 밸브부터 모터 드라이브까지 다양한 액추에이터를 4~20mA 루프로 제어할 수 있습니다. 루프에 사용할 수 있는 차트 기록기, 게이지 및 표시기를 모두 사용하여 데이터 수집 및 표시도 가능합니다.

그런데 왜 루프의 하한이 0이 아닌 4mA, 즉 3PSI입니까? 쉬움: 고유한 오류 감지 기능을 제공하기 때문입니다. 루프 전류의 하한 값이 0으로 설정된 경우 센서의 합법적인 하한 판독값과 끊어진 루프 와이어 간의 차이를 구분하는 것이 불가능합니다.

그렇다면 최신 Arduino 프로젝트에 4~20mA 장치를 어떻게 통합합니까? 루프에 저항기를 넣고 저항기의 전압 강하를 측정하여 전류를 다시 전압으로 변경하는 것만으로도 충분합니다. [AvE]는 250옴 저항이 1V에서 5V 스윙을 제공한다는 것을 수학적으로 보여줍니다. 이는 아래 비디오에서 Arduino의 아날로그 입력에 적합합니다(경고 - NSFW 언어가 약간 앞서 있음).

산업 자동화 분야에서 일하는 사람만큼 전류 루프 센서 및 액추에이터에 즉시 액세스할 수 없으며 프로젝트에서 4~20mA 표준이 제공하는 모든 이점을 실제로 활용하지 못할 수도 있습니다. 하지만 필요할 때, 필요할 때 사용할 수 있다는 사실을 아는 것은 좋은 일입니다.