Troubleshooting w pętlach sterowania 4-20mA

Kiedy mówimy o procesie, mamy na myśli każdą instalację, w której materiał wsadowy przetwarzany jest w kontrolowanym i zautomatyzowanym procesie na półprodukt lub produkt gotowy. W wielu przypadkach część nadzoru i kontroli przeprowadzana jest innym pomieszczeniu lub budynku niż ten, w którym odbywa się fizyczna produkcja.

Rysunek 1 Przykład procesu wraz z systemem kontroli

Podstawą funkcjonowania systemu kontroli w procesach przemysłowych są pętle 4-20mA, które stanowią prosty analogowy interfejs komunikacyjny umożliwiający przesyłanie i odczyt pojedynczego sygnału pomiarowego. Od wielu lat są one jednym z najbardziej powszechnych standardów w przemysłowych systemach kontroli i sterowania, znanym i stosowanym już od kilkudziesięciu lat.

Układ pętli sterowania składa się najczęściej z następujących elementów:

• Wejścia transmitera, do którego podłączany jest sygnał z sensora;
• Wyjścia transmitera, na którym otrzymujemy sygnał 4-20mA;
• Zasilacza 24V;
• Rezystora terminującego 250Ohm;
• Sterownika procesu.

Rysunek 2 Budowa pętli sterowania 4-20mA

Jak pokazują statystki automatycy poświęcają około 70% na tzw troubeshooting w pętlach 4-20mA, 20% na uruchomienie nowych instalacji i zaledwie 10% na kalibrację procesów. W tym artykule przyjrzymy się bliżej aspektom troubleschootingu.

Warto zaznaczyć, że podstawowa diagnostyka w pętli 4-20mA składa się z następujących etapów:

1. Zmierz – napięcie i prąd;
2. Za symuluj – sygnał wejściowy do transmitera;
3. Wykorzystaj źródło – napięcia 24V.
4. Do najczęstszych problemów w pętlach 4-20mA zaliczają się:
   • Problemy z okablowaniem:
     • Złe zakończenia, niewłaściwa izolacja, korozja i oksydacja na złączach mogą negatywnie wpłynąć na działanie okablowania w pętli od 4 do 20 mA.
   • Zasilacze pętli 24V:
     • Uszkodzone lub przeciążone zasilacze mogą powodować nieregularne działanie pętli mA lub ich całkowitą awarię.
   • Uszkodzenie wejść sterownika:
     • Jeśli sygnał mA jest prawidłowy, ale sterownik nie interpretuje go w sposób prawidłowy, w ten czas sterowanie procesem ulega zaburzeniu.
   • Uszkodzenie transmitera:
     • Jeśli nadajnik nie zmieni sygnału mA, aby poprawnie reagować na mierzone sygnały z czujników/sensorów to podobnie jak w powyższym przypadku proces sterowania zostaje zaburzony.
   • Uszkodzony czujnik.

Jednym z pierwszych kroków w testach jest sprawdzenie zasilacza. Jeśli podczas pomiarów na wyjściu zalicza stwierdzimy pełne 24V to prawdopodobnie działa on prawidłowo. Jeśli zasilacz jest przeciążony to może to być źródłem problemów z pętlą sterowania (rysunek 3).

Warto również skontrolować warunki termalne, w których pracuje zasilacz. Temperatura otoczenia, w której pracuje będzie niekorzystnie przekładała się na stabilność i niezawodność jego pracy.

Rysunek 3

Jeśli istnieje podejrzenie, że zasilacz pętli 24V jest uszkodzony to w kolejnym kroku można wykorzystać źródło zasilania z kalibratora pętli sterowania. W tym celu należy odłączyć przewody od wyjścia zasilacza i podłączyć je do odpowiednich zacisków kalibratora (rysunek 4). Należy pamiętać, że tego rodzaju diagnostykę nie należy przeprowadzać w sposób ciągły. Tańsze kalibratory mogę uleć przeciążeniu przy dłuższym podawaniu sygnału 24V.

Rysunek 4

Przyjmijmy, że zasilacz pracuje w sposób poprawny, więc kolejnym krokiem w diagnostyce jest pomiar sygnału na wyjściu transmitera. Pamiętajmy, że zanim przystąpimy do tego pomiaru musimy najpierw zadzwonić do dyspozytora w celu zatrzymania tej części procesu. Dlaczego? Pomiar ten wymaga włączenia kalibratora w szereg z pętlą (rysunek 5). Po podłączeniu multimetru lub kalibratora pętla zostaje ponownie zamknięta i proces może zostać ponownie uruchomiony w celu wykonania pomiaru.

Rysunek 5

Zatrzymanie i rozpoczęcie procesu w celu pomiaru prądu w pętli 4-20mA może być kłopotliwe. Jednak pozwoli to na odwzorowanie sytuacji podobnej do tej, w której proces jest prowadzony w sposób ciągły. Pomiary w pętli 4-20mA mogą być przeprowadzone z wykorzystaniem dedykowanych cęg przystosowanych do pomiaru sygnału DC oraz małych wartości. W takim przypadku pętla pozostaje nienaruszona, proces nadal w sposób ciągły, a wartość pomiarową można odczytywać z rzeczywistej sytuacji (rysunek 6).

Rysunek 6

Ostatnim etapem namierzania problemów w pętli 4-20mA jest kontrola wejścia przetwornika (rysunek 7). W tym celu należy wykorzystać kalibrator, który umożliwi symulację sygnału czujnika, z którym mamy styczność w danej sytuacji. Wiele z kalibratorów pozwala również na ustalenie wartości progowych dla danego typu sensora. To pozwoli na dokładne dozorowanie procesu i symulacje sygnału od wartości odpowiadającej 0% (4mA) do 100% (20mA).

Artykuł został nagrodzony w Konkursie iAutomatyka – edycja Marzec 2020. Nagrodę Koszulka 4F + zestaw gadżetów dostarcza ambasador konkursu, firma PEPPERL+FUCHS.