4/20mA网络的功能安全

在本博客中，我将重点介绍4/20mA网络的功能安全性。让我们从典型的安全功能开始，它由传感器、逻辑和执行器块组成。在许多工业功能安全标准中都可以找到这样的例子，下面IEC 61784-3中显示了其中一个示例。在此图中，4/20mA将用作传感器与PES以及PES和执行器之间的连接。

图1 - IEC 61784-3中的图

在过程控制应用中，传感器和执行器通常位于距离PES（可编程电子系统）最远1公里的地方，并且需要可靠的通信以确保保持安全。4/20mA网络已经在此类系统中使用了30多年，甚至可能超过50年。在此之前，我相信信号是使用气动和液压信号传输的（对于任何不到50岁的人，我都不会开玩笑）。事实上，4/20mA包含一些对早期通信方式的反冲，例如带电零。

PES的两个例子是PLC（可编程逻辑控制器）或DCS（分布式控制系统）。通常，其中每个都包含模拟输入和输出卡。PLC模拟输出卡中的DAC（数模转换器）将来自PLC的数字值转换为4至20mA范围内的电流。在模拟输入卡中，使用250 Ω电阻将4/20mA电流转换为电压，然后由ADC（模数转换器）如AD7124转换为数字读数。下面显示了IEC 61131-6中的PLC框图。

图 2 - 带有外部传感器和执行器的 PLC 框图，符合 IEC 61131-6 标准

事实上，IEC 61508-4：2010 有自己的上述版本，突出显示了 ADC 和 DAC。

图 3 - 符合 IEC 61508-4：2010 的 PES 框图

为了进一步简化，我们得出如下所示的内容，如您所见，每个4/20mA连接通常需要一个ADC和一个DAC。

图4 - PLC模拟输入卡和PLC模拟输出卡中4/20mA信号的两个典型用例

在这两种情况下，由接线电阻引起的压降都不应影响测量值。4/20mA的其他优点包括良好的EMC鲁棒性，以及如果您的传感器可以在3.6mA<工作，则环路也可以供电（专为此类应用设计的微控制器包括ADuCM360）。

让我们更详细地看一下传输的电流值。以下范围来自NAMUR NE-43标准，其中有效信号范围为3.8mA至20.5mA，旨在使用3.6mA至3.8mA和20.5mA至21mA的电流来传输诊断数据，但<3.6mA和>21mA的信号表示故障。特别重要的是，开路将产生0mA的电流，因此很容易被识别为故障（检测到危险）。这是带电零信号方法的一个关键优势（4mA而不是0mA代表零信号）。

图 5 - 符合 NAMUR 标准 NE-4 的 20/43mA 电流

其他标准，如ISA 50，IEC 60381-1和IEC 61131-2定义的电流范围略有不同，因此让我们从现在开始使用4/20mA。曾经有使用+/-20mA的应用，我认为用于电机控制，但你不再看到那么多了。

另一个（除了检查电流范围在4至20mA范围内）可用于PLC模拟输出卡的诊断是测量返回的电流。如果只使用2根电线，则所有熄灭的电流必须再次返回。如果您期望传输 10mA 并且您在返回时收到 10mA 以外的任何电流，则有问题。例如，这可能是由于用于产生电流的DAC存在问题。测量返回电流需要模拟输出卡中的ADC和模拟输入卡中的ADC，这对ADI公司来说是个好消息。ADC和任何检测电阻的总误差将主导您声称的安全精度，通常在几%的范围内。如果您购买ADFS5758，ADI已经为您完成了所有这些计算，但这可能是针对其他博客的。

图 6 - 片内 ADC 用于将返回电流数字化作为诊断措施

ADFS5758 DAC包含一个片内ADC，用于测量返回的电流。片上ADC可实现更高密度的模拟输出卡和更高的可靠性（ADC增加了约10%的芯片面积，但仍适合与DAC相同的封装，因此不会增加PCB面积）。即使对于非安全情况，拥有这样的片上诊断也非常有用，但如果您想在安全案例中为其申请信用，则需要按照IEC 61508开发IC进行。ADFS5758的开发符合IEC 61508标准，包括考虑DAC和ADC之间足够的独立性，以允许这一点。

如果您使用标准DAC而不是带有集成ADC的DAC，则可以使用PLC的模拟输入卡与模拟输出卡并联来测量返回电流，但这在资源使用方面效率不高。ADFS5758相对于非安全产品AD5758的关键特性之一是用于监控环路电流的模拟输入引脚。两者都包含ADC，但在标准部分，片内ADC只能监控片内温度并运行片内诊断。

查看ADFS5758原理图也提出了安全状态的问题。如果诊断要求安全功能进入安全状态（故障反应功能），则可以将DAC的输出编程为0mA，但更安全的方法可能是使用SMOD（辅助断开方式）。在上面给出的原理图中，有两个SMOD开关，用于测试SMOD。两者都允许测量通过公共 20 欧姆电阻的电流，其中一个具有额外的 20 欧姆电阻。这允许在不中断电流的情况下测试SMOD开关，并在可能设置返回电流然后长时间不改变的情况下进一步测试ADC。

以上大部分集中在模拟输出卡上，但用于测量4/20mA信号的模拟输入卡呢？这里一个有趣的诊断是将两个检测电阻串联，并在每个检测电阻上放置一个ADC，并比较输出。相比之下，诊断对于高达99%的诊断覆盖率声明是好的（参见IEC 61508-2：2010表A.7和A.13），但与同步ADC有关的问题，如果4/20mA信号是固定值会发生什么，系统能力仍将存在。我可能会在以后的博客中扩展这些问题。

图7 - 使用两个检测电阻和两个ADC（如AD7124）对模拟输入卡进行诊断的安全概念

以下是基于ADFS5758的单个隔离式每通道解决方案的实现方案。本文来自ADFS5758数据手册。保持较低的元件数量意味着解决方案的复杂性较低（ADFS5758 中的所有内容都包含在 ADFS5758 的认证范围内）和高可靠性。ADP1031是一款配套电源芯片，适合与ADFS5758配合使用。

图 8 - 每个通道的隔离 4/20mA 输出，显示 uC、电源和 DAC

审核编辑：郭婷