När två aktiva enheter ska kopplas ihop i en strömslinga
I många anläggningar kopplas fältinstrument till PLC, DCS eller andra styrsystem med en strömsignal på 4 till 20 mA. Oftast fungerar det direkt. Men ibland visar ingången fel värde, ligger fast på en nivå eller ger ingen signal alls, trots att både instrumentet och styrsystemet fungerar som de ska.
En vanlig orsak är att båda sidor är aktiva och försöker mata samma strömslinga. Problemet går att lösa genom att dela upp signalvägen med en galvaniskt isolerad isolator.
Vad betyder aktiv och passiv i en strömslinga?
En strömslinga behöver en, och bara en, energikälla. Den enhet som levererar spänningen till slingan kallas aktiv. Den som tar sin energi från slingan, eller bara mäter strömmen, kallas passiv.
Ett tvåtrådsinstrument, till exempel en huvudmonterad signalomvandlare, är passivt. Det reglerar strömmen i slingan, medan spänningen kommer från styrsystemet eller ett separat matningsdon. Ett fyrtrådsinstrument har egen matning och driver oftast strömmen ut i slingan själv. Då är det aktivt. Läs mer om omvandlare med två, tre eller fyra trådar.
Samma uppdelning finns på styrsystemets sida. En aktiv analog ingång har inbyggd matning, ofta 24 V, och är gjord för att mata ett tvåtrådsinstrument. En passiv ingång har ingen matning utan mäter bara den ström som kommer in. I databladet anges det i regel om en ingång eller utgång är aktiv eller passiv, ibland med beteckningarna source och sink.
Rätt isolator ger en fungerande signalväg
Valet av isolator beror på vad styrsystemets ingång klarar. Kan ingången ställas om till passiv räcker ofta en passiv isolator. Är spänningsbudgeten snäv, eller behöver signalen omvandlas, passar en skiljeförstärkare med egen matning bättre. Måste båda sidor vara aktiva krävs en isolator med passiv utgång.
INOR är sedan maj 2025 en del av WIKA Group, och isolatorerna och skiljeförstärkarna samlas framöver i WIKA Sveriges temperatursortiment. WIKA Sweden AB, tidigare SINI, har kontor och lager i Göteborg.
Varför fungerar det inte med två aktiva enheter?
Kopplas ett aktivt fältinstrument till en aktiv ingång finns det två spänningskällor i samma krets. Instrumentets utgång försöker driva en bestämd ström, samtidigt som ingångens matning lägger sin egen spänning över slingan. Ingen av enheterna kan då styra strömmen på det sätt den är konstruerad för.
Till det kommer jordningen. Har båda enheterna en egen matning med koppling till jord kan potentialskillnader mellan dem ge en oönskad ström genom signalkretsen. Felet läggs till mätvärdet och kan variera med vad som är igång i anläggningen.
Det omvända problemet finns också. Är både instrumentet och ingången passiva finns ingen som matar slingan, och då går det ingen ström alls.
Så känner du igen problemet
Felet kan visa sig på flera sätt:
- Ingången visar ett värde som inte följer processen, eller ligger fast vid noll eller full skala.
- Signalen ser rätt ut i en del av mätområdet men blir fel i en annan.
- Utgången eller ingången kan i värsta fall skadas.
Börja med databladen för att ta reda på vem som matar slingan. Går det inte att avgöra där kan man mäta. Koppla isär slingan och mät spänningen över styrsystemets ingångsplintar. Finns det en spänning, ofta runt 24 V, matar ingången slingan. Mät sedan över fältinstrumentets utgång med instrumentet påslaget. Ligger det en spänning även där driver instrumentet själv strömmen, och då är båda sidor aktiva.
Så löser galvanisk isolering problemet
Lösningen är att dela upp signalvägen i två separata slingor. En galvaniskt isolerad isolator placeras mellan fältinstrumentet och styrsystemet. På ingångssidan bildar instrumentet och isolatorns ingång en slinga, och på utgångssidan bildar isolatorns utgång och styrsystemets ingång en annan.
Mellan de två sidorna finns ingen elektrisk förbindelse. Isolatorn för över mätvärdet och återskapar samma ström på utgångssidan som den tar emot på ingångssidan. Eftersom kretsarna är åtskilda bryts också vägen för jordströmmar.
Isolatorns ingång och utgång måste passa enheterna på respektive sida. Ingången är sällan något problem, eftersom isolatorn tar emot den aktiva signalen från instrumentet passivt. Det är utgången som avgör vilken typ av isolator som passar. Mer om principen finns i Galvanisk isolering i industriella mätsignaler, och skillnaden mellan isolatortyperna beskrivs i Passiv eller aktiv signalisolator?
Passiva isolatorer
En passiv isolator får sin energi från signalslingan och behöver ingen separat hjälpmatning. Den tar emot den aktiva signalen från fältinstrumentet och driver sedan strömmen vidare på utgångssidan. Styrsystemets ingång behöver därför arbeta passivt.
Det är ofta den enklaste lösningen. Många ingångskort kan ställas om till passiv drift eller har separata passiva kanaler, och då räcker en passiv isolator för att skilja kretsarna åt. Tänk på att isolatorn ger ett spänningsfall i fältinstrumentets slinga, och att instrumentets utgång måste klara den extra belastningen. INOR:s passiva isolatorer är exempel på produkter för den här typen av signalisolering.
Skiljeförstärkare med egen matning
En skiljeförstärkare har egen matning och hämtar inte sin energi från signalslingan. Den kan dessutom förstärka, skala eller omvandla signalen, till exempel mellan spänning och ström. Den passar när spänningsbudgeten i fältinstrumentets slinga är snäv, eller när signalen behöver anpassas innan den når styrsystemet.
Även en skiljeförstärkare driver normalt strömmen på utgångssidan, så styrsystemets ingång behöver vara passiv. Går ingången inte att ställa om behövs en isolator med passiv utgång, till exempel en isolator som matas från utgångsslingan. Kontrollera i databladet att utgången är avsedd för en matande ingång. INOR:s sortiment inom isolatorer och skiljeförstärkare innehåller enheter för isolering och omvandling av signaler i både ström och spänning.
När uppstår problemet?
Två aktiva enheter möts ofta när utrustning från olika leverantörer eller olika generationer ska kopplas ihop.
Vanliga situationer är:
- fyrtrådsinstrument med egen matning, till exempel för flöde eller analys, som ansluts till ett ingångskort med inbyggd matning
- byte av instrument där det nya är aktivt men det gamla var ett passivt tvåtrådsinstrument
- ombyggnad eller byte av styrsystem, där de nya ingångskorten matar slingan
- signaler mellan två styrsystem, där en analog utgång i det ena ska läsas av en aktiv ingång i det andra
- mätvärden som ska till flera system, se även Signal splitter: när en mätsignal behöver delas till två system
Kontrollera hela signalvägen
Isolatorn bör väljas utifrån hela mätkedjan, inte bara utifrån signaltypen. Gå igenom följande innan enheterna kopplas ihop:
- Ta reda på om fältinstrumentets utgång är aktiv eller passiv.
- Ta reda på om styrsystemets ingång matar slingan eller bara mäter strömmen.
- Se efter om någon av enheterna kan ställas om till passiv.
- Bedöm om det finns risk för potentialskillnader mellan fält och styrskåp.
- Välj en isolator vars ingång och utgång passar enheterna på respektive sida.
- Räkna på spänningsbudgeten i båda slingorna.
- Provkör slingan vid flera nivåer, till exempel 4, 12 och 20 mA, och jämför med värdet i styrsystemet.
Att bara ställa om en av enheterna till passiv löser problemet med två matningar, men tar inte bort en jordslinga. Hur isolering även skyddar ingångskorten beskrivs i Så skyddar du PLC och styrsystem mot störningar i mätkedjan.
Vanliga fel vid installation
Ett vanligt fel är att ansluta en aktiv transmitter direkt till en aktiv PLC-ingång. Båda enheterna försöker då mata loopen. Resultatet kan bli ett felaktigt eller låst mätvärde. En repeater eller rätt typ av passiv ingång kan användas för att lösa anslutningen.
Ett annat fel är att montera en passiv isolator utan att kontrollera spänningsbudgeten. Loopen kan då fungera vid låg ström men få problem när signalen närmar sig 20 mA. Isoleringen kan också kringgås om fält- och systemsidan kopplas samman genom en gemensam nollpotential eller en felaktigt ansluten kabelskärm.
Så hänger skyddet ihop
PLC och styrsystem skyddas bäst genom att hela mätkedjan granskas som ett sammanhängande system. Kabeldragning, jordning, matning, signaltyp och störningskällor behöver bedömas tillsammans.
Signalisolatorer används för att separera fältutrustningen från styrsystemet. Repeaters används när transmittern behöver matas samtidigt som signalen isoleras. Isolation transmitters används när signalen även behöver omvandlas, skalas eller filtreras. Vid kraftiga transienter behöver dessa lösningar kombineras med rätt överspänningsskydd och en korrekt utförd installation.