Calculadora 4-20 mA: escalado, shunt a 0-10 V y entrada del PLC

Entradas analógicas de los PLC de Industrial Shields para 4-20 mA

Las cuatro familias tienen entradas analógicas de 0-10 Vdc. Lo que cambia es la resolución y, en el M-Duino y el Ardbox, la impedancia de entrada de 39 kΩ que da la hoja de datos. Valores con un shunt de 500 Ω:

ESP32 PLC 14: las entradas AI0.0 y AI0.1 leen 4-20 mA directamente en modo 4-20 mA, sin shunt. Esta calculadora cubre las entradas de 0-10 V.

En el M-Duino 21+, el ESP32 PLC 21+ y el Raspberry PLC 21, las entradas analógicas son I0.7 a I0.12; los modelos más grandes añaden más zonas con el mismo patrón. En el Ardbox Analog son I0.2 a I0.9.

Con una entrada ideal y 500 Ω, 20 mA caen justo en 10 V, así que el ESP32 PLC y el Raspberry PLC no tienen margen por encima de 20 mA: 470 Ω da ese margen.

Cómo conectar un transmisor de 4-20 mA a una entrada de 0-10 V del PLC

1. Elige la resistencia. 500 Ω para una entrada de 0-10 V, o 470 Ω si necesitas ver el fallo alto de NAMUR NE 43. Usa 1 % o mejor y al menos 0,5 W.
2. Cablea el lazo. 2 hilos: +24 V al + del transmisor, el - del transmisor a la entrada analógica, y la resistencia entre la entrada y 0 V. 3 y 4 hilos: la salida del transmisor a la entrada, su 0 V al 0 V común.
3. Comprueba la tensión del lazo. A 20 mA la fuente aún debe dejar la tensión mínima del transmisor después de la resistencia y el cable.
4. Escala y comprueba fallos en el programa. Pasa la lectura a mA, comprueba los límites de NAMUR NE 43 y luego escala a unidades. Comprueba 4, 12 y 20 mA con un calibrador de lazo.

Código de ejemplo: 4-20 mA en un M-Duino

Este es el código que da la calculadora para un transmisor de 0 a 10 bar en la entrada I0.7 de un M-Duino con 500 Ω. Cambia los valores de arriba y copia tu versión desde la calculadora.

// 4-20 mA transmitter on M-Duino 21+ input I0.7 (M-Duino: 0-10 Vdc, 10 bit)
// Shunt resistor of 500 ohm between I0.7 and GND turns the loop current into a voltage.
// Generated by the Industrial Shields 4-20 mA calculator: https://www.industrialshields.com/plc-solution-library/tools/4-20ma-calculator
// Check the values on your hardware with a loop calibrator before you use them.
// Arduino IDE with the Industrial Shields AVR boards package. Select your M-Duino model.

const int AI_PIN = I0_7;   // analog input used for the loop
const float ADC_MAX   = 1023.0;   // 10 bit, from the M-Duino Family datasheet
const float AI_RANGE  = 10.0;     // input range in volts
const float R_SHUNT   = 500.0;    // shunt resistor in ohm
const float R_INPUT   = 39000.0;    // input impedance in ohm (0 = not known, treated as ideal)
const float R_EQ = (R_INPUT > 0.0) ? R_SHUNT * R_INPUT / (R_SHUNT + R_INPUT) : R_SHUNT;

const float PV_MIN = 0.000;   // value at 4 mA (bar)
const float PV_MAX = 10.000;   // value at 20 mA (bar)

// NAMUR NE 43 limits in mA
const float MA_FAULT_LOW  = 3.6;   // 3.6 mA or less: broken wire or low fault signal
const float MA_RANGE_LOW  = 3.8;   // 3.6 to 3.8 mA: under range
const float MA_RANGE_HIGH = 20.5;  // 20.5 to 21 mA: over range (saturated)
const float MA_FAULT_HIGH = 21.0;  // 21 mA or more: high fault signal

const int N_SAMPLES = 16;

float readCounts() {
  uint32_t sum = 0;
  for (int i = 0; i < N_SAMPLES; i++) {
    sum += analogRead(AI_PIN);
  }
  return (float)sum / N_SAMPLES;
}

float countsToMilliamps(float counts) {
  float volts = counts * AI_RANGE / ADC_MAX;
  return volts / R_EQ * 1000.0;
}

float milliampsToValue(float mA) {
  float pv = PV_MIN + (mA - 4.0) * (PV_MAX - PV_MIN) / 16.0;
  if (PV_MIN < PV_MAX) {
    if (pv < PV_MIN) pv = PV_MIN;
    if (pv > PV_MAX) pv = PV_MAX;
  }
  return pv;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(AI_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  float counts = readCounts();
  float mA = countsToMilliamps(counts);
  float pv = milliampsToValue(mA);

  Serial.print(mA, 2);
  Serial.print(" mA  ");
  if (MA_FAULT_LOW >= mA) {
    Serial.println("LOOP FAULT: broken wire or low fault signal");
  } else if (mA >= MA_FAULT_HIGH) {
    Serial.println("HIGH FAULT SIGNAL from the transmitter");
  } else if (counts >= ADC_MAX - 0.5) {
    Serial.print(pv, 2);
    Serial.println(" bar  (input at full scale: the current can be higher)");
  } else {
    Serial.print(pv, 2);
    Serial.print(" bar");
    if (MA_RANGE_LOW > mA) Serial.println("  (under range)");
    else if (mA > MA_RANGE_HIGH) Serial.println("  (over range, saturated)");
    else Serial.println();
  }
  delay(500);
}