Такая задача. Имеется устройство типа ПЛК с выходами "открытый коллектор". Других выходов у него нет. И имеются исполнительные устройства, выполняющие жестко заданную функцию, по сути, "набор релюшек". То есть, когда к ним приходит управляющий сигнал (может быть инверсным, вход должен выдерживать от 12 до 56 вольт), они выполняют элементарную функцию типа включить выключить что - например, насос, при условии, что давление в трубе выше заданного порога. Вопрос, как грамотно организовать входной каскад такого устройства и управление им по "открытому коллектор" при том, что эти "коробочки" могут быть удалены от ПЛК на расстояние порядка 700-4000 метров (и возможно, дальше)? Фишка в том, что коробочки имеют встроенную батарею, которая питает устройство при пропадении основного питания. По условию, пока нет управляющего сигнала, устройство не должно потреблять ни-че-го (от слова совсем, даже 1 мА уже много, так хотят). А управляющий сигнал, независимо от наличия основного питания, должен включить устройство. При этом, "интерфейс" должен быть малопотребляющим. Отдельно стоит вопрос об обратной связи - как устройство должно сказать ПЛК, что например, "насос не включу, давление низкое", или "ворота не открою, нет питания мотора".
1) Токовая петля или что-то похожее не прокатывает -- сопротивление проводов на таких расстояниях приличное. Потери при токе 20 мА могут быть порядка сотен милливатт.
2) Дифференциальная пара -- никак не реализовать без переделки выходного каскада ПЛК.
3) Реле - скорее всего, единственный способ.
Сложности:
1) Обстановка по помехам неизвестна вообще. Есть только предположения, что в некоторых случаях провод управления будет идти параллельно ЛЭП.
2) На таких длиннах провод можно считать нехилым конденсатором
3) Провод становится отличной антенной
Если взять "просто реле" и подтягивать его к земле на стороне ПЛК, насколько это реально?

Проблема может стать за гранью решаемости с помощью провода. Реле тоже потребляет, так что действует п.1. Если ставить на стороне реле усилитель, действуют все пункты "сложностей". Остается радиоканал или шифратор/дешифратор. То есть при наличии нуля на выходе ПЛК запускается генератор пачек импульсов, которые на приемной стороне определяются как полезный сигнал.
Что касается обратной связи, то можно по этому же проводу. Включить параллельно вход и выход ПЛК, и когда нет передачи (на выходе нет нуля) ПЛК бдит за входом. Программно можно решить вопрос о распознавании посылки от исполнительного устройства.
По содержанию посылки можно уже определить, по какому поводу исполнительное устройство пребывает в кипише.

«Только вы, дорогой товарищ из Парижа, плюньте на всё, на это. – Как плюнуть? – Как же Вам плюнуть-то?.. Слюной.» © 12 стульев.
Оптическое волокно. Единственный не очень затратный вариант .

PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотровщик Gerber-файлов от PCBWay + Услуги 3D печати

Не чётко прописано задание...

На таких расстояниях сигнал управления должен быть тональным (звуковая частота).

Затем детектор и ключ. При многоканальной системе - дешифратор.

Схемы можно посмотреть в устройствах радиоуправления.

Организация питания на основе надежных литиевых аккумуляторов EVE и микросхем азиатского производства

Качественное и безопасное устройство, работающее от аккумулятора, должно учитывать его физические и химические свойства, профили заряда и разряда, их изменение во времени и под влиянием различных условий, таких как температура и ток нагрузки. Мы расскажем о литий-ионных аккумуляторных батареях EVE и нескольких решениях от различных китайских компаний, рекомендуемых для разработок приложений с использованием этих АКБ. Представленные в статье китайские аналоги помогут заменить продукцию западных брендов с оптимизацией цены без потери качества.

Подробнее>>

Раз "устройство не должно потреблять" - то оно, не потребляя, ничего не может и передавать по линии - это, думаю, логично? В момент подачи команды, так или иначе - ток должен появиться, так? Этот ток можно контролировать - одновременно, на другом конце исполнительное устройство может этот ток модулировать, передавая информацию... На длинной линии "логическими уровнями" однозначно не обойтись - напряжение и ток нужно чуть больше, а скорость обмена выбрать минимально необходимую... Телефонная сеть в таких условиях работает уже много лет!

Новый аккумулятор EVE серии PLM для GSM-трекеров, работающих в жёстких условиях (до -40°С)

Компания EVE выпустила новый аккумулятор серии PLM, сочетающий в себе высокую безопасность, длительный срок службы, широкий температурный диапазон и высокую токоотдачу даже при отрицательной температуре. Эти аккумуляторы поддерживают заряд при температуре от -40/-20°С (сниженным значением тока), безопасны (не воспламеняются и не взрываются) при механическом повреждении (протыкание и сдавливание), устойчивы к вибрации. Они могут применяться как для автотранспорта (трекеры, маячки, сигнализация), так и для промышленных устройств мониторинга, IoT-устройств.

Подробнее>>

C реле не все просто -- они тоже могут счелкать от наводок. Впрочем, телеграф работал именно на них.

Провод, и только провод...

Вариант -- фантомное питание или что-то в этом роде.

Пока есть два варианта:
1)

L1, L2, L3 - индуктивности линии
R4,R5,R6 - сопротивления
C2,C3 - емкости (прикидочно)
Модель линии так себе, но похоже, более менее
Источник тока на Q1 заряжает конденсатор перед затвором Q2 и емкость линии. По завершении заряда источник не потребляет ничего почти (исключение -- задающая цепь на стабилитроне и резисторе).
При замыкании контакта (для наглядности, это просто кнопка) линия разряжается, по ней начинает течь ток около 4 мА, потенциал затвора Q2 падает, он открывается.

2)С трансами


На входной трансформатор с управляемого генератора подается частота 3...5 кГц. С выходного трансформатора имеем выход запитки цепей фильтра (pit) и выход на фильтр совмещенный с детектором.
Индуктивность трансформаторов должна быть в районе нескольких милигенри, отношение витков 1:2.

Устройства грозозащиты - варисторы, разрядники, супрессоры - на схемах не показаны