Capteurs analogiques: application, méthodes de connexion au contrôleur

Dans le processus d'automatisation des processus technologiques de contrôle des mécanismes et des assemblages, il faut faire face à des mesures de différentes grandeurs physiques. Il peut s'agir de la température, de la pression et du débit d'un liquide ou d'un gaz, de la vitesse de rotation, de l'intensité lumineuse, des informations sur la position de parties de mécanismes, et bien plus encore. Ces informations sont obtenues à l'aide de capteurs. Ici, d'abord sur la position des parties des mécanismes.

Capteurs discrets

Le capteur le plus simple est un contact mécanique normal: la porte a été ouverte - le contact ouvert, fermé - fermé. Un tel capteur simple, ainsi que l'algorithme de fonctionnement ci-dessus, souvent utilisé dans les alarmes de sécurité. Pour un mécanisme à mouvement de translation, qui a deux positions, par exemple une vanne d'eau, deux contacts sont nécessaires: un contact est fermé - la vanne est fermée, l'autre est fermé - fermé.

Un algorithme de traduction plus complexe a un mécanisme pour fermer la machine de moulage thermoplastique. Au départ, le moule est ouvert, c'est la position de départ. Dans cette position, les produits finis sont retirés du moule. Ensuite, le travailleur ferme la clôture de protection et le moule commence à se fermer, un nouveau cycle de travail commence.

La distance entre les moitiés du moule est assez grande. Par conséquent, au début, le moule se déplace rapidement et à une certaine distance jusqu'à ce que les moitiés soient fermées, la remorque est déclenchée, la vitesse de déplacement est considérablement réduite et le moule se ferme en douceur.

Cet algorithme vous permet d'éviter un coup lors de la fermeture du moule, sinon il peut simplement être haché en petits morceaux. Le même changement de vitesse se produit lorsque le moule est ouvert. Ici, deux capteurs de contact ne peuvent pas faire.

Ainsi, les capteurs basés sur le contact sont discrets ou binaires, ont deux positions, fermé - ouvert ou 1 et 0. Autrement dit, on peut dire que l'événement s'est produit ou non. Dans l'exemple ci-dessus, plusieurs points sont «capturés» par les contacts: le début du mouvement, le point de diminution de la vitesse, la fin du mouvement.

En géométrie, un point n'a pas de dimensions, juste un point et c'est tout. Elle peut être soit (sur une feuille de papier, dans la trajectoire du mouvement, comme dans notre cas), soit elle n'existe tout simplement pas. Par conséquent, des capteurs discrets sont utilisés pour détecter des points. Peut-être qu'une comparaison avec un point ici n'est pas très appropriée, car à des fins pratiques, ils utilisent la valeur de la précision d'un capteur discret, et cette précision est beaucoup plus qu'un point géométrique.

Mais le contact mécanique seul n'est pas une chose fiable. Par conséquent, dans la mesure du possible, les contacts mécaniques sont remplacés par des capteurs de proximité. L'option la plus simple est un interrupteur à lames: l'aimant est proche, le contact est fermé. La précision du fonctionnement de l'interrupteur reed laisse beaucoup à désirer; l'utilisation de tels capteurs ne sert qu'à déterminer la position des portes.

Une option plus complexe et plus précise devrait être envisagée comme une variété de capteurs de proximité. Si le drapeau métallique est entré dans la fente, le capteur a fonctionné. A titre d'exemple de tels capteurs, on peut citer les capteurs BVK (Non-Contact End Switch) de différentes séries. La précision de fonctionnement (différentiel de course) de tels capteurs est de 3 millimètres.

Figure 1. Capteur de la série BVK

La tension d'alimentation des capteurs BVK est de 24 V, le courant de charge est de 200 mA, ce qui est suffisant pour connecter des relais intermédiaires pour une meilleure coordination avec le circuit de commande. C'est ainsi que les capteurs BVK sont utilisés dans divers équipements.

En plus des capteurs BVK, des capteurs des types BTP, KVP, PIP, KVD, FISH sont également utilisés. Chaque série comprend plusieurs types de capteurs, indiqués par des nombres, par exemple, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Tous les capteurs mentionnés sont discrets sans contact; leur objectif principal est de déterminer la position des pièces des mécanismes et des assemblages. Naturellement, il y a beaucoup plus de ces capteurs; vous ne pouvez pas écrire sur tous dans un seul article. Divers capteurs de contact sont encore plus courants et trouvent toujours une utilisation répandue.

L'utilisation de capteurs analogiques

En plus des capteurs discrets dans les systèmes d'automatisation, les capteurs analogiques sont largement utilisés. Leur but est d'obtenir des informations sur diverses quantités physiques, et pas seulement comme ça du tout, mais en temps réel. Plus précisément, la conversion d'une grandeur physique (pression, température, éclairage, débit, tension, courant) en un signal électrique adapté à la transmission via des lignes de communication au contrôleur et à son traitement ultérieur.

Les capteurs analogiques sont généralement situés assez loin du contrôleur, c'est pourquoi ils sont souvent appelés appareils de terrain. Ce terme est souvent utilisé dans la littérature technique.

Un capteur analogique se compose généralement de plusieurs parties. La partie la plus importante est l'élément sensible - capteur. Son but est de convertir la valeur mesurée en un signal électrique. Mais le signal reçu du capteur est généralement faible. Pour obtenir un signal adapté à l'amplification, le capteur est le plus souvent inclus dans le circuit en pont - Pont de Wheatstone.

Figure 2. Pont de Wheatstone

Le but initial du circuit en pont est une mesure précise de la résistance. Une source CC est connectée à la diagonale du pont AD. Un galvanomètre sensible avec un point médian, avec un zéro au milieu de l'échelle, est connecté à une autre diagonale. Pour mesurer la résistance de la résistance Rx en faisant tourner la résistance d'ajustement R2, le pont doit être équilibré, la flèche du galvanomètre doit être mise à zéro.

La déviation de la flèche de l'appareil dans un sens ou dans l'autre permet de déterminer le sens de rotation de la résistance R2. La valeur de la résistance mesurée est déterminée sur une échelle combinée avec la poignée de la résistance R2. La condition d'équilibre du pont est l'égalité des rapports R1 / R2 et Rx / R3. Dans ce cas, entre les points BC, une différence de potentiel nulle est obtenue, et le courant ne circule pas à travers le galvanomètre V.

La résistance des résistances R1 et R3 est choisie très précisément, leur propagation doit être minimale. Seulement dans ce cas, même un petit déséquilibre du pont provoque un changement notable de la tension de la diagonale BC. C'est cette propriété du pont qui permet de connecter des éléments sensibles (capteurs) de différents capteurs analogiques. Eh bien, alors tout est simple, une question de technologie.

Pour utiliser le signal reçu du capteur, un traitement supplémentaire est nécessaire, - amplification et conversion en un signal de sortie adapté à la transmission et au traitement par le circuit de commande - le contrôleur. Le plus souvent, le signal de sortie des capteurs analogiques est le courant (boucle de courant analogique), moins souvent la tension.

Pourquoi exactement le courant? Le fait est que les étages de sortie des capteurs analogiques sont basés sur des sources de courant. Cela vous permet de vous débarrasser de l'influence sur le signal de sortie de la résistance des lignes de connexion, d'utiliser des lignes de connexion de grande longueur.

La conversion ultérieure est assez simple. Le signal de courant est converti en tension, pour laquelle il suffit de faire passer le courant à travers une résistance de résistance connue. La chute de tension aux bornes de la résistance de mesure est obtenue selon la loi d'Ohm U = I * R.

Par exemple, pour un courant de 10 mA sur une résistance avec une résistance de 100 Ohms, vous obtenez une tension de 10 * 100 = 1000mV, à droite il y a tout un 1 volt! Dans ce cas, le courant de sortie du capteur ne dépend pas de la résistance des fils de connexion. Dans des limites raisonnables, bien sûr.

Connexion de capteurs analogiques

La tension reçue au niveau de la résistance de mesure peut facilement être convertie en une forme numérique adaptée à l'entrée dans le contrôleur. La conversion se fait en utilisant convertisseurs analogique-numérique ADC.

Les données numériques sont transmises au contrôleur en code série ou parallèle.Tout dépend du circuit de commutation spécifique. Un schéma de connexion simplifié du capteur analogique est illustré à la figure 3.

Figure 3. Connexion d'un capteur analogique (cliquez sur l'image pour agrandir)

Les actionneurs sont connectés au contrôleur ou le contrôleur lui-même est connecté à un ordinateur faisant partie du système d'automatisation.

Naturellement, les capteurs analogiques ont une conception finie, dont l'un des éléments est un boîtier avec des éléments de connexion. À titre d'exemple, la figure 4 montre l'apparence du capteur de pression manométrique de type Probe-10.

Figure 4. Sonde de surpression du capteur-10

Au bas du capteur, vous pouvez voir le fil de connexion pour la connexion au pipeline, et à droite sous le couvercle noir, il y a un connecteur pour connecter une ligne de communication avec le contrôleur.

La connexion filetée est scellée avec une rondelle en cuivre recuit (incluse dans la livraison du capteur), et ne s'enroule en aucun cas avec un ruban adhésif ou du lin. Ceci est fait de sorte que lors de l'installation du capteur, ne déformez pas l'élément du capteur situé à l'intérieur.

Sorties de capteur analogique

Selon les normes, il existe trois gammes de signaux de courant: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA et 4 ... 20mA. Quelle est leur différence et quelles sont les fonctionnalités?

Le plus souvent, la dépendance du courant de sortie est directement proportionnelle à la valeur mesurée, par exemple, plus la pression dans la conduite est élevée, plus le courant à la sortie du capteur est important. Bien qu'une commutation inverse soit parfois utilisée: une valeur plus élevée du courant de sortie correspond à la valeur minimale de la valeur mesurée à la sortie du capteur. Tout dépend du type de contrôleur utilisé. Certains capteurs passent même de direct à inverse.

Le signal de sortie de la plage 0 ... 5mA est très petit et donc soumis à des interférences. Si le signal d'un tel capteur fluctue à une valeur constante du paramètre mesuré, c'est-à-dire, il est recommandé d'installer un condensateur d'une capacité de 0,1 ... 1 μF parallèlement à la sortie du capteur. Plus stable est le signal de courant dans la plage 0 ... 20mA.

Mais ces deux plages ne sont pas bonnes parce que le zéro au début de l'échelle ne nous permet pas de déterminer sans ambiguïté ce qui s'est passé. Ou bien le signal mesuré a-t-il réellement atteint un niveau zéro, ce qui est possible en principe, ou simplement la ligne de communication a été coupée? Par conséquent, ils essaient d'abandonner l'utilisation de ces plages, si possible.

Le signal des capteurs analogiques avec un courant de sortie dans la plage de 4 ... 20 mA est considéré comme plus fiable. Son immunité au bruit est assez élevée, et la limite inférieure, même si le signal mesuré a un niveau zéro, sera de 4 mA, ce qui permet de dire que la ligne de communication n'est pas rompue.

Une autre bonne caractéristique de la gamme 4 ... 20mA est que les capteurs peuvent être connectés en seulement deux fils, car le capteur lui-même est alimenté par ce courant. C'est sa consommation actuelle et en même temps un signal de mesure.

La source d'alimentation pour les capteurs dans la plage 4 ... 20mA est allumée, comme le montre la figure 5. En même temps, les capteurs Zond-10, comme beaucoup d'autres, ont une large plage de tension d'alimentation 10 ... 38V selon le passeport, bien qu'ils soient le plus souvent utilisés sources stabilisées avec une tension de 24V.

Figure 5. Connexion d'un capteur analogique à une source d'alimentation externe

Les éléments et la notation suivants sont présents dans ce diagramme. Rш est la résistance du shunt de mesure, Rl1 et Rl2 sont les résistances des lignes de communication. Pour augmenter la précision de mesure, une résistance de mesure de précision doit être utilisée comme Rø. Le passage du courant de la source d'alimentation est indiqué par des flèches.

Il est facile de voir que le courant de sortie de la source d'alimentation passe de la borne + 24V, à travers la ligne Rl1, il atteint la borne de capteur + AO2, traverse le capteur et à travers la borne de sortie du capteur - AO2, la ligne de connexion Rl2, la résistance Rш retourne à la borne d'alimentation -24V. Tout, le circuit est fermé, le courant circule.

Si le contrôleur contient une alimentation 24 V, la connexion du capteur ou du transducteur de mesure est possible selon le schéma illustré à la figure 6.

Figure 6. Connexion d'un capteur analogique à un contrôleur avec une source d'alimentation interne

Ce diagramme montre un autre élément - la résistance de ballast Rb. Son but est de protéger la résistance de mesure lorsque la ligne de communication est fermée ou que le capteur analogique fonctionne mal. L'installation d'une résistance RB est facultative, bien que souhaitable.

En plus de divers capteurs, les transducteurs de mesure, qui sont souvent utilisés dans les systèmes d'automatisation, ont également une sortie de courant.

Transducteur de mesure - un dispositif pour convertir des niveaux de tension, par exemple, 220V ou un courant de plusieurs dizaines ou centaines d'ampères en un signal de courant de 4 ... 20mA. Ici, un niveau de signal électrique est simplement transformé, et non une représentation d'une certaine quantité physique (vitesse, débit, pression) sous forme électrique.

Mais le seul capteur, en règle générale, ne suffit pas. L'une des mesures les plus populaires sont les mesures de température et de pression. Le nombre de ces points dans la production moderne peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. En conséquence, le nombre de capteurs est également important. Par conséquent, plusieurs capteurs analogiques sont le plus souvent connectés à un contrôleur à la fois. Bien sûr, pas plusieurs milliers à la fois, c'est bien si une douzaine sont différentes. Une telle connexion est illustrée à la figure 7.

Figure 7. Connexion de plusieurs capteurs analogiques au contrôleur

Cette figure montre comment une tension adaptée à la conversion en un code numérique est obtenue à partir d'un signal de courant. S'il existe plusieurs de ces signaux, ils ne sont pas traités en même temps, mais sont séparés par le temps, multiplexés, sinon, un ADC distinct devrait être placé sur chaque canal.

À cet effet, le contrôleur dispose d'un circuit de commutation des canaux. Le schéma fonctionnel du commutateur est illustré à la figure 8.

Figure 8. Commutateur de canaux de capteur analogique (image cliquable)

Les signaux de la boucle de courant, convertis en tension au niveau de la résistance de mesure (UR1 ... URn), sont envoyés à l'entrée du commutateur analogique. Les signaux de commande passent alternativement l'un des signaux UR1 ... URn, qui sont amplifiés par l'amplificateur, et sont alternativement envoyés à l'entrée ADC. La tension convertie en un code numérique est fournie au contrôleur.

Le schéma, bien sûr, est très simplifié, mais le principe de multiplexage qu'il contient est tout à fait possible à considérer. C'est ainsi que le module d'entrée des signaux analogiques des contrôleurs MSTS (système de microprocesseur matériel) construit par le PC Prolog Smolensk a été construit. L'apparence du contrôleur MCTC est illustrée à la figure 9.

Figure 9. Contrôleur ICTS

La sortie de tels contrôleurs a longtemps été interrompue, bien que dans certains endroits, loin d'être les meilleurs, ces contrôleurs servent toujours. Ces expositions du musée sont remplacées par des contrôleurs de nouveaux modèles, principalement de production importée (chinoise).

Pour connecter des capteurs de courant 4 ... 20mA, il est recommandé d'utiliser un câble blindé à deux fils avec une section de noyau d'au moins 0,5 mm2.

Si le contrôleur est monté dans une armoire métallique, il est recommandé de connecter les tresses de blindage au point de mise à la terre de l'armoire. La longueur des lignes de connexion peut atteindre plus de deux kilomètres, ce qui est calculé par les formules correspondantes. Nous ne considérerons rien ici, mais croyez-moi, c'est le cas.

Nouveaux capteurs, nouveaux contrôleurs

Avec l'arrivée de nouveaux contrôleurs, nouveaux capteurs analogiques HART (Transducteur distant adressable sur autoroute), qui se traduit par "Mesure du transducteur adressable à distance via le coffre".

Le signal de sortie du capteur (appareil de terrain) est un signal de courant analogique dans la plage 4 ... 20 mA, sur lequel est superposé un signal de communication numérique modulé en fréquence (FSK - Frequency Shift Keying).

Figure 10. Sortie du capteur analogique HART

La figure montre un signal analogique, et autour d'elle, comme un serpent, une bobine sinusoïdale. Il s'agit d'un signal modulé en fréquence.Mais ce n'est pas du tout un signal numérique, il n'a pas encore été reconnu. On remarque sur la figure que la fréquence de la sinusoïde lors de la transmission d'un zéro logique est plus élevée (2,2 KHz) que lors de la transmission d'une unité (1,2 KHz). La transmission de ces signaux est réalisée par un courant d'amplitude de forme sinusoïdale de ± 0,5 mA.

Il est connu que la valeur moyenne du signal sinusoïdal est nulle, par conséquent, la transmission d'informations numériques n'affecte pas le courant de sortie du capteur 4 ... 20 mA. Ce mode est utilisé lors de la configuration des capteurs.

La communication HART se fait de deux manières. Dans le premier cas, la norme, seuls deux appareils peuvent échanger des informations via une ligne à deux fils, tandis que le signal analogique de sortie 4 ... 20mA dépend de la valeur mesurée. Ce mode est utilisé lors de la configuration des appareils de terrain (capteurs).

Dans le second cas, jusqu'à 15 capteurs peuvent être connectés à la ligne bifilaire, dont le nombre est déterminé par les paramètres de la ligne de communication et la puissance de l'alimentation. Il s'agit d'un mode multi-drop. Dans ce mode, chaque capteur a sa propre adresse dans la plage 1 ... 15, à laquelle le dispositif de contrôle y accède.

Le capteur avec l'adresse 0 est déconnecté de la ligne de communication. L'échange de données entre le capteur et le dispositif de commande en mode multipoint n'est effectué que par un signal de fréquence. Le signal de courant du capteur est fixé au niveau requis et ne change pas.

Dans le cas d'une communication multipoint, les données désignent non seulement les résultats réels des mesures du paramètre contrôlé, mais également un ensemble complet de toutes sortes d'informations de service.

Tout d'abord, ce sont les adresses des capteurs, des commandes de contrôle, des paramètres. Et toutes ces informations sont transmises via des lignes de communication à deux fils. Mais est-il possible de s'en débarrasser? Certes, cela doit être fait avec soin, uniquement dans les cas où la connexion sans fil ne peut pas affecter la sécurité du processus contrôlé.

Il s'avère que vous pouvez vous débarrasser des fils. Déjà en 2007, la norme WirelessHART a été publiée, le support de transmission est la fréquence sans licence de 2,4 GHz, qui fonctionne sur de nombreux appareils sans fil informatiques, y compris les réseaux locaux sans fil. Par conséquent, les appareils WirelessHART peuvent être utilisés sans aucune restriction. La figure 11 montre le réseau sans fil WirelessHART.

Figure 11. Wireless WirelessHART

Ces technologies ont remplacé l'ancienne boucle de courant analogique. Mais elle ne renonce pas à son poste, il est largement utilisé dans la mesure du possible.

Boris Aladyshkin