Analogni senzori: primjena, načini spajanja na regulator

U procesu automatizacije tehnoloških procesa za upravljanje mehanizmima i sklopovima, potrebno je baviti se mjerenjima različitih fizičkih veličina. To mogu biti temperatura, tlak i brzina protoka tekućine ili plina, brzina rotacije, intenzitet svjetlosti, podaci o položaju dijelova mehanizama i još mnogo toga. Ove informacije dobivaju se pomoću senzora. Ovdje prvo o položaju dijelova mehanizama.

Diskretni senzori

Najjednostavniji senzor je normalni mehanički kontakt: vrata su se otvorila - kontakt se otvorio, zatvorio - zatvorio. Takav jednostavan senzor, kao i gore spomenuti algoritam rada, često koristi se u sigurnosnim alarmima, Za mehanizam s translacijskim kretanjem, koji ima dva položaja, na primjer, ventil za vodu, potrebna su dva kontakta: jedan kontakt je zatvoren - ventil je zatvoren, drugi je zatvoren - zatvoren.

Složeniji translacijski algoritam ima mehanizam za zatvaranje termoplastične prešane naprave. U početku je kalup otvoren, ovo je početni položaj. U ovom položaju, gotovi proizvodi se uklanjaju iz kalupa. Zatim radnik zatvori zaštitnu ogradu i plijesan se počne zatvarati, započinje novi radni ciklus.

Udaljenost između polovica kalupa je prilično velika. Stoga se isprva kalup kreće brzo, i na određenom razmaku dok se polovine ne zatvore, prikolica se pokrene, brzina kretanja se značajno smanjuje i plijesan se glatko zatvara.

Ovaj algoritam omogućuje vam da izbjegnete udarac prilikom zatvaranja kalupa, jer se u protivnom može jednostavno nasjeckati na male komade. Ista promjena brzine događa se kada se kalup otvori. Ovdje dva senzora za kontakt ne mogu.

Dakle, senzori na temelju kontakta su diskretni ili binarni, imaju dva položaja, zatvoreni - otvoreni ili 1 i 0. Drugim riječima, možemo reći da se događaj dogodio ili ne. U gornjem primjeru, nekoliko točaka kontakati su "zarobljeni": početak kretanja, točka smanjenja brzine, kraj pokreta.

U geometriji, točka nema dimenzije, samo točka i to je to. Ona može biti (na listu papira, u putanji kretanja, kao u našem slučaju), ili jednostavno ne postoji. Stoga se za otkrivanje točaka koriste diskretni senzori. Možda usporedba s točkom ovdje nije baš prikladna, jer u praktične svrhe koriste vrijednost točnosti diskretnog senzora, a ta je točnost mnogo više od geometrijske točke.

Ali samo mehanički kontakt je nepouzdana stvar. Stoga, kad god je to moguće, mehaničke kontakte zamjenjuju senzori blizine. Najjednostavnija opcija je štitnik trske: magnet je zatvoren, kontakt je zatvoren. Točnost rada trske sklopke ostavlja mnogo za poželjeti, jer korištenje takvih senzora služi samo za određivanje položaja vrata.

Složenija i točnija opcija treba razmotriti razne senzore blizine. Ako je metalna zastava ušla u utor, senzor je radio. Kao primjer takvih senzora mogu se navesti BVK senzori (Beskontaktni krajnji prekidač) raznih serija. Točnost rada (diferencijalni hod) takvih senzora je 3 milimetra.

Slika 1. Senzor serije BVK

Napon napajanja BVK osjetnika je 24 V, struja opterećenja je 200mA, što je dovoljno za spajanje međurednih releja za daljnju koordinaciju s upravljačkim krugom. Tako se BVK senzori koriste u raznoj opremi.

Pored BVK senzora, koriste se i senzori tipa BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Svaka serija ima nekoliko vrsta senzora, označenih brojevima, na primjer, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Svi navedeni senzori su bez kontakta, a njihova je glavna svrha odrediti položaj dijelova mehanizama i sklopova. Naravno, postoji mnogo više tih senzora, o kojima se ne može pisati u jednom članku. Razni kontaktni senzori još su češći i još uvijek imaju široku uporabu.

Uporaba analognih senzora

Pored diskretnih senzora u sustavima za automatizaciju, široko se koriste analogni senzori. Njihova je svrha pribavljanje informacija o raznim fizičkim količinama, i to ne samo takve, nego u stvarnom vremenu. Preciznije, pretvaranje fizičke veličine (tlak, temperatura, osvjetljenje, protok, napon, struja) u električni signal pogodan za prijenos komunikacijskim vodovima do regulatora i njegovu daljnju obradu.

Analogni senzori obično se nalaze dosta daleko od regulatora, zbog čega se često nazivaju terenski uređaji, Ovaj se pojam često koristi u tehničkoj literaturi.

Analogni senzor obično se sastoji od više dijelova. Najvažniji dio je osjetljivi element - senzor, Njegova je svrha pretvoriti izmjerenu vrijednost u električni signal. Ali signal primljen od senzora obično je mali. Da bi se dobio signal pogodan za pojačavanje, senzor se najčešće uključuje u krug mosta - Pšenični most.

Slika 2. Most od pšenice

Početna svrha kruga mosta je točno mjerenje otpora. Na dijagonalu AD mosta spojen je jednosmerni izvor. Osjetljivi galvanometar sa srednjom točkom, s nulom u sredini ljestvice, povezan je s drugom dijagonalom. Za mjerenje otpora otpornika Rx rotiranjem reznog otpora R2, uravnotežite most, postavite pokazivač galvanometra na nulu.

Odstupanje strelice uređaja u jednom ili drugom smjeru omogućuje vam određivanje smjera vrtnje otpornika R2. Vrijednost izmjerenog otpora određuje se na skali kombiniranoj s ručicom otpornika R2. Uvjet ravnoteže mosta je jednakost omjera R1 / R2 i Rx / R3. U tom slučaju između točaka BC nastaje nulta potencijalna razlika, a struja ne teče kroz galvanometar V.

Otpor otpornika R1 i R3 odabran je vrlo precizno, njihovo širenje treba biti minimalno. Samo u ovom slučaju, čak i mala neravnoteža mosta uzrokuje zamjetnu promjenu napona dijagonale BC. To se svojstvo mosta koristi za povezivanje osjetljivih elemenata (senzora) različitih analognih senzora. Pa, onda je sve jednostavno, stvar tehnologije.

Za korištenje signala primljenog od senzora potrebna je daljnja obrada, - pojačavanje i pretvaranje u izlazni signal pogodan za prijenos i obradu u upravljačkom krugu - kontroler, Najčešće je izlazni signal analognih senzora struja (analogna strujna petlja), rjeđe napon.

Zašto baš struja? Činjenica je da se izlazni stupnjevi analognih senzora temelje na izvorima struje. To vam omogućuje da se riješite utjecaja na izlazni signal otpora spojnih vodova, da koristite priključne vodove velike duljine.

Daljnja konverzija je vrlo jednostavna. Trenutni signal pretvara se u napon, za što je dovoljno da struja prođe kroz otpornik poznatog otpora. Pad napona preko mjernog otpora dobiva se prema Ohmovom zakonu U = I * R.

Na primjer, za struju od 10 mA na otporniku s otporom 100 Ohma, dobivate napon od 10 * 100 = 1000mV, pravo je cijeli 1 volt! U ovom slučaju, izlazna struja senzora ne ovisi o otpornosti priključnih žica. U razumnim granicama, naravno.

Spajanje analognih senzora

Napon primljenog na mjernom otporniku može se lako pretvoriti u digitalni oblik pogodan za ulaz u regulator. Pretvorba se vrši pomoću analogno-digitalni pretvarači ADC.

Digitalni podaci šalju se regulatoru u serijskom ili paralelnom kodu.Sve ovisi o specifičnom sklopnom krugu. Pojednostavljeni dijagram veze analognog senzora prikazan je na slici 3.

Slika 3. Spajanje analognog senzora (kliknite na sliku za povećanje)

Pokretači su spojeni na regulator ili je sam regulator povezan s računalom koje je dio sustava automatizacije.

Naravno, analogni senzori imaju gotov dizajn, čiji je jedan od elemenata kućište s povezujućim elementima. Kao primjer, na slici 4 prikazana je pojava senzora za mjerenje tlaka tipa Sonda-10.

Slika 4. Senzor nadtlak senzora-10

Na dnu senzora možete vidjeti priključni navoj za spajanje na cjevovod, a desno ispod crnog poklopca nalazi se priključak za povezivanje komunikacijske linije s kontrolerom.

Navojni spoj brtvi se podloškom izrađenom od žarećeg bakra (koja je uključena u isporuku senzora) i nikako se ne koristi za namatanje vrpce trakom ili platnom. To je učinjeno tako da prilikom ugradnje senzora ne deformirajte senzorski element smješten unutar.

Izlazi analognih senzora

Prema standardima, postoje tri raspona trenutnih signala: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA i 4 ... 20mA. Koja je njihova razlika i koje su značajke?

Najčešće, ovisnost izlazne struje izravno je proporcionalna izmjerenoj vrijednosti, na primjer, što je veći tlak u cijevi, veća je struja na izlazu senzora. Iako se ponekad koristi i obrnuto prebacivanje: veća vrijednost izlazne struje odgovara minimalnoj vrijednosti izmjerene vrijednosti na izlazu senzora. Sve ovisi o vrsti korištenog kontrolera. Neki se senzori čak prebacuju iz izravnog u inverzni.

Izlazni signal raspona 0 ... 5mA je vrlo mali, pa je podložan smetnjama. Ako signal takvog senzora fluktuira u konstantnoj vrijednosti izmjerenog parametra, to jest, preporuča se ugraditi kondenzator s kapacitetom od 0,1 ... 1 μF paralelno s izlazom senzora. Stabilniji je trenutni signal u rasponu od 0 ... 20mA.

No oba ova raspona nisu dobra jer nula na početku skale ne dopušta nam da nedvosmisleno utvrdimo što se dogodilo. Ili je izmjereni signal zapravo uzeo nulu, što je u principu moguće, ili je jednostavno prekinuta komunikacijska linija? Stoga pokušavaju odustati od upotrebe tih raspona, ako je moguće.

Signal analognih senzora s izlaznom strujom u rasponu od 4 ... 20 mA smatra se pouzdanijim. Njegova otpornost na buku prilično je visoka, a donja granica, čak i ako izmjereni signal ima nultu razinu, bit će 4 mA, što nam omogućava da kažemo da komunikacijska linija nije prekinuta.

Još jedna dobra osobina raspona 4 ... 20mA je da se senzori mogu spojiti u samo dvije žice, budući da sam senzor napaja ovom strujom. Ovo je njegova trenutna potrošnja i istovremeno mjerni signal.

Izvor napajanja za senzore u rasponu 4 ... 20mA je uključen, kao što je prikazano na slici 5. Istovremeno, Zond-10 senzori, kao i mnogi drugi, prema putovnici imaju široki raspon napajanja 10 ... 38V, iako se najčešće koriste stabilizirani izvori s naponom od 24V.

Slika 5. Spajanje analognog senzora s vanjskim izvorom napajanja

Sljedeći elementi i bilješka prisutni su na ovom dijagramu. Rš je otpornik mjernog šanta, Rl1 i Rl2 su otpori komunikacijskih vodova. Za povećanje točnosti mjerenja treba koristiti precizni mjerni otpornik kao Rš. Prolazak struje iz izvora napajanja označen je strelicama.

Lako je vidjeti da izlazna struja izvora napajanja prolazi od + 24V terminala, preko Rl1 linije dolazi do terminala osjetnika + AO2, prolazi kroz senzor i kroz izlazni terminal senzora - AO2, Rl2 spojna linija, otpornik Rš vraća se na 24-strujni terminal napajanja. Sve, krug je zatvoren, struja teče.

Ako regulator sadrži napajanje od 24 V, tada je spajanje senzora ili mjernog pretvarača moguće prema shemi prikazanoj na slici 6.

Slika 6. Spajanje analognog senzora na kontroler s unutarnjim izvorom napajanja

Ovaj dijagram prikazuje još jedan element - balastni otpornik Rb. Njegova je svrha zaštititi mjerni otpornik kada je komunikacijska linija zatvorena ili analogni senzor ne radi. Ugradnja RB otpornika nije obvezna, iako je poželjna.

Pored raznih senzora, mjerni izlaz, koji se često koristi u sustavima za automatizaciju, ima i trenutni izlaz.

Mjerni pretvarač - uređaj za pretvaranje naponskih razina, na primjer, 220V ili struja od nekoliko desetaka ili stotina ampera u trenutni signal od 4 ... 20 mA. Ovdje se pretvaranje razine električnog signala jednostavno odvija, a ne predstavljanje neke fizičke veličine (brzine, brzine protoka, tlaka) u električnom obliku.

Ali jedini senzor, u pravilu, nije dovoljan. Jedno od najpopularnijih mjerenja su mjerenja temperature i tlaka. Broj takvih točaka u modernoj proizvodnji može doseći nekoliko desetaka tisuća. U skladu s tim, velik je i broj senzora. Stoga je nekoliko analognih senzora najčešće spojeno na jedan regulator istovremeno. Naravno, ne nekoliko tisuća odjednom, dobro je ako je desetak različitih. Takva veza prikazana je na slici 7.

Slika 7. Spajanje više analognih senzora na regulator

Ova slika prikazuje kako se napon pogodan za pretvorbu u digitalni kod dobije iz trenutnog signala. Ako postoji nekoliko takvih signala, oni se ne obrađuju odjednom, već su odvojeni vremenom, multipleksirani, inače bi na svaki kanal trebao biti postavljen poseban ADC.

U tu svrhu, regulator ima sklop za prebacivanje kruga. Funkcionalni dijagram sklopke prikazan je na slici 8.

Slika 8. Prekidač analognih kanala senzora (slika na kojoj se može kliknuti)

Signali strujne petlje, pretvoreni u napon na mjernom otporniku (UR1 ... URn), dovode se na ulaz analognog prekidača. Upravljački signali naizmjenično prenose jedan od signala UR1 ... URn na izlaz, koji pojačalo pojačava te se naizmjenično dovode na ulaz ADC-a. Napon pretvoren u digitalni kod dovodi se u regulator.

Shema je, naravno, vrlo pojednostavljena, ali princip multipleksiranja u njoj je sasvim moguće uzeti u obzir. Tako je izgrađen modul za unošenje analognih signala iz MSTS kontrolera (mikroprocesorski hardverski sustav) koji je izradio PC Prolog Smolensk. Izgled MCTC kontrolera prikazan je na slici 9.

Slika 9. ICTS kontroler

Puštanje takvih kontrolera odavno je zaustavljeno, iako na nekim mjestima koja su daleko od najboljih, ti kontroleri i dalje služe. Ovi muzejski eksponati zamjenjuju kontrolere novih modela, uglavnom uvozne (kineske) proizvodnje.

Za povezivanje strujnih senzora od 4 ... 20mA, preporuča se koristiti dvožični oklopljeni kabel s presjekom jezgre od najmanje 0,5 mm2.

Ako je regulator ugrađen u metalni ormarić, preporuča se zaštitne pletenice spojiti na točku tla na kućištu. Duljina priključnih linija može doseći više od dva kilometra, što se izračunava odgovarajućim formulama. Ovdje ništa nećemo razmatrati, ali vjerujte mi da je to tako.

Novi senzori, novi kontroleri

Pojavom novih kontrolera novi HART analogni senzori (Remote Transducer Highway Addressable), što u prijevodu znači "Mjerenje pretvarača s daljinskim upravljanjem putem prtljažnika".

Izlazni signal senzora (terenskog uređaja) analogni je strujni signal u rasponu od 4 ... 20 mA na koji je postavljen frekvencijski moduliran (FSK - Shift Keging Keging) digitalni komunikacijski signal.

Slika 10. Izlaz analognog osjetnika HART

Na slici je prikazan analogni signal, a oko njega poput zmija sinusoidne zavojnice. To je frekvencijski moduliran signal.Ali to uopće nije digitalni signal, to još treba prepoznati. Na slici je vidljivo da je frekvencija sinusoida pri prenošenju logičke nule veća (2,2KHz) nego pri prijenosu jedinice (1,2KHz). Prijenos ovih signala vrši se strujom s amplitudom sinusoidnog oblika ± 0,5 mA.

Poznato je da je prosječna vrijednost sinusoidnog signala jednaka nuli, stoga prijenos digitalnih informacija ne utječe na izlaznu struju senzora 4 ... 20 mA. Ovaj se mod koristi prilikom postavljanja senzora.

HART komunikacija se vrši na dva načina. U prvom slučaju, standardni, samo dva uređaja mogu razmjenjivati ​​informacije putem dvožične linije, dok izlazni analogni signal 4 ... 20mA ovisi o izmjerenoj vrijednosti. Ovaj način rada koristi se pri postavljanju terenskih uređaja (senzora).

U drugom slučaju na dvožičnu liniju može se spojiti do 15 senzora, čiji se broj određuje parametrima komunikacijske linije i snagom napajanja. Ovo je način rada s više pada. U ovom načinu rada svaki senzor ima svoju adresu u rasponu 1 ... 15, na kojoj mu upravljački uređaj pristupa.

Senzor s adresom 0 isključen je iz komunikacijske linije. Razmjena podataka između senzora i upravljačkog uređaja u načinu rada s više točaka provodi se samo frekvencijskim signalom. Strujni signal senzora fiksiran je na željenoj razini i ne mijenja se.

U slučaju komunikacije s više točaka, pod podacima se podrazumijevaju ne samo stvarni rezultati mjerenja kontroliranog parametra, već i čitav niz svih vrsta servisnih informacija.

Prije svega, to su adrese senzora, upravljačke naredbe, postavke. A sve ove informacije prenose se putem dvožilne komunikacijske linije. Ali je li ih moguće riješiti? Istina, to treba učiniti pažljivo, samo u onim slučajevima kada bežična veza ne može utjecati na sigurnost kontroliranog procesa.

Ispada da se žice možete riješiti. Već 2007. objavljen je WirelessHART Standard, prijenosni medij je nelicencirana frekvencija od 2,4 GHz, koja radi na mnogim računalnim bežičnim uređajima, uključujući bežične lokalne mreže. Stoga se uređaji WirelessHART mogu koristiti bez ikakvih ograničenja. Na slici 11. prikazana je bežična mreža WirelessHART.

Slika 11. Bežični bežičniHART

Te su tehnologije zamijenile staru analognu strujnu petlju. Ali ona ne odustaje od svog položaja, široko se koristi kad god je to moguće.

Boris Aladyskin