Аналогови сензори: приложение, методи за свързване към контролера

В процеса на автоматизация на технологичните процеси за управление на механизми и възли трябва да се работи с измервания на различни физични величини. Тя може да бъде температура, налягане и дебит на течност или газ, скорост на въртене, интензивност на светлината, информация за положението на части от механизмите и много други. Тази информация се получава с помощта на сензори. Тук първо за положението на частите на механизмите.

Дискретни сензори

Най-простият сензор е нормален механичен контакт: вратата беше отворена - контактът се отвори, затвори - затвори. Такъв прост сензор, както и горният алгоритъм на работа, често използва се при аларми за сигурност, За механизъм с транслационно движение, който има две позиции, например воден клапан, са необходими два контакта: единият контакт е затворен - клапанът е затворен, другият е затворен - затворен.

По-сложен алгоритъм за транслация има механизъм за затваряне на термопластичната машина за формоване. Първоначално матрицата е отворена, това е началната позиция. В това положение готовите продукти се изваждат от формата. След това работникът затваря защитната ограда и матрицата започва да се затваря, започва нов работен цикъл.

Разстоянието между половинките на формата е доста голямо. Следователно, в началото калъпът се движи бързо и на определено разстояние, докато половините се затворят, ремаркето се задейства, скоростта на движение значително намалява и плесенът плавно се затваря.

Този алгоритъм ви позволява да избегнете удар при затваряне на формата, в противен случай той може просто да бъде нарязан на малки парченца. Същата промяна в скоростта настъпва при отваряне на формата. Тук два сензора за контакт не могат да направят.

По този начин сензорите, базирани на контакта, са дискретни или двоични, имат две позиции, затворени - отворени или 1 и 0. С други думи, можем да кажем, че събитието се е случило или не. В горния пример няколко точки се „улавят“ от контактите: началото на движение, точката на намаляване на скоростта, края на движението.

В геометрията една точка няма измерения, а точка и това е всичко. Тя може да бъде (на лист хартия, в траекторията на движение, както в нашия случай), или просто не съществува. Следователно, дискретни сензори се използват за откриване на точки. Може би сравнението с точка тук не е много подходящо, тъй като за практически цели те използват стойността на точността на дискретен сензор и тази точност е много повече от геометрична точка.

Но самият механичен контакт е ненадеждно нещо. Следователно, когато е възможно, механичните контакти се заменят от сензори за близост. Най-простият вариант е тръстиков превключвател: магнитът е близо, контактът е затворен. Точността на работата на тръстиковия превключвател оставя много да се желае, използването на такива сензори е само за определяне на положението на вратите.

По-сложен и точен вариант трябва да се счита за различни сензори за близост. Ако металния флаг влезе в слота, тогава сензорът работеше. Като пример за такива сензори могат да бъдат посочени BVK сензорите (безконтактен краен превключвател) от различни серии. Точността на работа (диференциал на хода) на такива сензори е 3 милиметра.

Фигура 1. Сензор от серията BVK

Захранващото напрежение на BVK сензорите е 24V, токът на натоварване е 200mA, което е достатъчно за свързване на междинни релета за по-нататъшна координация с управляващата верига. Ето как BVK сензорите се използват в различни съоръжения.

В допълнение към BVK сензорите се използват и сензори от типа BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Всяка серия има няколко типа сензори, обозначени с числа, например BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Всички споменати сензори са безконтактни, като основната им цел е да определят положението на части от механизми и възли. Естествено, има много повече от тези сензори, не можете да напишете за всички тях в една статия. Различните контактни сензори все още са по-често срещани и все още намират широко приложение.

Използването на аналогови сензори

В допълнение към дискретни сензори в системите за автоматизация широко се използват аналогови сензори. Тяхната цел е да получат информация за различни физически величини, и то не просто така изобщо, а в реално време. По-точно преобразуването на физическо количество (налягане, температура, осветеност, поток, напрежение, ток) в електрически сигнал, подходящ за предаване по комуникационни линии към контролера и по-нататъшната му обработка.

Аналоговите сензори обикновено са разположени доста далеч от контролера, поради което често се извикват полеви устройства, Този термин често се използва в техническата литература.

Аналоговият сензор обикновено се състои от няколко части. Най-важната част е чувствителният елемент - сензор, Целта му е да преобразува измерената стойност в електрически сигнал. Но сигналът, получен от сензора, обикновено е малък. За получаване на сигнал, подходящ за усилване, сензорът най-често се включва в мостовата верига - Бридстоун мост.

Фигура 2. Бридстоун мост

Първоначалната цел на мостовата верига е точно измерване на съпротивлението. Източник на постоянен ток е свързан към диагонала на AD моста. Чувствителен галванометър със средна точка, с нула в средата на скалата, е свързан към друг диагонал. За да измерите съпротивлението на резистора Rx чрез завъртане на подрязващия резистор R2, балансирайте моста, задайте показалеца на галванометъра на нула.

Отклонението на стрелката на устройството в една или друга посока ви позволява да определите посоката на въртене на резистора R2. Стойността на измереното съпротивление се определя по скала, комбинирана с дръжката на резистора R2. Условието на равновесие за моста е равенството на съотношенията R1 / R2 и Rx / R3. В този случай между точките BC се получава нулева потенциална разлика и токът не тече през галванометъра V.

Съпротивлението на резисторите R1 и R3 е избрано много точно, разпространението им трябва да бъде минимално. Само в този случай дори малък дисбаланс на моста предизвиква забележима промяна в напрежението на диагонала на BC. Именно това свойство на моста се използва за свързване на чувствителни елементи (сензори) на различни аналогови сензори. Е, тогава всичко е просто, въпрос на технология.

За да използвате сигнала, получен от сензора, е необходима допълнителна обработка, - усилване и преобразуване в изходен сигнал, подходящ за предаване и обработка от управляващата верига - контролера, Най-често изходният сигнал на аналоговите сензори е ток (аналогов токов контур), по-рядко напрежение.

Защо точно тока? Факт е, че изходните етапи на аналоговите сензори се основават на източници на ток. Това ви позволява да се отървете от влиянието върху изходния сигнал на съпротивлението на свързващите линии, да използвате свързващи линии с голяма дължина.

По-нататъшното преобразуване е съвсем просто. Сигналът на тока се преобразува в напрежение, за което е достатъчно да премине тока през резистор с известно съпротивление. Спадът на напрежението през измервателния резистор се получава съгласно закона на Ом U = I * R.

Например за ток от 10 mA на резистор със съпротивление 100 ома, получавате напрежение 10 * 100 = 1000mV, нали има цял 1 волт! В този случай изходният ток на сензора не зависи от съпротивлението на свързващите проводници. В разумни граници, разбира се.

Свързване на аналогови сензори

Напрежението, получено на измервателния резистор, може лесно да се преобразува в цифрова форма, подходяща за вход в контролера. Преобразуването се извършва с помощта аналогово-цифрови преобразуватели ADC.

Цифровите данни се предават на контролера в сериен или паралелен код.Всичко зависи от конкретната комутационна верига. Опростена схема на свързване на аналоговия сензор е показана на фигура 3.

Фигура 3. Свързване на аналогов сензор (щракнете върху изображението, за да го увеличите)

Задвижващите механизми са свързани към контролера или самият контролер е свързан към компютър, който е част от системата за автоматизация.

Естествено, аналоговите сензори имат завършен дизайн, един от елементите на който е корпус със свързващи елементи. Като пример, Фигура 4 показва появата на датчика за налягане на манометър тип Sonda-10.

Фигура 4. Сензор за свръхналягане Сонда-10

В долната част на сензора можете да видите свързващата нишка за свързване към тръбопровода, а вдясно под черния капак има конектор за свързване на комуникационна линия с контролера.

Резбовата връзка е запечатана с шайба, изработена от подпалена мед (включена в обхвата на доставката на сензора) и в никакъв случай не се използва за навиване от фума лента или лен. Това се прави така, че когато инсталирате сензора, не деформирайте сензорния елемент, разположен вътре.

Изходи на аналогови сензори

Според стандартите има три диапазона на текущите сигнали: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA и 4 ... 20mA. Каква е разликата им и какви са характеристиките?

Най-често зависимостта на изходния ток е пряко пропорционална на измерената стойност, например, колкото по-високо е налягането в тръбата, толкова по-голям е токът на изхода на сензора. Въпреки че понякога се използва обратното превключване: по-голяма стойност на изходния ток съответства на минималната стойност на измерената стойност на изхода на сензора. Всичко зависи от вида на използвания контролер. Някои сензори дори превключват от директни към обратни.

Изходният сигнал с обхват 0 ... 5mA е много малък и следователно е обект на смущения. Ако сигналът на такъв сензор се колебае при постоянна стойност на измерения параметър, тоест се препоръчва да се инсталира кондензатор с капацитет 0,1 ... 1 μF успореден на изхода на сензора. По-стабилен е токовият сигнал в обхвата 0 ... 20mA.

Но и двата диапазона не са добри, защото нулата в началото на скалата не ни позволява еднозначно да определим какво се е случило. Или измереният сигнал всъщност е взел нулево ниво, което е принципно възможно, или просто е била прекъсната комуникационната линия? Затова те се опитват да се откажат от използването на тези диапазони, ако е възможно.

Сигналът на аналогови сензори с изходен ток в диапазона от 4 ... 20 mA се счита за по-надежден. Неговият имунитет е доста висок, а долната граница, дори ако измереният сигнал има нулево ниво, ще бъде 4 mA, което ни позволява да кажем, че комуникационната линия не е нарушена.

Друга добра характеристика на обхвата 4 ... 20mA е, че сензорите могат да бъдат свързани само в два проводника, тъй като самият сензор се захранва от този ток. Това е неговата текуща консумация и в същото време измервателен сигнал.

Източникът на захранване за сензори в диапазон 4 ... 20mA е включен, както е показано на фигура 5. В същото време сензорите Zond-10, както и много други, имат широк диапазон на захранващо напрежение 10 ... 38V според паспорта, въпреки че най-често се използват стабилизирани източници с напрежение 24V.

Фигура 5. Свързване на аналогов сензор с външен източник на захранване

Следните елементи и обозначение присъстват в тази диаграма. Rш е резисторът на измервателния шунт, Rl1 и Rl2 са съпротивленията на комуникационните линии. За да се увеличи точността на измерване, трябва да се използва прецизен измервателен резистор като Rш. Пропускането на ток от източника на захранване се обозначава със стрелки.

Лесно е да се види, че изходният ток на източника на захранване преминава от терминала + 24V, през Rl1 линията достига до терминала на сензора + AO2, преминава през сензора и през изходния извод на сензора - AO2, свързващата линия Rl2, резисторът Rш се връща към терминала за захранване на -24V. Всичко, веригата е затворена, токът тече.

Ако контролерът съдържа 24V захранване, тогава връзката на сензора или измервателния преобразувател е възможна съгласно схемата, показана на фигура 6.

Фигура 6. Свързване на аналогов сензор към контролер с вътрешен източник на захранване

Тази диаграма показва друг елемент - баластния резистор Rb. Неговата цел е да защити измервателния резистор, когато комуникационната линия е затворена или аналоговият сензор не работи. Инсталирането на RB резистор е по желание, макар и желателно.

В допълнение към различни сензори, измервателните преобразуватели, които често се използват в системите за автоматизация, имат и токов изход.

Измервателен преобразувател - устройство за преобразуване на нива на напрежение, например, 220V или ток от няколко десетки или стотици ампер в токов сигнал от 4 ... 20 mA. Тук преобразуването на нивото на електрическия сигнал става просто, а не представянето на някакво физическо количество (скорост, дебит, налягане) в електрическа форма.

Но единственият сензор, като правило, не е достатъчен. Едно от най-популярните измервания са измерванията на температурата и налягането. Броят на такива точки в съвременното производство може да достигне няколко десетки хиляди. Съответно броят на сензорите също е голям. Поради това няколко аналогови сензора най-често са свързани към един контролер наведнъж. Разбира се, не няколко хиляди наведнъж, добре е десетки да са различни. Такава връзка е показана на фигура 7.

Фигура 7. Свързване на множество аналогови сензори към контролера

Тази фигура показва как напрежение, подходящо за преобразуване в цифров код, се получава от токов сигнал. Ако има няколко такива сигнала, те не се обработват наведнъж, а са разделени по време, мултиплексирани, в противен случай трябва да се постави отделен АЦП на всеки канал.

За тази цел контролерът има канали за превключване на вериги. Функционалната схема на превключвателя е показана на фигура 8.

Фигура 8. Превключване на аналогови сензорни канали (кликваща се снимка)

Сигналите на токовия контур, преобразувани в напрежение на измервателния резистор (UR1 ... URn), се подават към входа на аналоговия превключвател. Управляващите сигнали последователно предават един от сигналите UR1 ... URn към изхода, които се усилват от усилвателя и се редуват подаващо към входа на ADC. Преобразуваното в цифров код напрежение се подава към контролера.

Схемата, разбира се, е много опростена, но принципът на мултиплексиране в нея е напълно възможно да се разгледа. Ето как е изграден модулът за въвеждане на аналогови сигнали от контролерите MSTS (микропроцесорна система за техническо оборудване), произведени от Смоленския PC Prolog. Появата на MCTC контролера е показана на Фигура 9.

Фигура 9. ICTS контролер

Пускането на такива контролери отдавна е преустановено, въпреки че на места, далеч от най-добрите, тези контролери все още служат. Тези музейни експонати са заменени от контролери на нови модели, основно на вносна (китайска) продукция.

За да свържете 4 ... 20mA токови сензори, се препоръчва да се използва двужилен екраниран кабел с напречно сечение на сърцевината най-малко 0,5 mm2.

Ако контролерът е монтиран в метален шкаф, се препоръчва екраниращите плитки да бъдат свързани към точката на заземяване на шкафа. Дължината на свързващите линии може да достигне повече от два километра, което се изчислява по съответните формули. Няма да разгледаме нищо тук, но повярвайте ми, че е така.

Нови сензори, нови контролери

С появата на нови контролери, нови HART аналогови сензори (Highway Addressable Remote Transducer), което се превежда като "Измерване на преобразувател, адресируем дистанционно чрез багажника".

Изходният сигнал на сензора (полевото устройство) е аналогов токов сигнал в диапазона 4 ... 20 mA, върху който се наслагва честотен модулиран (FSK - Frequency Shift Keying) цифров комуникационен сигнал.

Фигура 10. Изход на аналогов сензор HART

Фигурата показва аналогов сигнал, а около него, подобно на змия, синусоидни бобини. Това е честотно модулиран сигнал.Но това изобщо не е цифров сигнал, той все още трябва да бъде разпознат. На фигурата се забелязва, че честотата на синусоида при предаване на логическа нула е по-висока (2.2KHz), отколкото при предаване на единица (1.2KHz). Предаването на тези сигнали се осъществява чрез ток с амплитуда от синусоидална форма ± 0,5 mA.

Известно е, че средната стойност на синусоидалния сигнал е нула, следователно предаването на цифрова информация не влияе на изходния ток на сензора 4 ... 20 mA. Този режим се използва при настройка на сензори.

HART комуникацията се осъществява по два начина. В първия случай, стандартният, само две устройства могат да обменят информация по двупроводна линия, докато изходният аналогов сигнал 4 ... 20mA зависи от измерената стойност. Този режим се използва при настройка на полеви устройства (сензори).

Във втория случай към двупроводната линия могат да бъдат свързани до 15 сензора, чийто брой се определя от параметрите на комуникационната линия и мощността на захранването. Това е режим с много капки. В този режим всеки сензор има свой собствен адрес в диапазона 1 ... 15, при който управляващото устройство осъществява достъп до него.

Сензорът с адрес 0 е изключен от комуникационната линия. Обменът на данни между сензора и управляващото устройство в многоточков режим се извършва само от честотен сигнал. Сигналът за ток на сензора е фиксиран на необходимото ниво и не се променя.

В случай на многоточкова комуникация под данни се разбират не само действителните резултати от измерванията на контролирания параметър, но и цял набор от всякакъв вид информация за услугата.

На първо място, това са адресите на сензорите, командите за управление, настройките. И цялата тази информация се предава чрез двупроводни комуникационни линии. Но възможно ли е да се отървете от тях? Вярно е, че това трябва да се прави внимателно, само в случаите, когато безжичната връзка не може да повлияе на сигурността на контролирания процес.

Оказва се, че можете да се отървете от проводниците. Още през 2007 г. беше публикуван WirelessHART Standard, предавателният носител е нелицензирана честота от 2,4 GHz, която работи на много компютърни безжични устройства, включително безжични локални мрежи. Следователно, WirelessHART устройства могат да се използват без ограничения. Фигура 11 показва безжичната мрежа WirelessHART.

Фигура 11. Безжичен WirelessHART

Тези технологии замениха стария аналогов контур на тока. Но тя не се отказва от позицията си, тя се използва широко, когато е възможно.

Борис Аладишкин