Czujniki analogowe: zastosowanie, metody podłączenia do sterownika

W procesie automatyzacji procesów technologicznych do sterowania mechanizmami i zespołami należy zmierzyć się z pomiarami różnych wielkości fizycznych. Może to być temperatura, ciśnienie i szybkość przepływu cieczy lub gazu, prędkość obrotowa, natężenie światła, informacje o położeniu części mechanizmów i wiele innych. Informacje te są uzyskiwane za pomocą czujników. Tutaj najpierw o pozycji części mechanizmów.

Czujniki dyskretne

Najprostszym czujnikiem jest normalny kontakt mechaniczny: drzwi były otwarte - styk otwarty, zamknięty - zamknięty. Taki prosty czujnik, a także powyższy algorytm działania, często stosowany w alarmach bezpieczeństwa. W przypadku mechanizmu z ruchem translacyjnym, który ma dwa położenia, na przykład zawór wodny, potrzebne są dwa styki: jeden styk jest zamknięty - zawór jest zamknięty, drugi jest zamknięty - zamknięty.

Bardziej złożony algorytm translacyjny ma mechanizm zamykania termoplastycznej maszyny do formowania. Początkowo forma jest otwarta, jest to pozycja początkowa. W tej pozycji gotowe produkty są usuwane z formy. Następnie pracownik zamyka ogrodzenie ochronne i forma zaczyna się zamykać, rozpoczyna się nowy cykl pracy.

Odległość między połówkami formy jest dość duża. Dlatego na początku forma porusza się szybko i na pewną odległość, aż połówki zostaną zamknięte, przyczepa zostaje uruchomiona, prędkość ruchu jest znacznie zmniejszona, a forma płynnie się zamyka.

Ten algorytm pozwala uniknąć uderzenia podczas zamykania formy, w przeciwnym razie można ją po prostu posiekać na małe kawałki. Ta sama zmiana prędkości występuje po otwarciu formy. Tutaj dwa czujniki kontaktowe nie mogą tego zrobić.

Zatem czujniki oparte na styku są dyskretne lub binarne, mają dwie pozycje, zamknięte - otwarte lub 1 i 0. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że zdarzenie miało miejsce lub nie. W powyższym przykładzie styki „wychwytują” kilka punktów: początek ruchu, punkt zmniejszenia prędkości, koniec ruchu.

W geometrii punkt nie ma wymiarów, tylko punkt i to wszystko. Może być albo (na kartce papieru, na trajektorii ruchu, jak w naszym przypadku), albo po prostu nie istnieje. Dlatego do wykrywania punktów służą czujniki dyskretne. Może porównanie z punktem tutaj nie jest zbyt odpowiednie, ponieważ dla celów praktycznych wykorzystują wartość dokładności czujnika dyskretnego, a dokładność ta jest czymś więcej niż punktem geometrycznym.

Ale sam kontakt mechaniczny jest zawodny. Dlatego tam, gdzie to możliwe, styki mechaniczne są zastępowane przez czujniki zbliżeniowe. Najprostszą opcją jest kontaktron: magnes jest zamknięty, styk jest zamknięty. Dokładność działania kontaktronu pozostawia wiele do życzenia, przy użyciu takich czujników służy tylko do określenia położenia drzwi.

Bardziej złożoną i dokładną opcję należy uznać za różnorodne czujniki zbliżeniowe. Jeśli metalowa flaga weszła do szczeliny, czujnik zadziałał. Jako przykład takich czujników można podać czujniki BVK (bezdotykowy wyłącznik krańcowy) różnych serii. Dokładność działania (różnica skoków) takich czujników wynosi 3 milimetry.

Rysunek 1. Czujnik serii BVK

Napięcie zasilania czujników BVK wynosi 24 V, prąd obciążenia wynosi 200 mA, co wystarcza do podłączenia przekaźników pośrednich w celu dalszej koordynacji z obwodem sterującym. W ten sposób czujniki BVK są wykorzystywane w różnych urządzeniach.

Oprócz czujników BVK stosowane są również czujniki typu BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Każda seria ma kilka rodzajów czujników, oznaczonych cyframi, na przykład BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Wszystkie wspomniane czujniki są bezkontaktowe, dyskretne, ich głównym celem jest określenie położenia części mechanizmów i zespołów. Oczywiście tych czujników jest znacznie więcej; nie można opisać ich wszystkich w jednym artykule. Różne czujniki kontaktowe są nadal bardziej popularne i nadal znajdują szerokie zastosowanie.

Zastosowanie czujników analogowych

Oprócz czujników dyskretnych w systemach automatyki szeroko stosowane są czujniki analogowe. Ich celem jest uzyskanie informacji o różnych wielkościach fizycznych, i to nie tylko tak, ale w czasie rzeczywistym. Dokładniej, konwersja wielkości fizycznej (ciśnienie, temperatura, oświetlenie, przepływ, napięcie, prąd) na sygnał elektryczny odpowiedni do transmisji przez linie komunikacyjne do sterownika i jego dalsze przetwarzanie.

Czujniki analogowe są zwykle umieszczone dość daleko od kontrolera, dlatego często się nazywa urządzenia terenowe. Termin ten jest często używany w literaturze technicznej.

Czujnik analogowy zwykle składa się z kilku części. Najważniejszą częścią jest element wrażliwy - czujnik. Jego celem jest przekształcenie zmierzonej wartości na sygnał elektryczny. Ale sygnał odbierany z czujnika jest zwykle niewielki. Aby uzyskać sygnał odpowiedni do wzmocnienia, czujnik jest najczęściej zawarty w obwodzie mostkowym - Most Wheatstone'a.

Ryc. 2. Most Wheatstone'a

Początkowym celem obwodu mostkowego jest dokładny pomiar rezystancji. Źródło prądu stałego jest podłączone do przekątnej mostu AD. Wrażliwy galwanometr z punktem środkowym, z zero w środku skali, jest podłączony do innej przekątnej. Aby zmierzyć rezystancję rezystora Rx, obracając rezystor przycinający R2, zrównoważyć mostek, ustawić wskaźnik galwanometru na zero.

Odchylenie strzałki urządzenia w jednym lub drugim kierunku pozwala określić kierunek obrotu rezystora R2. Wartość zmierzonej rezystancji określa się w skali połączonej z uchwytem rezystora R2. Warunkiem równowagi mostka jest równość stosunków R1 / R2 i Rx / R3. W tym przypadku pomiędzy punktami BC uzyskuje się zerową różnicę potencjałów, a prąd nie przepływa przez galwanometr V.

Rezystancja rezystorów R1 i R3 jest dobierana bardzo dokładnie, ich rozrzut powinien być minimalny. Tylko w tym przypadku nawet niewielka nierównowaga mostka powoduje zauważalną zmianę napięcia przekątnej BC. Ta właściwość mostu służy do łączenia wrażliwych elementów (czujników) różnych czujników analogowych. Cóż, więc wszystko jest proste, kwestia technologii.

Aby wykorzystać sygnał otrzymany z czujnika, wymagane jest dalsze przetwarzanie, - wzmocnienie i konwersja na sygnał wyjściowy odpowiedni do transmisji i przetwarzania przez obwód sterujący - kontroler. Najczęściej sygnałem wyjściowym czujników analogowych jest prąd (analogowa pętla prądowa), rzadziej napięcie.

Dlaczego właśnie prąd? Faktem jest, że stopnie wyjściowe czujników analogowych oparte są na źródłach prądu. Pozwala to pozbyć się wpływu na sygnał wyjściowy rezystancji linii łączących, aby użyć linii łączących o dużej długości.

Dalsza konwersja jest dość prosta. Sygnał prądowy jest przekształcany na napięcie, dla którego wystarczy przepuścić prąd przez rezystor o znanej rezystancji. Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym uzyskuje się zgodnie z prawem Ohma U = I * R.

Na przykład, dla prądu 10 mA na rezystorze o rezystancji 100 Ohm, dostajesz napięcie 10 * 100 = 1000mV, dokładnie jest cały 1 wolt! W takim przypadku prąd wyjściowy czujnika nie zależy od rezystancji przewodów łączących. Oczywiście w rozsądnych granicach.

Podłączenie czujników analogowych

Napięcie odbierane przez rezystor pomiarowy można łatwo przekształcić do postaci cyfrowej odpowiedniej do wprowadzenia do sterownika. Konwersja odbywa się za pomocą przetworniki analogowo-cyfrowe ADC.

Dane cyfrowe są przesyłane do sterownika w postaci kodu szeregowego lub równoległego.Wszystko zależy od konkretnego obwodu przełączającego. Uproszczony schemat połączeń czujnika analogowego pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Podłączanie czujnika analogowego (kliknij obraz, aby powiększyć)

Siłowniki są podłączone do sterownika lub sam sterownik jest podłączony do komputera, który jest częścią systemu automatyki.

Oczywiście czujniki analogowe mają wykończoną konstrukcję, której jednym z elementów jest obudowa z elementami łączącymi. Jako przykład, rysunek 4 pokazuje wygląd czujnika ciśnienia manometru typu Probe-10.

Rysunek 4. Czujnik nadciśnienia czujnika Sonda-10

Na dole czujnika widać gwint łączący do podłączenia do rurociągu, a po prawej stronie pod czarną osłoną znajduje się złącze do podłączenia linii komunikacyjnej z kontrolerem.

Połączenie gwintowe jest uszczelnione podkładką wykonaną z wyżarzonej miedzi (wchodzi w zakres dostawy czujnika) i w żadnym wypadku nie jest nawinięte z taśmy fum lub płótna. Odbywa się to tak, aby podczas instalowania czujnika nie deformować elementu czujnika znajdującego się wewnątrz.

Wyjścia czujnika analogowego

Zgodnie ze standardami istnieją trzy zakresy sygnałów prądowych: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA i 4 ... 20 mA. Jaka jest ich różnica i jakie są funkcje?

Najczęściej zależność prądu wyjściowego jest wprost proporcjonalna do mierzonej wartości, na przykład im wyższe ciśnienie w rurze, tym większy prąd na wyjściu czujnika. Chociaż czasami stosuje się odwrotne przełączanie: większa wartość prądu wyjściowego odpowiada minimalnej wartości mierzonej wartości na wyjściu czujnika. Wszystko zależy od rodzaju zastosowanego kontrolera. Niektóre czujniki nawet przełączają się z bezpośredniego na odwrotne.

Sygnał wyjściowy w zakresie 0 ... 5 mA jest bardzo mały, a zatem podlega zakłóceniom. Jeśli sygnał takiego czujnika waha się przy stałej wartości mierzonego parametru, to znaczy zaleca się zainstalowanie kondensatora o pojemności 0,1 ... 1 μF równolegle do wyjścia czujnika. Bardziej stabilny jest sygnał prądowy w zakresie 0 ... 20mA.

Ale oba te zakresy nie są dobre, ponieważ zero na początku skali nie pozwala nam jednoznacznie określić, co się stało. Czy może zmierzony sygnał rzeczywiście osiągnął poziom zerowy, co jest w zasadzie możliwe, czy po prostu linia komunikacyjna została odcięta? Dlatego starają się zrezygnować z używania tych zakresów, jeśli to możliwe.

Sygnał czujników analogowych o prądzie wyjściowym w zakresie 4 ... 20 mA jest uważany za bardziej niezawodny. Jego odporność na zakłócenia jest dość wysoka, a dolna granica, nawet jeśli mierzony sygnał ma poziom zerowy, wyniesie 4 mA, co pozwala nam powiedzieć, że linia komunikacyjna nie jest zerwana.

Kolejną dobrą cechą zakresu 4 ... 20mA jest to, że czujniki można podłączyć tylko dwoma przewodami, ponieważ sam czujnik jest zasilany tym prądem. Jest to jego pobór prądu i jednocześnie sygnał pomiarowy.

Źródło zasilania czujników w zakresie 4 ... 20 mA jest włączone, jak pokazano na rysunku 5. Jednocześnie czujniki Zond-10, podobnie jak wiele innych, mają szeroki zakres napięcia zasilania 10 ... 38 V zgodnie z paszportem, chociaż są one najczęściej używane ustabilizowane źródła o napięciu 24 V.

Rysunek 5. Podłączanie czujnika analogowego z zewnętrznym źródłem zasilania

Na tym schemacie znajdują się następujące elementy i notacja. Rш jest rezystorem bocznika pomiarowego, Rl1 i Rl2 to rezystancje linii komunikacyjnych. Aby zwiększyć dokładność pomiaru, jako Rш należy zastosować precyzyjny rezystor pomiarowy. Przepływ prądu ze źródła zasilania jest wskazywany przez strzałki.

Łatwo zauważyć, że prąd wyjściowy źródła zasilania przechodzi z zacisku + 24 V, przez linię Rl1 dociera do zacisku czujnika + AO2, przechodzi przez czujnik i przez zacisk wyjściowy czujnika - AO2, linię łączącą Rl2, rezystor Rш wraca do zacisku zasilania -24V. Wszystko, obwód jest zamknięty, płynie prąd.

Jeśli kontroler zawiera zasilanie 24 V, wówczas możliwe jest podłączenie czujnika lub przetwornika pomiarowego zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 6.

Rysunek 6. Podłączanie czujnika analogowego do sterownika z wewnętrznym źródłem zasilania

Ten schemat pokazuje inny element - opornik balastowy Rb. Jego celem jest ochrona rezystora pomiarowego, gdy linia komunikacyjna jest zamknięta lub w przypadku awarii czujnika analogowego. Instalacja rezystora RB jest opcjonalna, choć pożądana.

Oprócz różnych czujników, przetworniki pomiarowe, które są często stosowane w systemach automatyki, mają również prąd wyjściowy.

Przetwornik pomiarowy - urządzenie do konwersji poziomów napięcia, na przykład 220 V lub prądu kilkudziesięciu lub setek amperów na sygnał prądowy 4 ... 20 mA. Tutaj poziom sygnału elektrycznego jest po prostu przekształcany, a nie reprezentacja pewnej wielkości fizycznej (prędkości, prędkości przepływu, ciśnienia) w postaci elektrycznej.

Ale jedyny czujnik z reguły nie wystarczy. Jednym z najbardziej popularnych pomiarów są pomiary temperatury i ciśnienia. Liczba takich punktów we współczesnej produkcji może osiągnąć kilkadziesiąt tysięcy. W związku z tym liczba czujników jest również duża. Dlatego kilka czujników analogowych jest najczęściej podłączanych jednocześnie do jednego kontrolera. Oczywiście, nie kilka tysięcy na raz, dobrze, jeśli tuzin jest inny. Takie połączenie pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7. Podłączanie wielu czujników analogowych do sterownika

Ten rysunek pokazuje, w jaki sposób napięcie odpowiednie do konwersji na kod cyfrowy jest uzyskiwane z sygnału prądowego. Jeśli jest kilka takich sygnałów, to nie są one przetwarzane wszystkie naraz, ale są rozdzielane czasowo, multipleksowane, w przeciwnym razie osobny ADC musiałby zostać umieszczony na każdym kanale.

W tym celu sterownik ma kanały przełączające obwód. Schemat działania przełącznika pokazano na rysunku 8.

Rysunek 8. Przełącznik kanałów czujnika analogowego (klikalny obraz)

Sygnały pętli prądowej przetworzone na napięcie na rezystorze pomiarowym (UR1 ... URn) są podawane na wejście przełącznika analogowego. Sygnały sterujące na przemian przechodzą jeden z sygnałów UR1 ... URn, które są wzmacniane przez wzmacniacz i są naprzemiennie doprowadzane do wejścia ADC. Napięcie zamienione na kod cyfrowy jest dostarczane do sterownika.

Schemat jest oczywiście bardzo uproszczony, ale można w nim rozważyć zasadę multipleksowania. Tak powstał moduł do wprowadzania sygnałów analogowych ze sterowników MSTS (mikroprocesorowy system sprzętowy) zbudowany przez Prolog PC Smoleńsk. Wygląd kontrolera MCTC pokazano na rysunku 9.

Rysunek 9. Kontroler ICTS

Wydanie takich kontrolerów już dawno zostało przerwane, chociaż w niektórych miejscach dalekich od najlepszych kontrolery te nadal służą. Te eksponaty muzealne zostały zastąpione kontrolerami nowych modeli, głównie produkcji importowanej (chińskiej).

Do podłączenia czujników prądowych 4 ... 20mA zaleca się stosowanie dwużyłowego kabla ekranowanego o przekroju rdzenia co najmniej 0,5 mm2.

Jeśli kontroler jest zamontowany w metalowej szafce, zaleca się podłączenie oplotów ekranujących do punktu uziemienia szafy. Długość linii łączących może osiągnąć więcej niż dwa kilometry, co jest obliczane na podstawie odpowiednich wzorów. Nie będziemy tu niczego rozważać, ale wierzcie mi, że tak jest.

Nowe czujniki, nowe sterowniki

Wraz z pojawieniem się nowych kontrolerów nowe czujniki analogowe HART (Highway Addressable Remote Transducer), co tłumaczy się jako „Przetwornik pomiarowy adresowalny zdalnie przez bagażnik”.

Sygnał wyjściowy czujnika (urządzenie polowe) jest analogowym sygnałem prądowym w zakresie 4 ... 20 mA, na który nakłada się cyfrowy sygnał komunikacyjny o modulowanej częstotliwości (FSK - Frequency Shift Keying).

Rysunek 10. Wyjście czujnika analogowego HART

Na rysunku pokazano sygnał analogowy, a wokół niego, niczym wąż, cewki sinusoidalne. Jest to sygnał modulowany częstotliwościowo.Ale to wcale nie jest sygnał cyfrowy, trzeba go jeszcze rozpoznać. Na rysunku widać, że częstotliwość sinusoidy podczas przesyłania zera logicznego jest wyższa (2,2 kHz) niż podczas przesyłania jednostki (1,2 kHz). Przekazywanie tych sygnałów odbywa się prądem o amplitudzie sinusoidalnej o amplitudzie ± 0,5 mA.

Wiadomo, że średnia wartość sygnału sinusoidalnego wynosi zero, dlatego transmisja informacji cyfrowej nie wpływa na prąd wyjściowy czujnika 4 ... 20 mA. Ten tryb jest używany podczas konfigurowania czujników.

Komunikacja HART odbywa się na dwa sposoby. W pierwszym przypadku standardem tylko dwa urządzenia mogą wymieniać informacje za pomocą linii dwuprzewodowej, podczas gdy wyjściowy sygnał analogowy 4 ... 20mA zależy od zmierzonej wartości. Ten tryb jest używany podczas konfigurowania urządzeń obiektowych (czujników).

W drugim przypadku do linii dwuprzewodowej można podłączyć do 15 czujników, których liczba zależy od parametrów linii komunikacyjnej i mocy zasilacza. To jest tryb wielokrotnego upuszczania. W tym trybie każdy czujnik ma swój własny adres z zakresu 1 ... 15, pod którym urządzenie sterujące ma do niego dostęp.

Czujnik o adresie 0 jest odłączony od linii komunikacyjnej. Wymiana danych między czujnikiem a urządzeniem sterującym w trybie wielopunktowym odbywa się tylko za pomocą sygnału częstotliwości. Sygnał prądowy czujnika jest ustalony na wymaganym poziomie i nie zmienia się.

W przypadku komunikacji wielopunktowej dane oznaczają nie tylko rzeczywiste wyniki pomiarów kontrolowanego parametru, ale także cały zestaw wszelkiego rodzaju informacji serwisowych.

Przede wszystkim są to adresy czujników, poleceń sterujących, ustawień. Wszystkie te informacje są przesyłane dwuprzewodowymi liniami komunikacyjnymi. Ale czy można się ich pozbyć? To prawda, że ​​należy to zrobić ostrożnie, tylko w tych przypadkach, gdy połączenie bezprzewodowe nie może wpłynąć na bezpieczeństwo kontrolowanego procesu.

Okazuje się, że możesz pozbyć się drutów. Już w 2007 roku opublikowano Standard WirelessHART, medium transmisyjnym jest nielicencjonowana częstotliwość 2,4 GHz, która działa na wielu komputerowych urządzeniach bezprzewodowych, w tym na bezprzewodowych sieciach lokalnych. Dlatego urządzeń WirelessHART można używać bez żadnych ograniczeń. Rysunek 11 pokazuje sieć bezprzewodową WirelessHART.

Rysunek 11. Wireless WirelessHART

Technologie te zastąpiły starą analogową pętlę prądową. Ale nie rezygnuje ze swojej pozycji, jest szeroko stosowana wszędzie tam, gdzie to możliwe.

Boris Aladyshkin