kategória: Najlepšie články » Začiatočníci elektrikári
Počet zobrazení: 166 352
Komentáre k článku: 4
Analógové senzory: použitie, spôsoby pripojenia k ovládaču
V procese automatizácie technologických procesov na riadenie mechanizmov a zostáv je potrebné zaoberať sa meraním rôznych fyzikálnych veličín. Môže to byť teplota, tlak a prietok kvapaliny alebo plynu, rýchlosť rotácie, intenzita svetla, informácie o polohe častí mechanizmov a oveľa viac. Táto informácia sa získa pomocou senzorov. Tu najskôr o polohe častí mechanizmu.
Diskrétne senzory
Najjednoduchším senzorom je normálny mechanický kontakt: dvere sa otvorili - kontakt sa otvoril, zatvoril - zatvoril. Taký jednoduchý snímač, rovnako ako vyššie uvedený algoritmus činnosti, často používa sa v bezpečnostných poplachoch, Pre mechanizmus s translačným pohybom, ktorý má dve polohy, napríklad vodný ventil, sú potrebné dva kontakty: jeden kontakt je zatvorený - ventil je zatvorený, druhý je zatvorený - zatvorený.
Zložitejší translačný algoritmus má mechanizmus na uzatváranie termoplastického formovacieho stroja. Forma je spočiatku otvorená, to je východisková poloha. V tejto polohe sú hotové výrobky z formy odstránené. Ďalej pracovník zatvorí ochranný plot a forma sa začne zatvárať, začína nový pracovný cyklus.
Vzdialenosť medzi polovicami formy je pomerne veľká. Preto sa forma najprv pohybuje rýchlo a v určitej vzdialenosti, kým sa polovice nezatvoria, nespustí príves, rýchlosť pohybu sa výrazne zníži a forma sa plynulo uzavrie.
Tento algoritmus vám umožňuje vyhnúť sa úderu pri zatváraní formy, inak sa dá jednoducho nasekať na malé kúsky. Rovnaká zmena rýchlosti nastane aj pri otvorení formy. Tu nemôžu dva kontaktné senzory urobiť.
Senzory na základe kontaktu sú teda diskrétne alebo binárne, majú dve polohy, zatvorené - otvorené alebo 1 a 0. Inými slovami môžeme povedať, že k udalosti došlo alebo nie. Vo vyššie uvedenom príklade je kontaktmi „zachytených“ niekoľko bodov: začiatok pohybu, bod zníženia rýchlosti, koniec pohybu.
V geometrii nemá bod žiadne rozmery, iba bod a to je všetko. Môže to byť (na kus papiera, v trajektórii pohybu, ako v našom prípade), alebo jednoducho neexistuje. Preto sa na zisťovanie bodov používajú diskrétne snímače. Možno porovnanie s bodom tu nie je príliš vhodné, pretože na praktické účely používajú hodnotu presnosti diskrétneho snímača a táto presnosť je oveľa viac ako geometrický bod.
Samotný mechanický kontakt je však nespoľahlivá. Preto sa všade tam, kde je to možné, mechanické kontakty nahrádzajú bezdotykové senzory. Najjednoduchšou možnosťou je jazýčkový spínač: magnet je blízko, kontakt je zatvorený. Presnosť činnosti jazýčkového spínača zostáva veľmi žiadúca, použitie takýchto senzorov je len na určenie polohy dverí.
Komplexnejšia a presnejšia možnosť by sa mala považovať za rôzne senzory priblíženia. Ak do otvoru vnikla kovová vlajka, potom senzor pracoval. Ako príklad takýchto senzorov je možné uviesť senzory BVK (bezkontaktný koncový spínač) rôznych sérií. Presnosť činnosti (rozdiel zdvihu) takýchto snímačov je 3 milimetre.
Obrázok 1. Senzor série BVK
Napájacie napätie snímačov BVK je 24 V, záťažový prúd je 200 mA, čo je dosť na pripojenie medziobvodov pre ďalšiu koordináciu s riadiacim obvodom. Takto sa snímače BVK používajú v rôznych zariadeniach.
Okrem snímačov BVK sa používajú aj snímače typu BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Každá séria má niekoľko typov senzorov označených číslami, napríklad BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Všetky uvedené senzory sú nekontaktné diskrétne, ich hlavným účelom je určovať polohu častí mechanizmov a zostáv. Prirodzene, existuje viac týchto senzorov, o všetkých nie je možné písať v jednom článku. Rôzne kontaktné senzory sú stále bežnejšie a stále sa často používajú.
Použitie analógových snímačov
Popri diskrétnych senzoroch v automatizačných systémoch sa široko používajú aj analógové senzory. Ich účelom je získavať informácie o rôznych fyzikálnych veličinách, a to nielen vôbec, ale v reálnom čase. Presnejšie povedané, premena fyzikálnej veličiny (tlak, teplota, osvetlenie, prietok, napätie, prúd) na elektrický signál vhodný na prenos cez komunikačné vedenia k riadiacemu zariadeniu a jeho ďalšie spracovanie.
Analógové senzory sú obvykle umiestnené pomerne ďaleko od ovládača, preto sa často volajú poľné zariadenia, Tento výraz sa často používa v technickej literatúre.
Analógový snímač sa zvyčajne skladá z niekoľkých častí. Najdôležitejšou časťou je citlivý prvok - senzor, Jeho účelom je prevádzať nameranú hodnotu na elektrický signál. Signál prijatý zo senzora je zvyčajne malý. Na získanie signálu vhodného na zosilnenie je senzor najčastejšie zahrnutý v premosťovacom obvode - Wheatstone Bridge.
Obrázok 2. Wheatstone Bridge
Počiatočným účelom mostného obvodu je presné meranie odporu. DC zdroj je pripojený k uhlopriečke AD mosta. Citlivý galvanometer so stredom, s nulou v strede stupnice, je spojený s inou uhlopriečkou. Ak chcete zmerať odpor rezistora Rx otáčaním rezacieho odporu R2, vyrovnajte mostík a nastavte ukazovateľ galvanometra na nulu.
Odchýlka od šípky zariadenia v jednom alebo druhom smere umožňuje určiť smer otáčania rezistora R2. Hodnota zmeraného odporu sa stanoví na stupnici kombinovanej s rukoväťou rezistora R2. Rovnovážna podmienka pre mostík je rovnosť pomerov R1 / R2 a Rx / R3. V tomto prípade sa medzi bodmi BC získa nulový potenciálový rozdiel a prúd netečie galvanometrom V.
Odpor rezistorov R1 a R3 je zvolený veľmi presne, ich šírenie by malo byť minimálne. Iba v tomto prípade dokonca aj malá nerovnováha mosta spôsobuje výraznú zmenu napätia uhlopriečky BC. Táto vlastnosť mosta sa používa na pripojenie citlivých prvkov (snímačov) rôznych analógových snímačov. Potom je všetko jednoduché, záležitosť technológie.
Na použitie signálu prijatého zo snímača je potrebné ďalšie spracovanie, - zosilnenie a konverzia na výstupný signál vhodný na prenos a spracovanie riadiacim obvodom - ovládač, Výstupným signálom analógových snímačov je najčastejšie prúd (slučka analógového prúdu), menej často napätie.
Prečo presne ten aktuálny? Faktom je, že výstupné fázy analógových snímačov sú založené na prúdových zdrojoch. To vám umožní zbaviť sa vplyvu výstupných signálov odporu spojovacích vedení, použiť spojovacie vedenia veľkej dĺžky.
Ďalšia konverzia je pomerne jednoduchá. Prúdový signál sa prevádza na napätie, pre ktoré stačí prejsť prúd odporom so známym odporom. Pokles napätia cez merací odpor sa získa podľa Ohmovho zákona U = I * R.
Napríklad pre prúd 10 mA na odpore s odporom 100 ohmov získate napätie 10 x 100 = 1 000 mV, je tu celkom 1 volt! V tomto prípade výstupný prúd snímača nezávisí od odporu spojovacích vodičov. V rozumných medziach, samozrejme.
Pripojenie analógových snímačov
Napätie prijaté na meracom odpore sa dá ľahko previesť na digitálnu formu vhodnú na vstup do ovládača. Konverzia sa vykonáva pomocou analógovo-digitálne prevodníky ADC.
Digitálne údaje sa prenášajú do kontroléra v sériovom alebo paralelnom kóde.Všetko záleží na konkrétnom spínacom obvode. Zjednodušená schéma zapojenia analógového snímača je znázornená na obrázku 3.
Obrázok 3. Pripojenie analógového snímača (kliknutím na obrázok ho zväčšíte)
Ovládače sú pripojené k regulátoru alebo samotný ovládač je pripojený k počítaču, ktorý je súčasťou automatizačného systému.
Analógové snímače majú, samozrejme, hotový dizajn, ktorého jedným z prvkov je puzdro so spojovacími prvkami. Ako príklad je na obrázku 4 znázornený vzhľad snímača tlaku manometra typu Probe-10.
Obrázok 4. Senzor pretlaku sondy-10
V spodnej časti senzora vidíte spojovací závit na pripojenie k potrubiu a vpravo pod čiernym krytom je konektor na spojenie komunikačnej linky s ovládačom.
Závitové spojenie je utesnené podložkou vyrobenou z žíhanej medi (je súčasťou dodávky senzora) a v žiadnom prípade sa nepoužíva na navíjanie z dymovej pásky alebo ľanu. Je to tak, že pri inštalácii senzora nedeformujte senzorový prvok umiestnený vo vnútri.
Výstupy analógového snímača
Podľa noriem existujú tri rozsahy prúdových signálov: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA a 4 ... 20 mA. Aký je ich rozdiel a aké sú vlastnosti?
Závislosť výstupného prúdu je najčastejšie priamo úmerná nameranej hodnote, napríklad čím vyšší je tlak v potrubí, tým väčší je prúd na výstupe zo snímača. Aj keď sa niekedy používa inverzné spínanie: väčšia hodnota výstupného prúdu zodpovedá minimálnej hodnote nameranej hodnoty na výstupe zo senzora. Všetko záleží na type použitého ovládača. Niektoré senzory dokonca prepínajú z priameho na inverzný.
Výstupný signál v rozsahu 0 ... 5 mA je veľmi malý, a preto podlieha rušeniu. Ak signál takého senzora kolíše pri konštantnej hodnote meraného parametra, to znamená, odporúča sa nainštalovať kondenzátor s kapacitou 0,1 ... 1 μF rovnobežne s výstupom zo senzora. Stabilnejší je prúdový signál v rozsahu 0 ... 20 mA.
Obidva tieto rozsahy však nie sú dobré, pretože nula na začiatku stupnice nám neumožňuje jednoznačne určiť, čo sa stalo. Alebo meraný signál vlastne dosiahol nulovú hladinu, čo je v zásade možné, alebo jednoducho bola prerušená komunikačná linka? Preto sa pokúšajú upustiť od používania týchto rozsahov, ak je to možné.
Signál analógových snímačov s výstupným prúdom v rozsahu 4 ... 20 mA sa považuje za spoľahlivejší. Jeho odolnosť voči šumu je pomerne vysoká a dolná hranica, aj keď meraný signál má nulovú hladinu, bude 4 mA, čo nám umožňuje povedať, že komunikačná linka nie je prerušená.
Ďalšou dobrou vlastnosťou radu 4 ... 20 mA je, že senzory môžu byť pripojené iba dvoma vodičmi, pretože samotný senzor je napájaný týmto prúdom. Je to jeho aktuálna spotreba a zároveň merací signál.
Napájací zdroj pre senzory v rozsahu 4 ... 20 mA je zapnutý, ako je znázornené na obrázku 5. Zároveň majú snímače Zond-10, ako mnoho iných, podľa pasu širokú škálu napájacieho napätia 10 ... 38 V, hoci sa najčastejšie používajú. stabilizované zdroje s napätím 24V.
Obrázok 5. Pripojenie analógového snímača s externým zdrojom napájania
V tomto diagrame sú uvedené nasledujúce prvky a zápis. Rш je odpor meracieho skratu, Rl1 a Rl2 sú odpory komunikačných vedení. Na zvýšenie presnosti merania by sa mal ako Rш použiť presný merací odpor. Prúd prúdu zo zdroja energie je označený šípkami.
Je ľahké vidieť, že výstupný prúd zdroja energie prechádza z terminálu + 24 V, cez vedenie Rl1 dosahuje terminál senzora + AO2, prechádza senzorom a cez výstupný terminál senzora - AO2, pripájacie vedenie Rl2, odpor Rш sa vracia na napájací terminál -24V. Všetko je uzavreté, prúd tečie.
Ak riadiaca jednotka obsahuje napájanie 24 V, potom je možné zapojiť snímač alebo merací prevodník podľa schémy znázornenej na obrázku 6.
Obrázok 6. Pripojenie analógového senzora k regulátoru s vnútorným zdrojom energie
Tento diagram zobrazuje ďalší prvok - predradný odpor Rb. Jeho účelom je chrániť merací odpor pri zatvorenej komunikačnej linke alebo pri poruche analógového snímača. Inštalácia odporu RB je voliteľná, hoci je to žiaduce.
Okrem rôznych snímačov majú meracie prevodníky, ktoré sa často používajú v automatizačných systémoch, aj prúdový výstup.
Merací prevodník - zariadenie na konverziu napäťových úrovní, napríklad 220 V alebo prúd niekoľkých desiatok alebo stoviek ampérov, na prúdový signál 4 ... 20 mA. Tu je hladina elektrického signálu jednoducho transformovaná a nie je to reprezentácia určitej fyzikálnej veličiny (rýchlosť, prietok, tlak) v elektrickej forme.
Jediným senzorom však spravidla nestačí. Jedným z najpopulárnejších meraní sú merania teploty a tlaku. Počet takýchto miest v modernej výrobe môže dosiahnuť niekoľko desiatok tisíc. Podobne je tiež veľký počet senzorov. Preto je niekoľko analógových snímačov najčastejšie pripojených k jednému regulátoru súčasne. Samozrejme, nie niekoľko tisíc naraz, je dobré, ak sa tucet líši. Takéto spojenie je znázornené na obr.
Obrázok 7. Pripojenie viacerých analógových snímačov k ovládaču
Tento obrázok ukazuje, ako sa napätím vhodným na konverziu na digitálny kód získa prúdový signál. Ak existuje niekoľko takýchto signálov, nespracovávajú sa naraz, ale sú oddelené časom, multiplexované, inak by sa na každý kanál musel umiestniť samostatný ADC.
Na tento účel má riadiaca jednotka kanály na prepínanie okruhov. Funkčná schéma prepínača je znázornená na obrázku 8.
Obrázok 8. Prepínač kanálov analógových snímačov (obrázok, na ktorý sa dá kliknúť)
Signály prúdovej slučky, prevedené na napätie na meracom odpore (UR1 ... URn), sa privádzajú na vstup analógového spínača. Riadiace signály striedavo prechádzajú jedným zo signálov UR1 ... URn, ktoré sú zosilnené zosilňovačom a sú striedavo privádzané na vstup ADC. Napätie prevedené na digitálny kód sa dodáva do regulátora.
Schéma je samozrejme veľmi zjednodušená, je však možné zvážiť zásadu multiplexovania. Takto bol zostavený modul na vstup analógových signálov z radičov MSTS (mikroprocesorový systém hardvéru), ktorý bol zostavený počítačom Prolog Smolensk. Vzhľad ovládača MCTC je znázornený na obrázku 9.
Obrázok 9. Ovládač ICTS
Vydávanie takýchto radičov bolo už dlho prerušené, aj keď na niektorých miestach, zďaleka najlepších, tieto kontroléry stále slúžia. Tieto exponáty múzea nahrádzajú kontrolóri nových modelov, najmä dovážanej (čínskej) výroby.
Na pripojenie prúdových snímačov 4 ... 20 mA sa odporúča použiť dvojžilový tienený kábel s prierezom jadra najmenej 0,5 mm2.
Ak je ovládač namontovaný v kovovej skrinke, odporúča sa, aby ste k uzemňovaciemu bodu skrinky pripojili tienené opletenie. Dĺžka spojovacích vedení môže dosiahnuť viac ako dva kilometre, čo sa vypočíta podľa príslušných vzorcov. Nebudeme tu brať ohľad na nič, ale verte mi, že je to tak.
Nové senzory, nové ovládače
S príchodom nových regulátorov nové analógové senzory HART (Diaľkový adresovateľný diaľkový prevodník), ktorý sa prekladá ako „Meranie prevodníka adresovateľného na diaľku prostredníctvom kufra“.
Výstupným signálom snímača (poľného zariadenia) je analógový prúdový signál v rozsahu 4 ... 20 mA, na ktorý sa prekrýva signál digitálnej komunikácie s frekvenčným modulovaním (FSK - Frequency Shift Keying).
Obrázok 10. Výstup analógového snímača HART
Obrázok ukazuje analógový signál a okolo neho, ako had, sínusoidy. Toto je frekvenčne modulovaný signál.To však vôbec nie je digitálny signál, musí sa ešte rozpoznať. Na obrázku je viditeľné, že frekvencia sínusovej vlny pri vysielaní logickej nuly je vyššia (2,2 kHz) ako pri vysielaní jednotky (1,2 kHz). Prenos týchto signálov sa uskutočňuje prúdom s amplitúdou ± 0,5 mA sínusového tvaru.
Je známe, že priemerná hodnota sínusového signálu je nula, preto prenos digitálnej informácie neovplyvňuje výstupný prúd snímača 4 ... 20 mA. Tento režim sa používa pri nastavovaní snímačov.
Komunikácia HART prebieha dvoma spôsobmi. V prvom prípade môžu štandardne iba dve zariadenia vymieňať informácie na dvojvodičovom vedení, zatiaľ čo výstupný analógový signál 4 ... 20mA závisí od nameranej hodnoty. Tento režim sa používa pri nastavovaní prevádzkových zariadení (snímačov).
V druhom prípade môže byť k dvojvodičovému vedeniu pripojených až 15 senzorov, ktorých počet je určený parametrami komunikačnej linky a výkonom napájacieho zdroja. Toto je režim viacerých kvapiek. V tomto režime má každý snímač svoju vlastnú adresu v rozsahu 1 ... 15, na ktorú k nemu pristupuje riadiace zariadenie.
Senzor s adresou 0 je odpojený od komunikačnej linky. Výmena údajov medzi snímačom a riadiacim zariadením vo viacbodovom režime sa vykonáva iba prostredníctvom frekvenčného signálu. Prúdový signál snímača je pevne nastavený na požadovanú úroveň a nemení sa.
V prípade viacbodovej komunikácie sa údajmi myslia nielen skutočné výsledky meraní kontrolovaného parametra, ale aj celá sada všetkých druhov servisných informácií.
V prvom rade ide o adresy senzorov, ovládacích príkazov, nastavení. A všetky tieto informácie sa prenášajú prostredníctvom dvojvodičových komunikačných liniek. Je však možné sa ich zbaviť? Je pravda, že by sa to malo robiť opatrne, iba v prípadoch, keď bezdrôtové pripojenie nemôže ovplyvniť bezpečnosť kontrolovaného procesu.
Ukazuje sa, že sa môžete zbaviť káblov. Už v roku 2007 bol publikovaný štandard WirelessHART, prenosovým médiom je nelicencovaná frekvencia 2,4 GHz, na ktorej pracuje veľa počítačových bezdrôtových zariadení vrátane bezdrôtových miestnych sietí. Z tohto dôvodu je možné zariadenia WirelessHART používať bez akýchkoľvek obmedzení. Obrázok 11 zobrazuje bezdrôtovú sieť WirelessHART.
Obrázok 11. Wireless WirelessHART
Tieto technológie nahradili starú analógovú prúdovú slučku. Nevzdáva sa však svojej funkcie, je všade, kde je to možné, široko využívaná.
Boris Aladyshkin
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: