Analogové senzory: aplikace, způsoby připojení k ovladači

V procesu automatizace technologických procesů pro řízení mechanismů a sestav je třeba se zabývat měřením různých fyzikálních veličin. Může to být teplota, tlak a průtok kapaliny nebo plynu, rychlost otáčení, intenzita světla, informace o poloze částí mechanismů a mnoho dalšího. Tyto informace jsou získány pomocí senzorů. Zde nejprve o poloze částí mechanismů.

Diskrétní senzory

Nejjednodušší senzor je normální mechanický kontakt: dveře se otevřely - kontakt se otevřel, sepnul - zavřel. Takový jednoduchý senzor, stejně jako výše uvedený algoritmus činnosti, často používá se v bezpečnostních poplachech. Pro mechanismus s translačním pohybem, který má dvě polohy, například vodní ventil, jsou zapotřebí dva kontakty: jeden kontakt je sepnut - ventil je sevřen, druhý je sevřen - sevřen.

Složitější translační algoritmus má mechanismus pro uzavření termoplastického formovacího stroje. Zpočátku je forma otevřená, to je počáteční poloha. V této poloze jsou hotové výrobky vyjmuty z formy. Poté pracovník uzavře ochranný plot a forma se začne uzavírat, začíná nový pracovní cyklus.

Vzdálenost mezi polovinami formy je poměrně velká. Proto se forma nejprve pohybuje rychle a v určité vzdálenosti, dokud se poloviny nezavřou, nespustí přívěs, rychlost pohybu se výrazně sníží a forma se plynule uzavře.

Tento algoritmus vám umožňuje vyhnout se ránu, když je forma uzavřena, jinak ji lze jednoduše nakrájet na malé kousky. Stejná změna rychlosti nastane při otevření formy. Zde nemohou dva kontaktní senzory dělat.

Senzory založené na kontaktu jsou tedy diskrétní nebo binární, mají dvě polohy, uzavřené - otevřené nebo 1 a 0. Jinými slovy lze říci, že k události došlo nebo ne. Ve výše uvedeném příkladu je kontakty „zachyceno“ několik bodů: začátek pohybu, bod snížení rychlosti, konec pohybu.

V geometrii nemá bod žádné rozměry, pouze bod a to je vše. Může to být (na kus papíru, v trajektorii pohybu, jako v našem případě), nebo prostě neexistuje. Proto se k detekci bodů používají diskrétní senzory. Možná porovnání s bodem zde není příliš vhodné, protože pro praktické účely používají hodnotu přesnosti diskrétního senzoru a tato přesnost je mnohem víc než geometrický bod.

Samotný mechanický kontakt je však nespolehlivá věc. Proto pokud je to možné, jsou mechanické kontakty nahrazovány bezdotykovými senzory. Nejjednodušší možností je jazýčkový spínač: magnet je blízko, kontakt je sepnutý. Přesnost činnosti jazýčkového spínače zůstává velmi žádoucí, použití takových senzorů je pouze pro určení polohy dveří.

Složitější a přesnější varianta by měla být považována za řadu senzorů blízkosti. Pokud do otvoru vstoupil kovový praporek, senzor pracoval. Jako příklad takových senzorů lze uvést senzory BVK (bezkontaktní koncový spínač) různých sérií. Přesnost provozu (zdvihový rozdíl) takových senzorů je 3 milimetry.

Obrázek 1. Snímač řady BVK

Napájecí napětí snímačů BVK je 24 V, zátěžový proud je 200 mA, což je dostačující pro připojení mezilehlých relé pro další koordinaci s řídicím obvodem. Takto se snímače BVK používají v různých zařízeních.

Kromě snímačů BVK se používají také senzory typu BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Každá řada má několik typů senzorů, označených čísly, například BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Všechny uvedené senzory jsou nekontaktní diskrétní, jejich hlavním účelem je určit polohu částí mechanismů a sestav. Samozřejmě, že existuje mnohem více těchto senzorů, o nich nelze psát v jednom článku. Různá kontaktní čidla jsou stále běžnější a stále nacházejí široké použití.

Použití analogových senzorů

Kromě diskrétních senzorů v automatizačních systémech se široce používají i analogové senzory. Jejich účelem je získat informace o různých fyzických veličinách, a to nejen takto, ale v reálném čase. Přesněji řečeno, přeměna fyzické veličiny (tlak, teplota, osvětlení, průtok, napětí, proud) na elektrický signál vhodný pro přenos po komunikačních linkách do řídicí jednotky a její další zpracování.

Analogové senzory jsou obvykle umístěny docela daleko od ovladače, proto se často nazývají polní zařízení. Tento termín je často používán v technické literatuře.

Analogový senzor se obvykle skládá z několika částí. Nejdůležitější součástí je citlivý prvek - senzor. Jeho účelem je převést naměřenou hodnotu na elektrický signál. Ale signál přijímaný ze senzoru je obvykle malý. Pro získání signálu vhodného pro zesílení je senzor nejčastěji součástí můstkového obvodu - Wheatstone Bridge.

Obrázek 2. Wheatstone Bridge

Počáteční účel můstkového obvodu je přesné měření odporu. DC zdroj je připojen k diagonále AD mostu. Citlivý galvanometr se středem, s nulou uprostřed stupnice, je spojen s jinou úhlopříčkou. Chcete-li změřit odpor rezistoru Rx otáčením trimovacího rezistoru R2, vyrovnejte můstek a nastavte ukazatel galvanometru na nulu.

Odchylka šipky zařízení v jednom nebo druhém směru umožňuje určit směr otáčení rezistoru R2. Hodnota měřeného odporu se stanoví na stupnici kombinované s držadlem rezistoru R2. Rovnovážná podmínka pro můstek je rovna poměrům R1 / R2 a Rx / R3. V tomto případě je mezi body BC dosaženo nulového rozdílu potenciálu a proud neproudí galvanometrem V.

Odpor rezistorů R1 a R3 je zvolen velmi přesně, jejich šíření by mělo být minimální. Pouze v tomto případě způsobuje i malá nevyváženost můstku znatelnou změnu napětí úhlopříčky BC. Právě tato vlastnost můstku se používá k propojení citlivých prvků (senzorů) různých analogových senzorů. Pak je vše jednoduché, jde o technologii.

K použití signálu přijatého ze senzoru je nutné další zpracování, - zesílení a převod na výstupní signál vhodný pro přenos a zpracování řídícím obvodem - ovladač. Výstupní signál analogových senzorů je nejčastěji proud (smyčka analogového proudu), méně často napětí.

Proč přesně ten aktuální? Faktem je, že výstupní fáze analogových senzorů jsou založeny na proudových zdrojích. To vám umožní zbavit se vlivu odporu spojovacích vedení na výstupní signál, použít spojovací vedení velké délky.

Další konverze je celkem jednoduchá. Proudový signál je převeden na napětí, pro které stačí projít proud rezistorem známého odporu. Pokles napětí na měřicím odporu je získán podle Ohmova zákona U = I * R.

Například pro proud 10 mA na odporu s odporem 100 Ohmů získáte napětí 10 x 100 = 1 000 mV, tady je celý 1 volt! V tomto případě výstupní proud snímače nezávisí na odporu připojovacích vodičů. Samozřejmě v rozumných mezích.

Připojení analogových senzorů

Napětí přijaté na měřicím odporu lze snadno převést na digitální formu vhodnou pro vstup do kontroléru. Převod se provádí pomocí analogově-digitální převodníky ADC.

Digitální data jsou přenášena do kontroléru v sériovém nebo paralelním kódu.Vše záleží na konkrétním spínacím obvodu. Zjednodušené schéma zapojení analogového senzoru je na obrázku 3.

Obrázek 3. Připojení analogového senzoru (kliknutím obrázek zvětšíte)

Pohony jsou připojeny k řídicí jednotce nebo je řídicí jednotka připojena k počítači, který je součástí automatizačního systému.

Analogové senzory mají přirozeně hotový design, jehož jedním z prvků je pouzdro se spojovacími prvky. Příkladem je obrázek 4 vzhled snímače manometrického tlaku typu Probe-10.

Obrázek 4. Senzor přetlaku sondy-10

Ve spodní části senzoru je vidět připojovací závit pro připojení k potrubí a vpravo pod černým krytem je konektor pro připojení komunikační linky s ovladačem.

Závitové spojení je utěsněno podložkou vyrobenou z žíhané mědi (je součástí dodávky senzoru) a v žádném případě není navíjení ze spalovací pásky nebo prádla. To se provádí tak, že při instalaci senzoru nedeformujte senzorový prvek umístěný uvnitř.

Výstupy analogových senzorů

Podle standardů existují tři rozsahy proudových signálů: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA a 4 ... 20 mA. Jaký je jejich rozdíl a jaké jsou vlastnosti?

Závislost výstupního proudu je nejčastěji přímo úměrná měřené hodnotě, například čím vyšší je tlak v potrubí, tím větší je proud na výstupu ze senzoru. Ačkoli se někdy používá inverzní přepínání: větší hodnota výstupního proudu odpovídá minimální hodnotě měřené hodnoty na výstupu ze senzoru. Vše záleží na typu použitého ovladače. Některé senzory dokonce přepínají z přímého na inverzní.

Výstupní signál v rozsahu 0 ... 5 mA je velmi malý, a proto podléhá rušení. Pokud signál takového senzoru kolísá při konstantní hodnotě měřeného parametru, tj. Doporučuje se instalovat kondenzátor s kapacitou 0,1 ... 1 μF paralelně s výstupem ze senzoru. Stabilnější je proudový signál v rozsahu 0 ... 20 mA.

Oba tyto rozsahy však nejsou dobré, protože nula na začátku stupnice nám neumožňuje jednoznačně určit, co se stalo. Nebo měřený signál skutečně měl nulovou hladinu, což je v zásadě možné, nebo prostě byla komunikační linka přerušena? Proto se snaží, pokud je to možné, upustit od používání těchto rozsahů.

Signál analogových senzorů s výstupním proudem v rozsahu 4 ... 20 mA je považován za spolehlivější. Jeho odolnost proti šumu je poměrně vysoká a dolní mez, i když měřený signál má nulovou hladinu, bude 4 mA, což nám umožňuje říci, že komunikační linka není přerušena.

Další dobrou vlastností řady 4 ... 20 mA je, že senzory lze připojit pouze dvěma vodiči, protože samotný senzor je napájen tímto proudem. Jedná se o jeho aktuální spotřebu a současně měřicí signál.

Zdroj energie pro senzory v rozsahu 4 ... 20 mA je zapnutý, jak je znázorněno na obrázku 5. Současně mají senzory Zond-10, stejně jako mnoho jiných, podle pasu široký rozsah napájecího napětí 10 ... 38 V, ačkoli se nejčastěji používají stabilizované zdroje s napětím 24V.

Obrázek 5. Připojení analogového senzoru s externím zdrojem napájení

V tomto diagramu jsou uvedeny následující prvky a notace. Rш je odpor měřicího zkratu, Rl1 a Rl2 jsou odpory komunikačních linek. Pro zvýšení přesnosti měření by měl být jako Rш použit přesný měřící odpor. Průchod proudu ze zdroje energie je označen šipkami.

Je snadno vidět, že výstupní proud zdroje energie prochází z terminálu + 24 V, přes vedení Rl1 dosáhne terminál senzoru + AO2, prochází senzorem a přes výstupní terminál senzoru - AO2, připojovací vedení Rl2, rezistor Rш se vrací k terminálu napájení -24V. Všechno, obvod je uzavřen, proud teče.

Pokud řídicí jednotka obsahuje napájení 24 V, je možné připojit snímač nebo měřicí převodník podle schématu znázorněného na obrázku 6.

Obrázek 6. Připojení analogového senzoru k ovladači s interním zdrojem energie

Tento diagram ukazuje další prvek - předřadník Rb. Jeho účelem je chránit měřící odpor při uzavření komunikační linky nebo při poruše analogového čidla. Instalace rezistoru RB je volitelná, byť žádoucí.

Kromě různých senzorů mají měřící převodníky, které se často používají v automatizačních systémech, také proudový výstup.

Měřící převodník - zařízení pro převod úrovní napětí, například 220 V nebo proud několik desítek nebo stovek ampér, na proudový signál 4 ... 20 mA. Zde je hladina elektrického signálu jednoduše transformována a ne reprezentace určité fyzické veličiny (rychlost, průtok, tlak) v elektrické formě.

Ale jediný senzor zpravidla nestačí. Jedním z nejpopulárnějších měření jsou měření teploty a tlaku. Počet takových bodů v moderní výrobě může dosáhnout několika desítek tisíc. Počet senzorů je tedy také velký. Několik analogových senzorů je proto nejčastěji připojeno k jednomu ovladači najednou. Samozřejmě, ne několik tisíc najednou, je dobré, když se tucet liší. Takové spojení je znázorněno na obr. 7.

Obrázek 7. Připojení více analogových senzorů k ovladači

Tento obrázek ukazuje, jak je napětí, vhodné pro převod na digitální kód, získáno z aktuálního signálu. Pokud existuje několik takových signálů, nejsou zpracovány najednou, ale jsou odděleny časem, multiplexovány, jinak by musel být na každý kanál umístěn samostatný ADC.

Pro tento účel má ovladač kanály pro přepínání obvodů. Funkční schéma spínače je znázorněno na obrázku 8.

Obrázek 8. Přepínač analogových senzorových kanálů (obrázek, na který lze kliknout)

Signály proudové smyčky převedené na napětí na měřicím odporu (UR1 ... URn) jsou přiváděny na vstup analogového spínače. Řídicí signály střídavě procházejí jedním ze signálů UR1 ... URn, které jsou zesilovány zesilovačem, a jsou střídavě přiváděny na vstup ADC. Napětí převedené na digitální kód je dodáváno do řídicí jednotky.

Schéma je samozřejmě velmi zjednodušená, ale je možné zvážit princip multiplexování. Takto byl postaven modul pro vstup analogových signálů z řadičů MSTS (mikroprocesorový systém hardwaru) vytvořený počítačem Prolog Smolensk PC. Vzhled řadiče MCTC je znázorněn na obrázku 9.

Obrázek 9. Řadič ICTS

Vydávání takových ovladačů bylo již dlouho přerušeno, i když na některých místech, daleko od nejlepších, tyto ovladače stále slouží. Tyto exponáty muzea nahrazují kontroloři nových modelů, zejména dovážené (čínské) výroby.

Pro připojení proudových snímačů 4 ... 20 mA se doporučuje použít dvoužilový stíněný kabel s průřezem jádra nejméně 0,5 mm2.

Je-li ovladač namontován v kovové skříni, doporučuje se k uzemňovacímu bodu skříně připojit stínící copánky. Délka spojovacích čar může dosáhnout více než dvou kilometrů, což se vypočítá podle odpovídajících vzorců. Nebereme v úvahu nic, ale věřte mi, že je to tak.

Nové senzory, nové ovladače

S příchodem nových ovladačů nové analogové senzory HART (Dálkový adresovatelný dálkový převodník), který se překládá jako „Měřicí převodník adresovatelný vzdáleně přes kufr“.

Výstupní signál snímače (polního zařízení) je analogový proudový signál v rozsahu 4 ... 20 mA, na který je položen signál digitální komunikace kmitočtově modulovaný (FSK - Frequency Shift Keying).

Obrázek 10. Výstup analogového snímače HART

Obrázek ukazuje analogový signál a kolem něj, jako had, sinusové cívky. Toto je frekvenčně modulovaný signál.Ale nejedná se vůbec o digitální signál, musí být ještě rozpoznán. Na obrázku je patrné, že frekvence sínusoidu při přenosu logické nuly je vyšší (2,2 kHz) než při přenosu jednotky (1,2 kHz). Přenos těchto signálů je prováděn proudem s amplitudou ± 0,5 mA sinusového tvaru.

Je známo, že průměrná hodnota sinusového signálu je nula, proto přenos digitální informace neovlivňuje výstupní proud snímače 4 ... 20 mA. Tento režim se používá při nastavování senzorů.

Komunikace HART probíhá dvěma způsoby. V prvním případě mohou standardně pouze dvě zařízení vyměňovat informace prostřednictvím dvouvodičového vedení, zatímco výstupní analogový signál 4 ... 20 mA závisí na naměřené hodnotě. Tento režim se používá při nastavování polních zařízení (senzorů).

Ve druhém případě lze k dvouvodičovému vedení připojit až 15 senzorů, jejichž počet je určen parametry komunikační linky a výkonem napájecího zdroje. Toto je režim více kapek. V tomto režimu má každý senzor svou vlastní adresu v rozsahu 1 ... 15, na kterou k němu řídicí zařízení přistupuje.

Čidlo s adresou 0 je odpojeno od komunikační linky. Výměna dat mezi senzorem a řídicím zařízením ve vícebodovém režimu je prováděna pouze frekvenčním signálem. Proudový signál snímače je pevně nastaven na požadovanou úroveň a nemění se.

V případě vícebodové komunikace se míní nejen skutečné výsledky měření regulovaného parametru, ale také celá sada všech druhů servisních informací.

Nejprve to jsou adresy senzorů, řídicí příkazy, nastavení. A všechny tyto informace jsou přenášeny přes dvoudrátové komunikační linky. Je však možné se jich zbavit? Je pravda, že by to mělo být provedeno opatrně, pouze v případech, kdy bezdrátové připojení nemůže ovlivnit zabezpečení kontrolovaného procesu.

Ukazuje se, že se můžete zbavit drátů. Již v roce 2007 byl publikován standard WirelessHART, přenosovým médiem je nelicencovaná frekvence 2,4 GHz, která běží na mnoha počítačových bezdrátových zařízeních, včetně bezdrátových lokálních sítí. Zařízení WirelessHART lze proto používat bez jakýchkoli omezení. Obrázek 11 ukazuje bezdrátovou síť WirelessHART.

Obrázek 11. Wireless WirelessHART

Tyto technologie nahradily staré analogové proudové smyčky. Nevzdává se však své pozice, je všude tam, kde je to možné.

Boris Aladyshkin