Analogiset anturit: sovellus, kytkentätavat ohjaimeen

Mekanismien ja kokoonpanojen ohjaamiseen tarkoitettujen teknologisten prosessien automatisoinnin yhteydessä on käsiteltävä erilaisten fysikaalisten suureiden mittauksia. Tämä voi olla nesteen tai kaasun lämpötila, paine ja virtausnopeus, pyörimisnopeus, valon voimakkuus, tiedot mekanismien osien sijainnista ja paljon muuta. Nämä tiedot saadaan antureilla. Tässä ensin mekanismien osien sijainnista.

Diskreetit anturit

Yksinkertaisin anturi on normaali mekaaninen kosketin: ovi avattiin - kosketin avattiin, kiinni - kiinni. Tällainen yksinkertainen anturi, samoin kuin yllä oleva algoritmi, usein käytetään turvahälytyksissä. Translaatioliikkeellä varustetulle mekanismille, jolla on kaksi asentoa, esimerkiksi vesiventtiili, tarvitaan kaksi kosketinta: yksi kosketin on kiinni - venttiili on suljettu, toinen on suljettu - suljettu.

Monimutkaisemmassa translaatioalgoritmissa on mekanismi termoplastisen muovauskoneen sulkemiseksi. Aluksi muotti on auki, tämä on lähtökohta. Tässä asennossa lopputuotteet poistetaan muotista. Seuraavaksi työntekijä sulkee suoja-aidan ja muotti alkaa sulkeutua, uusi työjakso alkaa.

Muotin puoliskojen välinen etäisyys on melko suuri. Siksi muotti liikkuu ensin nopeasti ja tietyllä etäisyydellä, kunnes puolikkaat ovat kiinni, perävaunu laukeaa, liikkeen nopeus vähenee merkittävästi ja muotti sulkeutuu tasaisesti.

Tämän algoritmin avulla voit välttää iskua muotin sulkemisen yhteydessä, muuten se voidaan yksinkertaisesti pilkkoa pieniksi paloiksi. Sama nopeuden muutos tapahtuu, kun muotti avataan. Tässä kaksi kontaktianturia ei voi tehdä.

Siksi koskettimeen perustuvat anturit ovat erillisiä tai binaarisia, niissä on kaksi asentoa, kiinni - avoin tai 1 ja 0. Toisin sanoen voidaan sanoa, että tapahtuma tapahtui vai ei. Yllä olevassa esimerkissä kontaktit “vangitsevat” useita pisteitä: liikkeen alku, nopeuden laskun kohta, liikkeen loppu.

Geometriassa pisteellä ei ole mittoja, vain piste ja se on se. Se voi olla joko (paperille, liikkeen etenemissuunnassa, kuten meidän tapauksessamme), tai sitä ei yksinkertaisesti ole. Siksi erillisiä antureita käytetään pisteiden havaitsemiseen. Ehkä vertailu pisteeseen tässä ei ole kovin tarkoituksenmukaista, koska käytännössä ne käyttävät erillisen anturin tarkkuuden arvoa ja tämä tarkkuus on paljon enemmän kuin geometrinen piste.

Mutta pelkästään mekaaninen kosketus on epäluotettava asia. Siksi mekaaniset koskettimet korvataan mahdollisuuksien mukaan läheisyysantureilla. Yksinkertaisin vaihtoehto on ruokokatkaisin: magneetti on lähellä, kosketin on kiinni. Ruokokatkaisimen toiminnan tarkkuus jättää paljon toivomisen varaa, tällaisten anturien käyttö on vain ovien sijainnin määrittämiseen.

Monimutkaisempaa ja tarkempaa vaihtoehtoa tulisi pitää useina läheisyysantureina. Jos metallilippu tuli aukkoon, anturi toimi. Esimerkkinä tällaisista antureista voidaan mainita eri sarjojen BVK-anturit (kosketuksettomat päätekytkimet). Tällaisten anturien toiminnan tarkkuus (iskun ero) on 3 millimetriä.

Kuva 1. BVK-sarjan anturi

BVK-anturien syöttöjännite on 24 V, kuormavirta on 200 mA, mikä on aivan tarpeeksi välireleiden kytkemistä varten edelleen koordinointia varten ohjauspiirin kanssa. Näin BVK-antureita käytetään erilaisissa laitteissa.

BVK-antureiden lisäksi käytetään myös BTP-, KVP-, PIP-, KVD-, FISH-tyyppisiä antureita. Jokaisessa sarjassa on monentyyppisiä antureita, merkitty numeroilla, esimerkiksi BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Kaikki mainitut anturit ovat kosketuksettomia erillisiä, niiden päätarkoitus on määrittää mekanismien ja kokoonpanojen osien sijainti. Näitä antureita on luonnollisesti paljon enemmän, et voi kirjoittaa niistä kaikista yhdessä artikkelissa. Eri kontaktianturit ovat edelleen yleisempiä, ja niitä käytetään edelleen laajalti.

Analogisten antureiden käyttö

Automaatiojärjestelmien erillisten antureiden lisäksi analogisia antureita käytetään laajasti. Niiden tarkoituksena on saada tietoa erilaisista fyysisistä määristä, eikä vain lainkaan, vaan reaaliajassa. Tarkemmin sanottuna fyysisen määrän (paine, lämpötila, valaistus, virtaus, jännite, virta) muuntaminen sähköiseksi signaaliksi, joka soveltuu tiedonsiirtolinjojen välityksellä ohjaimeen ja sen jatkokäsittelyyn.

Analogiset anturit sijaitsevat yleensä melko kaukana ohjaimesta, minkä vuoksi niitä kutsutaan usein kenttälaitteet. Tätä termiä käytetään usein teknisessä kirjallisuudessa.

Analoginen anturi koostuu tyypillisesti useasta osasta. Tärkein osa on herkkä elementti - anturi. Sen tarkoituksena on muuntaa mitattu arvo sähköiseksi signaaliksi. Mutta anturilta vastaanotettu signaali on yleensä pieni. Vahvistamiseen sopivan signaalin saamiseksi anturi sisällytetään useimmiten siltapiiriin - Wheatstone-silta.

Kuva 2. Wheatstone-silta

Siltapiirin alkuperäinen tarkoitus on tarkka vastusmittaus. DC-lähde on kytketty AD-sillan diagonaaliin. Herkkä galvanometri, jonka keskipiste on nolla asteikon keskellä, on kytketty toiseen diagonaaliin. Mitataksesi vastuksen Rx vastusta kiertämällä trimmausvastusta R2, sillan on oltava tasapainossa, galvanometrin nuolen on oltava nollassa.

Laitteen nuolen poikkeama toiseen suuntaan antaa sinun määrittää vastuksen R2 pyörimissuunta. Mitatun vastuksen arvo määritetään asteikolla yhdessä vastuksen R2 kahvan kanssa. Sillan tasapainotilanne on suhteiden R1 / R2 ja Rx / R3 yhtäläisyys. Tässä tapauksessa pisteiden BC välillä saadaan nollapotentiaaliero, ja virta ei virtaa galvanometrin V läpi.

Vastuksien R1 ja R3 resistanssi valitaan erittäin tarkasti, niiden leviämisen tulisi olla minimaalinen. Vain tässä tapauksessa sillan pienikin epätasapaino aiheuttaa huomattavan muutoksen BC-diagonaalin jännitteessä. Juuri tätä sillan ominaisuutta käytetään yhdistämään erilaisten analogisten anturien herkkiä elementtejä (antureita). No, sitten kaikki on yksinkertaista, tekniikan kysymys.

Anturilta vastaanotetun signaalin käyttämiseksi tarvitaan lisäprosessointi, - vahvistus ja muuntaminen lähtösignaaliksi, joka soveltuu ohjauspiirin lähettämään ja käsittelemään - ohjain. Useimmiten analogisten antureiden lähtösignaali on virta (analoginen virtapiiri), harvemmin jännite.

Miksi juuri nykyinen? Tosiasia, että analogisten antureiden lähtövaiheet perustuvat nykyisiin lähteisiin. Tämän avulla voit päästä eroon kytkentäjohtojen vastuskyvyn vaikutuksesta lähtösignaaliin, käyttää pitkien yhdysjohtojen käyttöä.

Lisämuuntaminen on melko yksinkertaista. Virtasignaali muunnetaan jännitteeksi, jolle riittää virran johtaminen tunnetun vastuksen vastuksen läpi. Jännitehäviö mittausvastuksen läpi saadaan Ohmin lain U = I * R mukaisesti.

Esimerkiksi 10 mA: n virralla vastuksessa, jonka vastus on 100 ohmia, saat jännitteen 10 * 100 = 1000mV, oikeassa on koko 1 voltin! Tässä tapauksessa anturin lähtövirta ei riipu kytkentäjohtimien vastuksesta. Tietenkin kohtuullisissa rajoissa.

Analogisten antureiden kytkentä

Mittausvastuksella vastaanotettu jännite voidaan helposti muuntaa digitaaliseen muotoon, joka soveltuu syöttämiseen ohjaimeen. Muuntaminen tapahtuu analogia-digitaalimuuntimet ADC.

Digitaalinen data välitetään ohjaimeen sarja- tai rinnakkaiskoodina.Kaikki riippuu tietystä kytkentäpiiristä. Analogisen anturin yksinkertaistettu kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Analogisen anturin kytkeminen (klikkaa kuvaa suurentaaksesi)

Toimilaitteet on kytketty ohjaimeen tai itse ohjain on kytketty tietokoneeseen, joka on osa automaatiojärjestelmää.

Analogisilla antureilla on luonnollisesti lopullinen muotoilu, jonka yksi elementti on kotelo, jossa on liitoselementit. Esimerkiksi kuvio 4 esittää mittaripaineanturin tyypin Probe-10 ulkonäköä.

Kuva 4. Anturin ylipainekoetin-10

Anturin alaosassa on liitoslanka putkilinjaan liittämistä varten, ja oikealla mustan kannen alla on liitin viestintälinjan kytkemiseksi ohjaimeen.

Kierteinen liitos suljetaan hehkutettua kuparia sisältävällä aluslevyllä (sisältyy anturin toimitukseen), eikä se missään tapauksessa ole käämitty telanauhasta tai pellavasta. Tämä tehdään niin, ettet asenna anturia asettamalla anturielementtiä sisälle.

Analogiset anturilähdöt

Standardien mukaan virta-signaaleja on kolme: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA ja 4 ... 20 mA. Mikä on niiden ero ja mitkä ovat ominaisuudet?

Lähtövirran riippuvuus on useimmiten suoraan verrannollinen mitattuun arvoon, esimerkiksi mitä korkeampi paine putkessa on, sitä suurempi virta anturin ulostulossa on. Vaikka käänteiskytkentää käytetään joskus: suurempi lähtövirran arvo vastaa anturin ulostulossa mitatun arvon minimiarvoa. Kaikki riippuu käytetyn ohjaimen tyypistä. Jotkut anturit vaihtavat jopa suorasta käänteiseen.

Alueen 0 ... 5 mA lähtösignaali on erittäin pieni, ja siksi häiriöille alttiita. Jos tällaisen anturin signaali vaihtelee mitatun parametrin vakioarvossa, ts. Suositellaan asentamaan kondensaattori, jonka kapasitanssi on 0,1 ... 1 μF anturin lähdön suuntaan. Vakaampi on nykyinen signaali alueella 0 ... 20mA.

Mutta molemmat näistä alueista eivät ole hyviä, koska asteikon alussa oleva nolla ei anna meille mahdollisuutta yksiselitteisesti päättää, mitä tapahtui. Vai ottiko mitattu signaali tosiasiallisesti nollatason, mikä on periaatteessa mahdollista, vai yksinkertaisesti viestintälinja katkaistiin? Siksi he yrittävät luopua näiden alueiden käytöstä mahdollisuuksien mukaan.

Analogisten antureiden signaalia, joiden lähtövirta on alueella 4 ... 20 mA, pidetään luotettavampana. Sen melunkestävyys on melko korkea, ja alaraja, vaikka mitatulla signaalilla olisi nolla taso, olisi 4 mA, mikä antaa meille sanoa, että viestintälinja ei ole katkennut.

Toinen hyvä ominaisuus 4 ... 20mA-alueella on, että anturit voidaan kytkeä vain kahteen johtoon, koska anturi itse saa tämän virran. Tämä on sen virrankulutus ja samalla mittaussignaali.

Alueen 4 ... 20 mA antureiden virtalähde kytketään päälle, kuten kuvassa 5. Samanaikaisesti Zond-10-antureilla, kuten monilla muillakin, on passin mukaan laaja syöttöjännitealue 10 ... 38V, vaikka niitä käytetäänkin stabiloidut lähteet jännitteellä 24V.

Kuva 5. Analogisen anturin kytkeminen ulkoiseen virtalähteeseen

Seuraavat elementit ja merkinnät ovat läsnä tässä kaaviossa. Rш on mittaussuntan vastus, Rl1 ja Rl2 ovat tietoliikennejohtojen resistansseja. Mittaustarkkuuden lisäämiseksi tarkkuutta mittaavaa vastusta tulisi käyttää Rш: na. Virran kulku virtalähteestä osoitetaan nuolilla.

On helppo nähdä, että virtalähteen lähtövirta kulkee + 24 V -liittimestä, Rl1-linjan kautta se saavuttaa + AO2-anturiliittimen, kulkee anturin läpi ja anturin lähtöliittimen kautta - AO2, Rl2-kytkentäjohto, vastus Rø palaa -24V: n virtalähteeseen. Kaikki, piiri on suljettu, virta virtaa.

Jos ohjaimessa on 24 V: n virtalähde, anturin tai mittausanturin kytkentä on mahdollista kuvassa 6 esitetyn kaavion mukaisesti.

Kuva 6. Analogisen anturin kytkeminen ohjaimeen, jolla on sisäinen virtalähde

Tämä kaavio näyttää toisen elementin - liitäntälaitteen vastuksen Rb. Sen tarkoituksena on suojata mittausvastusta viestintälinjan ollessa suljettu tai analogisen anturin toimintahäiriöitä. RB-vastuksen asentaminen on valinnaista, vaikkakin toivottavaa.

Automaatiojärjestelmissä usein käytettävillä mittausmuuntimilla on erilaisten anturien lisäksi myös virtalähde.

Mittausanturi - laite muuntamaan esimerkiksi 220 V jännitetasot tai useiden kymmenien tai satojen ampeerien virrat 4 ... 20 mA: n virhesignaaliksi. Tässä sähköisen signaalin tason muuntaminen tapahtuu yksinkertaisesti, eikä jonkin fyysisen määrän (nopeus, virtausnopeus, paine) esittämistä sähköisessä muodossa.

Mutta ainoa anturi, yleensä, ei riitä. Yksi suosituimmista mittauksista on lämpötilan ja paineen mittaukset. Tällaisten pisteiden lukumäärä nykyaikaisessa tuotannossa voi olla useita kymmeniä tuhansia. Vastaavasti myös anturien lukumäärä on suuri. Siksi useita analogisia antureita on useimmiten kytketty yhteen ohjaimeen kerralla. Tietenkin, ei useita tuhansia kerralla, on hyvä, jos tusina on erilaista. Tällainen yhteys on esitetty kuviossa 7.

Kuva 7. Useiden analogisten anturien kytkeminen ohjaimeen

Tämä kuva osoittaa, kuinka digitaalikoodiksi muuntamista varten sopiva jännite saadaan virtasignaalista. Jos sellaisia ​​signaaleja on useita, niin niitä ei käsitellä kerralla, vaan ne erotetaan ajan suhteen, multipleksoidaan, muuten jokaiselle kanavalle tulisi laittaa erillinen ADC.

Tätä tarkoitusta varten ohjaimessa on piirikytkentäkanavat. Kytkimen toimintakaavio on esitetty kuvassa 8.

Kuva 8. Analogisten anturikanavien kytkin (napsautettava kuva)

Mittavastuksen (UR1 ... URn) jännitteeksi muunnetut virtasilmukan signaalit syötetään analogikytkimen tuloon. Ohjaussignaalit ohittavat vuorotellen yhden signaaleista UR1 ... URn lähtöön, jotka vahvistetaan vahvistimella ja syötetään vuorotellen ADC-tuloon. Digitaaliseksi koodiksi muunnettu jännite syötetään ohjaimeen.

Järjestelmä on tietysti hyvin yksinkertaistettu, mutta siinä olevan multipleksoinnin periaate on täysin mahdollista harkita. Näin rakennettiin moduuli analogisten signaalien syöttämiseksi Smolensk PC Prologin valmistamista MSTS-ohjaimista (teknisten laitteiden mikroprosessorijärjestelmä). MCTC-ohjaimen ulkonäkö on esitetty kuvassa 9.

Kuva 9. ICTS-ohjain

Tällaisten ohjaimien vapauttaminen on pitkään lopetettu, vaikka joissain paikoissa kaikkein parasta, nämä ohjaimet palvelevat edelleen. Nämä museonäyttelyt korvataan uusien mallien, lähinnä tuontituotteiden (kiinalaisten) tuotteiden valvojilta.

4 ... 20 mA virta-anturien kytkemiseen on suositeltavaa käyttää kaksijohtimista suojattua kaapelia, jonka poikkipinta-ala on vähintään 0,5 mm2.

Jos säädin on asennettu metallikaapiin, on suositeltavaa kytkeä suojapanokset kaapin maakohtaan. Yhdysjohtojen pituus voi olla yli kaksi kilometriä, mikä lasketaan vastaavilla kaavoilla. Emme harkitse mitään täällä, mutta usko minua, että niin on.

Uudet anturit, uudet ohjaimet

Uusien ohjaimien myötä uudet HART-analogiset anturit (Highway Addressable Remote Transducer), joka kääntyy nimellä "Kauko-ohjattavan anturin mittaaminen tavaratilan kautta".

Anturin (kenttälaitteen) lähtösignaali on analoginen virhesignaali alueella 4 ... 20 mA, jolle taajuusmoduloitu (FSK - Frequency Shift Keying) digitaalinen viestintäsignaali on päällekkäin.

Kuva 10. HART-analogisen anturin lähtö

Kuvassa on analoginen signaali, ja sen ympärillä, kuten käärme, sinimuotoinen kela. Tämä on taajuusmoduloitu signaali.Mutta tämä ei ole ollenkaan digitaalinen signaali, se on vielä tunnustettava. Kuviossa on huomattava, että siniaaltotaajuus loogisen nollan lähettämisessä on korkeampi (2,2KHz) kuin lähetettäessä yksikköä (1,2KHz). Näiden signaalien siirto suoritetaan virralla, jonka amplitudi on ± 0,5 mA sinimuotoinen muoto.

On tunnettua, että sinimuotoisen signaalin keskiarvo on nolla, joten digitaalisen tiedon siirto ei vaikuta anturin lähtövirtaan 4 ... 20 mA. Tätä tilaa käytetään anturien asettamiseen.

HART-viestintä tapahtuu kahdella tavalla. Ensimmäisessä tapauksessa vain kaksi laitetta voivat vaihtaa tietoja kaksijohtimisella linjalla, kun taas analogisen lähtösignaalin 4 ... 20 mA arvo riippuu mitatusta arvosta. Tätä tilaa käytetään määritettäessä kenttälaitteita (antureita).

Toisessa tapauksessa kaksijohtimiseen linjaan voidaan kytkeä korkeintaan 15 anturia, joiden lukumäärä määräytyy tietoliikennelinjan parametrien ja virtalähteen tehon perusteella. Tämä on useiden pudotusten tila. Tässä tilassa jokaisella anturilla on oma osoite alueella 1 ... 15, jolla ohjauslaite käyttää sitä.

Anturi, jonka osoite on 0, on irrotettu viestintälinjasta. Tiedonvaihto anturin ja ohjauslaitteen välillä monipistetilassa suoritetaan vain taajuussignaalilla. Anturin virhesignaali on kiinteä vaaditulla tasolla eikä muutu.

Monipisteviestinnän tapauksessa datalla tarkoitetaan paitsi hallitun parametrin todellisia mittaustuloksia myös koko joukko kaikenlaisia ​​palvelutietoja.

Ensinnäkin nämä ovat anturien osoitteet, ohjauskomennot, asetukset. Ja kaikki tämä tieto välitetään kaksijohtimisen viestintälinjan kautta. Mutta onko mahdollista päästä eroon niistä? Totta, tämä tulisi tehdä huolellisesti, vain niissä tapauksissa, joissa langaton yhteys ei voi vaikuttaa hallitun prosessin turvallisuuteen.

Osoittautuu, että voit päästä eroon johdoista. Jo vuonna 2007 julkaistiin WirelessHART-standardi, siirtoväliaine on 2,4 GHz: n lisensoimaton taajuus, joka toimii monilla langattomilla tietokonelaitteilla, mukaan lukien langattomat lähiverkot. Siksi WirelessHART-laitteita voidaan käyttää ilman rajoituksia. Kuva 11 näyttää langattoman WirelessHART-verkon.

Kuva 11. Langaton WirelessHART

Nämä tekniikat ovat korvanneet vanhan analogisen virtasilmukan. Mutta hän ei luopu asemastaan, sitä käytetään laajasti aina kun mahdollista.

Boris Aladyshkin