Analóg érzékelők: alkalmazás, a vezérlőhöz történő csatlakoztatás módjai

A mechanizmusok és részegységek vezérlésére szolgáló technológiai folyamatok automatizálása során különféle fizikai mennyiségek mérésével kell foglalkozni. Ez lehet hőmérséklet, nyomás és folyadék vagy gáz áramlási sebessége, forgási sebesség, fényerősség, információk a mechanizmusok alkatrészeinek helyzetéről és még sok más. Ezt az információt érzékelőkkel szerezzük be. Itt először a mechanizmusok alkatrészeinek helyzetéről.

Diszkrét érzékelők

A legegyszerűbb érzékelő egy normál mechanikus érintkező: az ajtó kinyílt - az érintkező nyitva volt, zárva - zárva. Egy ilyen egyszerű érzékelő, valamint a fenti működési algoritmus gyakran használt biztonsági riasztásokban. A transzlációs mozgással rendelkező mechanizmushoz, amelynek két pozíciója van, például vízszelep, két érintkezőre van szükség: az egyik érintkező zárt - a szelep zárva, a másik zárt - zárva.

Egy összetettebb transzlációs algoritmusnak van egy mechanizmusa a hőre lágyuló öntőgép bezárására. Kezdetben a forma nyitva van, ez a kiindulási helyzet. Ebben a helyzetben a késztermékeket eltávolítják az öntőformából. Ezután a munkás bezárja a védőkerítést, és az öntvény kezd bezáródni, egy új munkaciklus kezdődik.

A forma felei közötti távolság meglehetősen nagy. Ezért először a forma gyorsan mozog, és egy bizonyos távolságra, amíg a fél nem záródik, a pótkocsi kioldódik, a mozgási sebesség jelentősen csökken, és a forma simán bezáródik.

Ez az algoritmus lehetővé teszi, hogy elkerülje a csapást a forma bezárásakor, különben egyszerűen apróra vágható. Ugyanez a sebességváltozás történik az öntőforma kinyitásakor. Itt két érintkező nem képes.

Így az érintkezőn alapuló érzékelők diszkrét vagy bináris, két helyzetben vannak, zárt - nyitott vagy 1 és 0. Más szavakkal mondhatjuk, hogy az esemény történt-e vagy sem. A fenti példában az érintkezők számos pontot „rögzítenek”: a mozgás kezdete, a sebesség csökkenésének pontja, a mozgás vége.

Geometria szerint egy pontnak nincs mérete, csak egy pont, és ennyi. Vagy lehet (papírlapon, a mozgás pályáján, mint a mi esetünkben), vagy egyszerűen nem létezik. Ezért külön pontokat érzékelnek a pontok érzékelésére. Lehet, hogy az összehasonlítás egy ponttal itt nem nagyon megfelelő, mivel gyakorlati célokra egy különálló érzékelő pontosságának értékét használják, és ez a pontosság sokkal több, mint egy geometriai pont.

De önmagában a mechanikus érintkezés nem megbízható dolog. Ezért, ahol csak lehetséges, a mechanikus érintkezőket helyettesítő szenzorok helyettesítik. A legegyszerűbb lehetőség a nádkapcsoló: a mágnes közel van, az érintkező zárva van. A nádkapcsoló működésének pontossága nagyon kívánatos marad, ilyen érzékelők használata csak az ajtók helyzetének meghatározására szolgál.

Egy összetettebb és pontosabb opciót különféle közelségi érzékelőknek kell fontolóra venni. Ha a fém zászló belépett a nyílásba, akkor az érzékelő működött. Az ilyen érzékelőkre példaként megemlíthetjük a különféle sorozatú BVK érzékelőket (érintés nélküli végkapcsolót). Az ilyen érzékelők működési pontossága (löketkülönbség) 3 mm.

1. ábra: BVK sorozatú érzékelő

A BVK-érzékelők tápfeszültsége 24V, a terhelési áram 200mA, ami elég ahhoz, hogy a közbenső reléket csatlakoztassa a vezérlőáramkörrel történő további koordinációhoz. Így használják a BVK érzékelőket a különféle berendezésekben.

A BVK érzékelők mellett a BTP, KVP, PIP, KVD, FISH érzékelők is használhatók. Mindegyik sorozatnak különféle típusú érzékelői vannak, amelyeket számok jelölnek, például BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Az összes említett érzékelő érintkezés nélküli diszkrét, fő célja a mechanizmusok és a szerelvények alkatrészeinek meghatározása. Természetesen sokkal több ilyen érzékelő létezik; mindegyikről nem írhat egy cikkben. A különféle érintkező érzékelők még mindig gyakoribbak és továbbra is széles körben használhatók.

Analóg érzékelők használata

Az automatizálási rendszerekben alkalmazott diszkrét érzékelők mellett széles körben alkalmaznak analóg érzékelőket. Céljuk, hogy információt szerezzenek a különféle fizikai mennyiségekről, és nem csak így, hanem valós időben. Pontosabban: egy fizikai mennyiség (nyomás, hőmérséklet, megvilágítás, áramlás, feszültség, áram) átalakítása olyan elektromos jellé, amelyet kommunikációs vonalakon keresztül lehet továbbítani a vezérlőhöz, és tovább feldolgozni.

Az analóg érzékelők általában nagyon távol vannak a vezérlőtől, ezért gyakran hívják őket terepi eszközök. Ezt a kifejezést gyakran használják a szakirodalomban.

Az analóg érzékelő általában több részből áll. A legfontosabb rész az érzékeny elem - érzékelő. Célja, hogy a mért értéket elektromos jellé alakítsa. De az érzékelőtől érkező jel általában kicsi. Az erősítéshez megfelelő jel elérése érdekében az érzékelőt leggyakrabban beépítik a hídáramkörbe - Wheatstone híd.

2. ábra. Wheatstone-híd

A hídáramkör eredeti célja az ellenállás pontos mérése. Az AD-híd átlóságához DC-forrás van csatlakoztatva. Egy érzékeny galvanométert, amelynek középpontja a nulla a skála közepén, egy másik átlós csatlakoztatva van. Az Rx ellenállás ellenállásának az R2 ellenállási ellenállás forgatásával történő méréséhez a hídnak kiegyensúlyozottnak kell lennie, és a galvanométer nyílját nullára kell állítani.

A készülék nyíljának eltérése az egyik vagy a másik irányba lehetővé teszi az R2 ellenállás forgásirányának meghatározását. A mért ellenállás értékét az R2 ellenállás fogantyújával kombinált skálán kell meghatározni. A híd egyensúlyi feltétele az R1 / R2 és Rx / R3 arányok egyenlősége. Ebben az esetben a BC pontok között nulla potenciálkülönbséget kapunk, és az áram nem áramlik át az V galvanométeren.

Az R1 és R3 ellenállások ellenállását nagyon pontosan választják meg, terjedésüknek minimálisnak kell lennie. Csak ebben az esetben a híd kicsi egyensúlyhiánya is észrevehető változást okoz a BC átló feszültségében. A hídnak ez a tulajdonsága arra, hogy a különféle analóg érzékelők érzékeny elemeit (érzékelőit) összekapcsolják. Nos, akkor minden egyszerű, a technológia kérdése.

Az érzékelőtől kapott jel felhasználásához további feldolgozásra van szükség - erősítés és átalakítás olyan kimeneti jellé, amely alkalmas a vezérlőáramkör általi továbbításra és feldolgozásra - a vezérlő. Az analóg érzékelők kimeneti jele leggyakrabban áram (analóg áram hurok), ritkábban feszültség.

Miért pontosan a jelenlegi? A helyzet az, hogy az analóg érzékelők kimeneti fázisai az aktuális forrásokon alapulnak. Ez lehetővé teszi, hogy megszabaduljon a csatlakozó vezetékek ellenállásának a kimeneti jelre gyakorolt ​​hatásától, és használjon nagy hosszúságú összekötő vonalakat.

A további átalakítás meglehetősen egyszerű. Az áramjelet feszültségre konvertálják, amelyre elegendő az áram átadása az ismert ellenállású ellenálláson. A mérési ellenálláson keresztüli feszültségcsökkenést Ohm U = I * R törvénye szerint kell meghatározni.

Például, ha egy 10 mA-os áramerősséggel egy ellenálláson 100 ohm van, akkor 10 * 100 = 1000mV feszültséget kap, ott van az egész 1 volt! Ebben az esetben az érzékelő kimeneti árama nem függ a csatlakozó vezetékek ellenállásától. Természetesen ésszerű határokon belül.

Analóg érzékelők csatlakoztatása

A mérőellenállásnál kapott feszültség könnyen konvertálható digitális formába, amely alkalmas a vezérlőbe történő bevitelre. Az átalakítás a következővel történik: analóg-digitális átalakítók ADC.

A digitális adatokat soros vagy párhuzamos kóddal továbbítják a vezérlőhöz.Minden attól függ, hogy melyik kapcsolóáramkör működik. Az analóg érzékelő egyszerűsített csatlakoztatási diagramját a 3. ábra mutatja.

3. ábra: Analóg érzékelő csatlakoztatása (kattintson a képre a nagyításhoz)

A hajtóművek a vezérlőhöz vannak csatlakoztatva, vagy maga a vezérlő egy számítógéphez van csatlakoztatva, amely az automatizálási rendszer része.

Természetesen az analóg érzékelők kész kialakításúak, amelynek egyik eleme egy csatlakozó elemekkel ellátott ház. Példaként a 4. ábra a Probe-10 típusú nyomásérzékelő megjelenését mutatja.

4. ábra: Az érzékelő túlnyomás Probe-10

Az érzékelő alján látható a csővezetékhez való csatlakozás menete, a jobb oldalon a fekete fedél alatt pedig egy csatlakozó található a kommunikációs vonal és a vezérlő csatlakoztatásához.

A menetes csatlakozás lágyított rézből készült alátéttel van lezárva (amely az érzékelő szállítási csomagjába tartozik), és semmilyen módon nem tekercselhető a fum szalagból vagy a lenből. Ez úgy történik, hogy az érzékelő felszerelésekor ne deformálódjon a benne található érzékelő elem.

Analóg érzékelő kimenetek

A szabványok szerint az áramjeleknek három tartománya van: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA és 4 ... 20 mA. Mi a különbség, és mi a jellemzői?

Leggyakrabban a kimeneti áram függése közvetlenül arányos a mért értékkel, például minél nagyobb a nyomás a csőben, annál nagyobb az áram az érzékelő kimenetén. Bár néha fordított kapcsolást alkalmaznak: a kimeneti áram nagyobb értéke megfelel az érzékelő kimenetén mért minimális értéknek. Minden a használt vezérlő típusától függ. Néhány érzékelő akár közvetlenről inverzre vált.

A 0 ... 5 mA tartományú kimeneti jel nagyon kicsi, ezért interferencia hatásának van kitéve. Ha egy ilyen érzékelő jele a mért paraméter állandó értékén ingadozik, azaz ajánlott egy 0,1 ... 1 μF kapacitású kondenzátort felszerelni az érzékelő kimenetével párhuzamosan. Stabilabb az áramerősség a 0 ... 20 mA tartományban.

De mindkét tartomány nem jó, mert a skála elején lévő nulla nem teszi lehetővé, hogy egyértelműen meghatározzuk, mi történt. Vagy a mért jel ténylegesen nulla szintre esett, ami elvben lehetséges, vagy egyszerűen a kommunikációs vonal megszakadt? Ezért megpróbálják, ha lehetséges, elhagyni e tartományok használatát.

A 4 ... 20 mA kimeneti áramú analóg érzékelők jelét megbízhatóbbnak tekintik. Zajszennyezettsége meglehetősen magas, és az alsó határ, még akkor is, ha a mért jel nulla szintje, 4 mA lesz, ami azt mondhatja, hogy a kommunikációs vonal nem szakadt meg.

A 4 ... 20 mA tartomány másik jó tulajdonsága, hogy az érzékelőket csak két vezetékben lehet csatlakoztatni, mivel maga az érzékelő táplálja ezt az áramot. Ez a jelenlegi fogyasztás és egyidejűleg egy mérőjel.

A 4 ... 20 mA-es érzékelők tápellátását be kell kapcsolni, amint az az 5. ábrán látható. Ugyanakkor a Zond-10 érzékelőknek, sok máshoz hasonlóan, az útlevél szerint a tápfeszültség széles tartománya 10 ... 38 V, bár ezeket leggyakrabban használják stabilizált források 24 V feszültséggel

5. ábra: Analóg érzékelő csatlakoztatása külső áramforráshoz

Az ábrán a következő elemek és jelölések találhatók. Rø a mérőrendszer ellenállása, Rl1 és Rl2 a kommunikációs vezetékek ellenállása. A mérési pontosság növelése érdekében precíziós mérőellenállást kell használni Rø-ként. Az áram áramlását az áramforrásból nyilak jelzik.

Könnyű belátni, hogy az áramforrás kimeneti árama átmenetileg a + 24 V-os kivezetésről, az Rl1 vonalon keresztül eléri a + AO2 érzékelő kivezetését, áthalad az érzékelőn és az érzékelő kimeneti kivezetésén - AO2, az Rl2 összekötő vezetéken keresztül, az Rø ellenállás visszatér a -24 V tápfeszültség-terminálra. Minden, az áramkör zárva van, az áram áramlik.

Ha a vezérlő 24 V tápegységet tartalmaz, akkor az érzékelő vagy a mérőátalakító csatlakoztatható a 6. ábrán bemutatott séma szerint.

6. ábra: Analóg érzékelő csatlakoztatása belső áramforrású vezérlőhöz

Ez az ábra egy másik elemet - az Rb előtét ellenállást - mutat. Ennek célja a mérési ellenállás védelme, ha a kommunikációs vonal zárva van, vagy az analóg érzékelő hibásan működik. Az RB ellenállás felszerelése opcionális, bár kívánatos.

A különféle érzékelőkön kívül az automatizálási rendszerekben gyakran használt mérési kimenetnek is van áramkimenete.

Mérőátalakító - olyan eszköz, amely például 220 V feszültséget vagy több tíz vagy száz amper áramot 4 ... 20 mA áramerőssé konvertál. Itt egy elektromos jelszint egyszerűen átalakul, és nem egy bizonyos fizikai mennyiség (sebesség, áramlási sebesség, nyomás) elektromos formában történő ábrázolása.

De az egyetlen érzékelő, általában, nem elég. Az egyik legnépszerűbb mérés a hőmérséklet és a nyomás mérése. Az ilyen pontok száma a modern gyártásban elérheti több tízezer. Ennek megfelelően az érzékelők száma is nagy. Ezért gyakran több analóg érzékelőt csatlakoztatnak egyszerre egy vezérlőhöz. Természetesen nem több ezer egyszerre, jó, ha egy tucat különbözik egymástól. Egy ilyen csatlakozást a 7. ábra mutat.

7. ábra: Több analóg érzékelő csatlakoztatása a vezérlőhöz

Ez az ábra azt mutatja, hogy miként nyerhető meg az aktuális jel egy digitális kódra konvertálásra alkalmas feszültség. Ha több ilyen jel van, akkor azokat nem dolgozza fel egyszerre, hanem idővel elválasztja, multiplexeli, különben külön-külön ADC-t kell elhelyezni minden csatornán.

Erre a célra a vezérlőnek van áramköri csatornái. A kapcsoló működési diagramját a 8. ábra mutatja.

8. ábra: Analóg szenzorcsatornák kapcsolója (kattintható kép)

Az áramhurok jeleit, amelyeket a mérési ellenálláson (UR1 ... URn) feszültségre konvertálnak, az analóg kapcsoló bemenetére továbbítják. A vezérlőjelek váltakozva haladnak az UR1 ... URn jelek egyikén, amelyeket az erősítő erősít, és amelyeket felváltva táplálnak az ADC bemenetre. A digitális kódra konvertált feszültséget a vezérlő táplálja.

A rendszer természetesen nagyon leegyszerűsített, de a multiplexálás elvét meglehetősen meg lehet fontolni. Így épült fel a Prolog Smolensk PC által épített MSTS vezérlőkből (hardver mikroprocesszoros rendszere) származó analóg jelek bevitelére szolgáló modul. Az MCTC vezérlő megjelenését a 9. ábra mutatja.

9. ábra. ICTS vezérlő

Az ilyen vezérlők szabadon bocsátását már régóta megszakították, bár egyes helyeken, a legjobbaktól távol, ezek a vezérlők még mindig szolgálnak. Ezeket a múzeumi kiállításakat új modellek, elsősorban importált (kínai) termékek ellenőrzőinek váltják fel.

4 ... 20 mA-es áramerősség-érzékelők csatlakoztatásához ajánlott kétvezetékes árnyékolt kábelt használni, amelynek magmagassága legalább 0,5 mm2.

Ha a vezérlőt egy fémszekrénybe szerelik, akkor ajánlott, hogy árnyékoló zsinórra csatlakoztassák a szekrény földpontját. Az összekötő vezetékek hossza meghaladhatja a két kilométert, amit a megfelelő képletekkel számolnak. Nem fogunk itt semmit megfontolni, de hidd el, hogy így van.

Új érzékelők, új vezérlők

Új vezérlők megjelenésével új HART analóg érzékelők (Autópálya címezhető távirányító), amely "Távérzékelőnek a csomagtartón keresztül történő mérése" fordítással jelent.

Az érzékelő (terepi eszköz) kimeneti jele egy 4 ... 20 mA tartományban lévő analóg áramjel, amelyre egy frekvenciamodulált (FSK - Frequency Shift Keying) digitális kommunikációs jel van egymással szétválasztva.

10. ábra. HART analóg érzékelő kimenete

Az ábra egy analóg jelet mutat, és körülötte, mint egy kígyó, egy szinuszos tekercs látható. Ez egy frekvencia-modulált jel.De ez egyáltalán nem digitális jel, ezt még fel kell ismerni. Az ábrán észrevehető, hogy a szinuszos frekvencia a logikai nulla átvitelénél magasabb (2,2KHz), mint az egység átvitelekor (1,2KHz). Ezen jelek továbbítását ± 0,5 mA szinuszos alakú amplitúdójú árammal hajtják végre.

Ismeretes, hogy a szinuszos jel átlagos értéke nulla, ezért a digitális információ továbbítása nem befolyásolja a 4 ... 20 mA érzékelő kimeneti áramát. Ez az üzemmód az érzékelők beállításához használható.

A HART kommunikáció kétféle módon zajlik. Az első esetben a szokásos, csak két eszköz képes információcserére kétvezetékes vonalon keresztül, míg a 4 ... 20 mA analóg kimeneti jel a mért értéktől függ. Ez az üzemmód a terepi eszközök (érzékelők) beállításához használható.

A második esetben legfeljebb 15 érzékelőt lehet csatlakoztatni a kétvezetékes vonalhoz, amelynek számát a kommunikációs vonal paraméterei és az áramellátás teljesítménye határozza meg. Ez egy multi-drop mód. Ebben az üzemmódban minden érzékelőnek saját címe van az 1 ... 15 tartományban, amelyen a vezérlőegység elérje azt.

A 0 című érzékelőt leválasztják a kommunikációs vonaltól. Az érzékelő és a vezérlőegység közötti adatcserét többpont üzemmódban csak egy frekvenciajel valósítja meg. Az érzékelő áramjele a kívánt szintre van rögzítve és nem változik.

Többpontos kommunikáció esetén az adatok nem csak a vezérelt paraméter mérésének tényleges eredményeit jelentik, hanem az összes szolgáltatási információ sorozatát is.

Mindenekelőtt ezek az érzékelők címei, vezérlőparancsok, beállítások. És ezt az információt kétvezetékes kommunikációs vonalon továbbítják. De lehet megszabadulni tőlük? Igaz, hogy ezt óvatosan kell megtenni, csak azokban az esetekben, amikor a vezeték nélküli kapcsolat nem befolyásolhatja a vezérelt folyamat biztonságát.

Kiderül, hogy megszabadulhat a vezetékektől. Már 2007-ben megjelent a WirelessHART szabvány, az átviteli közeg a 2,4 GHz-es engedély nélküli frekvencia, amely sok számítógépes vezeték nélküli eszközön fut, beleértve a vezeték nélküli helyi hálózatot is. Ezért a WirelessHART eszköz korlátozás nélkül használható. A 11. ábra a WirelessHART vezeték nélküli hálózatot mutatja.

11. ábra. Vezeték nélküli WirelessHART

Ezek a technológiák váltották fel a régi analóg áramhurkot. De nem feladja pozícióját, ahol csak lehetséges, széles körben használják.

Boris Aladyshkin