Дискретни сензори

Този алгоритъм ви позволява да избегнете удар при затваряне на матрицата, в противен случай тя може просто да бъде разделена на малки парчета. Същата промяна на скоростта настъпва при отваряне на матрицата. Тук вече два контактни сензора са незаменими.

Приложение на аналогови сензори

Фигура 2. Мост Уитстоун

Свързване на аналогови сензори

Аналогови сензорни изходи

Но случаят, като правило, не е достатъчен с един сензор. Някои от най-популярните измервания са измерване на температура и налягане. Броят на такива точки в съвременните производствени мощности може да достигне няколко десетки хиляди. Съответно и броят на сензорите е голям. Следователно няколко аналогови сензора често са свързани към един контролер наведнъж. Разбира се, не няколко хиляди наведнъж, добре е, ако една дузина е различна. Тази връзка е показана на фигура 7.

Фигура 7. Свързване на множество аналогови сензори към контролера

Тази фигура показва как се получава напрежение от токов сигнал, подходящ за преобразуване в цифров код. Ако има няколко такива сигнала, тогава те не се обработват наведнъж, а се разделят във времето, мултиплексират, в противен случай би трябвало да се инсталира отделен ADC на всеки канал.

За тази цел контролерът има верига за превключване на веригата. Функционалната схема на превключвателя е показана на фигура 8.

Фигура 8. Превключвател на канала на аналогов сензор (снимка с възможност за щракване)

Сигналите на токовия контур, преобразувани в напрежение през измервателния резистор (UR1 ... URn), се подават към входа на аналоговия ключ. Управляващите сигнали последователно преминават към изхода един от сигналите UR1 ... URn, които се усилват от усилвателя и последователно пристигат на входа на ADC. Преобразуваното в цифров код напрежение се подава към контролера.

Схемата, разбира се, е много опростена, но е напълно възможно да се разгледа принципът на мултиплексиране в нея. Приблизително така е изграден модулът за въвеждане на аналогови сигнали на MCTS контролери (микропроцесорна система от технически средства), произведени от PC Prolog в Смоленск.

Пускането на такива контролери отдавна е прекратено, въпреки че на някои места, далеч от най-добрите, тези контролери все още служат. Тези музейни експонати се заменят с нови модели контролери, предимно вносни (китайски).

Ако контролерът е монтиран в метален шкаф, препоръчително е плетеният щит да бъде свързан към точката за заземяване на шкафа. Дължината на свързващите линии може да достигне повече от два километра, което се изчислява по съответните формули. Тук няма да броим нищо, но повярвайте ми, това е така.

Нови сензори, нови контролери

С появата на нови контролери се появиха нови аналогови предаватели, работещи по протокола HART (Highway Addressable Remote Transducer), което се превежда като „Предавател, адресируем дистанционно през гръбнака“.

Изходният сигнал на сензора (полево устройство) е аналогов токов сигнал от обхвата 4…20mA, към който се наслагва честотно модулиран (FSK - Frequency Shift Keying) цифров комуникационен сигнал.

Известно е, че средната стойност на синусоидалния сигнал е равна на нула, следователно предаването на цифрова информация не влияе на изходния ток на сензора 4 ... 20 mA. Този режим се използва при конфигуриране на сензори.

HART комуникацията се осъществява по два начина. В първия случай, стандартният, само две устройства могат да обменят информация по двупроводна линия, докато аналоговият изходен сигнал 4 ... 20mA зависи от измерената стойност. Този режим се използва при конфигуриране на полеви устройства (сензори).

Във втория случай към двупроводната линия могат да бъдат свързани до 15 сензора, чийто брой се определя от параметрите на комуникационната линия и мощността на захранването. Това е режим на многоточкова комуникация. В този режим всеки сензор има свой собствен адрес в диапазона 1 ... 15, който се използва от управляващото устройство.

Сензорът с адрес 0 е изключен от комуникационната линия. Обменът на данни между сензора и управляващото устройство в многотоков режим се извършва само с честотен сигнал. Текущият сигнал на сензора е фиксиран на необходимото ниво и не се променя.

В случай на многоточкова комуникация, данните означават не само действителните резултати от измерването на контролирания параметър, но също така и цял набор от всякакъв вид служебна информация.

На първо място, това са адресите на сензорите, командите за управление, настройките. И цялата тази информация се предава по двужични комуникационни линии. Възможно ли е да се отървем и от тях? Вярно е, че това трябва да се прави внимателно, само в случаите, когато безжичната връзка не може да повлияе на сигурността на контролирания процес.

Тези технологии замениха стария аналогов токов контур. Но не се отказва от позициите си, широко се използва навсякъде, където е възможно.

В процеса на автоматизация на технологичните процеси за управление на механизми и агрегати трябва да се работи с измервания на различни физически величини. Това може да бъде температура, налягане и дебит на течност или газ, честота на въртене, интензитет на светлината, информация за положението на частите на механизмите и много други. Тази информация се получава с помощта на сензори. Тук първо за позицията на частите на механизмите.

Дискретни сензори

Най-простият сензор е обикновен механичен контакт: вратата е отворена - контактът е отворен, затворен - затворен. Такъв прост сензор, както и дадения алгоритъм на работа, често се използва в алармите за взлом. За механизъм с транслационно движение, който има две позиции, например воден клапан, ще ви трябват два контакта: единият контакт е затворен - клапанът е затворен, другият е затворен - той е затворен.

По-сложен алгоритъм на транслационно движение има механизъм за затваряне на матрицата на термопластична машина. Първоначално матрицата е отворена, това е началната позиция. В това положение готовите продукти се изваждат от формата. След това работникът затваря защитната ограда и калъпът започва да се затваря, започва нов работен цикъл.

Разстоянието между половините на формата е достатъчно голямо. Следователно, отначало матрицата се движи бързо и на определено разстояние, докато половините се затворят, се задейства крайният прекъсвач, скоростта на движение се намалява значително и матрицата се затваря плавно.

По този начин сензорите, базирани на контакт, са дискретни или двоични, имат две позиции, затворени - отворени, или 1 и 0. С други думи, можем да кажем, че е настъпило събитие или не. В горния пример контактите "улавят" няколко точки: началото на движението, точката на намаляване на скоростта, края на движението.

В геометрията точката няма размери, само точка и това е всичко. Може или да бъде (на лист хартия, в траекторията на движение, както в нашия случай), или просто да не съществува. Поради това се използват дискретни сензори за откриване на точки. Може би сравнението с точка тук не е много подходящо, защото за практически цели използват точността на дискретен сензор и тази точност е много по-голяма от геометрична точка.

Но механичният контакт сам по себе си не е надеждно нещо. Следователно, когато е възможно, механичните контакти се заменят със сензори за близост. Най-простият вариант са тръстиковите превключватели: магнитът се е приближил, контактът е затворен. Точността на работата на тръстиковия превключвател оставя много да се желае; използвайте такива сензори само за определяне на позицията на вратите.

Различните сензори за близост трябва да се считат за по-сложен и точен вариант. Ако металният флаг влезе в слота, сензорът се задейства. Като пример за такива сензори могат да се цитират сензори BVK (End Contactless Switch) от различни серии. Точността на реакция (диференциал на хода) на такива сензори е 3 милиметра.

Сензор от серия BVK

Фигура 1. Сензор от серия BVK

Захранващо напрежение на сензори BVK 24V, ток на натоварване 200mA, което е напълно достатъчно за свързване на междинни релета за по-нататъшна координация с управляващата верига. Ето как сензорите BVK се използват в различно оборудване.

В допълнение към сензорите BVK се използват и сензори от тип BTP, KVP, PIP, KVD, PISCH. Всяка серия има няколко вида сензори, обозначени с номера, например BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Всички споменати сензори са безконтактно дискретни, като основната им цел е да определят положението на части от механизми и възли. Естествено, има много повече от тези сензори и не е възможно да се пише за всички в една статия. Различните контактни сензори са още по-често срещани и все още намират широко приложение.

Приложение на аналогови сензори

В допълнение към дискретните сензори, аналоговите сензори се използват широко в системите за автоматизация. Тяхната цел е да получават информация за различни физически величини и то не просто така като цяло, а в реално време. По-точно трансформирането на физическа величина (налягане, температура, осветеност, дебит, напрежение, ток) в електрически сигнал, подходящ за предаване по комуникационни линии до контролера и по-нататъшната му обработка.

Аналоговите сензори обикновено са разположени достатъчно далеч от контролера, поради което често се наричат ​​полеви устройства. Този термин често се използва в техническата литература.

Аналоговият сензор обикновено се състои от няколко части. Най-важната част е чувствителният елемент - сензорът. Целта му е да преобразува измерената стойност в електрически сигнал. Но сигналът, получен от сензора, обикновено е малък. За да се получи сигнал, подходящ за усилване, сензорът най-често се свързва към мостова верига - мост на Уитстоун.

Уитстоун мост

Фигура 2. Мост Уитстоун

Първоначалната цел на мостовата верига е да измерва точно съпротивлението. Към диагонала на AD моста е свързан източник на постоянен ток. Чувствителен галванометър със средна точка, с нула в средата на скалата, е свързан към другия диагонал. За измерване на съпротивлението на резистора Rx чрез завъртане на тримера R2, мостът трябва да бъде балансиран, настройте иглата на галванометъра на нула.

Отклонението на стрелката на устройството в една или друга посока ви позволява да определите посоката на въртене на резистора R2. Стойността на измереното съпротивление се определя от скалата, подравнена с дръжката на резистора R2. Равновесното условие за моста е равенството на съотношенията R1 / R2 и Rx / R3. В този случай се получава нулева потенциална разлика между точките BC и ток не протича през галванометъра V.

Съпротивлението на резисторите R1 и R3 е избрано много точно, тяхното разпространение трябва да бъде минимално. Само в този случай дори малък дисбаланс в моста причинява достатъчно забележима промяна в напрежението на диагонала BC. Именно това свойство на моста се използва за свързване на сензорни елементи (сензори) на различни аналогови сензори. Е, тогава всичко е просто, въпрос на технология.

За да се използва сигналът, получен от сензора, е необходима по-нататъшната му обработка - усилване и преобразуване в изходен сигнал, подходящ за предаване и обработка от управляваща верига - контролер. Най-често изходният сигнал на аналоговите сензори е ток (аналогов токов контур), по-рядко напрежение.

Защо точно ток? Въпросът е, че изходните стъпала на аналоговите сензори се основават на източници на ток. Това ви позволява да се отървете от влиянието върху изходния сигнал на съпротивлението на свързващите линии, използвайте дълги свързващи линии.

По-нататъшното преобразуване е лесно. Токовият сигнал се преобразува в напрежение, за което е достатъчно токът да премине през резистор с известно съпротивление. Спадът на напрежението през измервателния резистор се получава съгласно закона на Ом U = I * R.

Например, за ток от 10 mA през резистор 100 Ohm, ще се получи напрежение 10 * 100 = 1000 mV, колкото 1 волт! В този случай изходният ток на сензора не зависи от съпротивлението на свързващите проводници. В разумни граници, разбира се.

Свързване на аналогови сензори

Напрежението, получено през измервателния резистор, може лесно да се преобразува в цифрова форма, подходяща за въвеждане в контролера. Преобразуването се извършва с помощта на аналогово-цифрови преобразуватели ADC.

Цифровите данни се предават към контролера чрез сериен или паралелен код. Всичко зависи от конкретната схема на свързване. Опростена схема на свързване на аналогов сензор е показана на фигура 3.

Свързване на аналогов сензор

Фигура 3. Свързване на аналогов сензор (щракнете върху снимката, за да я увеличите)

Задвижващите механизми са свързани към контролера или самият контролер е свързан към компютър, който е част от системата за автоматизация.

Естествено, аналоговите сензори имат завършен дизайн, един от елементите на който е корпус със свързващи елементи. Като пример, Фигура 4 показва външния вид на датчик за манометър тип Zond-10.

Сензор за манометър Zond-10

Фигура 4. Сензор за свръхналягане Zond-10

В долната част на сензора се вижда свързващата резба за свързване към тръбопровода, а вдясно под черния капак има конектор за свързване на комуникационната линия с контролера.

Връзката с резба се уплътнява с помощта на закалена медна шайба (включена в комплекта за доставка на сензора), а в никакъв случай не чрез навиване от фум лента или лен. Това се прави, за да не се деформира сензорният елемент, разположен вътре при монтажа на сензора.

Аналогови сензорни изходи

Според стандартите има три диапазона на токови сигнали: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA и 4 ... 20 mA. Каква е разликата между тях и какви са характеристиките?

Най-често зависимостта на изходния ток е право пропорционална на измерената стойност, например, колкото по-високо е налягането в тръбата, толкова по-голям е токът на изхода на сензора. Въпреки че понякога се използва обратно превключване: по-голям изходен ток съответства на минималната стойност на измерената стойност на изхода на сензора. Всичко зависи от вида на използвания контролер. Някои сензори дори имат директно към обратно превключване.

Изходният сигнал от диапазона 0 ... 5mA е много малък и следователно податлив на смущения. Ако сигналът на такъв сензор се колебае при постоянна стойност на измервания параметър, тогава има препоръка да се инсталира кондензатор с капацитет 0,1...1 µF успоредно на изхода на сензора. По-стабилен токов сигнал е в диапазона от 0 ... 20 mA.

Но и двата диапазона не са добри, тъй като нулата в началото на скалата не ни позволява да определим недвусмислено какво се е случило. Или измереният сигнал действително взе нулево ниво, което по принцип е възможно, или комуникационната линия просто е прекъсната? Поради това те се опитват да се откажат от използването на тези диапазони, ако е възможно.

Сигналът на аналогови сензори с изходен ток в диапазона от 4...20mA се счита за по-надежден. Неговата устойчивост на шум е доста висока, а долната граница, дори ако измереният сигнал има нулево ниво, ще бъде 4mA, което ни позволява да кажем, че комуникационната линия не е прекъсната.

Друга добра характеристика на диапазона 4 ... 20mA е, че сензорите могат да бъдат свързани само с два проводника, тъй като това е токът, който захранва самия сензор. Това е неговият ток на потребление и в същото време измервателен сигнал.

Захранването за сензори 4…20mA е включено, както е показано на фигура 5. В същото време сензорите Zond-10, както и много други, имат широк диапазон на захранващо напрежение 10…38V според паспорта, въпреки че са стабилизирани източници с напрежение 24V най-често се използват.

Свързване на аналогов сензор с външно захранване

Фигура 5. Свързване на аналогов сензор с външно захранване

Тази диаграма съдържа следните елементи и обозначения. Rsh е резисторът на измервателния шунт, Rl1 и Rl2 са съпротивленията на комуникационните линии. За да се повиши точността на измерването, трябва да се използва прецизен измервателен резистор като Rsh. Потокът на тока от захранването е показан със стрелки.

Лесно е да се види, че изходният ток на захранването преминава от клемата + 24V, през линията Rl1 достига клемата на сензора + AO2, преминава през сензора и през изходния контакт на сензора - AO2, свързващата линия Rl2, Rsh резисторът се връща към клемата за захранване -24V. Това е всичко, веригата е затворена, токът тече.

Ако контролерът съдържа 24V захранване, тогава сензорът или измервателният преобразувател могат да бъдат свързани съгласно диаграмата, показана на фигура 6.

Свързване на аналогов сензор към вътрешно захранван контролер

Фигура 6. Свързване на аналогов сензор към вътрешно захранван контролер

Тази диаграма показва още един елемент - баластен резистор Rb. Неговата цел е да защити измервателния резистор, когато комуникационната линия е затворена или аналоговият сензор откаже. Инсталирането на резистора Rb е по избор, въпреки че е желателно.

В допълнение към различни сензори, токовият изход се осигурява и от измервателни преобразуватели, които се използват доста често в системите за автоматизация.

Измервателен преобразувател - устройство за преобразуване на нива на напрежение, например 220V или ток от няколко десетки или стотици ампера в токов сигнал от 4 ... 20mA. Тук нивото на електрическия сигнал просто се преобразува, а не определена физическа величина (скорост, дебит, налягане) е представена в електрическа форма.

Но случаят, като правило, не е достатъчен с един сензор. Някои от най-популярните измервания са измерванията на температурата и налягането. Броят на такива точки в съвременните фабрики може да достигне няколко десетки

Прочетете същото

• Видове стенни лампи и характеристики на тяхното използване
• Относно потенциалната разлика, електродвижещата сила и напрежението
• Какво може да се определи от брояча, с изключение на консумацията на електроенергия
• Относно критериите за оценка на качеството на електрическите продукти
• Какво е по-добре за частна къща - еднофазен или трифазен вход?
• Как да изберем стабилизатор на напрежение за селска къща
• Ефект на Пелтие: магическият ефект на електрически ток
• Практиката за окабеляване и свързване на телевизионен кабел в апартамент - характеристики на процеса
• Проблеми с окабеляването: какво да правя и как да ги поправя?
• Флуоресцентни лампи T5: перспективи и проблеми на приложението
• Прибиращи се ленти за контакти: практика на използване и свързване
• Електронни усилватели. Част 2. Аудиочестотни усилватели
• Правилна работа на електрическото оборудване и окабеляване в селска къща
• Акценти на използването на безопасно напрежение в дома
• Основни инструменти и устройства за начинаещи за изучаване на електроника
• Кондензатори: предназначение, устройство, принцип на действие
• Какво е преходно контактно съпротивление и как да се справим с него
• Релета за напрежение: какво има, как да изберем и свържете?
• Какво е по-добре за частна къща - еднофазен или трифазен вход?
• Кондензатори в електронни схеми. Част 2. Междуетапна комуникация, филтри, генератори
• Как да осигурим комфорт, когато захранването е недостатъчно
• Когато купувате вендинг машина в магазин, как можете да сте сигурни, че тя е в изправност?
• Как да изберем размер на проводника за 12 волтови осветителни мрежи
• Метод за свързване на бойлер и помпа в случай на недостатъчна мощност на мрежата
• Индуктори и магнитни полета. Част 2. Електромагнитна индукция и индуктивност
• Операционни усилватели. Част 2. Идеален операционен усилвател
• Какво представляват микроконтролерите (предназначение, устройство, софтуер)
• Удължаване на живота на компактна флуоресцентна лампа (икономка)
• Схеми за превключване на операционни усилватели без обратна връзка
• Подмяна на ел. таблото на апартамента
• Защо медта и алуминият не могат да бъдат свързани в електрическо окабеляване?

От 50-те години на миналия век текущият контур се използва за предаване на данни от измервателни преобразуватели за целите на наблюдение и контрол. С ниска цена на изпълнение, висока устойчивост на шум и способност за предаване на сигнали на дълги разстояния, токовият контур се оказа особено удобен за работа в индустриална среда. Този материал е посветен на описанието на основните принципи на текущия цикъл, основите на дизайна, настройката.

Използване на ток за прехвърляне на данни от инвертора

Индустриалните сензори често използват токов сигнал за предаване на данни, за разлика от повечето други преобразуватели, като термодвойки или тензодатчици, които използват сигнално напрежение. Въпреки факта, че преобразувателите, използващи напрежение като параметър за пренос на информация, всъщност се използват ефективно в много индустриални задачи, има редица приложения, при които използването на токови характеристики е за предпочитане. Значителен недостатък при използване на напрежение за предаване на сигнал в промишлени условия е отслабването на сигнала по време на предаването му на дълги разстояния поради наличието на съпротивление на проводни комуникационни линии. Можете, разбира се, да използвате високия входен импеданс на устройствата, за да избегнете загуба на сигнал. Такива устройства обаче ще бъдат много чувствителни към шум, генериран от близки двигатели, задвижващи ремъци или предаватели.

Според първия закон на Кирхоф сумата от токовете, вливащи се във възел, е равна на сумата от токовете, изтичащи от възел.
На теория токът, протичащ в началото на веригата, трябва да достигне своя край напълно,
както е показано на фигура 1. 1.

Фиг. 1. В съответствие с първия закон на Кирхоф, токът в началото на веригата е равен на тока в нейния край.

Това е основният принцип, на който работи измервателният контур.Измерването на тока навсякъде в текущата верига (измервателен контур) дава същия резултат. Чрез използването на токови сигнали с нисък импеданс и приемници за събиране на данни, индустриалните приложения могат да се възползват значително от подобрената устойчивост на шум и увеличената дължина на връзката.

Компоненти на токов контур
Основните компоненти на токовия контур включват DC захранване, първичен преобразувател, устройство за събиране на данни и проводници, свързващи ги в един ред, както е показано на фигура 2.

Фиг. 2. Функционална диаграма на текущия цикъл.

DC захранване осигурява захранване на системата. Предавателят регулира тока в проводниците в диапазона от 4 до 20 mA, където 4 mA представлява жива нула, а 20 mA представлява максималния сигнал.
0 mA (без ток) означава отворена верига. Колекторът на данни измерва стойността на регулирания ток. Ефективен и точен метод за измерване на тока е да се инсталира прецизен резисторен шунт на входа на измервателния усилвател на устройството за събиране на данни (на фиг. 2) за преобразуване на тока в измервателно напрежение, за да се получи в крайна сметка резултат, който недвусмислено отразява сигнала на изхода на преобразувателя.

За да ви помогнем да разберете по-добре принципа на текущия цикъл, помислете например за дизайн на системата с преобразувател, който има следните спецификации:

Преобразувателят се използва за измерване на налягането
Предавател, разположен на 2000 фута от измервателното устройство
Токът, измерен от колектора на данни, предоставя на оператора информация за количеството налягане, приложено към предавателя.

Нека започнем с избора на подходящ преобразувател.

Текущ дизайн на системата

Избор на конвертор

Първата стъпка в проектирането на текуща система е изборът на преобразувател. Независимо от вида на измерваната стойност (дебит, налягане, температура и др.), важен фактор при избора на трансмитер е неговото работно напрежение. Само свързването на захранването към преобразувателя дава възможност да се регулира количеството на тока в комуникационната линия. Стойността на напрежението на захранването трябва да бъде в допустими граници: повече от минималната необходима, по-малка от максималната стойност, което може да доведе до повреда на инвертора.

За текущата система, показана в примера, избраният преобразувател измерва налягане и има работно напрежение от 12 до 30 V. Когато преобразувателят е избран, е необходимо правилно да се измери текущия сигнал, за да се осигури точно представяне на налягането, приложено към предавателя.

Избор на устройство за събиране на данни за измерване на тока

Важен аспект, на който трябва да се обърне внимание при изграждането на токова система, е да се предотврати появата на токов контур в заземяващата верига. Често срещана техника в такива случаи е изолацията. Използвайки изолация, можете да избегнете влиянието на заземяващия контур, чието възникване е обяснено на фиг. 3.

Фиг. 3. Заземителен контур

Заземяващите контури се образуват, когато два терминала са свързани във верига на различни потенциални места. Тази разлика води до появата на допълнителен ток в комуникационната линия, което може да доведе до грешки в измерванията.
Изолацията на придобиване се отнася до електрическото разделяне на земята на източника на сигнал от земята на входния усилвател на измервателното устройство, както е показано на фигура 4.

Тъй като ток не може да протича през изолационната бариера, точките на заземяване на усилвателя и източника на сигнал са с еднакъв потенциал. Това елиминира възможността за неволно създаване на заземителен контур.

Фиг. 4. Синфазно напрежение и напрежение на сигнала в изолирана верига

Изолацията също така предотвратява повреда на колектора на данни при наличие на високи напрежения в общ режим. Общият режим е напрежение с една и съща полярност, което присъства и на двата входа на инструменталния усилвател. Например на фиг.4. както положителните (+), така и отрицателните (-) входове на усилвателя имат +14 V напрежение в общ режим. Много колектори на данни имат максимален входен обхват от ± 10 V. Ако колекторът на данни не е изолиран и напрежението в общ режим е извън максималния входен диапазон, можете да повредите устройството. Въпреки че нормалното (сигнално) напрежение на входа на усилвателя на фигура 4 е само +2 V, добавянето на +14 V може да доведе до +16 V
(Сигналното напрежение е напрежението между "+" и "-" на усилвателя, работното напрежение е сумата от нормалното и синфазното напрежение), което представлява опасно ниво на напрежение за колектори с по-ниски работни напрежения.

С изолация общата точка на усилвателя е електрически отделена от заземяващия еталон. Във веригата на фигура 4 потенциалът в общата точка на усилвателя се "повдига" до ниво от +14 V. Тази техника води до факта, че стойността на входното напрежение пада от 16 на 2 V. Сега данните събиране, устройството вече не е изложено на риск от повреда от пренапрежение. (Обърнете внимание, че изолаторите имат максималното честотно напрежение, което могат да отхвърлят.)

След като колекторът на данни е изолиран и защитен, последната стъпка в завършването на текущия цикъл е да изберете подходящо захранване.

Избор на захранване

Лесно е да определите кое захранване най-добре отговаря на вашите нужди. Когато работите в токов контур, захранването трябва да доставя напрежение, равно или по-голямо от сумата от спада на напрежението във всички елементи на системата.

Колекторът на данни в нашия пример използва прецизен шунт за измерване на тока.
Необходимо е да се изчисли падането на напрежението на този резистор. Типичният шунтиращ резистор има съпротивление от 249 Ω. Основни изчисления за диапазон на тока в токов контур от 4 .. 20 mA
покажете следното:

I * R = U
0,004A * 249Ω = 0,996 V
0,02A * 249Ω = 4,98 V

С шунт със съпротивление 249 Ω можем да премахнем напрежение в диапазона от 1 до 5 V, като свържем напрежението на входа на колектора на данни със стойността на изходния сигнал на преобразувателя за налягане.
Както бе споменато, преобразувателят за налягане изисква минимално работно напрежение от 12 V с максимум 30 V. Добавянето на спада на напрежението през прецизния шунтиращ резистор към работното напрежение на трансдюсера дава следното:

12V + 5V = 17V

На пръв поглед е достатъчно напрежение от 17 V. Необходимо е обаче да се вземе предвид допълнителното натоварване на захранването, което се създава от проводници, които имат електрическо съпротивление.
В случаите, когато сензорът е далеч от измервателните уреди, трябва да вземете предвид коефициента на съпротивление на проводника при изчисляване на токовия контур. Медните проводници имат DC съпротивление, което е право пропорционално на тяхната дължина. С датчика за налягане в този пример трябва да вземете предвид дължината на връзката от 2000 фута, когато определяте работното напрежение на захранването. Линейно съпротивление на плътен меден кабел 2,62 Ω / 100 ft. Отчитането на това съпротивление дава следното:

Съпротивлението на едно ядро ​​с дължина 2000 фута е 2000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Спадът на напрежението в едно ядро ​​ще бъде 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
За да завършите веригата, са необходими два проводника, след което дължината на комуникационната линия се удвоява и
общият спад на напрежението ще бъде 2,096 V. Това води до около 2,1 V поради разстоянието от 2000 фута от предавателя до надолу по веригата. Сумирайки спадовете на напрежението във всички елементи на веригата, получаваме:
2,096V + 12V + 5V = 19,096V

Ако сте използвали 17 V за захранване на тази верига, тогава напрежението, подавано към преобразувателя за налягане, ще бъде под минималното работно напрежение поради спада в съпротивлението на проводника и шунтиращия резистор. Изборът на типично 24V захранване ще задоволи изискванията за мощност на преобразувателя. Освен това има резерв за напрежение, за да се постави сензорът за налягане на по-голямо разстояние.

С избора на правилния трансдюсер, устройство за събиране, дължини на кабела и захранване, дизайнът на простия токов контур е завършен. За по-сложни приложения можете да включите допълнителни канали за измерване в системата.

В процеса на автоматизация на технологичните процеси за управление на механизми и агрегати трябва да се работи с измервания на различни физически величини. Това може да бъде температура, налягане и дебит на течност или газ, честота на въртене, интензитет на светлината, информация за положението на частите на механизмите и много други. Тази информация се получава с помощта на сензори. Тук първо за позицията на частите на механизмите.

Дискретни сензори

Най-простият сензор е обикновен механичен контакт: вратата е отворена - контактът е отворен, затворен - затворен. Такъв прост сензор, както и дадения алгоритъм на работа, е често. За механизъм с транслационно движение, който има две позиции, например воден клапан, ще ви трябват два контакта: единият контакт е затворен - клапанът е затворен, другият е затворен - той е затворен.

По-сложен алгоритъм на транслационно движение има механизъм за затваряне на матрицата на термопластична машина. Първоначално матрицата е отворена, това е началната позиция. В това положение готовите продукти се изваждат от формата. След това работникът затваря защитната ограда и калъпът започва да се затваря, започва нов работен цикъл.

Разстоянието между половините на формата е достатъчно голямо. Следователно, отначало матрицата се движи бързо и на определено разстояние, докато половините се затворят, се задейства крайният прекъсвач, скоростта на движение се намалява значително и матрицата се затваря плавно.

Този алгоритъм ви позволява да избегнете удар при затваряне на матрицата, в противен случай тя може просто да бъде разделена на малки парчета. Същата промяна на скоростта настъпва при отваряне на матрицата. Тук вече два контактни сензора са незаменими.

По този начин сензорите, базирани на контакт, са дискретни или двоични, имат две позиции, затворени - отворени, или 1 и 0. С други думи, можем да кажем, че е настъпило събитие или не. В горния пример контактите "улавят" няколко точки: началото на движението, точката на намаляване на скоростта, края на движението.

В геометрията точката няма размери, само точка и това е всичко. Може или да бъде (на лист хартия, в траекторията на движение, както в нашия случай), или просто да не съществува. Поради това се използват дискретни сензори за откриване на точки. Може би сравнението с точка тук не е много подходящо, защото за практически цели използват точността на дискретен сензор и тази точност е много по-голяма от геометрична точка.

Но механичният контакт сам по себе си не е надеждно нещо. Следователно, когато е възможно, механичните контакти се заменят със сензори за близост. Най-простият вариант са тръстиковите превключватели: магнитът се е приближил, контактът е затворен. Точността на работата на тръстиковия превключвател оставя много да се желае; използвайте такива сензори само за определяне на позицията на вратите.

Различните сензори за близост трябва да се считат за по-сложен и точен вариант. Ако металният флаг влезе в слота, сензорът се задейства. Като пример за такива сензори могат да се цитират сензори BVK (End Contactless Switch) от различни серии. Точността на реакция (диференциал на хода) на такива сензори е 3 милиметра.

Фигура 1. Сензор от серия BVK

Захранващо напрежение на сензори BVK 24V, ток на натоварване 200mA, което е напълно достатъчно за свързване на междинни релета за по-нататъшна координация с управляващата верига. Ето как сензорите BVK се използват в различно оборудване.

В допълнение към сензорите BVK се използват и сензори от тип BTP, KVP, PIP, KVD, PISCH. Всяка серия има няколко вида сензори, обозначени с номера, например BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Всички споменати сензори са безконтактно дискретни, като основната им цел е да определят положението на части от механизми и възли. Естествено, има много повече от тези сензори и не е възможно да се пише за всички в една статия. Различните контактни сензори са още по-често срещани и все още намират широко приложение.

Приложение на аналогови сензори

В допълнение към дискретните сензори, аналоговите сензори се използват широко в системите за автоматизация. Тяхната цел е да получават информация за различни физически величини и то не просто така като цяло, а в реално време. По-точно трансформирането на физическа величина (налягане, температура, осветеност, дебит, напрежение, ток) в електрически сигнал, подходящ за предаване по комуникационни линии до контролера и по-нататъшната му обработка.

Аналоговите сензори обикновено са разположени достатъчно далеч от контролера, поради което често се наричат полеви устройства... Този термин често се използва в техническата литература.

Аналоговият сензор обикновено се състои от няколко части. Най-важната част е сензорният елемент - сензор... Целта му е да преобразува измерената стойност в електрически сигнал. Но сигналът, получен от сензора, обикновено е малък. За да се получи сигнал, подходящ за усилване, сензорът най-често се включва в мостова верига - Уитстоун мост.

Фигура 2. Мост Уитстоун

Първоначалната цел на мостовата верига е да измерва точно съпротивлението. Към диагонала на AD моста е свързан източник на постоянен ток. Чувствителен галванометър със средна точка, с нула в средата на скалата, е свързан към другия диагонал. За измерване на съпротивлението на резистора Rx чрез завъртане на тримера R2, мостът трябва да бъде балансиран, настройте иглата на галванометъра на нула.

Отклонението на стрелката на устройството в една или друга посока ви позволява да определите посоката на въртене на резистора R2. Стойността на измереното съпротивление се определя от скалата, подравнена с дръжката на резистора R2. Равновесното условие за моста е равенството на съотношенията R1 / R2 и Rx / R3. В този случай се получава нулева потенциална разлика между точките BC и ток не протича през галванометъра V.

Съпротивлението на резисторите R1 и R3 е избрано много точно, тяхното разпространение трябва да бъде минимално. Само в този случай дори малък дисбаланс в моста причинява достатъчно забележима промяна в напрежението на диагонала BC. Именно това свойство на моста се използва за свързване на сензорни елементи (сензори) на различни аналогови сензори. Е, тогава всичко е просто, въпрос на технология.

За да се използва сигналът, получен от сензора, е необходима по-нататъшната му обработка - усилване и преобразуване в изходен сигнал, подходящ за предаване и обработка от управляващата верига - контролер... Най-често изходният сигнал на аналоговите сензори е ток (аналогов токов контур), по-рядко напрежение.

Защо точно ток? Въпросът е, че изходните стъпала на аналоговите сензори се основават на източници на ток. Това ви позволява да се отървете от влиянието върху изходния сигнал на съпротивлението на свързващите линии, използвайте дълги свързващи линии.

По-нататъшното преобразуване е лесно. Токовият сигнал се преобразува в напрежение, за което е достатъчно токът да премине през резистор с известно съпротивление. Спадът на напрежението през измервателния резистор се получава съгласно закона на Ом U = I * R.

Например, за ток от 10 mA през резистор 100 Ohm, ще се получи напрежение 10 * 100 = 1000 mV, колкото 1 волт! В този случай изходният ток на сензора не зависи от съпротивлението на свързващите проводници. В разумни граници, разбира се.

Свързване на аналогови сензори

Напрежението, получено през измервателния резистор, може лесно да се преобразува в цифрова форма, подходяща за въвеждане в контролера. Преобразуването се извършва с аналогово-цифрови преобразуватели ADC.

Цифровите данни се предават към контролера чрез сериен или паралелен код. Всичко зависи от конкретната схема на свързване. Опростена схема на свързване на аналогов сензор е показана на фигура 3.

Фигура 3. Свързване на аналогов сензор (щракнете върху снимката, за да я увеличите)

Задвижващите механизми са свързани към контролера или самият контролер е свързан към компютър, който е част от системата за автоматизация.

Естествено, аналоговите сензори имат завършен дизайн, един от елементите на който е корпус със свързващи елементи. Като пример, Фигура 4 показва външния вид на датчик за манометър тип Zond-10.

Фигура 4. Сензор за свръхналягане Zond-10

В долната част на сензора се вижда свързващата резба за свързване към тръбопровода, а вдясно под черния капак има конектор за свързване на комуникационната линия с контролера.

Връзката с резба се уплътнява с помощта на закалена медна шайба (включена в комплекта за доставка на сензора), а в никакъв случай не чрез навиване от фум лента или лен. Това се прави, за да не се деформира сензорният елемент, разположен вътре при монтажа на сензора.

Аналогови сензорни изходи

Според стандартите има три диапазона на токови сигнали: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA и 4 ... 20 mA. Каква е разликата между тях и какви са характеристиките?

Най-често зависимостта на изходния ток е право пропорционална на измерената стойност, например, колкото по-високо е налягането в тръбата, толкова по-голям е токът на изхода на сензора. Въпреки че понякога се използва обратно превключване: по-голям изходен ток съответства на минималната стойност на измерената стойност на изхода на сензора. Всичко зависи от вида на използвания контролер. Някои сензори дори имат директно към обратно превключване.

Изходният сигнал от диапазона 0 ... 5mA е много малък и следователно податлив на смущения. Ако сигналът на такъв сензор се колебае при постоянна стойност на измервания параметър, тогава има препоръка да се инсталира кондензатор с капацитет 0,1...1 µF успоредно на изхода на сензора. По-стабилен токов сигнал е в диапазона от 0 ... 20 mA.

Но и двата диапазона не са добри, тъй като нулата в началото на скалата не ни позволява да определим недвусмислено какво се е случило. Или измереният сигнал действително взе нулево ниво, което по принцип е възможно, или комуникационната линия просто е прекъсната? Поради това те се опитват да се откажат от използването на тези диапазони, ако е възможно.

Сигналът на аналогови сензори с изходен ток в диапазона от 4...20mA се счита за по-надежден. Неговата устойчивост на шум е доста висока, а долната граница, дори ако измереният сигнал има нулево ниво, ще бъде 4mA, което ни позволява да кажем, че комуникационната линия не е прекъсната.

Друга добра характеристика на диапазона 4 ... 20mA е, че сензорите могат да бъдат свързани само с два проводника, тъй като това е токът, който захранва самия сензор. Това е неговият ток на потребление и в същото време измервателен сигнал.

Захранването за сензори 4…20mA е включено, както е показано на фигура 5. В същото време сензорите Zond-10, както и много други, имат широк диапазон на захранващо напрежение 10…38V според паспорта, въпреки че са най-често се използва с напрежение 24V.

Фигура 5. Свързване на аналогов сензор с външно захранване

Тази диаграма съдържа следните елементи и обозначения. Rsh е резисторът на измервателния шунт, Rl1 и Rl2 са съпротивленията на комуникационните линии. За да се повиши точността на измерването, трябва да се използва прецизен измервателен резистор като Rsh. Потокът на тока от захранването е показан със стрелки.

Лесно е да се види, че изходният ток на захранването преминава от клемата + 24V, през линията Rl1 достига клемата на сензора + AO2, преминава през сензора и през изходния контакт на сензора - AO2, свързващата линия Rl2, Rsh резисторът се връща към клемата за захранване -24V. Това е всичко, веригата е затворена, токът тече.

Ако контролерът съдържа 24V захранване, тогава сензорът или измервателният преобразувател могат да бъдат свързани съгласно диаграмата, показана на фигура 6.

Фигура 6. Свързване на аналогов сензор към вътрешно захранван контролер

Тази диаграма показва още един елемент - баластен резистор Rb. Неговата цел е да защити измервателния резистор, когато комуникационната линия е затворена или аналоговият сензор откаже. Инсталирането на резистора Rb е по избор, въпреки че е желателно.

В допълнение към различни сензори, токовият изход се осигурява и от измервателни преобразуватели, които се използват доста често в системите за автоматизация.

Измервателен преобразувател- устройство за преобразуване на нива на напрежение, например 220V или ток от няколко десетки или стотици ампера в токов сигнал от 4 ... 20mA. Тук нивото на електрическия сигнал просто се преобразува, а не определена физическа величина (скорост, дебит, налягане) е представена в електрическа форма.

Но случаят, като правило, не е достатъчен с един сензор. Някои от най-популярните измервания са измерване на температура и налягане. Броят на такива точки в съвременните производствени мощности може да достигне няколко десетки хиляди. Съответно и броят на сензорите е голям. Следователно няколко аналогови сензора често са свързани към един контролер наведнъж. Разбира се, не няколко хиляди наведнъж, добре е, ако една дузина е различна. Тази връзка е показана на фигура 7.

Фигура 7. Свързване на множество аналогови сензори към контролера

Тази фигура показва как се получава напрежение от токов сигнал, подходящ за преобразуване в цифров код. Ако има няколко такива сигнала, тогава те не се обработват наведнъж, а се разделят във времето, мултиплексират, в противен случай би трябвало да се инсталира отделен ADC на всеки канал.

За тази цел контролерът има верига за превключване на веригата. Функционалната схема на превключвателя е показана на фигура 8.

Фигура 8. Превключвател на канала на аналогов сензор (снимка с възможност за щракване)

Сигналите на токовия контур, преобразувани в напрежение през измервателния резистор (UR1 ... URn), се подават към входа на аналоговия ключ. Управляващите сигнали последователно преминават към изхода един от сигналите UR1 ... URn, които се усилват от усилвателя и последователно пристигат на входа на ADC. Преобразуваното в цифров код напрежение се подава към контролера.

Схемата, разбира се, е много опростена, но е напълно възможно да се разгледа принципът на мултиплексиране в нея. Приблизително така е изграден модулът за въвеждане на аналогови сигнали на MCTS контролери (микропроцесорна система от технически средства), произведени от PC Prolog в Смоленск. Външният изглед на MCTS контролера е показан на фигура 9.

Фигура 9. MCTS контролер

Пускането на такива контролери отдавна е прекратено, въпреки че на някои места, далеч от най-добрите, тези контролери все още служат. Тези музейни експонати се заменят с нови модели контролери, предимно вносни (китайски).

Ако контролерът е монтиран в метален шкаф, препоръчително е плетеният щит да бъде свързан към точката за заземяване на шкафа. Дължината на свързващите линии може да достигне повече от два километра, което се изчислява по съответните формули. Тук няма да броим нищо, но повярвайте ми, това е така.

Нови сензори, нови контролери

С появата на нови контролери и нови аналогови HART предавателиДистанционен преобразувател с адресируем по магистрала.

Изходният сигнал на сензора (полево устройство) е аналогов токов сигнал от обхвата 4…20mA, към който се наслагва честотно модулиран (FSK - Frequency Shift Keying) цифров комуникационен сигнал.

Фигура 10. Изходен сигнал на аналоговия предавател на HART

Фигурата показва аналогов сигнал, а около него, като змия, се навива синусоида. Това е честотно модулиран сигнал. Но това изобщо не е цифров сигнал, той все още не е разпознат. На фигурата се забелязва, че честотата на синусоидата при предаване на логическа нула е по-висока (2.2KHz), отколкото при предаване на единица (1.2KHz). Тези сигнали се предават от синусоидален ток с амплитуда ± 0,5 mA.

Известно е, че средната стойност на синусоидалния сигнал е равна на нула, следователно предаването на цифрова информация не влияе на изходния ток на сензора 4 ... 20 mA. Този режим се използва при конфигуриране на сензори.

HART комуникацията се осъществява по два начина. В първия случай, стандартният, само две устройства могат да обменят информация по двупроводна линия, докато аналоговият изходен сигнал 4 ... 20mA зависи от измерената стойност. Този режим се използва при конфигуриране на полеви устройства (сензори).

Във втория случай към двупроводната линия могат да бъдат свързани до 15 сензора, чийто брой се определя от параметрите на комуникационната линия и мощността на захранването. Това е режим на многоточкова комуникация. В този режим всеки сензор има свой собствен адрес в диапазона 1 ... 15, който се използва от управляващото устройство.

Сензорът с адрес 0 е изключен от комуникационната линия. Обменът на данни между сензора и управляващото устройство в многотоков режим се извършва само с честотен сигнал. Текущият сигнал на сензора е фиксиран на необходимото ниво и не се променя.

В случай на многоточкова комуникация, данните означават не само действителните резултати от измерването на контролирания параметър, но също така и цял набор от всякакъв вид служебна информация.

На първо място, това са адресите на сензорите, командите за управление, настройките. И цялата тази информация се предава по двужични комуникационни линии. Възможно ли е да се отървем и от тях? Вярно е, че това трябва да се прави внимателно, само в случаите, когато безжичната връзка не може да повлияе на сигурността на контролирания процес.

Оказва се, че можете да се отървете от жиците. Още през 2007 г. беше публикуван стандартът WirelessHART, предавателната среда е нелицензираната честота 2,4 GHz, на която работят много компютърни безжични устройства, включително безжични локални мрежи. Следователно WirelessHART устройствата могат да се използват без ограничения. Фигура 11 показва безжична мрежа WirelessHART.

Фигура 11. WirelessHART мрежа

Тези технологии замениха стария аналогов токов контур. Но не се отказва от позициите си, широко се използва навсякъде, където е възможно.