Diskretni senzori

Ovaj algoritam omogućuje izbjegavanje udara prilikom zatvaranja kalupa, inače se može jednostavno podijeliti na male komadiće. Ista promjena brzine događa se kada se kalup otvori. Ovdje su već dva kontaktna senzora neophodna.

Primjena analognih senzora

Slika 2. Wheatstoneov most

Spajanje analognih senzora

Analogni izlazi senzora

Ali kućište, u pravilu, nije dovoljno s jednim senzorom. Neka od najpopularnijih mjerenja su mjerenja temperature i tlaka. Broj takvih točaka u modernim proizvodnim pogonima može doseći nekoliko desetaka tisuća. U skladu s tim, broj senzora je također velik. Stoga je nekoliko analognih senzora često spojeno na jedan kontroler odjednom. Naravno, ne nekoliko tisuća odjednom, dobro je ako je desetak drugačije. Ova veza je prikazana na slici 7.

Slika 7. Povezivanje više analognih senzora na kontroler

Ova slika pokazuje kako se iz strujnog signala dobiva napon, pogodan za pretvorbu u digitalni kod. Ako postoji više takvih signala, onda se ne obrađuju svi odjednom, već se vremenski dijele, multipleksiraju, inače bi na svakom kanalu morao biti instaliran zasebni ADC.

U tu svrhu, regulator ima sklop za uključivanje kruga. Funkcionalni dijagram prekidača prikazan je na slici 8.

Slika 8. Prekidač kanala analognog senzora (slika koja se može kliknuti)

Signali strujne petlje pretvoreni u napon na mjernom otporniku (UR1 ... URn) dovode se na ulaz analogne sklopke. Upravljački signali naizmjenično prelaze na izlaz jedan od signala UR1 ... URn, koji pojačava pojačava, a naizmjenično dolaze na ulaz ADC-a. Napon pretvoren u digitalni kod dovodi se do regulatora.

Shema je, naravno, vrlo pojednostavljena, ali u njoj je sasvim moguće razmotriti princip multipleksiranja. Tako je otprilike izgrađen modul za unos analognih signala MCTS kontrolera (mikroprocesorski sustav tehničkih sredstava) proizvođača Prolog PC u Smolensku.

Izdavanje takvih kontrolera odavno je prekinuto, iako na nekim mjestima, daleko od najboljih, ti kontroleri još uvijek služe. Ove muzejske eksponate zamjenjuju novi modeli kontrolera, uglavnom iz uvoza (kineski).

Ako je regulator montiran u metalni ormarić, preporuča se da se pleteni štit spoji na točku uzemljenja ormara. Duljina spojnih vodova može doseći više od dva kilometra, što se izračunava prema odgovarajućim formulama. Ovdje nećemo ništa računati, ali vjerujte, tako je.

Novi senzori, novi kontroleri

Dolaskom novih kontrolera pojavili su se i novi analogni odašiljači koji rade na HART protokolu (Highway Addressable Remote Transducer), što u prijevodu znači "Odašiljač, adresiran na daljinu kroz okosnicu".

Izlazni signal senzora (poljskog uređaja) je analogni strujni signal raspona 4…20 mA, na koji je superponiran frekvencijski modulirani (FSK - Frequency Shift Keying) digitalni komunikacijski signal.

Poznato je da je prosječna vrijednost sinusoidnog signala jednaka nuli, stoga prijenos digitalnih informacija ne utječe na izlaznu struju senzora od 4 ... 20 mA. Ovaj način rada koristi se prilikom konfiguriranja senzora.

HART komunikacija se odvija na dva načina. U prvom slučaju, standardnom, samo dva uređaja mogu razmjenjivati ​​informacije putem dvožične linije, dok analogni izlazni signal 4...20mA ovisi o izmjerenoj vrijednosti. Ovaj način rada koristi se pri konfiguriranju terenskih uređaja (senzora).

U drugom slučaju, na dvožičnu liniju može se spojiti do 15 senzora, čiji je broj određen parametrima komunikacijske linije i snagom napajanja. Ovo je način komunikacije s više točaka. U ovom načinu rada svaki senzor ima svoju adresu u rasponu od 1 ... 15, koju koristi upravljački uređaj.

Senzor s adresom 0 je isključen iz komunikacijske linije. Razmjena podataka između senzora i upravljačkog uređaja u višestrukom načinu rada provodi se samo s frekvencijskim signalom. Trenutni signal senzora je fiksiran na traženoj razini i ne mijenja se.

U slučaju komunikacije s više točaka, podaci ne podrazumijevaju samo stvarne rezultate mjerenja kontroliranog parametra, već i cijeli skup svih vrsta servisnih informacija.

Prije svega, to su adrese senzora, upravljačke naredbe, postavke. I sve te informacije prenose se dvožičnim komunikacijskim linijama. Je li se i njih moguće riješiti? Istina, to treba učiniti pažljivo, samo u slučajevima kada bežična veza ne može utjecati na sigurnost kontroliranog procesa.

Te su tehnologije zamijenile staru analognu strujnu petlju. Ali ne odustaje od svojih pozicija, naširoko se koristi gdje god je to moguće.

U procesu automatizacije tehnoloških procesa za upravljanje mehanizmima i jedinicama potrebno je pozabaviti se mjerenjima različitih fizikalnih veličina. To može biti temperatura, tlak i brzina protoka tekućine ili plina, frekvencija rotacije, intenzitet svjetla, informacije o položaju dijelova mehanizama i još mnogo toga. Ove informacije se dobivaju pomoću senzora. Ovdje prvo o položaju dijelova mehanizama.

Diskretni senzori

Najjednostavniji senzor je običan mehanički kontakt: vrata su otvorena - kontakt otvoren, zatvoren - zatvoren. Takav jednostavan senzor, kao i zadani algoritam rada, često se koristi u protuprovalnim alarmima. Za mehanizam s translatornim kretanjem, koji ima dva položaja, na primjer, vodeni ventil, trebat će vam dva kontakta: jedan kontakt je zatvoren - ventil je zatvoren, drugi je zatvoren - zatvoren je.

Složeniji algoritam translacijskog kretanja ima mehanizam za zatvaranje kalupa termoplastičnog stroja. U početku je kalup otvoren, ovo je početna pozicija. U tom položaju gotovi proizvodi se vade iz kalupa. Tada radnik zatvara zaštitnu ogradu i kalup se počinje zatvarati, počinje novi ciklus rada.

Razmak između polovica kalupa je dovoljno velik. Stoga se u početku kalup brzo kreće, a na određenoj udaljenosti dok se polovice ne zatvore, aktivira se granični prekidač, brzina kretanja se značajno smanjuje i kalup se glatko zatvara.

Dakle, senzori bazirani na kontaktu su diskretni ili binarni, imaju dva položaja, zatvoreno - otvoreno ili 1 i 0. Drugim riječima, možemo reći da se događaj dogodio ili ne. U gornjem primjeru kontakti "hvataju" nekoliko točaka: početak kretanja, točku smanjenja brzine, kraj kretanja.

U geometriji, točka nema nikakve dimenzije, samo točka i to je to. Može biti (na komadu papira, u putanji kretanja, kao u našem slučaju) ili jednostavno ne postoji. Stoga se za detekciju točaka koriste diskretni senzori. Možda usporedba s točkom ovdje nije baš prikladna, jer u praktične svrhe koriste točnost diskretnog senzora, a ta je točnost puno veća od geometrijske točke.

Ali mehanički kontakt sam po sebi nije pouzdana stvar. Stoga, gdje god je to moguće, mehanički kontakti zamjenjuju se senzorima blizine. Najjednostavnija opcija su reed prekidači: magnet se približio, kontakt je zatvoren. Točnost rada reed prekidača ostavlja mnogo da se poželi; koristite takve senzore samo za određivanje položaja vrata.

Različite senzore blizine treba smatrati složenijom i točnijom opcijom. Ako je metalna zastavica ušla u utor, senzor se aktivirao. Kao primjer takvih senzora mogu se navesti BVK (End Contactless Switch) senzori raznih serija. Točnost odziva (diferencijal putovanja) takvih senzora je 3 milimetra.

Senzor serije BVK

Slika 1. Senzor serije BVK

Napon napajanja senzora BVK 24V, struja opterećenja 200mA, što je sasvim dovoljno za spajanje međureleja za daljnju koordinaciju s upravljačkim krugom. Tako se BVK senzori koriste u raznim uređajima.

Osim BVK senzora, koriste se i senzori tipa BTP, KVP, PIP, KVD, PISCH. Svaka serija ima nekoliko tipova senzora, označenih brojevima, na primjer, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Svi navedeni senzori su beskontaktno diskretni, njihova je glavna namjena određivanje položaja dijelova mehanizama i sklopova. Naravno, ovih senzora ima puno više, a o svima nije moguće pisati u jednom članku. Različiti kontaktni senzori su još češći i još uvijek nalaze široku primjenu.

Primjena analognih senzora

Osim diskretnih senzora, analogni senzori se široko koriste u sustavima automatizacije. Njihova je svrha dobivanje informacija o raznim fizikalnim veličinama, i to ne samo tako općenito, već u stvarnom vremenu. Točnije, transformacija fizičke veličine (tlak, temperatura, osvjetljenje, brzina protoka, napon, struja) u električni signal pogodan za prijenos komunikacijskim linijama do regulatora i njegovu daljnju obradu.

Analogni senzori obično se nalaze dovoljno daleko od kontrolera, zbog čega se često nazivaju terenskim uređajima. Ovaj se izraz često koristi u tehničkoj literaturi.

Analogni senzor obično se sastoji od nekoliko dijelova. Najvažniji dio je osjetljivi element – ​​senzor. Njegova je svrha pretvoriti izmjerenu vrijednost u električni signal. Ali signal primljen od senzora obično je mali. Da bi se dobio signal pogodan za pojačanje, senzor se najčešće spaja na premosni krug – Wheatstoneov most.

Vitstanov most

Slika 2. Wheatstoneov most

Izvorna svrha mosnog kruga je točno mjerenje otpora. Na dijagonalu AD mosta spojen je istosmjerni izvor. Na drugu dijagonalu spojen je osjetljivi galvanometar sa središnjom točkom, s nulom u sredini ljestvice. Za mjerenje otpora otpornika Rx rotiranjem trimera R2, most bi trebao biti uravnotežen, postavite iglu galvanometra na nulu.

Odstupanje strelice uređaja u jednom ili drugom smjeru omogućuje vam određivanje smjera rotacije otpornika R2. Vrijednost izmjerenog otpora određena je skalom koja je poravnata s ručkom otpornika R2. Uvjet ravnoteže za most je jednakost omjera R1 / R2 i Rx / R3. U tom slučaju se dobiva nulta razlika potencijala između točaka BC, a struja ne teče kroz galvanometar V.

Otpor otpornika R1 i R3 odabran je vrlo precizno, njihovo širenje treba biti minimalno. Samo u ovom slučaju čak i mala neravnoteža u mostu uzrokuje dovoljno zamjetnu promjenu napona dijagonale BC. Upravo to svojstvo mosta služi za povezivanje senzorskih elemenata (senzora) raznih analognih senzora. Pa, onda je sve jednostavno, stvar tehnologije.

Za korištenje signala primljenog od senzora potrebna je njegova daljnja obrada - pojačanje i pretvaranje u izlazni signal prikladan za prijenos i obradu pomoću upravljačkog kruga - regulatora. Najčešće je izlazni signal analognih senzora struja (analogna strujna petlja), rjeđe napon.

Zašto baš struja? Stvar je u tome da se izlazni stupnjevi analognih senzora temelje na izvorima struje. To vam omogućuje da se riješite utjecaja na izlazni signal otpora spojnih vodova, koristite duge spojne vodove.

Daljnja konverzija je jednostavna. Strujni signal se pretvara u napon, za što je dovoljno struju proći kroz otpornik poznatog otpora. Pad napona na mjernom otporniku dobiva se prema Ohmovom zakonu U = I * R.

Na primjer, za struju od 10 mA preko otpornika od 100 Ohma dobit će se napon od 10 * 100 = 1000 mV, čak 1 volt! U tom slučaju izlazna struja senzora ne ovisi o otporu spojnih žica. U razumnim granicama, naravno.

Spajanje analognih senzora

Napon dobiven na mjernom otporniku može se lako pretvoriti u digitalni oblik pogodan za unos u regulator. Pretvorba se vrši pomoću analogno-digitalnih pretvarača ADC.

Digitalni podaci serijskim ili paralelnim kodom prenose se do kontrolera. Sve ovisi o specifičnoj shemi povezivanja. Pojednostavljeni dijagram ožičenja analognog senzora prikazan je na slici 3.

Priključak analognog senzora

Slika 3. Povezivanje analognog senzora (kliknite na sliku za povećanje)

Aktuatori su spojeni na kontroler, ili je sam kontroler spojen na računalo koje je dio sustava automatizacije.

Naravno, analogni senzori imaju cjelovit dizajn, čiji je jedan od elemenata kućište s spojnim elementima. Kao primjer, slika 4 prikazuje izgled senzora manometarskog tlaka tipa Zond-10.

Senzor manometarskog tlaka Zond-10

Slika 4. Senzor nadtlaka Zond-10

Na dnu senzora se vidi spojni navoj za spajanje na cjevovod, a desno ispod crnog poklopca nalazi se konektor za spajanje komunikacijske linije s kontrolerom.

Navojni spoj se brtvi pomoću žarene bakrene podloške (uključene u isporuku senzora), a nikako ne namotavanjem od fum trake ili lana. To je učinjeno kako se ne bi deformirao senzorski element koji se nalazi iznutra prilikom ugradnje senzora.

Analogni izlazi senzora

Prema standardima, postoje tri raspona strujnih signala: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA i 4 ... 20 mA. Koja je njihova razlika, a koje značajke?

Najčešće je ovisnost izlazne struje izravno proporcionalna izmjerenoj vrijednosti, na primjer, što je veći tlak u cijevi, to je veća struja na izlazu senzora. Iako se ponekad koristi inverzno prebacivanje: veća izlazna struja odgovara minimalnoj vrijednosti izmjerene vrijednosti na izlazu senzora. Sve ovisi o vrsti korištenog regulatora. Neki senzori čak imaju izravno u inverzno prebacivanje.

Izlazni signal raspona 0 ... 5 mA vrlo je mali i stoga osjetljiv na smetnje. Ako signal takvog senzora fluktuira na konstantnoj vrijednosti mjernog parametra, tada se preporučuje ugradnja kondenzatora kapaciteta 0,1…1 µF paralelno s izlazom senzora. Stabilniji strujni signal je u rasponu od 0 ... 20 mA.

Ali oba ova raspona nisu dobra jer nam nula na početku ljestvice ne dopušta da nedvosmisleno odredimo što se dogodilo. Ili je izmjereni signal zapravo poprimio nultu razinu, što je u principu moguće, ili je komunikacijska linija jednostavno prekinuta? Stoga pokušavaju napustiti korištenje ovih raspona, ako je moguće.

Signal analognih senzora s izlaznom strujom u rasponu od 4…20 mA smatra se pouzdanijim. Njegova otpornost na buku je prilično visoka, a donja granica, čak i ako izmjereni signal ima nultu razinu, bit će 4mA, što nam omogućuje da kažemo da komunikacijska linija nije prekinuta.

Još jedna dobra karakteristika raspona od 4 ... 20 mA je da se senzori mogu spojiti pomoću samo dvije žice, budući da je to struja koja napaja sam senzor. To je njegova struja potrošnje i ujedno mjerni signal.

Napajanje za senzore od 4…20mA uključeno je kao što je prikazano na slici 5. Istovremeno, Zond-10 senzori, kao i mnogi drugi, imaju širok raspon napona napajanja 10…38V prema putovnici, iako su stabilizirani izvori s naponom od 24V najčešće se koriste.

Spajanje analognog senzora s vanjskim napajanjem

Slika 5. Spajanje analognog senzora s vanjskim napajanjem

Ovaj dijagram sadrži sljedeće elemente i oznake. Rsh je otpornik mjernog šanta, Rl1 i Rl2 su otpori komunikacijskih vodova. Kako bi se povećala točnost mjerenja, kao Rsh treba koristiti precizni mjerni otpornik. Protok struje iz izvora napajanja prikazan je strelicama.

Lako je vidjeti da izlazna struja napajanja prolazi od +24V terminala, kroz vod Rl1 dolazi do terminala senzora + AO2, prolazi kroz senzor i kroz izlazni kontakt senzora - AO2, spojni vod Rl2, Rsh otpornik se vraća na terminal napajanja -24V. To je to, krug je zatvoren, struja teče.

Ako regulator ima napajanje od 24 V, tada se senzor ili mjerni pretvarač mogu spojiti prema dijagramu prikazanom na slici 6.

Spajanje analognog senzora na kontroler s unutarnjim napajanjem

Slika 6. Spajanje analognog senzora na kontroler s unutarnjim napajanjem

Ovaj dijagram prikazuje još jedan element - balastni otpornik Rb. Njegova je svrha zaštititi mjerni otpornik kada je komunikacijska linija zatvorena ili analogni senzor pokvari. Ugradnja otpornika Rb je neobavezna, iako poželjna.

Uz razne senzore, strujni izlaz osiguravaju i mjerni pretvarači koji se vrlo često koriste u sustavima automatizacije.

Mjerni pretvarač - uređaj za pretvaranje razina napona, na primjer, 220V ili struje od nekoliko desetaka ili stotina ampera u strujni signal od 4 ... 20mA. Ovdje se razina električnog signala jednostavno pretvara, a ne određena fizička veličina (brzina, brzina protoka, tlak) nije predstavljena u električnom obliku.

Ali kućište, u pravilu, nije dovoljno s jednim senzorom. Neka od najpopularnijih mjerenja su mjerenja temperature i tlaka. Broj takvih točaka u modernim tvornicama može doseći nekoliko desetaka

Čitaj isto

• Vrste zidnih svjetiljki i značajke njihove uporabe
• O razlici potencijala, elektromotornoj sili i naponu
• Što se može odrediti brojilom, osim potrošnje električne energije
• O kriterijima za ocjenjivanje kvalitete električnih proizvoda
• Što je bolje za privatnu kuću - jednofazni ili trofazni ulaz?
• Kako odabrati stabilizator napona za seosku kuću
• Peltierov učinak: magični učinak električne struje
• Praksa ožičenja i spajanja TV kabela u stanu - značajke procesa
• Problemi s ožičenjem: što učiniti i kako ih riješiti?
• Fluorescentne svjetiljke T5: izgledi i problemi primjene
• Uvlačive utičnice: praksa korištenja i spajanja
• Elektronička pojačala. Dio 2. Pojačala audio frekvencije
• Ispravan rad električne opreme i ožičenja u seoskoj kući
• Najvažnije o korištenju sigurnog napona u kući
• Osnovni alati i uređaji za početnike za proučavanje elektronike
• Kondenzatori: namjena, uređaj, princip rada
• Što je prolazni kontaktni otpor i kako se nositi s njim
• Naponski releji: što postoje, kako odabrati i spojiti?
• Što je bolje za privatnu kuću - jednofazni ili trofazni ulaz?
• Kondenzatori u elektroničkim krugovima. Dio 2. Međufazna komunikacija, filtri, generatori
• Kako osigurati udobnost kada je napajanje nedovoljno
• Kada kupujete automat u trgovini, kako možete biti sigurni da je u ispravnom stanju?
• Kako odabrati veličinu žice za rasvjetne mreže od 12 volti
• Način spajanja bojlera i crpke u slučaju nedovoljne snage mreže
• Induktori i magnetska polja. Dio 2. Elektromagnetska indukcija i induktivnost
• Operacijska pojačala. Dio 2. Idealno operacijsko pojačalo
• Što su mikrokontroleri (namjena, uređaj, softver)
• Produženje vijeka trajanja kompaktne fluorescentne svjetiljke (domaćica)
• Sklopovi za prebacivanje operativnih pojačala bez povratne sprege
• Zamjena elektro razvodne ploče u stanu
• Zašto se bakar i aluminij ne mogu spojiti u električnu instalaciju?

Od 1950-ih, strujna petlja se koristi za prijenos podataka s mjernih pretvarača za potrebe nadzora i kontrole. Uz nisku cijenu implementacije, visoku otpornost na buku i sposobnost prijenosa signala na velike udaljenosti, strujna petlja se pokazala posebno pogodnom za rad u industrijskim uvjetima. Ovaj materijal posvećen je opisu osnovnih načela strujne petlje, osnovama dizajna, postavljanju.

Korištenje struje za prijenos podataka iz pretvarača

Industrijski senzori često koriste strujni signal za prijenos podataka, za razliku od većine drugih pretvarača, kao što su termoelementi ili mjerači naprezanja, koji koriste signalni napon. Unatoč činjenici da se pretvarači koji koriste napon kao parametar prijenosa informacija zapravo učinkovito koriste u mnogim industrijskim zadacima, postoji niz primjena u kojima je korištenje strujnih karakteristika poželjnije. Značajan nedostatak pri korištenju napona za prijenos signala u industrijskim uvjetima je slabljenje signala tijekom njegovog prijenosa na velike udaljenosti zbog prisutnosti otpora žičanih komunikacijskih vodova. Naravno, možete koristiti visoku ulaznu impedanciju uređaja kako biste izbjegli gubitak signala. Međutim, takvi će uređaji biti vrlo osjetljivi na buku koju stvaraju obližnji motori, pogonski remeni ili odašiljači.

Prema prvom Kirchhoffovom zakonu, zbroj struja koje teku u čvor jednak je zbroju struja koje izlaze iz čvora.
U teoriji, struja koja teče na početku kruga trebala bi u potpunosti doći do svog kraja,
kao što je prikazano na slici 1. 1.

Sl. 1. U skladu s prvim Kirchhoffovim zakonom, struja na početku kruga jednaka je struji na njegovom kraju.

Ovo je osnovni princip na kojem radi mjerna petlja.Mjerenje struje bilo gdje u strujnoj petlji (mjerna petlja) daje isti rezultat. Korištenjem strujnih signala niske impedancije i prijemnika za prikupljanje podataka, industrijske aplikacije mogu imati velike koristi od poboljšane otpornosti na buku i povećane duljine veze.

Komponente strujne petlje
Glavne komponente strujne petlje uključuju istosmjerno napajanje, primarni pretvarač, uređaj za prikupljanje podataka i žice koje ih povezuju u nizu, kao što je prikazano na slici 2.

sl. 2. Funkcionalni dijagram strujne petlje.

DC napajanje osigurava napajanje sustava. Odašiljač regulira struju u žicama u rasponu od 4 do 20 mA, gdje 4 mA predstavlja živu nulu, a 20 mA predstavlja maksimalni signal.
0 mA (bez struje) znači otvoreni krug. Sakupljač podataka mjeri vrijednost regulirane struje. Učinkovita i točna metoda mjerenja struje je ugradnja preciznog otpornika-shunt-a na ulaz mjernog pojačala uređaja za prikupljanje podataka (na slici 2) za pretvaranje struje u mjerni napon kako bi se u konačnici dobio rezultat koji nedvosmisleno odražava signal na izlazu pretvarača.

Kako biste bolje razumjeli princip strujne petlje, razmotrite, na primjer, dizajn sustava s pretvaračem koji ima sljedeće specifikacije:

Sonda se koristi za mjerenje tlaka
Odašiljač se nalazi 2000 stopa od mjernog uređaja
Struja koju izmjeri sakupljač podataka daje operateru informaciju o količini pritiska primijenjenog na odašiljač.

Počnimo s odabirom prikladnog pretvarača.

Trenutni dizajn sustava

Odabir pretvarača

Prvi korak u projektiranju postojećeg sustava je odabir pretvarača. Bez obzira na vrstu mjerene vrijednosti (protok, tlak, temperatura itd.), važan čimbenik pri odabiru predajnika je njegov radni napon. Samo spoj napajanja na pretvarač omogućuje regulaciju količine struje u komunikacijskoj liniji. Vrijednost napona napajanja mora biti unutar prihvatljivih granica: više od minimalne potrebne, manje od maksimalne vrijednosti, što može dovesti do oštećenja pretvarača.

Za trenutni sustav prikazan u primjeru, odabrani pretvarač mjeri tlak i ima radni napon od 12 do 30 V. Kada je sonda odabrana, potrebno je ispravno izmjeriti trenutni signal kako bi se osigurao točan prikaz tlaka koji se primjenjuje na odašiljača.

Odabir uređaja za prikupljanje podataka za mjerenje struje

Važan aspekt na koji treba obratiti pozornost pri izgradnji strujnog sustava je spriječiti pojavu strujne petlje u krugu uzemljenja. Uobičajena tehnika u takvim slučajevima je izolacija. Korištenjem izolacije možete izbjeći utjecaj petlje uzemljenja, čija je pojava objašnjena na slici 3.

Slika 3. Petlja uzemljenja

Petlje uzemljenja nastaju kada su dva terminala spojena u krug na različitim potencijalnim mjestima. Ova razlika dovodi do pojave dodatne struje u komunikacijskoj liniji, što može dovesti do pogrešaka u mjerenjima.
Akvizicijska izolacija se odnosi na električno odvajanje uzemljenja izvora signala od uzemljenja ulaznog pojačala mjernog uređaja, kao što je prikazano na slici 4.

Budući da struja ne može teći kroz izolacijsku barijeru, točke uzemljenja pojačala i izvora signala su na istom potencijalu. Time se eliminira mogućnost nenamjernog stvaranja petlje uzemljenja.

Slika 4. Sinusni napon i napon signala u izoliranom krugu

Izolacija također sprječava oštećenje sakupljača podataka u prisutnosti visokih zajedničkih napona. Zajednički način rada je napon istog polariteta koji je prisutan na oba ulaza instrumentacijskog pojačala. Na primjer, na slici 4. i pozitivni (+) i negativni (-) ulazi pojačala imaju +14 V zajedničkog napona. Mnogi sakupljači podataka imaju maksimalni ulazni raspon od ± 10 V. Ako sakupljač podataka nije izoliran i zajednički napon je izvan maksimalnog ulaznog raspona, možete oštetiti uređaj. Iako je normalni (signalni) napon na ulazu pojačala na slici 4 samo +2 V, dodavanje +14 V može rezultirati +16 V
(Signalni napon je napon između "+" i "-" pojačala, radni napon je zbroj normalnog i zajedničkog napona), što predstavlja opasnu razinu napona za kolektore s nižim radnim naponima.

S izolacijom, zajednička točka pojačala je električno odvojena od referentne zemlje. U krugu na slici 4, potencijal u zajedničkoj točki pojačala je "podignut" na razinu od +14 V. Ova tehnika dovodi do činjenice da vrijednost ulaznog napona pada sa 16 na 2 V. Sada podaci prikupljanja, uređaj više nije u opasnosti od oštećenja od prenapona. (Imajte na umu da izolatori imaju najveći zajednički napon koji mogu odbiti.)

Nakon što je sakupljač podataka izoliran i zaštićen, posljednji korak u dovršavanju strujne petlje je odabir odgovarajućeg napajanja.

Izbor napajanja

Lako je odrediti koji izvor napajanja najbolje odgovara vašim potrebama. Kada se radi u strujnoj petlji, napajanje mora isporučiti napon jednak ili veći od zbroja padova napona na svim elementima sustava.

Sakupljač podataka u našem primjeru koristi precizni šant za mjerenje struje.
Potrebno je izračunati pad napona na ovom otporniku. Tipični shunt otpornik ima otpor od 249 Ω. Osnovni proračuni za raspon struje u strujnoj petlji od 4 .. 20 mA
pokazati sljedeće:

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

Sa šantom otpora od 249 Ω možemo ukloniti napon u rasponu od 1 do 5 V povezujući napon na ulazu kolektora podataka s vrijednošću izlaznog signala tlačnog pretvarača.
Kao što je spomenuto, pretvornik tlaka zahtijeva minimalni radni napon od 12 V s maksimalno 30 V. Dodavanje pada napona na preciznom shunt otporniku na radni napon pretvarača daje sljedeće:

12V + 5V = 17V

Na prvi pogled dovoljan je napon od 17 V. No, potrebno je uzeti u obzir dodatno opterećenje na napajanju koje stvaraju žice koje imaju električni otpor.
U slučajevima kada je senzor daleko od mjerača, morate uzeti u obzir faktor otpora elektrode pri izračunu strujne petlje. Bakrene žice imaju istosmjerni otpor koji je izravno proporcionalan njihovoj duljini. Uz pretvarač tlaka u ovom primjeru, morate uzeti u obzir duljinu veze od 2000 stopa kada određujete radni napon napajanja. Linearni otpor punog bakrenog kabela 2,62 Ω / 100 ft. Uzimanje ovog otpora u obzir daje sljedeće:

Otpor jedne jezgre duge 2 000 stopa je 2 000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Pad napona na jednoj jezgri bit će 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
Za završetak kruga potrebne su dvije žice, a zatim se duljina komunikacijske linije udvostručuje i
ukupni pad napona bit će 2,096 V. To rezultira oko 2,1 V zbog udaljenosti od 2000 stopa od odašiljača do nizvodnog. Zbrajanjem padova napona na svim elementima kruga dobivamo:
2,096 V + 12 V + 5 V = 19,096 V

Ako ste upotrijebili 17 V za napajanje ovog kruga, tada će napon koji se dovodi u pretvornik tlaka biti ispod minimalnog radnog napona zbog pada na otporu provodnika i otpornika za skretanje. Odabir tipičnog napajanja od 24 V zadovoljit će zahtjeve za napajanjem pretvarača. Dodatno, postoji rezerva napona kako bi se senzor tlaka smjestio na veću udaljenost.

Odabirom pravog pretvarača, uređaja za prikupljanje podataka, duljine kabela i napajanja, dizajn jednostavne strujne petlje je gotov. Za složenije primjene možete uključiti dodatne mjerne kanale u sustav.

U procesu automatizacije tehnoloških procesa za upravljanje mehanizmima i jedinicama potrebno je pozabaviti se mjerenjima različitih fizikalnih veličina. To može biti temperatura, tlak i brzina protoka tekućine ili plina, frekvencija rotacije, intenzitet svjetla, informacije o položaju dijelova mehanizama i još mnogo toga. Ove informacije se dobivaju pomoću senzora. Ovdje prvo o položaju dijelova mehanizama.

Diskretni senzori

Najjednostavniji senzor je običan mehanički kontakt: vrata su otvorena - kontakt otvoren, zatvoren - zatvoren. Takav jednostavan senzor, kao i zadani algoritam rada, je često. Za mehanizam s translatornim kretanjem, koji ima dva položaja, na primjer, vodeni ventil, trebat će vam dva kontakta: jedan kontakt je zatvoren - ventil je zatvoren, drugi je zatvoren - zatvoren je.

Složeniji algoritam translacijskog kretanja ima mehanizam za zatvaranje kalupa termoplastičnog stroja. U početku je kalup otvoren, ovo je početna pozicija. U tom položaju gotovi proizvodi se vade iz kalupa. Tada radnik zatvara zaštitnu ogradu i kalup se počinje zatvarati, počinje novi ciklus rada.

Razmak između polovica kalupa je dovoljno velik. Stoga se u početku kalup brzo kreće, a na određenoj udaljenosti dok se polovice ne zatvore, aktivira se granični prekidač, brzina kretanja se značajno smanjuje i kalup se glatko zatvara.

Ovaj algoritam omogućuje izbjegavanje udara prilikom zatvaranja kalupa, inače se može jednostavno podijeliti na male komadiće. Ista promjena brzine događa se kada se kalup otvori. Ovdje su već dva kontaktna senzora neophodna.

Dakle, senzori bazirani na kontaktu su diskretni ili binarni, imaju dva položaja, zatvoreno - otvoreno ili 1 i 0. Drugim riječima, možemo reći da se događaj dogodio ili ne. U gornjem primjeru kontakti "hvataju" nekoliko točaka: početak kretanja, točku smanjenja brzine, kraj kretanja.

U geometriji, točka nema nikakve dimenzije, samo točka i to je to. Može biti (na komadu papira, u putanji kretanja, kao u našem slučaju) ili jednostavno ne postoji. Stoga se za detekciju točaka koriste diskretni senzori. Možda usporedba s točkom ovdje nije baš prikladna, jer u praktične svrhe koriste točnost diskretnog senzora, a ta je točnost puno veća od geometrijske točke.

Ali mehanički kontakt sam po sebi nije pouzdana stvar. Stoga, gdje god je to moguće, mehanički kontakti zamjenjuju se senzorima blizine. Najjednostavnija opcija su reed prekidači: magnet se približio, kontakt je zatvoren. Točnost rada reed prekidača ostavlja mnogo da se poželi; koristite takve senzore samo za određivanje položaja vrata.

Različite senzore blizine treba smatrati složenijom i točnijom opcijom. Ako je metalna zastavica ušla u utor, senzor se aktivirao. Kao primjer takvih senzora mogu se navesti BVK (End Contactless Switch) senzori raznih serija. Točnost odziva (diferencijal putovanja) takvih senzora je 3 milimetra.

Slika 1. Senzor serije BVK

Napon napajanja senzora BVK 24V, struja opterećenja 200mA, što je sasvim dovoljno za spajanje međureleja za daljnju koordinaciju s upravljačkim krugom. Tako se BVK senzori koriste u raznim uređajima.

Osim BVK senzora, koriste se i senzori tipa BTP, KVP, PIP, KVD, PISCH. Svaka serija ima nekoliko tipova senzora, označenih brojevima, na primjer, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Svi navedeni senzori su beskontaktno diskretni, njihova je glavna namjena određivanje položaja dijelova mehanizama i sklopova. Naravno, ovih senzora ima puno više, a o svima nije moguće pisati u jednom članku. Različiti kontaktni senzori su još češći i još uvijek nalaze široku primjenu.

Primjena analognih senzora

Osim diskretnih senzora, analogni senzori se široko koriste u sustavima automatizacije. Njihova je svrha dobivanje informacija o raznim fizikalnim veličinama, i to ne samo tako općenito, već u stvarnom vremenu. Točnije, transformacija fizičke veličine (tlak, temperatura, osvjetljenje, brzina protoka, napon, struja) u električni signal pogodan za prijenos komunikacijskim linijama do regulatora i njegovu daljnju obradu.

Analogni senzori obično se nalaze dovoljno daleko od kontrolera, zbog čega se često nazivaju terenski uređaji... Ovaj se izraz često koristi u tehničkoj literaturi.

Analogni senzor obično se sastoji od nekoliko dijelova. Najvažniji dio je senzorski element - senzor... Njegova je svrha pretvoriti izmjerenu vrijednost u električni signal. Ali signal primljen od senzora obično je mali. Da bi se dobio signal pogodan za pojačanje, senzor se najčešće uključuje u premosni krug - Vitstanov most.

Slika 2. Wheatstoneov most

Izvorna svrha mosnog kruga je točno mjerenje otpora. Na dijagonalu AD mosta spojen je istosmjerni izvor. Na drugu dijagonalu spojen je osjetljivi galvanometar sa središnjom točkom, s nulom u sredini ljestvice. Za mjerenje otpora otpornika Rx rotiranjem trimera R2, most bi trebao biti uravnotežen, postavite iglu galvanometra na nulu.

Odstupanje strelice uređaja u jednom ili drugom smjeru omogućuje vam određivanje smjera rotacije otpornika R2. Vrijednost izmjerenog otpora određena je skalom koja je poravnata s ručkom otpornika R2. Uvjet ravnoteže za most je jednakost omjera R1 / R2 i Rx / R3. U tom slučaju se dobiva nulta razlika potencijala između točaka BC, a struja ne teče kroz galvanometar V.

Otpor otpornika R1 i R3 odabran je vrlo precizno, njihovo širenje treba biti minimalno. Samo u ovom slučaju čak i mala neravnoteža u mostu uzrokuje dovoljno zamjetnu promjenu napona dijagonale BC. Upravo to svojstvo mosta služi za povezivanje senzorskih elemenata (senzora) raznih analognih senzora. Pa, onda je sve jednostavno, stvar tehnologije.

Za korištenje signala primljenog od senzora potrebna je njegova daljnja obrada - pojačanje i pretvaranje u izlazni signal prikladan za prijenos i obradu u upravljačkom krugu - kontrolor... Najčešće je izlazni signal analognih senzora struja (analogna strujna petlja), rjeđe napon.

Zašto baš struja? Stvar je u tome da se izlazni stupnjevi analognih senzora temelje na izvorima struje. To vam omogućuje da se riješite utjecaja na izlazni signal otpora spojnih vodova, koristite duge spojne vodove.

Daljnja konverzija je jednostavna. Strujni signal se pretvara u napon, za što je dovoljno struju proći kroz otpornik poznatog otpora. Pad napona na mjernom otporniku dobiva se prema Ohmovom zakonu U = I * R.

Na primjer, za struju od 10 mA preko otpornika od 100 Ohma dobit će se napon od 10 * 100 = 1000 mV, čak 1 volt! U tom slučaju izlazna struja senzora ne ovisi o otporu spojnih žica. U razumnim granicama, naravno.

Spajanje analognih senzora

Napon dobiven na mjernom otporniku može se lako pretvoriti u digitalni oblik pogodan za unos u regulator. Pretvorba se vrši sa analogno-digitalni pretvarači ADC.

Digitalni podaci serijskim ili paralelnim kodom prenose se do kontrolera. Sve ovisi o specifičnoj shemi povezivanja. Pojednostavljeni dijagram ožičenja analognog senzora prikazan je na slici 3.

Slika 3. Povezivanje analognog senzora (kliknite na sliku za povećanje)

Aktuatori su spojeni na kontroler, ili je sam kontroler spojen na računalo koje je dio sustava automatizacije.

Naravno, analogni senzori imaju cjelovit dizajn, čiji je jedan od elemenata kućište s spojnim elementima. Kao primjer, slika 4 prikazuje izgled senzora manometarskog tlaka tipa Zond-10.

Slika 4. Senzor nadtlaka Zond-10

Na dnu senzora se vidi spojni navoj za spajanje na cjevovod, a desno ispod crnog poklopca nalazi se konektor za spajanje komunikacijske linije s kontrolerom.

Navojni spoj se brtvi pomoću žarene bakrene podloške (uključene u isporuku senzora), a nikako ne namotavanjem od fum trake ili lana. To je učinjeno kako se ne bi deformirao senzorski element koji se nalazi iznutra prilikom ugradnje senzora.

Analogni izlazi senzora

Prema standardima, postoje tri raspona strujnih signala: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA i 4 ... 20 mA. Koja je njihova razlika, a koje značajke?

Najčešće je ovisnost izlazne struje izravno proporcionalna izmjerenoj vrijednosti, na primjer, što je veći tlak u cijevi, to je veća struja na izlazu senzora. Iako se ponekad koristi inverzno prebacivanje: veća izlazna struja odgovara minimalnoj vrijednosti izmjerene vrijednosti na izlazu senzora. Sve ovisi o vrsti korištenog regulatora. Neki senzori čak imaju izravno u inverzno prebacivanje.

Izlazni signal raspona 0 ... 5 mA vrlo je mali i stoga osjetljiv na smetnje. Ako signal takvog senzora fluktuira na konstantnoj vrijednosti mjernog parametra, tada se preporučuje ugradnja kondenzatora kapaciteta 0,1…1 µF paralelno s izlazom senzora. Stabilniji strujni signal je u rasponu od 0 ... 20 mA.

Ali oba ova raspona nisu dobra jer nam nula na početku ljestvice ne dopušta da nedvosmisleno odredimo što se dogodilo. Ili je izmjereni signal zapravo poprimio nultu razinu, što je u principu moguće, ili je komunikacijska linija jednostavno prekinuta? Stoga pokušavaju napustiti korištenje ovih raspona, ako je moguće.

Signal analognih senzora s izlaznom strujom u rasponu od 4…20 mA smatra se pouzdanijim. Njegova otpornost na buku je prilično visoka, a donja granica, čak i ako izmjereni signal ima nultu razinu, bit će 4mA, što nam omogućuje da kažemo da komunikacijska linija nije prekinuta.

Još jedna dobra karakteristika raspona od 4 ... 20 mA je da se senzori mogu spojiti pomoću samo dvije žice, budući da je to struja koja napaja sam senzor. To je njegova struja potrošnje i ujedno mjerni signal.

Napajanje senzora od 4…20mA uključeno je kao što je prikazano na slici 5. Istovremeno, senzori Zond-10, kao i mnogi drugi, prema putovnici imaju širok raspon napona napajanja 10…38V, iako su najčešće se koristi s naponom od 24V.

Slika 5. Spajanje analognog senzora s vanjskim napajanjem

Ovaj dijagram sadrži sljedeće elemente i oznake. Rsh je otpornik mjernog šanta, Rl1 i Rl2 su otpori komunikacijskih vodova. Kako bi se povećala točnost mjerenja, kao Rsh treba koristiti precizni mjerni otpornik. Protok struje iz izvora napajanja prikazan je strelicama.

Lako je vidjeti da izlazna struja napajanja prolazi od +24V terminala, kroz vod Rl1 dolazi do terminala senzora + AO2, prolazi kroz senzor i kroz izlazni kontakt senzora - AO2, spojni vod Rl2, Rsh otpornik se vraća na terminal napajanja -24V. To je to, krug je zatvoren, struja teče.

Ako regulator ima napajanje od 24 V, tada se senzor ili mjerni pretvarač mogu spojiti prema dijagramu prikazanom na slici 6.

Slika 6. Spajanje analognog senzora na kontroler s unutarnjim napajanjem

Ovaj dijagram prikazuje još jedan element - balastni otpornik Rb. Njegova je svrha zaštititi mjerni otpornik kada je komunikacijska linija zatvorena ili analogni senzor pokvari. Ugradnja otpornika Rb je neobavezna, iako poželjna.

Uz razne senzore, strujni izlaz osiguravaju i mjerni pretvarači koji se vrlo često koriste u sustavima automatizacije.

Mjerni pretvarač- uređaj za pretvaranje razina napona, na primjer, 220V ili struje od nekoliko desetaka ili stotina ampera u strujni signal od 4 ... 20 mA. Ovdje se razina električnog signala jednostavno pretvara, a ne određena fizička veličina (brzina, brzina protoka, tlak) nije predstavljena u električnom obliku.

Ali kućište, u pravilu, nije dovoljno s jednim senzorom. Neka od najpopularnijih mjerenja su mjerenja temperature i tlaka. Broj takvih točaka u modernim proizvodnim pogonima može doseći nekoliko desetaka tisuća. U skladu s tim, broj senzora je također velik. Stoga je nekoliko analognih senzora često spojeno na jedan kontroler odjednom. Naravno, ne nekoliko tisuća odjednom, dobro je ako je desetak drugačije. Ova veza je prikazana na slici 7.

Slika 7. Povezivanje više analognih senzora na kontroler

Ova slika pokazuje kako se iz strujnog signala dobiva napon, pogodan za pretvorbu u digitalni kod. Ako postoji više takvih signala, onda se ne obrađuju svi odjednom, već se vremenski dijele, multipleksiraju, inače bi na svakom kanalu morao biti instaliran zasebni ADC.

U tu svrhu, regulator ima sklop za uključivanje kruga. Funkcionalni dijagram prekidača prikazan je na slici 8.

Slika 8. Prekidač kanala analognog senzora (slika koja se može kliknuti)

Signali strujne petlje pretvoreni u napon na mjernom otporniku (UR1 ... URn) dovode se na ulaz analogne sklopke. Upravljački signali naizmjenično prelaze na izlaz jedan od signala UR1 ... URn, koji pojačava pojačava, a naizmjenično dolaze na ulaz ADC-a. Napon pretvoren u digitalni kod dovodi se do regulatora.

Shema je, naravno, vrlo pojednostavljena, ali u njoj je sasvim moguće razmotriti princip multipleksiranja. Tako je otprilike izgrađen modul za unos analognih signala MCTS kontrolera (mikroprocesorski sustav tehničkih sredstava) proizvođača Prolog PC u Smolensku. Vanjski izgled MCTS kontrolera prikazan je na slici 9.

Slika 9. MCTS kontroler

Izdavanje takvih kontrolera odavno je prekinuto, iako na nekim mjestima, daleko od najboljih, ti kontroleri još uvijek služe. Ove muzejske eksponate zamjenjuju novi modeli kontrolera, uglavnom iz uvoza (kineski).

Ako je regulator montiran u metalni ormarić, preporuča se da se pleteni štit spoji na točku uzemljenja ormara. Duljina spojnih vodova može doseći više od dva kilometra, što se izračunava prema odgovarajućim formulama. Ovdje nećemo ništa računati, ali vjerujte, tako je.

Novi senzori, novi kontroleri

Pojavom novih kontrolera, i novi analogni HART odašiljači Adresibilni daljinski pretvarač za autocestu.

Izlazni signal senzora (poljskog uređaja) je analogni strujni signal raspona 4…20 mA, na koji je superponiran frekvencijski modulirani (FSK - Frequency Shift Keying) digitalni komunikacijski signal.

Slika 10. Izlazni signal HART analognog odašiljača

Na slici je prikazan analogni signal, a oko njega, poput zmije, zavojnica sinusoida. Ovo je frekvencijski modulirani signal. Ali ovo uopće nije digitalni signal, tek treba biti prepoznat. Na slici je vidljivo da je frekvencija sinusoida pri prijenosu logičke nule veća (2,2KHz) nego kod prijenosa jedinice (1,2KHz). Ovi signali se prenose sinusoidnom strujom amplitude ± 0,5 mA.

Poznato je da je prosječna vrijednost sinusoidnog signala jednaka nuli, stoga prijenos digitalnih informacija ne utječe na izlaznu struju senzora od 4 ... 20 mA. Ovaj način rada koristi se prilikom konfiguriranja senzora.

HART komunikacija se odvija na dva načina. U prvom slučaju, standardnom, samo dva uređaja mogu razmjenjivati ​​informacije putem dvožične linije, dok analogni izlazni signal 4...20mA ovisi o izmjerenoj vrijednosti. Ovaj način rada koristi se pri konfiguriranju terenskih uređaja (senzora).

U drugom slučaju, na dvožičnu liniju može se spojiti do 15 senzora, čiji je broj određen parametrima komunikacijske linije i snagom napajanja. Ovo je način komunikacije s više točaka. U ovom načinu rada svaki senzor ima svoju adresu u rasponu od 1 ... 15, koju koristi upravljački uređaj.

Senzor s adresom 0 je isključen iz komunikacijske linije. Razmjena podataka između senzora i upravljačkog uređaja u višestrukom načinu rada provodi se samo s frekvencijskim signalom. Trenutni signal senzora je fiksiran na traženoj razini i ne mijenja se.

U slučaju komunikacije s više točaka, podaci ne podrazumijevaju samo stvarne rezultate mjerenja kontroliranog parametra, već i cijeli skup svih vrsta servisnih informacija.

Prije svega, to su adrese senzora, upravljačke naredbe, postavke. I sve te informacije prenose se dvožičnim komunikacijskim linijama. Je li se i njih moguće riješiti? Istina, to treba učiniti pažljivo, samo u slučajevima kada bežična veza ne može utjecati na sigurnost kontroliranog procesa.

Ispada da se možete riješiti žica. Već 2007. godine objavljen je WirelessHART Standard, prijenosni medij je nelicencirana frekvencija 2,4 GHz na kojoj rade mnogi računalni bežični uređaji, uključujući bežične lokalne mreže. Stoga se WirelessHART uređaji mogu koristiti bez ikakvih ograničenja. Slika 11 prikazuje bežičnu mrežu WirelessHART.

Slika 11. WirelessHART mreža

Te su tehnologije zamijenile staru analognu strujnu petlju. Ali ne odustaje od svojih pozicija, naširoko se koristi gdje god je to moguće.