kategorier: Utvalgte artikler » Begynnerelektrikere
Antall visninger: 166 352
Kommentarer til artikkelen: 4
Analoge sensorer: anvendelse, tilkoblingsmetoder til kontrolleren
I prosessen med automatisering av teknologiske prosesser for styring av mekanismer og samlinger, må man forholde seg til målinger av forskjellige fysiske mengder. Det kan være temperatur, trykk og strømningshastighet for en væske eller gass, rotasjonshastighet, lysintensitet, informasjon om plasseringen av mekanismer og mye mer. Denne informasjonen er innhentet ved hjelp av sensorer. Her, først om plasseringen av delene av mekanismene.
Diskrete sensorer
Den enkleste sensoren er en vanlig mekanisk kontakt: døren ble åpnet - kontakten åpnet, lukket - lukket. En så enkel sensor, så vel som ovennevnte operasjonsalgoritme, ofte brukes i sikkerhetsalarmer. For en mekanisme med translasjonsbevegelse, som har to posisjoner, for eksempel en vannventil, trengs to kontakter: en kontakt er lukket - ventilen er lukket, den andre er lukket - lukket.
En mer kompleks translasjonsalgoritme har en mekanisme for å lukke den termoplastiske støpemaskinen. Til å begynne med er formen åpen, dette er startposisjonen. I denne stillingen fjernes ferdige produkter fra formen. Deretter lukker arbeideren det beskyttende gjerdet og formen begynner å lukke, en ny arbeidssyklus begynner.
Avstanden mellom halvdelene av formen er ganske stor. Derfor beveger formen seg først, og i en viss avstand til halvdelene er lukket, traileren blir utløst, bevegelsens hastighet reduseres betydelig og formen lukkes jevnt.
Denne algoritmen lar deg unngå slag når du lukker formen, ellers kan den ganske enkelt hakkes i små biter. Den samme hastighetsendringen skjer når formen åpnes. Her kan ikke to kontaktsensorer gjøre det.
Dermed er sensorene basert på kontakten diskrete eller binære, har to posisjoner, lukket - åpen eller 1 og 0. Vi kan med andre ord si at hendelsen skjedde eller ikke. I eksemplet ovenfor blir flere punkter “fanget” av kontaktene: begynnelsen av bevegelse, poenget med reduksjon i hastighet, slutten av bevegelsen.
I geometri har et punkt ingen dimensjoner, bare et poeng, og det er det. Det kan enten være (på et ark, i bevegelsesbanen, som i vårt tilfelle), eller det eksisterer rett og slett ikke. Derfor brukes diskrete sensorer for å oppdage punkter. Kanskje er en sammenligning med et punkt ikke veldig passende, fordi de i praksis bruker verdien av nøyaktigheten til en diskret sensor, og denne nøyaktigheten er mye mer enn et geometrisk punkt.
Men mekanisk kontakt alene er en upålitelig ting. Derfor er mekaniske kontakter erstattet av nærhetssensorer der det er mulig. Det enkleste alternativet er en vassbryter: magneten er nær, kontakten er lukket. Nøyaktigheten i driften av vassbryteren overlater mye å være ønsket; å bruke slike sensorer er bare for å bestemme dørenes plassering.
Et mer komplekst og nøyaktig alternativ bør betraktes som en rekke nærhetssensorer. Hvis metallflagget kom inn i sporet, fungerte sensoren. Som et eksempel på slike sensorer kan BVK-sensorer (non-contact end switch) fra forskjellige serier siteres. Nøyaktigheten av drift (slagdifferensial) for slike sensorer er 3 millimeter.
Figur 1. BVK-serie sensor
BVK-sensorene er forsyningsspenningen 24V, laststrømmen er 200 mA, noe som er nok til å koble mellomreléer for videre koordinering med kontrollkretsen. Slik blir BVK-sensorer brukt i forskjellige utstyr.
I tillegg til BVK-sensorer, brukes også sensorer av BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Hver serie har flere typer sensorer, indikert med tall, for eksempel BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Alle de nevnte sensorene er ikke-kontakter diskrete; deres hovedformål er å bestemme plasseringen av deler av mekanismer og enheter. Naturligvis er det mye mer av disse sensorene; du kan ikke skrive om dem alle i en artikkel. Ulike kontaktsensorer er fortsatt mer vanlig og finner fremdeles utbredt bruk.
Bruken av analoge sensorer
I tillegg til diskrete sensorer i automatiseringssystemer, er analoge sensorer mye brukt. Deres formål er å skaffe informasjon om forskjellige fysiske mengder, og ikke bare sånn i det hele tatt, men i sanntid. Mer presist, konvertering av en fysisk mengde (trykk, temperatur, belysning, strøm, spenning, strøm) til et elektrisk signal som er egnet for overføring via kommunikasjonslinjer til kontrolleren og dens videre behandling.
Analoge sensorer er vanligvis lokalisert ganske langt fra kontrolleren, og det er derfor de ofte blir kalt feltenheter. Dette begrepet brukes ofte i teknisk litteratur.
En analog sensor består vanligvis av flere deler. Den viktigste delen er det følsomme elementet - sensor. Hensikten er å konvertere den målte verdien til et elektrisk signal. Men signalet mottatt fra sensoren er vanligvis lite. For å få et signal som er egnet for forsterkning, er sensoren oftest inkludert i brokretsen - Wheatstone Bridge.
Figur 2. Wheatstone Bridge
Det opprinnelige formålet med brokretsen er en nøyaktig måling av motstand. En likestrømskilde er koblet til diagonalen av AD-broen. Et følsomt galvanometer med et midtpunkt, med en null i midten av skalaen, er koblet til en annen diagonal. For å måle motstanden til motstanden Rx ved å vri trimmemotstanden R2, må broen være balansert, galvanometerpilen må stilles til null.
Avvik fra pilen til enheten i en eller annen retning lar deg bestemme rotasjonsretningen til motstanden R2. Verdien av den målte motstand bestemmes på en skala kombinert med håndtaket til motstanden R2. Likevektsbetingelsen for broen er likheten mellom forholdene R1 / R2 og Rx / R3. I dette tilfellet oppnås null potensialforskjell mellom punktene BC, og strømmen strømmer ikke gjennom galvanometeret V.
Motstanden til motstandene R1 og R3 er valgt veldig nøyaktig, deres spredning skal være minimal. Bare i dette tilfellet forårsaker til og med en liten ubalanse av broen en merkbar endring i spenningen til BC-diagonalen. Det er denne egenskapen til broen som brukes til å koble sammen følsomme elementer (sensorer) til forskjellige analoge sensorer. Vel, da er alt enkelt, et spørsmål om teknologi.
For å bruke signalet som er mottatt fra sensoren, er ytterligere prosessering nødvendig, - forsterkning og konvertering til et utgangssignal som er egnet for overføring og prosessering av kontrollkretsen - kontrolleren. Oftest er utgangssignalet fra analoge sensorer strøm (analog strømsløyfe), sjeldnere spenning.
Hvorfor akkurat nå? Fakta er at utgangstrinnene til analoge sensorer er basert på gjeldende kilder. Dette lar deg kvitte deg med påvirkningen på utgangssignalet til motstanden til forbindelseslinjene, for å bruke tilkoblingslinjer med stor lengde.
Ytterligere konvertering er ganske enkelt. Strømsignalet konverteres til spenning, som det er nok til å føre strømmen gjennom en motstand med kjent motstand. Spenningsfallet over målemotstanden oppnås i henhold til Ohms lov U = I * R.
For eksempel, for en strøm på 10 mA på en motstand med en motstand på 100 ohm, får du en spenning på 10 * 100 = 1000 mV, akkurat det er en hel 1 volt! I dette tilfellet avhenger ikke sensorens utgangsstrøm av motstanden til tilkoblingsledningene. Innenfor rimelige grenser, selvfølgelig.
Tilkobling av analoge sensorer
Spenningen mottatt i målemotstanden kan enkelt konverteres til en digital form som er egnet for inngang i regulatoren. Konvertering gjøres ved å bruke analoge til digitale omformere ADC.
Digitale data overføres til kontrolleren i seriell eller parallell kode.Det hele avhenger av den spesifikke byttekretsen. Et forenklet tilkoblingsskjema for den analoge sensoren er vist i figur 3.
Figur 3. Koble til en analog sensor (klikk på bildet for å forstørre)
Aktuatorer er koblet til kontrolleren, eller selve kontrolleren er koblet til en datamaskin som er en del av automatiseringssystemet.
Naturligvis har de analoge sensorene en ferdig design, hvorav ett av elementene er et hus med tilkoblingselementer. Som et eksempel viser figur 4 utseendet til målerens trykksensor type Probe-10.
Figur 4. Overtrykk av sensor Probe-10
Nederst på sensoren kan du se tilkoblingstråden for tilkobling til rørledningen, og til høyre under det svarte dekselet er det en kontakt for å koble en kommunikasjonslinje med kontrolleren.
Den gjengede forbindelsen er forseglet med en skive laget av glødet kobber (inkludert i leveringsomfanget av sensoren), og vikles på ingen måte fra et fumtape eller lin. Dette gjøres slik at når du installerer sensoren, ikke deformerer sensorelementet som er plassert inne.
Analoge sensorutganger
I henhold til standardene er det tre områder med strømsignaler: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA og 4 ... 20mA. Hva er deres forskjell, og hva er funksjonene?
Oftest er avhengigheten av utgangsstrømmen direkte proporsjonal med den målte verdien, for eksempel, jo høyere trykk i røret, desto større er strømmen ved utgangen fra sensoren. Selv om invers svitsjing noen ganger blir brukt: en større verdi av utgangsstrømmen tilsvarer minimumsverdien av den målte verdien ved utgangen fra sensoren. Det avhenger av hvilken type kontroller som brukes. Noen sensorer bytter til og med fra direkte til invers.
Utgangssignalet fra området 0 ... 5mA er veldig lite, og derfor utsatt for interferens. Hvis signalet til en slik sensor svinger med en konstant verdi av den målte parameteren, det vil si, anbefales det å installere en kondensator med en kapasitans på 0,1 ... 1 μF parallelt med sensorens utgang. Mer stabilt er strømsignalet i området 0 ... 20mA.
Men begge disse områdene er ikke gode fordi nullen i begynnelsen av skalaen ikke lar oss entydig bestemme hva som skjedde. Eller tok det målte signalet faktisk et nullnivå, som i prinsippet er mulig, eller bare kommunikasjonslinjen ble avbrutt? Derfor prøver de å forlate bruken av disse sortimentene, hvis mulig.
Signalet til analoge sensorer med en utgangsstrøm i området 4 ... 20 mA regnes som mer pålitelig. Støyimmuniteten er ganske høy, og den nedre grensen, selv om det målte signalet har et nullnivå, vil være 4 mA, noe som gjør at vi kan si at kommunikasjonslinjen ikke er ødelagt.
En annen god egenskap ved 4 ... 20mA-serien er at sensorene kan kobles til i bare to ledninger, siden sensoren selv drives av denne strømmen. Dette er strømforbruket og samtidig et målesignal.
Strømkilden for sensorer i området 4 ... 20mA er slått på, som vist i figur 5. Samtidig har Zond-10-sensorene, som mange andre, et bredt spekter av forsyningsspenning 10 ... 38V i henhold til passet, selv om de oftest brukes stabiliserte kilder med en spenning på 24V.
Figur 5. Koble en analog sensor til en ekstern strømkilde
Følgende elementer og notasjon er til stede i dette diagrammet. Rш er motstanden til måle shunt, Rl1 og Rl2 er motstandene til kommunikasjonslinjer. For å øke målenøyaktigheten, bør en presisjonsmålemotstand brukes som Rш. Strømmen fra strømkilden indikeres med piler.
Det er lett å se at utgangsstrømmen til strømkilden går fra + 24V-terminalen, gjennom Rl1-linjen når den + AO2-sensorterminalen, passerer gjennom sensoren og gjennom sensorutgangsterminalen - AO2, Rl2-forbindelseslinjen, motstanden Rш går tilbake til -24V strømforsyningsterminalen. Alt, kretsen er lukket, strømmen strømmer.
Hvis kontrolleren inneholder en 24V strømforsyning, er det mulig å koble sensoren eller måle transduseren i henhold til skjemaet vist i figur 6.
Figur 6. Koble en analog sensor til en kontroller med en intern strømkilde
Dette diagrammet viser et annet element - ballastmotstanden Rb. Hensikten er å beskytte målemotstanden når kommunikasjonslinjen er lukket eller den analoge sensoren ikke fungerer. Installasjonen av en RB-motstand er valgfri, selv om det er ønskelig.
I tillegg til forskjellige sensorer, har også måleromformere, som ofte brukes i automatiseringssystemer, strømutgang.
Måling av svinger - en enhet for å konvertere spenningsnivåer, for eksempel 220V eller strøm på flere titalls eller hundrevis av ampere til et strømsignal på 4 ... 20mA. Her skjer konvertering av nivået til det elektriske signalet ganske enkelt, og ikke representasjonen av en viss fysisk mengde (hastighet, strømningshastighet, trykk) i elektrisk form.
Men den eneste sensoren, som regel, er ikke nok. En av de mest populære målingene er temperatur- og trykkmålinger. Antallet slike punkter i moderne produksjon kan nå flere titusener. Følgelig er antall sensorer også stort. Derfor er flere analoge sensorer oftest koblet til en kontroller samtidig. Selvfølgelig, ikke flere tusen samtidig, er det bra hvis et dusin er forskjellige. En slik forbindelse er vist på figur 7.
Figur 7. Koble flere analoge sensorer til kontrolleren
Denne figuren viser hvordan en spenning som er egnet for konvertering til en digital kode oppnås fra et strømsignal. Hvis det er flere slike signaler, blir de ikke behandlet på en gang, men blir separert av tid, multiplekset, ellers må en egen ADC settes på hver kanal.
For dette formålet har kontrolleren en krets som bytter kanaler. Funksjonsdiagrammet til bryteren er vist på figur 8.
Figur 8. Bryter av analoge sensorkanaler (klikkbart bilde)
Signalene fra strømsløyfen, omgjort til spenning ved målemotstanden (UR1 ... URn), mates til inngangen til den analoge bryteren. Styresignalene passerer vekselvis et av signalene UR1 ... URn, som forsterkes av forsterkeren, og blir vekselvis matet til ADC-inngangen. Spenningen konvertert til en digital kode blir levert til kontrolleren.
Opplegget er selvfølgelig veldig forenklet, men prinsippet om multipleksing i det er ganske mulig å vurdere. Slik ble modulen for innføring av analoge signaler fra MSTS-kontrollerne (mikroprosessorsystem for maskinvare) bygget av Prolog Smolensk PC. Utseendet til MCTC-kontrolleren er vist i figur 9.
Figur 9. ICTS-kontroller
Utgivelsen av slike kontrollører har lenge blitt avviklet, selv om noen steder langt fra de beste tjener disse kontrollerne. Disse museumsutstillingene er erstattet av kontrollører av nye modeller, hovedsakelig av importert (kinesisk) produksjon.
For å koble til 4 ... 20mA strømfølere, anbefales det å bruke en to-tråds skjermet kabel med et kjernetverrsnitt på minst 0,5 mm2.
Hvis kontrolleren er montert i et metallskap, anbefales det at skjermingsfletter kobles til skapets bakkepunkt. Lengden på forbindelseslinjene kan nå mer enn to kilometer, som beregnes av de tilsvarende formlene. Vi vil ikke vurdere noe her, men tro meg det er slik.
Nye sensorer, nye kontrollere
Med ankomsten av nye kontrollører, nye HART analoge sensorer (Highway Addressable Remote Transducer), som oversettes som "Måling av transduser adresserbar eksternt via bagasjerommet".
Utgangssignalet fra sensoren (feltanordningen) er et analogt strømsignal i området 4 ... 20 mA, hvor et frekvensmodulert (FSK - Frequency Shift Keying) digitalt kommunikasjonssignal legges over.
Figur 10. HART Analog sensorutgang
Figuren viser et analogt signal, og rundt det, som en slange, en sinusoidespiral. Dette er et frekvensmodulert signal.Men dette er ikke et digitalt signal i det hele tatt, det er ennå ikke anerkjent. På figuren merkes det at frekvensen av sinusformet når du sender en logisk null er høyere (2,2 KHz) enn når du sender en enhet (1,2 KHz). Overføringen av disse signalene utføres av en strøm med en amplitude på ± 0,5 mA sinusform.
Det er kjent at gjennomsnittsverdien av sinusformet signal er null, og derfor påvirker overføring av digital informasjon ikke utgangsstrømmen til sensoren 4 ... 20 mA. Denne modusen brukes når du setter opp sensorer.
HART-kommunikasjon skjer på to måter. I det første tilfellet, standarden, er det bare to enheter som kan utveksle informasjon via en to-ledningslinje, mens det analoge utgangssignalet 4 ... 20mA avhenger av den målte verdien. Denne modusen brukes når du setter opp feltenheter (sensorer).
I det andre tilfellet kan opptil 15 sensorer kobles til totrådslinjen, hvis antall bestemmes av parametrene til kommunikasjonslinjen og strømforsyningen. Dette er en multi-drop-modus. I denne modusen har hver sensor sin egen adresse i området 1 ... 15, der kontrollenheten får tilgang til den.
Sensoren med adresse 0 kobles fra kommunikasjonslinjen. Datautveksling mellom sensoren og kontrollenheten i flerseglingsmodus utføres kun av et frekvenssignal. Sensorstrømsignalet er fast på ønsket nivå og endres ikke.
Når det gjelder kommunikasjon med flere punkter, menes data ikke bare de faktiske resultatene av målinger av den kontrollerte parameteren, men også et helt sett med alle slags serviceinformasjon.
Først av alt, dette er adressene til sensorer, kontrollkommandoer, innstillinger. Og all denne informasjonen blir overført via to-leder kommunikasjonslinjer. Men er det mulig å bli kvitt dem? Det er sant at dette bør gjøres nøye, bare i de tilfeller når den trådløse tilkoblingen ikke kan påvirke sikkerheten til den kontrollerte prosessen.
Det viser seg at du kan bli kvitt ledningene. Allerede i 2007 ble WirelessHART Standard publisert, overføringsmediet er den ulisensierte frekvensen på 2,4 GHz, som kjøres på mange trådløse datamaskiner, inkludert trådløse lokalnettverk. Derfor kan WirelessHART-enheter brukes uten begrensninger. Figur 11 viser det trådløse WirelessHART-nettverket.
Figur 11. Wireless WirelessHART
Disse teknologiene har erstattet den gamle analoge strømsløyfen. Men hun gir ikke opp sin stilling, den brukes mye der det er mulig.
Boris Aladyshkin
Se også på elektrohomepro.com
: