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Eingabe von Informationen in die Steuerung mithilfe von Optokopplern

 


Eingabe von Informationen in die Steuerung mithilfe von OptokopplernDer Artikel beschreibt, wie unter Verwendung von Optokoppler-Austauschvorgängen zur Eingabe diskreter Informationen mit einem Pegel von 220 V in die Steuerung ein praktisches Schema für die Produktion in jedem elektrischen Labor verfügbar ist.

In technologischen Prozessen ist es häufig erforderlich, die Position beweglicher Teile von Maschinenmechanismen zu steuern. Zu diesem Zweck wurden Endschalter mit verschiedenen Konstruktionen und Funktionsprinzipien entwickelt und erfolgreich angewendet.

Das einfachste Design und Funktionsprinzip sind natürlich herkömmliche mechanische Kontaktschalter: Durch ein System mechanischer Hebel und häufig ein ganzes System von Zahnrädern, die die Nocken antreiben, wird ein elektrischer Kontakt geschlossen, was die End- oder Anfangsposition des Mechanismus bedeuten kann.

Neben Kontaktendschaltern oder kurz Endschalter genannt, sind kontaktlose Endschalter weit verbreitet. Ein typischer Vertreter dieser Familie sind Endschalter vom Typ BVK. Es gibt viele Änderungen, daher werden Zahlen nach den Buchstaben BVK gesetzt.

Ihre Arbeit basiert auf dem Prinzip eines gesteuerten Entspannungsgenerators. Wenn eine Metallplatte in den Spalt eines solchen Endschalters eintritt, stoppt die Erzeugung und das Ausgangsrelais löst aus. Natürlich befindet sich die vorgenannte Platte an dem Teil des Mechanismus, dessen Position gesteuert werden muss. Das Aussehen eines solchen Anhängers ist in Abbildung 1 dargestellt.

BVK Näherungsschalter

Abbildung 1. BVK-Näherungsschalter

Neben Sensoren, die auf einem Relaxationsgenerator basieren, werden Induktions-, kapazitive, optische, Ultraschall- und andere Sensortypen verwendet. Trotz dieser Vielzahl von Sensortypen und ihrer Funktionsweise verlieren gewöhnliche Kontaktendschalter nicht ihre Position, und es ist zu früh, sie zu verwerfen.

Oft sind Mechanismen mit Kontaktschaltern in automatisierten Systemen enthalten, die unter der Kontrolle von Steuerungen laufen. In diesem Fall sollten Informationen über die Position des Mechanismus an die Steuerung übertragen werden, die den Betrieb dieses Mechanismus steuert.

Einer dieser Mechanismen ist das häufigste Wasserventil. Anhand ihres Beispiels werden wir überlegen, wie Informationen über ihre Position an den Controller übertragen werden können. Dies geschieht am einfachsten und zuverlässigsten unter Verwendung einer Optokopplerisolation. Dies wird in diesem Artikel erläutert.

Sehr oft wird uns im Fernsehen gezeigt, wie ein Arbeiter ein großes Schwungrad an einem großen Ventil dreht und so den Gas- oder Ölfluss abstellt. Viele vermuten daher nicht einmal, dass die Ventile nicht nur mechanisiert und mit Elektromotoren ausgestattet sind, sondern auch in verschiedenen automatischen Steuerungssystemen enthalten sind.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ventilsteuerschaltung.

Vereinfachter Ventilsteuerkreis

Abbildung 2. Ein vereinfachter Ventilsteuerkreis

Um das Volumen der Figur zu verringern, sind die tatsächlichen Leistungskontakte, die den Elektromotor und den Elektromotor selbst steuern, sowie verschiedene Schutzelemente wie Leistungsschalter und thermische Relais nicht gezeigt. Schließlich ist die Vorrichtung eines herkömmlichen reversiblen Magnetstarters jedem Elektriker bekannt. Und wie oft musste die Störung durch einfaches Drücken eines Knopfes auf der "Teplushka" behoben werden !!! Dennoch muss der Zweck einiger Elemente der Schaltung erklärt werden.

Das Diagramm zeigt die Spulen der Magnetstarter K1, K2. Wenn K1 eingeschaltet ist, öffnet sich das Ventil und wenn K2 eingeschaltet ist, schließt es, wie durch die Beschriftungen in der Nähe der Spulen angezeigt. Die im Diagramm gezeigten Anlasserspulen sind für 220 V ausgelegt.

Normalerweise sind geschlossene Kontakte K2 und K1 die Standardlösung für jede Umkehrstarterblockierung: Wenn ein Starter eingeschaltet ist, kann sich der andere nicht einschalten.

Das Öffnen oder Schließen des Ventils beginnt mit dem Drücken der entsprechenden Tasten in der Abbildung. Nach dem Loslassen der Tasten wird der Anlasser durch seinen eigenen Kontakt (Blockkontakt) eingeschaltet. Diese Betriebsart wird als Selbsternährung bezeichnet. In der Abbildung sind dies normalerweise offene Kontakte K1 und K2.

Etwas höher als diese Kontakte im Diagramm befindet sich ein Rechteck mit den Kontakten im Inneren und der Aufschrift „KMU-Mechanismus“. Dies ist ein Positionssignalmechanismus (ICP). In unserem Schema befindet sich das Ventil in der mittleren Position, sodass die Kontakte S1 und S2 geschlossen sind, sodass Sie jeden Starter sowohl zum Öffnen als auch zum Schließen einschalten können.

Der Mechanismus des KMU ist ein Getriebe, das den Mehrdrehhub des Arbeitskörpers, in diesem Fall das Schraubenpaar des Ventils, in die Winkelbewegung der Welle mit den Nocken umwandelt. Je nach Modell der KMU kann dieser Winkel 90 ... 225 Grad betragen. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann auf Kundenwunsch beliebig sein, wodurch Sie die Position der Nocken am genauesten einstellen können.

Auf der Welle befindliche Nocken können auf den gewünschten Winkel gedreht und fixiert werden. Aufgrund dessen ist es möglich, verschiedene Betriebsmomente von Mikroschaltern zu erhalten. In unserem Schema ist dies S1 ... S4. Einige Modifikationen von KMU enthalten neben Mikroschaltern einen Induktionssensor, der ausgibt analoges Signal über den Drehwinkel der Welle. Dies ist in der Regel ein Stromsignal im Bereich von 4 ... 20 mA. Dieses Signal werden wir hier jedoch nicht berücksichtigen.

Kommen wir nun zu unserem Schema zurück. Angenommen, die Schaltfläche zum Öffnen wurde gedrückt. In diesem Fall beginnt das Ventil zu öffnen und öffnet sich, bis der Mikroschalter S1 im ICP-Mechanismus arbeitet. (Es sei denn natürlich, die Stopptaste wird zuerst gedrückt). Er schaltet die Anlasserspule K1 ab und das Ventil hört auf zu öffnen.

Wenn sich der Mechanismus in dieser Position befindet und dann die Öffnungstaste gedrückt wird, kann sich der K1-Starter nicht einschalten. Das einzige, was dazu führen kann, dass sich der Elektromotor in dieser Situation einschaltet, ist das Drücken der Taste, um das Ventil zu schließen. Das Schließen wird fortgesetzt, bis der Mikroschalter S2 aktiviert ist. (Oder bis Sie auf "Stop" klicken).

Sowohl das Öffnen als auch das Schließen des Ventils kann jederzeit durch Drücken der Stopptaste gestoppt werden.

Wie oben erwähnt, funktioniert das Ventil nicht von alleine, "sie haben einen Knopf gedrückt und sind gegangen", sondern können in das Automatisierungssystem gelangen. In diesem Fall muss das Steuergerät (Regler) irgendwie über die Ventilstellung informiert werden: offen, geschlossen, in der Zwischenstellung.

Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, zusätzliche Kontakte zu verwenden, die übrigens bereits in KMU verfügbar sind. In der Abbildung sind dies die freien Kontakte S3 und S4. Nur in diesem Fall entstehen zusätzliche Unannehmlichkeiten und Kosten. Dies bedeutet zunächst, dass zusätzliche Drähte ausgeführt werden müssen und zusätzliche Drähte. Und das sind zusätzliche Kosten.

Zusätzliche Unannehmlichkeiten ergeben sich aus der Tatsache, dass Sie zusätzliche Kameras konfigurieren müssen. Diese Kameras werden als informativ bezeichnet. In unserem Schema sind dies S3 und S4. In Bezug auf die Leistung (im Diagramm sind es S1 und S2) müssen sie sehr genau konfiguriert werden: Beispielsweise teilt der Informationstrailer der Steuerung mit, dass das Ventil bereits geschlossen hat und die Steuerung das Ventil einfach ausschaltet. Und sie hat immer noch nicht die Hälfte erreicht!

Daher zeigt Abbildung 3, wie Sie mithilfe von Leistungskontakten Informationen über die Position des Ventils erhalten. Zu diesem Zweck kann eine Optokopplerentkopplung verwendet werden.

Eingabe von Informationen in die Steuerung mithilfe von Optokopplern

Abbildung 3

Im Vergleich zu Abbildung 2 wurden im Diagramm neue Elemente angezeigt. Zuallererst Relaiskontakte mit den Namen "Relais offen", "Relais geschlossen", "Relaisstopp".Es ist leicht zu erkennen, dass die ersten beiden parallel zu den entsprechenden Tasten auf dem Handbedienfeld geschaltet sind und die normalerweise geschlossenen Kontakte „Relaisstopp“ sind. nacheinander mit der Stop-Taste. Daher kann das Ventil jederzeit entweder durch Drücken der Tasten von Hand oder von der Steuereinheit (Steuerung) unter Verwendung von Zwischenrelais gesteuert werden. Zur Vereinfachung der Schaltung sind Spulen von Zwischenrelais nicht dargestellt.

Zusätzlich erschien auf dem Diagramm ein Rechteck mit der Aufschrift "Optokoppler-Austausch". Es enthält zwei Kanäle, über die die Spannung von den Endschaltern des KMU-Mechanismus (220 V) in den Signalpegel der Steuerung umgewandelt und eine galvanische Trennung vom Stromnetz durchgeführt werden kann.

Das Diagramm zeigt, dass die Eingänge der Optokopplerübergänge direkt mit den Mikroschaltern S1 und S2 des ICP-Mechanismus verbunden sind. Befindet sich das Ventil in der mittleren Position (teilweise geöffnet), sind beide Mikroschalter geschlossen und an beiden Eingängen der Optokopplerübergänge liegt eine Spannung von 220 V an. In diesem Fall befinden sich die Ausgangstransistoren beider Kanäle im geöffneten Zustand.

Wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, der Mikroschalter S1 geöffnet ist, liegt am Eingang des Isolationskanals des Optokopplers keine Spannung an, sodass der Ausgangstransistor eines Kanals geschlossen wird. Gleiches gilt für den Betrieb des Mikroschalters S2.

Ein schematisches Diagramm eines Optokoppler-Isolationskanals ist in 4 gezeigt.

Schematische Darstellung einer einkanaligen Optokopplerisolation

Abbildung 4. Schematische Darstellung eines Optokopplerkanals


Beschreibung des Schaltplans

Die Eingangsspannung über den Widerstand R1 und den Kondensator C1 wird durch die Dioden VD1, VD2 gleichgerichtet und lädt den Kondensator C2 auf. Wenn die Spannung am Kondensator C2 die Durchbruchspannung der Zenerdiode VD3 erreicht, wird der Kondensator C3 aufgeladen und über den Widerstand R3 "leuchtet" die Optokoppler-LED V1, die zur Öffnung des Optokopplertransistors und damit des Ausgangstransistors VT1 führt. Der Ausgangstransistor ist über eine Entkopplungsdiode VD4 mit dem Reglereingang verbunden.


Ein paar Worte über den Zweck und die Art der Teile.

Der Kondensator C1 arbeitet als Nicht-Watt-Widerstand. Seine Kapazität begrenzt den Eingangsstrom. Der Widerstand R1 ist so ausgelegt, dass er den Einschaltstrom zum Zeitpunkt des Schließens der Mikroschalter S1, S2 begrenzt.

Der Widerstand R2 schützt den Kondensator C2 vor einer erhöhten Spannung im Falle einer Unterbrechung in der Zenerdioden-VD3-Schaltung.

Als Zenerdiode VD3 wird KC515 mit einer Stabilisierungsspannung von 15V verwendet. Auf diesem Niveau ist die Ladespannung des Kondensators C4 begrenzt und dementsprechend der Strom durch die LED des Optokopplers V1.

Als Optokoppler V1 wurde AOT128 verwendet. Der 100 kOhm Widerstand R5 bleibt geschlossen Optokoppler-Fototransistor in Abwesenheit von LED-Beleuchtung.

Wenn wir anstelle des inländischen AOT128-Optokopplers den importierten analogen 4N35 verwenden (obwohl dies immer noch eine Frage ist, welcher von ihnen ist der analoge?), Sollte der Widerstand R5 mit einem Nennwert von 1 MΩ angegeben werden. Andernfalls funktioniert der bürgerliche Optokoppler einfach nicht: 100 KOhm schließen den Fototransistor so fest, dass er nicht mehr geöffnet werden kann.

Die Ausgangsstufe des KT315-Transistors ist für den Betrieb mit einem Strom von 20 mA ausgelegt. Wenn Sie einen größeren Ausgangsstrom benötigen, können Sie einen leistungsstärkeren Transistor wie KT972 oder KT815 verwenden.

Das Schema ist recht einfach, zuverlässig im Betrieb und nicht launisch bei der Inbetriebnahme. Sie können sogar sagen, dass keine Anpassung erforderlich ist.

Es ist am einfachsten, den Betrieb der Karte zu überprüfen, indem eine 220-V-Netzwerkspannung direkt von der Steckdose an den Eingang angelegt wird. Schließen Sie die LED an den Ausgang über einen Widerstand von etwa einem Kiloohm an und legen Sie eine 12-V-Stromversorgung an. In diesem Fall sollte die LED aufleuchten. Wenn Sie die 220-V-Spannung ausschalten, muss die LED erlöschen.

Das Aussehen der fertigen Platte mit optoelektronischer Isolation

Abb. 5. Aussehen der fertigen Platine mit optoelektronischer Isolation

Abbildung 5 zeigt das Erscheinungsbild einer fertigen Platine mit vier Optokopplerkanälen. Die Eingangs- und Ausgangssignale werden über die auf der Platine installierten Klemmenblöcke verbunden. Gebühr hergestellt durch Laserbügeltechnik, weil es für seine Produktion gemacht wurde.Während mehrerer Betriebsjahre gab es praktisch keine Ausfälle.

Boris Aladyshkin

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