Analoge Sensoren: Anwendung, Anschlussmethoden an die Steuerung

Bei der Automatisierung technologischer Prozesse zur Steuerung von Mechanismen und Baugruppen müssen Messungen verschiedener physikalischer Größen durchgeführt werden. Dies können Temperatur, Druck und Durchflussrate einer Flüssigkeit oder eines Gases, Rotationsgeschwindigkeit, Lichtintensität, Informationen über die Position von Teilen von Mechanismen und vieles mehr sein. Diese Informationen werden mithilfe von Sensoren abgerufen. Hier zunächst die Position der Teile der Mechanismen.

Diskrete Sensoren

Der einfachste Sensor ist ein normaler mechanischer Kontakt: Die Tür wurde geöffnet - der Kontakt geöffnet, geschlossen - geschlossen. Solch ein einfacher Sensor sowie der obige Betriebsalgorithmus werden häufig verwendet wird in Sicherheitsalarmen verwendet. Für einen Mechanismus mit Translationsbewegung, der zwei Positionen hat, beispielsweise ein Wasserventil, werden zwei Kontakte benötigt: Ein Kontakt ist geschlossen - das Ventil ist geschlossen, der andere ist geschlossen - geschlossen.

Ein komplexerer Translationsalgorithmus verfügt über einen Mechanismus zum Schließen der thermoplastischen Formmaschine. Anfangs ist die Form offen, dies ist die Ausgangsposition. In dieser Position werden fertige Produkte aus der Form entfernt. Als nächstes schließt der Arbeiter den Schutzzaun und die Form beginnt sich zu schließen, ein neuer Arbeitszyklus beginnt.

Der Abstand zwischen den Formenhälften ist ziemlich groß. Daher bewegt sich die Form zunächst schnell und in einem bestimmten Abstand, bis die Hälften geschlossen sind, wird der Anhänger ausgelöst, die Bewegungsgeschwindigkeit wird erheblich verringert und die Form schließt reibungslos.

Mit diesem Algorithmus können Sie beim Schließen der Form einen Schlag vermeiden, da diese sonst einfach in kleine Stücke geschnitten werden kann. Die gleiche Geschwindigkeitsänderung tritt auf, wenn die Form geöffnet wird. Hier können zwei Kontaktsensoren nicht.

Somit sind die auf dem Kontakt basierenden Sensoren diskret oder binär, haben zwei Positionen, geschlossen - offen oder 1 und 0. Mit anderen Worten können wir sagen, dass das Ereignis aufgetreten ist oder nicht. Im obigen Beispiel werden mehrere Punkte von den Kontakten „erfasst“: der Beginn der Bewegung, der Punkt der Geschwindigkeitsabnahme, das Ende der Bewegung.

In der Geometrie hat ein Punkt keine Dimensionen, nur einen Punkt und das wars. Es kann entweder sein (auf einem Blatt Papier, in der Bewegungsbahn, wie in unserem Fall), oder es existiert einfach nicht. Daher werden diskrete Sensoren verwendet, um Punkte zu erfassen. Vielleicht ist ein Vergleich mit einem Punkt hier nicht sehr angemessen, da sie für praktische Zwecke den Wert der Genauigkeit eines diskreten Sensors verwenden und diese Genauigkeit viel mehr als ein geometrischer Punkt ist.

Mechanischer Kontakt allein ist jedoch unzuverlässig. Daher werden mechanische Kontakte nach Möglichkeit durch Näherungssensoren ersetzt. Die einfachste Option ist ein Reed-Schalter: Der Magnet ist geschlossen, der Kontakt ist geschlossen. Die Genauigkeit der Betätigung des Reed-Schalters lässt zu wünschen übrig; die Verwendung solcher Sensoren dient lediglich zur Bestimmung der Position der Türen.

Eine komplexere und genauere Option sollte als eine Vielzahl von Näherungssensoren betrachtet werden. Wenn die Metallfahne in den Schlitz eindrang, funktionierte der Sensor. Als Beispiel für solche Sensoren können die BVK-Sensoren (berührungsloser Endschalter) verschiedener Serien angeführt werden. Die Betriebsgenauigkeit (Hubdifferenz) solcher Sensoren beträgt 3 Millimeter.

Abbildung 1. Sensor der BVK-Serie

Die Versorgungsspannung der BVK-Sensoren beträgt 24 V, der Laststrom beträgt 200 mA, was völlig ausreicht, um Zwischenrelais für die weitere Koordination mit dem Steuerkreis anzuschließen. So werden BVK-Sensoren in verschiedenen Geräten eingesetzt.

Neben BVK-Sensoren werden auch Sensoren der Typen BTP, KVP, PIP, KVD, FISH verwendet. Jede Serie verfügt über mehrere Sensortypen, die durch Nummern gekennzeichnet sind, z. B. BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Alle genannten Sensoren sind berührungslos, ihr Hauptzweck besteht darin, die Position von Teilen von Mechanismen und Baugruppen zu bestimmen. Natürlich gibt es noch viel mehr dieser Sensoren, über die Sie nicht alle in einem Artikel schreiben können. Verschiedene Kontaktsensoren sind noch häufiger und finden immer noch breite Verwendung.

Die Verwendung von analogen Sensoren

Neben diskreten Sensoren in Automatisierungssystemen werden häufig analoge Sensoren verwendet. Ihr Zweck ist es, Informationen über verschiedene physikalische Größen zu erhalten, und zwar nicht nur so, sondern in Echtzeit. Genauer gesagt die Umwandlung einer physikalischen Größe (Druck, Temperatur, Beleuchtung, Durchfluss, Spannung, Strom) in ein elektrisches Signal, das zur Übertragung über Kommunikationsleitungen an die Steuerung und deren Weiterverarbeitung geeignet ist.

Analoge Sensoren befinden sich normalerweise ziemlich weit von der Steuerung entfernt, weshalb sie häufig als solche bezeichnet werden Feldgeräte. Dieser Begriff wird in der Fachliteratur häufig verwendet.

Ein analoger Sensor besteht typischerweise aus mehreren Teilen. Der wichtigste Teil ist das empfindliche Element - Sensor. Ziel ist es, den Messwert in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das vom Sensor empfangene Signal ist jedoch normalerweise klein. Um ein zur Verstärkung geeignetes Signal zu erhalten, ist der Sensor meistens in der Brückenschaltung enthalten - Wheatstone Bridge.

Abbildung 2. Wheatstone Bridge

Der ursprüngliche Zweck der Brückenschaltung ist eine genaue Widerstandsmessung. Eine Gleichstromquelle ist mit der Diagonale der AD-Brücke verbunden. Ein empfindliches Galvanometer mit einem Mittelpunkt und einer Null in der Mitte der Skala ist mit einer anderen Diagonale verbunden. Um den Widerstand des Widerstands Rx durch Drehen des Trimmwiderstands R2 zu messen, muss die Brücke ausgewuchtet und der Galvanometerpfeil auf Null gesetzt werden.

Durch Abweichung des Pfeils des Geräts in die eine oder andere Richtung können Sie die Drehrichtung des Widerstands R2 bestimmen. Der Wert des gemessenen Widerstands wird auf einer Skala bestimmt, die mit dem Griff des Widerstands R2 kombiniert ist. Die Gleichgewichtsbedingung für die Brücke ist die Gleichheit der Verhältnisse R1 / R2 und Rx / R3. In diesem Fall wird zwischen den Punkten BC eine Potentialdifferenz von Null erhalten, und der Strom fließt nicht durch das Galvanometer V.

Der Widerstand der Widerstände R1 und R3 wird sehr genau gewählt, ihre Streuung sollte minimal sein. Nur in diesem Fall bewirkt bereits ein kleines Ungleichgewicht der Brücke eine merkliche Änderung der Spannung der BC-Diagonale. Diese Eigenschaft der Brücke dient zum Anschluss empfindlicher Elemente (Sensoren) verschiedener analoger Sensoren. Dann ist alles einfach, eine Frage der Technologie.

Um das vom Sensor empfangene Signal zu verwenden, ist eine weitere Verarbeitung erforderlich. - Verstärkung und Umwandlung in ein Ausgangssignal, das zur Übertragung und Verarbeitung durch die Steuerschaltung geeignet ist. die Steuerung. Am häufigsten ist das Ausgangssignal von analogen Sensoren Strom (analoge Stromschleife), seltener Spannung.

Warum genau die Strömung? Tatsache ist, dass die Ausgangsstufen von analogen Sensoren auf Stromquellen basieren. Auf diese Weise können Sie den Einfluss des Widerstands der Verbindungsleitungen auf das Ausgangssignal beseitigen und Verbindungsleitungen mit großer Länge verwenden.

Die weitere Konvertierung ist recht einfach. Das Stromsignal wird in eine Spannung umgewandelt, für die es ausreicht, den Strom durch einen Widerstand mit bekanntem Widerstand zu leiten. Der Spannungsabfall am Messwiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz U = I * R.

Zum Beispiel erhalten Sie für einen Strom von 10 mA an einem Widerstand mit einem Widerstand von 100 Ohm eine Spannung von 10 * 100 = 1000 mV, genau dort liegt eine ganze 1 Volt! In diesem Fall hängt der Ausgangsstrom des Sensors nicht vom Widerstand der Verbindungsdrähte ab. Natürlich in vernünftigen Grenzen.

Anschluss von analogen Sensoren

Die am Messwiderstand empfangene Spannung kann leicht in eine digitale Form umgewandelt werden, die für die Eingabe in die Steuerung geeignet ist. Die Konvertierung erfolgt mit Analog-Digital-Wandler ADC.

Digitale Daten werden in seriellem oder parallelem Code an die Steuerung übertragen.Es hängt alles von der spezifischen Schaltschaltung ab. Ein vereinfachtes Anschlussdiagramm des analogen Sensors ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Anschließen eines analogen Sensors (zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Aktuatoren sind mit der Steuerung verbunden, oder die Steuerung selbst ist mit einem Computer verbunden, der Teil des Automatisierungssystems ist.

Natürlich haben die analogen Sensoren ein fertiges Design, von dem eines ein Gehäuse mit Verbindungselementen ist. Als Beispiel zeigt Abbildung 4 das Erscheinungsbild des Manometerdrucksensors Typ Probe-10.

Abbildung 4. Sensorüberdrucksonde-10

Unten am Sensor sehen Sie das Verbindungsgewinde zum Anschließen an die Rohrleitung, und rechts unter der schwarzen Abdeckung befindet sich ein Anschluss zum Anschließen einer Kommunikationsleitung mit der Steuerung.

Die Gewindeverbindung ist mit einer Unterlegscheibe aus geglühtem Kupfer (im Lieferumfang des Sensors enthalten) abgedichtet und wickelt sich keinesfalls von einem Rauchband oder Leinen ab. Dies geschieht, damit bei der Installation des Sensors das darin befindliche Sensorelement nicht verformt wird.

Analoge Sensorausgänge

Gemäß den Standards gibt es drei Bereiche von Stromsignalen: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA und 4 ... 20 mA. Was ist ihr Unterschied und was sind die Merkmale?

Meistens ist die Abhängigkeit des Ausgangsstroms direkt proportional zum gemessenen Wert. Je höher beispielsweise der Druck in der Rohrleitung ist, desto größer ist der Strom am Ausgang des Sensors. Obwohl manchmal inverses Schalten verwendet wird: Ein größerer Wert des Ausgangsstroms entspricht dem Minimalwert des gemessenen Wertes am Ausgang des Sensors. Es hängt alles vom Typ des verwendeten Controllers ab. Einige Sensoren schalten sogar von direkt auf invers um.

Das Ausgangssignal im Bereich von 0 bis 5 mA ist sehr klein und daher störanfällig. Wenn das Signal eines solchen Sensors bei einem konstanten Wert des gemessenen Parameters schwankt, wird empfohlen, einen Kondensator mit einer Kapazität von 0,1 ... 1 μF parallel zum Ausgang des Sensors zu installieren. Stabiler ist das Stromsignal im Bereich von 0 ... 20mA.

Diese beiden Bereiche sind jedoch nicht gut, da die Null am Anfang der Skala es uns nicht erlaubt, eindeutig zu bestimmen, was passiert ist. Oder hat das gemessene Signal tatsächlich einen Nullpegel angenommen, was im Prinzip möglich ist, oder wurde einfach die Kommunikationsleitung unterbrochen? Daher versuchen sie, die Verwendung dieser Bereiche nach Möglichkeit aufzugeben.

Das Signal von analogen Sensoren mit einem Ausgangsstrom im Bereich von 4 ... 20 mA gilt als zuverlässiger. Die Störfestigkeit ist ziemlich hoch, und die untere Grenze, selbst wenn das gemessene Signal einen Nullpegel hat, beträgt 4 mA, was uns sagen lässt, dass die Kommunikationsleitung nicht unterbrochen ist.

Ein weiteres gutes Merkmal des Bereichs von 4 bis 20 mA ist, dass die Sensoren in nur zwei Drähten angeschlossen werden können, da der Sensor selbst mit diesem Strom versorgt wird. Dies ist die Stromaufnahme und gleichzeitig ein Messsignal.

Die Stromquelle für Sensoren im Bereich von 4 bis 20 mA ist eingeschaltet, wie in Abbildung 5 dargestellt. Gleichzeitig haben die Zond-10-Sensoren wie viele andere einen großen Bereich von Versorgungsspannungen von 10 bis 38 V, je nach Pass, obwohl sie am häufigsten verwendet werden stabilisierte Quellen mit einer Spannung von 24V.

Abbildung 5. Anschließen eines analogen Sensors an eine externe Stromquelle

Die folgenden Elemente und Notationen sind in diesem Diagramm vorhanden. Rш ist der Widerstand des Messshunts, Rl1 und Rl2 sind die Widerstände von Kommunikationsleitungen. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, sollte ein Präzisionsmesswiderstand als Rш verwendet werden. Der Stromdurchgang von der Stromquelle wird durch Pfeile angezeigt.

Es ist leicht zu erkennen, dass der Ausgangsstrom der Stromquelle vom + 24V-Anschluss fließt, über die Rl1-Leitung zum + AO2-Sensoranschluss gelangt, durch den Sensor und durch den Sensorausgangsanschluss - AO2, die Rl2-Verbindungsleitung, der Widerstand R connecting zum -24V-Stromversorgungsanschluss zurückkehrt. Alles, der Stromkreis ist geschlossen, der Strom fließt.

Wenn die Steuerung eine 24-V-Stromversorgung enthält, ist der Anschluss des Sensors oder Messwandlers gemäß dem in Abbildung 6 gezeigten Schema möglich.

Abbildung 6. Anschließen eines analogen Sensors an eine Steuerung mit interner Stromquelle

Dieses Diagramm zeigt ein weiteres Element - den Ballastwiderstand Rb. Sein Zweck ist es, den Messwiderstand zu schützen, wenn die Kommunikationsleitung geschlossen ist oder der analoge Sensor ausfällt. Die Installation eines RB-Widerstands ist optional, obwohl dies wünschenswert ist.

Messwandler, die häufig in Automatisierungssystemen eingesetzt werden, haben neben verschiedenen Sensoren auch einen Stromausgang.

Messumformer - eine Vorrichtung zum Umwandeln von Spannungspegeln, beispielsweise 220 V oder Strom von mehreren zehn oder hundert Ampere, in ein Stromsignal von 4 ... 20 mA. Hier findet einfach die Umwandlung des Pegels des elektrischen Signals statt und nicht die Darstellung einer physikalischen Größe (Geschwindigkeit, Durchflussrate, Druck) in elektrischer Form.

Der einzige Sensor reicht aber in der Regel nicht aus. Eine der beliebtesten Messungen sind Temperatur- und Druckmessungen. Die Anzahl solcher Punkte in der modernen Produktion kann mehrere Zehntausend erreichen. Dementsprechend ist auch die Anzahl der Sensoren groß. Daher werden meistens mehrere analoge Sensoren gleichzeitig an eine Steuerung angeschlossen. Natürlich nicht mehrere Tausend auf einmal, es ist gut, wenn ein Dutzend anders ist. Eine solche Verbindung ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Anschließen mehrerer analoger Sensoren an die Steuerung

Diese Abbildung zeigt, wie aus einem Stromsignal eine zur Umwandlung in einen digitalen Code geeignete Spannung erhalten wird. Wenn es mehrere solcher Signale gibt, werden sie nicht alle gleichzeitig verarbeitet, sondern durch die Zeit getrennt, gemultiplext, andernfalls müsste auf jedem Kanal ein separater ADC angelegt werden.

Zu diesem Zweck verfügt die Steuerung über einen Schaltkreis zum Schalten. Das Funktionsdiagramm des Schalters ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Schalter für analoge Sensorkanäle (anklickbares Bild)

Die am Messwiderstand (UR1 ... URn) in Spannung umgewandelten Signale der Stromschleife werden dem Eingang des Analogschalters zugeführt. Die Steuersignale lassen abwechselnd eines der vom Verstärker verstärkten Signale UR1 ... URn durch und werden abwechselnd dem ADC-Eingang zugeführt. Die in einen digitalen Code umgewandelte Spannung wird der Steuerung zugeführt.

Das Schema ist natürlich sehr vereinfacht, aber das Prinzip des Multiplexens ist durchaus zu berücksichtigen. Auf diese Weise wurde das vom Prolog PC Smolensk gebaute Modul zur Eingabe von analogen Signalen von den MSTS-Controllern (Mikroprozessorsystem der Hardware) gebaut. Das Erscheinungsbild des MCTC-Controllers ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9. ICTS-Controller

Die Freigabe solcher Steuerungen wurde lange eingestellt, obwohl diese Steuerungen an einigen Stellen, die weit von den besten entfernt sind, immer noch dienen. Diese Museumsausstellungen werden durch Controller neuer Modelle ersetzt, hauptsächlich aus importierter (chinesischer) Produktion.

Für den Anschluss von 4 ... 20mA Stromsensoren wird empfohlen, ein zweiadriges abgeschirmtes Kabel mit einem Kernquerschnitt von mindestens 0,5 mm2 zu verwenden.

Wenn der Controller in einem Metallgehäuse montiert ist, wird empfohlen, Abschirmgeflechte an den Erdungspunkt des Gehäuses anzuschließen. Die Länge der Verbindungslinien kann mehr als zwei Kilometer betragen, was durch die entsprechenden Formeln berechnet wird. Wir werden hier nichts in Betracht ziehen, aber glauben Sie mir, das ist so.

Neue Sensoren, neue Steuerungen

Mit dem Aufkommen neuer Controller neue analoge HART-Sensoren (Highway Addressable Remote Transducer), übersetzt als "Messwandler, der über die Amtsleitung fernadressierbar ist".

Das Ausgangssignal des Sensors (Feldgerät) ist ein analoges Stromsignal im Bereich von 4 ... 20 mA, dem ein frequenzmoduliertes digitales Kommunikationssignal (FSK - Frequency Shift Keying) überlagert ist.

Abbildung 10. Ausgang des analogen HART-Sensors

Die Abbildung zeigt ein analoges Signal und um sie herum wie eine Schlange eine Sinusspule. Dies ist ein frequenzmoduliertes Signal.Dies ist jedoch überhaupt kein digitales Signal, es muss noch erkannt werden. In der Figur ist erkennbar, dass die Frequenz der Sinuskurve beim Senden einer logischen Null höher ist (2,2 kHz) als beim Senden einer Einheit (1,2 kHz). Die Übertragung dieser Signale erfolgt durch einen Strom mit einer Amplitude von ± 0,5 mA Sinusform.

Es ist bekannt, dass der Durchschnittswert des Sinussignals Null ist, daher beeinflusst die Übertragung digitaler Informationen den Ausgangsstrom des Sensors 4 ... 20 mA nicht. Dieser Modus wird beim Einrichten von Sensoren verwendet.

Die HART-Kommunikation erfolgt auf zwei Arten. Im ersten Fall, dem Standard, können nur zwei Geräte Informationen über eine Zweidrahtleitung austauschen, während das analoge Ausgangssignal 4 ... 20 mA vom gemessenen Wert abhängt. Dieser Modus wird beim Einrichten von Feldgeräten (Sensoren) verwendet.

Im zweiten Fall können bis zu 15 Sensoren an die Zweidrahtleitung angeschlossen werden, deren Anzahl durch die Parameter der Kommunikationsleitung und die Leistung der Stromversorgung bestimmt wird. Dies ist ein Multi-Drop-Modus. In diesem Modus hat jeder Sensor eine eigene Adresse im Bereich von 1 bis 15, über die das Steuergerät darauf zugreift.

Der Sensor mit der Adresse 0 ist von der Kommunikationsleitung getrennt. Der Datenaustausch zwischen Sensor und Steuergerät im Mehrpunktmodus erfolgt nur über ein Frequenzsignal. Das Sensorstromsignal ist fest auf dem erforderlichen Pegel und ändert sich nicht.

Bei der Mehrpunktkommunikation sind Daten nicht nur die tatsächlichen Ergebnisse von Messungen des gesteuerten Parameters, sondern auch eine ganze Reihe von Serviceinformationen aller Art.

Dies sind zunächst die Adressen von Sensoren, Steuerbefehlen und Einstellungen. Und all diese Informationen werden über Zweidraht-Kommunikationsleitungen übertragen. Aber ist es möglich, sie loszuwerden? Dies sollte zwar nur in den Fällen sorgfältig durchgeführt werden, in denen die drahtlose Verbindung die Sicherheit des kontrollierten Prozesses nicht beeinträchtigen kann.

Es stellt sich heraus, dass Sie die Drähte loswerden können. Bereits 2007 wurde der WirelessHART Standard veröffentlicht. Das Übertragungsmedium ist die nicht lizenzierte Frequenz von 2,4 GHz, die auf vielen drahtlosen Computergeräten, einschließlich drahtloser lokaler Netzwerke, ausgeführt wird. Daher können WirelessHART-Geräte ohne Einschränkungen verwendet werden. Abbildung 11 zeigt das drahtlose WirelessHART-Netzwerk.

Abbildung 11. Wireless WirelessHART

Diese Technologien haben die alte analoge Stromschleife ersetzt. Aber sie gibt ihre Position nicht auf, sie wird, wo immer möglich, weit verbreitet eingesetzt.

Boris Aladyshkin