Analogie sensori: pielietojums, savienojuma metodes ar kontrolieri

Mehānismu un mezglu vadības tehnoloģisko procesu automatizācijas procesā ir jārisina dažādu fizikālo lielumu mērījumi. Tā var būt temperatūra, spiediens un šķidruma vai gāzes plūsmas ātrums, griešanās ātrums, gaismas intensitāte, informācija par mehānismu daļu stāvokli un daudz kas cits. Šī informācija tiek iegūta, izmantojot sensorus. Šeit vispirms par mehānismu daļu stāvokli.

Diskrēti sensori

Vienkāršākais sensors ir parasts mehāniskais kontakts: durvis tika atvērtas - kontakts atvērts, aizvērts - aizvērts. Šāds vienkāršs sensors, kā arī iepriekš minētais darbības algoritms, bieži izmanto drošības signalizācijā. Mehānismam ar translācijas kustību, kam ir divas pozīcijas, piemēram, ūdens vārsts, nepieciešami divi kontakti: viens kontakts ir aizvērts - vārsts ir aizvērts, otrs ir aizvērts - aizvērts.

Sarežģītākam tulkošanas algoritmam ir mehānisms termoplastiskās formēšanas mašīnas aizvēršanai. Sākotnēji pelējums ir atvērts, tā ir sākuma pozīcija. Šajā pozīcijā gatavie izstrādājumi tiek noņemti no veidnes. Tālāk strādnieks aizver aizsargājošo žogu, un pelējums sāk slēgties, sākas jauns darba cikls.

Attālums starp veidnes pusēm ir diezgan liels. Tāpēc sākumā veidne ātri pārvietojas un noteiktā attālumā, līdz pusītes ir aizvērtas, tiek iedarbināta piekabe, ievērojami samazināts kustības ātrums un veidne gludi aizveras.

Šis algoritms ļauj izvairīties no sitiena, aizverot veidni, pretējā gadījumā to var vienkārši sasmalcināt mazos gabaliņos. Tādas pašas ātruma izmaiņas notiek, atverot veidni. Šeit nevar izdarīt divi kontaktu sensori.

Tādējādi sensori, kuru pamatā ir kontakts, ir diskrēti vai bināri, tiem ir divas pozīcijas, slēgtas - atvērtas vai 1 un 0. Citiem vārdiem sakot, mēs varam teikt, ka notikums notika vai nenotika. Iepriekš minētajā piemērā kontaktus “uztver” vairāki punkti: kustības sākums, ātruma samazināšanās punkts, kustības beigas.

Ģeometrijā punktam nav dimensiju, tikai punkts un tas ir. Tas var būt vai nu (uz papīra lapas, kustības trajektorijā, kā tas ir mūsu gadījumā), vai arī tas vienkārši neeksistē. Tāpēc punktu noteikšanai tiek izmantoti diskrēti sensori. Varbūt salīdzinājums ar punktu šeit nav īpaši piemērots, jo praktiskiem nolūkiem viņi izmanto diskrēta sensora precizitātes vērtību, un šī precizitāte ir daudz vairāk nekā ģeometrisks punkts.

Bet mehānisks kontakts vien nav uzticama lieta. Tāpēc, kur vien iespējams, mehāniskos kontaktus aizstāj ar tuvuma sensoriem. Vienkāršākais variants ir niedru slēdzis: magnēts ir tuvu, kontakts ir aizvērts. Niedru slēdža darbības precizitāte atstāj ļoti vēlamu, šādu sensoru izmantošana ir tikai durvju novietojuma noteikšanai.

Sarežģītāka un precīzāka opcija būtu jāuzskata par dažādiem tuvuma sensoriem. Ja slotā ienāca metāla karogs, tad sensors darbojās. Kā šādu sensoru piemēru var minēt dažādu sēriju BVK sensorus (bezkontakta gala slēdzi). Šādu sensoru darbības precizitāte (gājiena starpība) ir 3 milimetri.

1. attēls. BVK sērijas sensors

BVK sensoru barošanas spriegums ir 24V, slodzes strāva ir 200mA, kas ir pilnīgi pietiekami, lai savienotu starpposma relejus turpmākai koordinācijai ar vadības ķēdi. Tas ir veids, kā BVK sensori tiek izmantoti dažādās iekārtās.

Papildus BVK sensoriem tiek izmantoti arī BTP, KVP, PIP, KVD, FISH sensori. Katrā sērijā ir vairāku veidu sensori, ko apzīmē ar cipariem, piemēram, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Visi minētie sensori ir bezkontakta diskrēti, to galvenais mērķis ir noteikt mehānismu un mezglu daļu stāvokli. Protams, šo sensoru ir daudz vairāk, par visiem tiem nevar rakstīt vienā rakstā. Dažādi kontaktu sensori joprojām ir izplatītāki un joprojām tiek plaši izmantoti.

Analogo sensoru izmantošana

Papildus diskrētiem sensoriem automatizācijas sistēmās tiek plaši izmantoti arī analogie sensori. Viņu mērķis ir iegūt informāciju par dažādiem fizikāliem lielumiem, un ne tikai to, bet reālā laikā. Precīzāk, fizikālā daudzuma (spiediena, temperatūras, apgaismojuma, plūsmas, sprieguma, strāvas) pārvēršana elektriskā signālā, kas piemērots pārraidīšanai pa sakaru līnijām uz kontrolieri un tā tālākai apstrādei.

Analogie sensori parasti atrodas diezgan tālu no kontroliera, tāpēc tos bieži sauc lauka ierīces. Šis termins bieži tiek izmantots tehniskajā literatūrā.

Analogais sensors parasti sastāv no vairākām daļām. Vissvarīgākā daļa ir jutīgais elements - sensors. Tās mērķis ir pārveidot izmērīto vērtību elektriskā signālā. Bet no sensora saņemtais signāls parasti ir mazs. Lai iegūtu pastiprināšanai piemērotu signālu, sensoru visbiežāk iekļauj tilta ķēdē - Kviešu akmens tilts.

2. attēls. Kvīša akmens tilts

Tilta shēmas sākotnējais mērķis ir precīzs pretestības mērījums. Līdzstrāvas avots ir pievienots AD tilta diagonālei. Jutīgs galvanometrs ar viduspunktu ar nulli skalas vidū ir savienots ar citu diagonāli. Lai izmērītu rezistora Rx pretestību, pagriežot apgriešanas rezistoru R2, tiltam jābūt līdzsvarā, galvanometra bultiņai jābūt iestatītai uz nulli.

Ierīces bultiņas novirze vienā vai otrā virzienā ļauj noteikt rezistora R2 griešanās virzienu. Izmērītās pretestības vērtību nosaka skalā, kas apvienota ar rezistora R2 rokturi. Tilta līdzsvara nosacījums ir attiecību R1 / R2 un Rx / R3 vienādība. Šajā gadījumā starp punktiem BC tiek iegūta nulles potenciāla starpība, un strāva neplūst caur galvanometru V.

Rezistoru R1 un R3 pretestība tiek izvēlēta ļoti precīzi, to izplatībai jābūt minimālai. Tikai šajā gadījumā pat neliela tilta nelīdzsvarotība izraisa ievērojamas BC diagonāles sprieguma izmaiņas. Tieši šo tilta īpašību izmanto dažādu analogo sensoru sensitīvo elementu (sensoru) savienošanai. Tad viss ir vienkārši, tehnoloģiju jautājums.

Lai izmantotu no sensora saņemto signālu, nepieciešama turpmāka apstrāde, - pastiprināšana un pārvēršana par izejas signālu, kas piemērots pārraidīšanai un apstrādei vadības ķēdē. kontrolieris. Visbiežāk analogo sensoru izejas signāls ir strāva (analogās strāvas cilpa), retāk spriegums.

Kāpēc tieši pašreizējais? Fakts ir tāds, ka analogo sensoru izejas posmi ir balstīti uz pašreizējiem avotiem. Tas ļauj atbrīvoties no savienojošo līniju pretestības ietekmes uz izejas signālu, izmantot liela garuma savienojošās līnijas.

Turpmāka pārveidošana ir diezgan vienkārša. Strāvas signāls tiek pārveidots par spriegumu, kuram pietiek ar strāvas nodošanu caur zināmu pretestības rezistoru. Sprieguma kritumu visā mērīšanas rezistorā iegūst saskaņā ar Ohma likumu U = I * R.

Piemēram, ja strāva ir 10 mA uz rezistora ar pretestību 100 omi, jūs iegūstat spriegumu 10 * 100 = 1000mV, turpat ir vesels 1 volts! Šajā gadījumā sensora izejas strāva nav atkarīga no savienojošo vadu pretestības. Saprātīgās robežās, protams.

Analogo sensoru savienojums

Spriegumu, kas saņemts pie mērīšanas rezistora, var viegli pārveidot digitālā formā, kas piemērota ievadīšanai kontrollerī. Pārvēršana tiek veikta, izmantojot analogā-digitālā pārveidotāji ADC.

Digitālie dati kontrolierim tiek pārsūtīti sērijas vai paralēlā kodā.Tas viss ir atkarīgs no konkrētās komutācijas shēmas. Analoga sensora vienkāršota savienojuma shēma ir parādīta 3. attēlā.

3. attēls. Analogā sensora pievienošana (noklikšķiniet, lai palielinātu attēlu)

Izpildmehānismi ir savienoti ar kontrolieri vai pats kontrolieris ir savienots ar datoru, kas ir daļa no automatizācijas sistēmas.

Dabiski, ka analogiem sensoriem ir gatavs dizains, kura viens no elementiem ir korpuss ar savienojošiem elementiem. Piemēram, 4. attēlā parādīts mandeles spiediena sensora tipa Probe-10 izskats.

4. attēls. Sensora pārspiediena zonde-10

Sensora apakšā jūs varat redzēt savienojošo vītni savienošanai ar cauruļvadu, un labajā pusē zem melnā vāka ir savienotājs, kas paredzēts sakaru līnijas savienošanai ar kontrolieri.

Vītņotais savienojums ir noslēgts ar paplāksni, kas izgatavota no rūdīta vara (iekļauta sensora piegādes komplektā), un tas nekādā gadījumā nav tinums no fum lentes vai lina. Tas tiek darīts tā, lai, uzstādot sensoru, nedeformētu sensora elementu, kas atrodas tā iekšpusē.

Analogā sensora izejas

Saskaņā ar standartiem ir trīs strāvas signālu diapazoni: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA un 4 ... 20mA. Kāda ir viņu atšķirība, un kādas ir iezīmes?

Visbiežāk izejas strāvas atkarība ir tieši proporcionāla izmērītajai vērtībai, piemēram, jo ​​lielāks ir spiediens caurulē, jo lielāka ir sensora izejas strāva. Lai gan dažreiz tiek izmantota apgrieztā komutācija: lielāka izejas strāvas vērtība atbilst minimālajai izmērītajai vērtībai sensora izejā. Tas viss ir atkarīgs no izmantotā kontroliera veida. Daži sensori pat pārslēdzas no tiešā uz apgriezto.

Izejas signāls diapazonā no 0 līdz 5 mA ir ļoti mazs, tāpēc tas ir pakļauts traucējumiem. Ja šāda sensora signāls svārstās pie izmērītā parametra nemainīgas vērtības, tas ir, ieteicams paralēli sensora izejai uzstādīt kondensatoru ar kapacitāti 0,1 ... 1 μF. Stabilāks ir strāvas signāls diapazonā no 0 līdz 20 mA.

Bet abi šie diapazoni nav labi, jo nulles skalas sākumā neļauj viennozīmīgi noteikt notikušo. Vai arī izmērītais signāls faktiski bija nulles līmenī, kas principā ir iespējams, vai vienkārši tika pārtraukta sakaru līnija? Tāpēc viņi, ja iespējams, cenšas atteikties no šo diapazonu izmantošanas.

Par ticamāku tiek uzskatīts analogo sensoru signāls ar izejas strāvu diapazonā no 4 līdz 20 mA. Tā izturība pret troksni ir diezgan augsta, un apakšējā robeža, pat ja izmērītajam signālam ir nulle, būs 4 mA, kas ļauj teikt, ka sakaru līnija nav salauzta.

Vēl viena laba 4 ... 20 mA diapazona īpašība ir tā, ka sensorus var savienot tikai divos vados, jo pašu sensoru darbina šī strāva. Tas ir tā pašreizējais patēriņš un vienlaikus mērīšanas signāls.

Barošanas avots sensoriem diapazonā no 4 ... 20mA ir ieslēgts, kā parādīts 5. attēlā. Tajā pašā laikā Zond-10 sensoriem, tāpat kā daudziem citiem, ir plašs barošanas sprieguma diapazons 10 ... 38V saskaņā ar pasi, lai arī tos visbiežāk izmanto stabilizēti avoti ar spriegumu 24V.

5. attēls. Analogā sensora pievienošana ārējam enerģijas avotam

Šajā diagrammā ir šādi elementi un apzīmējumi. Rш ir mērīšanas šunta rezistors, Rl1 un Rl2 ir sakaru līniju pretestības. Lai palielinātu mērījumu precizitāti, kā Rø jāizmanto precīzs mērīšanas rezistors. Strāvas pāreju no strāvas avota norāda ar bultiņām.

Ir viegli redzēt, ka strāvas avota izejas strāva iziet no + 24V spailes, caur Rl1 līniju tā sasniedz + AO2 sensora spaili, iet caur sensoru un caur sensora izejas spaili - AO2, Rl2 savienojošo līniju, rezistors Rø atgriežas -24 V barošanas avotā. Viss, ķēde ir slēgta, strāva plūst.

Ja kontrolierim ir 24 V barošanas avots, tad ir iespējams savienot sensoru vai mērīšanas devēju saskaņā ar shēmu, kas parādīta 6. attēlā.

6. attēls. Analogā sensora pievienošana kontrolierim ar iekšēju strāvas avotu

Šajā diagrammā parādīts vēl viens elements - balasta rezistors Rb. Tās mērķis ir aizsargāt mērīšanas rezistoru, ja sakaru līnija ir slēgta vai analogā sensora darbības traucējumi. RB rezistora uzstādīšana nav obligāta, lai arī vēlama.

Papildus dažādiem sensoriem mērīšanas devējiem, kurus bieži izmanto automatizācijas sistēmās, ir arī strāvas jauda.

Mērīšanas devējs - ierīce sprieguma līmeņu, piemēram, 220 V, vai vairāku desmitu vai simtu ampēru strāvas pārveidošanai strāvas signālā 4 ... 20 mA. Šeit vienkārši notiek elektriskā signāla līmeņa pārveidošana, nevis kāda fiziska lieluma (ātruma, plūsmas ātruma, spiediena) attēlošana elektriskā formā.

Bet ar vienīgo sensoru, kā likums, nepietiek. Viens no populārākajiem mērījumiem ir temperatūras un spiediena mērījumi. Šādu punktu skaits mūsdienu ražošanā var sasniegt vairākus desmitus tūkstošu. Attiecīgi arī sensoru skaits ir liels. Tādēļ vienam kontrolieram vienlaikus tiek savienoti vairāki analogie sensori. Protams, ne vairākus tūkstošus uzreiz, ir labi, ja duci ir atšķirīgi. Šāds savienojums ir parādīts 7. attēlā.

7. attēls. Vairāku analogo sensoru pievienošana kontrolierim

Šis attēls parāda, kā no strāvas signāla tiek iegūts spriegums, kas piemērots konvertēšanai uz ciparu kodu. Ja ir vairāki šādi signāli, tie netiek apstrādāti uzreiz, bet ir atdalīti pēc laika, multipleksēti, pretējā gadījumā katram kanālam būtu jāievieto atsevišķs ADC.

Šim nolūkam kontrolierim ir ķēdes komutācijas kanāli. Slēdža funkcionālā shēma ir parādīta 8. attēlā.

8. attēls. Analogā sensora kanālu slēdzis (uzklikšķināms attēls)

Strāvas cilpas signāli, kas pārveidoti spriegumā pie mērīšanas rezistora (UR1 ... URn), tiek padoti uz analogā slēdža ieeju. Vadības signāli pārmaiņus iziet caur vienu no signāliem UR1 ... URn, kurus pastiprina pastiprinātājs un kas tiek pārmaiņus padoti ADC ieejai. Spriegums, kas pārveidots ciparu kodā, tiek piegādāts kontrolierim.

Shēma, protams, ir ļoti vienkāršota, taču ir ļoti iespējams apsvērt tajā esošo multipleksēšanas principu. Tādējādi tika izveidots modulis analogo signālu ievadīšanai no MSTS kontrolleriem (aparatūras mikroprocesoru sistēma), ko uzbūvēja Prolog PC Smolensk. MCTC kontroliera izskats ir parādīts 9. attēlā.

9. attēls. ICTS kontrolieris

Šādu kontrolieru atbrīvošana jau sen ir pārtraukta, lai gan dažviet tālu no labākajiem šie kontrolieri joprojām kalpo. Šos muzeja eksponātus aizstāj jauno modeļu kontrolieri, galvenokārt importētās (ķīniešu) produkcijas kontrolieri.

Lai savienotu 4 ... 20mA strāvas sensorus, ieteicams izmantot divu vadu ekranētu kabeli, kura serdes šķērsgriezums ir vismaz 0,5 mm2.

Ja kontrolieris ir uzstādīts metāla skapī, ekranēšanas pinumus ieteicams savienot ar skapja zemes punktu. Savienojošo līniju garums var sasniegt vairāk nekā divus kilometrus, ko aprēķina pēc atbilstošajām formulām. Mēs šeit neko neuzskatīsim, bet ticiet man, ka tas tā ir.

Jauni sensori, jauni kontrolieri

Līdz ar jaunu kontrolieru parādīšanos, jauni HART analogie sensori (Automaģistrālei adresējams tālvadības devējs), kas tulkojumā nozīmē: "Remosistēmas adrešu mērīšanas devējs caur bagāžnieku".

Sensora (lauka ierīces) izejas signāls ir analogā strāvas signāls diapazonā no 4 līdz 20 mA, uz kura tiek uzklāts frekvences modulēts (FSK - Frequency Shift Keying) ciparu sakaru signāls.

10. attēls. HART analogā sensora izeja

Attēlā parādīts analogs signāls, un ap to, tāpat kā čūskai, sinusoīds spole. Tas ir frekvences modulēts signāls.Bet tas vispār nav digitālais signāls, tas vēl ir jāatzīst. Attēlā ir pamanāms, ka sinusoīda frekvence, pārraidot loģisku nulli, ir augstāka (2,2KHz) nekā pārraidot vienību (1,2KHz). Šo signālu pārraidi veic ar strāvu, kuras sinusoidālā forma ir ar amplitūdu ± 0,5 mA.

Ir zināms, ka sinusoidālā signāla vidējā vērtība ir nulle, tāpēc digitālās informācijas pārraide neietekmē sensora izejas strāvu 4 ... 20 mA. Šis režīms tiek izmantots, iestatot sensorus.

HART komunikācija notiek divos veidos. Pirmajā gadījumā tikai divas ierīces var apmainīties ar informāciju, izmantojot divu vadu līniju, bet izejas analogā signāla 4 ... 20mA vērtība ir atkarīga no izmērītās vērtības. Šis režīms tiek izmantots, iestatot lauka ierīces (sensorus).

Otrajā gadījumā divu vadu līnijai var pievienot līdz 15 sensoriem, kuru skaitu nosaka sakaru līnijas parametri un barošanas avota jauda. Šis ir vairāku pilienu režīms. Šajā režīmā katram sensoram ir sava adrese diapazonā no 1 līdz 15, kurā vadības ierīce tam piekļūst.

Sensors ar adresi 0 ir atvienots no sakaru līnijas. Datu apmaiņu starp sensoru un vadības ierīci daudzpunktu režīmā veic tikai ar frekvences signālu. Sensora strāvas signāls ir fiksēts vajadzīgajā līmenī un nemainās.

Daudzpunktu komunikācijas gadījumā dati ir domāti ne tikai ar kontrolētā parametra faktiskajiem mērījumu rezultātiem, bet arī visu visu veidu pakalpojumu informācijas kopumu.

Pirmkārt, tās ir sensoru adreses, vadības komandas, iestatījumi. Un visa šī informācija tiek pārsūtīta, izmantojot divu vadu sakaru līnijas. Bet vai ir iespējams no tiem atbrīvoties? Tiesa, tas jādara uzmanīgi, tikai tajos gadījumos, kad bezvadu savienojums nevar ietekmēt kontrolētā procesa drošību.

Izrādās, ka jūs varat atbrīvoties no vadiem. Jau 2007. gadā tika publicēts WirelessHART standarts, pārraides vide ir nelicencēta frekvence 2,4 GHz, kas darbojas daudzās datoru bezvadu ierīcēs, ieskaitot bezvadu lokālos tīklus. Tāpēc WirelessHART ierīces var izmantot bez jebkādiem ierobežojumiem. 11. attēlā parādīts WirelessHART bezvadu tīkls.

11. attēls. Bezvadu WirelessHART

Šīs tehnoloģijas ir aizstājušas veco analogās strāvas cilpu. Bet viņa neatsakās no sava amata, to plaši izmanto, kur vien iespējams.

Boriss Aladyshkin