Senzori analogici: aplicare, metode de conectare la regulator

În procesul de automatizare a proceselor tehnologice pentru mecanisme de control și ansambluri, trebuie să se ocupe de măsurători de diferite cantități fizice. Poate fi temperatura, presiunea și debitul unui lichid sau gaz, viteza de rotație, intensitatea luminii, informații despre poziția părților mecanismelor și multe altele. Această informație este obținută folosind senzori. Aici, mai întâi despre poziția părților mecanismelor.

Senzori discret

Cel mai simplu senzor este un contact mecanic normal: ușa a fost deschisă - contactul deschis, închis - închis. Un astfel de senzor simplu, precum și algoritmul de funcționare de mai sus, deseori utilizat în alarme de securitate. Pentru un mecanism cu mișcare de translație, care are două poziții, de exemplu, o supapă de apă, sunt necesare două contacte: un contact este închis - robinetul este închis, celălalt este închis - închis.

Un algoritm de translație mai complex are un mecanism pentru închiderea mașinii de modelat termoplastic. Inițial, matrița este deschisă, aceasta este poziția de pornire. În această poziție, produsele finite sunt eliminate din matriță. În continuare, lucrătorul închide gardul de protecție și matrița începe să se închidă, începe un nou ciclu de lucru.

Distanța dintre jumătățile formei este destul de mare. Prin urmare, la început matrița se mișcă rapid, iar la o anumită distanță până la închiderea jumătăților, remorca este declanșată, viteza de mișcare este semnificativ redusă și matrița se închide fără probleme.

Acest algoritm vă permite să evitați o lovitură la închiderea matriței, altfel poate fi tocată pur și simplu în bucăți mici. Aceeași schimbare de viteză are loc la deschiderea matriței. Aici, doi senzori de contact nu pot face.

Astfel, senzorii pe baza contactului sunt discrete sau binare, au două poziții, închise - deschise sau 1 și 0. Cu alte cuvinte, putem spune că evenimentul a avut loc sau nu. În exemplul de mai sus, mai multe puncte sunt „surprinse” de contacte: începutul mișcării, punctul de scădere a vitezei, sfârșitul mișcării.

În geometrie, un punct nu are dimensiuni, doar un punct și acesta este. Poate fi fie (pe o foaie de hârtie, în traiectoria mișcării, ca în cazul nostru), fie pur și simplu nu există. Prin urmare, pentru detectarea punctelor se folosesc senzori discret. Poate că o comparație cu un punct aici nu este foarte potrivită, deoarece în scopuri practice folosesc valoarea exactității unui senzor discret, iar această precizie este mult mai mult decât un punct geometric.

Dar contactul mecanic singur este un lucru nesigur. Prin urmare, acolo unde este posibil, contactele mecanice sunt înlocuite cu senzori de proximitate. Cea mai simplă opțiune este un comutator cu stuf: magnetul este aproape, contactul este închis. Precizia funcționării comutatorului cu stuf lasă mult de dorit; utilizarea acestor senzori este doar pentru a determina poziția ușilor.

O opțiune mai complexă și precisă trebuie considerată o varietate de senzori de proximitate. Dacă steagul metalic a intrat în slot, atunci senzorul a funcționat. Ca un exemplu de astfel de senzori, se pot citi senzorii BVK (contactul de contact fără contact) din diferite serii. Precizia de funcționare (diferențial de cursă) a acestor senzori este de 3 milimetri.

Figura 1. Senzor seria BVK

Tensiunea de alimentare a senzorilor BVK este de 24V, curentul de sarcină este de 200mA, ceea ce este suficient pentru a conecta relee intermediare pentru o coordonare suplimentară cu circuitul de control. Acesta este modul în care senzorii BVK sunt folosiți în diverse echipamente.

Pe lângă senzorii BVK, sunt folosiți și senzori de tip BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Fiecare serie are mai multe tipuri de senzori, indicați prin numere, de exemplu, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Toți senzorii menționați sunt discrete necontacte; scopul lor principal este de a determina poziția pieselor mecanismelor și ansamblurilor. Desigur, există mult mai mulți dintre acești senzori, nu puteți scrie despre toți într-un singur articol. Diverse senzori de contact sunt încă mai frecvente și găsesc în continuare o utilizare pe scară largă.

Utilizarea senzorilor analogici

În plus față de senzorii discreți în sistemele de automatizare, senzorii analogici sunt utilizați pe scară largă. Scopul lor este de a obține informații despre diverse cantități fizice, și nu doar așa, dar în timp real. Mai precis, conversia unei cantități fizice (presiune, temperatură, iluminare, debit, tensiune, curent) într-un semnal electric potrivit pentru transmiterea prin linii de comunicație către controler și prelucrarea ulterioară a acestuia.

Senzorii analogici sunt de obicei localizați destul de departe de controler, motiv pentru care sunt numiți adesea dispozitive de câmp. Acest termen este adesea folosit în literatura tehnică.

Un senzor analogic este format de obicei din mai multe părți. Partea cea mai importantă este elementul sensibil - senzor. Scopul său este de a converti valoarea măsurată într-un semnal electric. Dar semnalul primit de la senzor este de obicei mic. Pentru a obține un semnal potrivit pentru amplificare, senzorul este cel mai adesea inclus în circuitul podului - Podul de grâu.

Figura 2. Podul cu pietre de grâu

Scopul inițial al circuitului podului este măsurarea exactă a rezistenței. O sursă de curent continuu este conectată la diagonala podului AD. Un alt galvanometru sensibil cu un punct de mijloc, cu un zero în mijlocul scării, este conectat la o altă diagonală. Pentru a măsura rezistența rezistorului Rx prin rotirea rezistenței de tundere R2, puntea trebuie să fie echilibrată, săgeata galvanometrului trebuie să fie setată la zero.

Abaterea săgeții dispozitivului într-o direcție sau în alta vă permite să determinați direcția de rotație a rezistorului R2. Valoarea rezistenței măsurate este determinată pe o scară combinată cu mânerul rezistenței R2. Condiția de echilibru pentru punte este egalitatea raporturilor R1 / R2 și Rx / R3. În acest caz, între punctele BC, se obține o diferență de potențial zero, iar curentul nu curge prin galvanometrul V.

Rezistența rezistențelor R1 și R3 este selectată foarte precis, răspândirea lor trebuie să fie minimă. Doar în acest caz, chiar și un mic dezechilibru al podului provoacă o modificare vizibilă a tensiunii diagonalei BC. Această proprietate a podului este folosită pentru a conecta elemente sensibile (senzori) de diverși senzori analogici. Ei bine, atunci totul este simplu, o chestiune de tehnologie.

Pentru a utiliza semnalul primit de la senzor, este necesară o prelucrare suplimentară, - amplificarea și conversia într-un semnal de ieșire adecvat pentru transmisie și prelucrare de către circuitul de control - controlerul. Cel mai adesea, semnalul de ieșire al senzorilor analogici este curent (bucla analogică de curent), mai rar de tensiune.

De ce exact curentul? Cert este că etapele de ieșire ale senzorilor analogici se bazează pe surse de curent. Acest lucru vă permite să scăpați de influența asupra semnalului de ieșire a rezistenței liniilor de conectare, pentru a utiliza linii de legătură de lungime mare.

Conversia ulterioară este destul de simplă. Semnalul de curent este convertit în tensiune, pentru care este suficient să treci curentul printr-un rezistor de rezistență cunoscut. Căderea de tensiune pe rezistența de măsurare este obținută conform legii lui Ohm U = I * R.

De exemplu, pentru un curent de 10 mA pe un rezistor cu o rezistență de 100 Ohmi, obțineți o tensiune de 10 * 100 = 1000mV, chiar există un întreg 1 volt! În acest caz, curentul de ieșire al senzorului nu depinde de rezistența firelor de conectare. În limite rezonabile, desigur.

Conectarea senzorilor analogici

Tensiunea primită la rezistența de măsurare poate fi ușor convertită într-o formă digitală potrivită pentru introducerea în regulator. Conversia se face folosind convertoare analog-digital ADC.

Datele digitale sunt transmise controlerului în cod serial sau paralel.Totul depinde de circuitul de comutare specific. În figura 3 este prezentată o diagramă simplificată de conexiune a senzorului analogic.

Figura 3. Conectarea unui senzor analogic (faceți clic pe imagine pentru a mări)

Actuatoarele sunt conectate la regulator sau controlorul în sine este conectat la un computer care face parte din sistemul de automatizare.

Desigur, senzorii analogici au un design finit, unul dintre elementele acestora fiind o carcasă cu elemente de conectare. Ca exemplu, figura 4 prezintă aspectul senzorului de presiune al manometrului de tip Probe-10.

Figura 4. Sonda de suprapresiune a senzorului-10

În partea de jos a senzorului, puteți vedea firul de conectare pentru conectarea la conductă, iar în dreapta sub capacul negru există un conector pentru conectarea unei linii de comunicație cu regulatorul.

Conexiunea filetată este sigilată cu o șaibă din cupru turnat (inclusă în livrarea senzorului) și în niciun caz nu se înfășoară dintr-o bandă de fum sau lenjerie. Acest lucru se face astfel încât, atunci când instalați senzorul, să nu deformați elementul senzorului situat în interior.

Ieșiri analogice ale senzorului

Conform standardelor, există trei intervale de semnale de curent: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA și 4 ... 20mA. Care este diferența lor și care sunt caracteristicile?

Cel mai adesea, dependența curentului de ieșire este direct proporțională cu valoarea măsurată, de exemplu, cu cât presiunea este mai mare în conductă, cu atât este mai mare curentul la ieșirea senzorului. Deși uneori se utilizează comutarea inversă: o valoare mai mare a curentului de ieșire corespunde valorii minime a valorii măsurate la ieșirea senzorului. Totul depinde de tipul de regulator utilizat. Unii senzori chiar trec de la direct la invers.

Semnalul de ieșire al intervalului 0 ... 5mA este foarte mic și, prin urmare, este supus interferenței. Dacă semnalul unui astfel de senzor fluctuează la o valoare constantă a parametrului măsurat, adică se recomandă instalarea unui condensator cu o capacitate de 0,1 ... 1 μF paralelă cu ieșirea senzorului. Mai stabil este semnalul curent în intervalul 0 ... 20mA.

Amândouă aceste intervale nu sunt bune deoarece zero la începutul scării nu ne permite să determinăm fără ambiguitate ce s-a întâmplat. Sau semnalul măsurat a luat de fapt un nivel zero, ceea ce este posibil în principiu sau pur și simplu a fost întreruptă linia de comunicare? Prin urmare, ei încearcă să abandoneze utilizarea acestor intervale, dacă este posibil.

Semnalul senzorilor analogici cu un curent de ieșire în domeniul de 4 ... 20 mA este considerat mai fiabil. Imunitatea la zgomot este destul de mare, iar limita inferioară, chiar dacă semnalul măsurat are un nivel zero, va fi de 4 mA, ceea ce ne permite să spunem că linia de comunicație nu este ruptă.

O altă caracteristică bună a gamei de 4 ... 20mA este că senzorii pot fi conectați doar în două fire, deoarece senzorul în sine este alimentat de acest curent. Acesta este consumul său curent și, în același timp, un semnal de măsurare.

Sursa de alimentare pentru senzori în intervalul 4 ... 20mA este pornită, așa cum se arată în figura 5. În același timp, senzorii Zond-10, la fel ca mulți alții, au o gamă largă de tensiune de alimentare 10 ... 38V în funcție de pașaport, deși sunt cel mai des utilizați surse stabilizate cu o tensiune de 24V.

Figura 5. Conectarea unui senzor analogic cu o sursă de alimentare externă

Următoarele elemente și notație sunt prezente în această diagramă. Rш este rezistența șuntului de măsurare, Rl1 și Rl2 sunt rezistențele liniilor de comunicare. Pentru a crește precizia de măsurare, ar trebui utilizat un rezistor de măsurare cu precizie ca Rш. Trecerea curentului de la sursa de alimentare este indicată prin săgeți.

Este ușor de observat că curentul de ieșire al sursei de alimentare trece de la terminalul + 24V, prin linia Rl1 ajunge la terminalul senzorului + AO2, trece prin senzor și prin terminalul de ieșire al senzorului - AO2, linia de conectare Rl2, rezistența Rш se întoarce la terminalul de alimentare de -24V. Totul, circuitul este închis, curentul curge.

Dacă regulatorul conține o alimentare de 24V, atunci conectarea senzorului sau a traductorului de măsurare este posibilă conform schemei prezentate în figura 6.

Figura 6. Conectarea unui senzor analogic la un controler cu o sursă internă de alimentare

Această diagramă arată un alt element - rezistența de balast Rb. Scopul său este de a proteja rezistența de măsurare atunci când linia de comunicație este închisă sau defectul senzorului analog. Instalarea unui rezistor RB este opțională, deși este de dorit.

Pe lângă diverși senzori, traductoarele de măsurare, care sunt adesea utilizate în sistemele de automatizare, au și o ieșire curentă.

Traductor de măsurare - dispozitiv pentru convertirea nivelurilor de tensiune, de exemplu, 220V sau curent de câteva zeci sau sute de amperi într-un semnal de curent de 4 ... 20 mA. Aici, conversia nivelului semnalului electric are loc pur și simplu, și nu reprezentarea unei anumite cantități fizice (viteză, debit, presiune) sub formă electrică.

Dar, de regulă, singurul senzor nu este suficient. Una dintre cele mai populare măsurători sunt măsurările de temperatură și presiune. Numărul de astfel de puncte în producția modernă poate ajunge la câteva zeci de mii. În consecință, numărul de senzori este de asemenea mare. Prin urmare, mai mulți senzori analogici sunt conectați cel mai adesea la un controler simultan. Desigur, nu câteva mii deodată, este bine dacă o duzină este diferită. O astfel de conexiune este prezentată în figura 7.

Figura 7. Conectarea mai multor senzori analogici la controler

Această figură arată cum se obține o tensiune adecvată pentru conversia la un cod digital dintr-un semnal curent. Dacă există mai multe astfel de semnale, atunci acestea nu sunt procesate simultan, ci sunt separate prin timp, multiplexate, în caz contrar, un ADC separat ar trebui pus pe fiecare canal.

În acest scop, regulatorul are un canal de comutare a circuitului. Diagrama funcțională a comutatorului este prezentată în figura 8.

Figura 8. Comutator de canale cu senzor analogic (imagine cu clic)

Semnalele buclei de curent, convertite în tensiune la rezistența de măsurare (UR1 ... URn), sunt alimentate la intrarea comutatorului analogic. Semnalele de control trec alternativ unul dintre semnalele UR1 ... URn, care sunt amplificate de amplificator și sunt alimentate alternativ la intrarea ADC. Tensiunea convertită într-un cod digital este furnizată regulatorului.

Schema, desigur, este foarte simplificată, dar principiul multiplexării în ea este destul de posibil de luat în considerare. Așa a fost construit modulul pentru introducerea de semnale analogice de la controloarele MSTS (sistem de microprocesor al echipamentelor tehnice) fabricat de Smolensk PC Prolog. Aspectul controlerului MCTC este prezentat în figura 9.

Figura 9. Controler ICTS

Eliberarea acestor controlere a fost întreruptă de multă vreme, deși în unele locuri departe de cele mai bune, aceste controlere mai servesc. Aceste exponate ale muzeului sunt înlocuite de controloarele de modele noi, în principal de producție importată (chineză).

Pentru a conecta senzori de curent de 4 ... 20mA, se recomandă utilizarea unui cablu ecranat cu două fire cu o secțiune transversală de cel puțin 0,5 mm2.

Dacă regulatorul este montat într-un dulap metalic, se recomandă conectarea împletiturilor de protecție la punctul de masă al dulapului. Lungimea liniilor de legătură poate ajunge la peste doi kilometri, care este calculată prin formulele corespunzătoare. Nu vom lua în considerare nimic aici, dar credeți-mă că este așa.

Senzori noi, noi controlere

Odată cu apariția de noi controlere, noi senzori analogici HART (Traductor de la distanță autostradabil), care se traduce prin „Măsurarea traductorului adresabil de la distanță prin punte”.

Semnalul de ieșire al senzorului (dispozitiv de câmp) este un semnal de curent analog în intervalul 4 ... 20 mA, pe care este suprapus un semnal de comunicare digital modulat cu frecvență (FSK - Frecvență Shift Keying).

Figura 10. Ieșirea senzorului analog HART

Figura prezintă un semnal analogic, iar în jurul lui, ca un șarpe, se înfășoară un sinusoid. Acesta este un semnal modulat în frecvență.Dar acesta nu este deloc un semnal digital, trebuie încă recunoscut. În figura se observă că frecvența sinusoidului la transmiterea unui zero logic este mai mare (2.2KHz) decât la transmiterea unei unități (1.2KHz). Transmiterea acestor semnale este realizată de un curent cu o amplitudine de ± 0,5 mA formă sinusoidală.

Se știe că valoarea medie a semnalului sinusoidal este zero, prin urmare, transmiterea informațiilor digitale nu afectează curentul de ieșire al senzorului de 4 ... 20 mA. Acest mod este utilizat la configurarea senzorilor.

Comunicarea HART se face în două moduri. În primul caz, standardul, doar două dispozitive pot schimba informații printr-o linie cu două fire, în timp ce semnalul analog de ieșire 4 ... 20mA depinde de valoarea măsurată. Acest mod este utilizat la configurarea dispozitivelor de câmp (senzori).

În cel de-al doilea caz, pot fi conectate până la 15 senzori la linia cu două fire, al cărei număr este determinat de parametrii liniei de comunicație și de puterea sursei de alimentare. Acesta este un mod multi-drop. În acest mod, fiecare senzor are propria sa adresă în intervalul 1 ... 15, la care dispozitivul de control îl accesează.

Senzorul cu adresa 0 este deconectat de la linia de comunicație. Schimbul de date între senzor și dispozitivul de control în modul multipunct se realizează numai printr-un semnal de frecvență. Semnalul de curent al senzorului este fixat la nivelul dorit și nu se schimbă.

În cazul comunicării cu mai multe puncte, datele sunt considerate nu numai rezultatele reale ale măsurătorilor parametrului controlat, ci și un set întreg de informații despre toate tipurile de servicii.

În primul rând, acestea sunt adresele senzorilor, comenzilor de control, setărilor. Și toate aceste informații sunt transmise prin linii de comunicație cu două fire. Dar este posibil să scapi de ele? Este adevărat, acest lucru trebuie făcut cu atenție, numai în cazurile în care conexiunea fără fir nu poate afecta securitatea procesului controlat.

Se dovedește că poți scăpa de fire. Deja în 2007, a fost publicat Standardul WirelessHART, mediul de transmisie este frecvența fără licență de 2,4 GHz, care rulează pe multe dispozitive wireless ale computerului, inclusiv rețele locale fără fir. Prin urmare, dispozitivele WirelessHART pot fi utilizate fără restricții. Figura 11 prezintă rețeaua wireless WirelessHART.

Figura 11. Wireless Wireless HART

Aceste tehnologii au înlocuit vechea buclă de curent analogic. Dar nu renunță la poziția ei, este folosită pe scară largă, oriunde este posibil.

Boris Aladyshkin