Аналогни сензори: апликација, начини спајања на регулатор

У процесу аутоматизације технолошких процеса за управљање механизмима и склоповима, мора се бавити мерењима различитих физичких величина. То могу бити температура, притисак и брзина протока течности или гаса, брзина ротације, интензитет светлости, информације о положају делова механизама и још много тога. Ове информације се добијају помоћу сензора. Овде прво о положају делова механизама.

Дискретни сензори

Најједноставнији сензор је нормалан механички контакт: врата су се отворила - контакт се отворио, затворио - затворио. Овако једноставан сензор, као и горе наведени алгоритам рада, често користи се у сигурносним алармима. За механизам са транслацијским кретањем, који има два положаја, на пример, вентил за воду, потребна су два контакта: један контакт је затворен - вентил је затворен, други је затворен - затворен.

Сложенији транслациони алгоритам поседује механизам за затварање термопластичне машине за ливење. У почетку је калуп отворен, ово је почетни положај. У овом положају, готови производи се ваде из калупа. Затим радник затвори заштитну ограду и плијесан се почне затварати, започиње нови циклус рада.

Размак између половина калупа је прилично велик. Због тога се испрва калуп креће брзо, и на одређеној удаљености док се половине не затворе, приколица се покрене, брзина кретања се значајно смањује и плијесан се глатко затвара.

Овај алгоритам омогућава вам да избегнете ударац приликом затварања калупа, јер у супротном може бити исечен на мање комаде. Иста промјена брзине догађа се када се калуп отвори. Овде два контакт сензора не могу.

Дакле, сензори засновани на контакту су дискретни или бинарни, имају два положаја, затворени - отворени или 1 и 0. Другим речима, можемо рећи да се догађај догодио или не. У горњем примјеру, контакти су „заробљени“ неколико тачака: почетак кретања, тачка смањења брзине, крај кретања.

У геометрији тачка нема димензије, само тачка и то је то. Она може бити (на листу папира, у путањи кретања, као у нашем случају) или једноставно не постоји. Због тога се за детекцију тачака користе дискретни сензори. Можда упоређивање са тачком овде није баш прикладно, јер у практичне сврхе користе вредност тачности дискретног сензора, а та тачност је много више од геометријске тачке.

Али само механички контакт је непоуздана ствар. Стога, где год је то могуће, механичке контакте замењују сензори близине. Најједноставнија опција је трске: прекидач је магнет затворен, контакт је затворен. Тачност рада трске склопке оставља много да се жели, употреба таквих сензора је управо за одређивање положаја врата.

Сложенија и тачнија опција треба размотрити различите сензоре близине. Ако је метална застава ушла у утор, сензор је радио. Као пример таквих сензора могу се навести БВК сензори (Бесконтактни крајњи прекидач) различитих серија. Тачност рада (диференцијални ход) таквих сензора је 3 милиметра.

Слика 1. Сензор серије БВК

Напајање напона БВК сензора је 24 В, струја оптерећења је 200мА, што је сасвим довољно за повезивање средњих релеја за даљу координацију са управљачким кругом. Овако се БВК сензори користе у разној опреми.

Поред БВК сензора, користе се и сензори типа БТП, КВП, ПИП, КВД, ФИСХ. Свака серија има неколико врста сензора, означених бројевима, на пример, БТП-101, БТП-102, БТП-103, БТП-211.

Сви наведени сензори су неконтролирани дискретни, њихова главна сврха је одређивање положаја делова механизама и склопова. Наравно, много је више тих сензора; о њима не можете писати у једном чланку. Разни контактни сензори и даље су чешћи и још увек имају широку употребу.

Употреба аналогних сензора

Поред дискретних сензора у системима за аутоматизацију, широко се користе аналогни сензори. Њихова сврха је добијање информација о разним физичким количинама, и то не само таквим, него у стварном времену. Прецизније, претварање физичке величине (притисак, температура, осветљеност, проток, напон, струја) у електрични сигнал погодан за пренос преко комуникационих водова до регулатора и његову даљу обраду.

Аналогни сензори се обично налазе доста далеко од регулатора, због чега се често зову теренски уређаји. Овај се термин често користи у техничкој литератури.

Аналогни сензор обично се састоји од више делова. Најважнији део је осетљиви елемент - сензор. Његова сврха је претварање измерене вредности у електрични сигнал. Али сигнал примљен од сензора је обично мали. Да би се добио сигнал погодан за појачавање, сензор је најчешће укључен у мостни круг - Вхеатстоне Бридге.

Слика 2. Мост Вхеатстоне

Почетна намена круга моста је тачно мерење отпора. На дијагоналу АД моста прикључен је једносмерни извор. Осетљиви галванометар са средњом тачком, са нулом у средини скале, повезан је са другом дијагоналом. За мерење отпора отпорника Рк ротирањем резног отпора Р2, мост мора бити уравнотежен, стрелица галванометра мора бити постављена на нулу.

Одступање стрелице уређаја у једном или другом смеру омогућава вам одређивање смера ротације отпорника Р2. Вредност измереног отпора одређује се на скали комбинованој са рукохватом отпорника Р2. Услов равнотеже моста је једнакост односа Р1 / Р2 и Рк / Р3. У том случају се између тачака БЦ добије нулта разлика потенцијала, а струја не тече кроз галванометар В.

Отпор отпорника Р1 и Р3 је изабран врло прецизно, њихово ширење треба да буде минимално. Само у овом случају, чак и мали неравнотежа моста изазива приметну промену напона дијагонале БЦ. То се својство моста користи за повезивање осетљивих елемената (сензора) различитих аналогних сензора. Па, онда је све једноставно, ствар технологије.

Да бисте користили сигнал примљен од сензора, потребна је даља обрада, - појачавање и претварање у излазни сигнал погодан за пренос и обраду у управљачком кругу - контролер. Најчешће је излазни сигнал аналогних сензора струја (аналогна струјна петља), а ређе напон.

Зашто баш струја? Чињеница је да се излазни ступњеви аналогних сензора заснивају на изворима струје. То вам омогућава да се ослободите утицаја на излазни сигнал отпора спојних водова, користите прикључне водове велике дужине.

Даљња конверзија је прилично једноставна. Тренутни сигнал се претвара у напон, за који је довољно да струја прође кроз отпорник познатог отпора. Пад напона преко мерног отпора добије се према Охмовом закону У = И * Р.

На пример, за струју од 10 мА на отпорнику са отпором 100 Охма, добијате напон 10 * 100 = 1000мВ, право је 1 волт! У овом случају, излазна струја сензора не зависи од отпора спојних жица. У разумним границама, наравно.

Повезивање аналогних сензора

Напон примљен на мерном отпорнику може се лако претворити у дигитални облик погодан за улаз у регулатор. Конверзија се врши помоћу аналогно-дигитални претварачи АДЦ.

Дигитални подаци се шаљу регулатору у серијском или паралелном коду.Све зависи од одређеног склопног склопа. Поједностављени дијаграм везе аналогног сензора приказан је на слици 3.

Слика 3. Повезивање аналогног сензора (кликните на слику за увећање)

Покретачи су повезани на регулатор или је сам регулатор повезан са рачунаром који је део система за аутоматизацију.

Наравно, аналогни сензори имају готов дизајн, чији је један елемент кућиште са повезујућим елементима. Као пример, на слици 4 приказана је појава сензора за мерачки притисак типа Сонда-10.

Слика 4. Сензор надтлака сензора-10

На дну сензора можете видети прикључни навој за спајање на цевовод, а десно испод црног поклопца налази се конектор за повезивање комуникационе линије са контролером.

Навојни спој је запечаћен са подлошком направљеном од жарећег бакра (која је укључена у испоруку сензора) и никако се не намотава од димне траке или платна. То се ради тако да приликом инсталирања сензора не деформишете сензорски елемент који се налази унутра.

Излази аналогних сензора

Према стандардима, постоје три опсега тренутних сигнала: 0 ... 5мА, 0 ... 20мА и 4 ... 20мА. У чему је њихова разлика и које су карактеристике?

Најчешће, зависност излазне струје директно је пропорционална измереној вредности, на пример, што је већи притисак у цеви, већа је и струја на излазу сензора. Иако се понекад користи и обрнуто пребацивање: већа вредност излазне струје одговара минималној вредности измерене вредности на излазу сензора. Све зависи од врсте контролера који се користи. Неки сензори се чак пребацују са директног на инверзни.

Излазни сигнал у опсегу 0 ... 5мА је врло мали, па је подложан сметњама. Ако сигнал таквог сензора флуктуира на константној вредности измереног параметра, то јест, препоручује се уградња кондензатора капацитета 0,1 ... 1 μФ паралелно са излазом сензора. Стабилнији је тренутни сигнал у опсегу 0 ... 20мА.

Али оба ова опсега нису добра, јер нула на почетку скале не дозвољава нам да недвосмислено утврдимо шта се догодило. Или је измерени сигнал у ствари узео нулти ниво, што је у принципу могуће, или је једноставно прекинута комуникациона линија? Стога покушавају напустити употребу ових опсега, ако је могуће.

Сигнал аналогних сензора са излазном струјом у распону од 4 ... 20 мА сматра се поузданијим. Његова отпорност на буку је прилично висока, а доња граница, чак и ако мерени сигнал има нулти ниво, биће 4 мА, што нам омогућава да кажемо да комуникациона линија није прекинута.

Још једна добра особина распона 4 ... 20мА је да се сензори могу повезати у само двије жице, јер сам сензор напаја овом струјом. Ово је његова тренутна потрошња и истовремено мерни сигнал.

Извор напајања за сензоре у опсегу 4 ... 20мА је укључен, као што је приказано на слици 5. Истовремено, Зонд-10 сензори, као и многи други, имају широк распон напајања 10 ... 38В према пасошу, иако се најчешће користе стабилизовани извори са напоном 24В.

Слика 5. Повезивање аналогног сензора са спољним извором напајања

Следећи елементи и нота су присутни на овом дијаграму. Рш је отпорник мерног шанта, Рл1 и Рл2 су отпори комуникационих линија. Да бисте повећали тачност мерења, требало би да се користи прецизни мерни отпорник као Рш. Пролазак струје из извора напајања означен је стрелицама.

Лако је видјети да излазна струја извора напајања пролази од + 24В терминала, преко Рл1 линије долази до терминала сензора + АО2, пролази кроз сензор и кроз излазни терминал сензора - АО2, Рл2 спојна линија, отпорник Рш враћа се на -24В терминал напајања. Све, круг је затворен, струја тече.

Ако регулатор садржи напајање од 24 В, повезивање сензора или мјерног претварача могуће је према шеми приказаној на слици 6.

Слика 6. Повезивање аналогног сензора са контролером са унутрашњим извором напајања

Овај дијаграм приказује још један елемент - баластни отпор Рб. Његова је сврха заштитити мјерни отпорник када је комуникациона линија затворена или аналогни сензор не ради. Уградња РБ отпорника није обавезна, иако је пожељна.

Поред разних сензора, мерни претварачи, који се често користе у системима за аутоматизацију, имају и тренутни излаз.

Мерни претварач - уређај за претварање нивоа напона, на пример, 220В или струја од неколико десетина или стотина ампера у тренутни сигнал од 4 ... 20 мА. Овде се претварање нивоа електричног сигнала једноставно одвија, а не представљање неке физичке величине (брзина, проток, притисак) у електричном облику.

Али једини сензор, по правилу, није довољан. Једно од најпопуларнијих мерења су мерења температуре и притиска. Број таквих тачака у савременој производњи може достићи неколико десетина хиљада. Сходно томе, број сензора је такође велик. Стога је неколико аналогних сензора најчешће спојено на један регулатор истовремено. Наравно, не неколико хиљада одједном, добро је ако је десетак другачије. Таква веза је приказана на слици 7.

Слика 7. Спајање више аналогних сензора на регулатор

Ова слика приказује како се напон погодан за претворбу у дигитални код добија из тренутног сигнала. Ако постоји неколико таквих сигнала, они се не обрађују одједном, већ су одвојени временом, мултиплексирани, у супротном, на сваки канал мора се ставити посебан АДЦ.

У ту сврху, контролер има канале за пребацивање кругова. Функционални дијаграм прекидача приказан је на слици 8.

Слика 8. Пребацивање аналогних сензорских канала (слика на коју се може кликнути)

Сигнали струјне петље, претворени у напон на мерном отпорнику (УР1 ... УРн), доводе се на улаз аналогног прекидача. Управљачки сигнали наизменично преносе један од сигнала УР1 ... УРн, који појачало појачава и наизменично се напаја на улаз АДЦ-а. Напон претворен у дигитални код доводи се до контролера.

Схема је, наравно, врло поједностављена, али принцип мултиплексирања у њој је сасвим могуће узети у обзир. Тако је изграђен модул за уношење аналогних сигнала из МСТС контролера (микропроцесорски хардверски систем) који је изградио Пролог ПЦ Смоленск. Изглед МЦТЦ контролера приказан је на слици 9.

Слика 9. ИЦТС контролер

Пуштање таквих контролера одавно је заустављено, мада на неким местима далеко од најбољих, ти контролери и даље служе. Ови музејски експонати замењују контролере нових модела, углавном увозне (кинеске) производње.

За повезивање 4 ... 20мА струјних сензора препоручује се коришћење двожичног оклопљеног кабла са пресеком језгре од најмање 0,5 мм2.

Ако је регулатор монтиран у металном ормару, препоручује се повезивање заштитних плетеница са тачком уземљења. Дужина прикључних линија може досећи више од два километра, што се израчунава одговарајућим формулама. Нећемо ништа овде размотрити, али верујте ми да је то тако.

Нови сензори, нови контролери

Појавом нових контролера, нови ХАРТ аналогни сензори (Хигхваи Аддрессабле Ремоте Трансдуцер), што у преводу значи "Мерење претварача који се може адресирати на даљину".

Излазни сигнал сензора (теренског уређаја) је аналогни тренутни сигнал у опсегу 4 ... 20 мА, на који се поставља фреквенцијски модулисан (ФСК - Фрекуенци Схифт Кеиинг) дигитални комуникацијски сигнал.

Слика 10. Излаз аналогног сензора ХАРТ

На слици је приказан аналогни сигнал, а око њега попут змије синусоидне завојнице. Ово је фреквенцијски модулисан сигнал.Али то уопште није дигитални сигнал, то тек треба препознати. На слици је приметно да је фреквенција синусног таласа при преносу логичке нуле већа (2,2КХз) него при преносу јединице (1,2КХз). Пренос ових сигнала врши се струјом амплитуде ± 0,5 мА синусоидног облика.

Познато је да је просечна вредност синусоидног сигнала једнака нули, па пренос дигиталних информација не утиче на излазну струју сензора 4 ... 20 мА. Овај мод се користи приликом подешавања сензора.

ХАРТ комуникација се врши на два начина. У првом случају, стандардни, само два уређаја могу размењивати информације на двожичној линији, док излазни аналогни сигнал 4 ... 20мА зависи од измерене вредности. Овај начин рада користи се при подешавању теренских уређаја (сензора).

У другом случају, до 15 жичара може се повезати до 15 сензора, чији се број одређује параметрима комуникационе линије и снагом напајања. Ово је режим са више капи. У овом режиму, сваки сензор има своју адресу у распону 1 ... 15, на којој му управљачки уређај приступа.

Сензор са адресом 0 искључен је из комуникацијске линије. Размјена података између сензора и управљачког уређаја у режиму с више точака врши се само фреквенцијским сигналом. Тренутни сигнал сензора је фиксиран на жељеном нивоу и не мења се.

У случају комуникације са више точака, под подацима се подразумевају не само стварни резултати мерења контролисаног параметра, већ и читав низ свих врста сервисних информација.

Пре свега, то су адресе сензора, контролних команди, подешавања. А све ове информације преносе се путем двожилне комуникационе линије. Али да ли их је могуће решити? Истина, ово треба учинити пажљиво, само у оним случајевима када бежична веза не може утицати на безбедност контролисаног процеса.

Испада да се жице могу ријешити. Већ 2007. објављен је ВирелессХАРТ Стандард, преносни медиј је нелиценцирана фреквенција од 2,4 ГХз, која ради на многим рачунарским бежичним уређајима, укључујући бежичне локалне мреже. Стога се ВирелессХАРТ уређаји могу користити без икаквих ограничења. Слика 11 приказује ВирелессХАРТ бежичну мрежу.

Слика 11. Бежични бежичниХАРТ

Ове технологије су замениле стару петљу аналогне струје. Али она не одустаје од положаја, широко се користи кад год је то могуће.

Борис Аладисхкин