kategorier: Udvalgte artikler » Begynderelektrikere
Antal visninger: 166.352
Kommentarer til artiklen: 4
Analoge sensorer: anvendelse, forbindelsesmetoder til controller
I processen med automatisering af teknologiske processer til styring af mekanismer og samlinger skal man håndtere målinger af forskellige fysiske mængder. Dette kan være temperatur, tryk og strømningshastighed for en væske eller gas, rotationshastighed, lysintensitet, information om placeringen af mekanismedele og meget mere. Denne information fås ved hjælp af sensorer. Her først om placeringen af mekanismernes dele.
Diskrete sensorer
Den enkleste sensor er en normal mekanisk kontakt: døren blev åbnet - kontakten åbnede, lukket - lukket. En sådan simpel sensor såvel som ovenstående driftsalgoritme ofte bruges i sikkerhedsalarmer. For en mekanisme med translationel bevægelse, der har to positioner, for eksempel en vandventil, er der behov for to kontakter: en kontakt er lukket - ventilen er lukket, den anden er lukket - lukket.
En mere kompliceret translationalgoritme har en mekanisme til lukning af den termoplastiske støbemaskine. Oprindeligt er formen åben, dette er udgangspositionen. I denne position fjernes færdige produkter fra formen. Dernæst lukker arbejderen beskyttelseshættet, og formen begynder at lukke, en ny arbejdscyklus begynder.
Afstanden mellem halvdelene af formen er ret stor. Derfor bevæger formen sig først hurtigt og i en bestemt afstand indtil halvdelene er lukket, traileren udløses, bevægelseshastigheden reduceres markant, og formen lukkes jævnt.
Denne algoritme giver dig mulighed for at undgå slag, når formen lukkes, ellers kan den simpelthen hakkes i små stykker. Den samme ændring i hastighed forekommer, når formen åbnes. Her kan to kontaktsensorer ikke gøre.
Sensorerne, der er baseret på kontakten, er således diskrete eller binære, har to positioner, lukket - åben eller 1 og 0. Med andre ord kan vi sige, at begivenheden fandt sted eller ej. I ovenstående eksempel er flere punkter "fanget" af kontakterne: begyndelsen af bevægelse, punktet for fald i hastighed, slutningen af bevægelsen.
I geometri har et punkt ingen dimensioner, bare et punkt, og det er det. Det kan enten være (på et stykke papir, i bevægelsesbanen, som i vores tilfælde), eller det findes simpelthen ikke. Derfor bruges diskrete sensorer til at detektere punkter. Måske er en sammenligning med et punkt ikke særlig passende, for i praktiske tilfælde bruger de værdien af nøjagtigheden af en diskret sensor, og denne nøjagtighed er meget mere end et geometrisk punkt.
Men mekanisk kontakt alene er en upålidelig ting. Derfor erstattes mekaniske kontakter, hvor det er muligt, af nærhedsfølere. Den enkleste mulighed er en vifteafbryder: magneten er tæt, kontakten er lukket. Nøjagtigheden af driften af røromskifteren lader meget tilbage at ønske, at bruge sådanne sensorer er bare til at bestemme dørenes placering.
En mere kompleks og nøjagtig mulighed skal betragtes som en række nærhedsføler. Hvis metalflaget kom ind i spalten, fungerede sensoren. Som et eksempel på sådanne sensorer kan BVK-sensorer (non-contact end switch) i forskellige serier nævnes. Nøjagtigheden af driften (slagforskellen) for sådanne sensorer er 3 millimeter.
Figur 1. BVK-serie sensor
BVK-sensorernes forsyningsspænding er 24V, belastningsstrømmen er 200 mA, hvilket er helt nok til at forbinde mellemrelæer til yderligere koordinering med styrekredsløbet. Sådan bruges BVK sensorer i forskellige udstyr.
Foruden BVK-sensorer bruges også sensorer af BTP-, KVP-, PIP-, KVD-, FISH-typerne. Hver serie har flere typer sensorer, der er indikeret med tal, for eksempel BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Alle de nævnte sensorer er ikke-kontakt diskrete; deres hovedformål er at bestemme placeringen af dele af mekanismer og samlinger. Der er naturligvis meget mere af disse sensorer; du kan ikke skrive om dem alle i en artikel. Forskellige kontaktsensorer er stadig mere almindelige og finder stadig udbredt anvendelse.
Brug af analoge sensorer
Ud over diskrete sensorer i automatiseringssystemer bruges analoge sensorer i vid udstrækning. Deres formål er at få information om forskellige fysiske mængder, og ikke bare som det overhovedet, men i realtid. Mere præcist konverteres en fysisk mængde (tryk, temperatur, belysning, strømning, spænding, strøm) til et elektrisk signal, der er egnet til transmission via kommunikationsledninger til regulatoren og dens videre behandling.
Analoge sensorer er normalt placeret ganske langt fra controlleren, hvorfor de ofte kaldes feltanordninger. Dette udtryk bruges ofte i teknisk litteratur.
En analog sensor består typisk af flere dele. Den vigtigste del er det følsomme element - sensor. Dets formål er at konvertere den målte værdi til et elektrisk signal. Men signalet modtaget fra sensoren er normalt lille. For at opnå et signal, der er egnet til forstærkning, er sensoren oftest inkluderet i brokredsløbet - Wheatstone Bridge.
Figur 2. Wheatstone Bridge
Det oprindelige formål med brokredsløbet er en nøjagtig måling af modstand. En jævnstrømskilde er forbundet til AD-broens diagonal. Et følsomt galvanometer med et midtpunkt, med et nul i midten af skalaen, er forbundet til en anden diagonal. For at måle modstanden på modstanden Rx ved at dreje trimmodstanden R2, skal broen være afbalanceret, galvanometerpilen skal indstilles til nul.
Afvigelse af enhedens pil i den ene eller anden retning giver dig mulighed for at bestemme rotationsretningen for modstanden R2. Værdien af den målte modstand bestemmes på en skala kombineret med håndtaget på modstanden R2. Ligevægtsbetingelsen for broen er ligheden mellem forholdene R1 / R2 og Rx / R3. I dette tilfælde opnås en nul potentialeforskel mellem punkterne BC, og strømmen strømmer ikke gennem galvanometeret V.
Modstanden for modstande R1 og R3 vælges meget nøjagtigt, deres spredning skal være minimal. Kun i dette tilfælde forårsager selv en lille ubalance af broen en mærkbar ændring i spændingen på BC-diagonalen. Det er denne egenskab ved broen, der bruges til at forbinde følsomme elementer (sensorer) fra forskellige analoge sensorer. Nå, så er alt enkelt, et spørgsmål om teknologi.
For at bruge det signal, der er modtaget fra sensoren, kræves yderligere behandling, - forstærkning og konvertering til et udgangssignal, der er egnet til transmission og behandling af styrekredsløbet - controlleren. Oftest er udgangssignalet fra analoge sensorer strøm (analog strømsløjfe), mindre ofte spænding.
Hvorfor nøjagtigt den nuværende? Faktum er, at outputstadierne for analoge sensorer er baseret på aktuelle kilder. Dette giver dig mulighed for at slippe af med indflydelsen på udgangssignalet for modstandsforholdet for forbindelseslinjerne og bruge forbindelseslinjer med stor længde.
Yderligere konvertering er ganske enkel. Strømsignalet konverteres til spænding, til hvilket det er tilstrækkeligt at føre strømmen gennem en modstand med kendt modstand. Spændingsfaldet over målemodstanden opnås i henhold til Ohms lov U = I * R.
For eksempel, for en strøm på 10 mA på en modstand med en modstand på 100 ohm, får du en spænding på 10 * 100 = 1000 mV, lige der er en hel 1 volt! I dette tilfælde afhænger sensorens udgangsstrøm ikke af forbindelsesledningernes modstand. Inden for rimelige grænser, selvfølgelig.
Tilslutning af analoge sensorer
Den spænding, der modtages ved målemodstanden, kan let konverteres til en digital form, der er egnet til input til regulatoren. Konvertering sker ved hjælp af analog-til-digital-konvertere ADC.
Digitale data overføres til controlleren i seriel eller parallel kode.Det hele afhænger af det specifikke skiftekredsløb. Et forenklet forbindelsesdiagram for den analoge sensor er vist i figur 3.
Figur 3. Tilslutning af en analog sensor (klik på billedet for at forstørre)
Aktuatorer er forbundet til controlleren, eller kontrolleren er selv tilsluttet en computer, der er en del af automatiseringssystemet.
Naturligvis har de analoge sensorer et færdigt design, hvoraf det ene element er et hus med forbindelseselementer. Som et eksempel viser figur 4 udseendet af måletrykfølerens type Probe-10.
Figur 4. Overtryk af sensor Probe-10
I bunden af sensoren kan du se forbindelsestråden til tilslutning til rørledningen, og til højre under det sorte dæksel er der et stik til tilslutning af en kommunikationslinie med controlleren.
Den gevindforbindelse er forseglet med en skive lavet af udglødet kobber (inkluderet i leveringsomfanget af sensoren), og på ingen måde vikles det fra et fumtape eller linned. Dette gøres således, at når du installerer sensoren, må du ikke deformere det sensorelement, der er placeret indeni.
Analoge sensorudgange
I henhold til standarderne er der tre områder med aktuelle signaler: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA og 4 ... 20mA. Hvad er deres forskel, og hvad er funktionerne?
Oftest er afhængigheden af udgangsstrømmen direkte proportional med den målte værdi, for eksempel, jo højere tryk i røret, jo større er strømmen ved sensorens udgang. Selvom der undertiden bruges omvendt skifte: en større værdi af udgangsstrømmen svarer til minimumsværdien af den målte værdi ved sensorudgangen. Det hele afhænger af den anvendte type controller. Nogle sensorer skifter endda fra direkte til invers.
Udgangssignalet i området 0 ... 5mA er meget lille og derfor udsat for interferens. Hvis signalet fra en sådan sensor svinger med en konstant værdi af den målte parameter, dvs. det anbefales at installere en kondensator med en kapacitans på 0,1 ... 1 μF parallelt med sensorens output. Mere stabilt er det aktuelle signal i området 0 ... 20mA.
Men begge disse intervaller er ikke gode, fordi nulet i begyndelsen af skalaen ikke tillader os entydigt at bestemme, hvad der skete. Eller tog det målte signal faktisk et nulniveau, hvilket i princippet er muligt, eller blot blev kommunikationslinien afbrudt? Derfor forsøger de om muligt at opgive brugen af disse intervaller.
Signalet fra analoge sensorer med en udgangsstrøm i området 4 ... 20 mA betragtes som mere pålideligt. Dets støjimmunitet er ret høj, og den nedre grænse, selvom det målte signal har et nulniveau, vil være 4 mA, hvilket tillader os at sige, at kommunikationslinjen ikke er brudt.
En anden god egenskab ved 4 ... 20mA-serien er, at sensorerne kan tilsluttes i kun to ledninger, da sensoren i sig selv drives af denne strøm. Dette er dets aktuelle forbrug og på samme tid et målesignal.
Strømkilden til sensorer i området 4 ... 20mA er tændt, som vist i figur 5. Samtidig har Zond-10-sensorer, som mange andre, et bredt område af forsyningsspænding 10 ... 38V i henhold til passet, selvom de oftest bruges stabiliserede kilder med en spænding på 24V.
Figur 5. Tilslutning af en analog sensor med en ekstern strømkilde
Følgende elementer og notation er til stede i dette diagram. Rш er modstanden for måle shunt, Rl1 og Rl2 er modstanderne for kommunikationslinjer. For at øge målenøjagtigheden skal en præcisionsmålemodstand bruges som Rш. Strømmen fra strømkilden er angivet med pile.
Det er let at se, at strømkildens udgangsstrøm går fra + 24V-terminalen, gennem Rl1-linjen, den når + AO2-sensorterminalen, passerer gennem sensoren og gennem sensorudgangsterminalen - AO2, Rl2-forbindelseslinjen, modstanden Rш vender tilbage til -24V strømforsyningsterminalen. Alt, kredsløbet er lukket, strømmen strømmer.
Hvis controlleren indeholder en 24V strømforsyning, er det muligt at tilslutte sensoren eller måle transduceren i henhold til skemaet vist i figur 6.
Figur 6. Tilslutning af en analog sensor til en controller med en intern strømkilde
Dette diagram viser et andet element - ballastmodstanden Rb. Dets formål er at beskytte målemodstanden, når kommunikationslinien er lukket, eller den analoge sensor fungerer korrekt. Installation af en RB-modstand er valgfri, skønt det er ønskeligt.
Foruden forskellige sensorer har måleomdannere, der ofte bruges i automatiseringssystemer, også en strømudgang.
Måling af transducer - en enhed til konvertering af spændingsniveauer, for eksempel, 220V eller strøm på flere titalls eller hundreder af ampere til et strømssignal på 4 ... 20mA. Her transformeres et elektrisk signalniveau simpelthen og ikke en repræsentation af en bestemt fysisk mængde (hastighed, strømningshastighed, tryk) i elektrisk form.
Men den eneste sensor er som regel ikke nok. En af de mest populære målinger er temperatur- og trykmålinger. Antallet af sådanne punkter i moderne produktion kan nå flere titusinder. Følgelig er antallet af sensorer også stort. Derfor er flere analoge sensorer oftest forbundet til en controller på én gang. Selvfølgelig ikke flere tusinde på én gang, det er godt, hvis et dusin er forskellige. En sådan forbindelse er vist i figur 7.
Figur 7. Tilslutning af flere analoge sensorer til controlleren
Denne figur viser, hvordan en spænding, der er egnet til konvertering til en digital kode, opnås fra et strømssignal. Hvis der er flere sådanne signaler, behandles de ikke alle på én gang, men adskilles med tid, multiplexeres, ellers ville en separat ADC blive anbragt på hver kanal.
Til dette formål har controlleren et kredsløb, der skifter kanaler. Det funktionelle diagram for kontakten er vist i figur 8.
Figur 8. Switch til analoge sensorkanaler (klikbart billede)
Signalerne fra den aktuelle sløjfe, konverteret til spænding ved målemodstanden (UR1 ... URn), føres til indgangen til den analoge switch. Styresignalerne passerer skiftevis et af signalerne UR1 ... URn, som forstærkes af forstærkeren, og tilføres skiftevis til ADC-indgangen. Spændingen, der konverteres til en digital kode, leveres til controlleren.
Ordningen er selvfølgelig meget forenklet, men princippet med multiplexering i det er meget muligt at overveje. Sådan blev modulet til indføring af analoge signaler fra MSTS-controllere (mikroprocessorsystem til hardware) bygget af Prolog Smolensk PC bygget. MCTC-controllerens udseende er vist i figur 9.
Figur 9. ICTS-controller
Frigivelsen af sådanne controllere er længe ophørt, selvom nogle steder langt fra de bedste tjener disse controllere stadig. Disse museumsudstillinger erstattes af controllere af nye modeller, hovedsageligt af importeret (kinesisk) produktion.
For at tilslutte 4 ... 20mA strømfølere anbefales det at bruge et to-tråds afskærmet kabel med et kernetværsnit på mindst 0,5 mm2.
Hvis regulatoren er monteret i et metalskab, anbefales det, at afskærmningsfletninger tilsluttes kabinetets jordingspunkt. Længden på forbindelseslinjerne kan nå mere end to kilometer, hvilket beregnes af de tilsvarende formler. Vi vil ikke overveje noget her, men tro mig, det er sådan.
Nye sensorer, nye controllere
Med fremkomsten af nye controllere, nye HART analoge sensorer (Highway Addressable Remote Transducer), der oversættes til "Måling af transducer adresserbar eksternt via bagagerummet".
Sensorens udgangssignal (feltindretning) er et analogt strømsignal i området 4 ... 20 mA, hvorpå et frekvensmoduleret (FSK - Frequency Shift Keying) digitalt kommunikationssignal overlejres.
Figur 10. HART Analog sensorudgang
Figuren viser et analogt signal, og omkring det, som en slange, en sinusoidespiral. Dette er et frekvensmoduleret signal.Men dette er overhovedet ikke et digitalt signal, det skal endnu ikke genkendes. Det bemærkes i figuren, at frekvensen af sinusbølgen ved transmission af en logisk nul er højere (2,2 KHz) end ved transmission af en enhed (1,2 KHz). Overførslen af disse signaler udføres af en strøm med en amplitude på ± 0,5 mA sinusformet form.
Det er kendt, at den gennemsnitlige værdi af sinusformet signal er nul, hvorfor transmission af digital information ikke påvirker outputstrømmen fra sensoren 4 ... 20 mA. Denne tilstand bruges, når der indstilles sensorer.
HART-kommunikation foregår på to måder. I det første tilfælde er standarden kun to enheder, der kan udveksle information på en to-trådslinje, mens det analoge udgangssignal 4 ... 20mA afhænger af den målte værdi. Denne tilstand bruges, når du konfigurerer feltenheder (sensorer).
I det andet tilfælde kan op til 15 sensorer tilsluttes to-ledningsledningen, hvis antal bestemmes af parametrene for kommunikationslinien og strømforsyningen. Dette er en multi-drop-tilstand. I denne tilstand har hver sensor sin egen adresse i området 1 ... 15, hvor kontrolenheden får adgang til den.
Sensoren med adresse 0 kobles fra kommunikationslinien. Dataudveksling mellem sensoren og kontrolenheden i multipunkttilstand udføres kun af et frekvenssignal. Sensorstrømsignalet er fastgjort til det krævede niveau og ændres ikke.
I tilfælde af kommunikation med flere punkter menes data ikke kun de faktiske resultater af målinger af den kontrollerede parameter, men også et helt sæt af alle slags serviceoplysninger.
Først og fremmest er det adresserne til sensorer, kontrolkommandoer, indstillinger. Og al denne information overføres via to-tråders kommunikationslinjer. Men er det muligt at slippe af med dem? Det er sandt, at dette skal gøres omhyggeligt, kun i de tilfælde, hvor den trådløse forbindelse ikke kan påvirke sikkerheden ved den kontrollerede proces.
Det viser sig, at du kan slippe af med ledningerne. Allerede i 2007 blev WirelessHART Standard offentliggjort, transmissionsmediet er den ulicenserede frekvens på 2,4 GHz, der kører på mange trådløse computerenheder, herunder trådløse lokalnetværk. Derfor kan WirelessHART-enheder bruges uden nogen begrænsninger. Figur 11 viser det trådløse WirelessHART-netværk.
Figur 11. Trådløst WirelessHART
Disse teknologier har erstattet den gamle analoge strømsløjfe. Men hun opgiver ikke sin position, den bruges vidt, hvor det er muligt.
Boris Aladyshkin
Se også på elektrohomepro.com
: