Od lat pięćdziesiątych XX wieku pętle prądowe są wykorzystywane do przesyłania danych z przetworników w zastosowaniach monitorujących i sterujących. Dzięki niskim kosztom wdrożenia, wysokiej odporności na zakłócenia i możliwości przesyłania sygnałów na duże odległości, pętla prądowa okazała się szczególnie wygodna do pracy w środowiskach przemysłowych. Ten materiał jest poświęcony opisowi podstawowe zasady działanie pętli prądowej, podstawy projektowania, konfiguracja.
Wykorzystanie prądu do przesyłania danych z konwertera
Czujniki przemysłowe często wykorzystują sygnał prądowy do przesyłania danych, w przeciwieństwie do większości innych przetworników, takich jak termopary czy tensometry, które wykorzystują sygnał napięciowy. Chociaż przetwornice wykorzystujące napięcie jako parametr do przesyłania informacji są rzeczywiście skuteczne w wielu zastosowaniach przemysłowych, istnieje szereg zastosowań, w których preferowane jest wykorzystanie charakterystyki prądowej. Znacząca wada Podczas używania napięcia do przesyłania sygnałów w środowisku przemysłowym sygnał słabnie, gdy jest przesyłany na duże odległości ze względu na obecność rezystancji w przewodowych liniach komunikacyjnych. Można oczywiście użyć urządzeń o wysokiej impedancji wejściowej, aby obejść utratę sygnału. Urządzenia takie będą jednak bardzo wrażliwe na hałas generowany przez pobliskie silniki, paski napędowe czy nadajniki nadawcze.
Zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających z węzła.
Teoretycznie prąd płynący na początku obwodu powinien dotrzeć do końca w całości,
jak pokazano na rys.1. 1.
Ryc.1. Zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa prąd na początku obwodu jest równy prądowi na jego końcu.
Jest to podstawowa zasada działania pętli pomiarowej. Pomiar prądu w dowolnym miejscu pętli prądowej (pętli pomiarowej) daje ten sam wynik. Dzięki zastosowaniu sygnałów prądowych i odbiorników do gromadzenia danych o niskiej impedancji wejściowej, zastosowania przemysłowe mogą znacznie zyskać na zwiększonej odporności na zakłócenia i zwiększonej długości łącza.
Elementy pętli prądowej
Głównymi elementami pętli prądowej jest źródło DC, przetwornik główny, urządzenie do gromadzenia danych i przewody łączące je w rzędzie, jak pokazano na rysunku 2.
Ryc.2. Schemat funkcjonalny pętla prądowa.
Źródło prądu stałego zapewnia zasilanie systemu. Przetwornik reguluje prąd w przewodach od 4 do 20 mA, gdzie 4 mA reprezentuje zero pod napięciem, a 20 mA reprezentuje sygnał maksymalny.
0 mA (brak prądu) oznacza obwód otwarty. Urządzenie do gromadzenia danych mierzy wielkość regulowanego prądu. Skuteczną i dokładną metodą pomiaru prądu jest zainstalowanie precyzyjnego rezystora bocznikowego na wejściu wzmacniacza pomiarowego urządzenia do gromadzenia danych (na rys. 2) w celu przekształcenia prądu na napięcie pomiarowe, ostatecznie uzyskując wynik wyraźnie odzwierciedlający sygnał na wyjściu przetwornika.
Aby lepiej zrozumieć zasadę działania pętli prądowej, należy rozważyć na przykład projekt systemu z przetwornicą o następujących parametrach technicznych:
Przetwornik służy do pomiaru ciśnienia
Przetwornik znajduje się w odległości 2000 stóp od urządzenia pomiarowego
Prąd mierzony przez urządzenie do gromadzenia danych dostarcza operatorowi informacji o wielkości ciśnienia przyłożonego do przetwornika
Zacznijmy od przykładu, wybierając odpowiedni konwerter.
Aktualny projekt systemu
Wybór konwertera
Pierwszym krokiem w projektowaniu obecnego systemu jest wybór konwertera. Niezależnie od rodzaju mierzonej zmiennej (przepływ, ciśnienie, temperatura itp.), ważnym czynnikiem przy wyborze przetwornika jest jego napięcie robocze. Dopiero podłączenie źródła zasilania do konwertera pozwala na regulację wielkości prądu w linii komunikacyjnej. Wartość napięcia zasilania musi mieścić się w granicach dopuszczalne limity: większa niż wymagane minimum, mniejsza niż maksymalna wartość, która może uszkodzić falownik.
W przypadku systemu prądowego w przykładzie wybrany przetwornik mierzy ciśnienie i ma napięcie robocze od 12 do 30 V. Po wybraniu przetwornika należy prawidłowo zmierzyć sygnał prądowy, aby zapewnić dokładne odwzorowanie ciśnienia przykładanego do przetwornika .
Wybór urządzenia do gromadzenia danych do pomiaru prądu
Ważnym aspektem, na który należy zwrócić uwagę budując układ prądowy, jest niedopuszczenie do powstania pętli prądowej w obwodzie masowym. Ogólne przyjęcie w takich przypadkach następuje izolacja. Stosując izolację można uniknąć wpływu pętli masy, której występowanie wyjaśniono na rys. 3.
Ryc.3. Pętla uziemiająca
Pętle uziemienia powstają, gdy dwa zaciski są połączone w obwodzie różne miejsca potencjały. Różnica ta wprowadza do linii komunikacyjnej dodatkowy prąd, co może prowadzić do błędów pomiarowych.
Izolacja urządzenia do gromadzenia danych odnosi się do elektrycznego oddzielenia masy źródła sygnału od masy wzmacniacza wejściowego urządzenia pomiarowego, jak pokazano na rysunku 4.
Ponieważ prąd nie może przepływać przez barierę izolacyjną, punkty uziemienia wzmacniacza i źródła sygnału mają ten sam potencjał. Eliminuje to możliwość przypadkowego utworzenia pętli uziemienia.
Ryc.4. Napięcie trybu wspólnego i napięcie sygnału w izolowanym obwodzie
Izolacja zapobiega również uszkodzeniu urządzenia do gromadzenia danych, gdy obecne są wysokie napięcia w trybie wspólnym. Napięcie wspólne to napięcie o tej samej polaryzacji, które występuje na obu wejściach wzmacniacza pomiarowego. Na przykład na ryc. 4. Zarówno dodatnie (+), jak i ujemne (-) wejścia wzmacniacza mają napięcie wspólne +14 V. Wiele urządzeń do gromadzenia danych ma maksymalny zakres wejściowy wynoszący ±10 V. Jeśli urządzenie do gromadzenia danych nie ma izolacji, a napięcie w trybie wspólnym wykracza poza maksymalny zakres wejściowy, możesz uszkodzić urządzenie. Chociaż normalne napięcie (sygnałowe) na wejściu wzmacniacza z rys. 4 wynosi tylko +2 V, dodanie +14 V może dać napięcie +16 V
(Napięcie sygnałowe to napięcie pomiędzy „+” i „-” wzmacniacza, napięcie robocze to suma napięcia normalnego i wspólnego), co stanowi niebezpieczny poziom napięcia dla urządzeń zbierających o niższym napięciu roboczym.
W izolacji punkt wspólny wzmacniacza jest elektrycznie oddzielony od masy zerowej. W obwodzie pokazanym na rysunku 4 potencjał w punkcie wspólnym wzmacniacza „podnosi się” do poziomu +14 V. Technika ta powoduje spadek napięcia wejściowego z 16 do 2 V. Po zebraniu danych urządzenie nie jest już narażony na ryzyko uszkodzeń spowodowanych przepięciem. (Należy pamiętać, że izolatory mają maksymalne napięcie w trybie wspólnym, które mogą odrzucić.)
Po odizolowaniu i zabezpieczeniu urządzenia do gromadzenia danych ostatnim krokiem w budowie pętli prądowej jest wybór odpowiedniego źródła zasilania.
Wybór źródła zasilania
Określenie, który zasilacz najlepiej odpowiada Twoim potrzebom, jest łatwe. Podczas pracy w pętli prądowej zasilacz musi wytwarzać napięcie równe lub większe od sumy spadków napięć na wszystkich elementach systemu.
Urządzenie do gromadzenia danych w naszym przykładzie wykorzystuje precyzyjny bocznik do pomiaru prądu.
Konieczne jest obliczenie spadku napięcia na tym rezystorze. Typowy rezystor bocznikowy ma rezystancję 249 Ω. Podstawowe obliczenia dla zakresu prądu pętli prądowej 4 .. 20 mA
pokaż co następuje:
Ja*R=U
0,004A*249Ω= 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V
Z bocznika 249 Ω możemy usunąć napięcie z zakresu od 1 do 5 V, porównując wartość napięcia na wejściu urządzenia akwizycji danych z wartością sygnału wyjściowego przetwornika ciśnienia.
Jak wspomniano, przetwornik ciśnienia wymaga minimalnego napięcia roboczego wynoszącego 12 V, a maksymalnie 30 V. Dodając spadek napięcia na precyzyjnym rezystorze bocznikowym do napięcia roboczego przetwornika, otrzymujemy, co następuje:
12 V+ 5 V=17 V
Na pierwszy rzut oka wystarczające jest napięcie 17 V, należy jednak wziąć pod uwagę dodatkowe obciążenie zasilacza, jakie tworzą przewody posiadające opór elektryczny.
W przypadkach, gdy czujnik znajduje się daleko od przyrządów pomiarowych, przy obliczaniu pętli prądowej należy uwzględnić współczynnik rezystancji przewodów. Druty miedziane mają rezystancję prądu stałego, która jest wprost proporcjonalna do ich długości. W przypadku przykładowego czujnika ciśnienia przy określaniu napięcia roboczego zasilacza należy uwzględnić długość linii komunikacyjnej wynoszącą 2000 stóp. Rezystancja liniowa jednożyłowego kabla miedzianego wynosi 2,62 Ω/100 stóp. Uwzględnienie tego oporu daje co następuje:
Opór jednego rdzenia o długości 2000 stóp wyniesie 2000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Spadek napięcia na jednym rdzeniu wyniesie 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
Aby zakończyć obwód, potrzebne są dwa przewody, następnie długość linii komunikacyjnej podwaja się i
Całkowity spadek napięcia wyniesie 2,096 V. Daje to około 2,1 V ze względu na odległość od konwertera do urządzenia wtórnego wynoszącą 2000 stóp. Sumując spadki napięcia na wszystkich elementach obwodu, otrzymujemy:
2,096 V + 12 V + 5 V = 19,096 V
Jeżeli do zasilania danego obwodu użyto napięcia 17 V, wówczas napięcie dostarczane do przetwornika ciśnienia będzie niższe od minimalnego napięcia roboczego ze względu na spadek rezystancji przewodów i rezystora bocznikowego. Wybór typowego źródła zasilania 24 V pozwoli zaspokoić wymagania energetyczne falownika. Dodatkowo istnieje rezerwa napięcia w celu umieszczenia czujnika ciśnienia w większej odległości.
Po wybraniu prawidłowego przetwornika, urządzenia do gromadzenia danych, długości kabla i zasilacza projekt prostej pętli prądowej jest gotowy. W przypadku bardziej złożonych zastosowań istnieje możliwość włączenia do systemu dodatkowych kanałów pomiarowych.
Tutaj osobno przedstawiłem tak ważne pytanie praktyczne, jak podłączenie czujników indukcyjnych z wyjściem tranzystorowym, które są nowoczesne sprzęt przemysłowy– wszędzie. Ponadto podano prawdziwe instrukcje dotyczące czujników i linki do przykładów.
Zasada aktywacji (działania) czujników może być dowolna - indukcyjna (zbliżeniowa), optyczna (fotoelektryczna) itp.
Pierwsza część opisana możliwe opcje wyjścia czujnika. Nie powinno być problemów z podłączeniem czujników ze stykami (wyjściem przekaźnikowym). Ale w przypadku tranzystorów i podłączenia do sterownika nie wszystko jest takie proste.
Schematy połączeń czujników PNP i NPN
Różnica między czujnikami PNP i NPN polega na tym, że przełączają różne bieguny źródła zasilania. PNP (od słowa „Positive”) przełącza dodatnie wyjście zasilacza, NPN – ujemne.
Poniżej dla przykładu schematy podłączenia czujników z wyjściem tranzystorowym. Obciążenie – z reguły jest to wejście sterownika.
Transduktor. Obciążenie (Obciążenie) jest stale podłączone do „minus” (0 V), zasilanie dyskretnej „1” (+ V) jest przełączane przez tranzystor. Czujnik NO lub NC – w zależności od obwodu sterującego (obwód główny)
Transduktor. Obciążenie (Obciążenie) jest stale podłączone do „plusa” (+V). Tutaj poziom aktywny (dyskretna „1”) na wyjściu czujnika jest niski (0 V), podczas gdy obciążenie jest zasilane przez otwarty tranzystor.
Namawiam wszystkich, aby nie byli zdezorientowani; działanie tych programów zostanie szczegółowo opisane poniżej.
Poniższe diagramy pokazują w zasadzie to samo. Nacisk położony jest na różnice w obwodach wyjściowych PNP i NPN.
Schematy połączeń wyjść czujników NPN i PNP
Na lewym zdjęciu widać czujnik z tranzystorem wyjściowym NPN. Wspólny przewód jest przełączany, co oznacza w tym przypadku– przewód ujemny zasilacza.
Po prawej sprawa z tranzystorem PNP na wyjściu. Ten przypadek jest najczęstszy, ponieważ we współczesnej elektronice zwyczajowo łączy się przewód ujemny zasilacza i aktywuje wejścia kontrolerów i innych urządzeń rejestrujących o potencjale dodatnim.
Jak sprawdzić czujnik indukcyjny?
Aby to zrobić, należy zasilić go, czyli podłączyć do obwodu. Następnie – aktywuj (inicjuj) to. Po włączeniu wskaźnik zaświeci się. Ale wskazanie nie gwarantuje prawidłowe działanie czujnik indukcyjny. Trzeba podłączyć obciążenie i zmierzyć napięcie na nim żeby mieć 100% pewności.
Wymiana czujników
Jak już pisałem, zasadniczo istnieją 4 typy czujników z wyjściem tranzystorowym, które dzielimy ze względu na budowę wewnętrzną i obwód przełączający:
- PNP NR
- PNP NC
- NPN nr
- NPN NC
Wszystkie tego typu czujniki można ze sobą zastąpić, tj. są wymienne.
Jest to realizowane w następujący sposób:
- Zmiana urządzenia inicjującego - konstrukcja została zmieniona mechanicznie.
- Zmiana istniejącego obwodu podłączenia czujnika.
- Przełączenie rodzaju wyjścia czujnika (o ile takie przełączniki znajdują się na korpusie czujnika).
- Przeprogramowanie programu – zmiana poziomu aktywnego danego wejścia, zmiana algorytmu programu.
Poniżej znajduje się przykład wymiany czujnika PNP na NPN poprzez zmianę schematu podłączenia:
Schematy zamienności PNP-NPN. Po lewej stronie schemat oryginalny, po prawej zmodyfikowany.
Zrozumienie działania tych obwodów pomoże Ci zrozumieć fakt, że tranzystor jest kluczowym elementem, który mogą być reprezentowane przez zwykłe styki przekaźnika (przykłady znajdują się poniżej w zapisie).
Oto diagram po lewej stronie. Załóżmy, że typ czujnika to NIE. Wówczas (niezależnie od rodzaju tranzystora na wyjściu), gdy czujnik nie jest aktywny, jego „styki” wyjściowe są rozwarte i nie przepływa przez nie prąd. Gdy czujnik jest aktywny, styki są zwarte, ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami. Dokładniej, z prądem przepływającym przez te styki)). Przepływający prąd powoduje spadek napięcia na obciążeniu.
Obciążenie wewnętrzne nie bez powodu jest pokazane linią przerywaną. Rezystor ten istnieje, ale jego obecność nie gwarantuje stabilnej pracy czujnika; czujnik musi być podłączony do wejścia sterownika lub innego obciążenia. Rezystancja tego wejścia jest głównym obciążeniem.
Jeśli obciążenie wewnętrzne nie ma czujnika, a kolektor „wisi w powietrzu”, wówczas nazywa się to „obwodem otwartego kolektora”. Obwód ten działa TYLKO przy podłączonym obciążeniu.
Zatem w obwodzie z wyjściem PNP, po włączeniu, napięcie (+V) jest dostarczane na wejście sterownika przez otwarty tranzystor i jest ono aktywowane. Jak możemy osiągnąć to samo z wyjściem NPN?
Zdarzają się sytuacje, gdy wymaganego czujnika nie ma pod ręką, a maszyna musi działać „od razu”.
Przyglądamy się zmianom na diagramie po prawej stronie. Przede wszystkim zapewniony jest tryb pracy tranzystora wyjściowego czujnika. Aby to zrobić, do obwodu dodaje się dodatkowy rezystor, jego rezystancja wynosi zwykle około 5,1 - 10 kOhm. Teraz, gdy czujnik nie jest aktywny, na wejście sterownika podawane jest napięcie (+V) przez dodatkowy rezystor i następuje załączenie wejścia sterownika. Gdy czujnik jest aktywny, na wejściu sterownika znajduje się dyskretne „0”, ponieważ wejście sterownika jest bocznikowane przez otwarty tranzystor NPN i prawie cały dodatkowy prąd rezystora przepływa przez ten tranzystor.
W takim przypadku następuje zmiana fazy działania czujnika. Ale czujnik działa w trybie, a kontroler otrzymuje informacje. W większości przypadków to wystarczy. Na przykład w trybie zliczania impulsów - obrotomierz lub liczba detali.
Tak, nie dokładnie to, czego chcieliśmy, a schematy wymienności czujników npn i pnp nie zawsze są akceptowalne.
Jak osiągnąć pełną funkcjonalność? Metoda 1 – mechanicznie przesuń lub przerób metalową płytkę (aktywator). Lub szczelina świetlna, jeśli mówimy o czujniku optycznym. Metoda 2 – przeprogramuj wejście sterownika tak, aby dyskretne „0” było stanem aktywnym sterownika, a „1” stanem pasywnym. Jeśli masz pod ręką laptopa, druga metoda jest zarówno szybsza, jak i łatwiejsza.
Symbol czujnika zbliżeniowego
NA schematy obwodów Czujniki indukcyjne (czujniki zbliżeniowe) mają różne oznaczenia. Ale najważniejsze jest to, że jest kwadrat obrócony o 45° i dwie pionowe linie. Jak na schematach pokazanych poniżej.
BRAK czujników NC. Schematy schematyczne.
Na górnym schemacie znajduje się styk normalnie otwarty (NO) (konwencjonalnie nazywany tranzystorem PNP). Drugi obwód jest normalnie zamknięty, a trzeci obwód to oba styki w jednej obudowie.
Kodowanie kolorami przewodów czujnika
Istnieje standardowy system etykietowania czujników. Obecnie przestrzegają go wszyscy producenci.
Jednak przed montażem warto sprawdzić poprawność podłączenia, korzystając z instrukcji podłączenia (instrukcji). Ponadto z reguły kolory przewodów są wskazane na samym czujniku, jeśli pozwala na to jego rozmiar.
To jest oznaczenie.
- Niebieski – minus mocy
- Brązowy – Plus
- Czarny – wyjście
- Biały – drugie wyjście, czyli wejście sterujące, musisz zajrzeć do instrukcji.
System oznaczeń czujników indukcyjnych
Typ czujnika jest oznaczony kodem cyfrowo-alfabetycznym, który koduje główne parametry czujnika. Poniżej znajduje się system etykietowania popularnych czujników Autonics.
Pobierz instrukcje i podręczniki do niektórych typów czujników indukcyjnych: Spotykam się w swojej pracy.
Dziękuję wszystkim za uwagę, czekam z niecierpliwością na pytania dotyczące podłączenia czujników w komentarzach!
Dyskretne czujniki
Algorytm ten pozwala uniknąć uderzenia podczas zamykania formy, w przeciwnym razie można ją po prostu rozbić na małe kawałki. Ta sama zmiana prędkości następuje podczas otwierania formy. Tutaj dwa czujniki kontaktowe już nie wystarczą.
Zastosowanie czujników analogowych
Rysunek 2. Most Wheatstone'a
Podłączenie czujników analogowych
Wyjścia czujników analogowych
Ale z reguły pojedynczy czujnik nie wystarczy. Do najpopularniejszych pomiarów należą pomiary temperatury i ciśnienia. Liczba takich punktów na nowoczesna produkcja może osiągnąć kilkadziesiąt tysięcy. W związku z tym liczba czujników jest również duża. Dlatego do jednego sterownika podłącza się najczęściej kilka czujników analogowych jednocześnie. Oczywiście nie kilka tysięcy na raz, dobrze, jeśli kilkanaście jest różnych. Takie połączenie pokazano na rysunku 7.
Rysunek 7. Podłączenie wielu czujników analogowych do sterownika
Ten rysunek pokazuje, jak sygnał prądowy wytwarza napięcie odpowiednie do konwersji kod cyfrowy. Jeśli takich sygnałów jest kilka, to nie wszystkie są przetwarzane na raz, ale rozdzielane w czasie i multipleksowane, w przeciwnym razie na każdy kanał trzeba by było zainstalować osobny przetwornik ADC.
W tym celu sterownik posiada obwód przełączający obwody. Schemat funkcjonalny przełącznika pokazano na rysunku 8.
Rysunek 8. Przełącznik kanału czujnika analogowego (klikalny obrazek)
Sygnały pętli prądowej, zamienione na napięcie na rezystorze pomiarowym (UR1...URn), podawane są na wejście przełącznika analogowego. Sygnały sterujące naprzemiennie podają na wyjście jeden z sygnałów UR1...URn, które są wzmacniane przez wzmacniacz i naprzemiennie docierają na wejście przetwornika ADC. Do sterownika podawane jest napięcie przetworzone na kod cyfrowy.
Schemat jest oczywiście bardzo uproszczony, ale całkiem możliwe jest uwzględnienie w nim zasady multipleksowania. W przybliżeniu tak zbudowany jest moduł wprowadzania sygnałów analogowych sterowników MSTS (układ mikroprocesorowy). środki techniczne) wyprodukowany przez Smoleńsk PC „Prolog”.
Produkcję takich sterowników już dawno zaprzestano, choć w niektórych miejscach, daleko od najlepszych, te sterowniki nadal służą. Te eksponaty muzealne są zastępowane kontrolerami nowych modeli, w większości importowanych (chińskich).
W przypadku montażu sterownika w szafce metalowej zaleca się podłączenie oplotów ekranujących do punktu uziemienia szafy. Długość linii łączących może sięgać ponad dwóch kilometrów, co oblicza się za pomocą odpowiednich wzorów. Nie będziemy tu nic liczyć, ale uwierz mi, to prawda.
Nowe czujniki, nowe sterowniki
Wraz z pojawieniem się nowych sterowników pojawiły się także nowe czujniki analogowe, które działają w oparciu o protokół HART (ang. Highway Addressable Remote Transducer), co w tłumaczeniu oznacza „Przetwornik pomiarowy adresowany zdalnie autostradą”.
Sygnałem wyjściowym czujnika (urządzenia polowego) jest analogowy sygnał prądowy w zakresie 4...20 mA, na który nałożony jest cyfrowy sygnał komunikacyjny modulowany częstotliwościowo (FSK - Frequency Shift Keying).
Wiadomo, że średnia wartość sygnału sinusoidalnego wynosi zero, dlatego transmisja informacji cyfrowej nie ma wpływu na prąd wyjściowy czujnika 4...20 mA. Tryb ten wykorzystywany jest podczas konfiguracji czujników.
Komunikacja HART odbywa się na dwa sposoby. W pierwszym przypadku standardowym tylko dwa urządzenia mogą wymieniać informacje po linii dwuprzewodowej, natomiast wyjściowy sygnał analogowy 4...20 mA jest zależny od wartości mierzonej. Tryb ten wykorzystywany jest podczas konfiguracji urządzeń obiektowych (czujników).
W drugim przypadku do linii dwuprzewodowej można podłączyć maksymalnie 15 czujników, których ilość zależy od parametrów linii komunikacyjnej i mocy zasilacza. To jest tryb wielopunktowy. W tym trybie każdy czujnik ma swój adres z zakresu 1...15, za pomocą którego urządzenie sterujące uzyskuje do niego dostęp.
Czujnik o adresie 0 jest odłączony od linii komunikacyjnej. Wymiana danych pomiędzy czujnikiem a urządzeniem sterującym w trybie wielopunktowym odbywa się wyłącznie za pomocą sygnału częstotliwościowego. Sygnał prądowy czujnika jest ustawiony na stałe wymagany poziom i nie zmienia się.
W przypadku komunikacji wielopunktowej danymi są nie tylko rzeczywiste wyniki pomiarów monitorowanego parametru, ale także cały zestaw wszelkiego rodzaju informacji serwisowych.
Przede wszystkim są to adresy czujników, polecenia sterujące i parametry konfiguracyjne. Wszystkie te informacje przesyłane są dwuprzewodowymi liniami komunikacyjnymi. Czy można się ich też pozbyć? To prawda, że należy to zrobić ostrożnie, tylko w przypadkach, gdy połączenie bezprzewodowe nie może mieć wpływu na bezpieczeństwo kontrolowanego procesu.
Technologie te zastąpiły starą analogową pętlę prądową. Ale też nie rezygnuje ze swojej pozycji; jest szeroko stosowany wszędzie tam, gdzie to możliwe.
W procesie automatyzacji procesów technologicznych służących do sterowania mechanizmami i zespołami trzeba mieć do czynienia z pomiarami różnych wielkości fizycznych. Może to być temperatura, ciśnienie i przepływ cieczy lub gazu, prędkość obrotowa, natężenie światła, informacja o położeniu części mechanizmów i wiele innych. Informacje te są uzyskiwane za pomocą czujników. Tutaj najpierw o położeniu części mechanizmów.
Dyskretne czujniki
Najprostszym czujnikiem jest zwykły styk mechaniczny: drzwi są otwarte - styk otwiera się, zamykane - zamyka. Tak prosty czujnik, jak i podany algorytm działania, są często stosowane w alarmy bezpieczeństwa. W przypadku mechanizmu z ruchem postępowym, który ma dwa położenia, na przykład zawór wody, potrzebne będą dwa styki: jeden styk jest zamknięty - zawór jest zamknięty, drugi jest zamknięty - jest zamknięty.
Bardziej złożony algorytm ruchu translacyjnego posiada mechanizm zamykania termoplastycznej formy automatu. Początkowo forma jest otwarta pozycja wyjściowa. W tej pozycji są one wyjmowane z formy gotowe towary. Następnie pracownik zamyka osłonę zabezpieczającą, forma zaczyna się zamykać i rozpoczyna się nowy cykl pracy.
Odległość pomiędzy połówkami formy jest dość duża. Dlatego początkowo forma porusza się szybko, a w pewnej odległości przed zamknięciem połówek zostaje uruchomiony wyłącznik krańcowy, prędkość ruchu znacznie maleje i forma zamyka się płynnie.
Zatem czujniki stykowe są dyskretne lub binarne, mają dwie pozycje, zwartą - otwartą lub 1 i 0. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że zdarzenie miało miejsce lub nie. W powyższym przykładzie styki „złapają” kilka punktów: początek ruchu, punkt zmniejszania prędkości, koniec ruchu.
W geometrii punkt nie ma wymiarów, jest po prostu punkt i tyle. Może być (na kartce papieru, na trajektorii ruchu, jak w naszym przypadku) lub po prostu nie istnieje. Dlatego do wykrywania punktów stosuje się czujniki dyskretne. Być może porównanie z punktem nie jest tu zbyt trafne, gdyż do celów praktycznych wykorzystuje się dokładność odpowiedzi czujnika dyskretnego, a dokładność ta jest znacznie większa od punktu geometrycznego.
Ale sam kontakt mechaniczny jest zawodny. Dlatego tam, gdzie to możliwe, styki mechaniczne zastępowane są czujnikami bezstykowymi. Najprostszą opcją są kontaktrony: magnes zbliża się, styk zamyka się. Dokładność kontaktronu pozostawia wiele do życzenia, takie czujniki należy stosować jedynie do określenia położenia drzwi.
Różne czujniki bezdotykowe należy uznać za bardziej złożoną i dokładną opcję. Jeśli metalowa flaga weszła w szczelinę, czujnik został uruchomiony. Przykładem takich czujników są czujniki BVK (Zbliżeniowy wyłącznik krańcowy) różnych serii. Dokładność odpowiedzi (różnica drogi) takich czujników wynosi 3 milimetry.
Czujnik serii BVK
Rysunek 1. Czujnik serii BVK
Napięcie zasilania czujników BVK wynosi 24 V, prąd obciążenia wynosi 200 mA, co wystarczy do podłączenia przekaźników pośrednich w celu dalszej koordynacji z obwodem sterującym. W ten sposób czujniki BVK są wykorzystywane w różnych urządzeniach.
Oprócz czujników BVK stosowane są również czujniki typu BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Każda seria ma kilka typów czujników oznaczonych numerami, na przykład BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Wszystkie wymienione czujniki są bezdotykowe, dyskretne, ich głównym zadaniem jest określenie położenia części mechanizmów i zespołów. Tych czujników jest oczywiście dużo więcej, nie sposób o nich wszystkich napisać w jednym artykule. Różne czujniki kontaktowe są jeszcze bardziej powszechne i nadal szeroko stosowane.
Zastosowanie czujników analogowych
Oprócz czujników dyskretnych, w systemach automatyki szeroko stosowane są czujniki analogowe. Ich celem jest uzyskanie informacji o różnych wielkościach fizycznych, i to nie tylko ogólnie, ale w czasie rzeczywistym. Dokładniej mówiąc, konwersja wielkości fizycznej (ciśnienie, temperatura, oświetlenie, przepływ, napięcie, prąd) na sygnał elektryczny nadający się do przesłania liniami komunikacyjnymi do sterownika i jego dalszego przetwarzania.
Czujniki analogowe zazwyczaj umiejscowione są dość daleko od sterownika, dlatego często nazywane są urządzeniami polowymi. Termin ten jest często używany w literaturze technicznej.
Czujnik analogowy zwykle składa się z kilku części. Najważniejszą częścią jest czuły element – czujnik. Jego zadaniem jest przekształcenie zmierzonej wartości na sygnał elektryczny. Ale sygnał odbierany z czujnika jest zwykle niewielki. Aby uzyskać sygnał nadający się do wzmocnienia, czujnik najczęściej włącza się w obwód mostkowy - mostek Wheatstone'a.
Most Wheatstone'a
Rysunek 2. Most Wheatstone'a
Pierwotnym celem obwodu mostkowego jest dokładny pomiar rezystancji. Źródło prądu stałego jest podłączone do przekątnej mostka AD. Do drugiej przekątnej podłączony jest czuły galwanometr z punktem środkowym i zerem pośrodku skali. Aby zmierzyć rezystancję rezystora Rx, obracając rezystor dostrajający R2, należy osiągnąć równowagę mostka i ustawić wskazówkę galwanometru na zero.
Odchylenie strzałki przyrządu w tym czy innym kierunku pozwala określić kierunek obrotu rezystora R2. Wartość mierzonej rezystancji określa skala połączona z uchwytem rezystora R2. Warunkiem równowagi mostka jest równość stosunków R1/R2 i Rx/R3. W tym przypadku między punktami BC uzyskuje się zerową różnicę potencjałów, a przez galwanometr V nie przepływa żaden prąd.
Rezystancja rezystorów R1 i R3 jest dobierana bardzo precyzyjnie, ich rozwarcie powinno być minimalne. Tylko w tym przypadku nawet niewielka niewyważenie mostka powoduje dość zauważalną zmianę napięcia przekątnej BC. To właśnie ta właściwość mostka służy do łączenia wrażliwych elementów (czujników) różnych czujników analogowych. Cóż, więc wszystko jest proste, kwestia techniki.
Aby wykorzystać sygnał otrzymany z czujnika, wymaga on dalszej obróbki – wzmocnienia i konwersji na sygnał wyjściowy nadający się do transmisji i przetworzenia przez obwód sterujący – sterownik. Najczęściej sygnałem wyjściowym czujników analogowych jest prąd (analogowa pętla prądowa), rzadziej napięcie.
Dlaczego aktualny? Faktem jest, że stopnie wyjściowe czujników analogowych budowane są w oparciu o źródła prądowe. Pozwala to pozbyć się wpływu rezystancji przewodów łączących na sygnał wyjściowy i zastosować długie przewody łączące.
Dalsza konwersja jest dość prosta. Sygnał prądowy przetwarzany jest na napięcie, dla którego wystarczy przepuścić prąd przez rezystor o znanej rezystancji. Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym oblicza się zgodnie z prawem Ohma U=I*R.
Na przykład dla prądu 10 mA na rezystorze o rezystancji 100 omów napięcie wyniesie 10 * 100 = 1000 mV, czyli aż 1 wolt! W tym przypadku prąd wyjściowy czujnika nie zależy od rezystancji przewodów łączących. Oczywiście w rozsądnych granicach.
Podłączenie czujników analogowych
Napięcie uzyskane na rezystorze pomiarowym można łatwo przekształcić na postać cyfrową odpowiednią do wprowadzenia do sterownika. Konwersja odbywa się za pomocą przetworników analogowo-cyfrowych (ADC).
Dane cyfrowe przesyłane są do sterownika za pomocą kodu szeregowego lub równoległego. Wszystko zależy od konkretnego obwodu przełączającego. Uproszczony schemat podłączenia czujnika analogowego pokazano na rysunku 3.
Podłączenie czujnika analogowego
Rysunek 3. Podłączenie czujnika analogowego (kliknij na obrazek aby powiększyć)
Do sterownika podłącza się siłowniki lub sam sterownik podłącza się do komputera wchodzącego w skład systemu automatyki.
Naturalnie czujniki analogowe mają kompletną konstrukcję, której jednym z elementów jest obudowa z elementami przyłączeniowymi. Jako przykład pokazuje rysunek 4 wygląd transduktor nadciśnienie typu Zond-10.
Czujnik nadciśnienia Zond-10
Rysunek 4. Czujnik nadciśnienia Zond-10
W dolnej części czujnika widoczny jest gwint przyłączeniowy do podłączenia do rurociągu, natomiast po prawej stronie pod czarną osłoną znajduje się złącze umożliwiające podłączenie linii komunikacyjnej ze sterownikiem.
Opieczętowanie połączenie gwintowe odbywa się za pomocą podkładki wykonanej z wyżarzonej miedzi (dołączonej do zestawu czujnika), a nie poprzez nawinięcie z taśmy fum lub lnu. Odbywa się to tak, aby podczas montażu czujnika znajdujący się wewnątrz element czujnikowy nie uległ odkształceniu.
Wyjścia czujników analogowych
Według norm istnieją trzy zakresy sygnałów prądowych: 0...5mA, 0...20mA i 4...20mA. Jaka jest ich różnica i jakie są ich cechy?
Najczęściej zależność prądu wyjściowego jest wprost proporcjonalna do zmierzonej wartości, np. im wyższe ciśnienie w rurze, tym większy prąd na wyjściu czujnika. Chociaż czasami stosuje się włączenie odwrotne: większa wartość prąd wyjściowy odpowiada minimalnej wartości mierzonej na wyjściu czujnika. Wszystko zależy od rodzaju użytego sterownika. Niektóre czujniki mają nawet przełącznik z sygnału bezpośredniego na sygnał odwrotny.
Sygnał wyjściowy w zakresie 0...5mA jest bardzo mały i przez to podatny na zakłócenia. Jeżeli sygnał takiego czujnika ulega wahaniom, a wartość mierzonego parametru pozostaje niezmieniona, wówczas zaleca się zainstalowanie równolegle do wyjścia czujnika kondensatora o pojemności 0,1...1 μF. Sygnał prądowy w zakresie 0...20mA jest bardziej stabilny.
Ale oba te przedziały są złe, bo zero na początku skali nie pozwala jednoznacznie określić, co się stało. A może mierzony sygnał faktycznie osiągnął poziom zerowy, co w zasadzie jest możliwe, czy też po prostu linia komunikacyjna się zepsuła? Dlatego też, jeśli to możliwe, starają się unikać stosowania tych zakresów.
Za bardziej wiarygodny uważa się sygnał z czujników analogowych o prądzie wyjściowym z zakresu 4...20 mA. Jego odporność na zakłócenia jest dość wysoka, a dolna granica, nawet jeśli mierzony sygnał ma poziom zerowy, wyniesie 4 mA, co pozwala stwierdzić, że linia komunikacyjna nie jest przerwana.
Kolejną dobrą cechą zakresu 4...20mA jest to, że czujniki można podłączyć za pomocą tylko dwóch przewodów, ponieważ jest to prąd zasilający sam czujnik. Jest to jego pobór prądu i jednocześnie sygnał pomiarowy.
Zasilanie czujników z zakresu 4...20mA jest włączone, jak pokazano na rysunku 5. Jednocześnie czujniki Zond-10, podobnie jak wiele innych, zgodnie z kartą katalogową mają szeroki zakres napięcia zasilania wynoszący 10 ...38V, chociaż najczęściej stosuje się źródła stabilizowane o napięciu 24V.
Podłączenie czujnika analogowego z zewnętrznym zasilaniem
Rysunek 5. Podłączenie czujnika analogowego do zewnętrznego źródła zasilania
Ten schemat zawiera następujące elementy i notacje. Rsh to bocznik pomiarowy, Rl1 i Rl2 to rezystancja linii komunikacyjnych. Aby zwiększyć dokładność pomiaru należy zastosować precyzyjny rezystor pomiarowy jako Rsh. Przepływ prądu ze źródła prądu pokazano strzałkami.
Łatwo zauważyć, że prąd wyjściowy zasilacza przechodzi z zacisku +24V, przez linię Rl1 dociera do zacisku czujnika +AO2, przechodzi przez czujnik i przez styk wyjściowy czujnika - AO2, linię łączącą Rl2, rezystor Rsh wraca do zacisku zasilania -24V. To wszystko, obwód jest zamknięty, prąd płynie.
Jeżeli w sterowniku zastosowano zasilanie 24V, wówczas możliwe jest podłączenie czujnika lub przetwornika pomiarowego zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 6.
Podłączenie czujnika analogowego do sterownika z wewnętrznym zasilaniem
Rysunek 6. Podłączenie czujnika analogowego do sterownika z wewnętrznym zasilaniem
Ten schemat pokazuje jeszcze jeden element - rezystor balastowy Rb. Jego zadaniem jest ochrona rezystora pomiarowego w przypadku zwarcia linii komunikacyjnej lub nieprawidłowego działania czujnika analogowego. Instalacja rezystora Rb jest opcjonalna, choć pożądana.
Oprócz różnych czujników, przetworniki pomiarowe posiadają także wyjście prądowe, które dość często stosowane jest w układach automatyki.
Przetwornik pomiarowy to urządzenie służące do przetwarzania poziomów napięcia np. 220V lub prądu o wartości kilkudziesięciu lub kilkuset amperów na sygnał prądowy o natężeniu 4...20mA. W tym przypadku poziom sygnału elektrycznego jest po prostu konwertowany, a nie reprezentacja jakiejś wielkości fizycznej (prędkość, przepływ, ciśnienie) w postaci elektrycznej.
Ale z reguły pojedynczy czujnik nie wystarczy. Do najpopularniejszych pomiarów należą pomiary temperatury i ciśnienia. Liczba takich punktów we współczesnej produkcji może sięgać kilkudziesięciu
Przeczytaj także
- Rodzaje kinkietów i cechy ich zastosowania
- O różnicy potencjałów, sile elektromotorycznej i napięciu
- Co może określić licznik, poza zużyciem energii elektrycznej
- O kryteriach oceny jakości wyrobów elektrycznych
- Co jest lepsze dla domu prywatnego - wejście jednofazowe czy trójfazowe?
- Jak wybrać stabilizator napięcia dla wiejskiego domu
- Efekt Peltiera: magiczne działanie prądu elektrycznego
- Praktyka okablowania i podłączania kabla telewizyjnego w mieszkaniu - cechy procesu
- Problemy z okablowaniem elektrycznym: co robić i jak je naprawić?
- Świetlówki T5: perspektywy i problemy stosowania
- Wysuwane bloki gniazd: praktyka użytkowania i łączenia
- Wzmacniacze elektroniczne. Część 2. Wzmacniacze audio
- Prawidłowe działanie sprzętu elektrycznego i okablowania w wiejskim domu
- Kluczowe uwagi dotyczące korzystania z bezpiecznego napięcia w domu
- Niezbędne narzędzia i urządzenia dla początkujących do nauki elektroniki
- Kondensatory: przeznaczenie, urządzenie, zasada działania
- Co to jest przejściowy opór stykowy i jak sobie z nim radzić
- Przekaźniki napięciowe: czym są, jak wybrać i podłączyć?
- Co jest lepsze dla domu prywatnego - wejście jednofazowe czy trójfazowe?
- Kondensatory w obwodach elektronicznych. Część 2. Komunikacja międzystopniowa, filtry, generatory
- Jak zapewnić komfort, gdy sieć energetyczna jest niewystarczająca
- Jak kupując maszynę w sklepie, możesz mieć pewność, że jest ona w dobrym stanie?
- Jak wybrać przekrój przewodu dla sieci oświetleniowych 12 V
- Sposób podłączenia podgrzewacza wody i pompy w przypadku niewystarczającego zasilania sieciowego
- Cewki indukcyjne i pola magnetyczne. Część 2. Indukcja i indukcyjność elektromagnetyczna
- Wzmacniacze operacyjne. Część 2: Idealny wzmacniacz operacyjny
- Czym są mikrokontrolery (przeznaczenie, urządzenie, oprogramowanie)
- Przedłużenie żywotności świetlówki kompaktowej (gospodyni)
- Obwody przełączające wzmacniacze operacyjne bez sprzężenia zwrotnego
- Wymiana rozdzielnicy elektrycznej w mieszkaniu
- Dlaczego nie można łączyć miedzi i aluminium w okablowaniu elektrycznym?
Najczęściej stosowane czujniki w dziedzinie automatyki przemysłowej, mogą mieć czujniki o ujednoliconym wyjściu prądowym 4-20, 0-50 lub 0-20 mA różne schematy połączenia z urządzeniami dodatkowymi. Nowoczesne czujniki, charakteryzujące się niskim poborem prądu i wyjściem prądowym 4-20 mA, są najczęściej łączone za pomocą obwodu dwuprzewodowego. Oznacza to, że do takiego czujnika podłączony jest tylko jeden kabel z dwiema żyłami, przez który ten czujnik jest zasilany, a transmisja odbywa się tymi samymi dwoma przewodami.
Z reguły czujniki z wyjściem 4-20 mA i dwuprzewodowym obwodem przyłączeniowym mają wyjście pasywne i wymagają źródło zewnętrzne odżywianie. To źródło zasilania można wbudować bezpośrednio w urządzenie wtórne (w jego wejście) i po podłączeniu czujnika do takiego urządzenia, w obwodzie sygnałowym natychmiast pojawia się prąd. Urządzenia posiadające zasilanie czujnika wbudowane w wejście nazywane są urządzeniami z wejściem aktywnym.
Większość nowoczesnych przyrządów wtórnych i sterowników ma wbudowane zasilacze do obsługi czujników z wyjściami pasywnymi.
Jeżeli urządzenie wtórne ma wejście pasywne - w zasadzie tylko rezystor, z którego obwód pomiarowy urządzenia „odczytuje” spadek napięcia proporcjonalny do prądu płynącego w obwodzie, to do działania czujnika potrzebny jest dodatkowy. W tym przypadku zewnętrzne źródło zasilania jest połączone szeregowo z czujnikiem i urządzeniem wtórnym w pętli prądowej.
Urządzenia wtórne są zazwyczaj projektowane i produkowane tak, aby mogły współpracować zarówno z dwuprzewodowymi czujnikami 4–20 mA, jak i czujnikami 0–5, 0–20 lub 4–20 mA podłączonymi w obwodzie trójprzewodowym. Aby podłączyć czujnik dwuprzewodowy do wejścia urządzenia wtórnego z trzema zaciskami wejściowymi (+U, wejściowy i wspólny), stosuje się zaciski „+U” i „wejście”, zacisk „wspólny” pozostaje wolny.
Ponieważ czujniki, jak wspomniano powyżej, mogą mieć wyjście nie tylko 4-20 mA, ale na przykład 0-5 lub 0-20 mA lub nie można ich podłączyć za pomocą obwodu dwuprzewodowego ze względu na duży pobór mocy ( więcej niż 3 mA), wówczas stosuje się trójprzewodowy schemat połączeń. W tym przypadku obwód zasilania czujnika i obwód sygnału wyjściowego są oddzielone. Czujniki z połączeniem trójprzewodowym mają zwykle aktywne wyjście. Oznacza to, że jeśli do czujnika z aktywnym wyjściem przyłożymy napięcie zasilania i podłączymy rezystor obciążający między jego zaciski wyjściowe „wyjście” i „wspólny”, wówczas w obwodzie wyjściowym popłynie prąd proporcjonalny do wartości mierzonego parametru .
Urządzenia wtórne mają zwykle wbudowany zasilacz o dość małej mocy do zasilania czujników. Maksymalny prąd wyjściowy wbudowanych zasilaczy mieści się zwykle w przedziale 22-50 mA, co nie zawsze jest wystarczające do zasilania czujników o dużym poborze prądu: przepływomierzy elektromagnetycznych, analizatorów gazów na podczerwień itp. W takim przypadku do zasilania czujnika trójprzewodowego należy zastosować zewnętrzny zasilacz o większej mocy, który zapewni niezbędną moc. Zasilacz wbudowany w urządzenie dodatkowe nie jest używany.
Podobny obwód do podłączenia czujników trójprzewodowych stosuje się zwykle w przypadku, gdy napięcie zasilania wbudowanego w urządzenie nie odpowiada napięciu zasilania, jakie można dostarczyć do tego czujnika. Przykładowo wbudowany zasilacz ma napięcie wyjściowe 24V, a czujnik może być zasilany napięciem od 10 do 16V.
Niektóre urządzenia dodatkowe mogą mieć wiele kanałów wejściowych i zasilacz o wystarczającej mocy do zasilania czujników zewnętrznych. Należy pamiętać, że całkowity pobór mocy wszystkich czujników podłączonych do takiego wielokanałowego urządzenia musi być mniejszy niż moc wbudowanego zasilacza przeznaczonego do ich zasilania. Ponadto, badając parametry techniczne urządzenia, należy wyraźnie rozróżnić przeznaczenie wbudowanych w nie jednostek mocy (źródeł). Jedno wbudowane źródło służy do zasilania samego urządzenia dodatkowego – do obsługi wyświetlacza i wskaźników, przekaźników wyjściowych, obwód elektroniczny urządzenie itp. To źródło zasilania może mieć całkiem dużą moc. Drugie źródło wbudowane służy do zasilania wyłącznie obwodów wejściowych – tych podłączonych do wejść czujników.
Przed podłączeniem czujnika do urządzenia dodatkowego należy dokładnie zapoznać się z instrukcją obsługi ten sprzęt, określ rodzaj wejść i wyjść (aktywne/pasywne), sprawdź zgodność mocy pobieranej przez czujnik z mocą źródła zasilania (wbudowanego lub zewnętrznego) i dopiero wtedy wykonaj połączenie. Rzeczywiste oznaczenia zacisków wejściowych i wyjściowych czujników i urządzeń mogą różnić się od przedstawionych powyżej. Zatem zaciski „In (+)” i „In (-)” można oznaczyć jako +J i -J, +4-20 i -4-20, +In i -In itp. Zacisk „+U zasilania” można oznaczyć jako +V, zasilanie, +24V itp., zacisk „wyjście” - Out, Sign, Jout, 4-20 mA itp., zacisk „wspólny” – GND, -24V, 0V itd., ale to nie zmienia znaczenia.
Czujniki z wyjściem prądowym w czteroprzewodowym schemacie połączeń mają podobny schemat połączeń jak czujniki dwuprzewodowe, z tą tylko różnicą, że czujniki czteroprzewodowe zasilane są oddzielną parą przewodów. Ponadto czujniki czteroprzewodowe mogą mieć jedno i drugie, co należy wziąć pod uwagę przy wyborze schematu połączeń.
Załadunek...