Categories: Articles destacats » Electricistes novells
Nombre de visualitzacions: 166.352
Comentaris sobre l'article: 4
Sensors analògics: aplicació, mètodes de connexió amb el controlador
En el procés d’automatització de processos tecnològics per a mecanismes de control i muntatges, s’ha d’afrontar mesures de diverses quantitats físiques. Pot ser temperatura, pressió i cabal d’un líquid o gas, velocitat de rotació, intensitat de la llum, informació sobre la posició de les parts dels mecanismes i molt més. Aquesta informació s’obté mitjançant sensors. Aquí, primer sobre la posició de les parts dels mecanismes.
Sensors discrets
El sensor més senzill és un contacte mecànic normal: la porta es va obrir - el contacte obert, tancat - tancat. Un sensor tan senzill, així com l'algorisme de funcionament anterior, sovint usat en alarmes de seguretat. Per a un mecanisme amb moviment de translació, que té dues posicions, per exemple, una vàlvula d’aigua, calen dos contactes: un contacte està tancat - la vàlvula està tancada, l’altra tancada - tancada.
Un algorisme de traducció més complex té un mecanisme per tancar la màquina de modelat termoplàstic. Inicialment, el motlle està obert, aquesta és la posició inicial. En aquesta posició, els productes acabats s'eliminen del motlle. A continuació, el treballador tanca la tanca protectora i el motlle comença a tancar-se, comença un nou cicle de treball.
La distància entre les meitats del motlle és força gran. Per tant, al principi el motlle es mou ràpidament, i a una certa distància fins que es tanquen les meitats, es dispara el remolc, es redueix significativament la velocitat de moviment i es tanca sense problemes el motlle.
Aquest algorisme permet evitar un cop al tancar el motlle, altrament simplement es pot picar en trossos petits. El mateix canvi de velocitat es produeix quan s’obre el motlle. Aquí, dos sensors de contacte no ho poden fer.
Així, els sensors basats en el contacte són discrets o binaris, tenen dues posicions, tancades –obertes o 1 i 0. En altres paraules, podem dir que l’esdeveniment es va produir o no. A l'exemple anterior, els contactes "capturen" diversos punts: l'inici del moviment, el punt de disminució de la velocitat, el final del moviment.
En geometria, un punt no té dimensions, només un punt i és així. Pot ser (en un full de paper, en la trajectòria del moviment, com en el nostre cas), o simplement no existeix. Per tant, s’utilitzen sensors discrets per detectar punts. Potser la comparació amb un punt aquí no és gaire adequada, perquè per a propòsits pràctics utilitzen el valor de la precisió d’un sensor discret, i aquesta precisió és molt més que un punt geomètric.
Però el contacte mecànic per si sol és una cosa poc fiable. Per tant, sempre que sigui possible, els contactes mecànics són substituïts per sensors de proximitat. L’opció més senzilla és un interruptor de canya: l’imant està a prop, el contacte està tancat. La precisió del funcionament de l’interruptor de canya deixa molt a desitjar, l’ús d’aquests sensors només és per determinar la posició de les portes.
Una opció més complexa i precisa hauria de considerar-se una varietat de sensors de proximitat. Si la bandera metàl·lica entrava a la ranura, el sensor funcionava. Com a exemple d'aquests sensors, es poden citar els sensors BVK (Non-Contact End Enditch) de diverses sèries. La precisió de funcionament (diferencial de carrera) d'aquests sensors és de 3 mil·límetres.
Figura 1. Sensor de la sèrie BVK
La tensió d’alimentació dels sensors BVK és de 24V, el corrent de càrrega és de 200mA, que és suficient per connectar relés intermedis per a una major coordinació amb el circuit de control. Així s’utilitzen els sensors BVK en diversos equips.
A més dels sensors BVK, també s’utilitzen sensors dels tipus BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Cada sèrie té diversos tipus de sensors, indicats amb números, per exemple, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Tots els sensors esmentats no són discrets, i el seu objectiu principal és determinar la posició de les parts dels mecanismes i conjunts. Naturalment, hi ha molt més d’aquests sensors; no es pot escriure sobre tots ells en un sol article. Diversos sensors de contacte són encara més comuns i encara se'n fan un ús estès.
L’ús de sensors analògics
A més dels sensors discrets en sistemes d'automatització, s'utilitzen àmpliament els sensors analògics. El seu propòsit és obtenir informació sobre diverses quantitats físiques, i no només així, sinó en temps real. Més precisament, la conversió d’una quantitat física (pressió, temperatura, il·luminació, cabal, tensió, corrent) en un senyal elèctric adequat per a la seva transmissió mitjançant línies de comunicació al controlador i el seu posterior processament.
Els sensors analògics se solen trobar molt lluny del controlador, raó per la qual se solen anomenar dispositius de camp. Aquest terme s’utilitza sovint a la literatura tècnica.
Un sensor analògic consisteix normalment en diverses parts. La part més important és l'element sensible: sensor. El seu propòsit és convertir el valor mesurat en un senyal elèctric. Però el senyal rebut del sensor sol ser petit. Per obtenir un senyal adequat per a l'amplificació, el sensor s'inclou sovint al circuit del pont - Pont de pedra de blat.
Figura 2. Pont de pedra de blat
L’objectiu inicial del circuit pont és una mesura precisa de la resistència. Una font de CC està connectada a la diagonal del pont AD. Un galvanòmetre sensible amb un punt mitjà, amb un zero a la meitat de l'escala, està connectat a una altra diagonal. Per mesurar la resistència de la resistència Rx girant la resistència de tallament R2, el pont s’ha d’equilibrar, la fletxa del galvanòmetre s’ha de posar a zero.
La desviació de la fletxa del dispositiu en una direcció o una altra permet determinar el sentit de gir de la resistència R2. El valor de la resistència mesurada es determina en una escala combinada amb el mànec de la resistència R2. La condició d'equilibri del pont és la igualtat de les proporcions R1 / R2 i Rx / R3. En aquest cas, entre els punts BC, s’obté una diferència de potencial zero i el corrent no flueix pel galvanòmetre V.
La resistència de les resistències R1 i R3 es selecciona amb molta precisió, la seva extensió ha de ser mínima. Només en aquest cas, fins i tot un petit desequilibri del pont provoca un canvi notori en la tensió de la diagonal BC. És aquesta propietat del pont que s’utilitza per connectar elements sensibles (sensors) de diversos sensors analògics. Bé, llavors tot és senzill, una qüestió de tecnologia.
Per utilitzar el senyal rebut del sensor, es requereix més processament, - amplificació i conversió en un senyal de sortida adequat per a la seva transmissió i processament pel circuit de control - el controlador. Molt sovint, el senyal de sortida dels sensors analògics és de corrent (bucle de corrent analògic), menys sovint de tensió.
Per què exactament el corrent? El fet és que les etapes de sortida dels sensors analògics es basen en fonts actuals. Això permet alliberar-se de la influència sobre el senyal de sortida de la resistència de les línies de connexió per utilitzar línies de connexió de gran longitud.
Una conversió addicional és força senzilla. El senyal de corrent es converteix en tensió, per la qual cosa n'hi ha prou de passar el corrent mitjançant una resistència de resistència coneguda. La caiguda de tensió a través de la resistència de mesurament s'obté segons la llei d'Ohm U = I * R.
Per exemple, per a un corrent de 10 mA en una resistència amb una resistència de 100 ohms, s’obté una tensió de 10 * 100 = 1000mV, just hi ha tot un volt. En aquest cas, el corrent de sortida del sensor no depèn de la resistència dels cables de connexió. Dins uns límits raonables, per descomptat.
Connexió de sensors analògics
El voltatge rebut a la resistència de mesura es pot convertir fàcilment en una forma digital adequada per a l'entrada al controlador. La conversió es realitza mitjançant convertidors analògics-digitals ADC.
Les dades digitals es transmeten al controlador en codi sèrie o paral·lel.Tot depèn del circuit de commutació específic. A la figura 3 es mostra un esquema de connexió simplificat del sensor analògic.
Figura 3. Connexió d’un sensor analògic (feu clic a la imatge per ampliar-lo)
Els actuadors estan connectats al controlador o bé el controlador està connectat a un ordinador que forma part del sistema d'automatització.
Naturalment, els sensors analògics tenen un disseny acabat, un dels elements del qual és una carcassa amb elements de connexió. Com a exemple, la figura 4 mostra l’aparició del sensor de pressió del calibre tipus Probe-10.
Figura 4. Sonda de sobrepressió del sensor
A la part inferior del sensor, podeu veure el fil de connexió per connectar-se a la canonada, i a la dreta sota la coberta negra hi ha un connector per connectar una línia de comunicació amb el controlador.
La connexió roscada està segellada amb una rentadora feta de coure recobert (inclòs en el subministrament del sensor) i de cap manera no s’enrotlla d’una cinta de fum o roba. Això es fa de manera que quan instal·leu el sensor, no deformeu l’element del sensor situat al seu interior.
Sortides analògiques del sensor
Segons les normes, hi ha tres rangs de senyals actuals: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA i 4 ... 20mA. Quina és la seva diferència i quines són les característiques?
Molt sovint, la dependència del corrent de sortida és directament proporcional al valor mesurat, per exemple, com més gran sigui la pressió a la canonada, major serà el corrent a la sortida del sensor. Tot i que de vegades s’utilitza commutació inversa: un valor més gran del corrent de sortida correspon al valor mínim del valor mesurat a la sortida del sensor. Tot depèn del tipus de controlador utilitzat. Alguns sensors fins i tot canvien de directe a invers.
El senyal de sortida del rang 0 ... 5mA és molt reduït, per tant està sotmès a interferències. Si el senyal d'aquest sensor oscil·la en un valor constant del paràmetre mesurat, és a dir, es recomana instal·lar un condensador amb una capacitança de 0,1 ... 1 μF paral·lela a la sortida del sensor. Més estable és el senyal actual en el rang 0 ... 20mA.
Però aquests dos intervals no són bons perquè el zero al principi de l'escala no ens permet determinar de forma inequívoca què va passar. O el senyal mesurat realment va tenir un nivell zero, que és possible en principi, o simplement es va tallar la línia de comunicació? Per tant, intenten abandonar l’ús d’aquests intervals, si és possible.
Es considera més fiable el senyal de sensors analògics amb corrent de sortida entre 4 i 20 mA. La seva immunitat al soroll és força alta, i el límit inferior, encara que el senyal mesurat tingui un nivell zero, serà de 4 mA, cosa que ens permet dir que la línia de comunicació no està trencada.
Una altra bona característica de la gamma de 4 ... 20mA és que els sensors es poden connectar en només dos cables, ja que el mateix sensor funciona amb aquest corrent. Aquest és el seu consum actual i alhora un senyal de mesura.
La font d’alimentació per als sensors de l’interval de 4 ... 20mA està activa, tal com es mostra a la figura 5. Al mateix temps, els sensors Zond-10, com molts altres, tenen un ampli rang de tensió d’alimentació de 10 ... 38V segons el passaport, tot i que s’utilitzen més sovint. fonts estabilitzades amb una tensió de 24V.
Figura 5. Connexió d’un sensor analògic amb una font d’alimentació externa
Els elements i la notació següents estan presents en aquest diagrama. Rш és la resistència del shunt de mesura, Rl1 i Rl2 són les resistències de les línies de comunicació. Per augmentar la precisió de mesurament, s’ha d’utilitzar un resistor de mesura de precisió com a Rш. El pas de corrent des de la font d’energia s’indica amb fletxes.
És fàcil veure que el corrent de sortida de la font d’energia passa des del terminal + 24V, a través de la línia Rl1 arriba al terminal del sensor + AO2, passa pel sensor i a través del terminal de sortida del sensor - AO2, la línia de connexió Rl2, la resistència Rш torna al terminal d’alimentació de -24V. Tot, el circuit està tancat, el corrent flueix.
Si el controlador conté una font d'alimentació de 24 V, llavors és possible connectar el sensor o un traductor de mesura segons l'esquema que es mostra a la figura 6.
Figura 6. Connexió d’un sensor analògic a un controlador amb una font d’alimentació interna
Aquest diagrama mostra un altre element: la resistència de llast Rb. El seu propòsit és protegir la resistència de mesurament quan es tanca la línia de comunicació o el defecte del sensor analògic. La instal·lació d’un resistor RB és opcional, tot i que desitjable.
A més de diversos sensors, els transductors de mesura, que s'utilitzen sovint en sistemes d'automatització, també tenen una sortida actual.
Mesura del traductor - un dispositiu per convertir els nivells de tensió, per exemple, 220V o corrent de diverses desenes o centenars d’amperis en un senyal de corrent de 4 ... 20mA. Aquí, un nivell de senyal elèctric es transforma simplement i no una representació d’una determinada quantitat física (velocitat, cabal, pressió) en forma elèctrica.
Però l’únic sensor, per regla general, no és suficient. Una de les mesures més populars són les mesures de temperatura i pressió. El nombre d'aquests punts en la producció moderna pot arribar a diverses desenes de milers. En conseqüència, el nombre de sensors també és gran. Per tant, diversos sensors analògics solen connectar-se a un controlador alhora. Per descomptat, no milers a la vegada, és bo si una dotzena és diferent. Aquesta connexió es mostra a la figura 7.
Figura 7. Connexió de diversos sensors analògics al controlador
Aquesta figura mostra com a partir d'un senyal actual s'obté una tensió adequada per a la conversió a un codi digital. Si hi ha diversos senyals, no es processen tots alhora, sinó que estan separats per temps, multiplexats; en cas contrari, caldria posar un ADC separat a cada canal.
Per a aquest propòsit, el controlador disposa d'un circuit de canals de commutació. A la figura 8 es mostra el diagrama funcional de l’interruptor.
Figura 8. Commutador de canals del sensor analògic (imatge clicable)
Els senyals del bucle de corrent, convertits en tensió a la resistència de mesura (UR1 ... URn), són alimentats a l'entrada del commutador analògic. Els senyals de control passen alternativament un dels senyals UR1 ... URn, que són amplificats per l'amplificador i s'alimenten alternativament a l'entrada ADC. La tensió convertida en codi digital se subministra al controlador.
L'esquema, per descomptat, és molt simplificat, però el principi de la multiplexació en ell és força possible de considerar. Així es va crear el mòdul per a la introducció de senyals analògics dels controladors MSTS (sistema de microprocessador de maquinari) construït pel PC Prolog Smolensk. L’aparició del controlador MCTC es mostra a la figura 9.
Figura 9. Controlador ICTS
L’alliberament d’aquests controladors ja fa temps que es va suspendre, tot i que en alguns llocs, lluny dels millors, aquests controladors encara serveixen. Aquestes exposicions museístiques estan sent substituïdes per controladors de nous models, principalment de producció importada (xinesa).
Per connectar sensors de corrent de 4 ... 20mA, es recomana utilitzar un cable blindat de dos fils amb una secció central d'almenys 0,5 mm2.
Si el controlador està muntat en un armari metàl·lic, es recomana connectar trenes de blindatge al punt de terra de l’armari. La longitud de les línies de connexió pot arribar a superar els dos quilòmetres, que es calcula mitjançant les fórmules corresponents. No considerarem res aquí, però creieu-me, és així.
Nous sensors, nous controladors
Amb l’arribada de nous controladors, nous sensors analògics HART (Transductor Remota Adreçable de Carretera), que es tradueix com "mesurament del transductor adreçat a distància mitjançant el tronc".
El senyal de sortida del sensor (dispositiu de camp) és un senyal de corrent analògic en l’interval de 4 ... 20 mA, sobre el qual es superposa un senyal de comunicació digital modulat per freqüència (FSK - Frequency Shift Keying).
Figura 10. Sortida del sensor analògic HART
La figura mostra un senyal analògic, i al seu voltant, com una serp, un serpentí sinusoïdal. Aquest és un senyal modulat per la freqüència.Però això no és cap senyal digital, encara s’ha de reconèixer. A la figura es nota que la freqüència del sinusoide quan es transmet un zero lògic és més alta (2,2KHz) que quan es transmet una unitat (1,2KHz). La transmissió d’aquests senyals es realitza per un corrent amb una amplitud de forma sinusoïdal de ± 0,5 mA.
Se sap que el valor mitjà del senyal sinusoïdal és zero, per tant, la transmissió d’informació digital no afecta el corrent de sortida del sensor de 4 ... 20 mA. Aquest mode s'utilitza per configurar sensors.
La comunicació HART es realitza de dues maneres. En el primer cas, l'estàndard, només dos dispositius poden intercanviar informació mitjançant una línia de dos fils, mentre que el senyal analògic de sortida de 4 ... 20mA depèn del valor mesurat. Aquest mode s'utilitza per configurar dispositius de camp (sensors).
En el segon cas, es poden connectar fins a 15 sensors a la línia de dos fils, el nombre dels quals es determina mitjançant els paràmetres de la línia de comunicació i la potència de la font d’alimentació. Aquest és un mode multi-drop. En aquest mode, cada sensor té la seva pròpia adreça en l’interval 1 ... 15, en què hi accedeix el dispositiu de control.
El sensor amb l’adreça 0 està desconnectat de la línia de comunicació. L’intercanvi de dades entre el sensor i el dispositiu de control en mode multipunt es realitza només mitjançant un senyal de freqüència. El senyal de corrent del sensor està fixat al nivell requerit i no canvia.
En el cas de la comunicació de diversos punts, les dades no només tenen com a resultat els resultats reals de les mesures del paràmetre controlat, sinó també un conjunt de tota mena d'informació de servei.
En primer lloc, es tracta de les adreces de sensors, ordres de control i configuració. I tota aquesta informació es transmet a través de línies de comunicació de dos fils. Però, és possible desfer-se’n? És cert que això s'ha de fer acuradament, només en aquells casos en què la connexió sense fils no pugui afectar la seguretat del procés controlat.
Resulta que es pot desfer dels cables. Ja el 2007, es va publicar el WirelessHART Standard, el mitjà de transmissió és la freqüència sense llicència de 2,4 GHz, que funciona en molts dispositius sense fil d’ordinador, incloses les xarxes d’àrea local sense fils. Per tant, els dispositius WirelessHART es poden utilitzar sense cap tipus de restricció. La figura 11 mostra la xarxa sense fils WirelessHART.
Figura 11. Wireless WirelessHART
Aquestes tecnologies han substituït l’antic bucle analògic actual. Però ella no renuncia a la seva posició, és molt utilitzada sempre que sigui possible.
Boris Aladyshkin
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: