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Sensori analogici: applicazione, metodi di connessione al controller
Nel processo di automazione dei processi tecnologici per il controllo di meccanismi e assiemi, si devono affrontare misure di varie quantità fisiche. Può essere temperatura, pressione e portata di un liquido o gas, velocità di rotazione, intensità della luce, informazioni sulla posizione di parti di meccanismi e molto altro. Questa informazione è ottenuta usando i sensori. Qui, prima sulla posizione delle parti dei meccanismi.
Sensori discreti
Il sensore più semplice è un normale contatto meccanico: la porta è stata aperta - il contatto aperto, chiuso - chiuso. Un sensore così semplice, così come l'algoritmo di funzionamento sopra, spesso utilizzato negli allarmi di sicurezza. Per un meccanismo con movimento traslazionale, che ha due posizioni, ad esempio una valvola dell'acqua, sono necessari due contatti: un contatto è chiuso - la valvola è chiusa, l'altro è chiuso - chiuso.
Un algoritmo traslazionale più complesso ha un meccanismo per chiudere la macchina per lo stampaggio termoplastico. Inizialmente, lo stampo è aperto, questa è la posizione iniziale. In questa posizione, i prodotti finiti vengono rimossi dallo stampo. Successivamente, il lavoratore chiude la recinzione protettiva e lo stampo inizia a chiudersi, inizia un nuovo ciclo di lavoro.
La distanza tra le metà dello stampo è piuttosto grande. Pertanto, all'inizio lo stampo si muove rapidamente e ad una certa distanza fino a quando le metà sono chiuse, il rimorchio viene attivato, la velocità di movimento viene notevolmente ridotta e lo stampo si chiude uniformemente.
Questo algoritmo consente di evitare un colpo quando si chiude lo stampo, altrimenti può essere semplicemente tagliato in piccoli pezzi. La stessa variazione di velocità si verifica quando lo stampo viene aperto. Qui, due sensori di contatto non possono fare.
Pertanto, i sensori basati sul contatto sono discreti o binari, hanno due posizioni, chiuso - aperto o 1 e 0. In altre parole, possiamo dire che l'evento si è verificato o meno. Nell'esempio sopra, diversi punti vengono "catturati" dai contatti: l'inizio del movimento, il punto di diminuzione della velocità, la fine del movimento.
In geometria, un punto non ha dimensioni, solo un punto e basta. Può essere (su un foglio di carta, nella traiettoria del movimento, come nel nostro caso), o semplicemente non esiste. Pertanto, i sensori discreti vengono utilizzati per rilevare i punti. Forse un confronto con un punto qui non è molto appropriato, perché per scopi pratici usano il valore della precisione di un sensore discreto, e questa precisione è molto più di un punto geometrico.
Ma il contatto meccanico da solo è una cosa inaffidabile. Pertanto, ove possibile, i contatti meccanici sono sostituiti da sensori di prossimità. L'opzione più semplice è un interruttore reed: il magnete è chiuso, il contatto è chiuso. L'accuratezza del funzionamento dell'interruttore reed lascia molto a desiderare, l'uso di tali sensori è solo per determinare la posizione delle porte.
Un'opzione più complessa e accurata dovrebbe essere considerata una varietà di sensori di prossimità. Se la bandiera di metallo è entrata nello slot, il sensore ha funzionato. Come esempio di tali sensori, si possono citare i sensori BVK (interruttore senza contatto) di varie serie. La precisione di funzionamento (differenziale di corsa) di tali sensori è di 3 millimetri.
Figura 1. Sensore serie BVK
La tensione di alimentazione dei sensori BVK è di 24 V, la corrente di carico è di 200 mA, che è abbastanza per collegare i relè intermedi per un ulteriore coordinamento con il circuito di controllo. Ecco come vengono utilizzati i sensori BVK in varie apparecchiature.
Oltre ai sensori BVK, vengono utilizzati anche i sensori dei tipi BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Ogni serie ha diversi tipi di sensori, indicati da numeri, ad esempio BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Tutti i sensori citati sono discreti senza contatto; il loro scopo principale è determinare la posizione di parti di meccanismi e assiemi. Naturalmente, ci sono molti più di questi sensori; non puoi scriverli su tutti in un articolo. Vari sensori di contatto sono ancora più comuni e trovano ancora un uso diffuso.
L'uso di sensori analogici
Oltre ai sensori discreti nei sistemi di automazione, i sensori analogici sono ampiamente utilizzati. Il loro scopo è quello di ottenere informazioni su varie quantità fisiche, e non solo in quel modo, ma in tempo reale. Più precisamente, la conversione di una quantità fisica (pressione, temperatura, illuminazione, flusso, tensione, corrente) in un segnale elettrico adatto alla trasmissione tramite linee di comunicazione al controller e alla sua successiva elaborazione.
I sensori analogici di solito si trovano abbastanza lontano dal controller, motivo per cui vengono spesso chiamati dispositivi da campo. Questo termine è spesso usato nella letteratura tecnica.
Un sensore analogico in genere è composto da più parti. La parte più importante è l'elemento sensibile - sensor. Il suo scopo è convertire il valore misurato in un segnale elettrico. Ma il segnale ricevuto dal sensore è generalmente piccolo. Per ottenere un segnale adatto per l'amplificazione, il sensore è spesso incluso nel circuito del ponte - Ponte di Wheatstone.
Figura 2. Wheatstone Bridge
Lo scopo iniziale del circuito a ponte è una misurazione accurata della resistenza. Una sorgente CC è collegata alla diagonale del ponte AD. Un galvanometro sensibile con un punto medio, con uno zero al centro della scala, è collegato a un'altra diagonale. Per misurare la resistenza della resistenza Rx ruotando la resistenza di taglio R2, il ponte deve essere bilanciato, la freccia del galvanometro deve essere impostata su zero.
La deviazione della freccia del dispositivo in una direzione o nell'altra consente di determinare la direzione di rotazione del resistore R2. Il valore della resistenza misurata viene determinato su una scala combinata con l'impugnatura del resistore R2. La condizione di equilibrio per il ponte è l'uguaglianza dei rapporti R1 / R2 e Rx / R3. In questo caso, tra i punti BC, si ottiene una differenza di potenziale zero e la corrente non scorre attraverso il galvanometro V.
La resistenza dei resistori R1 e R3 è selezionata in modo molto accurato, la loro diffusione dovrebbe essere minima. Solo in questo caso, anche un piccolo squilibrio del ponte provoca un notevole cambiamento nella tensione della diagonale BC. È questa proprietà del bridge che viene utilizzata per collegare elementi sensibili (sensori) di vari sensori analogici. Bene, allora tutto è semplice, una questione di tecnologia.
Per utilizzare il segnale ricevuto dal sensore, sono necessarie ulteriori elaborazioni, - amplificazione e conversione in un segnale di uscita adatto per la trasmissione e l'elaborazione da parte del circuito di controllo - il controller. Molto spesso, il segnale di uscita dei sensori analogici è corrente (loop di corrente analogico), meno spesso tensione.
Perché esattamente la corrente? Il fatto è che gli stadi di uscita dei sensori analogici si basano su fonti di corrente. Ciò consente di eliminare l'influenza sul segnale di uscita della resistenza delle linee di collegamento, per utilizzare linee di collegamento di grande lunghezza.
L'ulteriore conversione è abbastanza semplice. Il segnale di corrente viene convertito in tensione, per cui è sufficiente far passare la corrente attraverso un resistore di resistenza nota. La caduta di tensione attraverso la resistenza di misura è ottenuta secondo la legge di Ohm U = I * R.
Ad esempio, per una corrente di 10 mA su un resistore con una resistenza di 100 Ohm, si ottiene una tensione di 10 * 100 = 1000mV, a destra c'è un intero 1 volt! In questo caso, la corrente di uscita del sensore non dipende dalla resistenza dei fili di collegamento. Entro limiti ragionevoli, ovviamente.
Collegamento di sensori analogici
La tensione ricevuta dal resistore di misurazione può essere facilmente convertita in una forma digitale adatta per l'ingresso nel controller. La conversione viene eseguita utilizzando convertitori analogico-digitale ADC.
I dati digitali vengono trasmessi al controller in codice seriale o parallelo.Tutto dipende dal circuito di commutazione specifico. Uno schema di collegamento semplificato del sensore analogico è mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Collegamento di un sensore analogico (fare clic sull'immagine per ingrandirla)
Gli attuatori sono collegati al controller o il controller stesso è collegato a un computer che fa parte del sistema di automazione.
Naturalmente, i sensori analogici hanno un design finito, uno dei quali è un alloggiamento con elementi di collegamento. Ad esempio, la Figura 4 mostra l'aspetto del tipo di sensore di pressione del manometro Probe-10.
Figura 4. Sonda di sovrapressione del sensore-10
Nella parte inferiore del sensore, puoi vedere il filo di collegamento per il collegamento alla tubazione e sulla destra sotto il coperchio nero c'è un connettore per collegare una linea di comunicazione con il controller.
La connessione filettata è sigillata con una rondella in rame ricotto (inclusa nella fornitura del sensore), e non viene mai avvolta da un nastro fumi o da un lino. Questo viene fatto in modo che durante l'installazione del sensore, non deformare l'elemento del sensore situato all'interno.
Uscite sensore analogico
Secondo gli standard, ci sono tre gamme di segnali di corrente: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA e 4 ... 20mA. Qual è la loro differenza e quali sono le caratteristiche?
Molto spesso, la dipendenza della corrente di uscita è direttamente proporzionale al valore misurato, ad esempio, maggiore è la pressione nel tubo, maggiore è la corrente all'uscita del sensore. Sebbene a volte venga utilizzata la commutazione inversa: un valore maggiore della corrente di uscita corrisponde al valore minimo del valore misurato all'uscita del sensore. Tutto dipende dal tipo di controller utilizzato. Alcuni sensori passano persino da diretti a inversi.
Il segnale di uscita nell'intervallo 0 ... 5mA è molto piccolo e quindi soggetto a interferenze. Se il segnale di tale sensore fluttua a un valore costante del parametro misurato, vale a dire, si consiglia di installare un condensatore con una capacità di 0,1 ... 1 μF parallelo all'uscita del sensore. Più stabile è il segnale corrente nell'intervallo 0 ... 20 mA.
Ma entrambi questi intervalli non sono buoni perché lo zero all'inizio della scala non ci consente di determinare in modo inequivocabile cosa è successo. O il segnale misurato ha effettivamente assunto un livello zero, il che è possibile in linea di principio, o semplicemente la linea di comunicazione è stata interrotta? Pertanto, cercano di abbandonare l'uso di questi intervalli, se possibile.
Il segnale di sensori analogici con una corrente di uscita nell'intervallo 4 ... 20 mA è considerato più affidabile. La sua immunità al rumore è piuttosto elevata e il limite inferiore, anche se il segnale misurato ha un livello zero, sarà di 4 mA, il che ci consente di dire che la linea di comunicazione non è interrotta.
Un'altra buona caratteristica della gamma 4 ... 20mA è che i sensori possono essere collegati in soli due fili, poiché il sensore stesso è alimentato da questa corrente. Questo è il suo consumo attuale e allo stesso tempo un segnale di misurazione.
La fonte di alimentazione per i sensori nell'intervallo 4 ... 20 mA è accesa, come mostrato nella Figura 5. Allo stesso tempo, i sensori Zond-10, come molti altri, hanno una vasta gamma di tensione di alimentazione 10 ... 38 V in base al passaporto, anche se vengono spesso utilizzati fonti stabilizzate con una tensione di 24 V.
Figura 5. Collegamento di un sensore analogico con una fonte di alimentazione esterna
I seguenti elementi e notazioni sono presenti in questo diagramma. Rш è la resistenza dello shunt di misura, Rl1 e Rl2 sono le resistenze delle linee di comunicazione. Per aumentare l'accuratezza della misurazione, utilizzare una resistenza di misurazione di precisione come Rш. Il passaggio di corrente dalla fonte di alimentazione è indicato da frecce.
È facile vedere che la corrente di uscita della fonte di alimentazione passa dal terminale + 24V, attraverso la linea Rl1 raggiunge il terminale del sensore + AO2, passa attraverso il sensore e attraverso il terminale di uscita del sensore - AO2, la linea di collegamento Rl2, la resistenza Rш ritorna al terminale di alimentazione -24V. Tutto, il circuito è chiuso, la corrente scorre.
Se il controller contiene un alimentatore a 24 V, è possibile il collegamento del sensore o del trasduttore di misurazione secondo lo schema mostrato nella Figura 6.
Figura 6. Collegamento di un sensore analogico a un controller con una fonte di alimentazione interna
Questo diagramma mostra un altro elemento: la resistenza di zavorra Rb. Il suo scopo è proteggere la resistenza di misurazione quando la linea di comunicazione è chiusa o il sensore analogico non funziona. L'installazione di un resistore RB è opzionale, sebbene desiderabile.
Oltre a vari sensori, i trasduttori di misura, che sono spesso utilizzati nei sistemi di automazione, hanno anche un'uscita di corrente.
Trasduttore di misura - un dispositivo per convertire livelli di tensione, ad esempio 220 V o corrente di diverse decine o centinaia di ampere in un segnale di corrente di 4 ... 20 mA. Qui, la conversione del livello del segnale elettrico ha semplicemente luogo e non la rappresentazione di una quantità fisica (velocità, portata, pressione) in forma elettrica.
Ma l'unico sensore, di regola, non è abbastanza. Una delle misure più popolari sono le misurazioni di temperatura e pressione. Il numero di tali punti nella produzione moderna può raggiungere diverse decine di migliaia. Di conseguenza, anche il numero di sensori è elevato. Pertanto, più sensori analogici sono spesso collegati a un controller contemporaneamente. Certo, non diverse migliaia in una volta, va bene se una dozzina sono diverse. Tale connessione è mostrata in Figura 7.
Figura 7. Collegamento di più sensori analogici al controller
Questa figura mostra come una tensione adatta per la conversione in un codice digitale è ottenuta da un segnale di corrente. Se ci sono molti di questi segnali, allora non vengono elaborati tutti in una volta, ma sono separati dal tempo, multiplexati, altrimenti un ADC separato dovrebbe essere messo su ciascun canale.
A tale scopo, il controller ha un circuito di commutazione dei canali. Lo schema funzionale dell'interruttore è mostrato nella Figura 8.
Figura 8. Interruttore canali sensore analogico (immagine cliccabile)
I segnali del loop di corrente, convertiti in tensione sul resistore di misurazione (UR1 ... URn), vengono inviati all'ingresso dell'interruttore analogico. I segnali di controllo passano alternativamente uno dei segnali UR1 ... URn, che sono amplificati dall'amplificatore e vengono alternativamente inviati all'ingresso ADC. La tensione convertita in un codice digitale viene fornita al controller.
Lo schema, ovviamente, è molto semplificato, ma è del tutto possibile considerare il principio del multiplexing in esso. Ecco come è stato costruito il modulo per l'immissione di segnali analogici dai controller MSTS (sistema hardware a microprocessore) costruito dal PC Prolog Smolensk. L'aspetto del controller MCTC è mostrato nella Figura 9.
Figura 9. Controller ICTS
Il rilascio di tali controller è stato a lungo interrotto, anche se in alcuni posti tutt'altro che i migliori, questi controller servono ancora. Questi reperti museali sono sostituiti da controllori di nuovi modelli, principalmente di produzione importata (cinese).
Per collegare sensori di corrente da 4 ... 20 mA, si consiglia di utilizzare un cavo schermato a due fili con una sezione del nucleo di almeno 0,5 mm2.
Se il controller è montato in un armadio metallico, si consiglia di collegare le trecce di schermatura al punto di massa dell'armadio. La lunghezza delle linee di collegamento può raggiungere più di due chilometri, calcolata dalle formule corrispondenti. Non considereremo nulla qui, ma credetemi che sia così.
Nuovi sensori, nuovi controller
Con l'avvento di nuovi controller, nuovi sensori analogici HART (Trasduttore remoto indirizzabile Highway), che si traduce in "Trasduttore di misura indirizzabile da remoto tramite il trunk".
Il segnale di uscita del sensore (dispositivo di campo) è un segnale di corrente analogico nell'intervallo 4 ... 20 mA, sul quale viene sovrapposto un segnale di comunicazione digitale modulato in frequenza (FSK - Frequency Shift Keying).
Figura 10. Uscita sensore analogico HART
La figura mostra un segnale analogico e attorno ad esso, come un serpente, una bobina sinusoidale. Questo è un segnale modulato in frequenza.Ma questo non è affatto un segnale digitale, deve ancora essere riconosciuto. Si nota nella figura che la frequenza della sinusoide durante la trasmissione di uno zero logico è maggiore (2,2 KHz) rispetto a quando si trasmette un'unità (1,2 KHz). La trasmissione di questi segnali viene effettuata da una corrente con un'ampiezza di forma sinusoidale di ± 0,5 mA.
È noto che il valore medio del segnale sinusoidale è zero, pertanto la trasmissione di informazioni digitali non influisce sulla corrente di uscita del sensore 4 ... 20 mA. Questa modalità viene utilizzata durante l'impostazione dei sensori.
La comunicazione HART avviene in due modi. Nel primo caso, lo standard, solo due dispositivi possono scambiare informazioni tramite una linea a due fili, mentre il segnale analogico in uscita 4 ... 20mA dipende dal valore misurato. Questa modalità viene utilizzata durante l'impostazione dei dispositivi di campo (sensori).
Nel secondo caso, è possibile collegare fino a 15 sensori alla linea a due fili, il cui numero è determinato dai parametri della linea di comunicazione e dalla potenza dell'alimentatore. Questa è una modalità multi-drop. In questa modalità, ciascun sensore ha il proprio indirizzo nell'intervallo 1 ... 15, a cui il dispositivo di controllo accede ad esso.
Il sensore con indirizzo 0 è disconnesso dalla linea di comunicazione. Lo scambio di dati tra il sensore e il dispositivo di controllo in modalità multipunto viene effettuato solo da un segnale di frequenza. Il segnale di corrente del sensore è fisso al livello richiesto e non cambia.
Nel caso della comunicazione multipunto, per dati si intendono non solo i risultati effettivi delle misurazioni del parametro controllato, ma anche un intero insieme di tutti i tipi di informazioni di servizio.
Innanzitutto, questi sono gli indirizzi di sensori, comandi di controllo, impostazioni. E tutte queste informazioni vengono trasmesse tramite linee di comunicazione a due fili. Ma è possibile liberarsene? È vero, questo dovrebbe essere fatto con attenzione, solo in quei casi in cui la connessione wireless non può influire sulla sicurezza del processo controllato.
Si scopre che puoi sbarazzarti dei fili. Già nel 2007, è stato pubblicato lo standard WirelessHART, il mezzo di trasmissione è la frequenza senza licenza di 2,4 GHz, che funziona su molti dispositivi wireless per computer, comprese le reti wireless locali. Pertanto, i dispositivi WirelessHART possono essere utilizzati senza alcuna limitazione. La Figura 11 mostra la rete wireless WirelessHART.
Figura 11. Wireless WirelessHART
Queste tecnologie hanno sostituito il vecchio loop di corrente analogico. Ma non rinuncia alla sua posizione, è ampiamente usata ovunque possibile.
Boris Aladyshkin
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