categorieën: Aanbevolen artikelen » Beginnende elektriciens
Aantal keer bekeken: 166,352
Reacties op het artikel: 4
Analoge sensoren: toepassing, verbindingsmethoden met de controller
In het proces van automatisering van technologische processen voor het besturen van mechanismen en assemblages, heeft men te maken met metingen van verschillende fysieke grootheden. Het kan temperatuur, druk en stroomsnelheid van een vloeistof of gas zijn, rotatiesnelheid, lichtintensiteit, informatie over de positie van delen van mechanismen en nog veel meer. Deze informatie wordt verkregen met behulp van sensoren. Hier eerst over de positie van de delen van de mechanismen.
Discrete sensoren
De eenvoudigste sensor is een normaal mechanisch contact: de deur werd geopend - het contact geopend, gesloten - gesloten. Zo'n eenvoudige sensor, evenals het bovenstaande algoritme, vaak gebruikt in beveiligingsalarmen. Voor een mechanisme met translatiebeweging, dat twee posities heeft, bijvoorbeeld een waterklep, zijn twee contacten nodig: één contact is gesloten - de klep is gesloten, de andere is gesloten - gesloten.
Een complexer translationeel algoritme heeft een mechanisme voor het sluiten van de thermoplastische vormmachine. Aanvankelijk is de mal open, dit is de uitgangspositie. In deze positie worden afgewerkte producten uit de vorm verwijderd. Vervolgens sluit de arbeider het beschermende hek en begint de schimmel te sluiten, een nieuwe werkcyclus begint.
De afstand tussen de helften van de mal is vrij groot. Daarom beweegt de mal eerst snel en op een bepaalde afstand totdat de helften gesloten zijn, wordt de trailer getriggerd, wordt de bewegingssnelheid aanzienlijk verlaagd en sluit de mal soepel.
Met dit algoritme kunt u een slag voorkomen bij het sluiten van de mal, anders kan het eenvoudig in kleine stukjes worden gehakt. Dezelfde verandering in snelheid treedt op wanneer de mal wordt geopend. Hier kunnen twee contactsensoren niet.
De sensoren op basis van het contact zijn dus discreet of binair, hebben twee posities, gesloten - open of 1 en 0. Met andere woorden, we kunnen zeggen dat de gebeurtenis plaatsvond of niet. In het bovenstaande voorbeeld worden verschillende punten "vastgelegd" door de contacten: het begin van de beweging, het punt van afname van de snelheid, het einde van de beweging.
In de geometrie heeft een punt geen dimensies, alleen een punt en dat is het. Het kan zijn (op een vel papier, in het traject van beweging, zoals in ons geval), of het bestaat gewoon niet. Daarom worden discrete sensoren gebruikt om punten te detecteren. Misschien is een vergelijking met een punt hier niet erg geschikt, omdat ze voor praktische doeleinden de waarde van de nauwkeurigheid van een afzonderlijke sensor gebruiken, en deze nauwkeurigheid is veel meer dan een geometrisch punt.
Maar alleen mechanisch contact is onbetrouwbaar. Daarom worden waar mogelijk mechanische contacten vervangen door naderingssensoren. De eenvoudigste optie is een reed-schakelaar: de magneet is dicht, het contact is gesloten. De nauwkeurigheid van de werking van de reed-schakelaar laat veel te wensen over; het gebruik van dergelijke sensoren is alleen voor het bepalen van de positie van de deuren.
Een meer complexe en nauwkeurige optie moet worden beschouwd als een verscheidenheid aan naderingssensoren. Als de metalen vlag in de gleuf kwam, werkte de sensor. Als een voorbeeld van dergelijke sensoren kunnen de BVK-sensoren (contactloze eindschakelaar) van verschillende series worden genoemd. De nauwkeurigheid van de werking (slagverschil) van dergelijke sensoren is 3 millimeter.
Figuur 1. BVK-reeks sensor
De voedingsspanning van de BVK-sensoren is 24V, de laadstroom is 200mA, wat voldoende is om tussenliggende relais aan te sluiten voor verdere coördinatie met het stuurcircuit. Dit is hoe BVK-sensoren worden gebruikt in verschillende apparatuur.
Naast BVK-sensoren worden ook sensoren van het type BTP, KVP, PIP, KVD en FISH gebruikt. Elke serie heeft verschillende soorten sensoren, aangegeven met getallen, bijvoorbeeld BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Alle genoemde sensoren zijn contactloos discreet; hun belangrijkste doel is het bepalen van de positie van onderdelen van mechanismen en samenstellingen. Natuurlijk zijn er veel meer van deze sensoren; je kunt er niet allemaal over schrijven in één artikel. Verschillende contactsensoren komen nog steeds vaker voor en worden nog steeds op grote schaal gebruikt.
Het gebruik van analoge sensoren
Naast discrete sensoren in automatiseringssystemen worden analoge sensoren veel gebruikt. Hun doel is om informatie te verkrijgen over verschillende fysieke grootheden, en niet zomaar, maar in realtime. Meer precies, de conversie van een fysieke hoeveelheid (druk, temperatuur, verlichting, stroom, spanning, stroom) in een elektrisch signaal dat geschikt is voor overdracht via communicatielijnen naar de controller en de verdere verwerking ervan.
Analoge sensoren bevinden zich meestal vrij ver van de controller en worden daarom vaak genoemd veld apparaten. Deze term wordt vaak gebruikt in de technische literatuur.
Een analoge sensor bestaat meestal uit verschillende delen. Het belangrijkste onderdeel is het gevoelige element - sensor. Het doel is om de gemeten waarde om te zetten in een elektrisch signaal. Maar het signaal ontvangen van de sensor is meestal klein. Om een signaal te verkrijgen dat geschikt is voor versterking, wordt de sensor meestal opgenomen in het brugcircuit - Wheatstone-brug.
Figuur 2. Wheatstone Bridge
Het oorspronkelijke doel van het brugcircuit is een nauwkeurige weerstandsmeting. Een DC-bron is verbonden met de diagonaal van de AD-brug. Een gevoelige galvanometer met een middelpunt, met een nul in het midden van de schaal, is verbonden met een andere diagonaal. Om de weerstand van de weerstand Rx te meten door de trimweerstand R2 te draaien, moet de brug worden gebalanceerd, de galvanometerpijl moet op nul worden ingesteld.
Afwijking van de pijl van het apparaat in een of andere richting stelt u in staat om de draairichting van de weerstand R2 te bepalen. De waarde van de gemeten weerstand wordt bepaald op een schaal gecombineerd met het handvat van de weerstand R2. De evenwichtstoestand voor de brug is de gelijkheid van de verhoudingen R1 / R2 en Rx / R3. In dit geval wordt tussen de punten BC een nulpotentiaalverschil verkregen en stroomt de stroom niet door de galvanometer V.
De weerstand van de weerstanden R1 en R3 wordt zeer nauwkeurig gekozen, hun spreiding moet minimaal zijn. Alleen in dit geval veroorzaakt zelfs een kleine onbalans van de brug een merkbare verandering in de spanning van de BC-diagonaal. Het is deze eigenschap van de brug die wordt gebruikt om gevoelige elementen (sensoren) van verschillende analoge sensoren te verbinden. Nou, dan is alles eenvoudig, een kwestie van technologie.
Om het van de sensor ontvangen signaal te gebruiken, is verdere verwerking vereist, - versterking en omzetting in een uitgangssignaal dat geschikt is voor verzending en verwerking door het regelcircuit - de controller. Meestal is het uitgangssignaal van analoge sensoren stroom (analoge stroomlus), minder vaak spanning.
Waarom precies de huidige? Het feit is dat de uitgangstrappen van analoge sensoren gebaseerd zijn op stroombronnen. Hiermee kunt u de invloed op het uitgangssignaal van de weerstand van de verbindingslijnen verwijderen om verbindingslijnen van grote lengte te gebruiken.
Verdere conversie is vrij eenvoudig. Het stroomsignaal wordt omgezet in spanning, waarvoor het voldoende is om de stroom door een weerstand met bekende weerstand te leiden. De spanningsval over de meetweerstand wordt verkregen volgens de wet van Ohm U = I * R.
Bijvoorbeeld, voor een stroom van 10 mA op een weerstand met een weerstand van 100 Ohm, krijg je een spanning van 10 * 100 = 1000mV, rechts is er een hele 1 volt! In dit geval is de uitgangsstroom van de sensor niet afhankelijk van de weerstand van de verbindingsdraden. Natuurlijk binnen redelijke grenzen.
Aansluiting van analoge sensoren
De spanning die wordt ontvangen op de meetweerstand kan eenvoudig worden omgezet in een digitale vorm die geschikt is voor invoer in de controller. Conversie wordt gedaan met behulp van analoog-digitaal converters ADC.
Digitale gegevens worden naar de controller verzonden in seriële of parallelle code.Het hangt allemaal af van het specifieke schakelcircuit. Een vereenvoudigd verbindingsdiagram van de analoge sensor wordt getoond in figuur 3.
Figuur 3. Een analoge sensor aansluiten (klik op de afbeelding om te vergroten)
Actuatoren zijn verbonden met de controller, of de controller zelf is verbonden met een computer die deel uitmaakt van het automatiseringssysteem.
Uiteraard hebben de analoge sensoren een afgewerkt ontwerp, waarvan een van de elementen een behuizing met verbindingselementen is. Als voorbeeld toont figuur 4 het uiterlijk van de manometer-druksensor type Probe-10.
Figuur 4. Sensor overdruk probe-10
Onderaan de sensor ziet u de verbindingsdraad voor aansluiting op de pijpleiding en rechts onder de zwarte kap bevindt zich een aansluiting voor het aansluiten van een communicatielijn met de controller.
De schroefdraadverbinding is afgedicht met een sluitring van gegloeid koper (inbegrepen bij de levering van de sensor) en wikkelt geenszins uit schuimtape of linnen. Dit wordt gedaan om bij het installeren van de sensor het binnenliggende sensorelement niet te vervormen.
Analoge sensoruitgangen
Volgens de normen zijn er drie reeksen stroomsignalen: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA en 4 ... 20mA. Wat is hun verschil en wat zijn de functies?
Meestal is de afhankelijkheid van de uitgangsstroom recht evenredig met de gemeten waarde, bijvoorbeeld, hoe hoger de druk in de buis, hoe groter de stroom aan de uitgang van de sensor. Hoewel omgekeerd schakelen soms wordt gebruikt: een grotere waarde van de uitgangsstroom komt overeen met de minimumwaarde van de gemeten waarde aan de uitgang van de sensor. Het hangt allemaal af van het gebruikte type controller. Sommige sensoren schakelen zelfs van direct naar omgekeerd.
Het uitgangssignaal van het bereik 0 ... 5mA is erg klein en is daarom onderhevig aan interferentie. Als het signaal van een dergelijke sensor fluctueert bij een constante waarde van de gemeten parameter, dat wil zeggen, wordt aanbevolen om een condensator te installeren met een capaciteit van 0,1 ... 1 μF parallel aan de uitgang van de sensor. Stabieler is het huidige signaal in het bereik 0 ... 20mA.
Maar beide bereiken zijn niet goed, omdat de nul aan het begin van de schaal ons niet ondubbelzinnig laat bepalen wat er is gebeurd. Of heeft het gemeten signaal daadwerkelijk een nulniveau bereikt, wat in principe mogelijk is, of is de communicatielijn gewoon afgesloten? Daarom proberen ze, indien mogelijk, het gebruik van deze bereiken te staken.
Het signaal van analoge sensoren met een uitgangsstroom in het bereik van 4 ... 20 mA wordt als betrouwbaarder beschouwd. De ruisimmuniteit is vrij hoog en de ondergrens, zelfs als het gemeten signaal een nulniveau heeft, zal 4 mA zijn, waardoor we kunnen zeggen dat de communicatielijn niet is verbroken.
Een ander goed kenmerk van het 4 ... 20mA-bereik is dat de sensoren in slechts twee draden kunnen worden aangesloten, omdat de sensor zelf door deze stroom wordt aangedreven. Dit is het stroomverbruik en tegelijkertijd een meetsignaal.
De stroombron voor sensoren in het bereik 4 ... 20mA is ingeschakeld, zoals weergegeven in figuur 5. Tegelijkertijd hebben de Zond-10-sensoren, net als vele anderen, een breed bereik van voedingsspanning 10 ... 38V volgens het paspoort, hoewel ze het vaakst worden gebruikt gestabiliseerde bronnen met een spanning van 24V.
Afbeelding 5. Een analoge sensor aansluiten op een externe voedingsbron
De volgende elementen en notatie zijn aanwezig in dit diagram. Rш is de weerstand van de meetshunt, Rl1 en Rl2 zijn de weerstanden van communicatielijnen. Om de meetnauwkeurigheid te vergroten, moet een precisiemeetweerstand worden gebruikt als Rш. De stroomdoorgang van de stroombron wordt aangegeven door pijlen.
Het is gemakkelijk om te zien dat de uitgangsstroom van de stroombron loopt van de + 24V-aansluiting, via de Rl1-lijn bereikt deze de + AO2-sensoraansluiting, gaat door de sensor en via de sensoruitgangsaansluiting - AO2, de Rl2-verbindingslijn, de weerstand Rш keert terug naar de -24V-voedingsaansluiting. Alles, het circuit is gesloten, de stroom vloeit.
Als de controller een 24V-voeding bevat, is het aansluiten van de sensor of meetomvormer mogelijk volgens het schema in afbeelding 6.
Afbeelding 6. Een analoge sensor aansluiten op een controller met een interne voedingsbron
Dit diagram toont een ander element - de ballastweerstand Rb. Het doel is om de meetweerstand te beschermen wanneer de communicatielijn gesloten is of de analoge sensor defect is. De installatie van een RB-weerstand is optioneel, hoewel wenselijk.
Naast verschillende sensoren hebben meetomvormers, die vaak worden gebruikt in automatiseringssystemen, ook een stroomuitgang.
Meetomvormer - een apparaat voor het omzetten van spanningsniveaus, bijvoorbeeld 220V of stroom van enkele tientallen of honderden ampères in een stroomsignaal van 4 ... 20 mA. Hier vindt de conversie van het niveau van het elektrische signaal eenvoudig plaats, en niet de weergave van een fysieke hoeveelheid (snelheid, stroomsnelheid, druk) in elektrische vorm.
Maar de enige sensor is in de regel niet voldoende. Een van de meest populaire metingen zijn temperatuur- en drukmetingen. Het aantal van dergelijke punten in de moderne productie kan enkele tienduizenden bereiken. Dienovereenkomstig is het aantal sensoren ook groot. Daarom worden meestal meerdere analoge sensoren tegelijkertijd op één controller aangesloten. Natuurlijk, niet een paar duizend tegelijk, het is goed als een dozijn anders is. Een dergelijke verbinding is weergegeven in figuur 7.
Afbeelding 7. Meerdere analoge sensoren op de controller aansluiten
Deze figuur laat zien hoe een spanning die geschikt is voor conversie naar een digitale code wordt verkregen uit een stroomsignaal. Als er meerdere van dergelijke signalen zijn, worden ze niet allemaal tegelijk verwerkt, maar worden ze gescheiden door de tijd, multiplex, anders zou een afzonderlijke ADC op elk kanaal moeten worden geplaatst.
Voor dit doel heeft de controller circuitschakelkanalen. Het functionele diagram van de schakelaar is weergegeven in figuur 8.
Figuur 8. Schakelaar analoge sensorkanalen (klikbare afbeelding)
De signalen van de stroomlus, omgezet in spanning op de meetweerstand (UR1 ... URn), worden toegevoerd aan de ingang van de analoge schakelaar. De besturingssignalen geven afwisselend een van de signalen UR1 ... URn door, die door de versterker worden versterkt en afwisselend naar de ADC-ingang worden gevoerd. De spanning omgezet in een digitale code wordt geleverd aan de controller.
Het schema is natuurlijk zeer vereenvoudigd, maar het principe van multiplexen is goed denkbaar. Dit is hoe de module voor het invoeren van analoge signalen van de MSTS-controllers (microprocessorsysteem van hardware) gebouwd door de Prolog PC Smolensk werd gebouwd. Het uiterlijk van de MCTC-controller is weergegeven in figuur 9.
Figuur 9. ICTS-controller
De release van dergelijke controllers is al lang stopgezet, hoewel deze controllers op sommige plaatsen verre van de beste zijn. Deze museale exposities worden vervangen door controllers van nieuwe modellen, voornamelijk van geïmporteerde (Chinese) productie.
Om 4 ... 20mA stroomsensoren aan te sluiten, wordt het aanbevolen om een tweedraads afgeschermde kabel te gebruiken met een kerndoorsnede van minimaal 0,5 mm2.
Als de controller in een metalen kast wordt gemonteerd, wordt aanbevolen om afschermingsvlechten aan te sluiten op het aardpunt van de kast. De lengte van de verbindingslijnen kan meer dan twee kilometer bereiken, wat wordt berekend door de overeenkomstige formules. We zullen hier niets overwegen, maar geloof me, dat is zo.
Nieuwe sensoren, nieuwe controllers
Met de komst van nieuwe controllers, nieuwe analoge HART-sensoren (Snelweg adresseerbare externe transducer), wat zich vertaalt als "Op afstand adresseerbare transducer meten via de kofferbak".
Het uitgangssignaal van de sensor (veldapparaat) is een analoog stroomsignaal in het bereik 4 ... 20 mA, waarop een frequentie-gemoduleerd (FSK - Frequency Shift Keying) digitaal communicatiesignaal wordt gesuperponeerd.
Figuur 10. HART analoge sensoruitgang
De figuur toont een analoog signaal, en daaromheen, als een slang, een sinusvormige spoel. Dit is een frequentiegemoduleerd signaal.Maar dit is helemaal geen digitaal signaal, het moet nog worden herkend. Het is opvallend in de figuur dat de frequentie van de sinusoïde bij het verzenden van een logische nul hoger is (2,2 KHz) dan bij het verzenden van een eenheid (1,2 KHz). De overdracht van deze signalen wordt uitgevoerd door een stroom met een amplitude van ± 0,5 mA sinusvormige vorm.
Het is bekend dat de gemiddelde waarde van het sinusvormige signaal nul is, daarom heeft de overdracht van digitale informatie geen invloed op de uitgangsstroom van de sensor 4 ... 20 mA. Deze modus wordt gebruikt bij het instellen van sensoren.
HART-communicatie gebeurt op twee manieren. In het eerste geval, de standaard, kunnen slechts twee apparaten informatie uitwisselen via een tweedraadslijn, terwijl het analoge uitgangssignaal 4 ... 20mA afhankelijk is van de gemeten waarde. Deze modus wordt gebruikt bij het instellen van veldapparaten (sensoren).
In het tweede geval kunnen maximaal 15 sensoren worden aangesloten op de tweedraadslijn, waarvan het aantal wordt bepaald door de parameters van de communicatielijn en de stroomvoorziening. Dit is een multi-drop modus. In deze modus heeft elke sensor zijn eigen adres in het bereik 1 ... 15, waar het bedieningsapparaat toegang toe heeft.
De sensor met adres 0 is losgekoppeld van de communicatielijn. Gegevensuitwisseling tussen de sensor en het besturingsapparaat in multipoint-modus wordt alleen uitgevoerd door een frequentiesignaal. Het sensorstroomsignaal wordt vastgezet op het vereiste niveau en verandert niet.
In het geval van communicatie met meerdere punten zijn gegevens niet alleen de feitelijke resultaten van metingen van de gecontroleerde parameter, maar ook een hele set van allerlei service-informatie.
Allereerst zijn dit de adressen van sensoren, besturingsopdrachten, instellingen. En al deze informatie wordt verzonden via tweedraads communicatielijnen. Maar is het mogelijk om ze kwijt te raken? Toegegeven, dit moet zorgvuldig worden gedaan, alleen in die gevallen waarin de draadloze verbinding geen invloed kan hebben op de beveiliging van het gecontroleerde proces.
Het blijkt dat je de draden kwijt kunt. Reeds in 2007 werd de WirelessHART-standaard gepubliceerd, het transmissiemedium is de frequentie zonder vergunning van 2,4 GHz, die op veel computer draadloze apparaten werkt, waaronder draadloze lokale netwerken. Daarom kunnen WirelessHART-apparaten zonder beperkingen worden gebruikt. Afbeelding 11 toont het WirelessHART draadloze netwerk.
Figuur 11. Draadloze WirelessHART
Deze technologieën hebben de oude analoge stroomlus vervangen. Maar ze geeft haar positie niet op, het wordt zoveel mogelijk gebruikt.
Boris Aladyshkin
Zie ook op electro-nl.tomathouse.com
: