kategoriler: Öne Çıkan Makaleler » Acemi elektrikçiler
Görüntülenme sayısı: 166,352
Makaleye yorum: 4
Analog sensörler: uygulama, kontrolöre bağlantı yöntemleri
Mekanizmaları ve montajları kontrol etmek için teknolojik süreçlerin otomasyonu sürecinde, çeşitli fiziksel miktarlarda ölçümlerle uğraşmak gerekir. Bir sıvının veya gazın sıcaklığı, basıncı ve akış hızı, dönüş hızı, ışık yoğunluğu, mekanizma parçalarının konumu hakkında bilgi ve çok daha fazlası olabilir. Bu bilgi sensörler kullanılarak elde edilir. Burada, önce mekanizmaların parçalarının konumu hakkında.
Ayrık sensörler
En basit sensör normal bir mekanik kontaktır: kapı açıldı - kontak açıldı, kapalı - kapalı. Böyle basit bir sensör ve yukarıdaki çalışma algoritması sıklıkla güvenlik alarmlarında kullanılır. İki pozisyonlu, örneğin bir su vanası olan çeviri hareketine sahip bir mekanizma için, iki kontak gereklidir: bir kontak kapalı - vana kapalı, diğeri kapalı - kapalı.
Daha karmaşık bir translasyon algoritması, termoplastik kalıplama makinesini kapatmak için bir mekanizmaya sahiptir. Başlangıçta kalıp açık, bu başlangıç pozisyonudur. Bu konumda, bitmiş ürünler kalıptan çıkarılır. Ardından, işçi koruyucu çiti kapatır ve kalıp kapanmaya başlar, yeni bir çalışma döngüsü başlar.
Kalıbın yarıları arasındaki mesafe oldukça büyüktür. Bu nedenle, ilk önce kalıp hızlı bir şekilde hareket eder ve yarılar kapanana kadar römork belirli bir mesafede tetiklenir, hareket hızı önemli ölçüde azalır ve kalıp düzgün bir şekilde kapanır.
Bu algoritma, kalıbı kapatırken bir darbeden kaçınmanıza izin verir, aksi takdirde küçük parçalara kesilebilir. Aynı hız değişikliği kalıp açıldığında meydana gelir. Burada iki kontak sensörü yapamaz.
Böylece, kontağa dayalı sensörler ayrık veya ikili, kapalı - açık veya 1 ve 0 olmak üzere iki pozisyona sahiptir. Başka bir deyişle, olayın meydana gelip gelmediğini söyleyebiliriz. Yukarıdaki örnekte, temas noktaları tarafından birkaç nokta “yakalanmıştır”: hareketin başlangıcı, hızdaki azalma noktası, hareketin sonu.
Geometride, bir noktanın boyutu yoktur, sadece bir noktadır ve işte budur. Ya (bir kağıt üzerinde, bizim durumumuzda olduğu gibi, hareket yörüngesinde) olabilir ya da basitçe mevcut değildir. Bu nedenle noktaları tespit etmek için ayrık sensörler kullanılır. Belki de buradaki bir nokta ile karşılaştırma çok uygun değildir, çünkü pratik amaçlar için ayrı bir sensörün doğruluğunun değerini kullanırlar ve bu doğruluk geometrik bir noktadan çok daha fazladır.
Ancak mekanik temas tek başına güvenilmez bir şeydir. Bu nedenle, mümkün olan yerlerde, mekanik kontakların yerini yakınlık sensörleri alır. En basit seçenek bir kamış anahtarıdır: mıknatıs yakın, kontak kapalı. Manyetik anahtarın çalışmasının doğruluğu arzulanan çok şey bırakıyor, bu tür sensörleri kullanmak sadece kapıların konumunu belirlemek içindir.
Daha karmaşık ve doğru bir seçenek, çeşitli yakınlık sensörleri olarak düşünülmelidir. Metal bayrak yuvaya girerse, sensör çalıştı. Bu tür sensörlerin bir örneği olarak, çeşitli serilerin BVK sensörlerine (Temassız Uç Anahtarı) atıf yapılabilir. Bu sensörlerin çalışma doğruluğu (strok diferansiyel) 3 milimetredir.
Şekil 1. BVK Serisi Sensör
BVK sensörlerinin besleme voltajı 24V, yük akımı 200mA'dır, bu da kontrol devresi ile daha fazla koordinasyon için ara röleleri bağlamak için yeterlidir. BVK sensörleri çeşitli ekipmanlarda bu şekilde kullanılır.
BVK sensörlerine ek olarak, BTP, KVP, PIP, KVD, FISH tiplerinin sensörleri de kullanılır. Her seri, sayılarla gösterilen çeşitli sensör türlerine sahiptir, örneğin BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Bahsedilen tüm sensörler temassız ayrıktır; ana amaçları, mekanizmaların ve montajların parçalarının konumunu belirlemektir. Doğal olarak, bu sensörlerden çok daha fazlası var; hepsi hakkında bir makalede yazamazsınız. Çeşitli temas sensörleri hala daha yaygındır ve hala yaygın olarak kullanılmaktadır.
Analog sensörlerin kullanımı
Otomasyon sistemlerindeki ayrık sensörlere ek olarak, analog sensörler yaygın olarak kullanılmaktadır. Amaçları, sadece böyle değil, aynı zamanda gerçek zamanlı olarak çeşitli fiziksel miktarlar hakkında bilgi elde etmektir. Daha kesin olarak, fiziksel bir miktarın (basınç, sıcaklık, aydınlatma, akış, voltaj, akım) iletişim hatları üzerinden kontrolöre iletilmesi ve daha sonraki işlenmesi için uygun bir elektrik sinyaline dönüştürülmesi.
Analog sensörler genellikle kontrolörden oldukça uzaktadır, bu yüzden sıklıkla denir saha cihazları. Bu terim sıklıkla teknik literatürde kullanılır.
Bir analog sensör tipik olarak birkaç parçadan oluşur. En önemli kısım hassas elementtir - algılayıcı. Amacı, ölçülen değeri bir elektrik sinyaline dönüştürmektir. Ancak sensörden alınan sinyal genellikle küçüktür. Amplifikasyon için uygun bir sinyal elde etmek için, sensör çoğunlukla köprü devresine dahil edilir - Wheatstone Köprüsü.
Şekil 2. Wheatstone Köprüsü
Köprü devresinin ilk amacı doğru bir direnç ölçümüdür. AD köprüsünün köşegenine bir DC kaynağı bağlanır. Ölçeğin ortasında sıfır olan orta noktalı hassas bir galvanometre başka bir diyagonale bağlanır. Kırpma direncini R2 döndürerek direncin Rx direncini ölçmek için köprüyü dengeleyin, galvanometrenin göstergesini sıfıra ayarlayın.
Cihazın okunun bir yönde veya başka bir şekilde sapması, direnç R2'nin dönüş yönünü belirlemenizi sağlar. Ölçülen direncin değeri, direnç R2'nin sapı ile birleştirilen bir ölçekte belirlenir. Köprü için denge koşulu, R1 / R2 ve Rx / R3 oranlarının eşitliğidir. Bu durumda, BC noktaları arasında sıfır potansiyel farkı elde edilir ve akım galvanometre V'den akmaz.
R1 ve R3 dirençlerinin direnci çok doğru bir şekilde seçilir, yayılmaları minimum olmalıdır. Sadece bu durumda, köprünün küçük bir dengesizliği bile BC diyagonalinin voltajında belirgin bir değişikliğe neden olur. Çeşitli analog sensörlerin hassas elemanlarını (sensörleri) bağlamak için kullanılan köprünün bu özelliğidir. O zaman her şey basit, bir teknoloji meselesi.
Sensörden alınan sinyali kullanmak için daha fazla işlem gereklidir, - amplifikasyon ve kontrol devresi tarafından iletim ve işleme için uygun bir çıkış sinyaline dönüştürme - kontrolör. Çoğu zaman, analog sensörlerin çıkış sinyali akımdır (analog akım döngüsü), daha az sıklıkla voltajdır.
Neden tam olarak akım? Gerçek şu ki, analog sensörlerin çıkış aşamaları akım kaynaklarına dayanmaktadır. Bu, büyük uzunluktaki bağlantı hatlarını kullanmak için bağlantı hatlarının direncinin çıkış sinyali üzerindeki etkiden kurtulmanızı sağlar.
Daha fazla dönüşüm oldukça basittir. Akım sinyali, akımın bilinen dirence sahip bir dirençten geçirilmesinin yeterli olduğu voltaja dönüştürülür. Ölçüm direnci boyunca voltaj düşüşü Ohm yasası U = I * R'ye göre elde edilir.
Örneğin, 100 Ohm dirençli bir dirençte 10 mA akım için, 10 * 100 = 1000mV voltaj alırsınız, tam 1 volt var! Bu durumda, sensörün çıkış akımı bağlantı tellerinin direncine bağlı değildir. Elbette makul sınırlar içinde.
Analog sensörlerin bağlantısı
Ölçüm direncinde alınan voltaj, kontrolöre giriş için uygun bir dijital forma kolayca dönüştürülebilir. Dönüştürme işlemi analogdan dijitale dönüştürücüler ADC.
Dijital veriler denetleyiciye seri veya paralel kodla iletilir.Her şey belirli anahtarlama devresine bağlıdır. Analog sensörün basitleştirilmiş bir bağlantı şeması Şekil 3'te gösterilmektedir.
Şekil 3. Bir analog sensörün bağlanması (büyütmek için resmin üzerine tıklayın)
Aktüatörler denetleyiciye veya denetleyicinin kendisi otomasyon sisteminin bir parçası olan bir bilgisayara bağlıdır.
Doğal olarak, analog sensörler, elemanlarından biri bağlantı elemanlarına sahip bir muhafaza olan bitmiş bir tasarıma sahiptir. Örnek olarak, Şekil 4, gösterge basınç sensörü tipi Probe-10'un görünümünü göstermektedir.
Şekil 4. Sensör aşırı basınç Probu-10
Sensörün altında, boru hattına bağlanmak için bağlantı ipliğini görebilirsiniz ve siyah kapağın sağında, denetleyiciye bir iletişim hattı bağlamak için bir konektör vardır.
Dişli bağlantı, tavlanmış bakırdan yapılmış bir yıkayıcı ile kapatılır (sensörün teslimat kapsamına dahildir) ve hiçbir şekilde bir fum bandından veya ketenden sarılmaz. Bu, sensörü monte ederken, içinde bulunan sensör elemanını deforme etmeyecek şekilde yapılır.
Analog Sensör Çıkışları
Standartlara göre, üç akım sinyali aralığı vardır: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA ve 4 ... 20mA. Farkları nedir ve özellikleri nelerdir?
Çoğu zaman, çıkış akımının bağımlılığı ölçülen değerle doğru orantılıdır, örneğin borudaki basınç ne kadar yüksek olursa, sensörün çıkışındaki akım o kadar büyük olur. Ters anahtarlama bazen kullanılmasına rağmen: çıkış akımının daha büyük bir değeri, sensörün çıkışında ölçülen değerin minimum değerine karşılık gelir. Her şey kullanılan kontrolörün tipine bağlıdır. Bazı sensörler doğrudandan tersine geçer.
0 ... 5mA aralığının çıkış sinyali çok küçüktür ve bu nedenle parazite maruz kalır. Böyle bir sensörün sinyali ölçülen parametrenin sabit bir değerinde dalgalanırsa, yani, sensörün çıkışına paralel 0,1 ... 1 μF kapasiteye sahip bir kapasitör takılması önerilir. Daha kararlı olan akım sinyali 0 ... 20mA aralığındadır.
Ancak bu aralıkların her ikisi de iyi değildir, çünkü ölçeğin başındaki sıfır, ne olduğunu kesin olarak belirlememize izin vermez. Ya da ölçülen sinyal aslında prensipte mümkün olan sıfır seviyeyi aldı mı, yoksa sadece iletişim hattı kesildi mi? Bu nedenle, mümkünse bu aralıkların kullanımını terk etmeye çalışırlar.
4 ... 20 mA aralığında bir çıkış akımına sahip analog sensörlerin sinyali daha güvenilir olarak kabul edilir. Gürültü bağışıklığı oldukça yüksektir ve ölçülen sinyal sıfır seviyesine sahip olsa bile alt sınır 4 mA olacaktır, bu da iletişim hattının kırık olmadığını söylememizi sağlar.
4 ... 20mA serisinin bir başka iyi özelliği, sensörün kendisine bu akım tarafından güç verildiğinden sensörlerin sadece iki kabloya bağlanabilmesidir. Bu akım tüketimi ve aynı zamanda bir ölçüm sinyalidir.
4 ... 20mA aralığındaki sensörler için güç kaynağı, Şekil 5'te gösterildiği gibi açılır. Aynı zamanda, Zond-10 sensörleri, diğerleri gibi, pasaportuna göre çok çeşitli besleme voltajına sahiptirler, ancak en sık kullanılanlarıdır. stabilize kaynaklar 24V voltaj ile.
Şekil 5. Analog bir sensörün harici bir güç kaynağına bağlanması
Bu diyagramda aşağıdaki öğeler ve gösterimler bulunmaktadır. Rш ölçüm şöntünün direncidir, Rl1 ve Rl2 iletişim hatlarının direncidir. Ölçüm doğruluğunu artırmak için, Rш olarak hassas bir ölçüm direnci kullanılmalıdır. Akımın güç kaynağından geçişi oklarla gösterilir.
Güç kaynağının çıkış akımının + 24V terminalinden geçtiğini, Rl1 hattı üzerinden + AO2 sensör terminaline ulaştığını, sensörden geçtiğini ve sensör çıkış terminali - AO2, Rl2 bağlantı hattı üzerinden, direnç Rш -24V güç kaynağı terminaline döndüğünü görmek kolaydır. Her şey, devre kapalı, akım akıyor.
Denetleyici 24V güç kaynağı içeriyorsa, Şekil 6'da gösterilen şemaya göre sensörün veya ölçüm dönüştürücüsünün bağlantısı mümkündür.
Şekil 6. Dahili bir güç kaynağı olan bir denetleyiciye analog bir sensör bağlama
Bu şema başka bir elemanı göstermektedir - balast direnci Rb. Amacı, iletişim hattı kapalı olduğunda veya analog sensör arızalandığında ölçüm direncini korumaktır. İstenmesine rağmen bir RB direncinin montajı isteğe bağlıdır.
Çeşitli sensörlere ek olarak, otomasyon sistemlerinde sıklıkla kullanılan ölçüm transdüserleri de bir akım çıkışına sahiptir.
Ölçüm transdüseri - voltaj seviyelerini, örneğin 220V veya birkaç on veya yüz amperlik akımı 4 ... 20 mA akım sinyaline dönüştürmek için bir cihaz. Burada, elektrik sinyalinin seviyesinin dönüşümü gerçekleşir, bazı fiziksel miktarın (hız, akış hızı, basınç) elektrik formunda gösterilmesi değil.
Ancak kural olarak tek sensör yeterli değildir. En popüler ölçümlerden biri sıcaklık ve basınç ölçümleridir. Modern üretimdeki bu tür noktaların sayısı on binlercee ulaşabilir. Buna göre, sensör sayısı da fazladır. Bu nedenle, birkaç analog sensör çoğu zaman bir denetleyiciye aynı anda bağlanır. Tabii ki, aynı anda birkaç bin değil, bir düzine farklıysa iyidir. Böyle bir bağlantı Şekil 7'de gösterilmiştir.
Şekil 7. Çoklu analog sensörlerin denetleyiciye bağlanması
Bu şekil, bir dijital koda dönüştürmek için uygun bir voltajın bir akım sinyalinden nasıl elde edildiğini gösterir. Bu tür birkaç sinyal varsa, bunlar bir kerede işlenmez, ancak zamanla ayrılır, çoğullanır, aksi takdirde, her kanala ayrı bir ADC konulması gerekir.
Bu amaçla, kontrolör bir devre anahtarlama kanalına sahiptir. Anahtarın fonksiyonel diyagramı Şekil 8'de gösterilmektedir.
Şekil 8. Analog sensör kanalları anahtarı (tıklanabilir resim)
Ölçüm direncinde (UR1 ... URn) voltaja dönüştürülen akım döngüsünün sinyalleri analog anahtarın girişine beslenir. Kontrol sinyalleri, UR1 ... URn sinyallerinden birini amplifikatör tarafından yükseltilen ve dönüşümlü olarak ADC girişine beslenen çıkışa geçirir. Dijital koda dönüştürülen voltaj kontrolöre verilir.
Şema, elbette, çok basitleştirilmiştir, ancak içindeki çoğullama ilkesini dikkate almak oldukça mümkündür. Smolensk PC Prolog tarafından üretilen MSTS kontrolörlerinden (teknik ekipmanın mikroişlemci sistemi) analog sinyalleri girmek için modül bu şekilde oluşturulmuştur. MCTC kontrol cihazının görünümü Şekil 9'da gösterilmektedir.
Şekil 9. ICTS denetleyicisi
Bu tür kontrolörlerin piyasaya sürülmesi uzun süredir durdurulmuştur, ancak en iyiden uzak bazı yerlerde bu kontrolörler hala hizmet vermektedir. Bu müze sergileri, çoğunlukla ithal (Çin) üretiminin yeni modellerinin denetleyicileriyle değiştirildi.
4 ... 20mA akım sensörlerini bağlamak için, çekirdek kesiti en az 0,5 mm2 olan iki telli blendajlı kablo kullanılması önerilir.
Denetleyici metal bir kabine monte edilmişse, ekranlama örgülerinin kabinin toprak noktasına bağlanması önerilir. Bağlantı çizgilerinin uzunluğu, karşılık gelen formüller tarafından hesaplanan iki kilometreden fazla olabilir. Burada hiçbir şey düşünmeyeceğiz, ama inan bana öyle.
Yeni sensörler, yeni kontrolörler
Yeni kontrolörlerin ortaya çıkmasıyla, yeni HART analog sensörleri "Otoyol Adresli Uzaktan Dönüştürücü".
Sensörün (saha cihazı) çıkış sinyali, frekans modülasyonlu (FSK - Frekans Kaydırma Anahtarlama) dijital iletişim sinyalinin üzerine yerleştirildiği 4 ... 20 mA aralığında bir analog akım sinyalidir.
Şekil 10. HART Analog Sensör Çıkışı
Şekil analog bir sinyal gösterir ve etrafında bir yılan gibi bir sinüzoid bobin vardır. Bu, frekans modülasyonlu bir sinyaldir.Ama bu hiç dijital bir sinyal değil, henüz tanınmadı. Şekilde, mantıksal bir sıfır iletirken sinüs dalgasının frekansının, bir birimi (1.2KHz) iletirken olduğundan daha yüksek (2.2KHz) olduğu dikkat çekicidir. Bu sinyallerin iletimi, ± 0.5 mA sinüzoidal şekle sahip bir akım ile gerçekleştirilir.
Sinüzoidal sinyalin ortalama değerinin sıfır olduğu bilinmektedir, bu nedenle dijital bilginin iletimi sensörün 4 ... 20 mA çıkış akımını etkilemez. Bu mod sensörleri ayarlarken kullanılır.
HART iletişimi iki şekilde yapılır. İlk durumda, standart, sadece iki cihaz iki telli bir hat üzerinde bilgi alışverişinde bulunurken, çıkış analog sinyali 4 ... 20mA ölçülen değere bağlıdır. Bu mod saha cihazları (sensörler) ayarlanırken kullanılır.
İkinci durumda, iki telli hatta 15 adede kadar sensör bağlanabilir, bunların sayısı iletişim hattının parametreleri ve güç kaynağının gücü ile belirlenir. Bu çoklu bırakma modudur. Bu modda, her sensörün, kontrol cihazının eriştiği 1 ... 15 aralığında kendi adresi vardır.
0 adresli sensör iletişim hattından ayrılır. Çok noktalı modda sensör ve kontrol cihazı arasındaki veri alışverişi sadece bir frekans sinyali ile gerçekleştirilir. Sensör akım sinyali gerekli seviyeye sabitlenir ve değişmez.
Çok noktalı iletişim durumunda, veriler sadece kontrollü parametrenin ölçümlerinin gerçek sonuçları değil, aynı zamanda her türlü servis bilgisi seti anlamına gelir.
Her şeyden önce, bunlar sensörlerin adresleri, kontrol komutları, ayarlar. Ve tüm bu bilgiler iki telli iletişim hatları üzerinden iletilir. Ama onlardan kurtulmak mümkün mü? Doğru, bu sadece kablosuz bağlantının kontrollü işlemin güvenliğini etkileyemediği durumlarda dikkatli bir şekilde yapılmalıdır.
Tellerden kurtulabileceğiniz ortaya çıkıyor. Zaten 2007 yılında, WirelessHART Standard yayınlandı, iletim ortamı, kablosuz yerel alan ağları da dahil olmak üzere birçok bilgisayar kablosuz cihazının çalıştığı 2.4 GHz'lik lisanssız frekanstır. Bu nedenle, WirelessHART cihazları herhangi bir kısıtlama olmaksızın kullanılabilir. Şekil 11, WirelessHART kablosuz ağını göstermektedir.
Şekil 11. Kablosuz WirelessHART
Bu teknolojiler eski analog akım döngüsünün yerini almıştır. Ancak pozisyonundan vazgeçmez, mümkün olan her yerde yaygın olarak kullanılır.
Boris Aladyshkin
Ayrıca bkz. electro-tr.tomathouse.com
: