Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.

Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.

Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.

В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!

Унифицированные аналоговые сигналы

С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).

Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.

В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.

Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В

При использовании этого типа сигнала для получения информации с датчика весь его (датчика) диапазон делится на диапазон напряжения 0-10 В. Например, датчик температуры имеет диапазоны -10…+70 °С. Тогда при -10 °С на выходе датчика будет 0 В, а при +70 °С — 10 В. Все промежуточные значения находятся из пропорции.

Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.

Управление сигналом 0-10 В

С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести трёхходовой клапан в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.

Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.

Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.

«Токовая петля»: унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА

Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.

По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:

• Во-первых, токовый сигнал можно передать на большие расстояния в сравнении с сигналом 0-10 В, в котором происходит падение напряжения на длинной линии, обусловленное сопротивлением проводников.
• Во-вторых, легко диагностировать обрыв линии, т.к. рабочий диапазон сигнала начинается от 4 мА. Поэтому если на входе 0 мА — значит на линии обрыв.

Управление сигналом 4-20 мА

Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.

Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.

Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.

Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА

Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.

На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.

Нормирующий преобразователь

При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.

Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.

Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:

Источник

Выбор носителя сигнала: напряжение или ток

Выбор носителя сигнала для передачи измерительных данных от датчика к электронным блокам зависит от нескольких факторов. Наиболее существенное соображение, ко­торое следует принимать во внимание, — сигнал должен быть по возможности мало­чувствительным к электрическим возмущениям.

Передача сигнала напряжением

Каждый кабель обладает определенным погонным сопротивлением. Если входной импеданс последнего элемента в цепи — устройства обработки сигна­ла — не бесконечность, то по кабелю будет протекать ток и в результате про­изойдет падение напряжения. Если изменяется амплитуда сигнала, то некото­рый ток потечет между проводами из-за распределенных емкостей. Следовательно, разумно всегда считаться с некоторым падением напряжения на линии передачи. Требование, чтобы устройства обработки имели высокий вход­ной импеданс, приводит к тому, что они очень чувствительны к помехам. Следо­вательно, напряжение не слишком пригодно для передачи данных в случаях, когда могут быть заметные помехи.

Одним из способов передачи сигнала напряжением является организация трехпроводной системы (рис.7). По одному проводу течет постоянный ток для пита­ния датчика, по другому поступают сигналы от датчика к согласующим и обраба­тывающим устройствам, а третий провод является общим для обоих контуров. По двум проводам течет постоянный ток; по сигнальному проводу ток не течет, следо­вательно, нет падения напряжения. Преимущество этого решения в том, что изменения сопротивления сигнального провода, например из-за колебаний температуры, не сказываются на сигнале: по этому проводу не протекает ток и, следовательно, на нем нет падения напряжения. Чувствительность к внешним помехам остается, однако, неизменной.

Рис. 7. Подключение датчика в трехпроводной цепи

Главная причина популярности напряжения для передачи сигналов — это, с од­ной стороны, присущая этому методу простота, а с другой — широкая доступность устройств для усиления, фильтрации и других видов обработки. Например, если необходимо, чтобы один и тот же сигнал поступил на вход нескольких схем, доста­точно соединить эти схемы параллельно (с учетом входного импеданса).

Для передачи сигнала на значительное расстояние лучше использовать не напря­жение, а ток, потому что он остается постоянным по длине кабеля, а напряжение па­дает из-за сопротивления кабеля. На конце кабеля токовый сигнал можно преобразо­вать в напряжение с помощью высокоточного шунтирующего резистора (рис. 8).

Рис.8. Передача аналогового сигнала по токовой петле.

При передаче токовых сигналов выходное напряжение датчика преобразуется операционным усилителем в ток. Приемник — операционный усилитель на конце цепи — в идеале должен иметь нулевой входной импеданс. Преобразователь напряжения в ток — стандартный элемент цепи. Сигнал передается по витой паре, длина которой может достигать нескольких сот метров. Шунтирующий резис­тор для преобразования тока в напряжение в диапазоне до 10 В должен иметь вели­чину порядка 500 Ом.

В действительности, им­педанс определяется шунтом и обычно имеет порядок нескольких сотен Ом. Для тока 20 мА при сопротивлении шунта 250 Ом падение напряжения будет составлять 5 В. Если источник сигнала, т. е. преобразователь напряжения в ток, имеет высокий выходной импеданс, тогда любая помеха при передаче приведет к небольшому, обыч­но допустимому падению напряжения на шунте.

Токовые сигналы, как правило, используются на низких частотах до 10 Гц. При постоянном токе и идеальной изоляции сопротивление кабеля не влияет на сиг­нал, т. е. величина тока на входе приемника — обрабатывающей схемы — такая же, как на выходе источника сигнала. При переменном токе влияние емкостного эф­фекта становится заметным и часть тока будет теряться по длине кабеля, уходя либо в обратный провод, либо в заземленный экран. Международный стандарт IEC 381 рекомендует для передачи сигналов диапазон токов 4-20 мА. Минималь­ный уровень сигнала определен как 4 мА, чтобы можно было обнаружить разрыв цепи (0 мА).

Питание и датчика, и преобразователя и передача выходного сигнала могут осу­ществляться по одной и той же паре проводов. Это можно сделать при условии, что ток, потребляемый датчиком и преобразователем, не меняется, тогда любое измене­ние тока в цепи, очевидно, отражает работу датчика. Напротив, как было сказано ра­нее, передача сигнала напряжением требует трех кабелей.

Измерительная система, использующая ток для передачи сигнала и датчик, гальванически изолированный от выходного сигнала, имеет несколько преимуществ:

— удовлетворительно работает на протяженных линиях;

-допускает простую проверку, поскольку величина тока 0 мА означает, что датчик отключен или линия разомкнута;

— обеспечивает хорошую защиту от помех;

— для системы достаточно только два провода, что позволяет снизить затраты.

Источник

Почему сигнал тока предпочтительнее сигнала напряжения для длинной аналоговой передачи?

Некоторые датчики действуют как источники тока, и я видел это несколько раз, особенно для очень длинных проводов даже на открытом воздухе, таких как лопасти. 4-20 мА тока используются вместо напряжения 0-10 В В.

Что может быть физическим объяснением этого? Как текуще более выгодно?

(Мне также интересно с точки зрения электромагнитных помех, является ли сигнал токового контура более защищенным и почему).

Пожалуйста, объясните это понятие, используя принципиальные схемы, источники тока напряжения с некоторыми компонентами. Как синфазные помехи связаны в обоих случаях и т. Д., И почему петля тока невосприимчива к шуму.

После прочтения ответов, вот что я понимаю (нажмите, чтобы увидеть диаграммы моделирования и соответствующие графики):

Я применяю взаимные помехи Vcm во всех сценариях.

В первом верхнем рисунке источник тока с импедансом 1Giga Ohm передается с помощью неуравновешенного /сбалансированного кабеля, и даже приемник с одним концом , выход невосприимчив к шуму , (1G Ом делает шум небольшим, чем меньше этот Rcur, тем больше шум на приемнике)

На среднем рисунке источник напряжения передается через неуравновешенный кабель, а приемник с одиночным концом , выход очень шумный.

В нижнем рисунке источник напряжения передается с помощью кабеля сбалансированный , а приемник с дифференциальным , а шум общего режима устраняется.

Является ли мой вывод /симуляция правильной для представления этого вопроса?

Источник

Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

Создавая систему автоматизации для того или иного технологического процесса, мы так или иначе вынуждены как-то сопрягать датчики и другие сигнальные устройства — с исполнительными устройствами, с преобразователями, с контроллерами и т. д. Последние, как правило, принимают сигнал от датчика в форме напряжения или тока определенной величины (если речь об аналоговых сигналах), или в форме импульсов с определенными временными параметрами (в случае с цифровыми сигналами).

Параметры этих электрических сигналов должны неким вполне определенным образом соответствовать параметрам физической величины, которую фиксирует датчик, чтобы управление конечным устройством получилось бы адекватным задаче автоматизации.

Безусловно, удобнее всего унифицировать аналоговые сигналы от различных датчиков, дабы контроллеры обрели универсальность, чтобы пользователю не приходилось бы для каждого датчика подбирать свой индивидуальный вид интерфейса, а для каждого интерфейса — свой датчик.

Пусть характер сигналов ввода-вывода станет унифицированным — решили разработчики, ведь при таком подходе процессы разработки систем автоматизации и блоков автоматики для промышленности сильно упростятся, а устранение неисправностей, обслуживание и модернизация оборудования станут значительно гибче. Даже если один датчик выйдет из строя, то вовсе не придется искать точно такой же, достаточно будет подобрать аналог с соответствующими выходными сигналами.

Измерения температуры среды, оборотов двигателя, давления в жидкости, механического напряжения образца, влажности воздуха и т. д. — зачастую осуществляется путем обработки непрерывных аналоговых сигналов, получаемых с соответствующих датчиков, при этом автоматически корректируется непрерывная работа сопряженного устройства: нагревательного элемента, частотного преобразователя, насоса, пресса и т. д.

В качестве аналогового сигнала наиболее часто служит либо сигнал напряжения, изменяющийся в диапазоне от 0 до 10 В, либо токовый сигнал, изменяющийся в диапазоне от 4 до 20 мА.

Управление напряжением от 0 до 10 В

Когда используется унифицированный сигнал напряжения от 0 до 10 В, то этой непрерывной последовательности напряжений от 0 до 10 В ставится в соответствие последовательность измеряемых физических величин, например давлений или температур.

Скажем, температура изменяется от -30 до +125°С, при этом напряжение изменяется от 0 до 10 В, причем 0 вольтам соответствует температура в -30°С, а 10 вольтам +125°С. Это может быть температура реагента или обрабатываемой детали, причем промежуточные значения температуры будут иметь строго определенные значения напряжения из обозначенного диапазона. Зависимость здесь не обязательно линейна.

Таким образом можно осуществлять управление различными устройствами, а также получать информацию для мониторинга. Например, радиатор с термодатчиком имеет аналоговый выход для отображения текущей температуры: 0 В — температура поверхности радиатора +25°С или ниже, 10 В — температура достигла +125°С — максимально допустимой.

Или подавая от контроллера напряжение от 0 до 10 В на аналоговый вход насоса, задаем давление газа в контейнере: 0 В — давление равно атмосферному, 5 В — давление равно 2 атм, 10 В — 4 атм. Подобным образом можно управлять нагревательными приборами, двигателями станков, клапанами и прочей арматурой и приводами различного назначения.

Управление током (токовая петля от 4 до 20 мА)

Второй вид унифицированного аналогового сигнала для управления автоматикой — токовый сигнал 4-20 мА, называемый «токовой петлей». Данный сигнал используется так же для получения сигналов от различных датчиков с целью управления исполнительными устройствами.

В отличие от сигнала напряжения, токовый характер сигнала позволяет передавать его без искажений на значительно большие расстояния, поскольку падения напряжений на линиях и на сопротивлениях автоматически компенсируются. Кроме того очень проста диагностика целостности передающих цепей — если ток есть, значит линия цела, если тока нет — имеет место обрыв. Именно по этой причине наименьшее значение 4 мА, а не 0 мА.

Итак, здесь в качестве источника энергии управляющего сигнала используется источник тока, а не источник напряжения. Соответственно, контроллер исполнительного устройства должен иметь токовый вход 4-20 мА, а преобразователь датчика — токовый выход. Допустим, имеется у частотного преобразователя управляющий токовый вход 4-20 мА, тогда при подаче на вход сигнала 4 мА или менее — управляемый привод остановится, а при подаче тока в 20 мА — разгонится на полные обороты.

Между тем, токовые выходы датчиков могут быть как активными, так и пассивными. Чаще выходы пассивные, это значит, что необходим дополнительный источник питания, который включается последовательно в цепь с датчиком и контроллером исполнительного устройства. Для датчика или контроллера с активным выходом — источник питания не потребуется, так как есть встроенный.

Аналоговая токовая петля используется сегодня в инженерной практике чаще, чем сигналы напряжения. Она может использоваться на расстояниях до нескольких километров. Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах. Из-за неидеальности источника тока, максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока.

Например при типичном напряжении питания 12 вольт сопротивление не должно превышать 600 Ом. Диапазоны токов и напряжений описаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

Средство унификации первичного сигнала — нормирующий преобразователь

Для унификации первичного сигнала с датчика — для преобразования его в напряжение от 0 до 10 В или в ток от 4 до 20 мА, — применяют так называемые нормирующие преобразователи. Такие нормирующие преобразователи выпускаются для датчиков температуры, влажности, давления, веса и т. д.

Принцип работы датчика может быть разным: емкостный, индуктивный, сопротивления, термопара и т.д. Однако выход для удобства дальнейшей обработки сигнала должен соответствовать требованиям унификации. Вот почему датчики зачастую оснащаются нормирующими преобразователями измеряемой величины в ток или в напряжение.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник