Zunifikowane sygnały analogowe w systemach automatyki

Kiedy tworzymy system automatyki dla określonego procesu technologicznego, musimy jakoś połączyć czujniki i inne urządzenia sygnalizacyjne — z elementami wykonawczymi, z przetwornikami, ze sterownikami itp. Te ostatnie z reguły odbierają sygnał z czujnika w postaci napięcia lub prądu o określonej wielkości (w przypadku sygnałów analogowych) lub w postaci impulsów o określonych parametrach czasowych (w przypadku sygnałów cyfrowych).

Parametry tych sygnałów elektrycznych muszą w jakiś bardzo określony sposób odpowiadać parametrom wielkości fizycznej, którą ustala czujnik, tak aby sterowanie urządzeniem końcowym było odpowiednie do zadania automatyzacji.

Oczywiście najwygodniej jest ujednolicić sygnały analogowe z różnych czujników, dzięki czemu sterowniki zyskują elastyczność, dzięki czemu użytkownik nie musi wybierać swojego indywidualnego typu interfejsu dla każdego czujnika i własnego czujnika dla każdego interfejsu.

Twórcy postanowili, że charakter sygnałów wejścia-wyjścia zostanie ujednolicony, ponieważ dzięki takiemu podejściu rozwój systemów automatyki i bloków automatyki dla przemysłu zostanie znacznie uproszczony, a rozwiązywanie problemów, konserwacja i modernizacja sprzętu staną się znacznie łatwiejsze - elastyczne. Nawet jeśli jeden czujnik ulegnie awarii, wcale nie trzeba szukać dokładnie tego samego, wystarczy wybrać analog z odpowiednimi sygnałami wyjściowymi.

Pomiary temperatury otoczenia, prędkości obrotowej silnika, ciśnienia płynu, naprężenia mechanicznego próbki, wilgotności powietrza itp. — są często realizowane poprzez przetwarzanie ciągłych sygnałów analogowych odbieranych z odpowiednich czujników, podczas gdy ciągła praca podłączonego urządzenia jest automatycznie korygowana: element grzejny, przetwornica częstotliwości, pompa, prasa itp.

Najpopularniejszym sygnałem analogowym jest sygnał napięciowy w zakresie od 0 do 10 V lub sygnał prądowy w zakresie od 4 do 20 mA.

Regulacja napięcia od 0 do 10 V

Gdy używany jest zunifikowany sygnał napięciowy od 0 do 10 V, to ciągła sekwencja napięć od 0 do 10 V jest powiązana z szeregiem mierzonych wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie lub temperatura.

Załóżmy, że temperatura zmienia się od -30 do +125°C, podczas gdy napięcie zmienia się od 0 do 10 V, przy czym 0 woltów odpowiada temperaturze -30°C, a 10 woltów temperaturze +125°C. reagenta lub przedmiotu obrabianego, a wartości temperatur pośrednich będą miały ściśle określone wartości napięcia z określonego zakresu. Tutaj zależność niekoniecznie jest liniowa.

W ten sposób można sterować różnymi urządzeniami, a także uzyskiwać informacje z monitoringu. Np. grzejnik z czujnikiem termicznym ma wyjście analogowe do wyświetlania aktualnej temperatury: 0 V — temperatura powierzchni grzejnika wynosi +25°C lub mniej, 10 V — temperatura osiągnęła +125°C — maksymalne dopuszczalne.

Lub podając napięcie od 0 do 10 V ze sterownika na wejście analogowe pompy, regulujemy ciśnienie gazu w pojemniku: 0 V — ciśnienie jest równe atmosferycznemu, 5 V — ciśnienie wynosi 2 atm, 10 V — 4 atm podobnie można sterować urządzeniami grzewczymi, maszynami do cięcia metalu, zaworami i innymi armaturami oraz siłownikami o różnym przeznaczeniu.

Sterowanie prądem (pętla prądowa od 4 do 20 mA)

Drugim typem zunifikowanego sygnału analogowego do sterowania automatyką jest sygnał prądowy 4-20 mA zwany „pętlą prądową”. Sygnał ten jest również wykorzystywany do odbierania sygnałów z różnych czujników w celu sterowania napędami.

W przeciwieństwie do sygnału napięciowego, prądowy charakter sygnału pozwala na przesyłanie go bez zniekształceń na znacznie większe odległości, ponieważ napięcie sieciowe spada, a rezystancje są automatycznie kompensowane. Ponadto bardzo łatwo jest zdiagnozować integralność obwodów transmisyjnych — jeśli jest prąd, linia jest nienaruszona, jeśli nie ma prądu, obwód jest otwarty. Z tego powodu najmniejsza wartość to 4 mA, a nie 0 mA.

Więc tutaj źródło prądu jest używane jako źródło zasilania dla sygnału sterującego, a nie źródło napięcia. W związku z tym sterownik napędu musi mieć wejście prądowe 4-20 mA, a przetwornik czujnika musi mieć wyjście prądowe.Załóżmy, że przetwornica częstotliwości ma wejście prądu sterującego 4-20 mA, to kiedy do wejścia zostanie przyłożony sygnał 4 mA lub mniejszy, sterowany przemiennik zatrzyma się, a po przyłożeniu prądu 20 mA przyspieszy do pełna prędkość.

Tymczasem wyjścia czujników prądu mogą być zarówno aktywne, jak i pasywne. Najczęściej wyjścia są pasywne, co oznacza, że ​​wymagane jest dodatkowe zasilanie, które jest połączone szeregowo z czujnikiem i sterownikiem napędu. Czujnik lub sterownik z aktywnym wyjściem nie wymaga zasilania, ponieważ jest wbudowany.

Analogowa pętla prądowa jest obecnie częściej stosowana w inżynierii niż sygnały napięciowe. Może być używany na odległościach do kilku kilometrów. Do ochrony sprzętu stosuje się galwaniczną izolację urządzeń optoelektronicznych, takich jak transoptory. Ze względu na niedoskonałość źródła prądowego maksymalna dopuszczalna długość linii (i maksymalna rezystancja linii) zależy od napięcia, z którego zasilane jest źródło prądowe.

Na przykład przy typowym napięciu zasilania 12 woltów rezystancja nie powinna przekraczać 600 omów. Zakresy prądów i napięć opisano w GOST 26.011-80 „Pomiary i automatyzacja. Wejście i wyjście ciągłego prądu elektrycznego i napięcia”.

Podstawowe narzędzie do unifikacji sygnału — konwerter normalizacji

Aby ujednolicić sygnał pierwotny z czujnika — zamienić go na napięcie od 0 do 10 V lub na prąd od 4 do 20 mA, stosuje się tzw. konwertery normalizujące… Te konwertery standaryzacyjne są dostępne dla temperatury, wilgotności, ciśnienia, wagi itp.

Zasada działania czujnika może być różna: pojemnościowa, indukcyjna, rezystancyjna, termopara itp. Jednak dla wygody w dalszym przetwarzaniu sygnału wyjście musi spełniać wymogi unifikacji. Dlatego często czujniki wyposażone są w standardowe przetworniki wartości mierzonej na prąd lub napięcie.