קטגוריות: מאמרים מוצגים » חשמלאים מתחילים
מספר צפיות: 166,352
הערות לכתבה: 4
חיישנים אנלוגיים: יישום, שיטות חיבור לבקר
בתהליך אוטומציה של תהליכים טכנולוגיים לבקרת מנגנונים ומכלולים יש להתמודד עם מדידות של כמויות פיזיקליות שונות. זה יכול להיות טמפרטורה, לחץ וקצב זרימה של נוזל או גז, מהירות סיבוב, עוצמת אור, מידע על מיקום חלקי המנגנונים ועוד ועוד. מידע זה מתקבל באמצעות חיישנים. כאן, תחילה על מיקום חלקי המנגנונים.
חיישנים בדידים
החיישן הפשוט ביותר הוא מגע מכני רגיל: הדלת נפתחה - המגע נפתח, סגור - סגור. חיישן פשוט כזה, כמו גם האלגוריתם של הפעולה לעיל, לעיתים קרובות משמש אזעקות אבטחה. למנגנון עם תנועה תרגומית, שיש לו שני עמדות, למשל שסתום מים, יש צורך בשני אנשי קשר: מגע אחד סגור - השסתום סגור, השני סגור - סגור.
באלגוריתם תרגומי מורכב יותר יש מנגנון לסגירת מכונת הדפוס התרמופלסטית. בתחילה, התבנית פתוחה, זו תנוחת ההתחלה. במצב זה מוסרים מהתבנית מוצרים מוגמרים. בשלב הבא העובד סוגר את גדר המגן והתבנית מתחילה להיסגר, מתחיל מחזור עבודה חדש.
המרחק בין חצאי התבנית גדול למדי. לכן בהתחלה עובש העובש במהירות, ובמרחק מסוים עד סגירת החצאים, נגרר הטריילר, מהירות התנועה מצטמצמת משמעותית והתבנית נסגרת בצורה חלקה.
אלגוריתם זה מאפשר לך להימנע ממכה כשאתה סוגר את התבנית, אחרת פשוט ניתן לקצוץ אותה לחתיכות קטנות. אותו שינוי במהירות מתרחש עם פתיחת התבנית. כאן, שני חיישני מגע אינם יכולים לעשות זאת.
לפיכך, החיישנים המבוססים על המגע הם בדידים או בינאריים, יש שני עמדות, סגורות - פתוחות או 1 ו- 0. במילים אחרות, אנו יכולים לומר שהאירוע התרחש או לא. בדוגמה לעיל מספר נקודות "נתפסות" על ידי אנשי הקשר: תחילת התנועה, נקודת הירידה במהירות, סיום התנועה.
בגיאומטריה לנקודה אין ממדים, אלא נקודה וזהו. זה יכול להיות (על דף נייר, במסלול התנועה, כמו במקרה שלנו), או שהוא פשוט לא קיים. לכן משתמשים בחיישנים נפרדים לגילוי נקודות. אולי השוואה עם נקודה כאן אינה מתאימה במיוחד, מכיוון שלמטרות מעשיות הם משתמשים בערך הדיוק של חיישן בדיד, והדיוק הזה הוא הרבה יותר מנקודה גאומטרית.
אבל מגע מכני בלבד הוא דבר לא אמין. לכן, בכל מקום אפשרי, אנשי קשר מכניים מוחלפים על ידי חיישני קרבה. האפשרות הפשוטה ביותר היא מתג קנה: המגנט קרוב, המגע סגור. דיוק פעולת מתג הקנה משאיר הרבה רצוי: שימוש בחיישנים כאלה נועד רק לקביעת מיקום הדלתות.
יש לשקול אפשרות מורכבת ומדויקת יותר למגוון חיישני קרבה. אם דגל המתכת נכנס לחריץ, החיישן עבד. כדוגמה לחיישנים כאלה ניתן לציין חיישני BVK (מתג סוף ללא מגע) מסדרות שונות. דיוק הפעולה (הפרשי שבץ) של חיישנים כאלה הוא 3 מילימטרים.
איור 1. חיישן סדרת BVK
מתח האספקה של חיישני BVK הוא 24 וולט, זרם העומס הוא 200mA, וזה די מספיק כדי לחבר ממסרי ביניים לצורך תיאום נוסף עם מעגל הבקרה. כך משתמשים בחיישני BVK במכשירים שונים.
בנוסף לחיישני BVK, משתמשים גם בחיישנים מסוג BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. לכל סדרה ישנם כמה סוגים של חיישנים, המסומנים על ידי מספרים, למשל, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
כל החיישנים שהוזכרו אינם בדידים ללא מגע, מטרתם העיקרית היא לקבוע את מיקום חלקי המנגנונים וההרכבות. באופן טבעי, ישנם הרבה יותר מהחיישנים האלה: אינך יכול לכתוב על כולם במאמר אחד. חיישני מגע שונים נפוצים עדיין ועדיין מוצאים שימוש נרחב.
שימוש בחיישנים אנלוגיים
בנוסף לחיישנים נפרדים במערכות אוטומציה, משתמשים בחיישנים אנלוגיים באופן נרחב. מטרתם להשיג מידע על כמויות פיזיות שונות, ולא סתם כך, אלא בזמן אמת. ליתר דיוק, המרת כמות פיזית (לחץ, טמפרטורה, תאורה, זרימה, מתח, זרם) לאות חשמלי המתאים להעברה דרך קווי תקשורת לבקר והמשך עיבודו.
חיישנים אנלוגיים ממוקמים בדרך כלל די רחוק מהבקר, וזו הסיבה שהם נקראים לעתים קרובות מכשירי שדה. מונח זה משמש לעתים קרובות בספרות הטכנית.
חיישן אנלוגי מורכב בדרך כלל מכמה חלקים. החלק החשוב ביותר הוא האלמנט הרגיש - חיישן. מטרתו להמיר את הערך הנמדד לאות חשמלי. אך בדרך כלל האות שמתקבל מהחיישן קטן. כדי להשיג אות המתאימה להגברה, החיישן כלול לרוב במעגל הגשר - גשר ויטסטון.
איור 2. גשר Wheatstone
המטרה הראשונית של מעגל הגשר היא מדידה מדויקת של ההתנגדות. מקור DC מחובר לאלכסון של גשר AD. גלוונומטר רגיש עם נקודת אמצע, עם אפס באמצע הסולם, מחובר לאלכסון אחר. כדי למדוד את ההתנגדות של הנגד Rx על ידי סיבוב של הנגד הגזום R2, יש לאזן את הגשר, יש לכוון את חץ הגלווניומטר לאפס.
סטיית חץ המכשיר בכיוון זה או אחר מאפשרת לקבוע את כיוון הסיבוב של הנגד R2. ערך ההתנגדות הנמדדת נקבע בסולם בשילוב הידית של הנגד R2. תנאי שיווי המשקל לגשר הוא שוויון היחסים R1 / R2 ו- Rx / R3. במקרה זה, בין הנקודות לפני הספירה מתקבל הפרש פוטנציאל אפס, והזרם אינו זורם דרך הגלוונומטר V.
ההתנגדות של הנגדים R1 ו- R3 נבחרת בצורה מדויקת מאוד, התפשטותם צריכה להיות מינימלית. רק במקרה זה, אפילו חוסר איזון קטן בגשר גורם לשינוי בולט במתח האלכסון לפני הספירה. זה המאפיין הזה של הגשר שמשמש לחיבור אלמנטים רגישים (חיישנים) של חיישנים אנלוגיים שונים. ובכן, אז הכל פשוט, עניין של טכנולוגיה.
כדי להשתמש באות שמתקבל מהחיישן, נדרש עיבוד נוסף, - הגברה והמרה לאות פלט המתאימים להעברה ועיבוד על ידי מעגל הבקרה - הבקר. לרוב, אות הפלט של חיישנים אנלוגיים הוא זרם (לולאה של זרם אנלוגי), לעתים קרובות פחות מתח.
למה בדיוק הזרם? העובדה היא כי שלבי הפלט של חיישנים אנלוגיים מבוססים על מקורות נוכחיים. זה מאפשר לך להיפטר מההשפעה על אות הפלט של ההתנגדות של קווי החיבור, להשתמש בקווי חיבור באורך גדול.
המרה נוספת היא די פשוטה. האות הנוכחי מומר למתח שעבורו מספיק להעביר את הזרם דרך נגן בעל התנגדות ידועה. ירידת המתח על פני הנגד המדיד מתקבלת על פי חוק אוהם U = I * R.
לדוגמה, לזרם של 10 מגה אמ"ט בנגד עם התנגדות של 100 אוהם, אתה מקבל מתח של 10 * 100 = 1000 מגה וולט, ממש יש וולט שלם! במקרה זה, זרם היציאה של החיישן אינו תלוי בהתנגדות של חוטי החיבור. בגבולות סבירים, כמובן.
חיבור חיישנים אנלוגיים
ניתן להמיר בקלות את המתח שמתקבל בנגד המדידה לצורה דיגיטלית המתאימה לכניסה לבקר. ההמרה מתבצעת באמצעות ממירים אנלוגיים לדיגיטליים ADC.
נתונים דיגיטליים מועברים לבקר בקוד סדרתי או מקביל.הכל תלוי במעגל המיתוג הספציפי. תרשים חיבור פשוט יותר של החיישן האנלוגי מוצג באיור 3.
איור 3. חיבור חיישן אנלוגי (לחץ על התמונה להגדלה)
מפעילים מחוברים לבקר, או שהבקר עצמו מחובר למחשב שהוא חלק ממערכת האוטומציה.
באופן טבעי, לחיישנים האנלוגיים יש עיצוב מוגמר, שאחד האלמנטים שבהם הוא בית עם אלמנטים מחברים. כדוגמה, איור 4 מראה את המראה של חיישן לחץ מד מסוג Probe-10.
איור 4. לחץ יתר על חיישן Probe-10
בתחתית החיישן ניתן לראות את חוט החיבור לחיבור לצינור, ומימין מתחת לכיסוי השחור יש מחבר לחיבור קו תקשורת עם הבקר.
החיבור המושחל אטום במכונת כביסה העשויה מנחושת חרוטה (כלולה בהיקף מסירת החיישן), ובשום אופן לא מתפתלת מקלטת פום או פשתן. זה נעשה כך שבעת התקנת החיישן, אל תעוות את גוף החיישן שנמצא בפנים.
תפוקות חיישן אנלוגי
על פי התקנים, ישנם שלושה טווחים של איתותי זרם: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA ו- 4 ... 20mA. מה ההבדל ביניהם, ומה התכונות?
לרוב, התלות של זרם היציאה עומדת ביחס ישר לערך הנמדד, למשל, ככל שהלחץ בצינור גבוה יותר, כך הזרם בפלט החיישן גדול יותר. למרות שלעתים משתמשים במיתוג הפוך: ערך גדול יותר של זרם היציאה מתאים לערך המינימלי של הערך הנמדד ביציאת החיישן. הכל תלוי בסוג הבקר המשמש. חיישנים מסוימים אפילו עוברים מהישיר להיפוך.
אות הפלט של הטווח 0 ... 5mA הוא קטן מאוד, ולכן נתון להפרעה. אם האות של חיישן כזה משתנה בערך קבוע של הפרמטר שנמדד, כלומר, מומלץ להתקין קבל עם קיבול של 0.1 ... 1 μF במקביל לפלט של החיישן. יציב יותר הוא האות הנוכחי בטווח 0 ... 20mA.
אך שני הטווחים הללו אינם טובים מכיוון שהאפס בתחילת הסקאלה אינו מאפשר לנו לקבוע באופן חד משמעי מה קרה. או שמא האות המדוד לקח למעשה אפס, מה שאפשר עקרוני, או שפשוט קו התקשורת נותק? לכן, הם מנסים לנטוש את השימוש בטווחים אלה, במידת האפשר.
האות של חיישנים אנלוגיים עם זרם יציאה בטווח של 4 ... 20 mA נחשב לאמין יותר. חסינות הרעש שלו גבוהה למדי, והגבול התחתון, גם אם לאות הנמדד יש רמת אפס, יהיה 4 mA, מה שמאפשר לנו לומר שקו התקשורת לא נשבר.
מאפיין טוב נוסף של טווח 4 ... 20mA הוא שניתן לחבר את החיישנים לשני חוטים בלבד, מכיוון שהחיישן עצמו מופעל על ידי זרם זה. זהו הצריכה הנוכחית שלו ובו זמנית אות מדידה.
מקור הכוח לחיישנים בטווח 4 ... 20mA מופעל, כפי שמוצג באיור 5. במקביל, לחיישני Zond-10, כמו רבים אחרים, יש מגוון רחב של מתח אספקה 10 ... 38V לפי הדרכון, למרות שהם משמשים לרוב מקורות מיוצבים עם מתח של 24 וולט.
איור 5. חיבור חיישן אנלוגי עם מקור כוח חיצוני
האלמנטים והסימון הבאים מופיעים בתרשים זה. Rш הוא הנגד של כוונון המדידה, Rl1 ו- Rl2 הם ההתנגדות של קווי תקשורת. כדי להגדיל את דיוק המדידה, יש להשתמש בנגד מדידה מדויק כ- Rш. מעבר הזרם ממקור הכוח מסומן על ידי חיצים.
קל לראות כי זרם הפלט של מקור הכוח עובר מסוף + 24V, דרך קו Rl1 הוא מגיע למסוף חיישן + AO2, עובר דרך החיישן ודרך מסוף פלט החיישן - AO2, קו החיבור Rl2, הנגד Rш חוזר למסוף אספקת החשמל -24V. הכל, המעגל סגור, הזרם זורם.
אם הבקר מכיל ספק כוח 24 וולט, חיבור החיישן או מתמר המדידה אפשרי לפי הסכימה המוצגת באיור 6.
איור 6. חיבור חיישן אנלוגי לבקר עם מקור כוח פנימי
דיאגרמה זו מציגה אלמנט נוסף - נגן נטל Rb. מטרתו להגן על נגדי המדידה כאשר קו התקשורת סגור או כשאתה מתקלה בחיישן האנלוגי. התקנת נגן RB היא אופציונלית, אם כי רצויה.
בנוסף לחיישנים שונים יש גם תפוקת מדידה, המשמשת לעתים קרובות במערכות אוטומציה.
מתמר מדידה - מכשיר להמרת רמות מתח, למשל, 220 וולט או זרם של כמה עשרות או מאות אמפר לאות זרם של 4 ... 20 mA. כאן, המרת רמת האות החשמלית פשוט מתרחשת ולא ייצוג של כמות פיזית כלשהי (מהירות, קצב זרימה, לחץ) בצורה חשמלית.
אבל החיישן היחיד, ככלל, אינו מספיק. אחת המדידות הפופולריות ביותר היא מדידות טמפרטורה ולחץ. מספר נקודות כאלה בייצור מודרני יכול להגיע לכמה עשרות אלפים. בהתאם, גם מספר החיישנים גדול. לפיכך, מספר חיישנים אנלוגיים מחוברים לרוב לבקר אחד בו-זמנית. כמובן, לא כמה אלפים בבת אחת, זה טוב אם תריסר שונים זה מזה. חיבור כזה מוצג באיור 7.
איור 7. חיבור חיישנים אנלוגיים מרובים לבקר
איור זה מראה כיצד מתח המתאים להמרה לקוד דיגיטלי מתקבל מאותות זרם. אם יש כמה אותות כאלה, הם לא מעובדים בבת אחת, אלא מופרדים על ידי זמן, מרובים, אחרת, יהיה צורך לשים ADC נפרד בכל ערוץ.
למטרה זו, לבקר יש ערוצי מיתוג מעגליים. התרשים התפקודי של המתג מוצג באיור 8.
איור 8. מתג ערוצי חיישנים אנלוגיים (תמונה שניתן ללחוץ עליה)
האותות של לולאת הזרם, המומרים למתח בנגד המדידה (UR1 ... URn), מוזנים לכניסה של המתג האנלוגי. אותות הבקרה עוברים לסירוגין את אחד האותות UR1 ... URn, המוגברים על ידי המגבר, ומוזנים לסירוגין לכניסה ADC. המתח המומר לקוד דיגיטלי מסופק לבקר.
התוכנית, כמובן, מאוד מפושטת, אך בהחלט ניתן לקחת בחשבון את העיקרון של ההכפלה בה. כך נבנה המודול להכנסת אותות אנלוגיים מבקרי ה- MSTS (מערכת מעבדה של חומרה לחומרה) שנבנתה על ידי מחשב Prolog Smolensk. המראה של בקר ה- MCTC מוצג באיור 9.
איור 9. בקר ICTS
שחרורם של בקרים מסוג זה הופסק זה מכבר, אם כי במקומות מסוימים רחוקים מהטובים ביותר, בקרים אלה עדיין משמשים. תערוכות מוזיאון אלה מוחלפות על ידי בקרים של דגמים חדשים, בעיקר של ייצור מיובא (סיני).
כדי לחבר חיישני זרם 4 ... 20mA, מומלץ להשתמש בכבל מסוכך דו-חוטי עם חתך ליבה של לפחות 0.5 מ"מ 2.
אם הבקר מותקן בארון מתכת, מומלץ לחבר צמות מיגון לנקודת האדמה של הארון. אורך קווי החיבור יכול להגיע ליותר משני ק"מ המחושב על ידי הנוסחאות המתאימות. לא נשקול כאן שום דבר, אבל תאמינו לי שכך.
חיישנים חדשים, בקרים חדשים
עם כניסתם של בקרים חדשים, חיישנים אנלוגיים חדשים של HART (מתמר מרחוק ניתני לכביש) שמתרגם כ"מדוד מתמר ניתן לניתוק מרחוק דרך תא המטען ".
אות הפלט של החיישן (מכשיר שדה) הוא אות זרם אנלוגי בטווח 4 ... 20 mA, עליו מונח אות תקשורת דיגיטלית עם מודול תדר (FSK - Frequency Shift Keying).
איור 10. פלט חיישן אנלוגי של HART
בתמונה מופיע אות אנלוגי, ומסביבו, כמו נחש, סלילי סינוסואידים. זהו אות שמוונן תדר.אבל זה בכלל לא אות דיגיטלי, הוא טרם הוכר. באיור ניתן לראות כי תדירות הסינוסואיד בעת העברת אפס לוגי גבוהה יותר (2.2KHz) מאשר בעת העברת יחידה (1.2KHz). העברת האותות הללו מתבצעת על ידי זרם עם משרעת של צורה סינוסואידית של ± 0.5 mA.
ידוע כי הערך הממוצע של האות הסינוסואידי הוא אפס, לכן העברת המידע הדיגיטלי אינה משפיעה על זרם היציאה של החיישן 4 ... 20 mA. מצב זה משמש בעת הגדרת חיישנים.
תקשורת HART נעשית בשתי דרכים. במקרה הראשון, התקן, רק שני מכשירים יכולים להחליף מידע באמצעות קו דו-חוטי, ואילו האות האנלוגי היוצא 4 ... 20mA תלוי בערך הנמדד. מצב זה משמש בעת הגדרת התקני שדה (חיישנים).
במקרה השני, ניתן לחבר עד 15 חיישנים לקו הדו-חוטים, שמספרם נקבע על ידי הפרמטרים של קו התקשורת וכוח אספקת החשמל. זהו מצב טיפה רב. במצב זה, לכל חיישן כתובת משלו בטווח 1 ... 15, אליו מכשיר הבקרה ניגש אליו.
החיישן עם כתובת 0 מנותק מקו התקשורת. חילופי נתונים בין החיישן למכשיר הבקרה במצב ריבוי נקודות מתבצע רק על ידי אות תדר. האות הנוכחי של החיישן קבוע ברמה הנדרשת ואינו משתנה.
במקרה של תקשורת מרובת-נקודות, נתונים מיועדים לא רק לתוצאות בפועל של מדידות של הפרמטר המבוקר, אלא גם מערך שלם של כל מיני מידע אודות השירות.
קודם כל, אלה הכתובות של חיישנים, פקודות בקרה, הגדרות. וכל המידע הזה מועבר באמצעות קווי תקשורת דו-חוטיים. אך האם ניתן להיפטר מהם? נכון, יש לעשות זאת בזהירות, רק במקרים בהם החיבור האלחוטי אינו יכול להשפיע על אבטחת התהליך המבוקר.
מסתבר שאפשר להיפטר מהחוטים. כבר בשנת 2007 פורסם התקן WirelessHART, אמצעי ההעברה הוא התדר ללא רישיון של 2.4 ג'יגה הרץ, הפועל על מכשירים אלחוטיים רבים במחשב, כולל רשתות אלחוטיות מקומיות. לכן ניתן להשתמש במכשירי WirelessHART ללא הגבלות. איור 11 מציג את הרשת האלחוטית WirelessHART.
איור 11. איור אלחוטי WirelessHART
טכנולוגיות אלה החליפו את הלולאה הנוכחית האנלוגית הישנה. אבל היא לא מוותרת על עמדתה, משתמשים בה נרחב בכל מקום אפשרי.
בוריס אלאדישקין
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: