Povezivanje 4 u 1 senzora na kontroler. Analogni senzori: primjena, načini povezivanja na kontroler. Sistem se sastoji od

Ovdje sam posebno pokrenuo tako važno praktično pitanje kao što je povezivanje induktivnih senzora s tranzistorskim izlazom, koji su sveprisutni u modernoj industrijskoj opremi. Osim toga, date su prave upute za senzore i veze do primjera.

Princip aktivacije (radnja) senzora može biti bilo koji - induktivni (blizina), optički (fotoelektrični) itd.

U prvom dijelu opisane su moguće opcije za izlaze senzora. Ne bi trebalo biti problema sa povezivanjem senzora sa kontaktima (relejni izlaz). Ali s tranzistorskim i povezivanjem na kontroler nije sve tako jednostavno.

Šeme povezivanja za PNP i NPN senzore

Razlika između PNP i NPN senzora je u tome što oni prebacuju različite polove izvora napajanja. PNP (od riječi “pozitivan”) prebacuje pozitivni izlaz napajanja, NPN – negativan.

Ispod su, kao primjer, dijagrami za povezivanje senzora s tranzistorskim izlazom. Učitavanje – u pravilu je to ulaz kontrolera.

Senzor. Opterećenje (Load) je stalno povezano na “minus” (0V), napajanje diskretnog “1” (+V) se uključuje preko tranzistora. NO ili NC senzor – ovisi o upravljačkom krugu (glavni krug)

Senzor. Opterećenje (Load) je stalno povezano na “plus” (+V). Ovdje je aktivni nivo (diskretni “1”) na izlazu senzora nizak (0V), dok se opterećenje napaja preko otvorenog tranzistora.

Pozivam sve da se ne zbune; rad ovih šema bit će detaljno opisan u nastavku.

Dijagrami ispod pokazuju u osnovi istu stvar. Naglasak je stavljen na razlike u PNP i NPN izlaznim krugovima.

Dijagrami povezivanja za izlaze NPN i PNP senzora

Na lijevoj slici je senzor sa izlaznim tranzistorom NPN. Uključuje se zajednička žica, koja je u ovom slučaju negativna žica izvora napajanja.

Desno je kućište sa tranzistorom PNP na izlazu. Ovaj slučaj je najčešći, jer je u modernoj elektronici uobičajeno da se negativna žica napajanja učini uobičajenom, a aktiviraju se ulazi kontrolera i drugih uređaja za snimanje s pozitivnim potencijalom.

Kako provjeriti induktivni senzor?

Da biste to učinili, morate ga napajati, odnosno spojiti na strujni krug. Zatim – aktivirati (pokrenuti). Kada se aktivira, indikator će zasvijetliti. Ali indikacija ne garantuje ispravan rad induktivnog senzora. Morate spojiti opterećenje i izmjeriti napon na njemu da biste bili 100% sigurni.

Zamjena senzora

Kao što sam već napisao, u osnovi postoje 4 tipa senzora s tranzistorskim izlazom, koji su podijeljeni prema unutrašnjoj strukturi i sklopnom krugu:

• PNP NO
• PNP NC
• NPN NO
• NPN NC

Sve ove vrste senzora mogu se međusobno zamijeniti, tj. oni su zamjenjivi.

Ovo se implementira na sljedeće načine:

• Izmjena uređaja za iniciranje - konstrukcija je mehanički promijenjena.
• Promjena postojećeg spojnog kruga senzora.
• Promjena tipa izlaza senzora (ako postoje takvi prekidači na tijelu senzora).
• Reprogramiranje programa – promjena aktivnog nivoa datog ulaza, promjena algoritma programa.

Ispod je primjer kako možete zamijeniti PNP senzor sa NPN promjenom dijagrama povezivanja:

PNP-NPN šeme zamjenjivosti. Na lijevoj strani je originalni dijagram, na desnoj je modificirani.

Razumijevanje rada ovih kola pomoći će vam da shvatite činjenicu da je tranzistor ključni element koji se može predstaviti običnim relejnim kontaktima (primjeri su ispod u notaciji).

Dakle, evo dijagrama na lijevoj strani. Pretpostavimo da je tip senzora NE. Tada (bez obzira na vrstu tranzistora na izlazu), kada senzor nije aktivan, njegovi izlazni "kontakti" su otvoreni i kroz njih ne teče struja. Kada je senzor aktivan, kontakti su zatvoreni, sa svim posljedicama. Tačnije, sa strujom koja teče kroz ove kontakte)). Struja koja teče stvara pad napona na opterećenju.

Unutrašnje opterećenje je s razlogom prikazano isprekidanom linijom. Ovaj otpornik postoji, ali njegovo prisustvo ne garantuje stabilan rad senzora; senzor mora biti povezan na ulaz kontrolera ili drugo opterećenje. Otpor ovog ulaza je glavno opterećenje.

Ako u senzoru nema unutrašnjeg opterećenja, a kolektor "visi u zraku", onda se to naziva "otvoreni kolektorski krug". Ovaj krug radi SAMO sa povezanim opterećenjem.

Dakle, u kolu sa PNP izlazom, kada je aktiviran, napon (+V) se dovodi na ulaz kontrolera kroz otvoreni tranzistor i on se aktivira. Kako možemo postići isto s NPN izlazom?

Postoje situacije kada traženi senzor nije pri ruci, a mašina mora raditi "odmah".

Gledamo promjene na dijagramu sa desne strane. Prije svega, osiguran je način rada izlaznog tranzistora senzora. Da biste to učinili, u krug se dodaje dodatni otpornik, njegov otpor je obično oko 5,1 - 10 kOhm. Sada, kada senzor nije aktivan, napon (+V) se dovodi na ulaz kontrolera preko dodatnog otpornika, a ulaz kontrolera je aktiviran. Kada je senzor aktivan, na ulazu kontrolera postoji diskretna "0", budući da je ulaz kontrolera šantovan otvorenim NPN tranzistorom i skoro sva struja dodatnog otpornika prolazi kroz ovaj tranzistor.

U tom slučaju dolazi do preusmjeravanja rada senzora. Ali senzor radi u načinu rada, a kontroler prima informacije. U većini slučajeva to je dovoljno. Na primjer, u režimu brojanja impulsa - tahometar ili broj radnih komada.

Da, nije baš ono što smo željeli, a šeme zamjenjivosti za npn i pnp senzore nisu uvijek prihvatljive.

Kako postići punu funkcionalnost? Metoda 1 – mehanički pomeriti ili prepraviti metalnu ploču (aktivator). Ili svjetlosni jaz, ako govorimo o optičkom senzoru. Metoda 2 – reprogramirajte ulaz kontrolera tako da diskretno “0” bude aktivno stanje kontrolera, a “1” pasivno stanje. Ako imate laptop pri ruci, onda je drugi način i brži i lakši.

Simbol senzora blizine

U dijagramima strujnih kola induktivni senzori (senzori blizine) su različito označeni. Ali glavna stvar je da postoji kvadrat rotiran za 45° i dvije okomite linije u njemu. Kao na dijagramima prikazanim ispod.

NEMA NC senzora. Šematski dijagrami.

Na gornjem dijagramu nalazi se normalno otvoreni (NO) kontakt (konvencionalno označen PNP tranzistor). Drugi krug je normalno zatvoren, a treći krug su oba kontakta u jednom kućištu.

Kodiranje u boji senzorskih vodova

Postoji standardni sistem označavanja senzora. Trenutno ga se pridržavaju svi proizvođači.

Međutim, prije instalacije, dobro je provjeriti je li veza ispravna tako što ćete pogledati priručnik za povezivanje (upute). Osim toga, u pravilu su boje žica naznačene na samom senzoru, ako njegova veličina dopušta.

Ovo je oznaka.

• Plava – Snaga minus
• Smeđa – Plus
• Crna – Izlaz
• Bijela – drugi izlaz, ili kontrolni ulaz, morate pogledati uputstva.

Sistem označavanja induktivnih senzora

Tip senzora je označen digitalno-abecednim kodom, koji kodira glavne parametre senzora. Ispod je sistem označavanja za popularne Autonics senzore.

Preuzmite upute i priručnike za neke vrste induktivnih senzora: Susrećem se na poslu.

Hvala svima na pažnji, radujem se pitanjima o povezivanju senzora u komentarima!

U procesu automatizacije tehnoloških procesa za upravljanje mehanizmima i jedinicama potrebno je pozabaviti se mjerenjima različitih fizičkih veličina. To može biti temperatura, pritisak i protok tekućine ili plina, brzina rotacije, intenzitet svjetlosti, informacije o položaju dijelova mehanizama i još mnogo toga. Ove informacije se dobijaju pomoću senzora. Ovdje, prvo, o položaju dijelova mehanizama.

Diskretni senzori

Najjednostavniji senzor je običan mehanički kontakt: vrata se otvaraju - kontakt se otvara, zatvara - zatvara se. Ovako jednostavan senzor, kao i zadati algoritam rada, često... Za mehanizam s translatornim kretanjem, koji ima dva položaja, na primjer vodeni ventil, trebat će vam dva kontakta: jedan kontakt je zatvoren - ventil je zatvoren, drugi je zatvoren - zatvoren je.

Složeniji algoritam za translatorno kretanje ima mehanizam za zatvaranje termoplastičnog kalupa automatske mašine. U početku je kalup otvoren, ovo je početna pozicija. U ovom položaju gotovi proizvodi se vade iz kalupa. Zatim, radnik zatvara zaštitni štitnik i kalup počinje da se zatvara i počinje novi ciklus rada.

Razmak između polovica kalupa je prilično velik. Stoga se u početku kalup brzo kreće, a na određenoj udaljenosti prije nego što se polovice zatvore, aktivira se granični prekidač, brzina kretanja se značajno smanjuje i kalup se glatko zatvara.

Ovaj algoritam vam omogućava da izbjegnete udarce prilikom zatvaranja kalupa, inače se može jednostavno razbiti na male komadiće. Ista promjena brzine se dešava prilikom otvaranja kalupa. Ovdje dva kontaktna senzora više nisu dovoljna.

Dakle, senzori bazirani na kontaktu su diskretni ili binarni, imaju dva položaja, zatvorena - otvorena ili 1 i 0. Drugim riječima, možemo reći da se neki događaj dogodio ili ne. U gornjem primjeru, nekoliko tačaka je „uhvaćeno“ kontaktima: početak kretanja, tačka smanjenja brzine, kraj kretanja.

U geometriji tačka nema dimenzije, samo tačka i to je to. Može biti (na komadu papira, u putanji kretanja, kao u našem slučaju) ili jednostavno ne postoji. Stoga se za detekciju tačaka koriste diskretni senzori. Možda poređenje sa tačkom ovde nije baš prikladno, jer u praktične svrhe koriste tačnost odziva diskretnog senzora, a ta tačnost je mnogo veća od geometrijske tačke.

Ali sam mehanički kontakt je nepouzdan. Stoga, gdje god je to moguće, mehanički kontakti se zamjenjuju beskontaktnim senzorima. Najjednostavnija opcija su reed prekidači: magnet se približava, kontakt se zatvara. Preciznost reed prekidača ostavlja mnogo da se poželi; takve senzore treba koristiti samo za određivanje položaja vrata.

Različite beskontaktne senzore treba smatrati složenijom i preciznijom opcijom. Ako je metalna zastavica ušla u otvor, senzor se aktivirao. Primjer takvih senzora su BVK (Contactless Limit Switch) senzori različitih serija. Preciznost odziva (diferencijal putovanja) takvih senzora je 3 milimetra.

Slika 1. Senzor serije BVK

Napon napajanja BVK senzora je 24V, struja opterećenja je 200mA, što je sasvim dovoljno za povezivanje međureleja za dalju koordinaciju sa upravljačkim krugom. Ovako se BVK senzori koriste u različitoj opremi.

Pored BVK senzora koriste se i senzori tipa BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Svaka serija ima nekoliko tipova senzora, označenih brojevima, na primjer, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Svi pomenuti senzori su beskontaktno diskretni, njihova osnovna namena je da odrede položaj delova mehanizama i sklopova. Naravno, ovih senzora je mnogo više, nemoguće je pisati o svima u jednom članku. Različiti kontaktni senzori su još češći i još uvijek se široko koriste.

Primjena analognih senzora

Pored diskretnih senzora, analogni senzori se široko koriste u sistemima automatizacije. Njihova je svrha da dobiju informacije o različitim fizičkim veličinama, i to ne samo općenito, već u realnom vremenu. Preciznije, pretvaranje fizičke veličine (pritisak, temperatura, osvjetljenje, protok, napon, struja) u električni signal pogodan za prijenos komunikacijskim linijama do kontrolera i njegovu dalju obradu.

Analogni senzori se obično nalaze prilično daleko od kontrolera, zbog čega se često nazivaju terenski uređaji. Ovaj termin se često koristi u tehničkoj literaturi.

Analogni senzor se obično sastoji od nekoliko dijelova. Najvažniji dio je senzorski element - senzor. Njegova svrha je pretvaranje izmjerene vrijednosti u električni signal. Ali signal primljen od senzora je obično mali. Da bi se dobio signal pogodan za pojačanje, senzor se najčešće uključuje u premosni krug - Wheatstone most.

Slika 2. Wheatstone most

Prvobitna svrha mosnog kola je precizno mjerenje otpora. DC izvor je spojen na dijagonalu AD mosta. Na drugu dijagonalu spojen je osjetljivi galvanometar sa središnjom tačkom, sa nulom u sredini skale. Da biste izmjerili otpor otpornika Rx, rotacijom podesnog otpornika R2, trebali biste postići ravnotežu mosta i postaviti iglu galvanometra na nulu.

Odstupanje strelice instrumenta u jednom ili drugom smjeru omogućava vam da odredite smjer rotacije otpornika R2. Vrijednost izmjerenog otpora određena je skalom u kombinaciji sa ručkom otpornika R2. Uslov ravnoteže za most je jednakost odnosa R1/R2 i Rx/R3. U ovom slučaju se dobije nulta razlika potencijala između tačaka BC, a struja ne teče kroz galvanometar V.

Otpor otpornika R1 i R3 odabran je vrlo precizno, njihovo širenje treba biti minimalno. Samo u ovom slučaju, čak i mala neravnoteža mosta uzrokuje prilično primjetnu promjenu napona dijagonale BC. Upravo ovo svojstvo mosta se koristi za povezivanje osjetljivih elemenata (senzora) različitih analognih senzora. Pa, onda je sve jednostavno, stvar tehnike.

Za korištenje signala primljenog od senzora potrebna je daljnja obrada - pojačanje i konverzija u izlazni signal pogodan za prijenos i obradu od strane upravljačkog kruga - kontroler. Najčešće je izlazni signal analognih senzora struja (analogna strujna petlja), rjeđe napon.

Zašto aktuelni? Činjenica je da su izlazni stupnjevi analognih senzora izgrađeni na osnovu izvora struje. To vam omogućava da se riješite utjecaja otpora spojnih vodova na izlazni signal i koristite dugačke priključne vodove.

Dalja konverzija je prilično jednostavna. Strujni signal se pretvara u napon, za koji je dovoljno proći struju kroz otpornik poznatog otpora. Pad napona na mjernom otporniku se dobija prema Ohmovom zakonu U=I*R.

Na primjer, za struju od 10 mA na otporniku s otporom od 100 Ohm, napon će biti 10 * 100 = 1000 mV, čak 1 volt! U ovom slučaju, izlazna struja senzora ne ovisi o otporu spojnih žica. U razumnim granicama, naravno.

Povezivanje analognih senzora

Napon dobijen na mjernom otporniku može se lako pretvoriti u digitalni oblik pogodan za unos u regulator. Konverzija se vrši pomoću analogno-digitalni pretvarači ADC.

Digitalni podaci se prenose do kontrolera serijskim ili paralelnim kodom. Sve ovisi o specifičnom sklopnom krugu. Pojednostavljeni dijagram povezivanja analognog senzora prikazan je na slici 3.

Slika 3. Povezivanje analognog senzora (kliknite na sliku za povećanje)

Aktuatori su povezani sa kontrolerom, ili je sam kontroler povezan sa računarom koji je uključen u sistem automatizacije.

Naravno, analogni senzori imaju kompletan dizajn, čiji je jedan od elemenata kućište sa spojnim elementima. Kao primjer, slika 4 prikazuje izgled senzora nadtlaka tipa Zond-10.

Slika 4. Senzor nadpritiska Zond-10

Na dnu senzora se vidi spojni navoj za spajanje na cjevovod, a desno ispod crnog poklopca nalazi se konektor za povezivanje komunikacijske linije sa kontrolerom.

Navojni spoj je zapečaćen podloškom od žarenog bakra (uključeno u paket isporuke senzora), a ne namotavanjem fum trakom ili lanom. To se radi tako da se prilikom ugradnje senzora senzorski element koji se nalazi unutra ne deformiše.

Analogni izlazi senzora

Prema standardima postoje tri opsega strujnih signala: 0...5mA, 0...20mA i 4...20mA. Koja je njihova razlika, a koje karakteristike?

Najčešće je ovisnost izlazne struje direktno proporcionalna izmjerenoj vrijednosti, na primjer, što je veći tlak u cijevi, to je veća struja na izlazu senzora. Iako se ponekad koristi inverzno prebacivanje: veća izlazna struja odgovara minimalnoj vrijednosti mjerene veličine na izlazu senzora. Sve ovisi o vrsti kontrolera koji se koristi. Neki senzori čak imaju i prebacivanje s direktnog na inverzni signal.

Izlazni signal u opsegu 0...5mA je vrlo mali i stoga podložan smetnjama. Ako signal takvog senzora fluktuira dok vrijednost mjerenog parametra ostane nepromijenjena, onda se preporučuje ugradnja kondenzatora kapaciteta 0,1...1 μF paralelno s izlazom senzora. Strujni signal u opsegu 0...20mA je stabilniji.

Ali oba ova raspona su loša jer nam nula na početku skale ne dozvoljava da nedvosmisleno odredimo šta se dogodilo. Ili je izmjereni signal zaista dosegao nulti nivo, što je u principu moguće, ili je komunikacija jednostavno pukla? Stoga, ako je moguće, pokušavaju izbjeći korištenje ovih raspona.

Signal analognih senzora s izlaznom strujom u rasponu od 4...20 mA smatra se pouzdanijim. Njegova otpornost na buku je prilično visoka, a donja granica, čak i ako izmjereni signal ima nultu razinu, bit će 4 mA, što nam omogućava da kažemo da komunikacijska linija nije prekinuta.

Još jedna dobra karakteristika opsega od 4...20 mA je da se senzori mogu povezati pomoću samo dvije žice, jer je to struja koja napaja sam senzor. Ovo je njegova trenutna potrošnja i istovremeno mjerni signal.

Napajanje za senzore u opsegu 4...20mA je uključeno, kao što je prikazano na slici 5. Istovremeno, Zond-10 senzori, kao i mnogi drugi, prema njihovom tehničkom listu imaju širok raspon napona napajanja od 10 ...38V, iako se najčešće koriste sa naponom od 24V.

Slika 5. Povezivanje analognog senzora sa eksternim napajanjem

Ovaj dijagram sadrži sljedeće elemente i simbole. Rsh je mjerni šant otpornik, Rl1 i Rl2 su otpor komunikacionih vodova. Da bi se povećala tačnost mjerenja, kao Rsh treba koristiti precizni mjerni otpornik. Protok struje iz izvora napajanja prikazan je strelicama.

Lako je vidjeti da izlazna struja napajanja prolazi od +24V terminala, kroz vod Rl1 dolazi do terminala senzora +AO2, prolazi kroz senzor i kroz izlazni kontakt senzora - AO2, spojni vod Rl2, otpornik Rsh se vraća na terminal napajanja -24V. To je to, krug je zatvoren, struja teče.

Ako kontroler ima napajanje od 24V, tada je moguće povezivanje senzora ili mjernog pretvarača prema dijagramu prikazanom na slici 6.

Slika 6. Povezivanje analognog senzora na kontroler sa internim napajanjem

Ovaj dijagram prikazuje još jedan element - balastni otpornik Rb. Njegova svrha je zaštita mjernog otpornika u slučaju kratkog spoja u komunikacijskoj liniji ili kvara analognog senzora. Ugradnja otpornika Rb je opciona, iako poželjna.

Osim različitih senzora, mjerni pretvarači imaju i strujni izlaz, koji se vrlo često koriste u sistemima automatizacije.

Transducer- uređaj za pretvaranje nivoa napona, na primjer, 220V ili struje od nekoliko desetina ili stotina ampera u strujni signal od 4...20mA. Ovdje se jednostavno pretvara nivo električnog signala, a ne predstavljanje neke fizičke veličine (brzina, protok, pritisak) u električnom obliku.

Ali, u pravilu, jedan senzor nije dovoljan. Neka od najpopularnijih mjerenja su mjerenja temperature i tlaka. Broj takvih punktova u modernim fabrikama može doseći nekoliko desetina hiljada. Shodno tome, veliki je i broj senzora. Stoga se na jedan kontroler najčešće povezuje nekoliko analognih senzora odjednom. Naravno, ne nekoliko hiljada odjednom, dobro je ako je desetak različitih. Takva veza je prikazana na slici 7.

Slika 7. Povezivanje više analognih senzora na kontroler

Ova slika pokazuje kako se iz strujnog signala dobija napon pogodan za konverziju u digitalni kod. Ako postoji više takvih signala, onda se ne obrađuju svi odjednom, već se vremenski razdvoje i multipleksiraju, inače bi na svakom kanalu morao biti instaliran poseban ADC.

U tu svrhu, regulator ima sklop za uključivanje kruga. Funkcionalni dijagram prekidača prikazan je na slici 8.

Slika 8. Prekidač kanala analognog senzora (na sliku se može kliknuti)

Signali strujne petlje, pretvoreni u napon na mjernom otporniku (UR1...URn), ulaze na ulaz analognog prekidača. Upravljački signali naizmjenično prelaze na izlaz jedan od signala UR1...URn, koji se pojačavaju pojačalom, i naizmjenično dolaze na ulaz ADC-a. Napon pretvoren u digitalni kod se dovodi do kontrolera.

Shema je, naravno, vrlo pojednostavljena, ali je sasvim moguće razmotriti princip multipleksiranja u njoj. Ovako je otprilike izgrađen modul za unos analognih signala MSTS kontrolera (mikroprocesorskog sistema tehničkih sredstava) proizvedenog u Smolenskom PC-u „Prolog”. Izgled MSTS kontrolera prikazan je na slici 9.

Slika 9. MSTS kontroler

Proizvodnja ovakvih kontrolera odavno je obustavljena, iako na nekim mjestima, daleko od najboljih, ti kontroleri i dalje služe. Ove muzejske eksponate zamjenjuju kontrolori novih modela, uglavnom iz uvoza (kineskih).

Ako je kontroler montiran u metalni ormarić, preporučuje se povezivanje zaštitne pletenice na tačku uzemljenja ormara. Dužina veznih vodova može doseći više od dva kilometra, što se izračunava pomoću odgovarajućih formula. Ovdje nećemo ništa računati, ali vjerujte, istina je.

Novi senzori, novi kontroleri

Dolaskom novih kontrolora, novi analogni senzori koji koriste HART protokol(Highway Addressable Remote Transducer), što se prevodi kao "Mjerni pretvarač adresiran na daljinu putem autoputa."

Izlazni signal senzora (poljskog uređaja) je analogni strujni signal u opsegu 4...20 mA, na koji je superponovan frekventno modulirani (FSK - Frequency Shift Keying) digitalni komunikacioni signal.

Slika 10. Izlaz analognog senzora preko HART protokola

Na slici je prikazan analogni signal, a sinusni val se migolji oko njega poput zmije. Ovo je frekvencijski modulirani signal. Ali ovo uopće nije digitalni signal, tek treba biti prepoznat. Na slici je uočljivo da je frekvencija sinusoida pri prenosu logičke nule viša (2,2 KHz) nego kod prenosa jedinice (1,2 KHz). Prenos ovih signala se vrši strujom amplitude ±0,5 mA sinusoidnog oblika.

Poznato je da je prosječna vrijednost sinusoidnog signala nula, stoga prijenos digitalnih informacija ne utječe na izlaznu struju senzora od 4...20 mA. Ovaj način rada se koristi prilikom konfigurisanja senzora.

HART komunikacija se ostvaruje na dva načina. U prvom slučaju, standardnom, samo dva uređaja mogu razmjenjivati ​​informacije preko dvožične linije, dok izlazni analogni signal 4...20 mA ovisi o izmjerenoj vrijednosti. Ovaj način rada se koristi prilikom konfiguriranja terenskih uređaja (senzora).

U drugom slučaju, do 15 senzora može se spojiti na dvožičnu liniju, čiji je broj određen parametrima komunikacijske linije i snagom napajanja. Ovo je višestruki način rada. U ovom načinu rada svaki senzor ima svoju adresu u rasponu od 1...15, po kojoj mu upravljački uređaj pristupa.

Senzor sa adresom 0 je isključen sa komunikacione linije. Razmjena podataka između senzora i kontrolnog uređaja u višestrukom načinu rada vrši se samo frekvencijskim signalom. Trenutni signal senzora je fiksiran na potrebnom nivou i ne mijenja se.

U slučaju komunikacije sa više tačaka, podaci ne podrazumevaju samo stvarne rezultate merenja praćenog parametra, već i čitav skup svih vrsta servisnih informacija.

Prije svega, to su adrese senzora, kontrolne komande i konfiguracijski parametri. I sve ove informacije se prenose preko dvožičnih komunikacijskih linija. Da li je moguće i njih se riješiti? Istina, to se mora učiniti pažljivo, samo u slučajevima kada bežična veza ne može utjecati na sigurnost kontroliranog procesa.

Ispostavilo se da se možete riješiti žica. Već 2007. godine objavljen je WirelessHART Standard; prijenosni medij je nelicencirana frekvencija od 2,4 GHz, na kojoj rade mnogi bežični računarski uređaji, uključujući bežične lokalne mreže. Stoga se WirelessHART uređaji također mogu koristiti bez ikakvih ograničenja. Slika 11 prikazuje bežičnu mrežu WirelessHART.

Slika 11. WirelessHART mreža

Ove tehnologije su zamijenile staru analognu strujnu petlju. Ali isto tako ne odustaje od svoje pozicije, široko se koristi gdje god je to moguće.

Povezivanje strujnog senzora na mikrokontroler

Nakon što smo se upoznali s osnovama teorije, možemo prijeći na pitanje čitanja, transformacije i vizualizacije podataka. Drugim riječima, dizajniraćemo jednostavan mjerač istosmjerne struje.

Analogni izlaz senzora je povezan na jedan od ADC kanala mikrokontrolera. Sve potrebne transformacije i proračuni implementirani su u program mikrokontrolera. LCD indikator sa 2 reda se koristi za prikaz podataka.

Eksperimentalni dizajn

Za eksperimentiranje sa strujnim senzorom potrebno je sastaviti strukturu prema dijagramu prikazanom na slici 8. Za to je autor koristio matičnu ploču i modul baziran na mikrokontroleru (slika 9).

Modul senzora struje ACS712-05B može se kupiti gotov (prodaje se vrlo jeftino na eBayu), ili ga možete napraviti sami. Kapacitivnost filterskog kondenzatora je odabrana na 1 nF, a za napajanje je instaliran blokirni kondenzator od 0,1 µF. Za označavanje uključivanja, zalemljena je LED dioda s otpornikom za gašenje. Napajanje i izlazni signal senzora su spojeni na konektor na jednoj strani modulske ploče, 2-pinski konektor za mjerenje struje koja teče nalazi se na suprotnoj strani.

Za eksperimente mjerenja struje, povezujemo podesivi izvor konstantnog napona na strujne mjerne terminale senzora preko 2,7 Ohm / 2 W serijskog otpornika. Izlaz senzora je povezan na RA0/AN0 port (pin 17) mikrokontrolera. LCD indikator u dva reda je povezan na port B mikrokontrolera i radi u 4-bitnom modu.

Mikrokontroler se napaja naponom od +5 V, isti napon se koristi kao referenca za ADC. Potrebni proračuni i transformacije implementirani su u program mikrokontrolera.

Matematički izrazi koji se koriste u procesu konverzije su dati u nastavku.

Trenutna osjetljivost senzora Sens = 0,185 V/A. Uz napajanje Vcc = 5 V i referentni napon Vref = 5 V, izračunati odnosi će biti sljedeći:

ADC izlazni kod

Dakle

Kao rezultat, formula za izračunavanje struje je sljedeća:

Važna napomena. Gore navedeni odnosi su zasnovani na pretpostavci da su napon napajanja i referentni napon za ADC jednaki 5 V. Međutim, posljednji izraz koji se odnosi na struju I i ADC izlazni kod Count ostaje važeći čak i ako napon napajanja fluktuira. O tome je bilo riječi u teorijskom dijelu opisa.

Iz posljednjeg izraza se vidi da je trenutna rezolucija senzora 26,4 mA, što odgovara 513 ADC uzoraka, što je jedan uzorak više od očekivanog rezultata. Dakle, možemo zaključiti da ova implementacija ne dozvoljava mjerenje malih struja. Da biste povećali rezoluciju i osjetljivost pri mjerenju malih struja, morat ćete koristiti operacijsko pojačalo. Primjer takvog kola prikazan je na slici 10.

Program mikrokontrolera

Program mikrokontrolera PIC16F1847 je napisan na jeziku C i kompajliran u mikroC Pro okruženju (mikroElektronika). Rezultati mjerenja se prikazuju na dvolinijskom LCD indikatoru sa tačnošću od dvije decimale.

Izlaz

Sa nultom ulaznom strujom, izlazni napon ACS712 bi idealno trebao biti striktno Vcc/2, tj. Iz ADC-a treba pročitati broj 512. Odstupanje izlaznog napona senzora za 4,9 mV uzrokuje pomak rezultata konverzije za 1 najmanji bitni bit ADC-a (Slika 11). (Za Vref = 5,0 V, rezolucija 10-bitnog ADC-a će biti 5/1024 = 4,9 mV), što odgovara 26 mA ulazne struje. Imajte na umu da je za smanjenje utjecaja fluktuacija preporučljivo napraviti nekoliko mjerenja, a zatim usredsrediti njihove rezultate.

Ako je izlazni napon reguliranog napajanja podešen na 1 V, kroz
otpornik treba da nosi struju od oko 370 mA. Izmjerena vrijednost struje u eksperimentu je 390 mA, što premašuje tačan rezultat za jednu jedinicu najmanje značajne cifre ADC-a (slika 12).

Pri naponu od 2 V indikator će pokazati 760 mA.

Ovim je završena naša rasprava o senzoru struje ACS712. Međutim, nismo se dotakli još jednog pitanja. Kako izmjeriti izmjeničnu struju pomoću ovog senzora? Imajte na umu da senzor daje trenutni odgovor koji odgovara struji koja teče kroz ispitne vodove. Ako struja teče u pozitivnom smjeru (od pinova 1 i 2 do pinova 3 i 4), osjetljivost senzora je pozitivna i izlazni napon je veći od Vcc/2. Ako struja promijeni smjer, osjetljivost će biti negativna i izlazni napon senzora će pasti ispod nivoa Vcc/2. To znači da prilikom mjerenja AC signala, ADC mikrokontrolera mora uzorkovati dovoljno brzo da bi mogao izračunati RMS vrijednost struje.

Preuzimanja

Izvorni kod programa mikrokontrolera i fajl za firmver -

Od 1950-ih, strujne petlje se koriste za prijenos podataka sa predajnika u aplikacijama za praćenje i kontrolu. Uz niske troškove implementacije, visoku otpornost na buku i mogućnost prijenosa signala na velike udaljenosti, strujna petlja se pokazala posebno pogodnom za rad u industrijskim okruženjima. Ovaj materijal je posvećen opisu osnovnih principa rada strujne petlje, osnovama dizajna i konfiguracije.

Korištenje struje za prijenos podataka iz pretvarača

Industrijski senzori često koriste strujni signal za prijenos podataka, za razliku od većine drugih pretvarača, kao što su termoparovi ili mjerači naprezanja, koji koriste signal napona. Iako su pretvarači koji koriste napon kao parametar za prijenos informacija zaista učinkoviti u mnogim industrijskim primjenama, postoji niz aplikacija u kojima je upotreba strujnih karakteristika poželjna. Značajan nedostatak pri korištenju napona za prijenos signala u industrijskim okruženjima je slabljenje signala kada se prenosi na velike udaljenosti zbog prisustva otpora žičanih komunikacijskih linija. Možete, naravno, koristiti uređaje visoke ulazne impedancije da biste zaobišli gubitak signala. Međutim, takvi uređaji će biti vrlo osjetljivi na buku koju stvaraju obližnji motori, pogonski remeni ili odašiljači.

Prema Kirchhoffovom prvom zakonu, zbir struja koje teku u čvor jednak je zbiru struja koje teku iz čvora.
U teoriji, struja koja teče na početku kruga trebala bi u potpunosti doći do svog kraja,
kao što je prikazano na sl.1. 1.

Fig.1. U skladu s prvim Kirchhoffovim zakonom, struja na početku kola jednaka je struji na njegovom kraju.

Ovo je osnovni princip na kojem radi mjerna petlja.Mjerenje struje bilo gdje u strujnoj petlji (mjerna petlja) daje isti rezultat. Koristeći strujne signale i prijemnike za prikupljanje podataka sa niskom ulaznom impedancijom, industrijske aplikacije mogu imati velike koristi od poboljšane otpornosti na buku i povećane dužine veze.

Komponente strujne petlje
Glavne komponente strujne petlje uključuju izvor istosmjerne struje, senzor, uređaj za prikupljanje podataka i žice koje ih povezuju u nizu, kao što je prikazano na slici 2.

Fig.2. Funkcionalni dijagram trenutne petlje.

DC izvor obezbeđuje napajanje sistemu. Pretvarač reguliše struju u žicama od 4 do 20 mA, pri čemu 4 mA predstavlja živu nulu, a 20 mA predstavlja maksimalni signal.
0 mA (bez struje) znači otvoreni krug. Uređaj za prikupljanje podataka mjeri količinu regulirane struje. Efikasna i precizna metoda za mjerenje struje je ugradnja preciznog šant otpornika na ulaz instrumentalnog pojačala uređaja za prikupljanje podataka (na slici 2) kako bi se struja pretvorila u mjerni napon, da bi se na kraju dobio rezultat koji jasno odražava signal na izlazu pretvarača.

Da biste bolje razumjeli princip rada strujne petlje, razmotrite, na primjer, dizajn sistema sa pretvaračem koji ima sljedeće tehničke karakteristike:

Pretvornik se koristi za mjerenje pritiska
Pretvarač se nalazi 2000 stopa od mjernog uređaja
Struja koju mjeri uređaj za prikupljanje podataka daje operateru informacije o količini pritiska primijenjenog na pretvarač

Počnimo gledati primjer odabirom odgovarajućeg pretvarača.

Trenutni dizajn sistema

Izbor konvertera

Prvi korak u dizajniranju trenutnog sistema je odabir pretvarača. Bez obzira na vrstu varijable koja se mjeri (protok, pritisak, temperatura, itd.), važan faktor pri odabiru pretvarača je njegov radni napon. Samo povezivanje izvora napajanja na pretvarač omogućava vam regulaciju struje u komunikacijskoj liniji. Napon napajanja mora biti u prihvatljivim granicama: veći od minimalno potrebne i manji od maksimalne vrijednosti koja bi mogla oštetiti pretvarač.

Za trenutni sistem u primjeru, odabrani pretvarač mjeri pritisak i ima radni napon od 12 do 30 V. Jednom kada je pretvarač odabran, trenutni signal mora biti ispravno izmjeren kako bi se osigurao tačan prikaz pritiska koji se primjenjuje na pretvarač .

Odabir uređaja za prikupljanje podataka za mjerenje struje

Važan aspekt na koji biste trebali obratiti pažnju prilikom izgradnje strujnog sistema je spriječiti pojavu strujne petlje u krugu uzemljenja. Uobičajena tehnika u takvim slučajevima je izolacija. Korištenjem izolacije možete izbjeći utjecaj petlje uzemljenja, čija je pojava objašnjena na slici 3.

Fig.3. Ground loop

Petlje uzemljenja se formiraju kada su dva povezana terminala u kolu na različitim potencijalima. Ova razlika uvodi dodatnu struju u komunikacijsku liniju, što može dovesti do grešaka u mjerenju.
Izolacija uređaja za akviziciju podataka odnosi se na električno odvajanje uzemljenja izvora signala od uzemljenja ulaznog pojačala mjernog uređaja, kao što je prikazano na slici 4.

Pošto struja ne može teći kroz izolacionu barijeru, tačke uzemljenja pojačala i izvora signala su na istom potencijalu. Ovo eliminira mogućnost nenamjernog stvaranja petlje uzemljenja.

Fig.4. Sinusni napon i napon signala u izolovanom kolu

Izolacija takođe sprečava oštećenje uređaja za prikupljanje podataka kada su prisutni visoki naponi zajedničkog moda. Common-mode napon je napon istog polariteta koji je prisutan na oba ulaza instrumentacijskog pojačala. Na primjer, na slici 4. I pozitivni (+) i negativni (-) ulazi pojačala imaju napon zajedničkog moda +14 V. Mnogi uređaji za prikupljanje podataka imaju maksimalni ulazni opseg od ±10 V. Ako uređaj za prikupljanje podataka nema izolaciju i napon zajedničkog moda je izvan maksimalnog ulaznog opsega, možete oštetiti uređaj. Iako je normalni (signalni) napon na ulazu pojačala na slici 4 samo +2 V, dodavanjem +14 V može se dobiti napon od +16 V
(Signalni napon je napon između “+” i “-” pojačala, radni napon je zbir normalnog i uobičajenog napona), što predstavlja opasan nivo napona za sabirne uređaje sa nižim radnim naponom.

Izolirano, zajednička tačka pojačala je električno odvojena od nulte mase. U kolu na slici 4, potencijal u zajedničkoj tački pojačala je „podignut“ na nivo od +14 V. Ova tehnika uzrokuje pad ulaznog napona sa 16 na 2 V. Sada kada su podaci prikupljeni, uređaj više nije u opasnosti od oštećenja od prenapona. (Imajte na umu da izolatori imaju maksimalni zajednički napon koji mogu odbiti.)

Nakon što je uređaj za prikupljanje podataka izolovan i zaštićen, posljednji korak u izgradnji strujne petlje je odabir odgovarajućeg napajanja.

Odabir izvora napajanja

Lako je odrediti koje napajanje najbolje odgovara vašim potrebama. Kada radi u strujnoj petlji, napajanje mora proizvesti napon jednak ili veći od zbira padova napona na svim elementima sistema.

Uređaj za prikupljanje podataka u našem primjeru koristi precizni šant za mjerenje struje.
Potrebno je izračunati pad napona na ovom otporniku. Tipični šant otpornik je 249 Ω. Osnovni proračuni za strujni opseg strujne petlje od 4 .. 20 mA
pokazati sljedeće:

I*R=U
0,004A*249Ω= 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V

Iz šanta od 249 Ω možemo ukloniti napon u rasponu od 1 do 5 V povezujući vrijednost napona na ulazu uređaja za prikupljanje podataka sa vrijednošću izlaznog signala pretvarača tlaka.
Kao što je pomenuto, transmiter pritiska zahteva minimalni radni napon od 12 V sa maksimalnim 30 V. Dodavanjem pada napona na preciznom šant otporniku na radni napon predajnika dobijamo sledeće:

12 V+ 5 V=17 V

Na prvi pogled je dovoljan napon od 17 V. Međutim, potrebno je uzeti u obzir dodatno opterećenje na napajanju koje stvaraju žice koje imaju električni otpor.
U slučajevima kada se senzor nalazi daleko od mjernih instrumenata, morate uzeti u obzir faktor otpora žica prilikom izračunavanja strujne petlje. Bakarne žice imaju DC otpor koji je direktno proporcionalan njihovoj dužini. Uz primjer senzora tlaka, morate uzeti u obzir 2000 stopa dužine komunikacijske linije kada određujete radni napon napajanja. Linearni otpor jednožilnog bakrenog kabla je 2,62 Ω/100 stopa. Uzimanje ovog otpora u obzir daje sljedeće:

Otpor jednog jezgra dužine 2000 stopa bit će 2000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Pad napona na jednom jezgru bit će 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
Za završetak kruga potrebne su dvije žice, a zatim se dužina komunikacijske linije udvostručuje i
Ukupni pad napona će biti 2,096 V. Ovo rezultira oko 2,1 V zbog udaljenosti od pretvarača do sekundarnog uređaja 2000 stopa. Zbrajajući padove napona na svim elementima kola, dobijamo:
2,096 V + 12 V + 5 V = 19,096 V

Ako ste upotrijebili 17 V za napajanje dotičnog kruga, tada će napon koji se dovodi u pretvarač tlaka biti ispod minimalnog radnog napona zbog pada otpora žica i otpornika šanta. Odabir tipičnog napajanja od 24 V zadovoljit će zahtjeve za napajanjem pretvarača. Dodatno, postoji rezerva napona za postavljanje senzora pritiska na većoj udaljenosti.

Sa odabranim ispravnim pretvaračem, uređajem za prikupljanje podataka, dužinom kabla i napajanjem, dizajn jednostavne strujne petlje je završen. Za složenije aplikacije možete uključiti dodatne mjerne kanale u sistem.