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

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:

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

Унифицированные аналоговые сигналы 4. 20 мА: токовые сигналы и сигналы напряжения. Основные типы.

В промышленности применяется огромное разнообразие первичных датчиков физических величин, каждый из которых имеет свой выходной сигнал. Чтобы избежать такого же разнообразия вторичных измерительных и регулирующих приборов, датчики оснащаются нормирующими преобразователями.

Задача нормирующих преобразователей состоит в том, чтобы преобразовать различные сигналы первичных преобразователей (термопар, термопреобразователей сопротивления, влажности, давления, веса, рН и проч.) в унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока или сигналы напряжения. В целом унифицированные аналоговые сигналы применяются для связи не только датчиков, но и любых других устройств промышленной автоматики.

Среди стандартных сигналов наиболее удобным и популярным является токовый сигнал 4-20 мА. Причины этого в следующем.

Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ. В промышленных условиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4-20 мА работают в низкоомных цепях, которые меньше подвержены такому влиянию. Для передачи токовых сигналов можно использовать соединительные провода, более дешевые по сравнению, например, с компенсационными. Требования к величине их сопротивления также могут быть снижены. При работе с токовым сигналом 4-20 мА легко обнаружить обрыв линии связи – ток будет равен нулю (т.е. выходить за пределы диапазона).

Обрыв в цепи с сигналом 0 5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифицированными сигналами напряжения (0 1В или 0 10В) приходится применять специальные схемотехнические решения, на пример, «подтяжку» более высоким напряжением через
высокоомный резистор.

Поясним сказанное. Нормирующий преобразователь, который формирует токовый сигнал 4 20 мА, является так называемым генератором тока – источником стабильного тока с очень большим выходным сопротивлением: r>>R_ш, R_пр, где r – дифференциальное выходное сопротивления нормирующего преобразователя, R_ш, R_пр – соответственно сопротивления шунта в измерительном приборе и соединительных проводов.

НПФ КонтрАвт выпускает ряд модификаций измерительных регуляторов, рассчитанных на работу со стандартизированными унифицированными аналоговыми сигналами тока и напряжения. Следует учитывать, что в этих приборах измеряемый ток должен втекать в прибор, а измеряемое напряжение должно быть положительным относительно общей точки. В многоканальных приборах все входы имеют одну общую точку, поэтому неизолированы друг от друга. В регуляторах Т-424 при работе с токовыми сигналами используются внешние шунты, в регуляторах МЕТАКОН шунты встроены.

Поскольку величина тока I не зависит от сопротивления нагрузки, а V_изм = I • R_ш, то сопротивление проводов не влияет на результат измерения. Для оценки можно принять, что дополнительная относительная погрешность, связанная с влиянием сопротивления нагрузки (R_пр + R_ш), равна

δ= (R_пр + R_ш)/ (r + R_пр + R_ш) (R_пр + R_ш)/ r.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Унифицированный сигнал

Унифицированные сигналы в виде изменения частоты переменного тока позволяют обеспечить коммутацию без внесения дополнительной погрешности, передачу сигналов по линиям связи на дальние расстояния без искажений и простое преобразование сигналов в цифровую форму. Однако построение систем контроля и управления, в которых применяются датчики с частотным унифицированным сигналом, затруднено тем, что некоторые разработки находятся еще в стадии освоения. [1]

Унифицированные сигналы через коммутатор поступают в блок преобразования информации, выдающий сигналы в форме, удобной для представления и регистрации измерительной информации. Например, в качестве блока преобразования сигналов может быть применен АЦП, дающий возможность представления информации в цифровой форме. [3]

Унифицированные сигналы от первичных преобразователей датчиков поступают на коммутирующее устройство, периодически передающее эти сигналы к измерительной части машины. Коммутатор по очереди подает сигналы от датчиков к устройству сравнения измерительной части и регистрирующей схеме. [4]

Унифицированные сигналы через коммутатор поступают в блок преобразования информации, выдающий сигналы в форме, удобной для представления и регистрации измерительной информации. Например, в качестве блока преобразования сигналов может быть применен АЦП, дающий возможность представления регистрации информации в цифровой форме. В этом случае устройство представления информации может быть выполнено в виде цифрового табло, представляющего собой рядцифроуказателей, переключаемых синхронно и синфазно с измерительными каналами. Регистрация информации может производиться цифропечатающей электрифицированной машинкой. [7]

Применение унифицированного сигнала связи в АСУ ТП предполагает его многократное использование несколькими потребителями. Однако это возможно лишь при условии, что входные цепи отдельных потребителей гальванически изолированы между собой. [12]

Какой величины унифицированные сигналы применяются в токовой ветви системы ГСП. [13]

Некоторые применяемые унифицированные сигналы и их характеристики приведены в таблице. [14]

Источник

Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

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.

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

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

Основные определения

Чувствительный элемент (первичныйпреобразователь) – элемент прямого (физического) преобразованиянеэлектрической ФВ в электрический сигнал (например: рабочий спай термопары, терморезистор,термистор).

Датчик – устройство, воспринимающеесигналы и внешние воздействия и реагирующее на них, т.е. это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) вэлектрический сигнал.

Датчик – измерительное устройство, обеспечивающеепреобразование значения ФВ в однозначно соответствующие этому значениюхарактеристики электрического сигнала или информационный сигнал (например:термоэлектронный, давления, расхода).

Преобразователь – часть датчика, конвертирующая одинтип энергии в другой.

Классификация датчиков по группам:

Унифицированный сигнал – пропорциональное значению ФВ значение определенного вида (ток, напряжение)выходного сигнала преобразователя, в определенным диапазоне его возможных изменений(например: ток в диапазоне 4-20мА, напряжение в диапазоне ±5В или 0-10В).

Формат выходного сигнала – набор его характеристик:

Каждый датчик характеризуется наборами:

Ч увствительный элемент (для датчика прямогодействия) – первичныйпреобразователь обеспечивающий преобразование внешнего воздействия вэлектрический сигнал.В качестве чувствительного элемента выбирается элемент илиустройство, обладающее следующими свойствами:

В состав датчика входит один или несколькопреобразователей. Например,в состав химического датчикамогут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химическихреакций в тепло, а другой, термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал.

Как правило датчики входят в состав измерительных систем, часто довольнобольших и объединяющих много разных детекторов, преобразователей сигналов, сигнальныхпроцессоров, запоминающих устройств и приводов.

Рис.Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль датчиков в системе сбора данных

В качестве приводов могут использоваться электрические моторы, соленоиды, релеи пневматические клапаны. В состав измерительной системы также входятпериферийные устройства (накопители данных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) идругие компоненты. (фильтры,схемы выборки и хранения, усилители и прочие преобразователи).

Источник