Zjednotené analógové signály v automatizačných systémoch

Keď vytvárame automatizačný systém pre určitý technologický proces, potrebujeme nejakým spôsobom prepojiť snímače a iné signalizačné zariadenia — s akčnými členmi, s prevodníkmi, s ovládačmi atď. Tieto spravidla prijímajú signál zo snímača vo forme napätia alebo prúdu určitej veľkosti (v prípade analógových signálov), alebo vo forme impulzov s určitými časovými parametrami (v prípade digitálnych signálov).

Parametre týchto elektrických signálov musia nejakým veľmi určitým spôsobom zodpovedať parametrom fyzikálnej veličiny, ktorú snímač fixuje, aby riadenie koncového zariadenia bolo primerané úlohe automatizácie.

Samozrejme, najpohodlnejšie je zjednotiť analógové signály z rôznych snímačov, čím ovládače získajú flexibilitu, takže používateľ si nemusí vyberať svoj individuálny typ rozhrania pre každý snímač a vlastný snímač pre každé rozhranie.

Nech sa povaha vstupno-výstupných signálov zjednotí, rozhodli sa vývojári, pretože s týmto prístupom sa výrazne zjednoduší vývoj automatizačných systémov a automatizačných blokov pre priemysel a riešenie problémov, údržba a modernizácia zariadení sa stanú oveľa jednoduchšou - flexibilnejšou. Aj keď jeden snímač zlyhá, nemusíte vôbec hľadať presne ten istý, postačí zvoliť analógový s príslušnými výstupnými signálmi.

Merania okolitej teploty, otáčok motora, tlaku kvapaliny, mechanického namáhania vzorky, vlhkosti vzduchu atď. — sa často vykonávajú spracovaním nepretržitých analógových signálov prijatých z príslušných snímačov, pričom sa automaticky koriguje nepretržitá prevádzka pripojeného zariadenia: vykurovacie teleso, frekvenčný menič, čerpadlo, lis atď.

Najbežnejším analógovým signálom je buď napäťový signál v rozsahu od 0 do 10 V alebo prúdový signál v rozsahu od 4 do 20 mA.

Regulácia napätia od 0 do 10 V

Keď sa použije jednotný napäťový signál 0 až 10 V, potom je táto súvislá sekvencia napätí 0 až 10 V spojená so sériou meraných fyzikálnych veličín, ako je tlak alebo teplota.

Predpokladajme, že teplota sa mení z -30 na +125°C, zatiaľ čo napätie sa mení z 0 na 10V, pričom 0 voltov zodpovedá teplote -30°C a 10 voltov až +125°C. Môže to byť teplota reaktant alebo obrobok a hodnoty strednej teploty budú mať presne definované hodnoty napätia v špecifikovanom rozsahu. Vzťah tu nemusí byť nevyhnutne lineárny.

Týmto spôsobom je možné ovládať rôzne zariadenia, ako aj získavať informácie z monitorovania. Napríklad radiátor s tepelným senzorom má analógový výstup na zobrazenie aktuálnej teploty: 0 V — teplota povrchu radiátora je + 25 °C alebo nižšia, 10 V — teplota dosiahla + 125 °C — maximálne prípustné.

Alebo privedením napätia od 0 do 10 V z ovládača na analógový vstup čerpadla upravíme tlak plynu v nádobe: 0 V — tlak sa rovná atmosférickému, 5 V — tlak je 2 atm, 10 V — 4 atm., podobne môžete ovládať vykurovacie zariadenia, obrábacie stroje, ventily a iné armatúry a pohony na rôzne účely.

Prúdová kontrola (4 až 20 mA prúdová slučka)

Druhým typom jednotného analógového signálu pre riadenie automatizácie je prúdový signál 4-20 mA nazývaný «prúdová slučka». Tento signál sa tiež používa na príjem signálov z rôznych snímačov na riadenie pohonov.

Na rozdiel od napäťového signálu prúdový charakter signálu umožňuje jeho prenos bez skreslenia na oveľa väčšie vzdialenosti, pretože poklesy napätia v sieti a odpory sú automaticky kompenzované. Okrem toho je veľmi ľahké diagnostikovať integritu prenosových obvodov - ak je tam prúd, potom je vedenie neporušené, ak nie je prúd, je tam otvorený obvod. Z tohto dôvodu je najmenšia hodnota 4 mA, nie 0 mA.

Takže tu sa ako zdroj energie pre riadiaci signál používa zdroj prúdu a nie zdroj napätia. V súlade s tým musí mať ovládač pohonu prúdový vstup 4-20 mA a snímač snímača musí mať prúdový výstup.Predpokladajme, že frekvenčný menič má vstup riadiaceho prúdu 4-20 mA, potom keď sa na vstup privedie signál 4 mA alebo menej, riadený pohon sa zastaví a keď sa privedie prúd 20 mA, zrýchli sa na plná rýchlosť.

Výstupy prúdových snímačov môžu byť aktívne aj pasívne. Častejšie sú výstupy pasívne, čo znamená, že je potrebný prídavný zdroj napájania, ktorý je zapojený do série so snímačom a ovládačom pohonu. Senzor alebo ovládač s aktívnym výstupom nevyžaduje napájanie, keďže je zabudovaný.

Analógová prúdová slučka sa dnes v strojárstve používa častejšie ako napäťové signály. Dá sa použiť na vzdialenosti až niekoľko kilometrov. Na ochranu zariadenia sa používa galvanické oddelenie optoelektronických zariadení, ako sú optočleny. V dôsledku nedokonalosti zdroja prúdu závisí maximálna povolená dĺžka vedenia (a maximálny odpor vedenia) od napätia, z ktorého je zdroj prúdu napájaný.

Napríklad pri typickom napájacom napätí 12 voltov by odpor nemal presiahnuť 600 ohmov. Rozsahy prúdov a napätí sú popísané v GOST 26.011-80 «Merania a automatizácia. Vstup a výstup trvalého elektrického prúdu a napätia».

Nástroj na zjednotenie primárneho signálu – Normalizačný konvertor

Na zjednotenie primárneho signálu zo snímača — na jeho premenu na napätie od 0 do 10 V alebo na prúd od 4 do 20 mA, tzv. normalizačné meniče… Tieto štandardizačné prevodníky sú dostupné pre teplotu, vlhkosť, tlak, hmotnosť atď.

Princíp činnosti snímača môže byť odlišný: kapacitný, indukčný, odporový, termočlánok atď. Pre pohodlie pri ďalšom spracovaní signálu však musí výstup spĺňať požiadavky na zjednotenie. Preto sú snímače často vybavené štandardnými prevodníkmi meranej hodnoty na prúd alebo napätie.