Thể loại: Bài viết nổi bật » Thợ điện Novice
Số lượt xem: 166.352
Bình luận về bài viết: 4
Cảm biến analog: ứng dụng, phương thức kết nối với bộ điều khiển
Trong quá trình tự động hóa các quy trình công nghệ để kiểm soát các cơ chế và tổ hợp, người ta phải đối phó với các phép đo của các đại lượng vật lý khác nhau. Nó có thể là nhiệt độ, áp suất và tốc độ dòng chảy của chất lỏng hoặc khí, tốc độ quay, cường độ ánh sáng, thông tin về vị trí của các bộ phận của cơ chế, và nhiều hơn nữa. Thông tin này có được bằng cách sử dụng các cảm biến. Ở đây, đầu tiên về vị trí của các bộ phận của các cơ chế.
Cảm biến rời rạc
Cảm biến đơn giản nhất là một tiếp xúc cơ học bình thường: cửa được mở - tiếp điểm mở, đóng - đóng. Một cảm biến đơn giản như vậy, cũng như thuật toán hoạt động ở trên, thường được sử dụng trong báo động an ninh. Đối với một cơ chế có chuyển động tịnh tiến, có hai vị trí, ví dụ: van nước, cần có hai tiếp điểm: một tiếp điểm được đóng - van đóng, van kia đóng - đóng.
Một thuật toán tịnh tiến phức tạp hơn có một cơ chế để đóng máy đúc nhiệt dẻo. Ban đầu, khuôn được mở, đây là vị trí bắt đầu. Ở vị trí này, thành phẩm được loại bỏ khỏi khuôn. Tiếp theo, công nhân đóng hàng rào bảo vệ và khuôn bắt đầu đóng lại, một chu trình làm việc mới bắt đầu.
Khoảng cách giữa các nửa khuôn khá lớn. Do đó, lúc đầu, khuôn di chuyển nhanh, và ở một khoảng cách nhất định cho đến khi các nửa được đóng lại, trailer được kích hoạt, tốc độ di chuyển giảm đáng kể và khuôn đóng lại trơn tru.
Thuật toán này cho phép bạn tránh một cú đánh khi đóng khuôn, nếu không nó có thể được cắt nhỏ thành từng miếng nhỏ. Sự thay đổi tương tự về tốc độ xảy ra khi khuôn được mở. Ở đây, hai cảm biến tiếp xúc không thể làm.
Do đó, các cảm biến dựa trên tiếp điểm là rời rạc hoặc nhị phân, có hai vị trí, đóng - mở hoặc 1 và 0. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng sự kiện xảy ra hay không. Trong ví dụ trên, một số điểm được bắt giữ bởi các liên hệ: điểm bắt đầu chuyển động, điểm giảm tốc độ, điểm kết thúc chuyển động.
Trong hình học, một điểm không có kích thước, chỉ có một điểm và đó là điểm đó. Nó có thể là (trên một tờ giấy, theo quỹ đạo chuyển động, như trong trường hợp của chúng ta), hoặc đơn giản là nó không tồn tại. Do đó, các cảm biến rời rạc được sử dụng để phát hiện các điểm. Có thể so sánh với một điểm ở đây không phù hợp lắm, vì với mục đích thực tế, họ sử dụng giá trị độ chính xác của cảm biến rời rạc và độ chính xác này không chỉ là điểm hình học.
Nhưng tiếp xúc cơ học một mình là một điều không đáng tin cậy. Do đó, bất cứ khi nào có thể, các tiếp điểm cơ học được thay thế bằng các cảm biến tiệm cận. Tùy chọn đơn giản nhất là một công tắc sậy: nam châm đóng, tiếp điểm được đóng lại. Độ chính xác của hoạt động của công tắc sậy khiến nhiều người mong muốn, sử dụng các cảm biến như vậy chỉ để xác định vị trí của các cửa.
Một tùy chọn phức tạp và chính xác hơn nên được xem là một loạt các cảm biến tiệm cận. Nếu cờ kim loại đi vào khe, thì cảm biến hoạt động. Như một ví dụ về các cảm biến như vậy, các cảm biến BVK (Công tắc kết thúc không tiếp xúc) có thể được trích dẫn. Độ chính xác của hoạt động (vi sai hành trình) của các cảm biến như vậy là 3 mm.
Hình 1. Cảm biến sê-ri BVK
Điện áp cung cấp của các cảm biến BVK là 24V, dòng tải là 200mA, đủ để kết nối các rơle trung gian để phối hợp thêm với mạch điều khiển. Đây là cách cảm biến BVK được sử dụng trong các thiết bị khác nhau.
Ngoài các cảm biến BVK, các cảm biến của các loại BTP, KVP, PIP, KVD, FISH cũng được sử dụng. Mỗi loạt có một số loại cảm biến, được biểu thị bằng số, ví dụ: BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Tất cả các cảm biến được đề cập là không liên tục rời rạc, mục đích chính của chúng là xác định vị trí của các bộ phận của cơ chế và lắp ráp. Đương nhiên, có nhiều hơn những cảm biến này, bạn không thể viết về tất cả chúng trong một bài viết. Các cảm biến tiếp xúc khác nhau vẫn còn phổ biến hơn và vẫn được sử dụng rộng rãi.
Việc sử dụng các cảm biến tương tự
Ngoài các cảm biến rời rạc trong các hệ thống tự động hóa, cảm biến analog được sử dụng rộng rãi. Mục đích của họ là để có được thông tin về các đại lượng vật lý khác nhau, và không chỉ như thế ở tất cả, mà trong thời gian thực. Chính xác hơn, việc chuyển đổi một đại lượng vật lý (áp suất, nhiệt độ, chiếu sáng, dòng chảy, điện áp, dòng điện) thành tín hiệu điện phù hợp để truyền qua các đường truyền tới bộ điều khiển và xử lý thêm.
Cảm biến analog thường được đặt khá xa bộ điều khiển, đó là lý do tại sao chúng thường được gọi là thiết bị hiện trường. Thuật ngữ này thường được sử dụng trong các tài liệu kỹ thuật.
Một cảm biến analog thường bao gồm một số bộ phận. Phần quan trọng nhất là yếu tố nhạy cảm - cảm biến. Mục đích của nó là chuyển đổi giá trị đo thành tín hiệu điện. Nhưng tín hiệu nhận được từ cảm biến thường nhỏ. Để thu được tín hiệu phù hợp cho khuếch đại, cảm biến thường được bao gồm trong mạch cầu - Cầu Wheatstone.
Hình 2. Cầu Wheatstone
Mục đích ban đầu của mạch cầu là một phép đo chính xác của điện trở. Một nguồn DC được kết nối với đường chéo của cầu AD. Một điện kế nhạy cảm với một điểm giữa, với một số 0 ở giữa thang đo, được kết nối với một đường chéo khác. Để đo điện trở của điện trở Rx bằng cách xoay điện trở cắt xén R2, cân bằng cầu, đặt con trỏ của điện kế bằng không.
Độ lệch của mũi tên của thiết bị theo hướng này hay hướng khác cho phép bạn xác định hướng quay của điện trở R2. Giá trị của điện trở đo được xác định trên thang đo kết hợp với tay cầm của điện trở R2. Điều kiện cân bằng cho cây cầu là sự bằng nhau của các tỷ số R1 / R2 và Rx / R3. Trong trường hợp này, giữa các điểm BC, thu được chênh lệch điện thế bằng 0 và dòng điện không chạy qua điện kế V.
Điện trở của các điện trở R1 và R3 được chọn rất chính xác, độ lan truyền của chúng phải nhỏ nhất. Chỉ trong trường hợp này, ngay cả một sự mất cân bằng nhỏ của cây cầu cũng gây ra sự thay đổi đáng chú ý về điện áp của đường chéo BC. Đây là thuộc tính của cây cầu được sử dụng để kết nối các yếu tố nhạy cảm (cảm biến) của các cảm biến tương tự khác nhau. Vâng, sau đó mọi thứ đều đơn giản, một vấn đề của công nghệ.
Để sử dụng tín hiệu nhận được từ cảm biến, cần xử lý thêm, - khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra phù hợp để truyền và xử lý bởi mạch điều khiển - bộ điều khiển. Thông thường, tín hiệu đầu ra của cảm biến analog là dòng điện (vòng lặp tương tự), điện áp ít thường xuyên hơn.
Tại sao chính xác hiện tại? Thực tế là các giai đoạn đầu ra của cảm biến analog dựa trên các nguồn hiện tại. Điều này cho phép bạn thoát khỏi ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra của điện trở của các đường kết nối, để sử dụng các đường kết nối có chiều dài lớn.
Chuyển đổi thêm là khá đơn giản. Tín hiệu hiện tại được chuyển đổi thành điện áp, đủ để truyền dòng điện qua điện trở có điện trở đã biết. Điện áp rơi trên điện trở đo được lấy theo định luật Ohm U = I * R.
Ví dụ, đối với dòng điện 10 mA trên điện trở có điện trở 100 Ohms, bạn có điện áp 10 * 100 = 1000mV, phải có toàn bộ 1 volt! Trong trường hợp này, dòng điện đầu ra của cảm biến không phụ thuộc vào điện trở của dây kết nối. Trong giới hạn hợp lý, tất nhiên.
Kết nối cảm biến analog
Điện áp nhận được tại điện trở đo có thể dễ dàng được chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số phù hợp với đầu vào vào bộ điều khiển. Chuyển đổi được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC.
Dữ liệu số được truyền đến bộ điều khiển theo mã nối tiếp hoặc song song.Tất cả phụ thuộc vào mạch chuyển đổi cụ thể. Sơ đồ kết nối đơn giản hóa của cảm biến tương tự được hiển thị trong Hình 3.
Hình 3. Kết nối một cảm biến tương tự (bấm vào hình ảnh để phóng to)
Các bộ truyền động được kết nối với bộ điều khiển hoặc chính bộ điều khiển được kết nối với một máy tính là một phần của hệ thống tự động hóa.
Đương nhiên, các cảm biến analog có thiết kế hoàn thiện, một trong những yếu tố trong đó là vỏ có các yếu tố kết nối. Ví dụ, Hình 4 cho thấy sự xuất hiện của loại cảm biến áp suất đo thăm dò-10.
Hình 4. Cảm biến quá áp đầu dò-10
Ở dưới cùng của cảm biến, bạn có thể thấy luồng kết nối để kết nối với đường ống và ở bên phải dưới nắp màu đen có một đầu nối để kết nối đường truyền với bộ điều khiển.
Kết nối ren được niêm phong bằng máy giặt được làm bằng đồng ủ (bao gồm trong phạm vi cung cấp cảm biến) và không có nghĩa là nó được sử dụng để cuộn dây từ băng keo hoặc vải lanh. Điều này được thực hiện để khi cài đặt cảm biến, không làm biến dạng thành phần cảm biến nằm bên trong.
Đầu ra cảm biến analog
Theo tiêu chuẩn, có ba dải tín hiệu hiện tại: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA và 4 ... 20mA. Sự khác biệt của chúng là gì, và các tính năng là gì?
Thông thường, sự phụ thuộc của dòng điện đầu ra tỷ lệ thuận với giá trị đo được, ví dụ, áp suất trong đường ống càng cao thì dòng điện ở đầu ra của cảm biến càng lớn. Mặc dù đôi khi chuyển đổi nghịch đảo được sử dụng: giá trị lớn hơn của dòng điện đầu ra tương ứng với giá trị tối thiểu của giá trị đo được ở đầu ra của cảm biến. Tất cả phụ thuộc vào loại bộ điều khiển được sử dụng. Một số cảm biến thậm chí chuyển từ trực tiếp sang nghịch đảo.
Tín hiệu đầu ra của phạm vi 0 ... 5mA rất nhỏ và do đó có thể bị nhiễu. Nếu tín hiệu của cảm biến như vậy dao động ở một giá trị không đổi của tham số đo, nghĩa là, nên lắp đặt một tụ điện có điện dung 0,1 ... 1 F song song với đầu ra của cảm biến. Ổn định hơn là tín hiệu hiện tại trong phạm vi 0 ... 20mA.
Nhưng cả hai phạm vi này đều không tốt vì số 0 ở đầu thang đo không cho phép chúng tôi xác định rõ ràng những gì đã xảy ra. Hoặc là tín hiệu đo thực sự có mức không, về nguyên tắc là có thể, hoặc đơn giản là đường truyền thông bị cắt? Do đó, họ cố gắng từ bỏ việc sử dụng các phạm vi này, nếu có thể.
Tín hiệu của cảm biến analog có dòng điện đầu ra trong phạm vi 4 ... 20 mA được coi là đáng tin cậy hơn. Khả năng chống nhiễu của nó khá cao và giới hạn dưới, ngay cả khi tín hiệu đo được có mức 0, sẽ là 4 mA, cho phép chúng ta nói rằng đường truyền thông không bị hỏng.
Một tính năng tốt khác của phạm vi 4 ... 20mA là các cảm biến có thể được kết nối chỉ bằng hai dây, vì bản thân cảm biến được cung cấp bởi dòng điện này. Đây là mức tiêu thụ hiện tại của nó và đồng thời là tín hiệu đo.
Nguồn điện cho các cảm biến trong phạm vi 4 ... 20mA được bật, như trong Hình 5. Đồng thời, các cảm biến Zond-10, giống như nhiều loại khác, có dải điện áp cung cấp rộng 10 ... 38V theo hộ chiếu, mặc dù chúng thường được sử dụng nhất nguồn ổn định với điện áp 24 V.
Hình 5. Kết nối cảm biến analog với nguồn điện bên ngoài
Các yếu tố và ký hiệu sau đây có mặt trong sơ đồ này. Rш là điện trở của shunt đo, Rl1 và Rl2 là điện trở của các đường truyền. Để tăng độ chính xác của phép đo, nên sử dụng điện trở đo chính xác là Rш. Dòng điện từ nguồn điện được chỉ định bằng mũi tên.
Dễ dàng thấy rằng dòng điện đầu ra của nguồn điện đi từ đầu cực + 24 V, qua đường dây Rl1, nó đến đầu cực cảm biến + AO2, đi qua cảm biến và qua đầu ra cảm biến - AO2, đường kết nối Rl2, điện trở Rш trở về đầu nối nguồn -24V. Tất cả mọi thứ, mạch được đóng lại, dòng chảy.
Nếu bộ điều khiển chứa nguồn điện 24V, thì có thể kết nối bộ cảm biến hoặc đầu dò đo theo sơ đồ như trong Hình 6.
Hình 6. Kết nối cảm biến analog với bộ điều khiển với nguồn điện bên trong
Sơ đồ này cho thấy một yếu tố khác - điện trở dằn Rb. Mục đích của nó là bảo vệ điện trở đo khi đường truyền bị đóng hoặc cảm biến analog bị trục trặc. Việc cài đặt một điện trở RB là tùy chọn, mặc dù mong muốn.
Ngoài các cảm biến khác nhau, các đầu dò đo lường, thường được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa, cũng có đầu ra hiện tại.
Đầu dò đo - một thiết bị để chuyển đổi các mức điện áp, ví dụ, điện áp hoặc dòng điện vài chục hoặc hàng trăm ampe thành tín hiệu hiện tại là 4 ... 20mA. Ở đây, việc chuyển đổi mức tín hiệu điện chỉ đơn giản diễn ra, và không biểu diễn một số đại lượng vật lý (tốc độ, tốc độ dòng chảy, áp suất) ở dạng điện.
Nhưng cảm biến duy nhất, như một quy luật, là không đủ. Một trong những phép đo phổ biến nhất là đo nhiệt độ và áp suất. Số lượng điểm như vậy trong sản xuất hiện đại có thể lên tới vài chục ngàn. Theo đó, số lượng cảm biến cũng lớn. Do đó, một số cảm biến tương tự thường được kết nối với một bộ điều khiển cùng một lúc. Tất nhiên, không phải vài nghìn cùng một lúc, nó rất tốt nếu một tá khác nhau. Một kết nối như vậy được hiển thị trong Hình 7.
Hình 7. Kết nối nhiều cảm biến tương tự với bộ điều khiển
Hình này cho thấy cách điện áp phù hợp để chuyển đổi sang mã kỹ thuật số được lấy từ tín hiệu hiện tại. Nếu có một số tín hiệu như vậy, thì chúng không được xử lý cùng một lúc, mà được phân tách theo thời gian, được ghép kênh, nếu không, một ADC riêng sẽ phải được đặt trên mỗi kênh.
Đối với mục đích này, bộ điều khiển có một kênh chuyển mạch. Sơ đồ chức năng của công tắc được hiển thị trong Hình 8.
Hình 8. Công tắc kênh cảm biến tương tự (hình ảnh có thể nhấp)
Các tín hiệu của vòng lặp hiện tại, được chuyển đổi thành điện áp ở điện trở đo (UR1 ... URn), được đưa đến đầu vào của công tắc tương tự. Các tín hiệu điều khiển luân phiên chuyển một trong các tín hiệu UR1 ... URn đến đầu ra, được khuếch đại bởi bộ khuếch đại và được đưa vào luân phiên cho đầu vào ADC. Điện áp được chuyển đổi thành mã kỹ thuật số được cung cấp cho bộ điều khiển.
Đề án, tất nhiên, rất đơn giản, nhưng nguyên tắc ghép kênh trong đó là hoàn toàn có thể xem xét. Đây là cách mô-đun nhập tín hiệu tương tự từ bộ điều khiển MSTS (hệ thống vi xử lý của thiết bị kỹ thuật) được sản xuất bởi Smolensk PC Prolog được chế tạo. Sự xuất hiện của bộ điều khiển MCTC được hiển thị trong Hình 9.
Hình 9. Bộ điều khiển ICTS
Việc phát hành các bộ điều khiển như vậy đã bị ngưng từ lâu, mặc dù ở một số nơi cách xa nhất, các bộ điều khiển này vẫn phục vụ. Những triển lãm bảo tàng này được thay thế bằng bộ điều khiển của các mô hình mới, chủ yếu là sản xuất nhập khẩu (Trung Quốc).
Để kết nối các cảm biến hiện tại 4 ... 20mA, nên sử dụng cáp được che chắn hai dây có tiết diện tối thiểu 0,5 mm2.
Nếu bộ điều khiển được gắn trong tủ kim loại, nên nối các bím che chắn với điểm tiếp đất của tủ. Độ dài của các đường kết nối có thể đạt tới hơn hai km, được tính theo các công thức tương ứng. Chúng tôi đã giành chiến thắng ở bất cứ điều gì ở đây, nhưng tin tôi là như vậy.
Cảm biến mới, bộ điều khiển mới
Với sự ra đời của bộ điều khiển mới, cảm biến tương tự HART mới (Bộ chuyển đổi từ xa có thể định địa chỉ đường cao tốc), được dịch là "Đo bộ chuyển đổi địa chỉ từ xa qua thân cây".
Tín hiệu đầu ra của cảm biến (thiết bị trường) là tín hiệu dòng tương tự trong phạm vi 4 ... 20 mA, trên đó tín hiệu truyền thông kỹ thuật số được điều chế tần số (FSK - Tần số thay đổi tần số) được đặt chồng lên nhau.
Hình 10. Đầu ra cảm biến tương tự HART
Hình vẽ cho thấy một tín hiệu tương tự, và xung quanh nó, giống như một con rắn, một cuộn dây hình sin. Đây là một tín hiệu điều chế tần số.Nhưng đây không phải là một tín hiệu kỹ thuật số, nó vẫn chưa được công nhận. Điều đáng chú ý trong hình là tần số của sóng hình sin khi truyền số 0 logic cao hơn (2.2KHz) so với khi truyền một đơn vị (1.2KHz). Việc truyền các tín hiệu này được thực hiện bởi một dòng điện có biên độ ± 0,5 mA hình sin.
Được biết, giá trị trung bình của tín hiệu hình sin bằng 0, do đó, việc truyền thông tin kỹ thuật số không ảnh hưởng đến dòng điện đầu ra của cảm biến 4 ... 20 mA. Chế độ này được sử dụng khi thiết lập cảm biến.
Giao tiếp HART được thực hiện theo hai cách. Trong trường hợp đầu tiên, tiêu chuẩn, chỉ có hai thiết bị có thể trao đổi thông tin trên đường dây hai dây, trong khi tín hiệu tương tự đầu ra 4 ... 20mA phụ thuộc vào giá trị đo được. Chế độ này được sử dụng khi thiết lập các thiết bị trường (cảm biến).
Trong trường hợp thứ hai, có thể kết nối tối đa 15 cảm biến với đường dây hai dây, số lượng được xác định bởi các tham số của đường truyền và công suất của nguồn điện. Đây là chế độ đa thả. Trong chế độ này, mỗi cảm biến có địa chỉ riêng trong phạm vi 1 ... 15, tại đó thiết bị điều khiển truy cập vào nó.
Cảm biến có địa chỉ 0 bị ngắt khỏi đường truyền. Trao đổi dữ liệu giữa cảm biến và thiết bị điều khiển ở chế độ đa điểm chỉ được thực hiện bằng tín hiệu tần số. Tín hiệu dòng cảm biến được cố định ở mức yêu cầu và không thay đổi.
Trong trường hợp truyền thông đa điểm, dữ liệu không chỉ có nghĩa là kết quả thực tế của các phép đo của tham số được kiểm soát, mà còn là toàn bộ tập hợp tất cả các loại thông tin dịch vụ.
Trước hết, đây là các địa chỉ của cảm biến, lệnh điều khiển, cài đặt. Và tất cả thông tin này được truyền qua đường dây liên lạc hai dây. Nhưng nó có thể thoát khỏi chúng? Đúng, điều này nên được thực hiện cẩn thận, chỉ trong những trường hợp khi kết nối không dây có thể ảnh hưởng đến an ninh của quá trình được kiểm soát.
Nó chỉ ra rằng bạn có thể thoát khỏi các dây. Ngay trong năm 2007, WirelessHART Standard đã được xuất bản, phương tiện truyền dẫn là tần số không được cấp phép là 2,4 GHz, trên đó nhiều thiết bị không dây của máy tính, bao gồm cả mạng cục bộ không dây, hoạt động. Do đó, các thiết bị WirelessHART có thể được sử dụng mà không có bất kỳ hạn chế nào. Hình 11 cho thấy mạng không dây WirelessHART.
Hình 11. Wireless WirelessHART
Những công nghệ này đã thay thế vòng lặp hiện tại tương tự cũ. Nhưng cô ấy không từ bỏ vị trí của mình, nó được sử dụng rộng rãi bất cứ nơi nào có thể.
Boris Aladyshkin
Xem thêm tại electro-vi.tomathouse.com
: