Instrumentierung und Steuerung basieren auf der Umwandlung physikalischer oder Prozessvariablen in ein nützlicheres Format für die Anzeige des Bedieners.
Der Druck in einem Rohr wird in die mechanische Auslenkung einer Membran umgewandelt, die von einem Dehnungsmessstreifen (die Membran und der Dehnungsmessstreifen bilden einen Wandler) in elektrische Energie umgewandelt wird, dann von einem E/A-Modul in einen numerischen Ganzzahlwert und dann von der SPS oder HMI zur Anzeige in einen Gleitkommawert in einer technischen Einheit.
Diese Informationen werden auch verwendet, um Ausgabebefehle zu generieren, die in elektrische Signale und dann in mechanische Aktionen umgewandelt werden. Der Trick besteht darin, die E/A-Beziehungen der verschiedenen Wandler zu verstehen.
So liest die SPS die Daten von Feldtransmittern
Beispielsweise verursacht eine Durchflussöffnung einen vorhersehbaren Druckabfall, wenn Flüssigkeiten darüber fließen. Ein Drucktransmitter kann diesen Druckabfall messen, indem er den vorgeschalteten Druck mit dem nachgeschalteten Druck vergleicht.
Obwohl dieser Druckunterschied nicht linear zur Durchflussrate ist, besteht eine wiederholbare Beziehung zu ihr. Diese Beziehung lässt sich am besten als Quadratwurzelfunktion darstellen.
Die Quadratwurzel des Differenzdrucksignals linearisiert es effektiv mit der Durchflussrate.
Nachdem eine lineare Beziehung hergestellt wurde, kann die gesamte Umwandlungssequenz vom Sender zur Computeranzeige aus einer Messung abgeleitet werden.
Die folgende Abbildung zeigt zwei typische Temperaturmessschaltungen wie folgt: Die obere Konfiguration verwendet die externe Stromversorgung des Senders, um die Signalschleife mit Strom zu versorgen.
Diese Konfiguration wird als Vierleiterschleife bezeichnet. Die untere Konfiguration verwendet eine interne Stromversorgung (AI-Kartenstromversorgung), um die Schleife mit Strom zu versorgen. Diese Konfiguration wird als Zweileiterschleife bezeichnet.
Die folgende Diskussion über Einheitenumrechnungen gilt für beide Schaltungstypen. Konzentrieren Sie sich auf die obere Schaltung.
Ein Thermoelement ist das Sensorelement. Thermoelemente sind Geräte, die das Prinzip des Bimetallkontakts verwenden, um ein kleines Millivoltsignal zu erzeugen.
Beachten Sie, dass die im Diagramm dargestellte Temperatur-Spannungs-Kurve über das gesamte Temperaturintervall hinweg relativ linear ist.
Außerhalb dieses Temperaturintervalls kann das Signal weniger linear werden (eine Eigenschaft eines Thermoelements), aber das ist hier nicht von Bedeutung.
Die Skalierung des Instruments muss immer bei der Prozessmessung beginnen. Der Konstrukteur konsultiert das Wärme- und Materialbilanzblatt (HMB) für unser imaginäres System und findet heraus, dass die erwartete Temperatur am Messpunkt ungefähr 105 °C beträgt.
Die vorgeschaltete Heizung kann das System auf ungefähr 130 °C erhitzen, bevor sie aufgrund ihrer Übertemperaturverriegelung abschaltet.
Der Konstrukteur weiß, dass ein richtig kalibrierter Bereich den normalen Betriebspunkt ungefähr in der Mitte der Kurve platzieren würde. Das obere Ende müsste über 130 °C liegen.
Nach einigem Überlegen entscheidet sich der Ingenieur für einen kalibrierten Bereich von 15 bis 150 °C und wählt ein Thermoelement vom Typ K, das über dieses Temperaturintervall eine Ausgabe von 0,597 bis 6,138 mV liefert.
Der Temperaturtransmitter muss dann auf dem Prüfstand kalibriert werden, um ein 4-20 mA-Ausgangssignal bereitzustellen, das proportional zum erwarteten 0,597 bis 6,138 mV-Eingangssignal des Thermoelements ist.
Der Transmitter ist eine Stromquelle (im Gegensatz zu einer Spannungsquelle) und variiert seine Leistungsabgabe nach Bedarf, um eine konstante Milliampere-Ausgabe aufrechtzuerhalten, die proportional zu den Millivolt an seinem Eingang ist, d. h. der gemessenen Temperaturanzeige.
(Hinweis: Eine Spannungsquelle, wie z. B. eine Batterie, versucht, unabhängig von der Belastung eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten, während eine Stromquelle versucht, unabhängig von der Belastung einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten.)
Der Temperaturtransmitter wandelt dieses Signal dann in ein skaliertes 4-20 mA-Signal um, in diesem Fall für einen Bereich von 15 bis –150 °C.
Die SPS verfügt über ein analoges Eingangsmodul, das die Ausgabe des Temperaturtransmitters erkennt. Nahezu alle analogen Eingangsmodule sind Voltmeter, auch wenn sie als Milliampere-Eingänge aufgeführt sind.
Manchmal befindet sich der Widerstand extern auf der Klemmleiste und manchmal intern auf dem PLC-E/A-Modul (siehe Abbildung). In beiden Fällen wird das 4-20 mA-Signal in eine Spannung umgewandelt.
Normalerweise beträgt diese Spannung 1-5 VDC, da der verwendete Widerstand 250 Ohm beträgt. Dieser analoge Wert muss dann in einen binären Wert umgewandelt werden.
In unserem Beispiel gibt die PLC-Spezifikation dieses spezielle PLC-E/A-Modul mit einer Auflösung von 12 Bit an. Um die Auflösung des Moduls in Bezug auf die Prozessvariable zu ermitteln, führen Sie eine binäre Umwandlung durch: 212 = 4095.
Für einen Eingangsbereich von 1-5 VDC stellt das PLC-E/A-Modul dem PLC-Programm also einen ganzzahligen Wert im Bereich von 0 bis 4095 zur Verfügung.
Das PLC-Programm kann diese Daten nach Bedarf abrufen und verwenden. Eine der möglichen Aktionen des SPS-Programms besteht darin, diesen Datenwert in einen Netzwerkschnittstellenpuffer (eine Reihe zusammenhängender Speicherorte im SPS-Speicher) zu verschieben, um ihn weiter an die HMI zu übertragen.
Der Rohwert wird dann für die Datenübertragung über das Netzwerk bereitgestellt.
Das HMI empfängt diesen übertragenen Datenstrom, der dann in einem Eingabedatenpuffer gespeichert wird. Der HMI-Computer verfügt über eine Tagdatei-Datenbank, die Anweisungen zur Bearbeitung jedes Datenelements zur Präsentation für den Bediener enthält.
Viele der Tags in der Tagdatei sind mit Datenelementen im Eingabedatenpuffer verknüpft. Ein solches Tag ist mit diesem bestimmten Ort verknüpft.
Der Rohwert von 0 bis 4095 wird extrahiert und mithilfe der Formel, die entweder in der Tagdatei-Datenbank oder in der Grafikbildschirmsoftware, die die Informationen verwendet, eingebettet ist, in technische Einheiten umgewandelt.
Die Formel in unserem Beispielfall ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Der erzeugte Wert (85,88) wäre der Wert, der dem Bediener in °C wie folgt in den folgenden Abbildungen angezeigt wird:
