Измерительные приборы и управление основаны на преобразовании физических или технологических переменных в более удобный формат для отображения оператором.
Давление в трубе преобразуется в механическое отклонение диафрагмы, которое преобразуется в электрическую энергию тензодатчиком (диафрагма и тензодатчик составляют преобразователь), затем в числовое целочисленное значение модулем ввода-вывода, а затем в значение плавающей запятой инженерной единицы ПЛК или ЧМИ для отображения.
Эта информация также используется для помощи в генерации выходных команд, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем в механическое действие. Хитрость заключается в понимании взаимосвязей ввода-вывода различных преобразователей.
Как ПЛК считывает данные с полевых датчиков
Например, отверстие для потока вызовет предсказуемое падение давления при протекании через него жидкостей. Датчик давления может измерить это падение давления, сравнивая давление на входе с давлением на выходе.
Хотя эта разность давлений нелинейна со скоростью потока, она имеет повторяемую связь с ней. Эту связь лучше всего аппроксимировать как функцию квадратного корня.
Извлечение квадратного корня из сигнала разности давлений эффективно линеаризует его со скоростью потока.
После установления линейной связи вся последовательность преобразования от передатчика к компьютерному дисплею может быть выведена из одного измерения.
На рисунке ниже изображены две типичные схемы измерения температуры следующим образом: Верхняя конфигурация использует внешний источник питания передатчика для питания сигнального контура.
Эта конфигурация называется четырехпроводной петлей. Нижняя конфигурация использует внутренний источник питания (питание платы AI) для питания контура. Эта конфигурация называется двухпроводной петлей.
Следующее обсуждение преобразования единиц применимо к обоим типам схем. Сосредоточьтесь на верхней схеме.
Термопара является чувствительным элементом. Термопары — это устройства, которые используют принцип биметаллического контакта для генерации небольшого милливольтного сигнала.
Обратите внимание, что кривая зависимости температуры от напряжения, представленная на диаграмме, относительно линейна во всем температурном интервале.
За пределами этого температурного интервала сигнал может стать менее линейным (характеристика термопары), но здесь это не имеет значения.
Масштабирование прибора всегда должно начинаться с измерения процесса. Проектировщик сверяется с таблицей баланса тепла и материалов (HMB) для нашей воображаемой системы и обнаруживает, что ожидаемая температура в точке измерения составляет приблизительно 105 °C.
Нагреватель выше по потоку способен нагреть систему приблизительно до 130 °C, прежде чем она отключится из-за блокировки перегрева.
Инженер-проектировщик знает, что правильно откалиброванный диапазон поместит нормальную рабочую точку примерно в середину кривой. Верхний конец должен быть выше 130 °C.
После некоторых раздумий инженер выбирает калиброванный диапазон от 15 до 150 °C и выбирает термопару типа K, которая обеспечивает выходной сигнал от 0,597 до 6,138 мВ в этом температурном интервале.
Температурный датчик должен быть откалиброван на стенде, чтобы обеспечить выходной сигнал 4–20 мА, пропорциональный входному сигналу от 0,597 до 6,138 мВ, ожидаемому от термопары.
Датчик, являющийся источником тока (в отличие от источника напряжения), изменяет свою выходную мощность по мере необходимости для поддержания стабильного выходного тока в миллиамперах, пропорционального милливольтам на его входе, т. е. измеренному показанию температуры.
(Примечание: источник напряжения, такой как батарея, пытается поддерживать постоянное напряжение независимо от нагрузки, в то время как источник тока пытается поддерживать постоянный ток независимо от нагрузки).
Затем датчик температуры преобразует этот сигнал в сигнал 4–20 мА, который был масштабирован, в данном случае для диапазона от 15 до –150 °C.
ПЛК имеет аналоговый входной модуль, который обнаруживает выходной сигнал датчика температуры. Практически все аналоговые входные модули являются вольтметрами, хотя они указаны как миллиамперные входы.
Иногда резистор является внешним на клеммной колодке, а иногда он является внутренним на модуле ввода-вывода ПЛК (показано на рисунке). В любом случае сигнал 4–20 мА будет преобразован в напряжение.
Обычно это напряжение составляет 1–5 В постоянного тока, поскольку используемый резистор составляет 250 Ом. Затем это аналоговое значение должно быть преобразовано в двоичное значение.
В нашем примере спецификация ПЛК указывает этот конкретный модуль ввода-вывода ПЛК как имеющий 12-битное разрешение. Чтобы найти разрешение модуля в терминах переменной процесса, выполните двоичное преобразование: 212 = 4095.
Таким образом, для входного диапазона 1–5 В постоянного тока модуль ввода-вывода ПЛК предоставляет программе ПЛК целочисленное значение в диапазоне от 0 до 4095.
Программа ПЛК может извлекать эти данные для использования по мере необходимости. Одним из возможных действий программы ПЛК является перемещение этого значения данных в буфер сетевого интерфейса (серия смежных ячеек в памяти ПЛК) для передачи вверх по течению в ЧМИ.
Затем необработанное целочисленное значение счетчика становится доступным для передачи данных по сети.
ЧМИ получает этот переданный поток данных, который затем сохраняется в буфере входных данных. Компьютер ЧМИ имеет базу данных тегов-файлов, которая содержит инструкции о том, как манипулировать каждым элементом данных для представления оператору.
Многие теги в файле тегов связаны с элементами данных в буфере входных данных. Один такой тег связан с этим конкретным местоположением.
Необработанное значение от 0 до 4095 извлекается и преобразуется в технические единицы с помощью формулы, встроенной либо в базу данных тегов-файлов, либо в программное обеспечение графического экрана, которое использует эту информацию.
Формула в нашем примере показана на рисунке ниже.
Полученное значение (85,88) будет значением, отображаемым оператору в oC, как показано на рисунках ниже:
