В отличие от дискретно-цифровой схемы (вкл./выкл.), аналоговые сигналы изменяются в диапазоне напряжения или тока. Если взять тот же сосуд, описанный ранее в примере с цифровой проводкой, как изменится проводка, если мы заменим переключатель датчиком уровня?
Методы подключения аналоговых сигналов ПЛК
На рисунке ниже показана та же панель автоматического выключателя, но теперь она питается от источника постоянного тока.
Источник питания может находиться в отдельном шкафу или в распределительной панели. В любом случае мощность постоянного тока распределяется на распределительном щите. Один предохранитель может питать несколько цепей, или каждая цепь может быть защищена предохранителями.
На положительную клемму передатчика подается +24 В постоянного тока. Токовый сигнал 4–20 мА поступает с клеммы (-) передатчика на ПЛК.
Кабель представляет собой витую пару и экранирован. Сигнальный кабель пронумерован по номеру передатчика, а провода внутри пронумерованы для предоставления информации об источнике питания.
Экран подключается к распределительной панели, где все экраны собираются и подключаются к заземляющему наконечнику, изолированному от шкафа. Примечание. Необходимо следить за тем, чтобы экран был заземлен только в одной точке.
Экраны, заземленные более чем в одной точке, могут создавать в сигнале большие шумовые всплески. Это состояние называется контуром заземления, и его может быть очень сложно изолировать, поскольку проблема носит периодический характер.
«Тихое» заземление следует использовать для заземления всех экранов в одной точке. «Тихое» заземление — это заземление, которое либо подключено к специальной триаде заземления, либо подключено к центральному отводу изолирующего трансформатора.
Шумным заземлением будет то, которое физически расположено далеко от трансформатора, а также то, которое обслуживает двигатели, фонари или другие шумные объекты. Это базовая двухпроводная схема аналогового входа.
Ниже приводится некоторая конкретная информация о различных аналоговых возможностях:
а. Защита цепи (предохранители)
Аналоговые цепи всегда имеют низкое напряжение, обычно 24 В постоянного тока. В результате для безопасности персонала не требуется соединение отдельных аналоговых цепей. Кроме того, большинство аналоговых модулей ввода-вывода имеют встроенные схемы ограничения тока.
Таким образом, для защиты модулей обычно не требуется плавкий предохранитель. Если эти два условия верны (и разработчик должен подтвердить это у производителя), то при желании можно избежать поточечного плавления.
Если проектировщик желает сэкономить деньги, не объединяя каждую точку, следует рассмотреть возможность группировки цепей в зоны контроля повреждений.
Например, если есть пара насосов, основной и резервный, приборы для них должны быть в отдельных группах предохранителей, чтобы один перегоревший предохранитель не вывел их обоих из строя. Дополнительные сведения см. в разделе Разделение ввода-вывода в указателе.
б. Шумоустойчивость
Аналоговые схемы чувствительны к электронному шуму. Если, например, аналоговый кабель пролегает рядом с высоковольтным кабелем двигателя, то кабель аналогового сигнала будет действовать как антенна, улавливая магнитно-связанный шум, создаваемый двигателем.
Существуют и другие источники шума, такие как радиочастотное (РЧ) излучение рации. Шум в кабеле аналогового сигнала может вызвать ошибки в считывании значения сигнала, что, в свою очередь, может вызвать множество проблем в системе управления.
Некоторые способы снижения шума включают в себя:
• Кабели «витая пара»:
Электронный шум можно значительно снизить за счет использования кабеля витой пары. Большинство приборов используют два провода для передачи сигналов. Ток течет к устройству по одному проводу и обратно от устройства по другому.
Если эти провода скручены, то наведенный шум будет почти одинаковым в каждом проводе.
Величина индуцированного тока одинакова в каждом проводнике, но он течет в противоположных направлениях, тем самым подавляя большую часть шума.
• Экранирование:
Еще одним усовершенствованием подавления помех является экранирование, т. е. использование заземленной оплетки или экрана из фольги вокруг проводников. Как упоминалось ранее, экран никогда не следует заземлять более чем в одном месте, чтобы избежать контуров заземления.
Большинство производителей приборов рекомендуют заземлять экран полевого прибора. Однако лучше всего это сделать на распределительной панели.
Проще проверять и управлять основаниями, если они находятся в одном месте. Кроме того, в этот момент можно обеспечить хорошее заземление.
• Кабелепровод:
Последним усовершенствованием в области подавления шума является заземленный металлический кабелепровод. Это требуется редко, за исключением кабелей передачи данных и особо ответственных цепей.
в. Температурный детектор сопротивления (RTD)
RTD состоит из специального куска провода, электрическое сопротивление которого изменяется предсказуемым образом, когда провод подвергается воздействию различных температур.
Сегодня предпочтительным материалом является платина сопротивлением 100 Ом, хотя иногда используются и другие типы, например медь сопротивлением 10 Ом. Для платинового термометра сопротивления номинал составляет 100 Ом при 0°C.
Изменения сопротивления в зависимости от температуры очень малы, вызывая изменения напряжения в диапазоне милливольт.
ТПС подключаются к мостовой схеме Уитстона, которая настроена на РДТ. Но эта настройка происходит на стенде.
А как насчет полевой среды? Мы уже обсуждали трудности с затуханием линии, присущие милливольтовым сигналам (глава 4). Эта проблема решается в схеме RTD за счет использования одного или двух сенсорных входов.
Эти входы помогают свести на нет влияние потерь в меди из-за длинных линий и изменений температуры вдоль них и представляют собой дополнительные провода, которые должны быть включены в кабель RTD, отсюда и термины «трехпроводные» и «четырехпроводные RTD».
д. Термопара
Как мы уже говорили, термопара использует электродвижущую силу (ЭДС), возникающую в результате изменений температуры, воздействующих на два разнородных металла, ламинированных вместе.
Эта ЭДС проявляется как сигнал милливольт (постоянный ток). Когда соединяются определенные комбинации этих разнородных металлов, получается предсказуемая кривая зависимости температуры от напряжения при изменении температуры на соединении.
Сигнал измеряется на открытом конце двух проводов, а для преобразования напряжения в инженерные единицы используется шкала милливольт на градус.
Таким образом, термопара представляет собой двухпроводное устройство. Он чувствителен к излучаемому и наведенному шуму, поэтому его обычно размещают в экранированном кабеле, если его протянуть на очень большое расстояние. Сигнал термопары также подвержен ухудшению из-за потерь в линии, поэтому желательно минимизировать длину кабеля.
Кроме того, важно использовать правильный удлинитель. Термопара обычно поставляется с коротким кабелем, к которому необходимо подсоединить удлинительный провод. Если для передачи сигнала на ПЛК используется провод из другого материала, например медь, создается ложный «холодный спай», вызывающий обратную ЭДС, которая частично нейтрализует сигнал.
Поэтому следует использовать соответствующий удлинительный провод или установить между медной проводкой и проводкой термопары устройство, называемое компенсатором холодного спая или эталоном точки замерзания.
Модули ввода/вывода термопар уже имеют встроенную компенсацию холодного спая, поэтому необходимо использовать соответствующий удлинительный провод для термопары.
Конкретные типы термопар имеют разные температурные характеристики. Термопара типа J образуется путем соединения железной проволоки с константановой проволокой.
Эта конфигурация обеспечивает относительно линейную кривую в диапазоне от 0 до 750°C.8 Термопара типа K имеет никель-хромовую проволоку, соединенную с никель-алюминиевой проволокой, иногда называемой хромель/алюмель.
Термопара типа K охватывает полезный диапазон температур от -200 до 1250°C. Другие комбинации дают разные кривые отклика.
е. 0–10 милливольт (мВ) аналоговый
Аналоговые сигналы сначала генерировались путем модуляции напряжения. Раньше передатчик генерировал слабый сигнал, который нужно было уловить, а затем отфильтровать и усилить, чтобы его можно было использовать для перемещения ручки на самописце или иглы на манометре. Ахиллесова пята милливольтового сигнала — его восприимчивость к электрическим шумам.
Проблема соотношения сигнал/шум возрастает в зависимости от длины кабеля. Поэтому передатчик должен был находиться в непосредственной близости от индикатора или самописца.
Сегодня милливольтовые сигналы, как правило, подаются на преобразователи, которые преобразуют слабый сигнал в ток или в другие среды (например, значения цифровых данных), менее чувствительные к шуму и потерям в децибелах (дБ), прежде чем покинуть пределы чувствительного элемента. Однако некоторые регистраторы и системы сбора данных по-прежнему работают на милливольтовом сигнале.
ф. 4–20 миллиампер (мА) аналоговый
Стремление преодолеть недостатки линейного затухания милливольтового сигнала привело к разработке токовой петли 4–20 мА.
Благодаря значительному увеличению производительности этот метод передачи аналоговых сигналов быстро стал отраслевым стандартом. Большинство полевых приборов, представленных на рынке, имеют чувствительный элемент (датчик) и передающий элемент.
Передатчик настроен на датчик, который может выдавать любой тип сигнала: от частотно-модулированного аналога до милливольт постоянного тока.
Какой бы ни была форма сигнала, передатчик интерпретирует его и преобразует в выходной ток от 4 до 20 мА, который в этом диапазоне пропорционален по величине входному току. Процесс настройки выхода на вход называется масштабированием.
Таким образом, передатчик становится так называемым источником переменного тока. Точно так же, как аккумулятор, как источник напряжения, пытается поддерживать постоянное напряжение независимо от величины приложенной к нему нагрузки, источник тока пытается поддерживать постоянный ток (для данного входного сигнала) независимо от нагрузки.
Поскольку ток является общим во всех точках последовательной цепи, проблема длины кабеля, отмеченная как проблема с милливольтовым сигналом, сводится на нет.
Конечно, способность устройства пропускать постоянный ток через цепь можно преодолеть, если приложить достаточную нагрузку. Поэтому проектировщик должен знать, сколько энергии способен произвести источник тока.
Как правило, современные приборы способны поддерживать ток 20 мА при сопротивлении цепи 1000 Ом. Поскольку типовой прибор имеет входное сопротивление не более 250 Ом, можно питать несколько приборов от одного источника тока без необходимости использования изолятора.
Например, один передатчик должен иметь возможность передавать свой сигнал на ПЛК, самописец и сумматор при стоимости 750 Ом плюс сопротивление линии. Это все равно должно находиться в зоне комфорта типичного передатчика.
Примечание. На рынке все еще существуют приборы с номиналом 600 Ом, поэтому проектировщику следует всегда проверять его, когда рассматривается сложная схема.
Чтобы определить энергию, доступную для схемы, разработчик должен иметь возможность идентифицировать поставщика этой энергии. Эта задача иногда не так проста, как может показаться, и ответ на вопрос сильно повлияет на схему подключения схемы.
Существует два основных типа аналоговых схем, описанных с точки зрения передатчика. Двухпроводные передатчики считаются пассивными устройствами, поглощающими ток, а четырехпроводные передатчики — активными устройствами, генерирующими ток.
На рисунке ниже изображены три датчика температуры, каждый из которых подключен к разным точкам ввода-вывода одного и того же модуля ПЛК.
Один передатчик имеет прямое питание (т. е. четырехпроводное), а остальные - косвенное (т. е. двухпроводное). Каждый передатчик подключен к устройству управления — в данном случае к входу ПЛК.
С точки зрения ПЛК, все токовые входы 4–20 мА на самом деле являются входами напряжения. Резисторы, предоставленные пользователем внешние, как показано здесь, или внутренние, используются для преобразования тока в напряжение.
Сами компьютерные точки фактически представляют собой вольтметры с высоким сопротивлением, что обеспечивает им превосходную изоляцию от полевых устройств и минимизирует дополнительную нагрузку на входную цепь.
Точки ввода-вывода на ПЛК показаны с внутренним питанием, доступным для каждой точки, поэтому модуль может быть источником напряжения для контура.
Ниже приводится подробный комментарий к различиям между двухпроводными и четырехпроводными устройствами:
1. Четырехпроводная схема
Как показано ниже, четырехпроводный передатчик — это тот, который обеспечивает энергию для питания контура и генерации модулированного по току сигнала.
Например, большинство датчиков уровня являются четырехпроводными устройствами. Четырехпроводные устройства помимо сигнальных соединений всегда имеют силовые соединения. Однако не все такие передатчики с питанием являются четырехпроводными.
Если выход питаемого передатчика отмечен как пассивный, то с точки зрения сигнальной цепи устройство можно рассматривать как двухпроводное устройство.
Большинство записывающих устройств имеют внешнее питание, но являются пассивными в схеме. В этих случаях внешнее питание предназначено только для внутренней электроники устройства.
Сигнальная цепь изолирована от этого источника питания. Обратите внимание, что рекордер, показанный на нижней схеме, представляет собой пассивное устройство с питанием.
2. Двухпроводная схема.
Говорят, что двухпроводное устройство имеет питание по контуру. Это означает, что устройство функционирует, поглощая энергию, необходимую для генерации сигнала из токовой петли.
Это также называется «токовым опусканием». Эта номенклатура может немного сбивать с толку, поскольку передатчик, потребляющий ток, по-прежнему остается источником сигнала для схемы. Питание для токового контура подается в другом месте.
Передатчик, классифицированный как двухпроводной, обычно должен быть первым устройством в цепи по протеканию тока.
Другими словами, положительная клемма передатчика должна быть напрямую подключена к положительной клемме источника напряжения. Источником напряжения обычно является источник питания 24 В постоянного тока.
(а) Двухпроводные схемы с автономным источником питания
На рисунке выше точка ввода-вывода ПЛК 2 изображает двухпроводную цепь с внешним источником питания постоянного тока.
Обратите внимание, что провода должны быть свернуты (в соответствии с полярностью) в ПЛК, чтобы обеспечить правильную полярность в точке ввода-вывода.
Это связано с тем, что поток тока теперь обратный по сравнению с предыдущим примером, поскольку передатчик должен стать первой нагрузкой в контуре, а не быть источником энергии для контура.
(б) Двухпроводные схемы с внутренним источником питания ПЛК
Большинство современных систем ПЛК способны сами генерировать контурный ток, просто подключив положительный вывод передатчика к другому выводу ПЛК.
Отрицательный вывод передатчика затем подсоединяется к положительному выводу точки ввода-вывода, а отрицательный вывод точки ввода-вывода подключается к общему проводу постоянного тока системы ПЛК.
Это показано на примере точки ввода-вывода 3. В этом примере в цикл добавлен рекордер.