Микропроцессорная техника систем автоматизации
Гальваническая развязка цепей датчика и ПЛК
жүктеу/скачать 4,68 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Подключение аналоговых датчиков к ПЛК
Гальваническая развязка цепей датчика и ПЛКОдной из основных проблем построения дискретных входов яв- ляется изоляция цепей датчика и контроллера. Модули ввода/вывода должны надежно отделять чувствительные блоки обработки инфор- мации от агрессивной промышленной среды электрических станций и подстанций, заполненной помехами, возмущениями, скачками и провалами токов и напряжений. Любая, даже самая агрессивная, атака не должна преодолевать барьеры модулей дискретных вхо- дов/выходов и повреждать именно эти модули, а не более сложные и дорогостоящие ЦАП, процессоры, модули памяти и прочее. Кроме того, вычислительные электронные компоненты микропроцессорных терминалов работают со своими уровнями напряжения, а напряже- ние модулей дискретных входов/выходов должно быть согласовано с параметрами тока, используемого на конкретном объекте. Изоляция цепей датчика строится на основе гальванической развязки. Основной элемент большинства ячеек дискретных вхо- дов – оптрон. Оптрон создает гальваническую развязку и надежно отделяет вычислительную схему микропроцессорного реле от внешней среды (рис. 17). Для согласования номиналов оптрона с рабочими параметрами напряжения датчика используют резистор- ные делители напряжения (резисторы R1m, R2 на рис. 17). Номи- нальные сопротивления и мощности резисторов выбирают с учетом величины напряжения источника питания датчика. Рис. 17. Реализация дискретного входа на основе оптрона с ограничением тока резистивным делителем Подключение аналоговых датчиков к ПЛКАналоговый вход (AI, analog input) нужен для ввода в ПЛК зна- чений температуры, давления и других физических величин, которые измеряются соответствующими датчиками. Эти датчики передают на AI ПЛК значения непрерывно измеряемой физической величи- ны в виде электрического сигнала, который называют аналоговым. Графики на рис. 18 показывают, чем отличаются друг от друга аналоговые и цифровые сигналы. Слева – прямоугольные импуль- сы, амплитуда которых принимает только два значения: 0 и 5 В. Справа изображен фрагмент косинусоидального сигнала. Несмотря на то, что его амплитуда находится в тех же границах (0 и 5 В), аналоговый сигнал принимает бесконечное число значений между этими двумя. а б Рис. 18. Цифровые (а) и аналоговые (б) сигналы Аналоговые сигналы нельзя представить конечным числом со- стояний, теоретически они могут иметь бесконечное число значе- ний в пределах некоторого диапазона. Допустим, солнечный свет – это аналоговый сигнал, который нужно измерить. Есть диапазон, в пределах которого меняется освещенность (измеряется в люк- сах – световом потоке на единицу площади). Можно обоснованно ожидать значение показаний между 0 лк (для совершенно черного) и 130 000 лк на прямом солнечном свете. Если бы измерительный прибор был абсолютно точен, то можно было бы получить беско- нечное число значений в данном диапазоне. Компьютерная система никогда не может оперировать с беско- нечным числом десятичных разрядов для аналогового значения, потому что объем памяти и производительность компьютера огра- ничены. Для преобразования аналоговых значений в цифровые с заданной точностью предназначены аналого-цифровые преобразо- ватели (АЦП). Разрешение АЦП – минимальное изменение величины аналого- вого сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП – связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без уче- та шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП. Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Например, двоич- ный 8-разрядный АЦП способен выдать 256 дискретных значений (0– 255), поскольку 28 = 256. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соот- ветствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений. Пример 1: диапазон входных значений = от 0 до 10 В; разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней кван- тования; разрешение двоичного АЦП по напряжению: 10 / 4096 = = 0,00244 В = 2,44 мВ. Пример 2: диапазон входных значений: от −10 до +10 В; разрядность двоичного АЦП 14 бит: 214 = 16384 уровня кван- тования; разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10 – (–10)) / 16384 = = 20/16384 = 0,00122 В = 1,22 мВ. Основные типы аналоговых сигналов: вольтовые – данные передаются уровнем напряжения: 0–1 В, 1–5 В, 0–10 В и т. д.; токовые – данные передаются уровнем тока: 0–20 мА, 4–20 мА и т. д. AI ПЛК и датчик, который к нему подключен, должны иметь одинаковый тип аналогового сигнала (рис. 19). Датчики могут иметь разные схемы подключения к ПЛК: 2-проводное (2-wire), 3-проводное (3-wire) или 4-проводное (4-wire). По какой именно схеме нужно подключать конкретный датчик, указано в его инст- рукции. а б Рис. 19. Подключение датчиков к AI ПЛК Siemens: а – двухпроводная схема; б – трехпроводная схема; в – четырехпроводная схема Попав в ПЛК, аналоговый сигнал с помощью аналого- цифрового преобразователя (АЦП, ADC) автоматически преобра- зуется в некое число. Обычно тип этого числа – целое беззнаковое (uint). Далее это число нужно в программе ПЛК перевести в реаль- ные единицы измерения. Для этого во многих средах программи- рования ПЛК есть специальные функции. Например, функции NORM_X и SCALE_X в TIA PORTAL для ПЛК Siemens. В тех ПЛК, где нет готовых функций преобразования, можно выполнить преобразование самому по формуле: ValADC y Val y max ymin y , где y – искомая величина; ADC max min ymax – верхняя граница измерения датчика; ymin – нижняя граница измерения датчика; Val ADC Val ADC max текущее значение AI; максимальное количество значений, которое может выдать АЦП. В большинстве случаев зависит от его разрядности: 256 для 8-битных АЦП, 1024 для 10-битных, 4096 для 12-битных и т. д. Но может быть и другим, скажем, у Logo!8 при 10-битном АЦП максимум значений равен 1000. Пример: датчик температуры с типом сигнала 0–20 мА и диапа- зоном измерения от –20 ºC до +220 ºC подключен к AI ПЛК с АЦП 12-бит. Чему равна температура, если текущее значение АЦП = 512? 512 220 ºC 20 ºC t 20 ºC 10 ºC. 4096 В общем случае измерительный тракт системы обработки ана- логовых сигналов состоит из нескольких звеньев (рис. 20): входной сигнал, получаемый с датчика (или датчиков), поступает на усили- тель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме – нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. В свою очередь, АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал поступает на центральный процессор, где проходит цифровую обработку. Мультиплексоры в тракте слу- жат для выборки одного из нескольких входных каналов. Рис. 20. Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК Уровень выходного сигнала с датчика может быть очень низким или очень высоким, что для максимизации динамического входно- го диапазона АЦП требует добавления усилителей или аттеню- аторов соответственно. Эти предварительные каскады обычно реализуют на усилителях с программируемым коэффициентом усиления или на дискретных операционных усилителях и прецизи- онных резистивных делителях. АЦП и усилитель работают в тан- деме, чтобы обеспечить наилучшее соотношение сигнал/шум (SNR) при заданных ограничениях по стоимости, размерам и по- требляемой мощности. жүктеу/скачать 4,68 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|