Einheitliche analoge Signale in Automatisierungssystemen

Wenn wir ein Automatisierungssystem für einen bestimmten technologischen Prozess erstellen, müssen wir Sensoren und andere Signalgeräte irgendwie verbinden – mit Aktoren, mit Wandlern, mit Controllern usw. Letztere erhalten in der Regel ein Signal vom Sensor in Form B. einer Spannung oder eines Stroms bestimmter Größe (bei analogen Signalen) oder in Form von Impulsen mit bestimmten Zeitparametern (bei digitalen Signalen).

Die Parameter dieser elektrischen Signale müssen in einer ganz bestimmten Weise mit den Parametern der vom Sensor erfassten physikalischen Größe übereinstimmen, damit die Steuerung des Endgeräts der Aufgabe der Automatisierung gerecht wird.

Natürlich ist es am bequemsten, analoge Signale von verschiedenen Sensoren zu vereinheitlichen, damit die Controller flexibler werden und der Benutzer nicht für jeden Sensor seinen individuellen Schnittstellentyp und für jede Schnittstelle seinen eigenen Sensor auswählen muss.

Lassen Sie die Art der Eingangs-Ausgangssignale vereinheitlichen, beschlossen die Entwickler, da mit diesem Ansatz die Entwicklung von Automatisierungssystemen und Automatisierungsblöcken für die Industrie erheblich vereinfacht wird und die Fehlerbehebung, Wartung und Modernisierung von Geräten viel einfacher und flexibler wird. Selbst wenn ein Sensor ausfällt, müssen Sie überhaupt nicht nach genau demselben suchen, es reicht aus, ein Analogon mit den entsprechenden Ausgangssignalen zu wählen.

Messungen von Umgebungstemperatur, Motordrehzahl, Flüssigkeitsdruck, mechanischer Belastung der Probe, Luftfeuchtigkeit usw. – werden häufig durch die Verarbeitung kontinuierlicher analoger Signale durchgeführt, die von den entsprechenden Sensoren empfangen werden, während der kontinuierliche Betrieb des angeschlossenen Geräts automatisch korrigiert wird: Heizelement, Frequenzumrichter, Pumpe, Presse usw.

Das gebräuchlichste Analogsignal ist entweder ein Spannungssignal im Bereich von 0 bis 10 V oder ein Stromsignal im Bereich von 4 bis 20 mA.

Spannungsregelung von 0 bis 10 V

Wenn ein einheitliches Spannungssignal von 0 bis 10 V verwendet wird, ist diese kontinuierliche Folge von Spannungen von 0 bis 10 V mit einer Reihe gemessener physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur verbunden.

Nehmen Sie an, dass sich die Temperatur von -30 auf +125 °C ändert, während sich die Spannung von 0 auf 10 V ändert, wobei 0 Volt einer Temperatur von -30 °C und 10 Volt einer Temperatur von +125 °C entsprechen. Dies könnte die Temperatur des sein Reaktant oder das Werkstück, und die Zwischentemperaturwerte werden streng definierte Spannungswerte des angegebenen Bereichs haben. Hier ist der Zusammenhang nicht unbedingt linear.

Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Geräte zu steuern und Überwachungsinformationen zu erhalten. Beispielsweise verfügt ein Heizkörper mit einem Thermosensor über einen Analogausgang zur Anzeige der aktuellen Temperatur: 0 V – die Temperatur der Oberfläche des Heizkörpers beträgt + 25 °C oder weniger, 10 V – die Temperatur hat + 125 °C erreicht – das maximal zulässige.

Oder indem wir eine Spannung von 0 bis 10 V vom Controller an den Analogeingang der Pumpe anlegen, stellen wir den Gasdruck im Behälter ein: 0 V – der Druck entspricht dem Atmosphärendruck, 5 V – der Druck beträgt 2 atm, 10 V – 4 atm. Ebenso können Sie Heizgeräte, Metallschneidemaschinen, Ventile und andere Armaturen und Aktoren für verschiedene Zwecke steuern.

Stromregelung (4 bis 20 mA Stromschleife)

Der zweite Typ eines einheitlichen Analogsignals für die Automatisierungssteuerung ist ein 4-20-mA-Stromsignal, das als „Stromschleife“ bezeichnet wird. Dieses Signal dient auch dazu, Signale verschiedener Sensoren zur Steuerung der Antriebe zu empfangen.

Im Gegensatz zu einem Spannungssignal ermöglicht die Strombeschaffenheit des Signals eine verzerrungsfreie Übertragung über viel größere Entfernungen, da Netzspannungsabfälle und Widerstände automatisch kompensiert werden. Darüber hinaus ist es sehr einfach, die Integrität von Übertragungskreisen zu diagnostizieren: Wenn Strom vorhanden ist, ist die Leitung intakt, wenn kein Strom vorhanden ist, liegt ein offener Stromkreis vor. Aus diesem Grund beträgt der kleinste Wert 4 mA, nicht 0 mA.

Als Stromquelle für das Steuersignal wird hier also eine Stromquelle und keine Spannungsquelle verwendet. Dementsprechend muss der Antriebsregler über einen 4-20 mA Stromeingang und der Sensorgeber über einen Stromausgang verfügen.Angenommen, der Frequenzumrichter verfügt über einen Steuerstromeingang von 4–20 mA. Wenn dann ein Signal von 4 mA oder weniger an den Eingang angelegt wird, stoppt der gesteuerte Antrieb, und wenn ein Strom von 20 mA angelegt wird, beschleunigt er auf Vollgas.

Mittlerweile können aktuelle Sensorausgänge sowohl aktiv als auch passiv sein. In den meisten Fällen sind die Ausgänge passiv, was bedeutet, dass eine zusätzliche Stromversorgung erforderlich ist, die in Reihe mit dem Sensor und dem Antriebsregler geschaltet wird. Ein Sensor oder Controller mit aktivem Ausgang benötigt keine Stromversorgung, da er eingebaut ist.

Die analoge Stromschleife wird heute in der Technik häufiger verwendet als Spannungssignale. Es kann auf Entfernungen von bis zu mehreren Kilometern eingesetzt werden. Zum Schutz der Geräte wird eine galvanische Trennung optoelektronischer Geräte wie Optokoppler eingesetzt. Aufgrund der Unvollkommenheit der Stromquelle hängt die maximal zulässige Leitungslänge (und der maximale Leitungswiderstand) von der Spannung ab, mit der die Stromquelle gespeist wird.

Bei einer typischen Versorgungsspannung von 12 Volt sollte der Widerstand beispielsweise 600 Ohm nicht überschreiten. Die Strom- und Spannungsbereiche sind in GOST 26.011-80 „Messungen und Automatisierung“ beschrieben. Ein- und Ausgabe von kontinuierlichem elektrischem Strom und Spannung».

Tool zur Primärsignalvereinheitlichung – Normalisierungskonverter

Um das Primärsignal des Sensors zu vereinheitlichen – es in eine Spannung von 0 bis 10 V oder in einen Strom von 4 bis 20 mA umzuwandeln, das sogenannte Normalisierungswandler… Diese normierenden Umrechner gibt es für Temperatur, Feuchte, Druck, Gewicht usw.

Das Funktionsprinzip des Sensors kann unterschiedlich sein: kapazitiv, induktiv, ohmsch, Thermoelement usw. Um die Weiterverarbeitung des Signals zu erleichtern, muss der Ausgang jedoch die Vereinheitlichungsanforderungen erfüllen. Deshalb sind Sensoren häufig mit Standardwandlern ausgestattet, die den Messwert in Strom oder Spannung umwandeln.