Czujniki i sygnały analogowe – PLC Siemens

Pomiary analogowe w układach sterowania: Klucz do precyzyjnej kontroli procesów technologicznych

W świecie automatyki przemysłowej sygnały analogowe odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu dokładnych informacji o różnych procesach technologicznych. Te sygnały dostarczają informacji o wielkościach fizycznych takich jak ciśnienie, przepływ, poziom, odległość, waga, gęstość, stężenie, temperatura i wiele innych. Ale jak dokładnie działają te systemy? I jakie są ich kluczowe aspekty?

Czujnik analogowy: Serce systemu pomiarowego

Czujnik analogowy, inaczej nazywany przetwornikiem, jest urządzeniem odpowiedzialnym za przekształcanie wielkości fizycznej na sygnał elektryczny.

W przemyśle najczęściej spotykane są dwa standardy sygnałów elektrycznych:

• Sygnały prądowe:
  
  • 4mA….20mA (standardowy zakres)
  • 0mA….20mA
    
• Sygnały napięciowe:
  
  • 0V….10V (standardowy zakres)
  • −10V….10V
  • 0V….5V
  • −5….5V
  • 1V….5V

Co wybrać 0-10V czy 4…20mA?

Standard 4-20mA jest częściej wybierany z kilku powodów.

• Pozwala na łatwe wykrycie uszkodzeń w obwodzie – jeśli wartość spadnie poniżej 4 mA, może to wskazywać na problem z przewodem lub czujnikiem
• Sygnały prądowe są mniej wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne niż sygnały napięciowe
• Mogą być przesyłane na długie odległości (nawet do kilkuset metrów!) bez znaczącej utraty jakości

Sygnał napięciowy 0-10V jest najczęściej wykorzystywany w obrębie szaf sterujących oraz w torach pomiarowych, gdzie przewód do przetwornika ma kilka/kilkanaście metrów.

Od czujnika do sterownika. Jak to działa tor pomiarowy?

Przyjmijmy, że w zbiorniku mamy ciśnienie 6,1 bar. Czujnik ciśnienia [0..20mA] przetwarza tę wielkość fizyczną na sygnał elektryczny, na przykład 10,2 mA. Następnie przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D) w sterowniku przetwarza ten sygnał 10,2 mA na wartość cyfrową w postaci zmiennej całkowitej, np. 10475. W końcu, w programie sterownika PLC, wartość typu Integer jest przekształcana z powrotem na wartość inżynieryjną (typ Real), a na panelu HMI wyświetlana jest wartość 6,1 bar.

Jak działa wejście analogowe w sterowniku PLC?

Kiedy sygnał analogowy dociera do sterownika PLC, jest on najpierw próbkowany i konwertowany na wartość cyfrową za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Ta wartość cyfrowa jest następnie przetwarzana przez program sterownika PLC.

Ważne jest, aby pamiętać, że jakość i dokładność wejść analogowych w sterowniku PLC mogą się różnić w zależności od modelu i producenta sterownika. Dlatego ważne jest dokładne zapoznanie się ze specyfikacją techniczną sterownika przed jego zakupem i wdrożeniem w systemie. Przykładowe specyfikacje danych modeli modułów wejść analogowych dla PLC Siemens znajdziesz poniżej.

Siemens S7-1200 – Przykładowe moduły wejściowe analogowe

SM 1231 AI4 U/I: 6ES7 231-4HD32-0XB0

• Rodzaj wejścia: 4 napięciowe lub prądowe +/-10 V, +/-5 V, +/-2.5 V, or 0-20 mA/4-20
• Rozdzielczość: 12-bit + znak
• Czas przetwarzania: ok. 40 ms dla kanału
• Przybliżona cena: 850 zł netto

SM 1231 AI4 HF U/I: 6ES7 231-5ND32-0XB0

• Rodzaj wejścia: 4 kanały napięciowe lub prądowe +/-10 V, +/-5 V, +/-2.5 V, or 0-20 mA/4-20
• Rozdzielczość: 15-bit + znak
• Czas przetwarzania: ok. 40 ms dla kanału
• Przybliżona cena: 1350 zł netto

Siemens S7-1500 – Przykładowe moduły wejściowe analogowe

AI 8xU/I/RTD/TC ST: 6ES7 531-7KF00-0AB0

• Rodzaj wejścia: 8 kanałów uniwersalnych (napięcie, prąd, RTD, termopara)
• Rozdzielczość: 15-bit + znak
• Czas przetwarzania: ok. 9 ms dla kanału
• Przybliżona cena: 3000 zł netto

AI 8xU/R/RTD/TC HF: 6ES7 531-7PF00-0AB0

• Rodzaj wejścia: 8 kanałów uniwersalnych (napięcie, rezystancja, RTD, termopara)
• Rozdzielczość: 15-bit + znak
• Czas przetwarzania: ok. 4 ms dla kanału
• Przybliżona cena: 3400 zł

Projektowanie układów pomiarowych

Projektując układ automatyki, wykorzystujący pomiary analogowe, należy wziąć pod uwagę szereg aspektów:

• Zakres pomiarowy
  Każdy układ pomiarowy ma określony zakres pomiarowy. To najważniejszy czynnik do rozważenia. Jeżeli przekroczysz zakres, układ może nie działać poprawnie lub może zostać uszkodzony.
• Dokładność i powtarzalność
  Wybierając układ, zastanów się, jak dokładne i powtarzalne muszą być pomiary. Niektóre aplikacje wymagają bardzo wysokiej dokładności, podczas gdy inne mogą tolerować pewne błędy.
• Rodzaj wielkości fizycznej
  Różne układy pomiarowe są przeznaczone do pomiaru różnych wielkości fizycznych, takich jak temperatura, ciśnienie, przyspieszenie itp. Wybierz układ specjalnie zaprojektowany do mierzenia interesującej Cię wielkości.
• Środowisko
  W jakim środowisku będzie używany układ? Czy jest to środowisko o wysokiej wilgotności, wysokiej temperaturze, czy może jest narażone na wstrząsy? Wybierz urządzenie odpowiednie dla specyfiki środowiska.
• Typ czujnika
  Czujniki aktywne wymagają zewnętrznego źródła zasilania do działania. Mogą one również dostarczać sygnał o wyższej mocy, co jest korzystne w środowiskach z dużą ilością zakłóceń. Czujniki pasywne nie wymagają zewnętrznego zasilania. Są zazwyczaj prostsze, tańsze i bardziej niezawodne, ale mogą być bardziej podatne na zakłócenia.
• Koszt
  Budżet jest zawsze ważnym czynnikiem. Upewnij się, że układ, który wybierasz, jest w rozsądnej cenie w odniesieniu do jego funkcji i dokładności.
• Interfejs i kompatybilność
  Upewnij się, że układ pomiarowy jest kompatybilny z innymi urządzeniami w Twoim systemie i że posiada odpowiednie interfejsy do komunikacji.
• Długowieczność i niezawodność
  W zastosowaniach przemysłowych, gdzie urządzenie będzie działać przez długi czas w trudnych warunkach, ważne jest, aby układ był trwały i niezawodny.

Podsumowując, wybór odpowiedniego układu pomiarowego wymaga analizy wielu czynników. Kluczowe jest zrozumienie Twoich konkretnych potrzeb i wymagań oraz dopasowanie ich do właściwego układu, który spełni te potrzeby w optymalny sposób.

Czujniki analogowe aktywne

Czujniki aktywne, nazywane również czujnikami zasilanymi, wymagają zewnętrznego źródła zasilania do prawidłowego działania. Wykorzystują to zasilanie nie tylko do generowania sygnału wyjściowego, ale także do wewnętrznych operacji, takich jak wzmacnianie sygnału lub inne funkcje przetwarzania.

Przykłady czujników aktywnych:

• Przetworniki ciśnienia: Te czujniki przekształcają wartość ciśnienia na sygnał elektryczny, zazwyczaj w zakresie 4-20 mA.
• Czujniki temperatury z wyjściem prądowym: Takie jak te bazujące na termistorach lub RTD, które mają wbudowane układy wzmacniające sygnał.
• Czujniki odległości z wyjściem napięciowym/prądowym: Wykorzystujące ultradźwięki lub światło do mierzenia odległości i generowania proporcjonalnego sygnału napięciowego/prądowego.

Zalety czujników aktywnych:

• Mogą oferować zintegrowane funkcje przetwarzania sygnału, takie jak wzmacnianie, filtracja czy liniaryzacja.
• Zazwyczaj mają wyższą dokładność i stabilność w porównaniu z czujnikami pasywnymi.
• Mogą być bardziej odporne na zakłócenia, zwłaszcza w środowiskach przemysłowych z dużą ilością zakłóceń elektromagnetycznych.

Czujniki analogowe pasywne

Czujniki pasywne nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania do generowania sygnału wyjściowego. Zamiast tego, zmieniają swoje właściwości elektryczne w odpowiedzi na zmianę mierzonej wielkości.

Przykłady czujników pasywnych:

• Termopary: Generują napięcie w odpowiedzi na różnicę temperatur między dwoma różnymi metalami.
• Termistory: Rezystory, których oporność zmienia się w odpowiedzi na zmianę temperatury.
• Rezystancyjne czujniki położenia (potencjometry): Zmieniają swoją oporność w zależności od położenia.

Zalety czujników pasywnych:

• Prostsza konstrukcja i instalacja, ponieważ nie wymagają zewnętrznego zasilania.
• Mogą być bardziej niezawodne w niektórych aplikacjach z powodu braku skomplikowanych układów elektronicznych.
• Zazwyczaj są tańsze w zakupie i eksploatacji w porównaniu z czujnikami aktywnymi.

Rozdzielczość modułu analogowego PLC

Kiedy analizujemy specyfikację urządzenia z wejściami analogowymi, możemy napotkać różne parametry, takie jak rozdzielczość, która może wynosić 6, 10, 12, 14 lub 16 bitów.

Rozdzielczość określa, jak dokładnie sygnał analogowy jest reprezentowany w formie cyfrowej. Na przykład, w rejestrze 16-bitowym możemy binarnie zapisać liczbę całkowitą od 0 do 65536 lub −32 768 do 32 767 (ze znakiem).

Przeanalizujmy teoretyczny przetwornik o rozdzielczości 13 bit i 16 bit (zakres 0-10V)

Jednobiegunowa wartość mierzona z modułu o rozdzielczości 13 bitów (= 12 bitów + S) jest podzielona na łącznie 2¹² =4096 inkrementów.

Najmniejszy inkrement w zakresie pomiarowym od 0 do 10 V wynosi 10V / 4096V​, czyli 2,4 mV.

Jeśli rozdzielczość zwiększa się z 13 bitów do 16 bitów, liczba przyrostów zwiększa się ośmiokrotnie z 4096 do 32768.

Moduł o rozdzielczości 16 bitów (= 15 bitów + S) dostarcza więc inkrement o wartości 0,3 mV.

Przetwornik ADC w modułach Siemens

Konwersja odbywa się za pomocą zintegrowanego przetwornika ADC (analog-to-digital-converter) w module wejść analogowych. W przypadku procesora ta konwersja zawsze zwraca wartość 16-bitową w przypadku produktów SIMATIC zmienną WORD/INTEGER. Niezależnie czy przetwornik jest 10, 13 czy 16 bitowy. Zastosowany przetwornik ADC digitalizuje sygnał analogowy i przybliża jego wartość za pomocą krzywej schodkowej.

Zwróć uwagę, że zakres napięcia pomiarowego modułu dla sygnału 0-10V to aż 11,852V!!

32768 inkrementy są rozłożone na zakres napięcia 11,852 V, co oznacza, że tylko 27648 przyrostów jest faktycznie dostępnych dla rozdzielczości zakresu pomiarowego 10 V. Najmniejsza wartość, która może być reprezentowana, wynosi zatem 0,3617 mV (zobacz tabelę powyżej).

Jeśli sygnał przekroczy zakres ponadnormatywny lub poniżej normy, diagnozowany jest błąd „Overflow”, „Over range” lub „Underflow”, „Under range”.

Przeliczanie sygnału analogowego w Siemens TIA Portal

Konfiguracja modułu:

• Wybierz odpowiedni moduł wejść analogowych dla Twojego PLC na przykład dla S7-1200 (1)
• Skonfiguruj moduł w oprogramowaniu TIA Portal. Określ typ sygnału (napięcie, prąd) (2) i zakres (na przykład 0-10V, 4-20mA).
• Skonfiguruj diagnostykę (3)

Odczytywanie wartości z ADC

Po skonfigurowaniu modułu wartość odczytana z przetwornika ADC będzie dostępna w odpowiednim rejestrze pamięci PLC (1). Dla podanych adresów np. %IW112 musisz zdefiniować zmienną (np. AnalogInput_0) w tablicy tagów. Wartość ta będzie wartością całkowitą (0-2727648) odpowiadającą analogowemu sygnałowi wejściowemu.

Przeliczenie wartości:

• Aby przeliczyć wartość cyfrową na jednostkę inżynierską (na przykład temperaturę, ciśnienie), musisz zastosować wzór przeliczeniowy. Wzór ten będzie zależał od charakterystyki czujnika i zakresu sygnału.
• Na przykład, jeśli masz czujnik temperatury o zakresie 20-100°C i sygnale wyjściowym 0-10V, możesz użyć następującego wzoru:
  
  Temperatura (°C) = (wartość ADC / 27648) * (100-20) + 20
  
  Gdzie „27648” to wartość w rejestrze dla danego ADC, odpowiadająca sygnałowi 10V.
  

Implementacja w programie PLC:

• Używając oprogramowania TIA Portal, możesz dodać bloki programu, które odczytują wartość z ADC, przeliczają ją za pomocą powyższego wzoru i zapisują wynik w odpowiedniej zmiennej.

Zakłócenia w pomiarach analogowych

W rzeczywistości, pomiary analogowe mogą być podatne na różnego rodzaju zakłócenia, takie jak zakłócenia elektromagnetyczne, termiczne czy mechaniczne. Te zakłócenia mogą wpływać na dokładność i wiarygodność pomiarów.

Jak się przed nimi zabezpieczyć?

• Ekranowanie kabli
  Ekranowane kable mogą znacząco zmniejszyć wpływ zakłóceń elektromagnetycznych na sygnał.
• Używanie filtrów
  Filtry mogą być używane do eliminowania niepożądanych zakłóceń z sygnału.
• Odpowiednie rozmieszczenie sprzętu
  Unikanie umieszczania czujników i kabli w pobliżu źródeł zakłóceń, takich jak silniki czy przewody zasilające.

Podsumowanie

Sygnały analogowe są niezbędne w automatyce przemysłowej do monitorowania i sterowania procesami technologicznymi. Kluczowym elementem tych systemów jest czujnik analogowy, który przekształca wielkości fizyczne na sygnały elektryczne. Te sygnały są następnie interpretowane przez sterowniki PLC, które podejmują na ich podstawie decyzje sterujące. Ważne jest zapewnienie dokładności tych pomiarów, minimalizowanie zakłóceń oraz odpowiedni dobór czujników i układów pomiarowych w zależności od konkretnego zastosowania.

O autorze