Wejścia analogowe w sterownikach, regulatorach, układach automatyki

Transkrypt

1 Wejścia analogowe w sterownikach, regulatorach, układach automatyki 1 Sygnały wejściowe/wyjściowe w sterowniku PLC Izolacja galwaniczna obwodów sterownika Zasilanie sterownika Elementy sygnalizacyjne Wejścia logiczne (dwustanowe) Wejścia analogowe (napięciowe, prądowe) Wejścia komunikacyjne System mikroprocesorowy: pamięć ROM- Flash pamięć RAM SRAM pamięć RAM EEPROM układy wejścia/wyjścia interfejs szeregowy Schemat blokowy sterownika PLC Wyjścia logiczne (dwustanowe) Wyjścia analogowe (napięciowe, prądowe) Wyjścia komunikacyjne Elementy stykowe Semestr zimowy 2013/2014, WIEiK-PK 2 1

2 Rodzaje wejść analogowych Wejścia napięciowe Wejścia analogowe napięciowe unipolarne 0-5V, 0-10V, bipolarne +/-5V, +/-10V, Parametry wejść napięciowych zakres napięcia wejściowego, sposób zmiany zakresu ręczny/programowy, sposób pomiaru pojedynczy lub różnicowy, rezystancja wejściowa, prąd wejściowy, dokładność pomiarowa (liniowość), rozdzielczość pomiarowa dla przetwornika A/C, czas przetwarzania dla przetwornika A/C, stabilność temperaturowa i czasowa, pasmo przenoszenia dla sygnałów zmiennych, stała filtru DP, odporność na przepięcia i zakłócenia, współczynnik tłumienia CMRR, izolacja galwaniczna pomiędzy obwodem wejściowym a głównym układem sterującym (mikroprocesor, mikrokontroler), 3 Rodzaje wejść analogowych Wejścia prądowe Wejścia prądowe: unipolarne 0-20mA, 4-20mA, bipolarne +/-20mA Parametry wejść prądowych: Zakres prądu wejściowego, sposób zmiany zakresu ręczny/programowy, sposób pomiaru pojedynczy lub różnicowy, rezystancja pomiarowa, dokładność pomiarowa (liniowość), rozdzielczość pomiarowa dla przetwornika A/C, czas przetwarzania dla przetwornika A/C, stabilność temperaturowa i czasowa, pasmo przenoszenia dla sygnałów zmiennych, stała filtru DP, odporność na przepięcia i zakłócenia, współczynnik tłumienia CMRR, izolacja galwaniczna pomiędzy obwodem wejściowym a głównym układem sterującym (mikroprocesor, mikrokontroler), 4 2

3 Rodzaje wejść analogowych Wejścia dla czujników temperatur Wejścia dla czujników temperatur typu: rezystancyjny (RTD) - Pt100, Pt1000, Ni100, Ni1000 termopara typu J, K, B, N, T termistor NTC, Półprzewodnikowy (złącze n-p, dioda, rezystancyjny) Parametry wejść dla czujników temperatur: rodzaj czujnika wejściowego, sposób zmiany typu czujnika ręczny/programowy, kompensacja styku zimnego dla termopar, sposób pomiaru dwuprzewodowy, trójprzewodowy, czteroprzewodowy, sposób pomiaru napięciowy lub prądowy, zasilanie zewnętrzne, linearyzacja charakterystyki czujnika analogowa lub programowa, możliwość kalibracji analogowej, czułość, powtarzalność pomiarowa, dokładność pomiarowa (liniowość), rozdzielczość pomiarowa dla przetwornika A/C, czas przetwarzania dla przetwornika A/C, stabilność temperaturowa i czasowa, stała filtru DP, pasmo przenoszenia dla sygnałów zmiennych, odporność na przepięcia i zakłócenia, współczynnik tłumienia CMRR, izolacja galwaniczna pomiędzy obwodem wejściowym a głównym układem sterującym (mikroprocesor, mikrokontroler), 5 Rodzaje wejść analogowych inne rodzaje wejść analogowych wejścia dla czujników mostkowych, np. tensometrycznych, wejścia dla czujników rezystancyjnych, wejścia dla czujników temperatury typu termistor, wejścia dla boczników prądowych (50mV, 100mV), wejścia dla pomiaru napięć zmiennych, specjalizowane wejścia dla czujników pojemnościowych, itp. wejścia mieszane analogowo/logiczne 6 3

4 Zasada pomiaru napięcia wejście napięciowe pojedyncze Sygnał napięciowy z czujnika AGND1 U WY 1 zakłócenia U GND I we U WE R WE AGND Filtr DP Obwód pomiarowy z wejściem pojedynczym C W Wewnętrzny system pomiarowy U X V REF AGND A/C DGND MCU DGND Dzielnik wejściowy, filtr DP, wzmacniacz pojedynczy, przetwornik A/C i mikrokontroler Zalety i wady wejścia pojedynczego: mała liczba przewodów, małe koszty przy krótkich odległościach, małe koszty i prostota układu pomiarowego, słaba odporność na zakłócenia, słabe tłumienie sygnałów tzw. wspólnych Uwaga Dla pomiaru napięcia bipolarnego, np. +/- 10V wymagany dodatkowy obwód przesuwający poziom napięcia do wartości dodatnich. Przetworniki A/D konwertują tylko napięcie dodatnie 7 Sygnał napięciowy z czujnika U wy Zasada pomiaru napięcia wejście napięciowe różnicowe zakłócenia I we R we C WR U we U x K I we Filtr DP U W1 U W2 C U U R W+ W- KABLA1 Wewnętrzny system pomiarowy + - V REF U x A/C DGND MCU DGND AGND1 U GND AGND Obwód pomiarowy z wejściem różnicowym Zalety i wady wejścia pojedynczego: dobra odporność na zakłócenia, silne tłumienie sygnałów tzw. wspólnych większa liczba przewodów, większe koszty przy dużych odległościach, większe koszty i bardziej skomplikowany układ pomiarowy, Dzielnik wejściowy, filtr DP, wzmacniacz różnicowy, przetwornik A/C i mikrokontroler Wejściowe Napięcie Różnicowe U we = U W1 - U W2 Wejściowe Napięcie dla przet. A/C U X = K*(U W1 - U W2 ) 8 4

5 Transmisja prądowa sygnałów analogowych Zalety i wady przesyłania sygnałów w postaci prądowej: większa odporność na zakłócenia, eliminacja wpływu rezystancji połączeń (kabla), możliwość zasilania czujnika i przesyłania sygnału tymi samymi przewodami, możliwość połączenia transmisji sygnału analogowego i cyfrowego (standard HART), wymagana zamiana sygnału na postać prądową, konwerter napięcie/prąd, wymagany rezystor pomiarowy do zamiany prądu na napięcie, 9 Wejście prądowe 4-20mA Wzmacniacz wejściowy pojedynczy lub różnicowy Źródło prądowe czujnika I WY U KABLA I WE W U X A/C MCU VZAS R P U WE Napięcie zasilające czujnik, ok Vdc AGND R P - Rezystor pomiarowy, ok. 20Ω - 250Ω Obwód pomiarowy 4-20mA (tzw. pętla prądowa), podłączenie czujnika dwuprzewodowe Wzmacniacz wejściowy pojedynczy lub różnicowy Źródło prądowe czujnika I WY U KABLA V ZAS I WE W U X A/C MCU R P U WE AGND Obwód pomiarowy 4-20mA, podłączenie czujnika dwuprzewodowe 10 5

6 Wejście prądowe 0-20mA Wzmacniacz wejściowy pojedynczy lub różnicowy Źródło prądowe czujnika I WY U KABLA I WE W U X A/C MCU R P U WE V ZAS AGND Obwód pomiarowy 0-20mA, czujnik z własnym źródłem zasilania, podłączenie czujnika dwuprzewodowe Źródło prądowe Wzmacniacz wejściowy pojedynczy lub różnicowy R P - Rezystor pomiarowy, ok. 20Ω - 250Ω U WE = I WE * R WE czujnika I I WY WE W U KABLA U X A/C MCU V ZAS R P U WE Napięcie zasilające czujnik, ok Vdc Obwód pomiarowy 0-20mA, podłączenie czujnika trójprzewodowe, zewnętrzne źródło napięcia do zasilania czujnika AGND R P - Rezystor pomiarowy, ok. 100Ω - 250Ω 11 Wielokanałowy pomiar napięcia AIN0 V0 U X V1 AIN1 W U X A/C MCU AIN2 V2 COM Multiplekser analogowy AGND Wybór kanału DGND 12 6

7 Izolacja galwaniczna w obwodach analogowych Izolacja sygnałów analogowych Izolacja sygnałów cyfrowych zakłócenia U WY U WE C W U X A/C AGND DGND MCU DGND AGND1 U GND Zalety i wady izolacji galwanicznej bardzo dobra odporność na zakłócenia, możliwość pomiaru sygnałów na różnych potencjałach, większa liczba elementów, zmniejszona dokładność pomiarowa, większe koszty układu pomiarowego i bardziej skomplikowany układ pomiarowy, dodatkowe źródła zasilania. AGND Miejsce gdzie może być wstawiona izolacja galwaniczna pomiędzy obwodem czujnika a obwodem pomiarowym 13 Przykłady wejść analogowych w PLC Wielokanałowy moduł wejść analogowych, napięciowe lub prądowe, firmy SAIA 14 7

8 Przykłady wejść analogowych w PLC Wielokanałowy moduł wejść analogowych, dla rezystancyjnych Semestr letni czujników 2013/2014, temperatury, WIEiK, PK firmy SAIA 15 Przykłady wejść analogowych w PLC Wielokanałowy moduł wejść analogowych, napięciowe, wejścia pojedyncze, firmy SAIA 16 8

9 Wzmacniacz operacyjny jeden z podstawowych elementów do realizacji wejść i wyjść analogowych w układach sterowania Wejście nieodwracające V1 = K*(V1 V2) Napięcie różnicowe V D V D = V1-V2 V2 Wejście odwracające IDEALNY WZMACNIACZ OPERACYJNY nieskończenie duże wzmocnienie napięciowe, K->, napięcie wyjściowe może osiągnąć ±, nieskończenie duża rezystancja wejściowa, prąd wejściowy I WE =0A, układ nie obciąża wejścia, zerowa rezystancja wyjściowa, prąd wyjściowy może osiągnąć ± A, nieskończenie duże pasmo przenoszenia, od 0Hz do Hz, brak wpływu temperatury na działanie, 17 Wzmacniacz operacyjny zasilanie układu rzeczywistego Dodatnie napięcie zasilania V1 I WE+ V D I O = K*(V1 V2) Napięcie różnicowe V D = V1-V2 I WE+ V- V2 V- R O Ujemne napięcie zasilania V D Charakterystyka statyczna z ograniczeniem napięcia wyjściowego V- 18 9

10 Podstawowe konfiguracje wzmacniacza operacyjnego Wzmacniacz odwracający fazę Wzmacniacz nieodwracający fazy V IN V- R O V- R O V IN R WE = V out Vin V R WE -> 1 out Vin 19 Podstawowe konfiguracje wzmacniacza operacyjnego Wzmacniacz całkujący Wzmacniacz różniczkujący R V- R O C V- R O V IN C V IN R 1 RC V out ( Vin) dt V C V out dv RC dt in 20 10

11 Podstawowe konfiguracje wzmacniacza operacyjnego Wzmacniacz sumujący Wtórnik napięciowy, K=1 R WE -> V IN V- R O V- R O V1 IN V2 IN R3 Rp V3 IN V out Rp * V1in V 2 in V 3 R3 in Vout Vin 21 Wzmacniacz różnicowy konfiguracja podstawowa na jednym wzmacniaczu operacyjnym V2 IN V1 IN V- R O V out V 2 IN V1 IN dla ' ' CMR 1 20log 10 Kr Kr ułamkowy wsp. nierówności rezystancji Układ czuły na niedokładności rezystorów, ważne aby /= / Nierówne rezystancje wejściowe dla V1 IN i V2 IN CMR - ang. Common Mode Rejection albo CMRR - ang. Common Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego, im większy tym lepiej Tolerancja elementów 0.1% powoduje, że wsp. CMR przyjmuje wartość ok. 66dB dla = 22 11

12 Wzmacniacz różnicowy konfiguracja podstawowa na jednym wzmacniaczu operacyjnym, jeden układ scalony Przykład zastosowania wzmacniacza różnicowego, typu AD629 jako nadajnika prądowego 23 Wzmacniacz różnicowy konfiguracja na dwóch wzmacniaczach operacyjnych 24 12

13 Wzmacniacz różnicowy konfiguracja na dwóch wzmacniaczach operacyjnych, jeden układ scalony Gotowy układ scalony wzmacniacza różnicowego, typu AD Wzmacniacz różnicowy konfiguracja na trzech wzmacniaczach operacyjnych 26 13

14 Wzmacniacz różnicowy dla czujnika tensometrycznego, jeden układ scalony 27 Wzmacniacz różnicowy w układzie wejściowym Obwód wejścia prądowego 4-20mA zbudowany na wzmacniaczu różnicowym 28 14

15 Obwód wejściowy dla termopary 29 Obwód wejściowy dla termopary na specjalizowanym układzie scalonym 30 15

16 Obwód wejściowy dla termopary na specjalizowanym układzie scalonym wraz przetwornikiem A/C 31 Obwód wejściowy dla czujnika PT100 na specjalizowanym układzie scalonym wraz przetwornikiem A/C 32 16

17 Obwód wejściowy dla PT100 Idea pomiaru Obwód pomiarowy dla czujnika typu RTD, np.pt100 na mikrokontrolerze typu ADuC834, firmy Analog Devices 33 Przykład tzw. inteligentnego czujnik z mmikrokontrolerem 34 17

18 Czujnik inteligentny wraz z interfejsem szeregowym typu HART 35 Przykład realizacji wejścia analogowego z izolacją galwaniczną Specjalizowany transoptor, typu IL300 dla sygnałów analogowych 36 18