Тема 4.2. Системы автоматического регулирования на базе программируемых логических контроллеров

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯДАТЧИКОВ САНАЛОГОВЫМВЫХОДНЫМСИГНАЛОМ

ККОНТРОЛЛЕРАМ В настоящее время наибольшее распространение в промышленности имеют датчики с аналоговым выходным сигналом. Их активно вытесняют цифровые или интеллектуальные датчики

 

ДАТЧИКИ С ДВУХПРОВОДНОЙ ТОКОВОЙ ЛИНИЕЙ СВЯЗИ

 

Наиболее распространённым видом пере­дачи аналогового сигнала является сигнал с силой тока 4...20 мА. Основная характеристика дат­чиков - низкое энергопотребление при минимальном значении входного сигнала. Для работы датчика требуется ток менее 4 мА. Только в этом случае электропитание и выходной сигнал могут подаваться по одной линии.

На рис. 1 приведена типовая схема подключения датчика по двухпроводной схеме.

 

Для питания электронной схемы датчика требуется напряжение порядка 5...8 В, кото­рое может преобразовываться в датчике в двуполярное стабили­зированное напряжения порядка ±2,5 В. Этого напряжения дос­таточно для работы схем усилителя, а также управления диспле­ем и выходным транзистором. На все эти функции, как правило, потребляется ток менее 2 мА. Ситуация не изменяется, даже ес­ли датчик вырабатывает более высокий выходной сигнал. На верхнем пределе ток, потребляемый электроникой, немного выше. Выходной транзистор приоткрывается (т.е. сопротивление его перехода уменьшается) настолько, чтобы пропустить ток 18,1 мА; в результате по линии связи проходит полный ток 20 мА (рис. 2).

ноль

 верхний предел

Эта схема подключения датчика называется токовой петлёй.она широко используется в аппаратуре и обладает рядом преимуществ:

- низкое сопротивление, а, следо­вательно, большая устойчивость к помехам, чем линии связи с сигна­лами напряжения;

- до определенного предела она не чувствительна к изменению внутреннего сопротивления прово­дов линии связи;

- «нуль» токового контура 4...20 мА отличается от «нуля сигнала работающего прибора», что позво­ляет надежно распознать неисправность датчика, а также обрыв линии связи.

 

Электроника датчика распознаёт отказ (например, неисправность чувствительного элемента) и немедлен­но устанавливает выходной сигнал, равный 3 мА.

При обрыве ток в линии отсутствует (0 мА). В обоих состояниях выходной сигнал будет отличен от сигнала в режиме измерения, что позво­ляет обнаружить неисправность (рис. 3).

Рисунок 3 Шкалы измеряемого сигнала и тока датчика

 

Диапазон 4...20 мА имеет фиксированный верхний предел, поэтому ток, превышаю­щий 20 мА, также не может интерпретироваться как измеритель­ный сигнал. Это служит указанием, что значение изме­ряемого параметра превысило измерительный диапазон, или сви­детельствовать о коротком замыкании, т.е. о неисправности. При этом ток короткого замыкания должен ограничиваться до разум­ного значения на стороне контроллера с помощью защитного резистора (или плавкого предохранителя).

Если датчик откалиброван, то при отсутствии давления он покажет «нуль». Чтобы амперметр показывал ток 4 мА, выход­ной транзистор должен «приоткрыться» и отобрать из линии питания тока до 4 мА. Если ток ниже 3,6 мА и выше 21 мА – датчик не исправен. Большинство датчиков в нефтегазовой промышленности яв­ляются полевыми устройствами, преобразующими измеряемый параметр в сигнал 4..20 мА. Без барьера безопасности они мо­гут использоваться только в невзрывоопасных областях. При со­единении с соответствующим барьером безопасности датчики можно установить во взрывоопасной зоне.

ДАТЧИКИ ДЛЯ НЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОЙ ЗОНЫДатчики могут работать при напряжении питания в диапазоне 8..28 В. В ряде контроллеров, имеющих аналоговые входы, на­пряжение питания выводится на клеммы разъёма для питания аналоговых датчиков. Измерительная схема всегда одинакова (рис. 4). Измерительный ток I_вх протекает через резистор R_вх создавая пропорциональное падение напряжения U_вx, которое усиливается измерительным усилителем. Результирующее напряжение U_выx используется для индикации результатов измерения и формирования сигнала тревоги с помощью компараторов.

Рисунок 4 Подключение двухпроводного датчика 4…20 мА к контроллеру с питанием по входным цепям

 

Если двухпроводный датчик работает с контроллером, в кото­ром не предусмотрены клеммы для питания датчика, то его не­обходимо подсоединить к внешнему источнику питания напря­жением 24 В или к аккумулятору рис. 5 Рисунок 5 Подключение двухпроводного датчика 4…20 мА к контроллеру с внешним источником питания

ДАТЧИКИ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ. БАРЬЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИВ нефтегазовой промышленности для сопряжения контрольно-измерительного оборудования, размещённого во взрывобезопасной зоне, с датчиками, установленными во взрывоопасных зонах, в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями применяются барьеры искрозащиты

Во взрывоопасных зонах разрешено размещать оборудова­ние:

-взрывозащищенной конструкции («d» - взрывонепроницаемая оболочка), когда не допускается распространение разруше­ний, вызванных давлением взрыва, за пределы оболочки прибора;

- искробезопасной конструкции (маркируется как «Ех»).

Искробезопасность - это метод защиты, гарантирующий, что при возникновении одной неисправности («ib») или даже двух независимых неисправностей («ia») в аппарате не возникнет ни горячих поверхностей, ни искр, которые могли бы поджечь горючую смесь, окружающую датчик. В отличие от других методов защиты, искробезопасен не только датчик, но и вся цепь. Эта искробезопасная цепь должна быть отделена от неискробезопасной цепи контроллера так называемым барьером безопасности.

Барьер искробезопасности ограничивает напряжение, поступающее на датчик до уровня U_mах, и мощность до уровня Р_mах. Эти значения могут быть различными для разных барьеров искрозащиты.

Например, для барьера искрозащиты GHG 1169 110 V0 (ABB) соответствующие параметры этого барьера:

U_mах, = 19,2 В, Р_mах = 648 мВт.

Барьер безопасности должен быть заземлен (РЕ) или соединен с общей шиной (РА); то же относится и к экрану (рис. 6).

 

а)

б)

Рисунок 6. Схема подключения датчика к барьеру безопасности:

а) без гальванической развязки, б) с гальванической развязкой

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА ИСКРОЗАЩИТЫ       

Если, при неисправности, напряжение неискробезопасной цепи становится слишком высоким (потенциал измеряется относительно потенциала точки РА/РЕ), то стабилитроны, обычно имеющие высокое сопротивление, начинают проводить ток и потребляют столь его столько, что плавкий предохранитель перегорает. Таким образом, опасные высокие напряжения не могут передаваться во взрывоопасную зону. При замыкании на массу во взрывоопасной области максимальный ток ограничен токоограничивающим резистором во невзрывоопасной области и/или перегорает плавкий предохранитель. Следовательно, опасно высокие токи не могут передаваться во взрывоопасную область, т.е. электропитание в искробезопасной цепи надежно ограничено.Очевидно, что такой барьер безопасности должен быть серти­фицирован и маркирован как прибор, обеспечивающий взрыво-безопасность, например, [ Exib ]. Квадратные скобки указывают, что барьер безопасности обеспечивает искробезопасность цепи категории «ib», однако сам по себе не является взрывозащищенным прибором, т.е. барьер следует устанавливать только во взрывобезопасной области (обычно в шкафу управления, где монтируется контроллер).

 

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ Датчик, который содержит микропроцессорное устройство обработки информации, называют интеллектуальным датчиком (см. рис.9)

На рис. 9 показана функциональная схема интеллектуального датчика давления а на рисунке 10 блок-схема интеллектуального датчика с выходным значением тока

Сенсор - чувствительный элемент - преобразует давление в напряжение.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь - преобразует напряжение в код.

МП - микропроцессор - осуществляет обработку сигнала - вычисление значения вычисляемого параметра, а также функции управления и линеаризации характеристики сенсора.

Интерфейсные блоки служат для формирования сигналов цифровой и аналоговой передачи данных. Устройство индикации показывает значение измеряемого параметра.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь - преобразует цифровой код в сигнал тока датчика. Полевой транзистор слу­жит для стабилизации напряжения питания схемы. Сопротивле­ние Ri служит для контроля значения тока в цепи.

 

Рисунок 9 Функциональная схема интеллектуального датчика давления

 

 Рисунок 10 Блок-схема интеллектуального датчика с выходным значением тока

 

HART-протокол (HighwayAddressableRemoteTransducer) способ передачи данных с помощью частотной модуляции, который наряду с передачей аналоговой информации может пере­давать и цифровые данные. Цифровая информация пе­редаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логиче­ский 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 11).

Частотно-модулированный сигнал цифровых данных при применении соответствующей фильтрации не влияет на основ­ной аналоговый сигнал 4...20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с.

Рисунок 11. Схема передачи данных в HART-протоколе

Модем 1 преобразует цифровой код в частотно-модулиро­ванный сигнал, который поступает на формирователь сигнала, и далее через ЦАП на выход датчика.