Создавая систему автоматизации для того или иного технологического процесса, вынуждены как-то сопрягать датчики и другие устройства - с исполнительными устройствами, с преобразователями, с контроллерами и т. д. (см. рис. 1)
Контроллеры работают с двумя видами сигналов: аналоговым и цифровым. Сигналы приходят с датчиков и исполнительных устройств. В случае с цифровыми сигналами это импульсы с определенными временными параметрами. Когда мы говорим про аналоговые сигналы, то имеем ввиду сигналы напряжения или тока определенной величины.
Для аналоговых сигналов все просто: параметр сигнала должен определенным образом соответствовать параметрам физической величины, если он приходит с датчика.
Безусловно, чтобы контроллеры стали универсальными необходимо унифицировать аналоговые сигналы от устройств. Благодаря этому, пользователю не придется для каждого датчика подбирать свой индивидуальный контроллер с определенным интерфейсом.
Пусть характер сигналов ввода-вывода станет унифицированным – решили разработчики. При таком подходе разработка автоматизированных систем сильно упроститься, проще станет их ремонт и эксплуатация. В случае возникновения какой-то неисправности достаточно будет найти аналогичное по параметрам оборудование, зная что обработка сигнала останется неизменной.
Большое количество измерений связано с непрерывной обработкой аналогового сигнала. Так могут измеряться:
· температура среды
· давление в жидкости
· влажность воздуха
· обороты двигателя
При обработке этих сигналов автоматически корректируется работа сопряженного устройства: нагревательного элемента, частотного преобразователя, насоса, пресса и т.д.
Виды сигналов
В качестве аналогового сигнала наиболее часто служит либо сигнал напряжения, изменяющийся в диапазоне от 0 до 10 В, либо токовый сигнал, изменяющийся в диапазоне от 4 до 20 мА. Но так же встречаются и нестандартные сигналы. Классификацию сигналов можно изобразить следующим образом:
Давайте рассмотрим стандартные сигналы:
0-10 В
Когда используется унифицированный сигнал напряжения, то этой непрерывной последовательности напряжений от 0 до 10 В ставится в соответствие последовательность измеряемых физических величин, например давлений или температур.
Скажем, температура изменяется от -30 до +125°С, при этом напряжение изменяется от 0 до 10 В, причем 0 вольтам соответствует температура в -30°С, а 10 вольтам +125°С. Это может быть температура реагента или обрабатываемой детали, причем промежуточные значения температуры будут иметь строго определенные значения напряжения из обозначенного диапазона. Зависимость здесь не обязательно линейна.
Таким образом можно осуществлять управление различными устройствами, а также получать информацию для мониторинга. Например, радиатор с термодатчиком имеет аналоговый выход для отображения текущей температуры: 0 В — температура поверхности радиатора +25°С или ниже, 10 В — температура достигла +125°С — максимально допустимой.
Подобным образом можно управлять нагревательными приборами, двигателями станков, клапанами и прочей арматурой и приводами различного назначения.
4-20 мА
Второй вид унифицированного аналогового сигнала для управления автоматикой — токовый сигнал 4-20 мА, называемый «токовой петлей». Данный сигнал используется так же для получения сигналов от различных датчиков с целью управления исполнительными устройствами.
В отличие от сигнала напряжения, токовый характер сигнала позволяет передавать его без искажений на значительно большие расстояния, поскольку падения напряжений на линиях и на сопротивлениях автоматически компенсируются. Кроме того, очень проста диагностика целостности передающих цепей — если ток есть, значит линия цела, если тока нет — имеет место обрыв. Именно по этой причине наименьшее значение 4 мА, а не 0 мА.
Итак, здесь в качестве источника энергии управляющего сигнала используется источник тока, а не источник напряжения. Соответственно, контроллер исполнительного устройства должен иметь токовый вход 4-20 мА, а преобразователь датчика — токовый выход. Допустим, имеется у частотного преобразователя имеется токовый вход 4-20 мА для внешнего датчика. Пусть стоит задача поддерживать давление в трубе на уровне 2 атм. и этому значению соответствует уровень сигнала 10 мА. Тогда при подаче на вход сигнала 4 мА или менее — управляемый привод начнет работать, тем самым повысив давление в трубе. При подаче тока в 20 мА — остановится, чтобы вернуться на требуемый уровень давления.
Между тем, токовые выходы датчиков могут быть как активными, так и пассивными. Чаще выходы пассивные, это значит, что необходим дополнительный источник питания, который включается последовательно в цепь с датчиком и контроллером исполнительного устройства. Для датчика или контроллера с активным выходом — источник питания не потребуется, так как есть встроенный.
Аналоговая токовая петля используется сегодня в инженерной практике чаще, чем сигналы напряжения. Она может использоваться на расстояниях до нескольких километров. Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например, оптронах. Из-за неидеальности источника тока, максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока.
Теперь, аннотируем все вышеизложенное. Для сопряжения устройств автоматизации используют два вида сигналов: аналоговые и цифровые. Аналоговые сигналы встречаются чаще. Они классифицируются на два типа: сигнал напряжения и тока. Оба сигнала позволяют собирать информацию и устанавливать задания исполнительных устройств. Благодаря унификации этих сигналов стало проще выбирать оборудование и заменять в случае поломок.
