En el proceso de automatización de procesos tecnológicos para controlar mecanismos y unidades, hay que lidiar con mediciones de diversas cantidades físicas. Puede ser temperatura, presión y flujo de líquido o gas, velocidad de rotación, intensidad de la luz, información sobre la posición de partes de mecanismos y mucho más. Esta información se obtiene mediante sensores. Aquí, primero, sobre la posición de las partes de los mecanismos.
Sensores discretos
El sensor más simple es un contacto mecánico ordinario: la puerta se abre, el contacto se abre, se cierra, se cierra. Un sensor tan simple, así como el algoritmo de funcionamiento dado, a menudo... Para un mecanismo con movimiento de traslación, que tiene dos posiciones, por ejemplo una válvula de agua, necesitará dos contactos: un contacto está cerrado - la válvula está cerrada, el otro está cerrado - está cerrada.
Más algoritmo complejo El movimiento de traslación tiene un mecanismo de cierre del molde termoplástico de la máquina automática. Inicialmente el molde está abierto, esta es la posición inicial. En esta posición, los productos terminados se retiran del molde. A continuación, el trabajador cierra la guarda de seguridad y el molde comienza a cerrarse, y comienza un nuevo ciclo de trabajo.
La distancia entre las mitades del molde es bastante grande. Por lo tanto, al principio el molde se mueve rápidamente y, a cierta distancia antes de que se cierren las mitades, se activa el interruptor de límite, la velocidad de movimiento disminuye significativamente y el molde se cierra suavemente.
Este algoritmo le permite evitar golpes al cerrar el molde, de lo contrario, simplemente puede romperse en pedazos pequeños. El mismo cambio de velocidad se produce al abrir el molde. Aquí ya no bastan dos sensores de contacto.
Por lo tanto, los sensores de contacto son discretos o binarios, tienen dos posiciones, cerrado - abierto o 1 y 0. En otras palabras, podemos decir que un evento ha ocurrido o no. En el ejemplo anterior, los contactos “captan” varios puntos: el inicio del movimiento, el punto de reducción de la velocidad, el final del movimiento.
En geometría un punto no tiene dimensiones, sólo un punto y listo. Puede estar (en una hoja de papel, en la trayectoria del movimiento, como en nuestro caso) o simplemente no existir. Por lo tanto, se utilizan sensores discretos para detectar puntos. Quizás una comparación con un punto no sea muy apropiada aquí, porque a efectos prácticos utilizan la precisión de la respuesta de un sensor discreto, y esta precisión es mucho mayor que la de un punto geométrico.
Pero el contacto mecánico en sí no es fiable. Por ello, siempre que sea posible, los contactos mecánicos se sustituyen por sensores sin contacto. La opción más sencilla son los interruptores de láminas: el imán se acerca, el contacto se cierra. La precisión del interruptor de láminas deja mucho que desear; estos sensores sólo deberían utilizarse para determinar la posición de las puertas.
Varios sensores sin contacto deberían considerarse una opción más compleja y precisa. Si la bandera de metal entraba en la ranura, se activaba el sensor. Un ejemplo de este tipo de sensores son los sensores BVK (interruptor de límite sin contacto) de varias series. La precisión de respuesta (diferencial de recorrido) de dichos sensores es de 3 milímetros.
Figura 1. Sensor serie BVK
La tensión de alimentación de los sensores BVK es de 24 V, la corriente de carga es de 200 mA, lo que es suficiente para conectar relés intermedios para una mayor coordinación con el circuito de control. Así se utilizan los sensores BVK en diversos equipos.
Además de los sensores BVK, también se utilizan sensores del tipo BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Cada serie tiene varios tipos de sensores, designados por números, por ejemplo, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Todos los sensores mencionados son discretos sin contacto, su objetivo principal es determinar la posición de partes de mecanismos y conjuntos. Naturalmente, hay muchos más de estos sensores; es imposible escribir sobre todos ellos en un solo artículo. Varios sensores de contacto son aún más comunes y todavía se utilizan ampliamente.
Aplicación de sensores analógicos.
Además de los sensores discretos, los sensores analógicos se utilizan ampliamente en los sistemas de automatización. Su finalidad es obtener información sobre diversas cantidades físicas, y no sólo de forma general, sino en tiempo real. Más precisamente la transformación cantidad física(presión, temperatura, iluminación, flujo, voltaje, corriente) en una señal eléctrica adecuada para su transmisión a través de líneas de comunicación al controlador y su procesamiento posterior.
Los sensores analógicos suelen estar ubicados bastante lejos del controlador, por lo que a menudo se les llama dispositivos de campo. Este término se utiliza a menudo en la literatura técnica.
Un sensor analógico suele estar formado por varias partes. La parte más importante es el elemento sensor. sensor. Su finalidad es convertir el valor medido en una señal eléctrica. Pero la señal recibida del sensor suele ser pequeña. Para obtener una señal adecuada para amplificación, el sensor suele incluirse en un circuito puente: puente de Wheatstone.
Figura 2. Puente de Wheatstone
El propósito original de un circuito puente es medir con precisión la resistencia. La fuente está conectada a la diagonal del puente AD. corriente continua. A la otra diagonal se conecta un galvanómetro sensible con un punto medio, con cero en el centro de la escala. Para medir la resistencia de la resistencia Rx, al girar la resistencia de sintonización R2, se debe lograr el equilibrio del puente y poner la aguja del galvanómetro en cero.
La desviación de la flecha del instrumento en una dirección u otra le permite determinar la dirección de rotación de la resistencia R2. El valor de la resistencia medida está determinado por la escala combinada con el mango de la resistencia R2. La condición de equilibrio del puente es la igualdad de las relaciones R1/R2 y Rx/R3. En este caso, se obtiene una diferencia de potencial cero entre los puntos BC y no fluye corriente a través del galvanómetro V.
La resistencia de las resistencias R1 y R3 se selecciona con mucha precisión, su extensión debe ser mínima. Sólo en este caso, incluso un pequeño desequilibrio del puente provoca un cambio bastante notable en el voltaje de la diagonal BC. Es esta propiedad del puente la que se utiliza para conectar elementos sensibles (sensores) de varios sensores analógicos. Bueno, entonces todo es sencillo, es cuestión de técnica.
Para utilizar la señal recibida del sensor, se requiere un procesamiento adicional: amplificación y conversión en una señal de salida adecuada para su transmisión y procesamiento por el circuito de control. controlador. Muy a menudo, la señal de salida de los sensores analógicos es corriente (bucle de corriente analógica), con menos frecuencia voltaje.
¿Por qué actual? El hecho es que las etapas de salida de los sensores analógicos se construyen sobre la base de fuentes de corriente. Esto le permite deshacerse de la influencia de la resistencia de las líneas de conexión en la señal de salida y utilizar líneas de conexión largas.
Una conversión adicional es bastante simple. La señal actual se convierte en voltaje, para lo cual basta con pasar la corriente a través de una resistencia de resistencia conocida. La caída de tensión a través de la resistencia de medición se obtiene según la ley de Ohm U=I*R.
Por ejemplo, para una corriente de 10 mA en una resistencia de 100 ohmios, el voltaje será 10 * 100 = 1000 mV, ¡tanto como 1 voltio! En este caso, la corriente de salida del sensor no depende de la resistencia de los cables de conexión. Por supuesto, dentro de límites razonables.
Conexión de sensores analógicos
El voltaje obtenido en la resistencia de medición se puede convertir fácilmente a una forma digital adecuada para ingresar al controlador. La conversión se realiza usando Convertidores analógicos a digitales ADC.
Los datos digitales se transmiten al controlador mediante código serie o paralelo. Todo depende del circuito de conmutación específico. En la Figura 3 se muestra un diagrama de conexión simplificado para un sensor analógico.
Figura 3. Conexión de un sensor analógico (haga clic en la imagen para ampliarla)
Los actuadores están conectados al controlador, o el controlador mismo está conectado a una computadora incluida en el sistema de automatización.
Naturalmente, los sensores analógicos tienen un diseño completo, uno de cuyos elementos es una carcasa con elementos de conexión. Como ejemplo, la Figura 4 muestra apariencia sensor presión demasiada tipo Zond-10.
Figura 4. Sensor de sobrepresión Zond-10
En la parte inferior del sensor se puede ver el hilo de conexión para conectar a la tubería, y a la derecha, debajo de la cubierta negra, hay un conector para conectar la línea de comunicación con el controlador.
Sellando Conexión roscada se fabrica utilizando una arandela de cobre recocido (incluida en el paquete de entrega del sensor) y no enrollada con cinta adhesiva o lino. Esto se hace para que al instalar el sensor, el elemento sensor ubicado en el interior no se deforme.
Salidas de sensores analógicos
Según las normas, existen tres rangos de señales de corriente: 0...5mA, 0...20mA y 4...20mA. ¿Cuál es su diferencia y cuáles son sus características?
Muy a menudo, la dependencia de la corriente de salida es directamente proporcional al valor medido, por ejemplo, cuanto mayor es la presión en la tubería, mayor es la corriente en la salida del sensor. Aunque a veces se utiliza la conmutación inversa: una corriente de salida mayor corresponde al valor mínimo de la cantidad medida en la salida del sensor. Todo depende del tipo de controlador utilizado. Algunos sensores incluso tienen un cambio de señal directa a inversa.
La señal de salida en el rango de 0...5 mA es muy pequeña y, por lo tanto, susceptible a interferencias. Si la señal de dicho sensor fluctúa mientras el valor del parámetro medido permanece sin cambios, se recomienda instalar un condensador con una capacidad de 0,1...1 μF en paralelo con la salida del sensor. La señal actual en el rango 0...20mA es más estable.
Pero ambos rangos son malos porque el cero al principio de la escala no nos permite determinar sin ambigüedades lo que sucedió. ¿O la señal medida realmente alcanzó el nivel cero, lo que en principio es posible, o simplemente se rompió la línea de comunicación? Por eso, si es posible, intentan evitar el uso de estos rangos.
La señal de sensores analógicos con una corriente de salida en el rango de 4...20 mA se considera más confiable. Su inmunidad al ruido es bastante alta, y el límite inferior, incluso si la señal medida tiene un nivel cero, será de 4 mA, lo que nos permite decir que la línea de comunicación no está rota.
Otra buena característica del rango de 4...20 mA es que los sensores se pueden conectar utilizando sólo dos cables, ya que esta es la corriente que alimenta el sensor. Este es su consumo actual y al mismo tiempo una señal de medición.
La fuente de alimentación para sensores en el rango de 4...20 mA está encendida, como se muestra en la Figura 5. Al mismo tiempo, los sensores Zond-10, como muchos otros, según su hoja de datos tienen un amplio rango de voltaje de alimentación de 10 ...38V, aunque lo más habitual es que se utilicen con una tensión de 24V.
Figura 5. Conexión de un sensor analógico con fuente externa nutrición
Este diagrama contiene los siguientes elementos y símbolos. Rsh es la resistencia de derivación de medición, Rl1 y Rl2 son la resistencia de las líneas de comunicación. Para aumentar la precisión de la medición, se debe utilizar una resistencia de medición de precisión como Rsh. El flujo de corriente desde la fuente de energía se muestra mediante flechas.
Es fácil ver que la corriente de salida de la fuente de alimentación pasa desde el terminal +24V, a través de la línea Rl1 llega al terminal del sensor +AO2, pasa por el sensor y por el contacto de salida del sensor - AO2, conectando la línea Rl2, la resistencia Rsh regresa al terminal de fuente de alimentación de -24V. Todo, el circuito está cerrado, la corriente fluye.
Si el controlador contiene una fuente de alimentación de 24 V, entonces es posible conectar un sensor o transductor de medición de acuerdo con el diagrama que se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Conexión de un sensor analógico a un controlador con fuente de alimentación interna
Este diagrama muestra un elemento más: la resistencia de balasto Rb. Su propósito es proteger la resistencia de medición en caso de un cortocircuito en la línea de comunicación o un mal funcionamiento del sensor analógico. La instalación de la resistencia Rb es opcional, aunque deseable.
Además de varios sensores, los transductores de medida también tienen una salida de corriente, que se utilizan con bastante frecuencia en sistemas de automatización.
transductor- un dispositivo para convertir niveles de voltaje, por ejemplo, 220 V o una corriente de varias decenas o cientos de amperios en una señal de corriente de 4...20 mA. Aquí simplemente se convierte el nivel de la señal eléctrica, y no la representación de alguna cantidad física (velocidad, flujo, presión) en forma eléctrica.
Pero, por regla general, un solo sensor no es suficiente. Algunas de las mediciones más populares son las mediciones de temperatura y presión. El número de dichos puntos por producción moderna puede llegar a varias decenas de miles. Por consiguiente, el número de sensores también es grande. Por lo tanto, la mayoría de las veces se conectan varios sensores analógicos a un controlador a la vez. Por supuesto, no varios miles a la vez, es bueno que una docena sean diferentes. Esta conexión se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Conexión de varios sensores analógicos al controlador
Esta figura muestra cómo se obtiene a partir de una señal de corriente un voltaje adecuado para la conversión a un código digital. Si hay varias señales de este tipo, no se procesan todas a la vez, sino que se separan en el tiempo y se multiplexan; de lo contrario, sería necesario instalar un ADC separado en cada canal.
Para ello, el controlador dispone de un circuito de conmutación. Diagrama funcional El interruptor se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Interruptor de canal del sensor analógico (imagen en la que se puede hacer clic)
Las señales del bucle de corriente, convertidas en tensión a través de la resistencia de medición (UR1...URn), se envían a la entrada del interruptor analógico. Las señales de control pasan alternativamente a la salida una de las señales UR1...URn, que son amplificadas por el amplificador, y llegan alternativamente a la entrada del ADC. El voltaje convertido en código digital se suministra al controlador.
El esquema, por supuesto, está muy simplificado, pero en él es muy posible considerar el principio de multiplexación. Así es aproximadamente como se construye el módulo para ingresar señales analógicas de los controladores MSTS (sistema de microprocesador) medios tecnicos) producido por el PC "Prolog" de Smolensk. La apariencia del controlador MSTS se muestra en la Figura 9.
Figura 9. Controlador MSTS
La producción de tales controladores se suspendió hace mucho tiempo, aunque en algunos lugares, lejos de ser los mejores, estos controladores todavía funcionan. Estas piezas del museo están siendo sustituidas por controladores de nuevos modelos, en su mayoría importados (chinos).
Si el controlador está montado en un gabinete metálico, se recomienda conectar las trenzas de blindaje al punto de conexión a tierra del gabinete. La longitud de las líneas de conexión puede alcanzar más de dos kilómetros, lo que se calcula mediante las fórmulas adecuadas. No contaremos nada aquí, pero créanme, es verdad.
Nuevos sensores, nuevos controladores.
Con la llegada de nuevos controladores, Nuevos sensores analógicos que utilizan el protocolo HART.(Transductor remoto direccionable en carretera), que se traduce como "Transductor de medición direccionable de forma remota a través de una carretera".
La señal de salida del sensor (dispositivo de campo) es una señal de corriente analógica en el rango de 4...20 mA, a la que se superpone una señal de comunicación digital modulada en frecuencia (FSK - Frequency Shift Keying).
Figura 10. Salida de sensor analógico mediante protocolo HART
La figura muestra una señal analógica y una onda sinusoidal se retuerce a su alrededor como una serpiente. Esta es una señal modulada en frecuencia. Pero no se trata en absoluto de una señal digital; todavía no se ha reconocido. En la figura se nota que la frecuencia de la sinusoide cuando se transmite un cero lógico es mayor (2,2 KHz) que cuando se transmite una unidad (1,2 KHz). La transmisión de estas señales se realiza mediante una corriente con una amplitud de ±0,5 mA de forma sinusoidal.
Se sabe que el valor promedio de la señal sinusoidal es cero, por lo tanto, la transmisión de información digital no afecta la corriente de salida del sensor de 4...20 mA. Este modo se utiliza al configurar sensores.
La comunicación HART se logra de dos maneras. En el primer caso, el estándar, sólo dos dispositivos pueden intercambiar información a través de una línea de dos hilos, mientras que la señal analógica de salida de 4...20 mA depende del valor medido. Este modo se utiliza al configurar dispositivos de campo (sensores).
En el segundo caso, se pueden conectar hasta 15 sensores a una línea de dos hilos, cuyo número está determinado por los parámetros de la línea de comunicación y la potencia de la fuente de alimentación. Este es el modo multipunto. En este modo, cada sensor tiene su propia dirección en el rango 1...15, a través de la cual el dispositivo de control accede a él.
El sensor con dirección 0 está desconectado de la línea de comunicación. El intercambio de datos entre el sensor y el dispositivo de control en modo multipunto se realiza únicamente mediante una señal de frecuencia. La señal actual del sensor se fija en el nivel requerido y no cambia.
En el caso de la comunicación multipunto, por datos se entiende no sólo los resultados reales de la medición del parámetro monitoreado, sino también un conjunto completo de todo tipo de información de servicio.
En primer lugar, se trata de direcciones de sensores, comandos de control y parámetros de configuración. Y toda esta información se transmite a través de líneas de comunicación de dos hilos. ¿Es posible deshacerse de ellos también? Es cierto que esto debe hacerse con cuidado, solo en los casos en que la conexión inalámbrica no pueda afectar la seguridad del proceso controlado.
Resulta que puedes deshacerte de los cables. Ya en 2007 se publicó el estándar WirelessHART; el medio de transmisión es la frecuencia sin licencia de 2,4 GHz, en la que funcionan muchos dispositivos informáticos inalámbricos, incluidas las redes inalámbricas de área local. Por lo tanto, los dispositivos WirelessHART también se pueden utilizar sin restricciones. La Figura 11 muestra la red inalámbrica WirelessHART.
Figura 11. Red WirelessHART
Estas tecnologías han sustituido al antiguo bucle de corriente analógico. Pero tampoco renuncia a su posición, se utiliza ampliamente siempre que es posible.
Sensores discretos
Este algoritmo le permite evitar golpes al cerrar el molde, de lo contrario, simplemente puede romperse en pedazos pequeños. El mismo cambio de velocidad se produce al abrir el molde. Aquí ya no bastan dos sensores de contacto.
Aplicación de sensores analógicos.
Figura 2. Puente de Wheatstone
Conexión de sensores analógicos
Salidas de sensores analógicos
Pero, por regla general, un solo sensor no es suficiente. Algunas de las mediciones más populares son las mediciones de temperatura y presión. El número de estos puntos en las fábricas modernas puede llegar a varias decenas de miles. Por consiguiente, el número de sensores también es grande. Por lo tanto, la mayoría de las veces se conectan varios sensores analógicos a un controlador a la vez. Por supuesto, no varios miles a la vez, es bueno que una docena sean diferentes. Esta conexión se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Conexión de varios sensores analógicos al controlador
Esta figura muestra cómo se obtiene a partir de una señal de corriente un voltaje adecuado para la conversión a un código digital. Si hay varias señales de este tipo, no se procesan todas a la vez, sino que se separan en el tiempo y se multiplexan; de lo contrario, sería necesario instalar un ADC separado en cada canal.
Para ello, el controlador dispone de un circuito de conmutación. El diagrama funcional del interruptor se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Interruptor de canal del sensor analógico (imagen en la que se puede hacer clic)
Las señales del bucle de corriente, convertidas en tensión a través de la resistencia de medición (UR1...URn), se envían a la entrada del interruptor analógico. Las señales de control pasan alternativamente a la salida una de las señales UR1...URn, que son amplificadas por el amplificador, y llegan alternativamente a la entrada del ADC. El voltaje convertido en código digital se suministra al controlador.
El esquema, por supuesto, está muy simplificado, pero en él es muy posible considerar el principio de multiplexación. Así es aproximadamente como se construyó el módulo para la entrada de señales analógicas de los controladores MSTS (sistema de microprocesador de medios técnicos) producido por el PC "Prolog" de Smolensk.
La producción de tales controladores se suspendió hace mucho tiempo, aunque en algunos lugares, lejos de ser los mejores, estos controladores todavía funcionan. Estas piezas del museo están siendo sustituidas por controladores de nuevos modelos, en su mayoría importados (chinos).
Si el controlador está montado en un gabinete metálico, se recomienda conectar las trenzas de blindaje al punto de conexión a tierra del gabinete. La longitud de las líneas de conexión puede alcanzar más de dos kilómetros, lo que se calcula mediante las fórmulas adecuadas. No contaremos nada aquí, pero créanme, es verdad.
Nuevos sensores, nuevos controladores.
Con la llegada de nuevos controladores, también aparecieron nuevos sensores analógicos que funcionan mediante el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer), que se traduce como “Transductor de medida direccionado de forma remota a través de una autopista”.
La señal de salida del sensor (dispositivo de campo) es una señal de corriente analógica en el rango de 4...20 mA, a la que se superpone una señal de comunicación digital modulada en frecuencia (FSK - Frequency Shift Keying).
Se sabe que el valor promedio de la señal sinusoidal es cero, por lo tanto, la transmisión de información digital no afecta la corriente de salida del sensor de 4...20 mA. Este modo se utiliza al configurar sensores.
La comunicación HART se logra de dos maneras. En el primer caso, el estándar, sólo dos dispositivos pueden intercambiar información a través de una línea de dos hilos, mientras que la señal analógica de salida de 4...20 mA depende del valor medido. Este modo se utiliza al configurar dispositivos de campo (sensores).
En el segundo caso, se pueden conectar hasta 15 sensores a una línea de dos hilos, cuyo número está determinado por los parámetros de la línea de comunicación y la potencia de la fuente de alimentación. Este es el modo multipunto. En este modo, cada sensor tiene su propia dirección en el rango 1...15, a través de la cual el dispositivo de control accede a él.
El sensor con dirección 0 está desconectado de la línea de comunicación. El intercambio de datos entre el sensor y el dispositivo de control en modo multipunto se realiza únicamente mediante una señal de frecuencia. La señal actual del sensor se fija en el nivel requerido y no cambia.
En el caso de la comunicación multipunto, por datos se entiende no sólo los resultados reales de la medición del parámetro monitoreado, sino también un conjunto completo de todo tipo de información de servicio.
En primer lugar, se trata de direcciones de sensores, comandos de control y parámetros de configuración. Y toda esta información se transmite a través de líneas de comunicación de dos hilos. ¿Es posible deshacerse de ellos también? Es cierto que esto debe hacerse con cuidado, solo en los casos en que la conexión inalámbrica no pueda afectar la seguridad del proceso controlado.
Estas tecnologías han sustituido al antiguo bucle de corriente analógico. Pero tampoco renuncia a su posición, se utiliza ampliamente siempre que es posible.
En el proceso de automatización de procesos tecnológicos para controlar mecanismos y unidades, hay que lidiar con mediciones de diversas cantidades físicas. Puede ser temperatura, presión y flujo de líquido o gas, velocidad de rotación, intensidad de la luz, información sobre la posición de partes de mecanismos y mucho más. Esta información se obtiene mediante sensores. Aquí, primero, sobre la posición de las partes de los mecanismos.
Sensores discretos
El sensor más simple es un contacto mecánico ordinario: la puerta se abre, el contacto se abre, se cierra, se cierra. Un sensor tan simple, así como el algoritmo de funcionamiento dado, se utilizan a menudo en alarmas de seguridad. Para un mecanismo con movimiento de traslación, que tiene dos posiciones, por ejemplo una válvula de agua, necesitará dos contactos: un contacto está cerrado - la válvula está cerrada, el otro está cerrado - está cerrada.
Un algoritmo más complejo para el movimiento de traslación tiene un mecanismo para cerrar el molde termoplástico de la máquina automática. Inicialmente el molde está abierto, esta es la posición inicial. En esta posición, los productos terminados se retiran del molde. A continuación, el trabajador cierra la guarda de seguridad y el molde comienza a cerrarse, y comienza un nuevo ciclo de trabajo.
La distancia entre las mitades del molde es bastante grande. Por lo tanto, al principio el molde se mueve rápidamente y, a cierta distancia antes de que se cierren las mitades, se activa el interruptor de límite, la velocidad de movimiento disminuye significativamente y el molde se cierra suavemente.
Por lo tanto, los sensores de contacto son discretos o binarios, tienen dos posiciones, cerrado - abierto o 1 y 0. En otras palabras, podemos decir que un evento ha ocurrido o no. En el ejemplo anterior, los contactos “captan” varios puntos: el inicio del movimiento, el punto de reducción de la velocidad, el final del movimiento.
En geometría un punto no tiene dimensiones, sólo un punto y listo. Puede estar (en una hoja de papel, en la trayectoria del movimiento, como en nuestro caso) o simplemente no existir. Por lo tanto, se utilizan sensores discretos para detectar puntos. Quizás una comparación con un punto no sea muy apropiada aquí, porque a efectos prácticos utilizan la precisión de la respuesta de un sensor discreto, y esta precisión es mucho mayor que la de un punto geométrico.
Pero el contacto mecánico en sí no es fiable. Por ello, siempre que sea posible, los contactos mecánicos se sustituyen por sensores sin contacto. La opción más sencilla son los interruptores de láminas: el imán se acerca, el contacto se cierra. La precisión del interruptor de láminas deja mucho que desear; estos sensores sólo deberían utilizarse para determinar la posición de las puertas.
Varios sensores sin contacto deberían considerarse una opción más compleja y precisa. Si la bandera de metal entraba en la ranura, se activaba el sensor. Un ejemplo de este tipo de sensores son los sensores BVK (interruptor de límite sin contacto) de varias series. La precisión de respuesta (diferencial de recorrido) de dichos sensores es de 3 milímetros.
Sensor serie BVK
Figura 1. Sensor serie BVK
La tensión de alimentación de los sensores BVK es de 24 V, la corriente de carga es de 200 mA, lo que es suficiente para conectar relés intermedios para una mayor coordinación con el circuito de control. Así se utilizan los sensores BVK en diversos equipos.
Además de los sensores BVK, también se utilizan sensores del tipo BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Cada serie tiene varios tipos de sensores, designados por números, por ejemplo, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.
Todos los sensores mencionados son discretos sin contacto, su objetivo principal es determinar la posición de partes de mecanismos y conjuntos. Naturalmente, hay muchos más de estos sensores; es imposible escribir sobre todos ellos en un solo artículo. Varios sensores de contacto son aún más comunes y todavía se utilizan ampliamente.
Aplicación de sensores analógicos.
Además de los sensores discretos, los sensores analógicos se utilizan ampliamente en los sistemas de automatización. Su finalidad es obtener información sobre diversas cantidades físicas, y no sólo de forma general, sino en tiempo real. Más precisamente, la conversión de una cantidad física (presión, temperatura, iluminación, flujo, voltaje, corriente) en una señal eléctrica adecuada para su transmisión a través de líneas de comunicación al controlador y su procesamiento posterior.
Los sensores analógicos suelen estar ubicados bastante lejos del controlador, por lo que a menudo se les llama dispositivos de campo. Este término se utiliza a menudo en la literatura técnica.
Un sensor analógico suele estar formado por varias partes. La parte más importante es el elemento sensible: el sensor. Su finalidad es convertir el valor medido en una señal eléctrica. Pero la señal recibida del sensor suele ser pequeña. Para obtener una señal adecuada para amplificación, el sensor suele incluirse en un circuito puente: un puente de Wheatstone.
puente de Wheatstone
Figura 2. Puente de Wheatstone
El propósito original de un circuito puente es medir con precisión la resistencia. Una fuente de CC está conectada a la diagonal del puente AD. A la otra diagonal se conecta un galvanómetro sensible con un punto medio, con cero en el centro de la escala. Para medir la resistencia de la resistencia Rx, al girar la resistencia de sintonización R2, se debe lograr el equilibrio del puente y poner la aguja del galvanómetro en cero.
La desviación de la flecha del instrumento en una dirección u otra le permite determinar la dirección de rotación de la resistencia R2. El valor de la resistencia medida está determinado por la escala combinada con el mango de la resistencia R2. La condición de equilibrio del puente es la igualdad de las relaciones R1/R2 y Rx/R3. En este caso, se obtiene una diferencia de potencial cero entre los puntos BC y no fluye corriente a través del galvanómetro V.
La resistencia de las resistencias R1 y R3 se selecciona con mucha precisión, su extensión debe ser mínima. Sólo en este caso, incluso un pequeño desequilibrio del puente provoca un cambio bastante notable en el voltaje de la diagonal BC. Es esta propiedad del puente la que se utiliza para conectar elementos sensibles (sensores) de varios sensores analógicos. Bueno, entonces todo es sencillo, es cuestión de técnica.
Para utilizar la señal recibida del sensor, se requiere un procesamiento adicional: amplificación y conversión en una señal de salida adecuada para la transmisión y procesamiento por parte del circuito de control: el controlador. Muy a menudo, la señal de salida de los sensores analógicos es corriente (bucle de corriente analógica), con menos frecuencia voltaje.
¿Por qué actual? El hecho es que las etapas de salida de los sensores analógicos se construyen sobre la base de fuentes de corriente. Esto le permite deshacerse de la influencia de la resistencia de las líneas de conexión en la señal de salida y utilizar líneas de conexión largas.
Una conversión adicional es bastante simple. La señal actual se convierte en voltaje, para lo cual basta con pasar la corriente a través de una resistencia de resistencia conocida. La caída de tensión a través de la resistencia de medición se obtiene según la ley de Ohm U=I*R.
Por ejemplo, para una corriente de 10 mA en una resistencia de 100 ohmios, el voltaje será 10 * 100 = 1000 mV, ¡tanto como 1 voltio! En este caso, la corriente de salida del sensor no depende de la resistencia de los cables de conexión. Por supuesto, dentro de límites razonables.
Conexión de sensores analógicos
El voltaje obtenido en la resistencia de medición se puede convertir fácilmente a una forma digital adecuada para ingresar al controlador. La conversión se realiza mediante convertidores analógicos a digitales (ADC).
Los datos digitales se transmiten al controlador mediante código serie o paralelo. Todo depende del circuito de conmutación específico. En la Figura 3 se muestra un diagrama de conexión simplificado para un sensor analógico.
Conexión de un sensor analógico
Figura 3. Conexión de un sensor analógico (haga clic en la imagen para ampliarla)
Los actuadores están conectados al controlador, o el controlador mismo está conectado a una computadora incluida en el sistema de automatización.
Naturalmente, los sensores analógicos tienen un diseño completo, uno de cuyos elementos es una carcasa con elementos de conexión. A modo de ejemplo, la Figura 4 muestra la apariencia de un sensor de sobrepresión del tipo Zond-10.
Sensor de sobrepresión Zond-10
Figura 4. Sensor de sobrepresión Zond-10
En la parte inferior del sensor se puede ver el hilo de conexión para conectar a la tubería, y a la derecha, debajo de la cubierta negra, hay un conector para conectar la línea de comunicación con el controlador.
La conexión roscada se sella con una arandela de cobre recocido (incluida en el paquete de entrega del sensor) y no envolviéndola con cinta adhesiva o lino. Esto se hace para que al instalar el sensor, el elemento sensor ubicado en el interior no se deforme.
Salidas de sensores analógicos
Según las normas, existen tres rangos de señales de corriente: 0...5mA, 0...20mA y 4...20mA. ¿Cuál es su diferencia y cuáles son sus características?
Muy a menudo, la dependencia de la corriente de salida es directamente proporcional al valor medido, por ejemplo, cuanto mayor es la presión en la tubería, mayor es la corriente en la salida del sensor. Aunque a veces se utiliza la conmutación inversa: una corriente de salida mayor corresponde al valor mínimo de la cantidad medida en la salida del sensor. Todo depende del tipo de controlador utilizado. Algunos sensores incluso tienen un cambio de señal directa a inversa.
La señal de salida en el rango de 0...5 mA es muy pequeña y, por lo tanto, susceptible a interferencias. Si la señal de dicho sensor fluctúa mientras el valor del parámetro medido permanece sin cambios, se recomienda instalar un condensador con una capacidad de 0,1...1 μF en paralelo con la salida del sensor. La señal actual en el rango 0...20mA es más estable.
Pero ambos rangos son malos porque el cero al principio de la escala no nos permite determinar sin ambigüedades lo que sucedió. ¿O la señal medida realmente alcanzó el nivel cero, lo que en principio es posible, o simplemente se rompió la línea de comunicación? Por eso, si es posible, intentan evitar el uso de estos rangos.
La señal de sensores analógicos con una corriente de salida en el rango de 4...20 mA se considera más confiable. Su inmunidad al ruido es bastante alta, y el límite inferior, incluso si la señal medida tiene un nivel cero, será de 4 mA, lo que nos permite decir que la línea de comunicación no está rota.
Otra buena característica del rango de 4...20 mA es que los sensores se pueden conectar utilizando sólo dos cables, ya que esta es la corriente que alimenta el sensor. Este es su consumo actual y al mismo tiempo una señal de medición.
La fuente de alimentación para sensores en el rango de 4...20 mA está encendida, como se muestra en la Figura 5. Al mismo tiempo, los sensores Zond-10, como muchos otros, según su hoja de datos tienen un amplio rango de voltaje de alimentación de 10 ...38V, aunque lo más habitual es que se utilicen fuentes estabilizadas con una tensión de 24V.
Conexión de un sensor analógico con una fuente de alimentación externa
Figura 5. Conexión de un sensor analógico con una fuente de alimentación externa
Este diagrama contiene los siguientes elementos y símbolos. Rsh es la resistencia de derivación de medición, Rl1 y Rl2 son la resistencia de las líneas de comunicación. Para aumentar la precisión de la medición, se debe utilizar una resistencia de medición de precisión como Rsh. El flujo de corriente desde la fuente de energía se muestra mediante flechas.
Es fácil ver que la corriente de salida de la fuente de alimentación pasa desde el terminal +24V, a través de la línea Rl1 llega al terminal del sensor +AO2, pasa por el sensor y por el contacto de salida del sensor - AO2, conectando la línea Rl2, la resistencia Rsh regresa al terminal de fuente de alimentación de -24V. Todo, el circuito está cerrado, la corriente fluye.
Si el controlador contiene una fuente de alimentación de 24 V, entonces es posible conectar un sensor o transductor de medición de acuerdo con el diagrama que se muestra en la Figura 6.
Conexión de un sensor analógico a un controlador con fuente de alimentación interna
Figura 6. Conexión de un sensor analógico a un controlador con fuente de alimentación interna
Este diagrama muestra un elemento más: la resistencia de balasto Rb. Su propósito es proteger la resistencia de medición en caso de un cortocircuito en la línea de comunicación o un mal funcionamiento del sensor analógico. La instalación de la resistencia Rb es opcional, aunque deseable.
Además de varios sensores, los transductores de medida también tienen una salida de corriente, que se utilizan con bastante frecuencia en sistemas de automatización.
Un transductor de medida es un dispositivo para convertir niveles de voltaje, por ejemplo, 220 V o una corriente de varias decenas o cientos de amperios en una señal de corriente de 4...20 mA. Aquí simplemente se convierte el nivel de la señal eléctrica, y no la representación de alguna cantidad física (velocidad, flujo, presión) en forma eléctrica.
Pero, por regla general, un solo sensor no es suficiente. Algunas de las mediciones más populares son las mediciones de temperatura y presión. El número de estos puntos en la producción moderna puede llegar a varias decenas.
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Conexión del sensor de corriente al microcontrolador.
Una vez familiarizados con los conceptos básicos de la teoría, podemos pasar a la cuestión de leer, transformar y visualizar datos. En otras palabras, diseñaremos un medidor de corriente CC simple.
La salida analógica del sensor está conectada a uno de los canales ADC del microcontrolador. Todas las transformaciones y cálculos necesarios se implementan en el programa del microcontrolador. Se utiliza un indicador LCD de caracteres de 2 líneas para mostrar datos.
Diseño experimental
Para experimentar con un sensor de corriente, es necesario ensamblar la estructura de acuerdo con el diagrama que se muestra en la Figura 8. El autor utilizó para esto tablero de circuitos y un módulo basado en microcontrolador (Figura 9).
El módulo de sensor de corriente ACS712-05B se puede comprar ya preparado (se vende a un precio muy económico en eBay) o puede fabricarlo usted mismo. Se elige que la capacitancia del condensador de filtro sea 1 nF y se instala un condensador de bloqueo de 0,1 µF para la fuente de alimentación. Para indicar encendido, se suelda un LED con una resistencia de extinción. La fuente de alimentación y la señal de salida del sensor están conectadas al conector en un lado de la placa del módulo, en el lado opuesto hay un conector de 2 pines para medir la corriente que fluye.
Para experimentos de medición de corriente, conectamos una fuente de voltaje constante ajustable a los terminales de medición de corriente del sensor a través de una resistencia en serie de 2,7 ohmios / 2 W. La salida del sensor está conectada al puerto RA0/AN0 (pin 17) del microcontrolador. Un indicador LCD de caracteres de dos líneas está conectado al puerto B del microcontrolador y funciona en modo de 4 bits.
El microcontrolador se alimenta con un voltaje de +5 V, el mismo voltaje se utiliza como referencia para el ADC. Los cálculos y transformaciones necesarios se implementan en el programa del microcontrolador.
Las expresiones matemáticas utilizadas en el proceso de conversión se dan a continuación.
Sensibilidad del sensor de corriente Sens = 0,185 V/A. Con una alimentación Vcc = 5 V y una tensión de referencia Vref = 5 V, las relaciones calculadas serán las siguientes:
código de salida ADC
Por eso
Como resultado, la fórmula para calcular la corriente es la siguiente:
Nota IMPORTANTE. Las relaciones anteriores se basan en el supuesto de que el voltaje de suministro y el voltaje de referencia para el ADC son iguales a 5 V. Sin embargo, la última expresión que relaciona la corriente I y el código de salida del ADC Count sigue siendo válida incluso si el voltaje de la fuente de alimentación fluctúa. Esto fue discutido en la parte teórica de la descripción.
De la última expresión se puede ver que la resolución actual del sensor es de 26,4 mA, lo que corresponde a 513 muestras de ADC, que es una muestra más que el resultado esperado. Por tanto, podemos concluir que esta implementación no permite la medición de pequeñas corrientes. Para aumentar la resolución y la sensibilidad al medir corrientes pequeñas, necesitará utilizar un amplificador operacional. En la Figura 10 se muestra un ejemplo de dicho circuito.
programa de microcontrolador
El programa del microcontrolador PIC16F1847 está escrito en lenguaje C y compilado en el entorno mikroC Pro (mikroElektronika). Los resultados de la medición se muestran en un indicador LCD de dos líneas con una precisión de dos decimales.
Salida
Con corriente de entrada cero, lo ideal es que la tensión de salida del ACS712 sea estrictamente Vcc/2, es decir, En el ADC se debe leer el número 512. La deriva del voltaje de salida del sensor de 4,9 mV hace que el resultado de la conversión se desplace en 1 bit menos significativo del ADC (Figura 11). (Para Vref = 5,0 V, la resolución del ADC de 10 bits será 5/1024 = 4,9 mV), lo que corresponde a 26 mA de corriente de entrada. Tenga en cuenta que para reducir la influencia de las fluctuaciones, es aconsejable realizar varias mediciones y luego promediar sus resultados.
Si el voltaje de salida de la fuente de alimentación regulada se establece en 1 V, a través de
la resistencia debe transportar una corriente de aproximadamente 370 mA. El valor de corriente medido en el experimento es 390 mA, que excede el resultado correcto en una unidad del dígito menos significativo del ADC (Figura 12).
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| Figura 12. | |
A un voltaje de 2 V, el indicador mostrará 760 mA.
Con esto concluye nuestra discusión sobre el sensor de corriente ACS712. Sin embargo, no abordamos un tema más. Cómo medir con este sensor corriente alterna? Tenga en cuenta que el sensor proporciona una respuesta instantánea correspondiente a la corriente que fluye a través de los cables de prueba. Si la corriente fluye en dirección positiva (de los pines 1 y 2 a los pines 3 y 4), la sensibilidad del sensor es positiva y el voltaje de salida es mayor que Vcc/2. Si la corriente cambia de dirección, la sensibilidad será negativa y el voltaje de salida del sensor caerá por debajo del nivel Vcc/2. Esto significa que al medir una señal de CA, el ADC del microcontrolador debe muestrear lo suficientemente rápido como para poder calcular el valor RMS de la corriente.
Descargas
Código fuente del programa del microcontrolador y archivo para firmware -
Aquí planteé por separado una cuestión práctica tan importante como la conexión de sensores inductivos con una salida de transistor, que en la actualidad equipo industrial- en todos lados. Además, se proporcionan instrucciones reales para los sensores y enlaces a ejemplos.
El principio de activación (funcionamiento) de los sensores puede ser cualquier cosa: inductivo (proximidad), óptico (fotoeléctrico), etc.
La primera parte descrita. opciones posibles salidas de sensores. No debería haber problemas para conectar sensores con contactos (salida de relé). Pero con los de transistores y conectándolos a un controlador, no todo es tan sencillo.
Diagramas de conexión para sensores PNP y NPN
La diferencia entre los sensores PNP y NPN es que conmutan diferentes polos de la fuente de alimentación. PNP (de la palabra “Positivo”) conmuta la salida positiva de la fuente de alimentación, NPN – negativa.
A continuación, a modo de ejemplo, se muestran diagramas para conectar sensores con salida de transistor. Carga: por regla general, esta es la entrada del controlador.
Sensor. La carga (Carga) está constantemente conectada a "menos" (0V), el suministro de "1" discreto (+V) se conmuta mediante un transistor. Sensor NO o NC – depende del circuito de control (circuito principal)
Sensor. La carga (Load) está constantemente conectada al “más” (+V). Aquí, el nivel activo (discreto “1”) en la salida del sensor es bajo (0V), mientras que la carga recibe energía a través del transistor abierto.
Insto a todos a que no se confundan; el funcionamiento de estos esquemas se describirá en detalle a continuación.
Los siguientes diagramas muestran básicamente lo mismo. Se pone énfasis en las diferencias en los circuitos de salida PNP y NPN.
Esquemas de conexión de salidas de sensores NPN y PNP
En la imagen de la izquierda hay un sensor con un transistor de salida. PNP. El cable común está conmutado, lo que en en este caso– cable negativo de la fuente de alimentación.
A la derecha está el caso del transistor. PNP en la salida. Este caso es el más común, ya que en la electrónica moderna se acostumbra hacer común el cable negativo de la fuente de alimentación y activar las entradas de los controladores y otros dispositivos de grabación con potencial positivo.
¿Cómo comprobar un sensor inductivo?
Para hacer esto, debe suministrarle energía, es decir, conectarlo al circuito. Luego, actívelo (inícielo). Cuando se activa, el indicador se iluminará. Pero la indicación no garantiza el correcto funcionamiento del sensor inductivo. Debe conectar la carga y medir el voltaje para estar 100% seguro.
Reemplazo de sensores
Como ya escribí, existen fundamentalmente 4 tipos de sensores con salida de transistor, que se dividen según estructura interna y diagrama de conexión:
- PNPNO
- PNP Carolina del Norte
- NPN NO
- NPN Carolina del Norte
Todos estos tipos de sensores se pueden reemplazar entre sí, es decir. son intercambiables.
Esto se implementa de las siguientes maneras:
- Modificación del dispositivo de iniciación: el diseño se cambia mecánicamente.
- Cambiar el circuito de conexión del sensor existente.
- Cambiar el tipo de salida del sensor (si hay dichos interruptores en el cuerpo del sensor).
- Reprogramación del programa: cambiar el nivel activo de una entrada determinada, cambiar el algoritmo del programa.
A continuación se muestra un ejemplo de cómo se puede reemplazar un sensor PNP por uno NPN cambiando el diagrama de conexión:
Esquemas de intercambiabilidad PNP-NPN. A la izquierda está el diagrama original, a la derecha el modificado.
Comprender el funcionamiento de estos circuitos le ayudará a comprender el hecho de que el transistor es un elemento clave que puede representarse mediante contactos de relé ordinarios (se muestran ejemplos a continuación en la notación).
Entonces, aquí está el diagrama de la izquierda. Supongamos que el tipo de sensor es NO. Luego (independientemente del tipo de transistor en la salida), cuando el sensor no está activo, sus “contactos” de salida están abiertos y no fluye corriente a través de ellos. Cuando el sensor está activo, los contactos se cierran, con todas las consecuencias consiguientes. Más precisamente, con corriente fluyendo a través de estos contactos)). La corriente que fluye crea una caída de voltaje a través de la carga.
La carga interna se muestra con una línea de puntos por una razón. Esta resistencia existe, pero su presencia no garantiza el funcionamiento estable del sensor; el sensor debe estar conectado a la entrada del controlador u otra carga. La resistencia de esta entrada es la carga principal.
Si no hay carga interna en el sensor y el colector "cuelga en el aire", entonces esto se denomina "circuito de colector abierto". Este circuito SÓLO funciona con una carga conectada.
Entonces, en un circuito con salida PNP, cuando se activa, se suministra voltaje (+V) a la entrada del controlador a través de un transistor abierto y se activa. ¿Cómo podemos lograr lo mismo con la salida NPN?
Hay situaciones en las que el sensor requerido no está disponible y la máquina debe funcionar "ahora mismo".
Observamos los cambios en el diagrama de la derecha. En primer lugar, se garantiza el modo de funcionamiento del transistor de salida del sensor. Para hacer esto, se agrega una resistencia adicional al circuito, su resistencia suele ser de aproximadamente 5,1 - 10 kOhm. Ahora, cuando el sensor no está activo, se suministra voltaje (+V) a la entrada del controlador a través de una resistencia adicional y la entrada del controlador se activa. Cuando el sensor está activo, hay un "0" discreto en la entrada del controlador, ya que la entrada del controlador es desviada por un transistor NPN abierto y casi toda la corriente de resistencia adicional pasa a través de este transistor.
En este caso, se produce una reprogramación del funcionamiento del sensor. Pero el sensor funciona en modo y el controlador recibe información. En la mayoría de los casos esto es suficiente. Por ejemplo, en el modo de conteo de pulsos: un tacómetro o el número de piezas de trabajo.
Sí, no es exactamente lo que queríamos y los esquemas de intercambiabilidad para sensores npn y pnp no siempre son aceptables.
¿Cómo lograr una funcionalidad completa? Método 1: mover o rehacer mecánicamente placa de metal(activador). O el hueco luminoso, si hablamos de un sensor óptico. Método 2: reprograme la entrada del controlador para que el “0” discreto sea el estado activo del controlador y el “1” sea el estado pasivo. Si tiene una computadora portátil a mano, el segundo método es más rápido y sencillo.
Símbolo del sensor de proximidad
En diagramas de circuito Los sensores inductivos (sensores de proximidad) tienen nombres diferentes. Pero lo principal es que hay un cuadrado girado 45° y en él dos líneas verticales. Como en los diagramas que se muestran a continuación.
SIN sensores NC. Diagramas esquemáticos.
En el diagrama superior hay un contacto normalmente abierto (NO) (convencionalmente denominado transistor PNP). El segundo circuito normalmente está cerrado y el tercer circuito tiene ambos contactos en una carcasa.
Codificación de colores de los cables del sensor.
Hay un sistema de etiquetado de sensores estándar. Actualmente todos los fabricantes lo cumplen.
Sin embargo, antes de la instalación, es una buena idea asegurarse de que la conexión sea correcta consultando el manual de conexión (instrucciones). Además, como regla general, los colores de los cables se indican en el propio sensor, si su tamaño lo permite.
Esta es la marca.
- Azul – Potencia negativa
- Marrón – Plus
- Negro – Salida
- Blanco: segunda salida o entrada de control, hay que mirar las instrucciones.
Sistema de designación de sensores inductivos.
El tipo de sensor se indica mediante un código alfabético digital, que codifica los principales parámetros del sensor. A continuación se muestra el sistema de etiquetado de los sensores Autonics más populares.
Descargue instrucciones y manuales para algunos tipos de sensores inductivos: Me encuentro en mi trabajo.
Gracias a todos por su atención, espero preguntas sobre la conexión de sensores en los comentarios.
