فئات: مقالات مميزة » كهربائيين المبتدئين
مرات المشاهدة: 166،352
تعليقات على المادة: 4
أجهزة الاستشعار التناظرية: التطبيق ، وطرق الاتصال إلى وحدة تحكم
في عملية أتمتة العمليات التكنولوجية للسيطرة على الآليات والتجمعات ، يتعين على المرء أن يتعامل مع قياسات الكميات الفيزيائية المختلفة. يمكن أن تكون درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق للسائل أو الغاز ، وسرعة الدوران ، وكثافة الضوء ، ومعلومات حول موضع أجزاء من الآليات ، وأكثر من ذلك بكثير. يتم الحصول على هذه المعلومات باستخدام أجهزة الاستشعار. هنا ، أولا عن موقف أجزاء من الآليات.
مجسات منفصلة
أبسط جهاز استشعار هو الاتصال الميكانيكي العادي: تم فتح الباب - فتح الاتصال ، مغلق - مغلق. مثل هذا الاستشعار البسيط ، وكذلك خوارزمية التشغيل أعلاه ، في كثير من الأحيان المستخدمة في أجهزة الإنذار الأمنية. بالنسبة لآلية ذات حركة انتقالية ، لها موقعان ، على سبيل المثال ، صمام ماء ، يلزم وجود اتصالين: يتم إغلاق جهة اتصال واحدة - إغلاق الصمام ، إغلاق الآخر - إغلاق.
تحتوي الخوارزمية متعدية التعقيد على آلية لإغلاق آلة التشكيل بالحرارة. في البداية ، القالب مفتوح ، وهذا هو موضع الانطلاق. في هذا الموقف ، تتم إزالة المنتجات النهائية من القالب. بعد ذلك ، يغلق العامل السياج الواقي ويبدأ القالب في الإغلاق ، وتبدأ دورة عمل جديدة.
المسافة بين نصفي القالب كبيرة جدًا. لذلك ، في البداية يتحرك القالب بسرعة ، وعلى مسافة معينة حتى يتم غلق النصفين ، يتم تشغيل المقطورة ، وتقل سرعة الحركة بشكل كبير ويغلق القالب بسلاسة.
تتيح لك هذه الخوارزمية تجنب حدوث ضربة عند إغلاق القالب ، وإلا فإنه يمكن ببساطة تقطيعها إلى قطع صغيرة. يحدث نفس التغيير في السرعة عند فتح القالب. هنا ، لا يمكن أن اثنين من أجهزة استشعار الاتصال لا تفعل.
وبالتالي ، تكون المستشعرات المستندة إلى جهة الاتصال منفصلة أو ثنائية ، ولها موقعان ، مغلقان أو مفتوحان 1 و 0. وبعبارة أخرى ، يمكننا القول أن الحدث قد وقع أم لا. في المثال أعلاه ، يتم "التقاط" عدة نقاط من جهات الاتصال: بداية الحركة ، نقطة انخفاض السرعة ، نهاية الحركة.
في الهندسة ، النقطة ليس لها أبعاد ، بل مجرد نقطة وهذه هي. يمكن أن يكون إما (على ورقة ، في مسار الحركة ، كما في حالتنا) ، أو أنه ببساطة غير موجود. لذلك ، يتم استخدام أجهزة استشعار منفصلة لاكتشاف النقاط. ربما لا تكون المقارنة مع نقطة هنا مناسبة للغاية ، لأنه لأغراض عملية يستخدمون قيمة دقة جهاز استشعار منفصل ، وهذه الدقة أكثر بكثير من مجرد نقطة هندسية.
لكن الاتصال الميكانيكي وحده هو شيء غير موثوق به. لذلك ، حيثما أمكن ، يتم استبدال جهات الاتصال الميكانيكية بأجهزة استشعار عن قرب. أبسط خيار هو مفتاح القصب: المغناطيس قريب ، الاتصال مغلق. تترك دقة تشغيل مفتاح القصب الكثير مما هو مرغوب فيه ، وذلك باستخدام مثل هذه المستشعرات فقط لتحديد موضع الأبواب.
ينبغي اعتبار خيار أكثر تعقيدًا ودقيقة مجموعة متنوعة من أجهزة استشعار القرب. إذا دخلت العلامة المعدنية الفتحة ، فعمل المستشعر. وكمثال على هذه المستشعرات ، يمكن الاستشهاد بمستشعرات BVK (مفتاح عدم الاتصال في النهاية) من سلسلة متنوعة. دقة التشغيل (فرق السكتة الدماغية) لهذه المستشعرات هي 3 ملليمترات.
الشكل 1. BVK سلسلة الاستشعار
الجهد الكهربائي للإمداد بأجهزة استشعار BVK هو 24 فولت ، و الحمل الحالي هو 200 مللي أمبير ، وهو ما يكفي لتوصيل المرحلات المتوسطة لمزيد من التنسيق مع دائرة التحكم. هذه هي الطريقة التي تستخدم أجهزة استشعار BVK في المعدات المختلفة.
بالإضافة إلى أجهزة استشعار BVK ، يتم استخدام أجهزة استشعار لأنواع BTP و KVP و PIP و KVD و FISH. تحتوي كل سلسلة على عدة أنواع من المستشعرات ، يشار إليها بالأرقام ، على سبيل المثال ، BTP-101 ، BTP-102 ، BTP-103 ، BTP-211.
جميع المستشعرات المذكورة غير منفصلة عن الاتصال ؛ والغرض الرئيسي منها هو تحديد موضع أجزاء من الآليات والتجمعات. بطبيعة الحال ، هناك الكثير من هذه المجسات ؛ لا يمكنك الكتابة عنها جميعًا في مقال واحد. لا تزال أجهزة استشعار الاتصال المختلفة أكثر شيوعًا ولا تزال تستخدم على نطاق واسع.
استخدام أجهزة الاستشعار التناظرية
بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار المنفصلة في أنظمة التشغيل الآلي ، يتم استخدام أجهزة الاستشعار التناظرية على نطاق واسع. الغرض منها هو الحصول على معلومات حول الكميات الفيزيائية المختلفة ، وليس مثل ذلك على الإطلاق ، ولكن في الوقت الحقيقي. بتعبير أدق ، تحويل كمية فيزيائية (الضغط ، درجة الحرارة ، الإضاءة ، التدفق ، الجهد ، التيار) إلى إشارة كهربائية مناسبة للنقل عبر خطوط الاتصال إلى وحدة التحكم ومعالجتها الإضافية.
عادة ما توجد أجهزة الاستشعار التناظرية بعيدًا عن وحدة التحكم ، ولهذا السبب يتم استدعاءها غالبًا الأجهزة الميدانية. يستخدم هذا المصطلح غالبًا في الأدبيات الفنية.
يتكون المستشعر التمثيلي عادة من عدة أجزاء. الجزء الأكثر أهمية هو العنصر الحساس - الاستشعار. والغرض منه هو تحويل القيمة المقاسة إلى إشارة كهربائية. لكن الإشارة الواردة من المستشعر عادة ما تكون صغيرة. للحصول على إشارة مناسبة للتضخيم ، غالبًا ما يتم تضمين المستشعر في دائرة الجسر - ويتستون بريدج.
الشكل 2. جسر ويتستون
الغرض الأولي من دائرة الجسر هو قياس دقيق للمقاومة. يتم توصيل مصدر DC إلى قطري الجسر AD. يرتبط الجلفانومتر الحساس ذو نقطة المنتصف ، مع وجود صفر في منتصف المقياس ، بقطر آخر. لقياس مقاومة المقاوم Rx عن طريق تدوير المقاوم التشذيب R2 ، يجب أن يكون الجسر متوازنة ، يجب تعيين السهم الجلفانومتر إلى الصفر.
يسمح لك انحراف سهم الجهاز في اتجاه واحد أو آخر بتحديد اتجاه دوران المقاوم R2. يتم تحديد قيمة المقاومة المقاسة على مقياس جنبا إلى جنب مع مقبض المقاوم R2. شرط التوازن للجسر هو المساواة في النسبتين R1 / R2 و Rx / R3. في هذه الحالة ، بين النقاط قبل الميلاد ، يتم الحصول على فرق الجهد صفر ، ولا يتدفق التيار خلال الجلفانومتر V.
يتم تحديد مقاومة المقاومات R1 و R3 بدقة شديدة ، وينبغي أن يكون انتشارها في الحد الأدنى. في هذه الحالة فقط ، يؤدي عدم التوازن الصغير للجسر إلى حدوث تغيير ملحوظ في جهد قطري قبل الميلاد. هذه الخاصية للجسر هي التي تستخدم لتوصيل العناصر الحساسة (أجهزة الاستشعار) من أجهزة الاستشعار التناظرية المختلفة. حسنًا ، كل شيء بسيط ، مسألة تقنية.
لاستخدام الإشارة المستلمة من المستشعر ، يلزم إجراء مزيد من المعالجة ، - التضخيم والتحويل إلى إشارة خرج مناسبة للنقل والمعالجة بواسطة دائرة التحكم - وحدة التحكم. في معظم الأحيان ، تكون إشارة خرج المستشعرات التناظرية حالية (حلقة التناظرية الحالية) ، والجهد الأقل في كثير من الأحيان.
لماذا بالضبط الحالي؟ الحقيقة هي أن مراحل الإخراج من أجهزة الاستشعار التناظرية تستند إلى المصادر الحالية. يتيح لك هذا التخلص من التأثير على إشارة الإخراج لمقاومة خطوط الاتصال ، لاستخدام خطوط الاتصال ذات الطول الكبير.
مزيد من التحويل بسيط جدا. يتم تحويل إشارة التيار إلى جهد ، وهو ما يكفي لتمرير التيار من خلال المقاوم المعروف المقاومة. يتم الحصول على انخفاض الجهد عبر المقاوم قياس وفقا لقانون أوم U = I * R.
على سبيل المثال ، للحصول على تيار 10 مللي أمبير على المقاوم بمقاومة 100 أوم ، تحصل على جهد 10 * 100 = 1000mV ، هناك حق 1 فولت كامل! في هذه الحالة ، لا يعتمد تيار خرج المستشعر على مقاومة أسلاك التوصيل. ضمن حدود معقولة ، بالطبع.
اتصال أجهزة الاستشعار التناظرية
يمكن بسهولة تحويل الجهد المستلم في المقاوم القياس إلى شكل رقمي مناسب للإدخال في وحدة التحكم. يتم التحويل باستخدام محولات تمثيلية إلى رقمية ADC.
يتم نقل البيانات الرقمية إلى وحدة التحكم في رمز تسلسلي أو متوازي.كل هذا يتوقف على دائرة التبديل محددة. يظهر الشكل 3 مخطط اتصال مبسط للمستشعر التمثيلي.
الشكل 3. توصيل جهاز استشعار تمثيلي (انقر على الصورة للتكبير)
يتم توصيل المشغلات بوحدة التحكم ، أو تكون وحدة التحكم نفسها متصلة بجهاز كمبيوتر يمثل جزءًا من نظام التشغيل الآلي.
بطبيعة الحال ، فإن أجهزة الاستشعار التناظرية لديها تصميم الانتهاء ، واحدة من العناصر التي هي السكن مع عناصر الاتصال. على سبيل المثال ، يوضح الشكل 4 ظهور نوع مستشعر ضغط المقياس Probe-10.
الرقم 4. استشعار الضغط الزائد مسبار -10
في الجزء السفلي من المستشعر ، يمكنك رؤية مؤشر التوصيل للاتصال بخط الأنابيب ، وعلى الجانب الأيمن أسفل الغطاء الأسود يوجد موصل لتوصيل خط الاتصال بجهاز التحكم.
وختم اتصال الخيوط مع غسالة مصنوعة من النحاس الصلب (المدرجة في نطاق إيصال المستشعر) ، ولا تستخدم بأي حال من الأحوال لف من شريط الدخان أو الكتان. يتم ذلك بحيث عند تثبيت المستشعر ، لا تشوه عنصر المستشعر الموجود بداخله.
مخرجات الاستشعار التناظرية
وفقًا للمعايير ، هناك ثلاثة نطاقات للإشارات الحالية: 0 ... 5mA ، 0 ... 20mA و 4 ... 20mA. ما هو الفرق بينهما ، وما هي الميزات؟
في معظم الأحيان ، يكون اعتماد تيار الخرج متناسباً بشكل مباشر مع القيمة المقاسة ، على سبيل المثال ، كلما زاد الضغط في الأنبوب ، زاد التيار عند خرج المستشعر. على الرغم من استخدام التبديل العكسي في بعض الأحيان: تتطابق قيمة أكبر لتيار الخرج مع القيمة الدنيا للقيمة المقاسة عند خرج المستشعر. كل هذا يتوقف على نوع وحدة التحكم المستخدمة. بعض أجهزة الاستشعار حتى التبديل من مباشرة إلى معكوس.
إشارة الخرج للنطاق 0 ... 5mA صغيرة جدًا ، وبالتالي تخضع للتداخل. إذا تقلبت إشارة مثل هذا المستشعر عند قيمة ثابتة للمعلمة المقاسة ، أي ، يوصى بتثبيت مكثف بسعة 0.1 ... 1 μF بالتوازي مع إخراج المستشعر. أكثر استقرارا هي الإشارة الحالية في نطاق 0 ... 20mA.
لكن كلا هذين النطاقين ليس جيدًا لأن الصفر في بداية المقياس لا يسمح لنا بتحديد ما حدث بشكل لا لبس فيه. أم أن الإشارة المقاسة أخذت بالفعل مستوى الصفر ، وهو أمر ممكن من حيث المبدأ ، أو ببساطة تم قطع خط الاتصال؟ لذلك ، يحاولون التخلي عن استخدام هذه النطاقات ، إن أمكن.
تعتبر إشارة المستشعرات التناظرية مع خرج التيار في حدود 4 ... 20 مللي أمبير أكثر موثوقية. مناعة الضوضاء عالية جدًا ، والحد الأدنى ، حتى لو كانت الإشارة المقاسة ذات مستوى صفري ، سيكون 4 مللي أمبير ، مما يسمح لنا بالقول إن خط الاتصال لم ينكسر.
ميزة أخرى جيدة في نطاق 4 ... 20mA هي أنه يمكن توصيل المستشعرات بسلكين فقط ، لأن المستشعر نفسه مدعوم من هذا التيار. هذا هو الاستهلاك الحالي وفي الوقت نفسه إشارة قياس.
مزود الطاقة لأجهزة الاستشعار في النطاق 4 ... 20mA قيد التشغيل ، كما هو مبين في الشكل 5. وفي الوقت نفسه ، فإن أجهزة استشعار Zond-10 ، مثل العديد من الأجهزة الأخرى ، لديها مجموعة واسعة من الجهد الكهربائي 10 ... 38V وفقًا لصفحة البيانات ، على الرغم من أنها في معظم الأحيان مصادر مستقرة مع الجهد من 24V.
الشكل 5. توصيل جهاز استشعار تمثيلي بمصدر طاقة خارجي
العناصر والرموز التالية موجودة في هذا المخطط. Rш هو مقاوم تحويلة القياس ، Rl1 و Rl2 هي مقاومات خطوط الاتصال. لزيادة دقة القياس ، يجب استخدام المقاوم قياس الدقة كما Rш. يشار إلى مرور التيار من مصدر الطاقة بواسطة الأسهم.
من السهل أن نرى أن التيار الناتج لمصدر الطاقة يمر من محطة + 24V ، من خلال خط Rl1 يصل إلى محطة استشعار + AO2 ، ويمر عبر المستشعر ومن خلال محطة إخراج المستشعر - AO2 ، خط توصيل Rl2 ، يعود المقاوم Rш إلى محطة تزويد الطاقة -24V. كل شيء ، الدائرة مغلقة ، والتدفقات الحالية.
إذا كانت وحدة التحكم تحتوي على مصدر طاقة 24V ، فيمكن توصيل جهاز الاستشعار أو محول القياس وفقًا للنظام الموضح في الشكل 6.
الشكل 6. توصيل جهاز استشعار تمثيلي بوحدة تحكم بمصدر طاقة داخلي
يوضح هذا الرسم البياني عنصرًا آخر - مقاوم الصابورة Rb. والغرض منه هو حماية المقاوم قياس عندما يتم إغلاق خط الاتصال أو أعطال جهاز استشعار التناظرية. تثبيت المقاوم RB هو اختياري ، على الرغم من المرغوب فيه.
بالإضافة إلى أجهزة استشعار مختلفة ، فإن محولات القياس ، التي تستخدم غالبًا في أنظمة التشغيل الآلي ، لها أيضًا خرج حالي.
قياس محول - جهاز لتحويل مستويات الجهد ، على سبيل المثال ، 220 فولت أو تيار من عدة عشرات أو مئات من الأمبير إلى إشارة الحالية من 4 ... 20 مللي أمبير. هنا ، يتم تحويل مستوى الإشارة الكهربائية ببساطة ، وليس تمثيل بعض الكمية المادية (السرعة ، معدل التدفق ، الضغط) في شكل كهربائي.
لكن المستشعر الوحيد ، كقاعدة عامة ، ليس كافيًا. واحدة من القياسات الأكثر شعبية هي قياسات درجة الحرارة والضغط. يمكن أن يصل عدد هذه النقاط في الإنتاج الحديث إلى عشرات الآلاف. وفقا لذلك ، فإن عدد أجهزة الاستشعار كبير أيضا. لذلك ، غالبًا ما يتم توصيل عدة أجهزة استشعار تمثيلية بوحدة تحكم واحدة في نفس الوقت. بالطبع ، ليس عدة آلاف في وقت واحد ، سيكون من الجيد إذا كانت هناك عشرات مختلفة. يظهر مثل هذا الاتصال في الشكل 7.
الشكل 7. توصيل أجهزة استشعار متعددة التناظرية إلى وحدة تحكم
يوضح هذا الشكل كيفية الحصول على جهد مناسب للتحويل إلى رمز رقمي من إشارة حالية. إذا كان هناك العديد من هذه الإشارات ، فلن تتم معالجتها جميعًا دفعة واحدة ، ولكن يتم فصلها حسب الوقت ، أو مضاعفة ، وإلا ، يجب وضع ADC منفصل على كل قناة.
لهذا الغرض ، تحتوي وحدة التحكم على قنوات تبديل الدارات. يظهر الرسم التخطيطي الوظيفي للمفتاح في الشكل 8.
الشكل 8. مفتاح قنوات الاستشعار التناظرية (صورة قابلة للنقر)
يتم تغذية إشارات الحلقة الحالية ، التي يتم تحويلها إلى جهد عند المقاوم المقاوم (UR1 ... URn) ، إلى مدخلات المفتاح التناظري. تمرير إشارات التحكم بالتناوب واحدة من الإشارات UR1 ... URn إلى الإخراج ، والتي تضخمت بواسطة مكبر للصوت ، ويتم تغذية بالتناوب إلى إدخال ADC. يتم توفير الجهد تحويلها إلى رمز رقمي إلى وحدة تحكم.
بطبيعة الحال ، فإن المخطط مبسط للغاية ، لكن مبدأ تعدد الإرسال فيه أمر ممكن تمامًا. هذه هي الطريقة التي تم بها بناء الوحدة النمطية لإدخال الإشارات التناظرية من وحدات التحكم MSTS (نظام المعالجات الدقيقة للمعدات التقنية) المصنعة من قبل Smolensk PC Prolog. يظهر مظهر وحدة التحكم MCTC في الشكل 9.
الشكل 9. تحكم ICTS
منذ فترة طويلة توقف إصدار وحدات التحكم هذه ، رغم أنه في بعض الأماكن بعيدة عن الأفضل ، لا تزال وحدات التحكم هذه تعمل. يتم استبدال هذه المعروضات المتحف من قبل وحدات تحكم نماذج جديدة ، أساسا من الإنتاج (الصينية) المستوردة.
لتوصيل 4 ... 20mA أجهزة الاستشعار الحالية ، فمن المستحسن استخدام كابل محمية سلكين مع مقطع عرضي الأساسية لا يقل عن 0.5 مم 2.
إذا كانت وحدة التحكم مثبتة في خزانة معدنية ، يوصى بتوصيل الضفائر الواقية بنقطة الخزانة الأرضية. يمكن أن يصل طول خطوط الاتصال إلى أكثر من كيلومترين ، ويتم حسابها بواسطة الصيغ المقابلة. لن نفكر في أي شيء هنا ، لكن صدقوني هذا.
أجهزة استشعار جديدة ، وحدات تحكم جديدة
مع ظهور وحدات تحكم جديدة ، أجهزة الاستشعار التناظرية هارت جديدة (الطريق السريع عن بعد لمحول الطاقة) ، والذي يترجم إلى "قياس محول عن بعد عن طريق الجذع".
إشارة خرج المستشعر (الجهاز الميداني) هي إشارة تناظرية حالية في النطاق 4 ... 20 مللي أمبير ، يتم فيها وضع إشارة اتصال رقمية معدلة بالتردد (FSK - تردد تبديل التردد).
الشكل 10. هارت الناتج التناظرية الاستشعار
يوضح الشكل إشارة تناظرية ، وحولها ، مثل الأفعى ، لفائف الجيوب الأنفية. هذه إشارة معدلة التردد.لكن هذه ليست إشارة رقمية على الإطلاق ، لم يتم التعرف عليها بعد. من الملاحظ في الشكل أن تواتر الجيوب الأنفية عند إرسال صفر منطقي أعلى (2.2 كيلو هرتز) عنه عند إرسال وحدة (1.2 كيلو هرتز). يتم تنفيذ نقل هذه الإشارات بواسطة تيار بسعة ± 0.5 مللي أمبير في شكل جيبية.
من المعروف أن متوسط قيمة الإشارة الجيبية هو صفر ، وبالتالي ، فإن نقل المعلومات الرقمية لا يؤثر على خرج الخرج من المستشعر 4 ... 20 مللي أمبير. يستخدم هذا الوضع عند إعداد أجهزة الاستشعار.
ويتم التواصل هارت بطريقتين. في الحالة الأولى ، المعيار ، يمكن لجهازين فقط تبادل المعلومات عبر خط من سلكين ، في حين أن إشارة الإخراج التناظرية 4 ... 20mA تعتمد على القيمة المقاسة. يستخدم هذا الوضع عند إعداد أجهزة الحقل (أجهزة الاستشعار).
في الحالة الثانية ، يمكن توصيل ما يصل إلى 15 أداة استشعار بخطين سلكيين ، يتم تحديد عددهما بواسطة معلمات خط الاتصال وقوة مصدر الطاقة. هذا هو وضع متعدد الإفلات. في هذا الوضع ، يكون لكل مستشعر عنوانه الخاص في النطاق 1 ... 15 ، حيث يصل إليه جهاز التحكم.
يتم قطع المستشعر ذو العنوان 0 عن خط الاتصال. يتم تبادل البيانات بين المستشعر وجهاز التحكم في وضع النقاط المتعددة فقط عن طريق إشارة تردد. يتم إصلاح إشارة الاستشعار الحالية على المستوى المطلوب ولا تتغير.
في حالة الاتصال متعدد النقاط ، لا تُقصد بالبيانات النتائج الفعلية لقياسات المعلمة المتحكم فيها فحسب ، بل أيضًا مجموعة كاملة من جميع أنواع معلومات الخدمة.
بادئ ذي بدء ، هذه هي عناوين أجهزة الاستشعار ، وأوامر التحكم ، والإعدادات. ويتم نقل كل هذه المعلومات عبر خطوط اتصال ثنائية الأسلاك. ولكن هل من الممكن التخلص منها؟ صحيح ، يجب أن يتم ذلك بعناية ، فقط في الحالات التي لا يمكن أن يؤثر فيها الاتصال اللاسلكي على أمان العملية التي يتم التحكم فيها.
اتضح أنه يمكنك التخلص من الأسلاك. بالفعل في عام 2007 ، تم نشر WirelessHART Standard ، وسيط الإرسال هو التردد غير المرخص به البالغ 2.4 جيجا هرتز ، والذي يعمل على العديد من أجهزة الكمبيوتر اللاسلكية ، بما في ذلك الشبكات المحلية اللاسلكية. لذلك ، يمكن استخدام أجهزة WirelessHART دون أي قيود. يوضح الشكل 11 شبكة WirelessHART اللاسلكية.
الشكل 11. WirelessHART اللاسلكية
وقد حلت هذه التقنيات محل الحلقة الحالية التناظرية القديمة. لكنها لا تتخلى عن موقفها ، فهي تستخدم على نطاق واسع حيثما كان ذلك ممكنًا.
بوريس الأديشين
انظر أيضا في electro-ar.tomathouse.com
: