Podręcznik

Przeznaczeniem modułu wejść analogowych AI jest odbiór odpowiedniej liczby sygnałów analogowych, które zostały doprowadzone do zacisków wejściowych modułu oraz ich przetworzenie na postać cyfrową, która może być zapisana w rejestrze dla wejść analogowych, i która da informację o wartości tego sygnału analogowego dla programu użytkowego, co jak wiadomo realizuje mikroprocesor modułu CPU.

Obecnie najczęściej sygnał analogowy, który dostarczony jest do modułów wejść analogowych AI w większości sterowników PLC kryje się pod postacią odpowiedniej wartości napięcia DC z przedziałów: 0÷10V, -5÷+5V oraz -10÷+10V, jak również pod postacią odpowiedniej wartości prądu DC z przedziałów: 4÷20mA oraz 0÷20mA.

Należy nadmienić, że podane wyżej rodzaje oraz zakresy sygnałów analogowych, które są obsługiwane przez moduły AI sterowników PLC są zazwyczaj tzw. sygnałami wtórnymi, pochodzącymi ze wszelkiego rodzaju przetworników elektrycznych lub ogólnie, przetworników, w których sygnałem wtórnym jest sygnał elektryczny. Przetworniki takie przetwarzają ten sygnał pierwotny na sygnał wtórny (tutaj analogowy) właśnie dla modułu AI. Układy te są zatem włączane do obwodu elektrycznego, związanego z danym wejściem analogowym pomiędzy dany czujnik procesu (o sygnale wyjściowym analogowym) a zacisk danego wejścia analogowego modułu AI. Pokazano to na rysunku 28.

 

 

Rysunek 28: Podłączenie czujnika temperatury   do modułu AI za pośrednictwem przetwornika R/I

 

Na rysunku 28 wykorzystano przetwornik R/I (rezystancja – prąd) o instalacji dwuprzewodowej. „Po stronie” R występuje czujnik temperatury, np. PT100, zaś strona I podłączona jest do odpowiednich zacisków modułu AI sterownika PLC. W przypadku transmisji sygnału analogowego na duże odległości powinno się stosować instalację trzy a nawet czteroprzewodową po każdej „stronie” przetwornika jak na rysunku 28.

Używanie odpowiedniego rodzaju przetwornika sygnału pierwotnego na sygnał analogowy (elektryczny) stało się konieczne wówczas, gdy na skutek rozwoju systemów mechatronicznych należało kontrolować dużą liczbę sygnałów nieelektrycznych, czyli sygnałów, których postać nie może być bezpośrednio wprowadzona do modułu AI sterownika PLC. Sygnały nieelektryczne, o których mowa to m.in. przesunięcie liniowe i kątowe, ciśnienie czynnika roboczego, prędkość obrotowa i liniowa mechanizmów, temperatura cieczy chłodzącej, naprężenia mechaniczne w mechanizmach wykonawczych, itp. Należy jednak wspomnieć, że istnieją również takie moduły AI sterowników PLC, do których można bezpośrednio podłączyć sygnał pierwotny nieelektryczny lub elektryczny. (Taką możliwość zasygnalizowano już na rysunku 22b). Można się domyśleć, że moduły takie zawierają w sobie wbudowane układy przetworników sygnałów pierwotnych na wtórne, przeznaczone dla programu użytkowego sterownika. Jednak w takim przypadku odległość czujnika, który dostarcza taki sygnał od zacisku modułu AI nie może być zbyt znaczna. Najczęściej takie przypadki przeznaczone są dla sterowników PLC, które znajdują się w pobliżu kontrolowanej maszyny lub systemu mechatronicznego.

O ile dostosowanie sygnału cyfrowego, o czym była mowa w poprzednim podrozdziale książki nie stanowi dla układów wejściowych modułu DI trudnego „zadania” (patrz rysunki 23÷25), to układy wejściowe modułów AI są o wiele bardziej złożone elektronicznie. Związane jest to z czekających ich zadaniem zamiany sygnału analogowego o różnej postaci na sygnał wyłącznie cyfrowy, gdyż tylko w technice zero-jedynkowej mikroprocesor modułu CPU wykonuje swoje operacje na sygnałach. Schematyczne uproszczone rozwiązanie modułu AI dla czujników, które bezpośrednio dostarczają sygnału pierwotnego do poszczególnych wejść analogowych modułu ilustruje rysunek 29.

 

 

Rysunek 29: Schemat rozwiązania modułu AI dla obsługi sygnałów analogowych

 

 

 

Układ kombinacyjny na wejściu modułu AI – multiplekser MUX spełnia zadanie selekcjonera poszczególnych sygnałów analogowych z termopar od 1 do n. Oznacza to, że do przetwornika nałogowo-cyfrowego A/C, który jest następnym w kolejności układem modułu AI, doprowadzony jest za każdym razem sygnał analogowy wyłącznie z wybranego pojedynczego wejścia analogowego. Takiej selekcji dokonuje układ sterowania multipleksera MUX. Wyjściem przetwornika A/C jest kod cyfrowy, który jest wynikiem pomiaru sygnału wejściowego na pojedynczym wejściu modułu AI.

Zamiana sygnału analogowego na cyfrowy, zasygnalizowana na rysunku 29 a dokonywana w przetworniku A/C, związana jest z trzema następującymi podstawowymi operacjami na każdym sygnale analogowym, które musi realizować układ wejściowy w module AI. Są to operacje próbkowania, kwantowania oraz kodowania.

 

Tabela 7 oraz rysunek 30 ilustrują odpowiednio wybrane właściwości oraz strukturę wewnętrzną modułu wejść analogowych AI o oznaczeniu SM331 z rodziny sterowników SIMATIC S7 firmy Siemens.

 

Tabela 7: Wybrane cechy modułu wejść analogowych AI o oznaczeniu SM331

 

WŁAŚCIWOŚĆ MODUŁU

8 wejść w 4 kanałowych grupach

rozdzielczość wartości pomiarowych: – 9 bitow + znak – 12 bitow + znak – 14 bitow + znak

metoda pomiaru wybierany dla grupy kanałow: – napięcie – prąd – rezystancja – temperatura

dowolny wybor zakresu pomiarowego dla grupy kanałow

programowalna diagnostyka

izolacja galwaniczna od CPU

izolacja galwaniczna od napięcia obciążenia

 

 

 

Rysunek 30: Struktura wewnętrzna modułu SM331

 

 

O ile w przypadku podłączenia sygnałów cyfrowych do modułu DI należy głównie zadbać o to, aby sygnał cyfrowy dla zera logicznego i dla jedynki logicznej mieścił się w ustalonych dla danego wejścia cyfrowego granicach (oczywiście nie wyłączając prawidłowego montażu elektrycznego przewodu między czujnikiem a zaciskami modułu DI), o tyle podłączanie sygnałów analogowych do modułów AI jest bardziej złożone.

Dla sygnałów analogowych, w celu zmniejszenia zakłóceń elektrycznych, które mogą oddziałyć na prowadzone w obrębie systemu mechatronicznego przewody sygnałowe, powinny stosować się tzw. ekranowane przewody elektryczne o odpowiednim przekroju, które są skręcone parami. Ekran takiej „skrętki” powinien być podłączony do uziemienia na obu jej końcach. Na wypadek możliwości wytworzenia się różnicy potencjałów pomiędzy końcówkami przewodów należy uziemić ekranskrętki tylko na jej jednym końcu.

Już powyższe pokazuje, że podłączając sygnały analogowe do zacisków modułu AI należy trzymać się określonych zasad, które zapewnią prawidłowy odbiór sygnału analogowego przez program użytkowy sterownika PLC. Zważywszy na dużą uniwersalność w możliwości podłączenia do danego modułu AI różnych czujników analogowych lub przetworników różnych wielkości na sygnał analogowy, niejednokrotnie prawidłowa instalacja elektryczna na styku czujnik – wejście analogowe modułu AI musi być poprzedzona dokładnymi wskazówkami producenta danego czujnika czy przetwornika odnośnie jego aplikacji.