Kurs Automatyki #5.1 Pomiary analogowe 4-20mA i 0-10V.

Kurs Automatyki #5.1 Pomiary analogowe 4-20mA i 0-10V.
Sygnały analogowe w układach sterowania przesyłają informację o konkretnych wartościach procesów technologicznych. Możemy wymienić tutaj kilka wielkości fizycznych takich jak ciśnienie, przepływ, poziom, odległość, waga, gęstość, stężenie, temperatura i wiele innych. Za generowanie tej informacji odpowiedzialne są czujniki analogowe a za odbiór moduły analogowe umieszczone w sterownikach PLC, w modułach rozproszonych lub w urządzeniach specjalnych np. falownikach.


multiprojekt
Artykuł powstał we współpracy z firmą Multiprojekt, która w swojej ofercie posiada komponenty automatyki od urządzeń wykonawczych (siłowniki, silniki itp.) po urządzenia sterujące (PLC, HMI itd.). Firma Multiprojekt zajmuje się również organizowaniem szkoleń dla automatyków, które kosztują tylko 50 zł netto! Warto się tym zainteresować!


Czujnik analogowy, zwany również przetwornikiem, przetwarza wielkość fizyczną na elektryczną. W przemyśle przyjęły się głównie 2 standardy sygnałów elektrycznych i są to:

Sygnał prądowy: 4…20mA
Sygnał napięciowy: 0…10 V
Są jeszcze pomiary temperatury ale jest to na tyle bogaty temat, że zostanie wyjaśniony w kolejnym odcinku kursu automatyki #5.2.

Można również spotkać inne zakresy:

Sygnał prądowy: 0…20mA
Sygnały napięciowe: [-10V…10V], [0V…5V], [-5V…5V], [1…5V]

Natomiast sterowniki przetwarzają wartość elektryczną na cyfrową za pośrednictwem przetwornika analogowo cyfrowego A/D.

W przykładowym skrócie:
1. W zbiorniku jest ciśnienie 6 bar.
2. Czujnik ciśnienia [0..20mA] przetwarza tą wielkość fizyczną na elektryczną np. 10mA
3. Przetwornik A/D w sterowniku przetwarza 10mA na wartość cyfrową np. 10475
4. Program PLC wartość cyfrowa jest skalowana z powrotem na wartości inżynierskie i na panelu HMI wyświetlana jest wartość 6 bar.

Pomiar analogowy - wejscie analogowe sterownika plc

W tym artykule zostało to lepiej wyjaśnione.

Parametry wejść analogowych w sterownikach PLC

Rozdzielczość wejścia analogowego – przeglądając specyfikację urządzenia z wejściami analogowymi możemy natknąć się na taki parametr jak rozdzielczość. Głównie spotykamy rozdzielczości takie ja 6, 10, 12, 14 i 16 bitów. Weźmy to tak na chłopski rozum. Wartość cyfrowa pomiaru analogowego zapisywana jest w postaci bitów. Im więcej bitów mamy do dyspozycji tym większą liczbę możemy binarnie w tych bitach zakodować. W sterownikach przestrzeń bitową w której zapisywana jest liczba nazywamy rejestrem. Np. w rejestrze 16 bitowym możemy binarnie zapisać liczbę od 0 do 65536. Weźmy zatem na warsztat pomiar analogowy 0 – 10V i dwie rozdzielczości wejścia analogowego 10 bitów (0-1024) i 16 bitów (0-65536).

Rozdzielczość dla 10 bitów to 10V/1024 =  0,00977 V (~10mV)
Rozdzielczość dla 16 bitów to 10V/65536 = 0,000153 V (~153µV)

Jaki wyciągniemy z tego wniosek? Im większa rozdzielczość tym  większa szczegółowość pomiaru. Nie mylić z dokładnością pomiaru bo to już jest inna para kaloszy.

Dokładność pomiaru – spróbuję znów po chłopsku. Dokładność wejścia analogowego sterownika PLC określa o ile sterownik może się poślizgnąć (czyt. pomylić) przy pomiarze w stosunku do pełnego zakresu pomiarowego. Inaczej: dokładność wyznacza się przez określenie maksymalnej różnicy między wartością rzeczywistą a zmierzoną. Wyjaśnimy to za chwilę na konkretnym przykładzie.

Typ wejścia – Tak jak wspominałem wyżej. Najczęściej spotykane standardy to prądowy 4-20mA i napięciowy 0-10V.  Oba te pomiary są klasyfikowane jako unipolarne. W niektórych urządzeniach można konfigurować typ wejścia na bipolarne na przykład prądowy -20 – 20 mA lub napięciowy -10V – 10 V.

Sposób podłączenia – wśród wejść analogowych możemy spotkać wejścia jednokońcówkowe (pojedyńcze) lub różnicowe. W tych pierwszych wszystkie wejścia analogowe są podłączone do wspólnej masy, natomiast w tych drugich przetwarzana jest różnica napięć między dwoma wejściami. Układ połączeń pojedynczych ma tą zaletę, że na jednym module zmieści się więcej punktów pomiarowych. Wejścia różnicowe są bardziej odporne na zakłócenia chociaż zaleca się ekranowanie jednych i drugich.

podlaczenie czujnikow analogowych do sterownika plc modulu analogowego

Sposób podłączenia czujników analogowych do modułów pojedynczych i różnicowych

Sposób konfiguracji wejść – uniwersalne moduły analogowe pozwalają na konfigurację poszczególnych wejść lub całej sekcji wejść. W wielu urządzeniach możemy przypisać dla wejścia czy ma być prądowe czy napięciowe, unipolarne czy bipolarne oraz o jakim zakresie. Zmian dokonać można fizycznie za pomocą przełączników, zworek itp. lub programowo w projekcie programu PLC.

Inne – oczywiście jest wiele więcej parametrów i można je wymieniać wyciągając zagadnienia laboratoryjne. Główne parametry powinny być opisane w dokumentacji technicznej (manual) urządzenia.

Wyjaśnienie na module analogowym FATEK

2. Tak wygląda z profilu

Jako przykład weźmiemy moduł analogowy do sterowników FATEK – FBs-4A2D. Ze strony producenta LINK wyciągamy tabelę z danymi tego modułu:

Fbs-4A2D – Specyfikacja 
CharakterystykaFbs-4A2D
Punkty wejściowe4
Punkty wyjściowe2
Wartośc wejściowa/wyjściowa-8192~8191 lub 0~16383 (14 bitów)
 

Zakres sygnału wej/wyj

BipolarnegoNapięcie: -10~10V lub -5~5V Prąd: -20~20mA lub -10~10mA
UnipolarnegoNapięcie: -0~10V lub 0~5V Prąd: 0~20mA lub 0~10mA
Maksymalna rozdzielczośćNapięcie: 0.3mV (5V/16384) Prąd: 0.61 µA (10mA/16384)
Dokładność±1%
Czas przetwarzaniaodczyt w każdym skanie
Masymalny sygnał wejściowyNapięcie wejściowe: ±15V Prąd wejściowy: ±30mA
Dopuszczalny zakres obciążeniaNapięcie wyjściowe: 500Ω~1MΩ Prąd wyjściowy: 0~500Ω
Impedencja wejściowaNapięcie wejściowe: 63.2 kΩ Prąd wejściowy: 250Ω
Metoda izolacjiIzolacja transformatorowa (mocy) i optoizolacja (sygnału), 500 VAC, 1minuta, brak izolacji pomiędzy kanałami
Zużycie mocy24 VDC -15%/ +20%, 3.2W max.
Mechanizm okablowaniaStała listwa zaciskowa 7.62mm

Przeanalizujmy zatem właściwości modułu FATEK – FBs-4A2D:

Rozdzielczość tego modułu to 14 bitów a więc odzwierciedlenie pomiaru np 4-20mA będzie  miało postać cyfrową w zakresie od 0 do 16383 (chociaż jak grzebniemy głębiej w instrukcję to okazuje się, że zakres to 0-16380 i tak samo wyszło podczas testów w filmie na końcu). Postaram się teraz abyś poczuł o co tutaj chodzi.

Niedawno na Fanpage iAutomatyka pojawił się post z Quizem dla Autoamtyka:

Czujnik analogowy 4-20mA pomiar analogowy plc

„Przy jakim ciśnieniu czujnik na wyjściu będzie miał wartość prądu 10mA?”

Prawidłowa odpowiedź to 6,875 bar i już tłumaczę dlaczego. Zakres przetwornika czujnika ciśnienia to 21 jednostek bar (od -1 do 20 bar) natomiast zakres wyjścia analogowego to 16 jednostek mA (od 4 do 20 mA). Na 1mA przypada zatem 21/16=1,3125 bara. Pojedziemy po kolei:

4mA → -1 bar
5mA → 0,3125 bar
6mA → 1,625 bar
7mA → 2,9375 bar
8mA → 4,25 bar
9mA → 5,625 bar
10mA → 6,875 bar
….
20mA → 20 bar

No dobrze ale jak „widzi” to sterownik PLC przez moduł FATEK – FBs-4A2D ? Przy założeniu że moduł jest skonfigurowany jako wejście analogowe unipolarne prądowe, czyli w tym przypadku będzie to 0-20mA więc na 1mA przypada ~819 wartości cyfrowej (16383 / 20 = ~819) to sterownik PLC odczyta wartości prądowe w następujący sposób:

0mA → czujnik uszkodzony → 0
1mA → czujnik uszkodzony → 819
2mA → czujnik uszkodzony → 1638
3mA → czujnik uszkodzony → 2457
4mA → -1 bar → 3277
5mA → 0,3125 bar → 4096
6mA → 1,625 bar → 4915
7mA → 2,9375 bar → 5734
8mA → 4,25 bar → 6553
9mA → 5,625 bar → 7372
10mA → 6,875 bar → 8191

20mA → 20 bar  → 16383 (16380 – według instrukcji producenta)

przetwazanie pomiaru analogowego w sterowniku plc

Później programista PLC musi przeskalować wartość cyfrową na jednostki inżynierskie (bar). W tym artykule podałem wzór jaki można do tego wykorzystać.

Dokładność modułu FATEK – FBs-4A2D to +/- 1% od całego zakresu pomiarowego. W przypadku pętli prądowej 4-20mA zakres pomiarowy to 16mA * 1% = 0,16mA – o tyle sterownik PLC może przekłamywać pomiar czyli o ~164 jednostki wartości cyfrowej (16383*1%) w stosunku do pomiaru rzeczywistego.

Typ wejścia i sposób konfiguracji wejść analogowych  Przed instalacją modułu  do sterownika PLC należy ręcznie ustawić mu konfigurację wejść analogowych. Chociaż początkowo wygląda to na skomplikowaną operację to po przeanalizowaniu dokumentacji można to ogarnąć. Aby dogrzebać się do zworek musimy najpierw zdjąć  przednią obudowę, później delikatnie podnosimy płytkę z elektroniką i całość mamy ja na dłoni:

Jeżeli potrzebujesz lub jesteś ciekaw w jaki sposób konfiguruje się ten moduł analogowy to odsyłam Cię do dokumentacji producenta TUTAJ lub bardziej szczegółowo i po polsku TUTAJ

Gdzie pomiar analogowy jest przechowywany w sterowniku PLC ?

IMG_8683

Dziwne pytanie? Bo właściwie gadam tutaj cały czas o jakiś wartościach cyfrowych, bitach i rozdzielczościach, nie? Postaram się to rozjaśnić na przykładzie sterowników PLC FATEK – gdzie leży wartość pomiaru analogowego w postaci cyfrowej. W tych sterownikach PLC informacje są przechowywane w różnych obszarach pamięci sterownika. Przytoczę kilka obszarów:

Obszar X – Odpowiada fizycznemu wejściu cyfrowemu. Na przykład %X0 = 1 oznacza że na wejściu 0 pojawiła się logiczna jedynka.
Obszar Y – Odpowiada fizycznemu wyjściu cyfrowemu.
Obszar M – Markery, czyli pamięć przechowująca stan logiczny 0 lub 1.
Obszar R – Rejestry 16 bitowe. W tych obszarach mogą być przechowywane liczby.

Mapa pamięci w sterownikach FATEK została zbudowana „na sztywno” . Oznacza to, że do pisania programu musimy używać obszarów do tego przeznaczonych np. mamy do dyspozycji markery od M0 do M1911 a kolejne są już wykorzystywane jako Markery systemowe o konkretnej funkcji. Przykładowo Marker M1922 ma przypisaną funkcje impulsującą 1Hz i co 1 sekundę zmienia stan z 0 na 1 i odwrotnie.
Analogicznie jest z rejestrami R: mamy do dyspozycji pewien obszar a kolejne rejestry są przypisane jako systemowe. Wartości cyfrowe pomiarów analogowych w zależności od konfiguracji modułów sterownika są przechowywane w przestrzeni rejestrów R3840~R3903. Możemy to sprawdzić w konfiguracji sterownika PLC w darmowym środowisku WinProladder (UWAGA! Oprogramowanie do sterowników FATEK posiada symulator PLC!):

Winproladder analog R3840

Konfiguracja wejść analogowych w oprogramowaniu WinProladder

Wartość cyfrowa wejścia analogowego I0 będzie przechowywana w rejestrze R3840, I1 w R3841, I2 w R3842 itd.
Więcej o przestrzeni pamięci w sterownikach FATEK znajdziecie TUTAJ (Alokacja pamięci).

Dlaczego 4…20mA ?

Najpopularniejszym standardem pomiaru analogowego w układach sterowania jest właśnie pętla prądowa 4-20 mA z uwagi na to, że jest to chyba najlepsze rozwiązanie. Czym właściwie jest pomiar analogowy w pętli prądowej? Jak byśmy rozgrzebali wszystko na części pierwsze to nazbierało by się sporo elektroniki jednak w celach dydaktycznych całość można uprościć do prawa Ohma.  Z jednej strony mamy sterowane źródło prądowe, które zmienia wartość prądu w obwodzie pomiarowym przez zmianę rezystancji. Z drugiej strony mamy odbiornik np. PLC a w uproszczeniu opornik na którym mierzone jest napięcie. Tak! W pętli prądowej finalnie PLC mierzy napięcie, ale szerzej wyjaśnię to w kolejnym artykule.

Pomiar 4-20mA jest dobry dlatego, że można go przesyłać w odległości nawet kilku kilometrów bez większych strat – należy jednak przy tym odpowiednio dobrać parametry pętli prądowej. Jest również dużo bardziej odporny na zakłócenia w stosunku do sygnałów napięciowych. W dwuprzewodowych czujnikach wykorzystuje się te same przewody do zasilania czujnika i wyjścia z sygnałem prądowym.

Mamy również pomiar 0-20mA, ale dlaczego 4-20mA jest lepszy? Prosta sprawa! Dlatego, że możemy łatwiej zdiagnozować uszkodzenie czujnika. Czujnik pomiarowy w maksymalnie dolnej wartości swojego zakresu na wyjściu ma 4mA. Jeżeli sterownik PLC zarejestruje wartość mniejszą niż 4mA w takim obwodzie pomiarowym to można to diagnozować jako uszkodzenie czujnika lub przerwanie pętli prądowej. W praktyce jednak daje się pewną tolerancję w zależności od dokładności czujnika i wejścia analogowego np. awaria czujnika jest uznawana poniżej 3,8mA i po czasie 5 sekund. Wszystko jednak zależy od specyfiki obiektu sterowania. Dobrze jeżeli sterownik PLC potrafi zmierzyć więcej niż 20mA – wtedy dodatkowo można zdiagnozować zwarcie w pętli prądowej.

DO POBRANIA

Pobierz paczkę .zip z plikami do tego stanowiska o następującej zawartości:

  1. Schemat elektryczny
  2. Projekt programu PLC do sterownika FATEK w WinProLadder
  3. Projekt programu HMI z kursu do panela WEINTEK w EasyBuilder PRO
  4. Projekt programu HMI – szablon do paneli WEINTEK 800×480 w EasyBuilder PRO (Do odcinka Kurs Automatyki #5.4

Pobierz

FILM

 

 

INNE ODCINKI KURSU AUTOMATYKI

13-09-2016 / 11 komentarzy / Autor Marcin Faszczewski / Kat. , , ,
  • amilo pa says:

    Dobry artykuł 🙂
    Najlepszy jest tryb serwisu 😛

    • Cześć Amilo Pa!
      Dzięki! Kolejny artykuł, w mojej ocenie będzie jeszcze lepszy 🙂 Zdarzyło mi się tylko powolne ładowanie kolejnych ekranów ale było to spowodowane dużą ilością nieskompresowanych grafik. Więcej jak 10 makr nie stosowałem i nigdy nie zauważyłem problemów z zawieszaniem w związku z makrami. Może u Ciebie jakieś makro miało giga pętle lub coś podobnego co mieliło w kółko bez sensu 🙂

      • amilo pa says:

        A w jaki sposób kompresujesz grafiki – nie mówię tu o gifach w trybie serwisowym 😉

      • Nie używam grafik przeźroczystych (np. png) tam gdzie nie jest to konieczne. Jeżeli grafika, którą chcę wgrać z komputera na panelu ma zająć obszar 60 x 120 pikseli a na komputerze mam grafikę 600 x 1200 pikseli to najpierw konwertuję grafikę na komputerze na 60 x 120 pikseli. Taniej (w kilobajtach) jest też z przeźroczystej grafiki .png zrobić zwykłe .bmp lub .jpeg z takim tłem jakie jest na panelu :). Niektóre programy graficzne mają możliwość zapisu obrazu w różnej jakości. Czasami zmniejszenie jakości obrazu wpływa minimalnie na całokształt a potrafi znacznie zmniejszyć rozmiar pliku. Te zasady nie tyczą tylko paneli WEINTEK.
        Pozdrawiam 🙂

  • Marcin says:

    Cyt.:”Pomiar 4-20mA jest dobry dlatego, że można go przesyłać w odległości kilometrów bez większych strat.”
    Jesteś tego stwierdzenia pewien w 100%? Zwłaszcza jeśli chodzi o sygnały 4-20mA HART?
    Niestety kolego wprowadzasz innych w poważny błąd jeśli chodzi o te kilometry.
    Impedancja wewnętrzna dla modułów analogowych obsługujących HART to 250Ohm, do tego przyjmuje się względnie rezystancje 40Ohm/km kabla i przy założeniu, że większość przetworników typy HART nie może być zasilana napięciem niższym niż 12V i maja maksymalny prąd zasilania 22mA to możesz sobie szybko przeliczyć na jaka maksymalną odległość możesz zrealizować pomiar 4-20mA.
    Także proszę doczytać w temacie co nie co i poprawić wpis.
    Pozdrawiam

    • Marcin Faszczewski
      Marcin Faszczewski says:

      Witaj,
      Podtrzymuję jednak to co napisałem o przesyłaniu sygnału analogowego 4..20mA na kilka kilometrów. Widziałem sporo układów sterowania i regulacji, gdzie sygnał analogowy był przesyłany przez kilometrowe kable a odczyty były wiarygodne. Nigdzie jednak nie wspomniałem o protokole HART, który wykorzystując sygnał analogowy 4..20 mA zawiera informację w postaci CYFROWEJ, natomiast artykuł jest o pomiarach analogowych :). Artykuł miał na celu prezentację podstawowych zagadnień związanych z pomiarami analogowymi 4..20mA – protokół HART to materiał na oddzielną publikację.

      • Marcin says:

        Kolego w protokole HART przy przesyłaniu informacji o pomiarze drogą cyfrową czasy odpowiedzi są tak wolne, że komunikację tą stosuje się tylko do diagnostyki i zmiany nastaw przetworników.
        Natomiast prawa Ohma nie oszukasz, więc jeśli będzie Ci się zwiększała rezystancja pętli prądowej to odpowiednio będziesz musiał zwiększać wartość źródła napięcia w obwodzie pętli prądowej, żeby Twoje pomiary były wiarygodne (żeby utrzymać żądaną wartość prądu w przedziale 4-20mA).
        Ja podtrzymuję swoją to co napisałem wcześniej. Nie można użyć tak generalnego pojęcia w przypadku pomiarów analogowych, ze względu na wspomniane prawo Ohma.
        Pozdrawiam

      • Marcin Faszczewski
        Marcin Faszczewski says:

        Panie Marcinie,
        Wszystko co Pan napisał to prawda, nie spieram się z tym. Praca w zawodzie automatyka codziennie zaskakuje mnie czymś nowym. Przy przesyłaniu sygnału analogowego 4..20mA na duże odległości na początku należy się skupić oporności przewodu i oporności odbiornika. Należy uważać aby nie przekroczyć maksymalnej oporności do przesyłania sygnału minimum 20mA (a lepiej 24mA aby np. PLC mógł wykryć anomalię). W większym zakładzie przemysłowym kilometrowe odcinki przewodów to nic nadzwyczajnego. W branży wodno-kanalizacyjnej np. połączenia pomiędzy dyspozytornią SUW a stacjami z pompowniami wody sięgają nawet do 3-4km.

        Zmodyfikuję to zdanie:
        „Pomiar 4-20mA jest dobry dlatego, że można go przesyłać w odległości kilometrów bez większych strat.”
        na
        „Pomiar 4-20mA jest dobry dlatego, że można go przesyłać w odległości nawet kilku kilometrów bez większych strat – należy jednak przy tym odpowiednio dobrać parametry pętli prądowej.”

        Pozdrawiam 🙂

  • pawlo says:

    O rany, zawsze się znajdzie jakiś wszechwiedzący mądrala co chce wszystkich pouczać a sam nie stworzy prostego poradnika dla ciekawych wiedzy, pozdrawiam iautomatyka.pl

  • Dokładnie. Z tym hartem to kolega wyskoczył jak Filip z konopii 🙂 Przecież wiadomo, że hart to jest cyfra. Co z tego że przesyłana pętlą prądową, skoro to cyfra, a artykuł jest o analogach.
    Gratuluję świetnego artykułu!

  • kamil says:

    dlaczego przy 5mA jest → 0,3125 bar ??? A nie 0 bara ??

Dodaj komentarz