ZOSTAŃ PARTNEREM PORTALU
Firma Johnson Controls jest czołowym dostawcą sprzętu automatyki budynkowej, systemów kontroli oraz usług w zakresie ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji i chłodnictwa, a także systemów zabezpieczeń.

KATALOG PRODUKTÓW

POZNAJ JOHNSON CONTROLS

Kurs Automatyki #5.2 Jak zrobić zadajnik pętli prądowej 4-20mA.

Kurs Automatyki #5.2 Jak zrobić zadajnik pętli prądowej 4-20mA.
Symulacja sygnałów analogowych ? Wyobraź sobie taką sytuację: Jest firma wykonująca systemy automatyki a w niej programista sterowników PLC. Firma dostaje zlecenie na wykonanie układu sterowania dla obiektu, w którym jest wiele sygnałów cyfrowych i analogowych a wszystkim zarządza sterownik PLC.


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!


 

W dziale projektowym powstaje dokumentacja techniczna, która później trafia do działu montażu szafy elektrycznej, do programisty PLC, do działu logistyki itd. Teraz celuję w programistę, który musi „na sucho” przygotować program PLC i przetestować go na biurku. Z logistyki programista dostaje strategiczne urządzenia, które komunikują się ze sobą czyli modemy, routery, PLC, falowniki itd. Następnie rozkłada to wszystko na swoim stanowisku pracy, na biurku, szafkach, półkach, podłodze lub jak ktoś ma szczęście na specjalnej tablicy do testów. Wszystko jest połączone w tzw. „pająka”, bo i tak zostanie później rozebrane i zamontowane w docelowej szafie elektrycznej, która w tym samym czasie jest składana w dziale montażystów.

Praca programisty plc

Napisany program PLC musi zostać przetestowany na wszystkie sposoby zanim szafa pojedzie na uruchomienia do klienta. Swoją drogą, później u klienta programista wykonuje kolejne testy i wprowadza zmiany „na gorąco” ale jest to inna para kaloszy. Wróćmy do biurka naszego programisty. Sygnały cyfrowe mogą być testowane nawet kawałkiem przewodu przez podawanie plusa na odpowiedni zacisk w PLC. Trochę trudniej jest jednak z symulowaniem sygnałów analogowych. Większe firmy stać na specjalne kalibratory którymi możemy symulować sygnały prądowe np. 0..20mA lub napięciowe np. 0..10V. Nie każda firma może sobie jednak na to pozwolić tym bardziej nie każda osoba testująca PLC w domowym zaciszu.

Istnieje inny, bardzo prosty sposób na zbudowanie własnego „zadajnika” pętli prądowej w zakresie ok 4..20mA. Co prawda jego dokładność nie jest laboratoryjna ale do większości testów w zupełności wystarczy. Do dzieła!

UWAGA! Film z testami na końcu!

Co to w ogóle jest pętla prądowa ?

O toto, co nie? Od tego powinniśmy zacząć. Jeszcze troszeczkę teorii i zaczniemy budować własny zadajnik. Aby zrozumieć czym jest prąd stały DC w pętli prądowej 4-20mA i jak to działa, musimy cofnąć się do lekcji Fizyki ze szkoły średniej. W najprostszym rozumieniu całość można wytłumaczyć na prawie Ohma, które każdy z Was powinien mieć ogarnięte. Potrzebujemy prostej formuły V=I*R, która mówi nam, że napięcie (V), jest równe prądowi (I) pomnożonemu przez opór (R).

Petla_pradowa_4-20_Diagram_1 Rozważmy powyższy przykład prostego obwodu prądu stałego, który składa się ze źródła zasilania i trzech oporników. Aby prąd pojawił się w obwodzie należy włączyć źródło zasilania V1. Prąd przepływa przez pętlę prądową przechodząc przez każdy opornik R1, R2 i R3 i jego wartość w tym przypadku jest jednakowa w całym obwodzie. Napięcie na każdym rezystorze może być inne ale to zależy od oporności rezystorów. Spadek napięcia np. na rezystorze R3 możemy obliczyć ze wzoru:

V3= I * R3

Krytyczna zasada pętli prądowej w pomiarach analogowych 4-20mA jest taka, że prąd jest taki sam we wszystkich miejscach pętli! Jeżeli jest to dla Ciebie nadal niezrozumiałe to dobrym wyjaśnieniem może być porównanie tego do instalacji wodnej w domu jednorodzinnym. Ciśnienie w rurociągach popycha wodę do przodu. Napięcie elektryczne działa w podobny sposób popychając prąd w obwodzie. Gdy odkręcimy kran, woda zaczyna płynąć jednak jej przepływ jest ograniczony przez instalację elektryczną (zagięcia rur, zakręty, zwężenia, zapchana rura). Woda symbolizuje zatem prąd a zdolność instalacji wodnej oporność. Przepływ przez rury, a także prąd w obwodzie pozostaje stały w całym systemie natomiast ciśnienie i napięcie spadnie w niektórych punktach. Dlatego właśnie użycie prądu jako środek przekazywania informacji jest taki niezawodny ! Jedziemy dalej.

Składniki pętli prądowej 4-20mA

Spokojnie! Zaraz zbudujemy ten zadajnik – to już ostatnie definicje. Skoro rozumiesz prawo Ohma możemy przejść dalej abyś poczuł co to jest pętla prądowa. Zbudujmy sobie przykładowy układ pomiarowy. Co wchodzi w jego skład?

  1. Czujnik po pierwsze musi istnieć jakiś czujnik, który zmierzy wartość procesową. Może to być ciśnienie, poziom, temperatura, przemieszczenie, przepływ, wilgotność itd.
  2. Przetwornik / Nadajnik – zmierzona wartość fizyczna musi być zostać przetworzona na sygnał analogowy, np. w pętli prądowej 4-20mA. Sonda poziomu o zakresie 0 – 4000 mm dla poziomu 0 mm (brak cieczy) w pętli utworzy prąd 4 mA a dla poziomu 4000 mm będzie to 20mA.
  3. Źródło zasilania – aby sygnał prądowy został wytworzony konieczne jest źródło zasilania. W tym pomiarze analogowym musi być to źródło napięcia stałego. Istnieją różne standardy napięcia, które są używane w pomiarach 4-20mA (9,12,24 VDC) choć najczęściej spotykanym są 24VDC.
  4. Pętla prądowa – pętla w fizycznym znaczeniu, czyli przewody łączące źródło zasilania, nadajnik i odbiornik. Sygnał prądowy 4-20mA w pętli jest regulowany przez przetwornik pomiarowy według pomiaru czujnika. Przewody w pętli prądowej również mają swoją oporność i teoretycznie powinny mieć wpływ na rzeczywisty pomiar – jednak w dzisiejszych przetwornikach pomiarowych jest napakowane tyle elektroniki, filtrów i regulacji wyjścia 4-20mA, że składnik oporności przewodów jest pomijany. Chyba, że w grę wchodzą duże odległości przewodu (kilka km) to spadek napięcia może spowodować pewne przekłamania pomiaru.
  5. Odbiornik – wreszcie gdzieś w pętli prądowej musi znaleźć się urządzenie, które będzie zdolne do odczytu pomiaru analogowego (prądowego). Prąd ten musi zostać przetłumaczony na jednostki (skalowanie pomiaru analogowego), które będą łatwo zrozumiałe dla operatorów, tzn. na jednostki inżynierskie (ciśnienie, poziom, temperatura itd.). Odbiornikiem może być sterownik PLC, wskaźnik wartości pomiarowej lub inne specjalne urządzenie np. falownik, regulator idt.
dzialanie petli pradowej 4-20mA2

Uproszczony schemat pętli prądowej 4-20mA

 

Jak zbudować zadajnik prądowy 4-20mA do sterownika PLC ?

Zacznę od tego, że finalnie w pętli prądowej wejście analogowe sterownika PLC mierzy napięcie a nie prąd :). Oznacza to, że wewnątrz sterownika musi znajdować się pewna impedancja na której pojawi się spadek napięcia i to właśnie ten spadek napięcia sterownik mierzy a następnie przedstawia w wartości cyfrowej. Po kolei: Przetwornik czujnika pomiarowego tak reguluje obciążeniem (opornością) aby w obwodzie utrzymywała się wartość prądu odzwierciedlająca rzeczywisty pomiar np. ciśnienia. Prąd o wartości 4 mA płynie w naszej pętli prądowej a sterownik na swoim rezystorze pomiarowym mierzy 1V. Gdy prąd w pętli to 20mA to na rezystorze pomiarowym będzie 5V. Tak jest w wielu wejściach analogowych choć nie jest to 100 % reguła. Za wszystko (w uproszczeniu) odpowiedzialny jest rezystor pomiarowy wejścia analogowego o wartości 250 Ω (zdarzają się również 125Ω, a nawet <100Ω).

Aktualnie na swojej tablicy do testów mam sterownik PLC FATEK FBs-20MNT2-AC z modułem analogowym FBs-4A2D oraz z modułem do pomiaru temperatury FBs-6RTD i to własnie na tym przykładzie zbudujemy zadajnik pętli prądowej 4-20mA.

stanowisko testowe FATEK petla pradowa 4-20mA

Testy sterownika PLC FATEK z panelem HMI WEINTEK

IMG_8751

Nagi Fatek (bez osłonek)

Nasz układ symulatora pętli prądowej będzie najprostszy z możliwych, zbudowany w oparciu o potencjometr i rezystor. Taki układ sam nie wyreguluje pętli prądowej w stosunku do pomiaru czujnika, ponieważ tutaj czujnika najzwyczajniej nie ma. Dlatego warunkiem koniecznym jest uwzględnienie impedancji wejścia analogowego modułu PLC. W tym celu musimy grzebnąć do dokumentacji tego modułu. Ze strony producenta lub z karty katalogowej odczytujemy parametry modułu analogowego FATEK – FBs-4A2D. W rubryce impedancja wejścia / prąd dowiadujemy się że wartość rezystora pomiarowego to 250 Ω. 

Rozgrzebmy to na części pierwsze a dowiemy się co i jak:

Zaczynamy od końca, czyli od układu pomiarowego wejścia analogowego który interpretuje sygnał 4-20mA na 1-5V:

  • Dla 20 mA wskazania woltomierza będą o wartości 5V: U=I*R więc 5V = 0,020A * 250Ω
  • Dla 4 mA wskazania woltomierza będą o wartości 1V: U=I*R więc 1V = 0,004 A * 250Ω

Dlatego dla napięciowego układu pomiarowego w zakresie 1-5V to 250 Ω pasuje, jak ulał.

Zadajnik 4-20mA kalibrator DIY

Uproszczony schemat pętli prądowej ze źródłem 24VDC

Wiemy już, że impedancja wejścia analogowego to 250 Ω oraz, że cały układ jest zasilany w przemysłowym standardzie 24VDC. Pozostaje nam teraz zbudować układ, który będzie w taki sposób regulował rezystancją w pętli prądowej, że popłynie w niej prąd od 4 do 20 mA. Układ ten należy oczywiście wstawić w miejsce przetwornika pomiarowego. DO IT!

Zadajnik 4-20mA kalibrator DIY2

Najprostszy zadajnik pętli prądowej 4 – 20 mA

Potencjometr to taki element elektroniczny, który pozwala na zmianę rezystancji poprzez obrót pokrętłem. Rezystancja zienia się od 0 do zakresu potencjometru. Wiadomo, że im większa rezystancja tym mniejszy prąd w pętli prądowej ( I = U / R) dlatego w pierwszej kolejności należy dobrać rezystor R1 przy założeniu, że potencjometr jest przekręcony na minimum oporności czyli 0Ω ( to tak jakby zamiast potencjometru był zwykły obwód / przewód). A zatem ograniczamy prąd w obwodzie do 20 mA rezystorem R1:

24VDC / 20 mA = 1200 Ω

ALE #1! Pamiętajmy że w obwodzie mamy jeszcze rezystor pomiarowy 250 Ω, więc:

R1 = 1200 Ω – 250 Ω = 950 Ω

Teraz chcemy ograniczyć prąd do 4mA w pętli prądowej więc przekręcamy potencjometr na maxa!

24VDC / 4 mA = 6000 Ω

ALE #2! Pamiętajmy że w obwodzie mamy jeszcze rezystor pomiarowy 250 Ω ORAZ rezystor R1, więc:

R2 = 6000 Ω – 250 Ω – 950 = 4800 Ω

Tak! Przy zastosowaniu rezystora 950 Ω i potencjometru o zakresie 4800 Ω uzyskamy układ z możliwością regulacji prądu w pętli prądowej w zakresie 4-20 mA. ALE #3 :

Pętla prądowa w praktyce #1

O ile rezystor 950 Ω gdzieś tam wygrzebiesz to potencjometru 4K8 (4800 Ω) nie znajdziesz! Zresztą nie ma co szukać bo lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie innych wartości rezystancji. Chodzi o to że lepiej mieć kilka mA poniżej i powyżej zakresu przy takim zadajniku. A po to, abyś mógł symulować uszkodzenie czujnika lub przewodu (poniżej 4mA) oraz zwarcie w obwodzie (brak rezystancji czyli > 20mA). Biorąc pod uwagę to, że rezystory występują w pewnych standardach to blisko zakresu 4800 Ω możemy wybrać dwa potencjometry 4,7kΩ oraz 5kΩ (pewnie gdzieś są inne, ok ok) i ten drugi będzie lepszy!. Natomiast rezystor R1 dla 20mA proponuję 820 Ω. Dlaczego? A dlatego:

  • Minimalny prąd: 24 VDC / (5000 Ω + 820 Ω + 250 Ω) = 3,96 mA
  • Maksymalny prąd: 24 VDC / (0 Ω + 820 Ω + 250 Ω) = 22,4 mA

Pętla prądowa w praktyce #2

Niby wszystko ładnie. Nurkuję w kartonach, szufladach, słoiczkach i pudełeczkach. JEST! Znalazłem potencjometr, nawet przemysłowy o zakresie 4k7 Ω. Biorę go na warsztat, ustawiam miernik na Ω, przekręcam potencjometr na maxa i ? Wynik na wyświetlaczu to 4550 Ω… Taaa , pewnie dlatego wylądował w słoiczku na końcu szuflady. Cóż, lepszy rydz niż nic! R2 do naszego układu już mam pora na R1… Elektronikiem nie jestem więc i takich elementów za dużo nie posiadam a do sklepu jechać mi się najzwyczajniej, po rezystor i potencjometr, nie chce. Wyciągam pudełeczko z elementami elektronicznymi (takie po perfumach co od mamy na święta kiedyś dostałem), odpalam na androidzie aplikację ElektroDroid, która ułatwia rozszyfrowanie pasków na rezystorach i:

IMG_8716

Pudełeczko na elektronikę 🙂

Znalazłem 820 Ω, brawo ja! Jaki zakres uzyskałem przy takich elementach? Obliczamy!

  • Minimalny prąd: 24 VDC / (4550 Ω + 820 Ω + 250 Ω) = 4,27 mA
  • Maksymalny prąd: 24 VDC / (0 Ω + 820 Ω + 250 Ω) = 22,4 mA

No nie jest źle, chociaż lepiej by było jakby potencjometr miał większą rezystancję.

Pętla prądowa w praktyce #3 podłączamy zadajnik do PLC

Wiem, że na poniższym rysunku panuje chaos ale rzuć na niego okiem a później przejdź do następnego obrazka.

Podlaczenie 4-20mA do plc

A teraz tutaj:

Podlaczenie 4-20mA do plc2

W ten sposób chciałem Tobie pokazać w jaki sposób jest podłączony zadajnik pętli prądowej 4-20mA do modułu FATEK FBs-4A2D. Zauważ, że rezystor i potencjometr są podłączone odwrotnie niż na schematach prezentowanych wyżej. Ale przecież nie ma to znaczenia, prawda?

Potencjometr ma trzy złącza. Środkowe złącze należy zewrzeć z bocznym złączem w taki sposób aby przekręcenie potencjometru  w prawą stronę powodowało zmniejszenie rezystancji przez co wzrośnie prąd w pętli prądowej do 20 mA – bo tak chyba będzie lepiej do testów, tak? Patrząc na potencjometr od strony pokrętła to środkowe złącze należy zewrzeć z prawym złączem.

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

Download

FILM

 

 

INNE ODCINKI KURSU AUTOMATYKI


Leave your vote

1 point
Upvote Downvote

Total votes: 0

Upvotes: 0

Upvotes percentage: 0.000000%

Downvotes: 0

Downvotes percentage: 0.000000%

19 września 2016 / Autor Marcin Faszczewski / Kat. , , ,
  • +1
    Za to że wreszcie zrozumiałem przewagę pętli prądowej nad pętlą 1-10V 🙂

Hey there!

Sign in

Forgot password?

Don't have an account? Register

Close
of

Processing files…