Proste układy sterowania wykorzystują jedynie wejścia i wyjścia cyfrowe sterownika PLC. Wejścia cyfrowe służą do zbierania dwustanowych informacji z obiektu a wyjścia cyfrowe do sterowania typu załącz/wyłącz. W bardziej złożonych układach sterowania i regulacji oraz tam gdzie zaczyna się jakiś proces niezbędne okazuje się wykorzystanie wejść i wyjść analogowych.
WSTĘP
Pomiary analogowe dostarczają informację do sterownika PLC o wartości mierzonej wielkości np.:
- Ciśnienie [bar, MPa…]
- Przepływ [m3/h, hl/h …]
- Poziom [m]
- Temperatura [ºC]
- Odległość [m]
- Częstotliwość [Hz]
- Natężenie prądu [A]
- itd.
Lecz zanim wartość mierzona trafi do sterownika musi zostać przetworzona najpierw na sygnał elektryczny a później na wartość cyfrową. Przetwarzanie wielkości fizycznej na sygnał elektryczny odbywa się w przetworniku pomiarowym (czujniku). Sygnał elektryczny trafia do sterownika PLC gdzie jest przetwarzany na wartość cyfrową zrozumiałą dla programu PLC. Przeanalizujmy to na przykładzie pomiaru ciśnienia w zbiorniku.
W zbiorniku z powietrzem zainstalowano przetwornik ciśnienia o zakresie 0..16 bar z wyjściem prądowym 0..20 mA. Sygnał prądowy podłączono do wejścia analogowego sterownika PLC. Zobaczmy jaka jest droga takiego pomiaru od wartości fizycznej do wartości zrozumiałej dla użytkownika (operatora):
- Czujnik mierzy ciśnienie w zakresie od 0 do 16 bar i przetwarza je na sygnał prądowy od 0 do 20mA.
- Sterownik PLC na wejściu analogowym dostaje sygnał w zakresie 0..20mA i przetwarza go na wartość cyfrową np. od 0 do 32767 – w zależności od typu i konfiguracji sterownika PLC.
- Dla programisty PLC to właśnie wartość cyfrowa odzwierciedla pomiar wielkości fizycznej np. ciśnienia. Aby dalej wykorzystywać ten pomiar programista PLC musi go przeskalować według zakresu pomiarowego czujnika ciśnienia. Przeskalowana wartość jest zapisywana do pamięci sterownika.
- Dalsze wykorzystanie przeskalowanego pomiaru zależy od potrzeb, może to być np.
- wygenerowanie jakiegoś alarmu (np. przekroczenie ciśnienia),
- wyświetlenie wartości ciśnienia dla operatora na panelu HMI lub w systemie SCADA,
- wykorzystanie pomiaru do sprzężenia zwrotnego regulatora.
- wykonanie jakiejś czynności po przekroczeniu limitu np. otwarcie zaworu.
- idt.
Przyjęte standardy sygnałów elektrycznych w pomiarach analogowych to:
- 0…20 mA
- 4…20 mA
- 0…10 V
POMIARY ANALOGOWE 0..20 mA , 4..20 mA, 0..10 V
Słyszy się o kilku standardach sygnałów elektrycznych pomiarów analogowych. Ale właściwie czym one się różnią? W automatyce przemysłowej najczęściej spotykanym sygnałem elektrycznym pomiaru analogowego jest sygnał prądowy 4..20 mA. Wynika to z łatwości obsługi tego sygnału oraz ze stosunkowo większej odporności na zakłócenia niż pomiar napięciowy 0…10V. W sygnale 4…20mA jest łatwiej wykryć przerwanie kabla między czujnikiem a sterownikiem. Przerwanie kabla zostaje wykryte jeżeli wartość prądu spadnie poniżej ok 3,8 mA. Zarówno w pomiarze 4…20mA jak i 0…20mA zwarcie na wyjściu czujnika zostaje wykryte jeżeli wartość prądu przekroczy ok 20,5 mA. Wykrycie takich usterek musimy sami uwzględnić w programie sterownika PLC.
Na większości przetworników pomiarowych można przeczytać jaki jest ich zakres pomiarowy oraz wyjście elektryczne. Na poniższym rysunku widzimy przykład przetwornika ciśnienia o zakresie 0…0,4 bar i wyjściu prądowym 4…20mA. Wykres obok przedstawia zależność między tymi dwoma zakresami.
SKALOWANIE ANALOGOWE W PROGRAMIE PLC
Zainstalujmy powyższy czujnik o zakresie 0…0,4 bar do naszego zbiornika i podłączmy jego wyjście 4…20mA do wejścia analogowego 0…20mA sterownika PLC Siemens S7-1200. Zobaczmy jak to wygląda w teorii:
W sterowniku S7-1200 wejście analogowe 0…20mA tak naprawdę pracuje w zakresie od 0…23,7 mA co odzwierciedla zakres wartości cyfrowej od 0 do 32767 na wyjściu przetwornika A/D. Jeżeli do takiego wejścia podłączymy czujnik o wyjściu prądowym 4…20 mA to wartość cyfrowa dla 4 mA będzie równa 5530 a dla 20 mA 27648.
W dalszej kolejności aby uzyskać rzeczywistą wartość liczbową pomiaru należy wykonać obliczenia według powyższego wzoru. W niektórych sterownikach są gotowe funkcje do skalowania pomiarów analogowych a w niektórych należy taką funkcję zbudować samodzielnie. W sterowniku S7-1200 nie ma gotowej funkcji ale możemy skorzystać z opcji CALCULATE lub SCALE_X + NORM_X, w sterownikach Unitronics jest gotowa funkcja LINEAR a w sterownikach ALLEN BRADLEY będzie to funkcja SCP.
