Модули аналогового ввода

Назначение модулей аналогового ввода (AI)

Модули ввода аналоговых сигналов предназначены для подключения датчиков и измерительных преобразователей к системе управления. Они принимают сигналы, соответствующие текущим значениям температуры, давления, уровня, расхода, массы и других физических величин, преобразуют их в цифровые данные и передают в ПЛК. В отличие от дискретного входа, который определяет только два состояния, аналоговый модуль позволяет контролировать изменение параметра во всём диапазоне измерения.

Способ формирования сигнала зависит от подключенного прибора. Измерительный преобразователь выдает унифицированный токовый или потенциальный сигнал, термосопротивление изменяет сопротивление в зависимости от температуры, а термопара формирует термоэлектрическое напряжение. Входная цепь модуля согласует и фильтрует сигнал, после чего АЦП преобразует измеренное значение в цифровой код. Модуль передает данные в ПЛК по внутренней шине G‑Bus или M‑Bus, а контроллер пересчитывает их в инженерные единицы с учетом диапазона датчика: градусы, бары, метры, кубические метры в час, килограммы и другие величины.

Для правильного измерения тип и диапазон входа, схема подключения, количество каналов, разрядность АЦП и допустимая погрешность должны соответствовать датчику и требованиям системы. Модуль для сигнала 0–10 В не заменяет модуль 4–20 мА, а вход для термопары нельзя использовать для подключения термосопротивления, даже если устройства имеют одинаковое количество каналов и разрядность..

Какие сигналы принимают модули CREVIS

• Унифицированные токовые сигналы. Для преобразователей с выходом 0–20 или 4–20 мА подходит восьмиканальный GT-3118 с 12-битным АЦП. Если требуется также двуполярный диапазон ±20 мА, можно использовать 12-битные GT-3918 и M3918 либо 16-битные GT-3938 и M3938. Для четырех каналов предусмотрены GT-3154 и GT-3934, а для высокой плотности сигналов — 16-канальные GT-317F, GT-319F, M317F и M319F.
• Сигналы напряжения. В линейке есть модули для диапазонов 0–5, 1–5, 0–10, ±5 и ±10 В DC. Восьмиканальный GT-3468 принимает однополярные сигналы 0–5, 1–5 и 0–10 В, а GT-3948 и M3948 поддерживают также двуполярные диапазоны ±5 и ±10 В. Для четырех каналов доступны 12-битный GT-3424 и 16-битный GT-3464; для 16 каналов — GT-347F и GT-349F.
• Токовая петля 4–20 мА с HART. Четырехканальные GT-5914 и M5914 измеряют ток 4–20 мА и поддерживают цифровой обмен HART. Аналоговый ток передает основную измеряемую величину, а наложенный цифровой сигнал позволяет получать дополнительные параметры и диагностические данные интеллектуального полевого прибора. Поддержка HART требуется и со стороны датчика, и со стороны программного обеспечения верхнего уровня.
• Термосопротивления RTD, термисторы NTC и измерение сопротивления. Для восьми термосопротивлений можно выбрать GT-3708 с разъемом IDC 20 или M3708 с клеммником RTB 18. Четырехканальный M3744 рассчитан на четырехпроводное подключение RTD и измерение сопротивления, а GT-3758 предназначен для NTC-термисторов. В задачах локального регулирования температуры можно применять GT-3714, совмещающий четыре входа RTD, ПИД-регуляторы и выходы управления SSR.
• Термопары. Восьмиканальные GT-3888 и M3808, а также четырехканальный GT-3804 принимают сигналы термопар. При подборе необходимо проверить поддерживаемые типы термопар, диапазон температур, компенсацию температуры холодного спая, диагностику обрыва и требования к компенсационному кабелю.
• Тензодатчики и сигналы низкого уровня. Двухканальный GT-3002 измеряет дифференциальный сигнал мостовой схемы в диапазоне ±150 мВ с 24-битным преобразованием. GT-3102 также предназначен для тензодатчиков, но дополнительно выполняет расчет веса. Такие модули применяют в весовых платформах, дозаторах, фасовочных машинах и системах контроля загрузки.
• Параметры трехфазной сети. Специализированный GT-3911 принимает сигналы трехфазной сети до 500 В и 5 А AC и используется для измерения электрических параметров и технического учета. Подключение силовых цепей выполняют только по схеме и требованиям руководства, с учетом категории измерения, внешней защиты и применяемых трансформаторов тока.
• Комбинированный аналоговый ввод и вывод. Если в одном узле нужны и измерительные, и управляющие каналы напряжения, можно использовать модули AI/AO. GT-3C78 и GT-3C98 содержат по восемь входов и восемь выходов с разрешением 12 и 16 бит соответственно. В серии M аналогичную компоновку предлагают M3C28, M3C48 и M3C68 с разрешением 12, 14 и 16 бит.

Как модуль преобразует сигнал

Перед АЦП входной сигнал проходит через входную цепь согласования и фильтрации. Затем модуль выполняет выборку, преобразует измеренное значение в цифровой код и размещает результат в области входных данных. ПЛК считывает этот код по G-Bus или M-Bus, применяет масштабирование и использует результат в алгоритмах контроля и регулирования.

Разрядность АЦП показывает, на сколько дискретных уровней может быть разбит диапазон измерения, но сама по себе не определяет точность всей системы. При сравнении модулей необходимо учитывать погрешность, температурный дрейф, шум, эффективное разрешение, время преобразования и характеристики датчика. Например, 24-битный вход для тензодатчика нужен прежде всего для работы с малым дифференциальным сигналом мостовой схемы; это не означает автоматической 24-битной точности результата в реальных условиях.

Фильтрация уменьшает влияние промышленных помех и нестабильности сигнала, но увеличивает задержку измерения. Поэтому для медленных процессов — температуры, уровня или веса — обычно допустима более глубокая фильтрация, а для быстрого контура регулирования важнее время обновления данных. Конкретные значения необходимо проверять в руководстве по эксплуатации выбранного модуля.

Особенности серий G и M

Серия G предлагает наиболее широкий выбор исполнений: унифицированные токовые и потенциальные входы, термопары, RTD и NTC, тензодатчики, HART, измерение параметров трехфазной сети, ПИД-регуляторы и комбинированные AI/AO-модули. Внутренний обмен выполняется по G-Bus, а горячая замена модулей расширения не поддерживается.

В серии M электронные модули устанавливаются в базовые основания и обмениваются данными по M-Bus. Серия поддерживает горячую замену: неисправный электронный модуль можно заменить без отключения системного питания всей станции, сохранив работу остальных модулей. Это не отменяет требований электробезопасности и правил работы с полевыми цепями. Перед заменой необходимо выполнить процедуру из руководства и при необходимости отключить полевое напряжение.

Серии G и M имеют разную конструкцию и внутреннюю шину и являются невзаимозаменяемыми. Подробнее это разобрано в материалах «Совместимость модулей серии G и M» и «Что такое горячая замена и резервирование?».

Сравнение модулей аналогового ввода серий G и M

Как выбрать модуль аналогового ввода

Подбор начинают с характеристик полевого прибора, а не с количества свободных мест в станции. Для каждого сигнала необходимо знать выходной диапазон датчика, схему подключения, требования к питанию, требуемую скорость измерения и допустимую погрешность.

• Тип и диапазон сигнала. Вход должен напрямую поддерживать ток, напряжение, RTD, термопару, NTC, тензодатчик или другой фактический сигнал. Нельзя подключать токовую петлю к потенциальному входу без соответствующего преобразования, а термопару — к обычному милливольтовому входу без учета ее типа и компенсации холодного спая.
• Схема подключения и питание датчика. Для преобразователя 4–20 мА проверяют, является ли он двух-, трех- или четырехпроводным, откуда получает питание и как замыкается токовая петля. Наличие токового входа у модуля не означает, что он самостоятельно питает подключенный преобразователь.
• Однополярный или двуполярный диапазон. Для сигналов, которые могут изменять знак, нужны входы ±5, ±10 В или ±20 мА. Модуль с диапазоном только 0–10 В или 0–20 мА отрицательное значение корректно не измерит.
• Количество каналов и общие контакты. Помимо числа датчиков учитывают резерв, группировку каналов, общие точки и допустимую разность потенциалов. Высокая плотность каналов уменьшает размер станции, но может потребовать многоканального разъема IDC и промежуточной клеммной платы.
• Гальваническая развязка. Необходимо уточнить, что именно изолировано: полевая часть от логики, группы каналов друг от друга или каждый канал отдельно. Развязка между входами особенно важна при разных потенциалах земли и длинных кабельных трассах.
• Разрешение и погрешность. 16-битный АЦП дает более мелкий шаг квантования, чем 12-битный, но итоговую точность определяют также погрешность модуля и датчика, температурный дрейф, монтаж и помехи. Разрядность следует выбирать по реально необходимой точности и динамическому диапазону измерения.
• Время преобразования и фильтрация. Для быстрого регулирования проверяют время обновления всех используемых каналов и задержку цифрового фильтра. Для медленных измерений важнее устойчивость показаний и подавление сетевых и импульсных помех.
• Диагностика линии. Для токовой петли полезны обнаружение выхода за диапазон и обработка диагностических уровней NAMUR NE 43, а для RTD и термопар — контроль обрыва датчика. Нужно проверить не только наличие функции, но и цифровое значение или статус, который модуль передает ПЛК при неисправности.
• Поддержка HART. Если необходимо читать дополнительные переменные, состояние и параметры интеллектуального преобразователя, выбирают GT-5914 или M5914. Обычный вход 4–20 мА измерит ток, но не даст доступа к цифровым данным HART.
• Особенности первичного преобразователя. Для RTD проверяют поддерживаемую НСХ и двух-, трех- или четырехпроводную схему; для термопары — тип, полярность и компенсационный кабель; для тензодатчика — чувствительность мВ/В, напряжение возбуждения и максимальную нагрузку; для измерения сети — схему и коэффициенты трансформаторов.
• Совместимость со станцией. Модули GT устанавливаются в систему серии G, модули M — в систему серии M. Требуемый внешний протокол обеспечивает совместимый сетевой адаптер или ПЛК, а не сам модуль AI.
• Условия эксплуатации и монтаж. Проверяют рабочую температуру, вибрацию, влажность, требования ЭМС, тип кабеля, экранирование и заземление. Сигнальные кабели прокладывают отдельно от силовых, а экран подключают по принятой для объекта схеме, чтобы не создавать контуры уравнительных токов.

Для предварительного подбора можно использовать раздел «Инструменты для подбора», но окончательное решение принимают по техническим характеристикам, схеме подключения и руководству конкретного модуля.

Чем аналоговый ввод отличается от дискретного

Главное отличие — в характере получаемой информации. Модуль дискретного ввода сообщает, произошло событие или нет, а аналоговый модуль измеряет текущее значение параметра.

Что контролируют модули аналогового ввода

• Температуру. К модулю подключают термопары, термосопротивления RTD, термисторы NTC или преобразователи с унифицированным выходом. Такие измерения применяют в печах, котельных, холодильных установках, сушильных камерах и системах вентиляции.
• Давление. Сигналы от датчиков давления используются в насосных станциях, гидравлических системах, компрессорных установках и технологических трубопроводах.
• Уровень. Аналоговый преобразователь показывает количество жидкости или сыпучего материала в резервуаре, емкости, бункере или силосе. Для предельной сигнализации дополнительно применяют сигнализаторы уровня с дискретным выходом.
• Расход. Расходомеры передают в систему текущее потребление воды, газа, пара, топлива или технологической жидкости. Помимо аналогового значения прибор может иметь импульсный или цифровой интерфейс, который обрабатывается другим типом модуля.
• Вес и силу. Сигнал тензодатчика используется в весовых платформах, дозаторах, фасовочных машинах и системах контроля загрузки.
• Электрические параметры. Специализированные модули измеряют ток, напряжение и другие параметры трехфазной сети в энергетическом и производственном оборудовании.
• Ход технологического процесса. ПЛК сравнивает измеренное значение с заданием и через модули аналогового вывода или дискретные выходы управляет клапанами, приводами, нагревателями, насосами и вентиляторами.
• Архив и визуализацию. Текущие значения передаются на панели оператора, в SCADA или MES для отображения, построения графиков, формирования отчетов и анализа работы оборудования.

Пример пересчета сигнала 4–20 мА

Пусть датчик давления с диапазоном 0–10 бар формирует сигнал 4–20 мА. При линейном преобразовании 4 мА соответствует 0 бар, 12 мА — 5 бар, а 20 мА — 10 бар. Пересчет выполняется по формуле:

Давление = (измеренный ток − 4 мА) / 16 мА × 10 бар.

ПЛК получает цифровое значение от модуля, переводит его в бары и использует в программе управления. Контроллер может показать давление на панели оператора, записать его в архив, сравнить с предупредительными и аварийными пределами или изменить производительность насоса. Значения ниже 4 мА или выше 20 мА нельзя автоматически трактовать одинаково во всех системах: их смысл зависит от настроек измерительного преобразователя, поддерживаемой диагностики и логики программы.

Модуль аналогового ввода не подключается напрямую к Modbus, EtherCAT или PROFINET. Внешний обмен обеспечивает установленный ПЛК или сетевой адаптер, а модуль передает данные по внутренней шине G-Bus либо M-Bus. Поэтому сетевой протокол выбирают по головному устройству.