Как формируется и передаётся аналоговый сигнал
При аналоговом вводе измеряемая физическая величина преобразуется в электрический сигнал. Например, датчик давления с диапазоном от 0 до 10 бар может формировать ток 4–20 мА:
- 4 мА соответствуют давлению 0 бар;
- 12 мА — давлению около 5 бар;
- 20 мА — давлению 10 бар.
Сигнал поступает на вход модуля, проходит через входные цепи и фильтрацию, после чего аналого-цифровой преобразователь — АЦП — переводит измеренное значение в цифровой код. По внутренней шине станции этот код передаётся в контроллер. ПЛК масштабирует его в инженерные единицы: градусы, бары, метры, литры в минуту, килограммы и другие величины.
При аналоговом выводе процесс идёт в обратном направлении. Контроллер рассчитывает управляющее значение и передаёт его модулю. Цифро-аналоговый преобразователь — ЦАП — формирует соответствующий ток или напряжение. При линейном масштабировании команда 50% будет соответствовать 5 В для диапазона 0–10 В или 12 мА для диапазона 4–20 мА.
Таким образом, по проводам между модулем и полевым устройством передаётся аналоговый сигнал, а внутри станции CREVIS информация передаётся уже в цифровом виде. Для термосопротивлений, термопар и тензодатчиков модуль непосредственно измеряет сопротивление или малое напряжение, создаваемое чувствительным элементом.
Основные типы аналоговых сигналов
В системах автоматизации используются унифицированные токовые и потенциальные сигналы, а также сигналы датчиков, которые подключаются к специализированным входам.
| Тип сигнала | Где применяется | Особенности |
|---|---|---|
| 4–20 мА | Датчики давления, уровня и расхода, измерительные преобразователи, позиционеры и регуляторы | Промышленный токовый сигнал с «живым нулём»: нижней границе рабочего диапазона соответствуют 4 мА |
| 0–20 мА | Измерительные и управляющие цепи с совместимым диапазоном | Нулевой ток является нижней границей диапазона, поэтому по одному значению 0 мА нельзя отличить штатный минимум от обрыва цепи |
| ±20 мА | Двухполярные измерительные сигналы | Позволяет передавать как положительные, так и отрицательные значения |
| 0–10 В | Частотные преобразователи, приводы, заслонки, регуляторы и измерительные устройства | Распространённый сигнал напряжения, который часто применяют внутри шкафа и на сравнительно коротких линиях |
| 0–5 и 1–5 В | Измерительные преобразователи и регуляторы | Диапазон входа или выхода выбирают в соответствии с характеристиками подключаемого прибора |
| ±5 и ±10 В | Реверсивные приводы, измерительные системы и двухполярные команды | Знак напряжения может задавать направление движения или знак измеряемой величины |
| RTD | Измерение температуры | Термосопротивление изменяет электрическое сопротивление в зависимости от температуры |
| NTC | Температурные измерения и контроль | Сопротивление термистора уменьшается при повышении температуры |
| Термопара | Измерение температуры | Формирует небольшое термоэлектрическое напряжение; при подключении учитывают тип термопары и компенсацию холодного спая |
| Сигнал тензодатчика | Весовые платформы, дозаторы и фасовочное оборудование | Малый дифференциальный сигнал тензометрического моста требует специализированного входа |
| 4–20 мА с HART | Интеллектуальные датчики и измерительные преобразователи | Основное измеренное значение передаётся током, а дополнительные параметры и диагностика — наложенным цифровым сигналом HART |
Тип и диапазон канала должны соответствовать подключаемому устройству. Датчик с выходом 0–10 В нельзя напрямую подключить к входу 4–20 мА. Диапазоны 0–20 и 4–20 мА также не являются взаимозаменяемыми без изменения настроек и масштабирования: у них одинаковая верхняя граница, но разная нижняя точка.
Почему в промышленности часто применяется сигнал 4–20 мА
Токовая петля 4–20 мА хорошо подходит для передачи измерительных и управляющих сигналов по протяжённым кабельным линиям. В последовательной цепи один и тот же ток проходит через датчик, кабель и вход модуля. Поэтому сопротивление проводов не прибавляется непосредственно к измеряемому значению, пока источник сигнала способен поддерживать заданный ток при суммарной нагрузке цепи.
Нижняя граница 4 мА называется «живым нулём». Она помогает отличить минимальное рабочее значение от обрыва линии или отключения питания, при которых ток обычно падает к нулю. Если оборудование поддерживает NAMUR NE 43, для передачи информации о неисправности могут использоваться отдельные уровни тока за пределами нормального диапазона измерения.
Двухпроводный измерительный преобразователь получает питание и передаёт сигнал по одной паре проводов. У трёх- и четырёхпроводных устройств питание и сигнальная цепь частично или полностью разделены. Поэтому при выборе модуля нужно проверить не только диапазон 4–20 мА, но и схему конкретного датчика. Наличие токового входа само по себе не означает, что модуль питает подключённый преобразователь.
Модули аналогового ввода и вывода CREVIS
В каталоге CREVIS представлены модули для приёма и формирования унифицированных токовых и потенциальных сигналов, непосредственного подключения температурных и тензометрических датчиков, а также решения специализированных измерительных задач.
Поддерживаемые диапазоны, количество каналов и функции зависят от конкретной модели. В таблице приведены основные группы оборудования и примеры модулей CREVIS.
| Группа модулей | Направление | Тип сигнала | Примеры моделей CREVIS | Назначение |
|---|---|---|---|---|
| Модули токового ввода | Аналоговый вход | 0–20, 4–20 и ±20 мА |
GT-3118: 0–20 и 4–20 мА; GT-3938: включая ±20 мА; M3938: включая ±20 мА |
Приём сигналов от датчиков давления, уровня, расхода, измерительных преобразователей и другого оборудования с токовым выходом |
| Модули ввода напряжения | Аналоговый вход | 0–5, 1–5, 0–10, ±5 и ±10 В |
GT-3468: 0–5, 1–5 и 0–10 В; GT-3948: включая ±5 и ±10 В; M3948: включая ±5 и ±10 В |
Приём сигналов от датчиков, преобразователей, измерительных приборов и других устройств с выходом по напряжению |
| Модули токового вывода | Аналоговый выход | 0–20 и 4–20 мА |
GT-4114: 0–20 мА; GT-4214: 4–20 мА; M4258: 4–20 мА |
Передача управляющих сигналов позиционерам клапанов, приводам, регуляторам и другому оборудованию с токовым входом |
| Модули вывода напряжения | Аналоговый выход | 0–5, 1–5, 0–10 и ±10 В |
GT-4668: 0–5, 1–5 и 0–10 В; GT-4564: ±10 В; M4428: 0–10 В |
Передача уставок частотным преобразователям, электроприводам, регуляторам мощности и другим устройствам с потенциальным входом |
| Модули для термосопротивлений и термисторов | Аналоговый вход | RTD, NTC и сопротивление |
GT-3708: термосопротивления RTD; GT-3758: термисторы NTC |
Измерение температуры по изменению электрического сопротивления подключённого датчика |
| Модули для термопар | Аналоговый вход | Сигналы термопар различных типов |
GT-3804: 4 канала; GT-3888: 8 каналов |
Подключение термопар и измерение температуры по формируемому ими термоэлектрическому напряжению |
| Модули подключения тензодатчиков | Аналоговый вход | Сигнал тензометрического моста |
GT-3002: приём сигнала тензодатчика; GT-3102: приём сигнала и расчёт веса |
Подключение тензодатчиков и весовых платформ, измерение нагрузки; GT-3102 дополнительно выполняет автоматический расчёт веса |
| Модули с поддержкой HART | Аналоговый вход | 4–20 мА и цифровой обмен HART |
GT-5914: серия G; M5914: серия M |
Измерение сигнала 4–20 мА и получение дополнительных параметров и диагностических данных от интеллектуальных полевых устройств |
| Модули измерения параметров трёхфазной сети | Аналоговый вход | Напряжение и ток трёхфазной сети |
GT-3901: до 500 В и 1 А AC; GT-3911: до 500 В и 5 А AC |
Измерение напряжения, тока, мощности, энергии, частоты, фазового угла и коэффициента мощности |
| Комбинированные модули | Аналоговый ввод и вывод | Ток и напряжение в зависимости от модели |
GT-3B14: настраиваемые каналы ввода или вывода; GT-3C18: входы напряжения и токовые выходы; M3C28: входы и выходы напряжения |
Одновременное подключение датчиков и исполнительных устройств к одному модулю, сокращение количества позиций в станции ввода-вывода |
Поддерживаемые диапазоны и количество каналов зависят от конкретной модели. В таблице перечислены типы сигналов, доступные в пределах каждой группы оборудования.