Подключение и обработка аналоговых сигналов в системах промышленной автоматизации на базе аппаратуры SIEMENS

При подключении датчиков к измерительной системе часто возникают проблемы, связанные со стыковкой аппаратуры разных производителей. Проблема усугубляется тем, что зарубежные фирмы (да и отечественные в последнее время также) не поставляют со своими изделиями их детальные электрические схемы, а структурные схемы подключения, которые приводятся в инструкциях, не дают полного схемотехнического представления. Так, например, при использовании 2-х проводной схемы подключения датчика с унифицированным сигналом 4-20 мА к модулю аналогового ввода 6ES7331-7KF01-0AB0 (AI8) AG Siemens необходимо просто соединить “плюсовые” и “минусовые” клеммы датчика и модуля (см. рис. 1), а не организовывать общее питание датчиков, как это делается в традиционной 2-х проводной схеме. Можно использовать и традиционную схему подключения, но при этом упомянутый модуль должен быть сконфигурирован как для 4-х проводной схемы (тип измерения - 4DMU, модуль установки диапазона измерений - в положение С).

Рис. 1

В случае подключении терморезистивных датчиков (RTD) при использовании четырехпроводной схемы (рис. 2) проблемы отсутствуют: спад напряжения снимается непосредственно на датчике с помощью дополнительной пары проводов, по которых практически не проходит ток, благодаря высокому входному сопротивлению модуля (от 10 до 100 МОм).

Рис. 2

Другая ситуация, когда используется трехпроводная схема (рис. 3).

Рис. 3

В этом случае необходимо учитывать падение напряжения на линии, (в каждом цикле измеряется падение напряжения на линии U_L и вычитается от U_вх). При этом все провода линии связи (по крайней мере, два из них, по которых проходит ток I_c) должны иметь идентичные параметры, в том числе, зависимость сопротивления линии от температуры.

Модули AG Siemens 6ES7331-1PF00-0AB0 (8-ми канальный модуль для подключения термометров сопротивления и 6ES7331-1KF00-0AB0 (универсальный 8-ми канальный модуль) учитывают сопротивление линии, а упомянутый универсальный модуль 6ES7331-7KF01-0AB0 (AI8) не учитывает, хотя в инструкции предусмотрена возможность трехпроводного подключения. Понятно, что в этом случае возникает статическая погрешность, которая может быть частично компенсирована при калибровке (за исключением составляющей, возникающей от температурного изменения сопротивления линии).

На рис. 4 показана схема подключения группы датчиков RTD при их компактном расположении на отдаленном объекте. Такая схема дает выигрыш кабельной продукции – только два крайних датчика соединены по трехпроводной схеме, все остальные – по двухпроводной. В качестве источника тока (I_c) можно использовать один из выходов модуля аналогового вывода (измерительный ток одного из каналов модуля АI использовать нельзя, так как он действует только в период опроса данного канала).

Рис. 4

Некоторые трудности возникают при использовании распространенных терморезистивних датчиков с градуировочными характеристиками ТСМ 50 (ТСМ 100), для которых не предусмотрена конфигурация модулей ввода зарубежных фирм. В связи с тем, что градуировка по меди являются практически линейной (сопротивление прямо пропорционально температуре), то в этом случае хорошие результаты дает использование конфигурации измерения сопротивления. При этом надо иметь в виду, что сужение рабочего диапазона измерения (из-за несовпадення диапазонов датчика и модуля ввода) приводят к уменьшению точности измерения. Так, при использовании датчика ТСМ 50 (диапазон измерения -50°С...+180°С или 39,3 Ом...88,52 Ом) и вышеупомянутого универсального модуля ввода AI8 (диапазон измерения сопротивления 0...150 Ом) измерение проводится только в 1/3 диапазона.

Для получения высокой точности необходимо использовать датчик ТСП 100 (W₁₀₀=1,385), который является аналогом широко используемого зарубежного датчика Pt 100 и для которого предусмотрена конфигурация модулей ввода с компенсацией нелинейности характеристики платины. При этом предусмотрено два диапазона измерения: стандартный Std (-200...+850)°С и климатический Cl (-120°С...+130)°С.

Хорошие результаты дает следующий способ ввода ТСМ 50, используя конфигурацию Pt 100 (Cl):

- последовательно с датчиком ТСМ 50 установить резистор С2-29В 49,9 Ом;

- произвести пересчет кода модуля ввода К в температуру t в °C по формуле

t =-0.000280044*К²+1.82448666*К+0.33

Что касается точности измерения, то здесь необходимо отметить следующее: применение вышеупомянутых модулей (из числа сравнительно недорогих), которые хотя и обладают сравнительно высокой погрешностью (около 0,5%), благодаря высокой линейности (около 0,05%) и повторяемости (около 0,05%), дает возможность производить измерение с достаточно высокой точностью.

Обработка аналоговых сигналов, в простейшем случае, состоит в преобразовании кода (К), полученного от модуля аналогового ввода, в значение в физических единицах диапазона измерения параметра (Fiz).

На рис. 5 приведена функция преобразования для случая прямо пропорциональной зависимости - график прямой, которая проходит через две точки:
D₀, K₀ (D₀ - начальное значение диапазона, K₀ – калибровочный коэффициент, который соответствует D₀)
и
D_m, K_m (D_m - конечное значение диапазона, K_m – калибровочный коэффициент, который соответствует D_m).

Fiz =[(D_m - D₀)*(K - K₀)/(K_m-K₀)] + D₀

Рис. 5

Такая форма уравнения оперирует с практически очерченными понятиями - D₀ и D_m, и облегчает операцию калибровки.

Калибровка в данном случае – это согласование параметров датчика, линии связи и модуля ввода с целью получения максимальной точности измерения.

Калибровка – важный этап пуско-наладочных работ, который, к сожалению, предусмотрен не во всех зарубежных средствах автоматизации (считается, что датчик и модуль соответствуют своим техническим условиям и используются согласно инструкции).

Калибровка предусматривает установку максимального и минимального значения диапазона измерения датчика и фиксацию соответствующих значений кодов модуля ввода. При этом значения диапазона (кстати, они могут быть и не крайними точками диапазона измерения) и значения калибровочных коэффициентов заносятся в энергонезависимую память.

В связи с тем, что калибровка выполняется, кроме пусконаладки, также в процессе эксплуатации при замене датчика или других изменениях, необходимо предусмотреть такой механизм калибровки, который разрешает проводить эту операцию параллельно с основной исполнительной программой.

Для вышеупомянутых контроллеров Simatic хорошие результаты дает использование VAT-таблиц, см. рис. 6), предусмотренных базовым программным пакетом Step 7; при этом в последних версиях пакета (V5.1 и выше) появились общепринятые возможности редактирования таблиц (Copy/Insert), что уменьшает механические ошибки при калибровке.

Рис. 6

При этом процесс калибровки происходит следующим образом:

запускается пакет Step 7;

вызывается заранее сформирована таблица VAT, в которую занесены символьные названия параметров, их адреса в памяти, а также значения крайних точек их диапазонов измерения (при необходимости эти значения можно изменить в процессе калибровки);

устанавливаются (имитируются) значения параметров в крайних точках и считываются соответствующие значения кодов (калибровочные коэффициенты);

записываются значения калибровочных коэффициентов по соответствующим адресам в памяти (блок данных DB1 “Klb”).

Аналогичные операции можно проводить с помощью программ верхнего уровня, путем программирования операторской станции или операторской панели.

Для облегчения проведения калибровки фирма Siemens предлагает калибратор Hand-Calibrator, с помощью которого можно имитировать различные типы физических сигналов, в том числе, и температуру в °С для различных типов датчиков.

Если в процессе эксплуатации возникает необходимость замены датчика или других изменений ,связанных с изменением диапазона измерения,то с помощью другой VAT-таблицы (или с помощью программы верхнего уровня) новые значения диапазона измерения записываются в блок даных DB2 “Diap”.