Zaloguj się
Wszystkie
26 kwietnia 2023
478
Zagadnienie standardów przesyłu sygnałów pomiarowych i sterujących stosowanych w automatyce przemysłowej jest znacznie bardziej złożone niż w przypadku klasycznych układów cyfrowych i analogowych. Przykładowo – podczas gdy w systemie mikroprocesorowym reprezentację poszczególnych stanów logicznych zapewniają dwa zakresy napięcia (wokół potencjałów 0 V i VCC, rzecz jasna wraz z odpowiednimi marginesami zakłóceń, wyznaczonymi przez różnice maksymalnych przedziałów dopuszczalnych napięć wejściowych i wyjściowych), to w instalacjach obiektowych mamy do czynienia z szeregiem ścisłych wymogów normalizacyjnych, zarówno w zakresie napięć, jak i prądów. Ich celem – tak jak zresztą we wszystkich innych standardach branżowych – jest ujednolicenie parametrów urządzeń, zapewniające poprawną współpracę aparatury różnych producentów. W przypadku sygnałów analogowych, stosowanych zarówno w czujnikach, jak i urządzeniach wykonawczych (np. w falownikach do kontroli prędkości obrotowej silnika), istnieje możliwość wykorzystania zarówno sygnałów napięciowych (np. 0...10 V), jak i prądowych, w najpopularniejszych standardach 0...20 mA czy 4...20 mA.
Najprostsza implementacja obwodów wejściowych wydaje się zadaniem nieszczególnie skomplikowanym. Aby zredukować napięcie wejściowe (np. z czujnika zbliżeniowego) z poziomu 24 V do 3,3 V (zasilającego procesor) można przecież zastosować dzielnik napięcia, wyposażony w diodę(-y) zabezpieczającą(-e) oraz szeregowy rezystor ograniczający prąd. Podobne rozwiązanie można wykorzystać także do sprzężenia wejścia napięciowego 0...10 V z niskonapięciowym przetwornikiem ADC, zaś do przetworzenia sygnałów z pętli prądowej (0...20 mA lub 4...20 mA) wystarczy użyć stabilnego rezystora, konwertującego natężenie prądu na spadek napięcia, łatwo mierzalny za pomocą ADC.
Sprawa staje się jednak znacznie bardziej złożona, jeżeli uwzględnimy szereg dodatkowych czynników, tak ważnych w praktycznych realizacjach instalacji przemysłowych. Unikanie pętli prądowych (a więc także ochrona przed propagacją przewodzonych zaburzeń EMI) wymaga stosowania izolacji galwanicznej, realizowanej zwykle za pomocą transoptorów. Ponadto znaczna część sensorów i przetworników czujnikowych jest zasilana za pomocą połączenia dwuprzewodowego, pełniącego także funkcję interfejsu sygnałowego – innymi słowy, elektronika czujnika jest zasilana prądem, którego źródłem jest obwód wejściowy współpracującego urządzenia nadrzędnego (koncepcja nieco przypomina tę znaną z układów 1-Wire, podkradających energię elektryczną z linii sygnałowej, choć rzecz jasna realizacja techniczna jest tutaj diametralnie inna). Mało tego – zapotrzebowanie prądowe jest różne dla różnych generacji urządzeń półprzewodnikowych, a w przypadku prostych sensorów elektromechanicznych (stykowych, np. wyjść przekaźnikowych czy wyłączników krańcowych), natężenie prądu w obwodzie nie odgrywa aż tak istotnej roli i zwykle może zmieniać się w znacznie szerszym zakresie niż podczas współpracy z przetwornikami aktywnymi. Sprawę przemysłowych portów I/O dodatkowo komplikuje zróżnicowanie polaryzacji wyjść sensorów – przykładowo, czujniki zbliżeniowe występują zarówno w wersjach typu PNP (sterowanie „od góry”), jak i NPN (sterowanie „od dołu”). Niezależnie natomiast od tego, z jakim standardem sygnałowym mamy do czynienia, automatyka przemysłowa wymaga bardzo wysokiego poziomu niezawodności i bezpieczeństwa funkcjonalnego, istotne są zatem także funkcje autodiagnostyczne i możliwość bieżącego monitorowania portów wejścia i wyjścia pod kątem występowania ewentualnych awarii.
Mając na uwadze przytoczone powyżej zagadnienia, producenci układów scalonych postanowili wyjść naprzeciw potrzebom konstruktorów sterowników PLC i modułów I/O (przykład na fotografii tytułowej), wdrażając do sprzedaży szereg rozbudowanych układów interfejsowych. Warto dodać, że – choć nasz cykl dotyczy przede wszystkim klasycznych front-endów analogowych, przeznaczonych do celów pomiarowych – tym razem przyjrzymy się także układom cyfrowym, a to z prostej przyczyny. Zaawansowane, konfigurowalne układy AFE przeznaczone do pracy z sygnałami binarnymi także mają bowiem szereg ukrytych bloków analogowych (komparatorów, źródeł napięcia odniesienia, źródeł prądowych, etc.), co sprawia, że pod względem koncepcyjnym zapewniają podobny stopień integracji rozmaitych funkcji, co inne front-endy omawiane przez nas w ramach Poradnika Implementacji.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
