برخلاف مدار گسسته/دیجیتال (روشن/خاموش)، سیگنال های آنالوگ در طیف وسیعی از ولتاژ یا جریان متفاوت هستند.
نحوه سیم کشی سیگنال های آنالوگ PLC
شکل زیر همان پنل قطع کننده مدار را دارد، اما اکنون یک منبع تغذیه DC را تغذیه می‌کند.
منبع تغذیه می‌تواند در کابینت خود باشد یا می‌تواند در پانل مارشالینگ باشد. در هر صورت، برق DC در پانل مارشالینگ توزیع می‌شود. یک فیوز می تواند چندین مدار را تغذیه کند یا هر مدار می تواند ذوب شود.
تکنیک‌های سیم کشی PLC
فرستنده +24 VDC در ترمینال مثبت خود تغذیه می‌شود. سیگنال جریان 4-20 میلی آمپر از ترمینال (-) فرستنده به پی ال سی منبع می شود. کابل سیگنال با شماره فرستنده شماره گذاری می شود و سیم های داخل آن برای ارائه اطلاعات منبع تغذیه شماره گذاری می شوند.
سپرهایی که در بیش از یک نقطه زمین قرار دارند ممکن است نویزهای بزرگی را به سیگنال تزریق کنند. این وضعیت حلقه زمین است و می‌تواند یک مشکل بسیار دشوار برای جداسازی باشد، زیرا مشکل متناوب است. یک زمین آرام باید برای زمین کردن تمام سپرها در یک نقطه استفاده شود. یک زمین آرام زمینی است که یا به یک زمین سه گانه اختصاصی یا زمینی که به شیر مرکزی یک ترانسفورماتور ایزوله گره می خورد.
زمین پر سر و صدا زمینی است که از نظر فیزیکی دور از ترانسفورماتور قرار داشته باشد و موتورها، چراغ‌ها یا سایر موارد پر سر و صدا را سرویس دهد. این مدار ورودی آنالوگ دو سیمه اصلی است.
در زیر برخی از اطلاعات خاص در مورد احتمالات مختلف آنالوگ را شرح می‌دهیم:
حفاظت مدار (فیوزینگ)
مدارهای آنالوگ همیشه ولتاژ پایینی هستند، معمولاً 24 VDC. در نتیجه، فیوز کردن مدارهای آنالوگ مجزا برای ایمنی پرسنل مورد نیاز نیست. همچنین، اکثر ماژول‌های ورودی/خروجی آنالوگ دارای مدارهای محدودکننده جریان هستند. بنابراین برای محافظت از ماژول ها به فیوزینگ نیازی نیست. اگر این دو شرط درست باشد و طراح باید این را با سازنده تایید کند – در صورت تمایل می توان از فیوزینگ در نقطه اجتناب کرد.
اگر یک طراح بخواهد با ادغام نکردن هر نقطه در هزینه خود صرفه جویی کند، باید مدارها را در مناطق کنترل آسیب گروه بندی کرد. به عنوان مثال، اگر یک جفت پمپ، یک پمپ اولیه و یک پشتیبان وجود دارد، ابزارهای این دو باید در گروه‌های فیوز جداگانه قرار گیرند. برای اطلاعات بیشتر، I/O Partitioning در فهرست را ببینید.
ایمنی سر و صدا
مدارهای آنالوگ مستعد نویز الکترونیکی هستند. اگر یک کابل آنالوگ در مجاورت کابل ولتاژ بالا موتور قرار گیرد، آنگاه کابل سیگنال آنالوگ به عنوان یک آنتن عمل می کند و نویز جفت شده مغناطیسی تولید شده توسط موتور را دریافت می کند.
منابع دیگری از نویز وجود دارد، مانند تابش فرکانس رادیویی (RF) از واکی تاکی. نویز روی کابل سیگنال آنالوگ می تواند باعث خطا در خواندن مقدار سیگنال شود که به نوبه خود می تواند مشکلات زیادی را در سیستم کنترل ایجاد کند. برخی از راه های کاهش نویز عبارتند از:
کابل های جفت
نویز الکترونیکی ممکن است با استفاده از کابل کشی جفت تابیده تا حد زیادی کاهش یابد. اکثر ابزارها از دو سیم برای انتقال سیگنال های خود استفاده می کنند. جریان در یک سیم به دستگاه و در سیم دیگر از دستگاه خارج می شود.
اگر این سیم‌ها پیچ خورده باشند، نویز در هر سیم تقریباً یکسان خواهد بود. مقدار جریان القایی در هر رسانا یکسان است، اما در جهت مخالف حرکت می کند، بنابراین بیشتر نویز را از بین می برد.
محافظ
یکی دیگر از اصلاحات در حذف نویز، محافظ است، به عنوان مثال، استفاده از یک قیطان به زمین یا محافظ فویل در اطراف هادی ها. همانطور که قبلا ذکر شد، سپر هرگز نباید در بیش از یک مکان به زمین متصل شود تا از حلقه های زمین جلوگیری شود. اکثر سازندگان ابزار توصیه می کنند سپر را در ابزار صحرایی زمین قرار دهید. با این حال، مکان بهتری برای انجام آن در پانل مارشالینگ است. اگر زمینه ها در یک مکان باشند، بررسی و مدیریت آن آسان تر است. همچنین، می توان از یک زمین خوب در آن نقطه اطمینان حاصل کرد.
مجرا
اصلاح نهایی در حذف نویز، مجرای فلزی زمین شده است. این به ندرت مورد نیاز است، به جز برای کابل های ارتباطی داده و مدارهای به ویژه بحرانی.
آشکارساز دمای مقاومتی (RTD)
یک RTD از یک تکه سیم خاص می‌سازند که مقاومت الکتریکی آن زمانی که سیم در معرض دماهای مختلف قرار می گیرد به روشی قابل پیش بینی تغییر می کند. متریال انتخابی امروزه پلاتین 100 اهم است، اگرچه گاهی از انواع دیگر مانند مس 10 اهم استفاده می شود. برای پلاتین RTD، امتیاز برای 100 اهم در 0ºC است. تغییرات مقاومت با دما بسیار کم است و باعث تغییرات ولتاژ در محدوده میلی ولت می شود. RTDها به مدار پل وتستون متصل می‌شوند که روی RTD تنظیم می‌شوند اما این تنظیم روی نیمکت اتفاق می‌افتد.
در مورد محیط میدان چطور؟ ما قبلاً در مورد مشکلات تضعیف خط ذاتی سیگنال های میلی ولت بحث کرده ایم (فصل 4). این مشکل در مدار RTD با استفاده از یک یا دو ورودی حس برطرف می‌شود. این ورودی‌ها به خنثی کردن اثرات تلفات مس به دلیل خطوط طولانی و تغییرات دما در طول آنها کمک می‌کنند و سیم‌های اضافی هستند که باید در کابل RTD گنجانده شوند، از این رو اصطلاحات RTD های سه سیمه و چهار سیمه نامیده می‌شوند.
ترموکوپل
ترموکوپل از نیروی محرکه الکتریکی (EMF) که از تغییرات دما ناشی می‌شود و بر دو فلز غیرمشابه که با هم لایه‌بندی شده‌اند تأثیر می‌گذارد، استفاده می‌کند. این EMF خود را به عنوان یک سیگنال میلی ولت (DC) نشان می‌دهد. هنگامی‌که ترکیبات خاصی از این فلزات غیرمشابه به‌هم متصل می‌شوند، یک منحنی قابل پیش بینی از دما به ولتاژ با تغییر دما در محل اتصال ایجاد می‌شود.
سیگنال در انتهای باز دو سیم اندازه گیری می‌شود و از مقیاس میلی ولت بر درجه برای تبدیل ولتاژ به واحدهای مهندسی استفاده می‌شود. ترموکوپل یک دستگاه دو سیمه است که حساس به نویز تابشی است. اگر برای مسافت بسیار طولانی کشیده شود، در یک کابل محافظ قرار می‌گیرد. سیگنال ترموکوپل نیز به دلیل از دست دادن خط مستعد تخریب است، بنابراین به حداقل رساندن طول کابل مطلوب است.
از سیم کشش مناسب استفاده کنید و ترموکوپل معمولاً با یک اتصال پیگتیل کوتاه ارائه می‌شود که باید سیم کششی به آن وصل شود. اگر یک ماده سیم متفاوت، مانند مس، برای گسترش سیگنال به PLCاستفاده شود، یک اتصال سرد جعلی ایجاد می‌شود که باعث ایجاد یک EMF معکوس می‌شود که تا حدی سیگنال را خنثی می‌کند. باید از سیم اکستنشن مناسب استفاده شود یا باید وسیله‌ای جبران کننده اتصال سرد یا مرجع نقطه یخ بین سیم کشی مسی و سیم کشی ترموکوپل نصب شود.
ماژول‌های ورودی و خروجی ترموکوپل از قبل دارای جبران اتصال سرد روی برد هستند.
انواع خاصی از ترموکوپل‌ها ویژگی‌های دمایی متفاوتی را نشان می‌دهند. ترموکوپل نوع J از اتصال یک سیم آهنی با یک سیم کانستانتان تشکیل می‌شود. این پیکربندی منحنی نسبتاً خطی بین 0 و 750 درجه سانتی‌گراد را ارائه می‌دهد. ترموکوپل نوع K محدوده دمایی مفیدی بین 200- تا 1250 درجه سانتی‌گراد دارد. سایر ترکیبات منحنی‌های پاسخ متفاوتی را ایجاد می‌کنند.
0-10 میلی ولت (mV) آنالوگ
سیگنال های آنالوگ ابتدا با مدولاسیون ولتاژ تولید شدند. در قدیم، فرستنده سیگنال ضعیفی تولید می‌کرد که باید گرفته می‌شد و سپس فیلتر و تقویت می‌شد تا بتوان از آن برای حرکت قلم روی ضبط کننده یا سوزن روی گیج استفاده کرد. پاشنه آشیل سیگنال میلی ولت، حساسیت آن به نویز الکتریکی است.
این مشکل نسبت سیگنال به نویز به عنوان تابعی از طول کابل افزایش می یابد. بنابراین فرستنده باید در نزدیکی نشانگر یا ضبط کننده باشد.
سیگنال‌های میلی ولت امروزه به طور کلی به مبدل‌هایی می‌دهند که سیگنال کوچک را به جریان یا رسانه های دیگر (مانند مقادیر داده های دیجیتال) تبدیل می کنند که کمتر در معرض نویز و تلفات دسی بل (dB) قبل از خروج از مجاورت عنصر حسگر هستند. با این حال، برخی از ضبط کننده ها و سیستم های جمع آوری داده ها هنوز بر روی سیگنال میلی ولت کار می کنند.
آنالوگ 4-20 میلی آمپر (mA)
درایو برای غلبه بر کاستی‌های تضعیف خط سیگنال میلی‌ولت منجر به توسعه حلقه جریان 4-20 میلی آمپر شد. عملکرد افزایشی آن، این روش انتقال سیگنال‌های آنالوگ به سرعت به استاندارد صنعتی تبدیل شد. اکثر ابزارهای میدانی موجود در بازار دارای عنصر حسگر و انتقال دهنده هستند. فرستنده روی سنسور تنظیم می‌شوند که ممکن است هر نوع سیگنالی را از آنالوگ با فرکانس تا میلی ولت DC ارائه دهد.
شکل سیگنال هر چه باشد، فرستنده آن را تفسیر می‌کند و آن را به جریان خروجی بین 4 تا 20 میلی آمپر تبدیل می‌کند و در آن محدوده از نظر بزرگی با ورودی متناسب است. فرستنده تبدیل به چیزی می شود که به عنوان منبع جریان متغیر از آن یاد می شود. همانطور که یک باتری، بهعنوان منبع ولتاژ، سعی می‌کند ولتاژ ثابتی را بدون توجه به مقدار بار به آن حفظ کند، منبع جریان نیز بدون توجه به بار، سعی می‌کند یک جریان ثابت (برای یک سیگنال ورودی داده شده) را حفظ کند.
البته در صورت اعمال بار کافی می‌توان بر توانایی دستگاه برای ایجاد جریان ثابت در مدار غلبه کرد. بنابراین، طراح باید بداند که منبع فعلی چقدر انرژی می تواند تولید کند.
به طور کلی، ابزارهای امروزی قادر به حفظ 20 میلی آمپر در مقاومت مدار 1000 اهم هستند. از آنجایی که یک ابزار معمولی بیش از 250 اهم مقاومت ورودی ندارد، می‌توان چندین ابزار را از یک منبع جریان بدون نیاز به جداکننده تغذیه کرد.
مثال آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپر
بهعنوان مثال، یک فرستنده منفرد باید بتواند سیگنال خود را به یک PLC، یک ضبط کننده نمودار و یک توتالایزر با هزینه 750 اهم به اضافه مقاومت خط تغذیه کند. این هنوز باید در محدوده راحتی یک فرستنده معمولی باشد.
ابزارهایی با درجه بندی 600 اهم در بازار وجود دارد و طراح باید همیشه هر زمان که مدار پیچیده ای را بررسی کند. برای تعیین انرژی موجود در مدار، طراح باید بتواند تامین کننده آن انرژی را شناسایی کند. این کار گاهی آنقدر که ممکن است به نظر می‌رسد ساده نیست و پاسخ به این سوال به شدت برسیم کشی مدار تأثیر می‌گذارد.
دو نوع اصلی مدار آنالوگ وجود دارد که از دیدگاه فرستنده توضیح می‌دهیم. فرستنده‌های دو سیم بهعنوان دستگاه‌های غیرفعال در نظر می‌گیرند که جریان را کاهش می‌دهند، در حالی که فرستنده‌های چهار سیم دستگاه‌های فعالی هستند که جریان را تامین می‌کنند. شکل زیر سه فرستنده دما را نشان می‌دهد که هر کدام به نقاط ورودی و خروجی مختلف در یک ماژول پی ال سی متصل هستند. یک فرستنده به‌طور مستقیم تغذیه می‌شود، در حالی که بقیه به طور غیر مستقیم تغذیه می‌شوند. هر فرستنده به یک دستگاه کنترل متصل است.
از دیدگاه PLC، تمام ورودی های جریان 4 تا 20 میلی آمپر واقعاً ورودی‌های ولتاژ هستند. نقاط کامپیوتری خود در واقع ولت مترهایی با مقاومت بالا هستند که به آنها جداسازی عالی از دستگاه های میدانی می‌دهد و بار اضافی را در مدار ورودی به حداقل می‌رساند. نقاط ورودی و خروجی روی PLC با توان داخلی موجود برای هر نقطه نشان می‌دهند، بنابراین ماژول می‌تواند منبع ولتاژ برای حلقه باشد.
در ادامه توضیحات مفصلی در مورد تفاوت بین دستگاه های دو سیم و چهار سیم ارائه می‌شود:
مدار چهار سیم
یک فرستنده چهار سیم فرستنده ای است که انرژی لازم برای تامین انرژی حلقه و تولید سیگنال مدوله شده با جریان را فراهم می کند. بهعنوان مثال، اکثر فرستنده های سطح، دستگاه های چهار سیم هستند. دستگاه های چهار سیمه علاوه بر اتصالات سیگنال همیشه دارای اتصالات برق هستند. با این حال، همه فرستنده های این چنینی چهار سیمه نیستند. اگر خروجی فرستنده برقی غیرفعال باشد، ممکن است دستگاه از نقطه نظر مدار سیگنال به عنوان یک واحد دو سیمه در نظر می‌گیرند. اکثر دستگاه های ضبط از خارج تغذیه می شوند، اما در مدار غیرفعال هستند. در این موارد، برق خارجی فقط برای الکترونیک داخلی واحد است و مدار سیگنال از این منبع تغذیه جدا می‌شود درضمن ضبط کننده در مدار پایین یک دستگاه برقی و غیرفعال است.
مدار دو سیم
یک دستگاه دو سیمه دارای منبع تغذیه حلقه ای است. این بدان معناست که دستگاه با جذب انرژی مورد نیاز برای تولید سیگنال از حلقه جریان کار می کند. این نامگذاری می تواند کمی گیج کننده باشد زیرا فرستنده ای که جریان در حال غرق شدن است هنوز منبع سیگنال مدار است.
برق برای حلقه فعلی از جای دیگری تامین می شود. به عبارت دیگر ترمینال مثبت فرستنده باید مستقیماً به قطب مثبت منبع ولتاژ متصل شود. منبع ولتاژ معمولاً یک منبع تغذیه 24 VDC است.
(الف) مدارهای دو سیم با منبع تغذیه مستقل
با اشاره به شکل بالا، نقطه 2 ورودی/خروجی PLC یک مدار دو سیمه با منبع تغذیه DC خارجی را نشان می دهد. توجه داشته باشید که سیم ها باید (از نظر قطبیت) در PLC رول شوند تا قطبیت مناسب در سراسر نقطه I/O وجود داشته باشد. به این دلیل است که جریان فعلی نسبت به مثال قبلی معکوس می‌شود زیرا فرستنده باید اولین بار در حلقه باشد به‌جای این‌که منبع انرژی برای حلقه باشد.
(ب) مدارهای دو سیم با منبع تغذیه داخلی PLC
اکثر سیستم‌های PLC امروزه می‌توانند با اتصال ترمینال مثبت فرستنده به یک ترمینال دیگر در PLC، جریان حلقه را خودشان تامین کنند. سپس ترمینال منفی فرستنده به سمت مثبت نقطه I/O گره می‌خورد و سمت منفی نقطه I/O به DC مشترک سیستم PLC متصل می‌شود. در مثال I/O نقطه 3 نشان می‌دهد و در آن مثال، یک ضبط کننده به حلقه اضافه می‌شود. برای آموزش پی ال سی می‌توانید با مجموعه نیک صنعت تماس بگیرید.
نظرات کاربران