Прості системи керування використовують лише дискретні входи і виходи ПЛК. Дискретні входи збирають двостанову інформацію від об'єкта, а дискретні виходи керують типом увімкнено/вимкнено. У більш складних системах керування та регулювання, а також там, де починається будь-який процес, необхідно використовувати аналогові входи та виходи.

Вступ

Аналогові вимірювання передають ПЛК значення вимірюваної величини, наприклад:

• Тиск [бар, МПа ...]
• Потік [м³/год, гл/год ...]
• Рівень [м]
• Температура [ºC]
• Відстань [м]
• Частота [Гц]
• Сила струму [А]
• і т.д.

Перед тим як виміряне значення потрапляє до контролера, його необхідно перетворити в електричний сигнал, а потім – у цифрове значення. Перетворення фізичної величини в електричний сигнал відбувається в вимірювальному перетворювачі (датчику). Електричний сигнал надходить до ПЛК, де він перетворюється в цифрове значення, зрозуміле для програми контролера.

Перетворювач тиску з діапазоном 0..16 бар встановлено в резервуарі стисненого повітря і він має вихідний сигнал струму 0..20 мА. Цей струмовий сигнал підключений до аналогового входу ПЛК. Розглянемо шлях такого вимірювання від фізичної величини до значення, яке зрозуміле користувачеві (оператору):

1. Датчик вимірює тиск у діапазоні 0…16 бар і перетворює його у струмовий сигнал 0…20 мА.
2. ПЛК на аналоговому вході отримує сигнал у діапазоні 0…20 мА і перетворює його на цифрове значення, наприклад, 0-32767 – залежно від типу і конфігурації ПЛК.
3. Для програміста ПЛК це цифрове значення відображає вимір фізичної величини, наприклад, тиску. Щоб використовувати це вимірювання надалі, програміст повинен масштабувати його відповідно до діапазону вимірювань датчика тиску. Масштабоване значення зберігається в пам'яті контролера.
4. Подальше використання масштабованого значення залежить від потреб, наприклад:

• генерація тривоги (наприклад, перевищення тиску),
• відображення значення тиску для оператора на панелі HMI або в системі SCADA,
• використання вимірювання для зворотного зв'язку в регуляторі,
• виконання дії після перевищення ліміту, наприклад, відкриття клапана.

Прийняті стандарти для електричних сигналів в аналогових вимірюваннях:

• 0…20 мА  
• 4…20 мА  
• 0…10 В
• -10…10 В
• -5…5 В
• -2.5…2.5 В

Вимірювання аналогових сигналів 0..20 mA , 4..20 mA, 0..10 V

Зазвичай використувається кілька стандартів електричних сигналів для аналогових вимірювань. Але в чому ж їхні відмінності?

У промисловій автоматизації найбільш поширеним аналоговим сигналом є струмовий сигнал 4…20 мА. Це обумовлено простотою використання такого сигналу та його відносно вищою стійкістю до перешкод порівняно з вимірюванням напруги 0 … 10 В. У сигналі 4 … 20 мА легше виявити обрив кабелю між датчиком і контролером. Обрив кабелю визначається, якщо струм падає нижче приблизно 3,8 мА. У вимірюваннях як 4 … 20 мА, так і 0 … 20 мА, коротке замикання на виході датчика визначається, якщо значення струму перевищує приблизно 20,5 мА. Виявлення таких дефектів має враховуватися в програмі ПЛК.

На більшості вимірювальних перетворювачів можна прочитати їхній діапазон вимірювань і електричний вихід. На зображенні нижче показано приклад перетворювача тиску з діапазоном 0 … 0,4 бар і струмовим виходом 4 … 20 мА. Графік демонструє залежність між цими двома діапазонами.

Масштабування в програмі ПЛК

Давайте встановимо згаданий датчик із діапазоном 0 … 0,4 бар у наш резервуар і підключимо його вихід 4 … 20 мА до аналогового входу 0… 20 мА контролера Siemens S7-1200. Подивимось, як це виглядає.

Аналоговий вхід 0 … 20 мА в контролері S7-1200 фактично працює в діапазоні 0…23,7 мА, що відповідає цифровому значенню від 0 до 32767 на виході АЦ/ЦАП перетворювача. Якщо підключити датчик зі струмовим виходом 4 … 20 мА до такого входу, цифрове значення для 4 мА буде 5530, а для 20 мА – 27648.

Щоб отримати реальне числове значення вимірювання, необхідно виконати обчислення за відповідною формулою:
Out = ((OutMax-OutMin)/(InMax-InMin))*(In-InMin)+OutMin

Нижче можете спробувати дану формулу в дії.

Діапазон вихідної величини

Діапазон вхідної величини

Вхідне та вихідне значення величин

У деяких контролерах є готові функції для масштабування аналогових вимірювань, а в деяких потрібно створювати таку функцію самостійно. У контролері S7-1200 немає готової функції для масштабування, але можна використовувати функції CALCULATE та скористатися формулою вище, або SCALE_X + NORM_X. У контролерах Unitronics доступна готова функція LINEAR, а в контролерах ALLEN BRADLEY – функція SCP.

Висновок

У цій статті ми розглянули ключові аспекти масштабування аналогових сигналів, таких як 0...20 мА, 4...20 мА та 0...10 В. Правильне масштабування та обробка аналогових сигналів є важливими для точного контролю та моніторингу процесів в автоматизації. Сподіваюсь, ця стаття була вам корисною та допомогла краще зрозуміти принципи роботи з аналоговими сигналами.