Přizpůsobení a ochrana digitálních a analogových signálů procesů

Stanice zpracování měřicích signálů

Hlavní oblastí měřicí, řídicí a regulační techniky je elektrosenzorické zaznamenávání, příprava a vyhodnocování dat o stavu v okolním prostředí nebo v průmyslovém zařízení.

Především jde o tyto tři oblasti:

1. Monitorovaná a ovládaná oblast – tzv. získávání signálu v poli
2. Úprava signálu na úrovni rozhraní nebo přímo v úrovni pole pomocí elektronických komponent k zesilování, převádění a ochraně cest signálu před rušením
3. Analogové nebo digitální zpracování signálu na úrovni řízení prostřednictvím vyhodnocovací a řídicí jednotky.

1. Zesílení signálu

Zesílení signálu je zapotřebí všude, kde je signál příliš slabý a připojená vyhodnocovací jednotka jej může zaznamenat pouze zkresleně nebo tlumeně.

Příklad:
Příklad: Bez zesilovače by byla zátěž o hodnotě 320 Ω připojená k vysílači měřicího signálu vyšší než jeho přípustné maximální zatížení 300 Ω. Vysílač měřicího signálu tuto zátěž nedokáže vybudit, měřicí signál by se zkreslil.
Po vložení zesilovače je zátěž o hodnotě 70 Ω připojená k vysílači měřicího signálu nižší než jeho přípustné maximální zatížení 300 Ω. Vstupní odpor vyhodnocovací jednotky o hodnotě 300 Ω také nepřetěžuje výstup zesilovače, protože dokáže vybudit zátěž o hodnotě až 500 Ω. Měřicí signál se nezkreslí.

2. Převod na standardní signál

Analogové signály snímačů lze v závislosti na úkolu měření převést na některý ze standardních signálů v modulu rozhraní. Výsledek převodu musí být úměrný naměřené vstupní hodnotě, aby nedošlo ke zkreslení měření.

Příklad:
Snímač nebo vysílač dodává standardní signál s úrovní 4–20 mA. Vyhodnocovací jednotka potřebuje signál 0–10 V. Převodník standardního signálu připojený mezi vysílačem a vyhodnocovací jednotkou provede požadované přizpůsobení.

3. Filtrace

Ve vedení k přenosu naměřených hodnot se může vyskytnout rušivé napětí, např. v důsledku elektromagnetické indukce nebo působení vysokofrekvenčních signálů, v průmyslovém prostředí např. z frekvenčních měničů. Poruchy jsou zvlášť výrazné, pokud postihují signály napětí.

Příklad:
Oddělovací zesilovač s funkcí filtru detekuje a potlačí rušivé napětí v širokém frekvenčním spektru.
Doplňkově je také užitečné použít kroucené nebo stíněné vodiče. Kroucené vodiče pomáhají snižovat indukované rušivé napětí a stíněné vodiče navíc odrážejí a absorbují elektrická pole. Aby bylo možné uvedeným poruchám zabránit ještě lépe, měl by proběhnout převod napěťového signálu na proudový signál.

4. Galvanické oddělení

Galvanicky oddělené připojení signálu se označuje jako připojení bez napětí země, protože přes něj neprotékají žádné vyrovnávací proudy mezi rozdíly potenciálu. Galvanické oddělení proudových obvodů pole a ovládacích proudových obvodů se rozšířilo jako standard do průmyslových zařízení a zpracovatelského průmyslu.

Příklad:
Problém: Vysílač a vyhodnocovací jednotka jsou uzemněné, ale vykazují rozdílný potenciál země. Vyrovnávací proud Ig protéká vzniklou zemní smyčkou, a tím měřicí signál I1 zkresluje.

Po vložení galvanického oddělovače signálu, např. přenosového členu, do přípojného vedení pro měřicí signál již žádný vyrovnávací proud Ig neprotéká. Měří se I2 identické s měřicím signálem I1.

5. Monitorování vedení

Monitorování vedení bývá integrováno jako doplňková funkce v mnoha modulech rozhraní. Funkce monitorování přerušení vedení a zkratu je blíže specifikována v doporučení NAMUR NE 21 zájmového sdružení automatizační techniky zpracovatelského průmyslu.

Příklad:
Graf znázorňuje, jak se monitorování vedení používá v celé přenosové cestě signálu od snímače až po vyhodnocovací jednotku.
Odpor 400 až 2 kΩ přitom zajišťuje maximální proud při sepnutém spínači, který je menší než zkratový proud. Odpor 10 kΩ zajišťuje klidový proud při rozpojeném spínači. V případě přerušení vedení je velikost proudu 0.

Elektrické napájení a oddělování cest signálu

Na vstupních svorkách oddělovacího zesilovače nebo vyhodnocovací jednotky se rozlišuje mezi pasivním a aktivním vstupem, na základě toho, zda je připojený snímač nebo vysílač napájen z vlastního napájecího zdroje, nebo ze signálního vedení snímače.

Pasivní vstup

Jedinou funkcí pasivního signálního vstupu je příjem signálu.

Příklad:
V příkladu mají oddělovací zesilovač a vyhodnocovací jednotka pasivní vstupy. Pasivní vstup oddělovacího zesilovače je napájen aktivním snímačem nebo vysílačem (se čtyřmi přípojkami). Pasivní vstup vyhodnocovací jednotky je napájen aktivním výstupem oddělovacího zesilovače.

Aktivní vstup

Aktivní signální vstup má dvě funkce: jednak příjem signálu a jednak napájení generátoru signálu.

Příklad:
V tomto příkladu má oddělovací zesilovač aktivní vstup. Napájí 2vodičový nebo 3vodičový snímač nebo vysílač. Aktivní výstup oddělovacího zesilovače napájí pasivní vstup vyhodnocovací jednotky (jako v předchozím příkladu). Komponenty, které musí být napájeny elektrickou energií, lze napájet ze samostatných napájecích zdrojů nebo přes signální vedení.

Pasivní izolace, napájení ze vstupní smyčky

Napájení oddělovacího zesilovače vysílačem prostřednictvím vstupu signálu (napájení ze vstupní smyčky). Vhodné pouze pro signály 4–20 mA.

Příklad:
Cesty signálu mezi aktivním snímačem nebo vysílačem (4vodičové připojení) a oddělovacím zesilovačem zde nejsou oddělené od napájení vysílače. V tomto případě přebírá napájení oddělovacího zesilovače aktivní snímač/vysílač.
Snímač/vysílač musí napájet celou zátěž z oddělovacího zesilovače a vstupu vyhodnocovací jednotky.

Pasivní izolace, napájení z výstupní smyčky

V tomto případě je oddělovací zesilovač napájen přes signální výstup z vyhodnocovací jednotky (napájení z výstupní smyčky). Vhodné pouze pro signály 4–20 mA.

Příklad:
Cesta proudu mezi snímačem nebo vysílačem (4vodičové připojení) a oddělovacím zesilovačem je oddělená od napájení vysílače.
Cesta proudu mezi oddělovacím zesilovačem a vyhodnocovací jednotkou není oddělená od napájení vyhodnocovací jednotky. V tomto případě přebírá vyhodnocovací jednotka napájení oddělovacího zesilovače.