Kondycjonowanie i ochrona cyfrowych oraz analogowych sygnałów procesowych

Stacje przetwarzania sygnałów pomiarowych

Centralny obszar AKPiA to rejestrowanie, przygotowywanie i analizowanie danych o stanie pozyskiwanych przez czujniki ze środowiska bądź systemów przemysłowych.

Głównie chodzi o następujące trzy obszary:

1. Pozyskiwanie sygnału w obiekcie, jak nazywany jest monitorowany i wysterowywany obszar
2. Kondycjonowanie sygnału na poziomie interfejsu albo bezpośrednio na poziomie obiektu z wykorzystaniem podzespołów elektronicznych do wzmocnienia, przetworzenia i ochrony przed zakłóceniami
3. Przetwarzanie sygnałów analogowych bądź cyfrowych na poziomie sterowania przez jednostkę analizującą albo sterującą.

1. Wzmocnienie sygnału

Wzmocnienie sygnału jest wymagane zawsze wtedy, kiedy sygnał jest zbyt słaby, a jednostka przetwarzająca może go zarejestrować jedynie w zafałszowany albo stłumiony sposób.

Przykład:
Bez wzmacniacza obciążenie przyłączone do enkodera sygnału pomiarowego wynoszące 320 Ω byłoby większe niż dopuszczalne obciążenie maksymalne wynoszące 300 Ω. Enkoder sygnału pomiarowego nie może poradzić sobie z tym obciążeniem, co prowadziłoby do zafałszowania sygnału pomiarowego.
Poprzez zastosowanie wzmacniacza obciążenie przyłączone do enkodera sygnału pomiarowego wynoszące 70 Ω mieści się w zakresie dopuszczalnego obciążenia maksymalnego na poziomie 300 Ω. Impedancja wejściowa jednostki przetwarzającej wynosząca 300 Ω również nie prowadzi do przeciążenia wyjścia wzmacniacza, ponieważ może on wytrzymać obciążenie sięgające 500 Ω. Sygnał pomiarowy nie zostaje zafałszowany.

2. Konwertowanie na sygnał standardowy

Analogowe sygnały z czujnika mogą zostać przekształcone w jeden z sygnałów standardowych w module interfejsu, w zależności od zadania pomiarowego. Wynik przetworzenia musi być przy tym proporcjonalny do zmierzonej wartości wejściowej, aby nie doprowadzić do zafałszowania pomiaru.

Przykład:
Czujnik lub przekaźnik dostarcza standardowy sygnał 4 do 20 mA. Jednostka przetwarzająca wymaga sygnału z zakresu od 0 do 10 V. Przetwornica sygnału standardowego znajdująca się pomiędzy przekaźnikiem a jednostką przetwarzającą dokonuje wymaganych regulacji.

3. Filtrowanie

W przewodach do transmisji wartości pomiarowych mogą występować napięcia zakłóceniowe, na przykład z uwagi na indukcję elektromagnetyczną bądź oddziaływanie sygnałów o wysokiej częstotliwości w środowiskach przemysłowych, np. pochodzących z falowników. Zakłócenia są szczególnie wyraźne w przypadku sygnałów napięcia.

Przykład:
Kondycjoner sygnału z funkcją filtrowania rozpoznaje i tłumi napięcia zakłóceniowe w szerokim spektrum częstotliwości.
Dodatkowo pomocne jest stosowanie skręconych bądź ekranowanych przewodów. Skręcone przewody pomagają zmniejszyć indukowane napięcie zakłóceniowe, natomiast ekranowane przewody dodatkowo odbijają i pochłaniają pola elektryczne. Aby w jeszcze większym zakresie zapobiegać wspomnianym zakłóceniom, należy przekształcić sygnał napięcia w sygnał prądu.

4. Separacja galwaniczna

Połączenie sygnałowe z separacją galwaniczną określane jest mianem połączenia bez bezpośredniego uziemienia, ponieważ pomiędzy różnicami potencjałów nie przepływają prądy kompensacyjne. Separacja galwaniczna obwodów obiektowych i obwodów sterowania stała się standardem w przemyśle maszynowym i przetwórczym.

Przykład:
Problem: przekaźnik i jednostka przetwarzająca są uziemione, jednak mimo to wykazują różne potencjały masy. Prąd kompensacyjny Ig przepływa przez powstałą pętlę prądu uziomowego, co w konsekwencji prowadzi do zafałszowania sygnału pomiarowego I1.

Po dodaniu galwanicznego separatora sygnałów, np. transformatora, do przewodów przyłączeniowych sygnału pomiarowego nie wpływa już prąd kompensacyjny Ig. Odbywa się pomiar I2 identycznego z sygnałem pomiarowym I1.

5. Kontrola przewodów

Monitorowanie przewodów jest dodatkową funkcją zintegrowaną w wielu modułach interfejsu. Funkcja monitorowania pod kątem przerw oraz zwarć została bliżej opisana w zaleceniach NAMUR NE 21 Stowarzyszenia Użytkowników Techniki Automatyzacji w Przemyśle Przetwórczym.

Przykład:
Grafika pokazuje schematycznie, w jaki sposób funkcja monitorowania przewodów stosowana jest na całej drodze transmisji sygnału od czujnika do jednostki przetwarzającej.
Rezystor 400 do 2 kΩ dba przy tym o maksymalną wartość prądu przy zamkniętym wyłączniku. Wartość ta jest mniejsza niż wartość prądu zwarciowego. Rezystor 10 kΩ zapewnia prąd spoczynkowy przy otwartym wyłączniku. W przypadku przerwania ciągłości obwodu wartość prądu wynosi 0.

Zasilanie elektryczne i separacja ścieżek sygnałowych

Na zaciskach wejściowych kondycjonera sygnału albo jednostki analizującej można rozpoznać pasywne oraz aktywne wejścia, w zależności od tego, czy podłączony czujnik bądź przekaźnik dysponują własnym zasilaczem, czy też zasilanie odbywa się za pośrednictwem przewodów sygnałowych czujnika.

Wejście pasywne

Pasywne wejście sygnałowe pełni jedynie funkcję odbioru sygnału.

Przykład:
W przykładzie kondycjoner sygnału i jednostka przetwarzająca mają wejścia pasywne. Aktywny czujnik bądź przekaźnik (z czterema przyłączami) zasila pasywne wejście kondycjonera sygnału. Aktywne wyjście kondycjonera sygnału zasila pasywne wejście jednostki przetwarzającej.

Aktywne wejście

Aktywne wejście sygnałowe ma dwie funkcje: odbiór sygnału oraz zasilanie urządzenia sygnalizacyjnego.

Przykład:
W przykładzie kondycjoner sygnału ma jedno aktywne wejście. Zasila on 2- albo 3-przewodowy czujnik bądź przekaźnik. Aktywne wyjście kondycjonera sygnału zasila pasywne wejście jednostki przetwarzającej (jak w poprzednim przykładzie). Podzespoły zasilane prądem elektrycznym mogą być zasilane przez oddzielne zasilacze albo linie sygnałowe.

Izolacja pasywna, zasilanie z pętli wejściowej

Zasilanie kondycjonera sygnału za pośrednictwem wejścia sygnałów poprzez przekaźnik (zasilanie z pętli wejściowej). Rozwiązanie przeznaczone wyłącznie do sygnałów z zakresu 4 do 20 mA.

Przykład:
Drogi sygnałowe między aktywnym czujnikiem bądź przekaźnikiem (przyłącze 4-przewodowe) a kondycjonerem sygnału nie są separowane od zasilania przekaźnika. Aktywny czujnik/przekaźnik w takim wypadku przejmuje funkcję zasilania kondycjonera sygnału.
Czujnik/przekaźnik musi wziąć na siebie całe obciążenie z kondycjonera sygnału i wejścia jednostki przetwarzającej.

Pasywna izolacja, zasilanie z pętli wyjściowej

W takim wypadku zasilanie kondycjonera sygnału odbywa się z wykorzystaniem wyjścia sygnałowego poprzez jednostkę przetwarzającą (zasilanie z pętli wyjściowej). Rozwiązanie przeznaczone wyłącznie do sygnałów z zakresu 4 do 20 mA.

Przykład:
Droga sygnałowa pomiędzy czujnikiem bądź przekaźnikiem (przyłącze 4-przewodowe) a kondycjonerem sygnału jest odseparowana od zasilania przekaźnika.
Droga sygnału między kondycjonerem sygnału a jednostką przetwarzającą nie jest odseparowana od zasilania jednostki przetwarzającej. W takim wypadku jednostka przetwarzająca przejmuje funkcję zasilania kondycjonera sygnału.