Kondycjonowanie i ochrona cyfrowych oraz analogowych sygnałów procesowych

W dziedzinie AKPiA centralną rolę odgrywa przesyłanie danych bez zakłóceń. Transmisja sygnałów jest narażona na zakłócenia z coraz bardziej aktywnego elektrycznie otoczenia, szczególnie w przypadku słabych sygnałów wartości pomiarowych przesyłanych przez czujniki.
Niedostateczne uwzględnienie tych czynników, nieprawidłowe regulacje i błędy projektowe mają negatywny wpływ na bezbłędną transmisję sygnałów.

Do strony z produktami z dziedziny wskaźników procesowych i urządzeń obiektowych
Urządzenia do pomiaru temperatury w przemyśle przetwórczym
Rafineria z lotu ptaka

O jakich sygnałach mowa?

Sygnały analogowe to elektryczne sygnały napięcia i prądu. Aby odwzorować zmieniającą się wartość fizyczną, czujnik może albo wytwarzać napięcie elektryczne albo modyfikować spadek napięcia w obwodzie pomiarowym.
W technice systemowej i procesowej zasadniczo pomiar dotyczy następujących wartości:

  • Temperatura
  • Ciśnienie
  • Poziom natężenia przepływu
  • Wahania/drgania
  • Odkształcenie na potrzeby pomiaru obciążenia
  • Wilgotność
  • Stężenie gazu
  • Wartości elektryczne, takie jak napięcie, prąd, natężenie pola itp.

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. Podzespoły do wzmocnienia, przetworzenia i ochrony przed zakłóceniami.
    Przetwarzanie sygnałów analogowych bądź cyfrowych na poziomie sterowania przez jednostkę analizującą albo sterującą.
Topologia: sygnał analogowy od czujnika do sterownika

Sygnał analogowy od czujnika do sterownika

Kondycjonery sygnału i przetworniki pomiarowe

Kondycjonery sygnału i przetworniki pomiarowe

Moduły elektroniczne służące do przetwarzania sygnałów są zbiorczo określane mianem kondycjonerów sygnału, separatorami sygnału bądź przetwornikami pomiarowymi. Pełnią one jedną bądź więcej z poniższych funkcji:

  • Wzmacnianie
  • Normowanie
  • Filtrowanie
  • Separacja galwaniczna
  • Zasilanie elektryczne podłączonych podzespołów
  • Kontrola przewodów

1. Wzmocnienie sygnału

Wzmocnienie sygnału jest wymagane zawsze wtedy, kiedy sygnał jest zbyt słaby, a jednostka analizująca 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 analizującej wynosząca 300 Ω również nie prowadzi do przeciążenia wyjścia wzmacniacza, ponieważ może on wytrzymać obciążenie sięgające 500 Ω. Sygnał pomiarowy nie zostaje zafałszowany.

Wzmocnienie sygnału celem usunięcia błędów

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 albo przekaźnik dostarcza sygnał standardowy z zakresu 4 do 20 mA. Jednostka analizująca wymaga sygnału z zakresu od 0 do 10 V. Przetwornica sygnału standardowego znajdująca się pomiędzy przekaźnikiem a jednostką analizującą dokonuje wymaganych regulacji.

 Przykład: konwertowanie na sygnał standardowy

Przykład: konwertowanie na sygnał standardowy

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, na przykład 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.

Filtrowanie sygnałów

Przykład: filtrowanie sygnałów

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 analizująca 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.

Przykład: pętla prądu uziomowego

Przykład: pętla prądu uziomowego

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.

Przykład: separacja galwaniczna, brak pętli prądu uziomowego

Przykład: separacja galwaniczna, brak pętli prądu uziomowego

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

Kontrola przewodów

Przykład: kontrola przewodów

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.

Pasywne wejście

Wejście sygnałowe pełni jedynie funkcję odbioru sygnału. W przykładzie kondycjoner sygnału i jednostka analizująca mają wejścia pasywne. Aktywny czujnik bądź przekaźnik (z czterema przyłączami) zasila pasywne wejście kondycjonera sygnału. Aktywne wyjście kondycjonera sygnału zasila pasywne wejście jednostki analizującej.

Przykład pasywnego wejścia sygnałowego

Przykład pasywnego wejścia sygnałowego

Aktywne wejście

Wejście sygnałów ma dwie funkcje: po pierwsze odbiór sygnału, a po drugie zasilanie elektryczne urządzenia sygnalizacyjnego.
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 analizującej (jak w poprzednim przykładzie). Podzespoły zasilane prądem elektrycznym mogą być zasilane przez oddzielne zasilacze albo linie sygnałowe.

Przykład: aktywne wejście sygnałowe

Przykład: aktywne wejście sygnałowe

Izolacja pasywna, zasilanie z pętli wejściowej

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

Przykład izolacji pasywnej, zasilanie z pętli wejściowej

Przykład izolacji pasywnej, zasilanie z pętli wejściowej

Pasywna izolacja, zasilanie z pętli wyjściowej

W takim wypadku zasilanie kondycjonera sygnału odbywa się z wykorzystaniem wyjścia sygnałowego poprzez jednostkę analizującą (zasilanie z pętli wyjściowej).
Droga sygnałowa pomiędzy czujnikiem bądź przekaźnikiem (przyłącze 4-przewodowe) a kondycjonerem sygnału jest odseparowana od zasilania przekaźnika.
Droga sygnałowa pomiędzy kondycjonerem sygnału a jednostką analizującą nie jest odseparowana od zasilania jednostki analizującej. W takim wypadku jednostka analizująca przejmuje funkcję zasilania kondycjonera sygnału. Rozwiązanie przeznaczone wyłącznie do sygnałów z zakresu 4 do 20 mA.

Przykład: pasywna izolacja, zasilanie z pętli wyjściowej

Przykład: pasywna izolacja, zasilanie z pętli wyjściowej