Anpassa och skydda digitala och analoga processignaler

Mätsignalberedningens stationer

Den centrala delen av MSR-tekniken är elsensorisk registrering, behandling och utvärdering av statusdata i omgivningen eller i en industriell anläggning.
Främst gäller det de tre följande områdena:

1. Signalutvinning i fältet, som det övervakade området som ska styras kallas
2. Konditionering av signalen på gränssnittsnivån eller direkt på fältnivån med hjälp av elektroniska komponenter för förstärkning, realisering och skydd mot signalvägstörningar
3. Komponenter för förstärkning, realisering och skydd mot signalvägstörningar.
   Den analoga eller digitala signalbehandlingen på styrsystemsnivån med en analys- eller styrsystemsenhet.

1. Signalförstärkning

En signalförstärkning krävs alltid när en signal är för svag och bara kan registreras förvrängd eller dämpad av den anslutna analysenheten.
Exempel: Utan förstärkaren vore den anslutna lasten 320 Ω på mätsignalgivaren högre än högsta tillåtna last 300 Ω. Mätsignalgivaren kan inte driva denna last och mätsignalen skulle förvrängas.
Sätts en förstärkare in är den anslutna lasten på mätsignalgivaren 70 Ω och därmed mindre än högsta tillåtna last 300 Ω. Analysenhetens ingångsmotstånd 300 Ω överbelastar inte heller förstärkarutgången eftersom den kan driva en last på upp till 500 Ω. Mätsignalen förvrängs inte.

2. Konvertering till en standardsignal

Analoga sensorsignaler kan i en gränssnittskomponent omvandlas till någon av standardsignalerna allt efter mätuppgift. Här måste konverteringsresultatet vara proportionellt mot det uppmätta ingångsvärdet för att inte förvränga mätningen.

Exempel: Sensorn eller transmittern avger en standardsignal på 4 till 20 mA. Analysenheten behöver en signal på 0 till 10 V. Standardsignalomvandlaren som är inkopplad mellan transmittern och analysenheten gör den anpassning som krävs.

3. Filtrering

I ledningar för mätvärdesöverföring kan det uppstå störspänningar, exempelvis genom elektromagnetisk induktion eller inverkan av högfrekventa signaler, i industrimiljöer runt exempelvis frekvensomriktare. Störningarna är särskilt markanta när det gäller spänningssignaler.
Exempel: Isolationsförstärkaren med filterfunktion registrerar och stoppar störspänningar över ett brett frekvensspektrum.
Dessutom är det bra att använda tvinnade eller skärmade kablar. Tvinnade kablar hjälper till att minska den inducerade störspänningen och med skärmade kablar reflekteras och absorberas elektriska fält ännu mer. För att ytterligare förebygga dessa störningar ska en spänningssignal omvandlas till en strömsignal.

4. Galvanisk isolation

En galvaniskt isolerad signalanslutning kallas jordpotentialfri anslutning, eftersom det inte går några utjämningsströmmar mellan olika potentialer genom denna. Den galvaniska isolationen av fältströmkretsar och styrströmkretsar har etablerat sig som standard i anläggnings- och processindustrin.

Exempel
Problem: Transmittern och analysenheten är jordade men har ändå olika jordpotential. En utjämningsström Ig går genom jordslingan som uppstått och förvränger därmed mätsignal I1.

När en galvanisk signalisolator, exempelvis en överföringsenhet, har integrerats i anslutningskablarna för mätsignalen flyter det inte längre någon utjämningsström Ig. I2 mäts, som är identisk med mätsignalen I1.

5. Ledningsövervakning

Ledningsövervakningen är integrerad som extra funktion i många gränssnittskomponenter. Övervakningsfunktionen som kontrollerar ledningsavbrott och kortslutning är närmare specificerad i NAMUR-rekommendationerna NE 21 från intressesammanslutningen för automatiseringsteknik inom processindustrin.
Bilden visar schematiskt hur ledningsövervakning används längs hela signalöverföringsvägen från sensor till analysenhet.
Här ger motståndet på 400 till 2 kΩ en maximal ström vid sluten kontakt som är mindre än kortslutningsströmmen. Motståndet på 10 kΩ ger en viloström vid öppen kontakt. Vid ledningsbrott är strömmen = 0.

Elektrisk matning eller isolering av signalvägarna

På en isolationsförstärkares eller analysenhets ingångsplintar skiljer man mellan passiv och aktiv ingång, beroende på om den anslutna sensorn eller transmittern har en egen strömförsörjning eller försörjs via sensorsignalledningarna.

Passiv ingång

Signalingången har bara till uppgift att ta emot signalen. I exemplet har isolationsförstärkare och analysenhet passiva ingångar. Den aktiva sensorn eller transmittern (med fyra anslutningar) matar isolationsförstärkarens passiva ingång. Isolationsförstärkarens aktiva utgång matar analysenhetens passiva ingång.

Aktiv ingång

Signalingången har två funktioner: dels ska den ta emot signalen och dels strömförsörja signalgivaren.
I exemplet har isolationsförstärkaren en aktiv ingång. Den matar 2- eller 3-ledar sensorn/transmittern. Isolationsförstärkarens aktiva utgång matar analysenhetens passiva ingång (som i föregående exempel). Komponenter som måste matas elektriskt kan försörjas med särskild strömförsörjning eller via signalledningarna.

Passiv isolation, ingångs-loopmatad

Isolationsförstärkarmatning via en signalingång med transmittern (ingångs-loopmatad).
Signalvägarna mellan aktiv sensor eller transmitter (4-ledaranslutning) och isolationsförstärkare är här inte isolerade från transmittermatningen. Den aktiva sensorn/transmittern tar i detta fall över matningen av isolationsförstärkaren.
Sensorn/transmittern måste driva hela lasten från isolationsförstärkaren och analysenhetens ingång.
Endast lämpat för signaler på 4 till 20 mA.

Passiv isolation, utgångs-loopmatad

Isolationsförstärkarmatningen görs i detta fall via signalutgången av analysenheten (utgångs-loopmatad).
Signalvägen mellan sensor eller transmitter (4-ledaranslutning) och isolationsförstärkare är isolerad från transmittermatningen.
Signalvägen mellan isolationsförstärkare och analysenhet är inte isolerad från analysenhetens matning. Analysenheten tar i detta fall över matningen av isolationsförstärkaren. Endast lämpat för signaler på 4 till 20 mA.