Преобразователи аналоговых сигналов фирмы Weidmuller

Немецкая фирма Weidmuller Interface (www.weidmueller.de) — известный производитель компонентов для автоматизации промышленных объектов и инсталляции зданий. Она хорошо известна как производитель клемм, разъемов и электромонтажного инструмента высочайшего класса. Вместе с тем одним из основных направлений деятельности фирмы является производство недорогих электронных модулей преобразователей для обработки аналоговых сигналов и защиты контроллеров при решении задач промышленной автоматизации.

Задача измерения и контроля параметров технологических процессов является одной из основных в технологиях автоматизации промышленного производства. Повышение степени автоматизации делает очень важной обработку аналоговых сигналов, поступающих от многочисленных датчиков. Чтобы эти данные могли поступить на промышленный компьютер (логический контроллер), нужно преобразовать их в вид, приемлемый для его входных цепей.

Преобразователи аналогового сигнала конвертируют сигналы, поступающие от датчиков, например, температуры, усилия и др. в сигналы тока 4-20 мА или в сигнал напряжения 0-10 В для последующей обработки логическим контроллером.

Кроме этого, они выполняют функцию гальванической развязки цепей датчиков от цепей измерения для защиты контроллера от возможных внешних помех.

Модули серий WAVEanalog, MICROanalog и MCZ предназначены для контроля тока и напряжения, гальванической развязки, преобразования частотных, тензометрических, интерфейсных сигналов (RS-232, RS-485, RS-422), нормализованных сигналов постоянного тока и напряжения и сигналов от датчиков температуры.

Особенности преобразователей аналоговых сигналов

В производственной программе фирмы Weidmuller представлены три типа корпусов электронных преобразователей аналоговых сигналов, которые крепятся на монтажную рейку внутри электротехнического шкафа.

Модули серий WAVEanalog и WAVEanalog PRO (рис. 1) производятся в корпусах WAVEBOX. Электронная плата преобразователя устанавливается внутри корпуса. Она является съемной и легко вынимается без использования инструментов — нужно лишь нажать на боковые рычажки и потянуть плату вверх (рис. 2).

Даже если к преобразователю уже подключены проводники, их не нужно отключать от разъемов перед выниманием платы. Проводники отсоединяются вместе с разъемами, к которым они подсоединены. После этого вынимается и сама плата. Затем, когда она снова будет вставлена в корпус, подсоединение разъемов с проводниками займет несколько секунд. Ошибиться с подключением невозможно, поскольку разъемы защищены от ошибочного подключения с помощью кодирования. Это очень удобно, когда нужно заменить или перепрограммировать плату.

Перепрограммирование производится с помощью установленных на плате миниатюрных DIP-переключателей (рис. 3). Например, чтобы изменить тип выходного сигнала с 0.. .20 мА на 4.. .20 мА, нужно всего лишь передвинуть один микропереключатель. При переналадке оборудования на производстве соответствующую установку DIP-переключателей может выполнить даже средний технический персонал. Применение такой технологии делает модули Weidmuller более надежными и привлекательными по цене по сравнению с аналогами, программируемыми с помощью компьютера. Кроме того, не нужно каждый раз покупать новый модуль для новой задачи, для этого можно перенастроить имеющийся универсальный.

Преобразователи Weidmuller имеют очень интересную особенность по сравнению с существующими на рынке аналогами. Например, если несколько модулей типа WAVEanalog стоят в один ряд, например, с источником питания CP-SNT 12W(9918840024), не нужно тянуть отдельные провода питания от источника к каждому корпусу преобразователя (рис. 4). Питание распределяется с помощью съемных мостиков ZQV от одного модуля к другому.

В зависимости от условий применения преобразователя можно выбрать нужный способ подключения проводников, идущих к нему от датчика или контроллера. Например, если оборудование работает в условиях повышенной вибрации, нужно выбирать пружинный способ подключения. На электронных платах преобразователей устанавливаются коннекторы BLZ (винтовые) или BLZF (пружинные).

Для удобства работы на крышке корпуса изображена схема электронного устройства, а на боковой крышке корпусов серии WAVE есть инструкция по программированию модуля.

Корпус WAVEBOX изготовлен из термопласта WEMID, снабжен вентиляционными отверстиями и отвечает требованиям по электромагнитной совместимости.

Новая серия преобразователей MICROanalog имеет очень тонкий корпус шириной всего 6 мм (рис. 5). Питание также распределяется посредством соединительных мостиков от модуля к модулю.

Для каждого типа преобразователя существуют версии как с пружинным, так и с винтовым способом подключения проводников с поперечным сечением до 2,5 мм².

На боковой крышке устройств этой серии для удобства использования изображена схема прибора, инструкция по программированию, здесь же расположены микропереключатели.

Серия MCZ выполнена в виде клемм шириной 6 мм (рис. 6). Размеры же такого модуля составляют всего 91×63,2×6мм. Проводники подключаются только к пружинному зажиму. Питание распределяется c помощью соединительных мостиков типа ZQV.

Преобразователи сигналов постоянного тока

Основными задачами этой группы приборов являются преобразование сигнала и гальваническое разделение цепей входного, выходного сигналов и питания. В модулях Weidmuller применяется как трансформаторный (рис. 7), так и оптический (рис. 8) методы развязки. Входной сигнал от датчика преобразуется методом широтно-импульсной модуляции в частотный, его переменная составляющая передается либо через трансформатор, либо через оптрон и затем демо-дулируется. Дальше он преобразуется в нормализованный аналоговый сигнал.

Такой способ передачи и преобразования сигнала необходим для устранения влияния шумов (рис. 9) и эффекта земляной петли (рис. 10).

Сигнал, идущий от удаленного датчика, составляет несколько миллиампер. Поэтому любое влияние электромагнитного поля (шума), например, от работающего неподалеку электромотора, может не только исказить измеряемую величину, но и вывести из строя последующие входные цепи дорогостоящего контроллера. Это происходит потому, что помеха (наведенный свободный потенциал) на стороне датчика действует на оба проводника цепи одинаково, то есть разность потенциалов равна нулю. На стороне же заземленного приемника (контроллера) потенциал земли фиксируется, и вся разность потенциалов, равная амплитуде помехи, падает на входные цепи контроллера, выводя их из строя. Введение же в цепь межу датчиком и контроллером гальванической развязки устраняет влияние внешних шумов, поскольку наведенный потенциал на стороне датчика остается свободным. Через преобразователь проходит только полезный сигнал, который на стороне контроллера измеряется уже относительно нулевого потенциала.

С другой стороны, если удаленный датчик заземлен отдельно от контроллера, то между заземлением приемника и датчика возникает разность потенциалов. Это приводит к появлению паразитных токов в земляной цепи, образуется так называемая земляная петля, искажающая измеряемый сигнал от датчика. Введением же гальванической развязки в цепь измерения цепь земляной петли разрывается (рис. 11), и сигнал измеряется корректно.

В номенклатуре фирмы Weidmuller представлены как активные, так и пассивные модули гальванической развязки.

Пассивные преобразователи не требуют внешнего источника и питаются от входного сигнала. Они являются очень привлекательными из-за своей простоты и низкой стоимости. Их недостатком является то, что изменение нагрузки влияет на входной сигнал.

Активные модули используют для своей работы внешний источник питания. Как правило, входной, выходной сигналы и питание гальванически разделены. Поэтому, если во входной цепи произойдет короткое замыкание или подключение с неправильной полярностью, дорогостоящее контрольное оборудование на выходе модуля не будет повреждено. Модули могут иметь двух- и трехстороннюю гальваническую развязку.

При двухстороннем разделении входной сигнал изолируется от выходного. В зависимости от применения может использоваться преобразователь с внешним питанием как входной, так и выходной цепи, с питанием только выходной или только входной цепи.

При трехстороннем разделении сигнала входной сигнал преобразуется методом ши-ротно-импульсной модуляции в частотный сигнал и демодулируется в нормализованный аналоговый сигнал (рис. 12). Гальванически изолированный источник подает питание как на входную, так и на выходную часть прибора. Преобразователи с трехсторонним способом гальванической развязки являются хоть и не самым дешевым, но зато самым надежным способом защиты контроллера.

Преобразователи сигнала от датчиков температуры

С помощью преобразователей Weidmuller можно измерить сигналы, идущие от термопары или терморезистора (в том числе и от датчиков типа PT100).

Принцип измерения температуры с помощью термопары основан на оценке напряжения, возникающего при контакте двух различных сплавов (рис. 13). Оно поступает на вход дифференциального усилителя и затем преобразуется в нормализованный сигнал. Поскольку уровень изеряемого сигнала очень мал, становится значимой погрешность изменения, вносимая термическим напряжением, возникающим в клеммном соединении. Оно вызывается разностью температур проводника и токопроводящей клеммной шины. Это напряжение искажает сигнал, пришедший от термопары. Для устранения этого эффекта применяется метод компенсации холодного спая (Cold Junction compensation) (рис. 14). Наряду с измерением напряжения, приходящего от термопары, отслеживается и напряжение, возникающее на контактах из-за разницы температур. Микропроцессор, входящий в схему преобразователя, корректирует значение.

Для уменьшения погрешности измерения температуры с помощью термопары также очень важно скорректировать нелинейное поведение самого датчика. Для этого микропроцессор сравнивает каждую измеренную величину с данными «идеальной» характеристики, хранящейся в его памяти. После такой калибровки отклонения запоминаются и затем учитываются при дальнейших измерениях. Преобразователи сигнала от термопары могут иметь как двухсторонее, так и трехстороннее гальваническое разделение. Нарис. 15 изображена структура универсального преобразователя от термопары PRO Thermo (8560720000 — для винтового подключения проводников от датчика и контроллера, 8560730000 — для пружинного). С помощью микропереключателей, находящихся на плате такого прибора, можно выбирать нужный тип термопары, настраивать минимальную температуру, задавать размах диапазона температур от -200 до +1820 °С, указывать тип выходного сигнала, разрешать ручную тонкую настройку и фильтрацию. На первый взгляд, программирование преобразователя кажется очень сложным. Здесь на помощь разработчику приходит программа WAVETOOL, которая задаст несколько вопросов о необходимых характеристиках прибора и мгновенно выдаст нужную комбинацию положения микропереключателей (рис. 16). Программа работает и со всеми другими типами преобразователей.

Метод измерения температуры с помощью терморезистора основан на его свойстве изменять проводимость при изменении температуры. В преобразователях Weidmuller ток 1,5 мА от источника постоянного тока, входящего в состав преобразователя, пропускается через терморезистор. В самой простейшей, так называемой двухпроводной схеме подключения, дифференциальный усилитель просто измеряет напряжение, падающее на терморезисторе (рис. 17). Поскольку величины падения напряжения на паразитных сопротивлениях проводников становятся значимыми, в преобразователях Weidmuller применяются методы компенсации погрешности измерений, названные 3- и 4-проводными схемами подключения. В трехпроводной схеме подключения (рис. 18) тот же ток 1,5 мА от источника тока пропускается через цепь терморезистора. Но в этом случае на один вход дифференциального усилителя подается сигнал от этой цепи, а на второй вход — сигнал непосредственно от терморезистора. Поскольку ток во входной цепи операционного усилителя, обладающего входным сопротивлением в неколько мегаом, пренебрежимо мал по сравнению с током 1,5 мА в основной цепи, то падением напряжения на этом проводнике можно пренебречь. Точность измерения таким методом составляет около 0,5% от измеряемого диапазона.

В схеме же с четырехпроводным подключением (рис. 19) тот же ток 1,5мА так же пропускается через терморезистор, но на оба входа дифференциального усилителя подаются сигналы уже непосредственно с терморезистора, минуя цепь источника тока. Падения напряжения во входных цепях усилителя пренебрежимо малы по сравнению с падением напряжения на проводниках в цепи с током 1,5 мА, поэтому точность измерения в таких схемах достигает 0,1-0,2% в зависимости от измеряемого температурного диапазона.

На рис. 20 приведена схема универсального модуля WAS5 PRO RTD1000 (8679490000). C помощью микропереключателей можно выбрать тип коррекции паразитного сопротивления проводников, установить минимальные входные характеристики по температуре и сопротивлению, задать диапазон измерения температуры, определить тип выходного сигнала (0-10 В, 0-20 мА, 4-20 мА), разрешить ручную тонкую настройку.

Преобразователи частотных сигналов

Модули преобразования частоты служат, например, для контроля скорости вращения ротора электродвигателя. В этом случае сигнал от датчика поступает на вход преобразователя частотного сигнала и затем конвертируется в нормализованный сигнал (рис. 21).

Модуль WAS4 PRO Free (8581180000) содержит схему преобразователя с трехстрон-ней гальванической развязкой. С помощью микропереключателей задается режим работы, диапазон частоты, тип выходного сигнала. Прибор настраивается на прием сигнала от самых различных датчиков: e выходом PNP, NPN, push-pull, типа «Намюр» и двухпроводного. Диапазон входных частот составляет 0-100 кГц, измерения производятся с точностью до 100 ppm (0,0001%).

Преобразователь тензометрического сигнала

Модули WAS5 PRO Bridge (8581200000 — винтовое подключение) и WAZ5 PRO Bridge (8581210000 — пружинное подключение) используются для измерений с помощью мостовых схем. Внутри они содержат схему преобразователя с трехсторонним гальваническим разделением. Точность измерения составляет 0,3% от измеряемого диапазона. Максимальный диапазон входного сигнала — от -500 до 500 мВ. На рис. 22 изображена типичная схема подключения преобразователя.

Преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485/RS-422

Модуль WDS2 RS-232/RS-485/422 (рис. 23) предназначен для перехода от интерфейса RS-232 к RS-485 или RS-422. Например, центральный компьютер в системе автоматизации объекта имеет только стандартный интерфейс RS-232, данные по которому могут передаваться только на расстояние не более 15 м. Для того чтобы обеспечить передачу информации, например, для 32 абонентов на расстояние, не превышающее 1200 м, можно использовать преобразователь WDS2 RS-232/RS-485/422. Он конвертирует сигналы интерфейса RS-232 в протокол интерфейса RS-485, который полностью отвечает требованиям по дальности передачи данных. Со стороны RS-232 модуль снабжен 9-контактным SUB-D-разъемом, а со стороны RS-485 он имеет возможность подключения сигналов данных через разъемы BLZ и экрана посредством пружины KLBU.

Сигналы питания распределяются, как обычно, от модуля к модулю с помощью соединительных мостиков. Данные передаются с максимальной скоростью — 115 кбит/с. Трехсторонняя схема гальванической развязки гарантирует полную безопасность передачи данных. На рис. 24 изображена типичная схема применения преобразователя.

Преобразователи для контроля тока и напряжения

Серия WAVEcontrol обеспечивает постоянный контроль переменного и постоянного тока величиной до 60 А путем преобразования его значения на входе в нормализованный сигнал на выходе для последующей обработки в программируемом контроллере. Измерения входного переменного тока значением до 10 А с частотой 50/60 Гц осуществляются с помощью трансформаторного метода (рис. 25), который является наиболее дешевым и эффективным для простых синусоидальных токов. Измеряемый ток протекает прямо через первичную обмотку трансформатора. Через вторичную же обмотку протекает ток, пропорциональный измеряемому. Вследствие больших потерь энергии эффективность этого метода ограничена величинами токов до 5-10 А. Такие преобразователи очень чувствительны к пиковым изменениям нагрузки, и поэтому в цепи первичной обмотки устанавливаются предохранители.

Для постоянного и переменного токов с величиной от 10 А применяется принцип измерения, основанный на эффекте Холла (рис. 26). Датчики Холла измеряют магнитный поток В и затем передают пропорциональное напряжение в преобразователь для конвертирования в нормализованный сигнал. Модули, содержащие эти датчики, идеально подходят для измерения больших токов, поскольку остаточные токи от моторов или пиковая нагрузка не могут повредить преобразователь. Эти приборы могут измерять как постоянный ток, так и переменный, отличный от синусоидального. Модули контроля тока содержат цепи с двухсторонней гальванической развязкой. Точность метода измерений на основе эффекта Холла составляет 1-2%.

Модуль WAS2 VMAVae (8581220000) предназначен для контроля напряжения, например, между фазами электромотора. Преобразователь работает на трансформаторном принципе с трехсторонней гальванической развязкой. Точность измерений составляет 1-1,5% в зависимости от частоты сигнала. Диапазон измеряемого напряжения составляет 0-450 В, причем допускаются пики напряжения до 475 В.