مقاله 002 - سیگنال های ورودی و خروجی آنالوگ

آیا می دانید چگونه سیگنال های ورودی یا خروجی آنالوگ PLC را مقیاس بندی کنید؟ بسیاری از افراد با سیگنال های آنالوگ در برنامه نویسی PLC دست و پنجه نرم می کنند. گاهی اوقات سیم کشی و نحوه استفاده از ورودی یا خروجی آنالوگ در برنامه PLC می تواند مشکل زا باشد. این مقاله به شما چگونگی استفاده از سیگنال های آنالوگ را آموزش می دهد. سیگنال های آنالوگ به طور گسترده در برنامه های PLC استفاده می شود، اما در سیستم های SCADA نیز کاربرد دارند. چطور یک سیگنال آنالوگ استاندارد 4-20mA یا 0-10 V را به PLC وصل کنیم و در برنامه PLC استفاده کنیم؟ چگونه یک سیگنال آنالوگ استاندارد را به مقادیر واقعی متناظر در فرایند تبدیل کنیم؟ این مقاله به شما پاسخ هایی به این موضوع و سایر موارد مربوط به سیگنال های آنالوگ می دهد.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

هنگامی که سیگنال ورودی آنالوگ وارد PLC می شود از یک مبدل A/D یا مبدل آنالوگ به دیجیتال عبور می کند. این قطعه یک IC در کارت ورودی آنالوگ PLC است که سیگنال آنالوگ را به سیگنال دیجیتال تبدیل می کند. این سیگنال های دیجیتالی هستند که در نهایت مقدار آنالوگ ما را در PLC نشان می دهند.

قبل از آشنایی با مبدل A/D، مهم است که بدانید با چه نوع سیگنال آنالوگ سروکار دارید. در این مقاله بر روی این سه نوع سیگنال آنالوگ در برنامه نویسی PLC تمرکز خواهیم کرد:

• ولتاژ

• جریان

• مقاومت

هنگام برنامه نویسی باید حتما نوع سیگنال آنالوگ ورودی به PLC و محدوده تغییرات آن را بدانیم.

یکی از انواع بسیار مورد استفاده سیگنال آنالوگ، 4-20 میلی آمپر است.

رزولوشن سیگنال های آنالوگ

تعداد بیت های ADC که برای نمایش مقدار آنالوگ بکار برده می شود، در واقع رزولوشن نامیده می شود. به طور مثال تلویزیون منازل تعداد مشخصی پیکسل برای نمایش تصویر دارد. همین امر در مورد تبدیل آنالوگ به دیجیتال نیز صدق می کند.

درست همانطور که وقتی در مورد تعداد پیکسل های تلویزیون صحبت می کنیم آن را وضوح می نامیم، زمانی که در مورد مقادیر آنالوگ نشان داده شده با یک عدد صحبت می کنیم آن را وضوح می نامیم.

رزولوشن هنگام برخورد با سیگنال های آنالوگ در برنامه نویسی PLC بسیار مهم است. به طور مثال برای یک ورودی آنالوگ با وضوح 24 بیت، سیگنال آنالوگ درون کارت به مقداری بین 0 و 16,777,216 تبدیل می شود. سپس مقدار عددی تبدیل شده به مقدار متناظر واقعی در فرایند تبدیل می شود. هر بار که مقدار عددی فوق 1 واحد افزایش می یابد، به این معنی است که سیگنال آنالوگ به مقدار x mA افزایش یافته است.

اما هنوز نمی‌توانیم mA را کاملاً محاسبه کنیم. زیرا اکثر PLC ها هنگام صحبت در مورد سیگنال های آنالوگ چیزی به نام حد ایین و بالا دارند. بیایید نگاهی دقیق‌تر به محدوده سیگنال‌های آنالوگ در برنامه‌نویسی PLC داشته باشیم.

محدوده سیگنال آنالوگ

در این مرحله همه چیز به پارامترهای ساختاری سازنده PLC بر میگردد. در این مقاله INTELART را به عنوان مثال در نظر می گیریم که محدوده سیگنال های جریانی ورودی آن، معمولا 0-24 میلی آمپر است. ممکن است دیگر سازندگان PLC محدوده های متفاوتی در نظر بگیرند اما اصول کلی برای اکثر PLCها اعمال می شود.

سیگنال های آنالوگ بسیار حساس هستند. اگرچه هدف ما این است که محدوده سیگنال باید از 4 تا 20 میلی آمپر باشد، اما سیگنال گاهی اوقات می تواند به حد بالا افزایش یا به حد پایین کاهش یابد. وقتی این اتفاق می‌افتد، انتظار داریم که تغییرات آن را در PLC ببینیم. اگرچه همیشه اینطور نیست، گاهی اوقات این اوج ها و افت ها می تواند به این معنی باشد که مشکلی در ساختار سیستم وجود دارد. به طور مثال برخی سنسورها در صورت بروز نقص، سیگنال هایی (با مقدار ثابت) نزدیک به حد پایین یا بالا تولید می کنند. برای اینکه بتوانیم اینها را در برنامه PLC بررسی کنیم، به دستورات مقایسه گر عددی نیاز داریم.

ورودی های آنالوگ

ورودی های آنالوگ می تواند به انواع سنسورها و ترنسمیتر ها یا هر دو متصل شود. به عنوان مثال، یک ترموکوپل می تواند به یک ترنسمیتر و سپس به یک ورودی آنالوگ PLC متصل شود. وظیفه سنسور یا ترنسمیتر تبدیل یک مقدار فرایندی به سیگنال الکتریکی است. در اینجا چند مورد از مواردی که می توانید با سنسورهای آنالوگ اندازه گیری کنید آورده شده است:

• سطح
• دبی
• فاصله
• غلظت
• دما

البته کمیت های فرایندی قابل اندازه گیری با PLC تنها به موارد فوق محدود نمی شود. نکته اصلی در اینجا این است که ما (سنسور یا ترنسمیتر) آن مقادیر فیزیکی را به یک سیگنال آنالوگ تبدیل می کنیم. این سیگنالی است که می توانیم در PLC به عنوان ورودی آنالوگ استفاده و آن را پردازش کنیم.

به عنوان مثال یک سنسور و ترنسمیتر دما با خروجی 4-20 میلی آمپر را در نظر بگیرید. سنسور به ترنسمیتر متصل است. سپس ترنسمیتر در محدوده ای از دما مثلاً 0-100 درجه سانتیگراد کالیبره می شود بدان معنا که وقتی دما 0 درجه باشد خروجی فرستنده 4 میلی آمپر و هنگامی که 100 درجه باشد خروجی ترنسمیتر 20 میلی آمپر خواهد بود.

معمولا ترنسمیتر یکی از اجزای سنسورهای آنالوگ است زیرا سنسور به خودی خود نمی تواند سیگنال آنالوگی در محدوده استاندارد PLCها تولید کند. البته در صورتی که قصد استفاده از ترنسمیتر را نداشته باشید، امکان خرید ماژول های ورودی آنالوگ وجود دارد که به عنوان مثال می توانید یک سنسور دما یا لودسل را مستقیماً به عنوان ورودی آنالوگ وصل کنید.

سیم کشی ورودی های آنالوگ

اکیدا توصیه می‌کنیم قبل از شروع سیم‌کشی هر ماژول آنالوگPLC نه تنها دفترچه راهنما را بخوانید، بلکه اطلاعات کاملی در مورد نوع سیگنالی که با آن سروکار دارید بدست آورید. سیم کشی ورودی آنالوگ PLC بسته به نوع سیگنال کمی متغیر است.

در این آموزش سیم کشی دو سیگنال ورودی آنالوگ پر کاربرد را پوشش میدهیم:

• ولتاژ
• جریان

از آنجایی که این دو نوع سیگنال آنالوگ به روش‌های بسیار متفاوتی کار می‌کنند، باید آنها را به صورت متفاوتی روی ماژول ورودی آنالوگ سیم‌کشی کنید. بروز اشتباه در سیم کشی می تواند ماژول ورودی را معیوب کند، بنابراین مراقب باشید!

سیم کشی ورودی آنالوگ ولتاژ

استفاده از ولتاژ برای سیگنال های آنالوگ بسیار رایج است. سیم کشی این نوع سیگنال ها نیز نسبتاً آسان است، زیرا اغلب فقط به دو سیم نیاز دارید. اما این بدان معنا نیست که هنگام سیم کشی این نوع سیگنال آنالوگ مراقب نباشید. اگر سیم کشی ها به درستی انجام نشده باشد، ممکن است مقدار سیگنال آنالوگ به درستی نمایش داده نشود و یا حتی به ماژول آنالوگ PLC صدمه وارد شود.

بنابراین، اساساً تمام ورودی های ولتاژ آنالوگ دارای دو ترمینال هستند:

• AGND:زمین یا مرجع برای ورودی های آنالوگ
• AIN:ورودی آنالوگ

ولتاژ همیشه بین دو نقطه اندازه گیری می شود. برای این اندازه گیری به یک نقطه مرجع نیاز دارید. درست مثل یک باتری 9 ولتی که فقط 9 ولت بین طرف مثبت و منفی است.

این همان چیزی است که ما از آن به عنوان زمین آنالوگ یا AGND استفاده می کنیم. PLC بین AGND و AIN ولتاژ ورودی آنالوگ را اندازه می گیرد.

هنگامی که منبع ولتاژ آنالوگ را وصل می کنید، AIN جایی است که طرف مثبت (+) آن سیگنال را وصل می کنید. سمت منفی (-) نیز باید به AGND متصل شود. این دو سیم اصلی برای هر سیگنال آنالوگ هستند.

در محیط های نویزی نباید تنها به اتصال این دو سیم بسنده کنید. در حضور نویز باید علاوه بر این دو رشته سیم، از یک شیلد متصل شده به ارت (EARTH) برای خنثی کردن اثر EMC استفاده کنید. در نظر داشته باشید در صورتی که در حضور نویز شدید و بدون EARTHING مناسب سیگنال آنالوگ را به PLC متصل کنید، ممکن است در برخی شرایط Electromagnetic compatibility  روی مقدار ولتاژ سیگنال آنالوگ اثر مخربی ایجاد کند.

افت ولتاژ در سیم ها

از آنجایی که در اینجا با ولتاژ سروکار داریم، به خاطر ماهیت سیم کشی ممکن است مشکلاتی ایجاد شود. تمام سیم های الکتریکی (رساناها) دارای مقاومت هستند و از این رو در صورتی که از ان ها جریان عبور کند، افت ولتاژ ایجاد می کنند. این به این معنی است که ممکن است ولتاژ ورودی آنالوگ با ولتاژ ترنسمیتر متفاوت باشد. البته این مورد فقط در صورتی پیامد قابل توجهی دارد که سیم کشی در فواصل طولانی یا سیم های خیلی نازک داشته باشید.

در مطلب بعدی با نحوه سیم بندی ورودی های آنالوگ جریانی و سایر ورودی های آنالوگ شامل دما (Temperature) و لودسل (Loadcell) آشنا خواهید شد.