اکتساب داده های سیگنال آنالوگ در سیستم های اتوماسیون صنعتی

سیستم های کنترل صنعتی همچنان بر سیگنال های آنالوگ استاندارد برای انتقال داده ها بین تجهیزات فرآیند و کنترل تکیه می کنند. سیگنال های حلقه جریان پایدار 4 تا 20 میلی آمپر می توانند به راحتی هزاران پا را طی کنند، در حالی که سیگنال های ± 5 و 10 ولت نیز در سیستم های صنعتی رایج هستند.

این یادداشت کاربردی راه‌حل‌های سیستم جمع‌آوری داده (DAS) Maxim را به نمایش می‌گذارد. راه‌حل‌های DAS Maxim باعث صرفه‌جویی در فضای برد، مصرف انرژی و زمان طراحی می‌شود، در حالی که سیگنال‌های استاندارد صنعتی آنالوگ را با حداقل اجزای خارجی تبدیل می‌کند.

مقدمه

با وجود نسخه‌های متعدد فیلدباس‌های دیجیتال، سیستم‌های کنترل صنعتی همچنان بر سیگنال‌های آنالوگ استاندارد برای انتقال داده‌ها بین تجهیزات فرآیند و کنترل تکیه می‌کنند. برای مثال، فرستنده‌های فرآیند در کارخانه‌های شیمیایی، سیگنال‌های دما و فشار سطح پایین را به سیگنال‌های حلقه جریان ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپری پایدار تبدیل می‌کنند که می‌توانند به راحتی هزاران فوت را طی کنند.

Speed and position sensors for machine tools and automated guided vehicles in factory automation environments generate unipolar and bipolar voltage signals, typically ranging from 0V to 5V, 0V to 10V, ±5V, or ±10V. Additionally, signals from commonly used PT100 temperature sensing elements often require no conversion and can be directly utilized within standard ranges, such as 10V or 20mA. As RTDs (Resistance Temperature Detectors) made from platinum (Pt), PT100s exhibit a resistance of 0Ω at 100°C. Their resistance exhibits a linear relationship with temperature and provides a relatively high output signal level (>1 میلی ولت هنگامی که توسط یک منبع جریان 100 میلی آمپر هدایت می شود).

توابع کنترل در محیط فرآیند توسط PLC ها (کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی)، PCS ها (سیستم های کنترل فرآیند)، یا (اخیرا) IPC ها (رایانه های شخصی صنعتی) پیاده سازی می شوند. از آنجایی که این دستگاه‌ها سیستم‌های دیجیتالی هستند که نرم‌افزارهای{1} خاصی را اجرا می‌کنند، قبل از اینکه رایانه بتواند آنها را بخواند، باید همه سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال تبدیل شوند.

تبدیل A/D در سیستم های کنترلی توسط بردها یا جعبه هایی انجام می شود که "تجهیزات جانبی آنالوگ" نامیده می شوند. وقتی از راه دور نصب می شوند (مثلاً روی ماشین آلات) از طریق گذرگاه backplane یا فیلدباس سیستم به CPU متصل می شوند. فراتر از مدارهای دیجیتال (برای ارتباطات CPU)، این لوازم جانبی دارای اجزای سیگنال آنالوگ و مختلط{4}}دقیق مختلفی هستند. نیاز به کانال‌های بیشتر در هر برد یا بسته‌های کوچک‌تر (برای نصب ماشین) منجر به محدودیت فضا و قدرت می‌شود که چالش اصلی طراحی برای لوازم جانبی آنالوگ است. مدار زیر تکنیک های تهویه سیگنال را نشان می دهد و روشی را برای دیجیتالی کردن حداکثر هشت کانال با استفاده از یک تراشه توضیح می دهد.

سیستم جمع آوری داده ها

سیستم پیشرفته اکتساب داده (شکل 1) شامل یک مالتی پلکسر (mux) برای سوئیچینگ بین کانال های ورودی، یک مدار تهویه سیگنال ارائه دهنده تنظیم بهره و افست برای محدوده های مختلف ورودی و یک مبدل آنالوگ به-دیجیتال (ADC) با ولتاژ مرجع (VREF).

شکل 1. این نمودار اجزای اساسی سیستم جمع آوری داده ها را نشان می دهد.

راه حل های یکپارچه DAS

Maxim با ادغام ماژول‌های اولیه نشان‌داده‌شده در شکل 1، مجموعه‌ای از سیستم‌های جمع‌آوری داده‌های تک-تراشه را توسعه داده است که باعث صرفه‌جویی در فضای برد، مصرف انرژی و زمان طراحی می‌شود. این تراشه ها به حداقل اجزای خارجی (در برخی موارد هیچ کدام) نیاز دارند و می توانند اکثر سیگنال های استانداردی که در حال حاضر استفاده می شوند را تبدیل کنند. هر دستگاه دارای یک ADC 12 بیتی، مالتی پلکسر و تصحیح افزایش/افست است که دارای یک رابط دیجیتال سریالی یا موازی برای اتصال آسان به اکثر ریزپردازنده ها است.

بلوک دیاگرام زیر (شکل 2) یک پیکربندی معمولی برای این سری را نشان می دهد. تفاوت اصلی در بخش دیجیتال متصل به ریزپردازنده نهفته است. هر چیپ 16 یا 5 کانال ورودی آنالوگ منفرد-از طریق مالتی پلکسرهای محافظت شده{6} به ADC داخلی متصل می‌شود. هر کانالی می تواند تا ولتاژ ورودی را تحمل کند<>.<>V، و یک خطا در هر کانالی بر تبدیل در هیچ کانال دیگری تأثیر نمی گذارد.

شکل 2. توابع نشان داده شده در شکل 1 در این تراشه یکپارچه شده است.

هر کانال می تواند به طور مستقل برای یک محدوده ورودی استاندارد (0 تا 5 ولت، 0 تا 10 ولت، ± 5 ولت، یا ± 10 ولت) برنامه ریزی شود در حالی که با یک منبع 5 ولت تغذیه می شود. دستگاه‌های دیگر دارای ساختار بهره مشابه هستند اما محدوده ورودی متفاوتی را می‌پذیرند: تک قطبی یا دوقطبی 2 ولت یا 4 ولت، یا VREF تک قطبی یا دوقطبی یا -VREF. قابلیت تغییر بهره 100 برابر با آفست ورودی 10% (از -10 ولت تا +2 ولت) محدوده دینامیکی را 14 بیت افزایش می‌دهد و در نتیجه سیستم‌هایی با<>-محدوده پویا بیت.

ADC داخلی یک نوع تقریب متوالی 12 بیتی مبتنی بر DAC خازنی است که در آن خازن MSB نیز به عنوان خازن نگهدارنده در مدار نمونه/نگهداری عمل می کند. هر دستگاه می تواند با استفاده از نوسانگر داخلی یا ساعت خارجی کار کند.

دستگاه‌های MAX196 تا MAX199 از پالس‌های /WR برای شروع و توقف اکتساب استفاده می‌کنند و زمان‌های نسبتا طولانی اکتساب را در "حالت اکتساب خارجی" بدون کاهش سرعت تبدیل فراهم می‌کنند. تأخیر کوتاه دیافراگم دستگاه و لرزش دیافراگم کم (<50ps in external clock/acquire mode) enable precise control of acquisition timing. This capability is critical for phase-sensitive applications such as power line control and AC motor control. Additionally, the chip's wideband input architecture provides up to 5MHz small-signal bandwidth, allowing undersampling techniques beyond the Nyquist frequency.

رابط دیجیتال

برنامه‌هایی که به اندازه‌گیری‌های سرعت{0} بالا نیاز دارند، به بهترین وجه توسط رابط‌های داده موازی (MAX196 تا MAX199) ارائه می‌شوند. این دستگاه‌ها به توان عملیاتی 2Ksps با نرخ کلاک 100 مگاهرتز می‌رسند که برای اکثر حلقه‌های کنترل سرعت بالا کافی است. برای برنامه‌های کاربردی با سرعت کمتر-، نسخه‌های رابط سازگار با I²C{9}}در فضای برد صرفه‌جویی می‌کنند و ارتباط بین DAS و میکروکنترلرها را ساده می‌کنند. این دستگاه‌ها دارای زمان تبدیل سریع (10μs) هستند، اما رابط سریال توان عملیاتی آنها را به 8 کیلوبیت بر ثانیه محدود می‌کند.

به عنوان مثال، MAX197 ورودی های 0 ولت تا 10 ولت، 0 ولت تا 5 ولت، ± 5 ولت و 10 ولت ± را می پذیرد. امپدانس منبع که این ورودی ها را هدایت می کند یک نگرانی اصلی برای کاربران است. در طول نمونه برداری، ADC یک پالس جریان می کشد تا خازن T/H خود را شارژ کند (خازن MSB برای DAC های خازنی). بنابراین، برای اطمینان از ته‌نشینی کافی ولتاژ در حین خرید، به یک تقویت‌کننده عملیاتی{10}تست‌شونده سریع با سرعت تاب کافی نیاز است. تقویت کننده های عملیاتی MXL1013/MXL1014 عملکرد خوبی در دستیابی به نرخ های نمونه برداری سریع دارند. برای تقویت کننده های عملیاتی کندتر، زمان اکتساب باید افزایش یابد.

ورودی های دیفرانسیل مورد استفاده در بسیاری از سیستم های اتوماسیون نسبتاً به تداخل حالت معمولی- حساس نیستند. در بیشتر موارد، یک مدار تقویت کننده دیفرانسیل ساده (شکل 3) با امپدانس ورودی بیش از 1MΩ کافی است. (برای امپدانس ورودی بالاتر، از یک تقویت کننده ابزار دقیق 3-op-amp استاندارد استفاده کنید.) خروجی نشان داده شده در شکل 3

Vout=R2(V+ - V-) / R1.

برای رد حالت رایج-، R1=R3 و R2=R4 را تنظیم کنید. بهره ترکیب نشان داده شده 0.876 است که محدوده ورودی ± 10 ولت را تقریباً 114٪ افزایش می دهد تا سیگنال های فراتر از محدوده را اندازه گیری کند. این تنظیم وضوح باند ± 10 ولت را به تقریباً 11.8 بیت کاهش می دهد.

                               شکل 3. یک تقویت کننده دیفرانسیل ساده امپدانس ورودی بالا و خروجی تک- را فراهم می کند.

حلقه جریان 20 میلی آمپر

حلقه های فعلی سیگنال های کوچکی را در فواصل طولانی در محیط های پر سر و صدا منتقل می کنند. جریان معمولاً توسط یک فرستنده فرآیند تولید می شود که متغیرهایی مانند دما یا فشار را به جریان مستقیم در محدوده 0 تا 20 میلی آمپر یا 4 میلی آمپر تا 20 میلی آمپر تبدیل می کند. سپس جریان از طریق یک مقاومت شنت جریان می یابد و یک افت ولتاژ متناسب ایجاد می کند که به راحتی دیجیتالی می شود. از آنجایی که ولتاژ منطبق برای راه اندازی حلقه-از جمله مقاومت سیم-به ندرت از 15 ولت تا 18 ولت بیشتر می شود، مقدار مقاومت به چند صد اهم محدود می شود (شکل 4).

       شکل 4. ترکیب تقویت کننده نشان داده شده در شکل 3 با سیگنال حلقه جریان مشتق شده از مقاومت شنت 220Ω یک خروجی تک- راحت ایجاد می کند.

این مدار دارای تقویت کننده دیفرانسیل مشابه مدار تهویه ± 10 ولت، همراه با یک مقاومت شنت 220Ω است. این مقاومت افت ولتاژ 4.20 ولت در 4 میلی آمپر و 5.25 ولت در 5 میلی آمپر را نشان می دهد. بهره تقویت کننده دیفرانسیل در ورودی ADC حداکثر تا 4.62 ولت تنظیم می شود. بنابراین، یک DAS برنامه ریزی شده برای ورودی 0.5 ولت می تواند این سیگنال را با وضوح حداکثر 11.8 بیت دیجیتالی کند.

از آنجایی که MAX198/MAX199 و MAX128 کمترین محدوده ورودی را در این سری دارند، با یک مقاومت شنت کوچک بدون نیاز به تنظیم بهره عمل می‌کنند. این آنها را برای اندازه‌گیری‌های 10 میلی آمپر در سیستم‌هایی که نیازی به اندازه‌گیری‌های سطح بالا (تا 20 ولت) دیگر ندارند، مناسب‌تر می‌کند. برای تطبیق مدار نشان داده شده در شکل 4 برای استفاده با MAX199، MAX199 را برای محدوده ورودی 0 تا 2 ولت پیکربندی کنید و مقاومت 536 کیلو اهم را به 470 کیلو اهم تغییر دهید. از یک مقاومت شنت 86Ω استفاده کنید.

انطباق سنسور

ترموکوپل‌ها، کرنش سنج‌ها و سایر حسگرهای رایج سیگنال‌های غیرخطی سطح پایین- را ارائه می‌کنند که به EMI حساس هستند. بنابراین، قبل از ارسال این اطلاعات به سیستم کنترل، یک فرستنده 4-20 میلی آمپر ابتدا سیگنال را خطی و شرطی می کند. برای کاربردهای کمتر بحرانی اندازه‌گیری دما، آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD) می‌توانند دما را تا 850 درجه در فواصل طولانی بدون نیاز به تهویه سیگنال گران قیمت اندازه‌گیری کنند.

محبوب ترین RTD سنسور دمای استاندارد شده پلاتینیوم معروف به PT100 است که دارای مقاومت 0Ω در 100 درجه و ضریب دمای خطی 0.38Ω/ درجه است. همچنین ضریب دمایی غیرخطی کوچک‌تری را نشان می‌دهد که مشخصه Ω/ درجه آن را در محدوده‌ای باریک تقریباً خطی می‌کند. برخلاف ترموکوپل ها که ولتاژ خروجی نشان دهنده اختلاف دما بین دو نقطه است، مقاومت RTD مستقیماً دمای مطلق سنسور را نشان می دهد.

اندازه گیری با عبور جریان 1 میلی آمپر تا 2 میلی آمپر از طریق سنسور و اندازه گیری افت ولتاژ در پایانه های آن انجام می شود. جریان‌های بالاتر خطاهای اندازه‌گیری را به دلیل{3}}خودگرم شدن ناشی از افزایش اتلاف توان در حسگر ایجاد می‌کنند. یک مرجع داخلی 4.096 ولت تولید جریان تحریک سنسور را ساده می کند (شکل 5).

       شکل 5. این مدار جریان را به سنسور RTD می رساند و خروجی حاصل را دیجیتالی می کند.

برای جلوگیری از تأثیر مقاومت سیم بر دقت اندازه گیری، چهار سیم مستقل RTD را به تقویت کننده دیفرانسیل متصل می کنند. از آنجایی که سیم‌های حسگر به ورودی امپدانس بالا-تقویت‌کننده متصل می‌شوند، جریان آن‌ها بسیار کم است و در نتیجه افت ولتاژ ناچیز ایجاد می‌شود. ولتاژ مرجع 4096mV و مقاومت بازخورد 3.3kΩ جریان تحریک را تقریباً 4096mV/3.3kΩ=1.24mA تنظیم می کند. در نتیجه، هدایت هر دو منبع ADC و جریان با ولتاژ مرجع یکسان، اندازه گیری نسبت را امکان پذیر می کند که در آن جابجایی ولتاژ مرجع بر نتیجه تبدیل تأثیر نمی گذارد.

MAX197 را برای محدوده ورودی 0 ولت تا 5 ولت پیکربندی کنید و بهره تقویت کننده دیفرانسیل را روی 10 تنظیم کنید تا مقادیر مقاومت تا 400Ω را اندازه گیری کنید که تقریباً 800 درجه است. ریزپردازنده می تواند سیگنال سنسور را با استفاده از جدول جستجو خطی کند. برای کالیبره کردن سیستم، RTD را با دو مقاومت دقیق (100Ω نشان دهنده صفر، 300Ω یا بالاتر نشان دهنده مقیاس کامل) جایگزین کنید و نتایج تبدیل را ذخیره کنید.

مدار نشان داده شده در شکل 6 به جای اختصاص مدارهای خاص به محدوده های ورودی خاص، ورودی ADC را برای تطبیق با هر محدوده سیگنالی که قبلا توضیح داده شد، تطبیق می دهد. انتخاب پین ورودی و محدوده ورودی ADC (جدول 1) امکان انتخاب پیکربندی مناسب را فراهم می کند.

                         شکل 6. این مدار ورودی جهانی ADC را با محدوده سیگنال در هر کانال ورودی تطبیق می دهد.