Señales analógicas unificadas en sistemas de automatización

Cuando creamos un sistema de automatización para un determinado proceso tecnológico, de alguna manera necesitamos conectar sensores y otros dispositivos de señal: con actuadores, convertidores, controladores, etc. Estos últimos, por regla general, reciben una señal del sensor en la forma de un voltaje o corriente de cierta magnitud (en el caso de señales analógicas), o en forma de pulsos con ciertos parámetros de tiempo (en el caso de señales digitales).

Los parámetros de estas señales eléctricas deben corresponder de alguna manera muy definida a los parámetros de la cantidad física que fija el sensor, de modo que el control del dispositivo final sea adecuado a la tarea de automatización.

Por supuesto, lo más conveniente es unificar señales analógicas de diferentes sensores, para que los controladores ganen flexibilidad, de modo que el usuario no tenga que elegir su tipo de interfaz individual para cada sensor y su propio sensor para cada interfaz.

Permita que la naturaleza de las señales de entrada y salida se unifique, decidieron los desarrolladores, ya que con este enfoque, el desarrollo de sistemas de automatización y bloques de automatización para la industria se simplificará enormemente, y la resolución de problemas, el mantenimiento y la modernización de los equipos serán mucho más fáciles y flexibles. Incluso si falla un sensor, no necesita buscar exactamente el mismo, será suficiente elegir un análogo con las señales de salida correspondientes.

Mediciones de temperatura ambiente, velocidad del motor, presión del fluido, estrés mecánico de la muestra, humedad del aire, etc. — a menudo se realizan mediante el procesamiento de señales analógicas continuas recibidas de los sensores relevantes, mientras que la operación continua del dispositivo conectado se corrige automáticamente: elemento calefactor, convertidor de frecuencia, bomba, prensa, etc.

La señal analógica más común es una señal de voltaje que va de 0 a 10 V o una señal de corriente que va de 4 a 20 mA.

Control de tensión de 0 a 10 V

Cuando se utiliza una señal de tensión unificada de 0 a 10 V, esta secuencia continua de tensiones de 0 a 10 V se asocia con una serie de magnitudes físicas medidas, como la presión o la temperatura.

Suponga que la temperatura cambia de -30 a +125 °C mientras que el voltaje cambia de 0 a 10 V, con 0 voltios correspondientes a una temperatura de -30 °C y 10 voltios a +125 °C. Esta podría ser la temperatura del reactivo o la pieza de trabajo, y los valores de temperatura intermedia tendrán valores de voltaje estrictamente definidos del rango especificado. Aquí la relación no es necesariamente lineal.

De esta forma, es posible controlar varios dispositivos así como obtener información de monitoreo. Por ejemplo, un radiador con sensor térmico tiene una salida analógica para mostrar la temperatura actual: 0 V — la temperatura de la superficie del radiador es de + 25 °C o menos, 10 V — la temperatura ha alcanzado los + 125 °C — el máximo permitido.

O aplicando un voltaje de 0 a 10 V del controlador a la entrada analógica de la bomba, ajustamos la presión del gas en el recipiente: 0 V — la presión es igual a la atmosférica, 5 V — la presión es 2 atm, 10 V — 4 atm De manera similar, puede controlar dispositivos de calefacción, máquinas cortadoras de metal, válvulas y otros accesorios y actuadores para varios propósitos.

Control de corriente (bucle de corriente de 4 a 20 mA)

El segundo tipo de señal analógica unificada para el control de la automatización es una señal de corriente de 4-20 mA denominada «bucle de corriente». Esta señal también se utiliza para recibir señales de varios sensores para controlar los accionamientos.

A diferencia de una señal de voltaje, la naturaleza actual de la señal permite que se transmita sin distorsión a distancias mucho mayores, ya que las caídas de voltaje de la línea y las resistencias se compensan automáticamente. Además, es muy fácil diagnosticar la integridad de los circuitos de transmisión: si hay corriente, entonces la línea está intacta, si no hay corriente, hay un circuito abierto. Por esta razón, el valor más pequeño es 4 mA, no 0 mA.

Entonces, aquí se usa una fuente de corriente como fuente de energía para la señal de control y no una fuente de voltaje. En consecuencia, el controlador de accionamiento debe tener una entrada de corriente de 4-20 mA y el transductor del sensor debe tener una salida de corriente.Supongamos que el convertidor de frecuencia tiene una entrada de corriente de control de 4-20 mA, entonces, cuando se aplica una señal de 4 mA o menos a la entrada, el convertidor controlado se detendrá y, cuando se aplique una corriente de 20 mA, acelerará hasta a toda velocidad.

Mientras tanto, las salidas de los sensores de corriente pueden ser tanto activas como pasivas. La mayoría de las veces, las salidas son pasivas, lo que significa que se requiere una fuente de alimentación adicional, que se conecta en serie con el sensor y el controlador de accionamiento. Un sensor o controlador con una salida activa no requiere una fuente de alimentación ya que está integrado.

El bucle de corriente analógico se usa más comúnmente en ingeniería hoy en día que las señales de voltaje. Se puede utilizar a distancias de hasta varios kilómetros. Para proteger el equipo se utiliza aislamiento galvánico de dispositivos optoelectrónicos como optoacopladores. Debido a la imperfección de la fuente de corriente, la longitud máxima permitida de la línea (y la resistencia máxima de la línea) depende del voltaje del que se alimenta la fuente de corriente.

Por ejemplo, con un voltaje de suministro típico de 12 voltios, la resistencia no debe exceder los 600 ohmios. Los rangos de corrientes y voltajes se describen en GOST 26.011-80 «Mediciones y automatización. Entrada y salida de tensión y corriente eléctrica continua».

Herramienta de unificación de señal primaria - Convertidor de normalización

Para unificar la señal primaria del sensor, para convertirla en un voltaje de 0 a 10 V o en una corriente de 4 a 20 mA, el llamado convertidores de normalización… Estos convertidores normalizadores están disponibles para temperatura, humedad, presión, peso, etc.

El principio de funcionamiento del sensor puede ser diferente: capacitivo, inductivo, resistivo, termopar, etc. Sin embargo, por conveniencia en el procesamiento posterior de la señal, la salida debe cumplir con los requisitos de unificación. Es por eso que los sensores a menudo están equipados con convertidores estándar del valor medido en corriente o voltaje.