Jak analogový signál připojit a přečíst jeho hodnotu je jedna věc, druhá pak mu trochu porozumět, tedy vědět něco o rozsahu, přesnosti, rozlišení a také kalibraci. Na to vše se zaměříme v další části našeho seriálu o TB20 periferiích a PLC Simatic.
Z této záplavy analogových modulů pro TB20 si ukážeme práci s označenými, ovšem většina poznámek platí obecně pro všechny analogové signály.
My si uvedené moduly připojíme do TB20 najednou, standardně je nataháme myší z katalogu do HW konfigurace TIA Portal.
Přesně takto. Hodnotu proměnné, která odpovídá velikosti analogového signálu, máme k dispozici na patřičných I/O adresách. Začali jsme standardně na 250 a každý další modul je adresován o padesát bajtů výše. Všechny vstupní a výstupní proměnné jsou ve většině případů šestnáctibitové, vyjma některých speciálních modulů, které zde ale nemáme.
Klikněte na obrázek pro zvětšení
K naší ukázce ještě patří nějaké měření, teplotní odporový snímač Pt100 a samozřejmě odporová dekáda.
Na závěr jsme si pak dovolili menší ukázku změny analogového signálu přímo z PLC a zaznamenání průběhu na osciloskopu.
První modul notoricky známý čtyř vstupní proudový. Nulový potenciál oddělen od napájecího, vstupy nastavitelné 0/4-20mA. Velmi důležitá je hodnota rozlišení, tady 12 bitů + znaménko. To je důležité, někdy není tahle informace přesně specifikována, výrobci klidně uvedou rozlišení 13 bitů a o znaménku ani řeči. Další bit za rozlišením totiž udává znaménko, přesně jako u 16 bitové proměnné typu integer. 12 bitů znamená rozlišení 4095. Měřená 16 bitová hodnota +/-27648 je maximální hodnota proměnné při jmenovitém proudu (napětí při napěťovém vstupu), tedy 0mA=0 a 20mA=27648. Tohle je důležité si uvědomit pro kalibraci vstupu, aby nám proměnná vyjadřovala skutečnou hodnotu veličina podle připojeného snímače. Například tlakový snímač 0-250barů /0-20mA znamená, že při 250barech bude vstupní proměnná analogového kanálu 27648. Aby to nebylo ještě tak jednoduché, každý analogový vstup "vydrží" něco více až do maximální hodnoty proměnné 32767, což je plná 15bitová hodnota. Poslední nejvyšší bit vyjadřuje znaménko.
Všechny nastavitelné parametry v TIA Portal jsou seřazeny podle kanálů, v případě nepoužití některého kanálu je vhodné jej deaktivovat. Začínáme, pokud možno, vždy od nultého kanálu. Provozní diagnostika je dostupná přes samotný interface. U proudových vstupních signálů je oboupolaritní měření možné jen v rozsahu 0-20mA.
U každého kanálu může být ještě upřesněno nastavení filtru, pokud je problém s měřenou hodnotou. Tuto možnost nastavení najdeme u většiny vstupních analogových modulů, nejen Helmholz.
Asi takto, každý kanál bude aktivní v rozsahu 0-20mA.
Pro přehlednost jsme si připravili na obrazovku HMI panelu jeden kanál od každého druhu použitého analogového modulu. V levém sloupci bude vždy surová hodnota proměnné 0-27648, v pravém pak kalibrovaná jednoduchým blokem v PLC programu na jmenovitý rozsah.
Přesně takto, vstupní hodnota 6544 odpovídá hodnotě 4,734mA. Podle kalibračního vzorce (20mA/27648)*6544. To je proud, který teče do analogového vstupu z napájení 24V přes odporový snímač (cca 5kohm). Tady si vyzkoušejte, jak funguje rozlišení analogového vstupu, i malá změna hodnoty vstupního signálu nemusí vyvolat změnu vstupní proměnné, neboť ta se mění jen o nejmenší možnou hodnotu po 8 podle vzorce 32767/4095 (max. proměnná/rozlišení). Co se týče přesnosti údaje, tak ta se udává vždy z maximálního rozsahu (FS) a u těchto modulů je 0,5% v celém teplotním rozsahu a 0,3% při 25°C. Je třeba si vždy uvědomit rozdíl mezi rozlišením a přesností.
Další modul je trochu atypický ale zajímavý. Jedná se o napěťový vstupní modul +/-24V na rozdíl od běžných +/-10V. Tedy 24V na vstupu bude odpovídat hodnota proměnné 27648. Vše platí stejně jako pro proudové signály.
Měřená oblast může být opět jednopolaritní, oboupolaritní, nebo deaktivována. Pokud si chcete připomenout Simatic S5, přepněte si formát proměnné na Simatic S5. Uvidíte, čím se obě hodnoty liší.
Tento modul dokáže prakticky zobrazit například hodnoty různých ovládacích napětí pro napájení vstupů, výstupů, ventilů, externích zařízení a podobně. Jakmile jsou údaje dostupné v PLC není problém je zpracovat například nějakým SCADA systémem.
Přibližně 25V na vstupu, opět odpovídá proměnné 29744. Tyto údaje nad jmenovitou hodnotou již nemusí být úplně lineární ani spolehlivé, zvlášť pro 24V analogový vstup. Navíc náš "žluťák" už má výkonnostní zenit daleko za sebou, takže jeho údaje bereme s rezervou. Naším cílem není kontrolovat přesnost, tu jistě výrobce nezanedbal, ale hlavně objasnit práci a zpracování analogových signálů.
Třetí modul je velmi používaný, a sice měří odpor ve velkém měřícím rozsahu s šestnáctibitovým rozlišením. Kromě klasického měření odporu umí taky velmi používaná odporová teplotní čidla typu Pt100 aj. Jedná se o dvoukanálový modul, ale pozor, v případě konfigurace modulu pro připojení snímače Pt100 pomocí tří nebo čtyř vodičů (kompenzace vedení) se z modulu stane jednokanálový. S tímto principem se můžete setkat i ostatních výrobců podobných modulů.
Protože měření teploty pomocí Pt100 čidla se počítá přímo v modulu, není nutná žádná další kalibrace, zvolíme si jen jednotky zobrazení. Je zřejmé, že budeme vidět teplotu na jedno desetinné místo. Jestliže nemáte zkušenosti s připojením Pt100 sond, jistě se podívejte na tabulku hodnoty odporu pro Pt100. Ta se pohybuje v rozmezí -200°C .. +850°C, přičemž 0°C odpovídá odpor 100ohmů. Je to jediná celočíselná proměnná v celé charakteristice. Dále si zapamatujeme, že každý 1°C reprezentuje změnu hodnoty odporu o přibližně 0,4 ohmu. Tady právě vynikne nutnost rozlišení 16 bitů a hodnota tolerance. V rozmezí celého rozsahu je 0,5% již patrné.
Z výše uvedených důvodů máme na HMI tagu do RTD modulu zobrazení s jedním desetinným místem, pro 100°C bude totiž hodnota proměnné 1000. jestliže nám stačí jen celé °C, musíme si v PLC programu proměnnou upravit, vydělit deseti.
Připojení Pt100 dvouvodičově, jeden kanál teplotní snímač, druhý odporová dekáda. Pro měření odporu je vše obdobné, tyto rozsahy se často používají například pro připojení odporových snímačů polohy. U modulů pro připojení termočlánků, je nutné dát pozor na použití správného vodiče a eventuální kompenzace.
První kanál s Pt100 teplotním čidlem ukazuje +24,5°C což je teplota v kanceláři na stole, druhý má na dekádě nastaven odpor 100ohmů, což by mělo být 0°C. Ovšem pokud se pozorně podíváte na dekádu, tak ta má interně v sérii zařazen odpor 0,3ohmů a to je ta troška teploty nahoru. Uvádíme to proto, abyste si uvědomili, jak moc se může v měření projevit odpor vedení. Půl procenta přesnost, plus několik ohmů delší vedení a klidně jste o deset stupňů mimo. Proto je důležité si vzhledem k tomu co měříte a jak daleko, stanovit zda bude nutné použít kompenzaci vedení. V praxi se ale často používají teplotní čidla s omezeným teplotním rozsahem, například -50°C..+200°C a tím pádem lepší přesností. Nebo také přímo s převodníkem na 4-20mA pro uvedený teplotní rozsah.
Klikněte na obrázek pro zvětšení
Analogový výstup, zde reprezentován dvoukanálovým +/-10V výstupem, rozlišení dvanáct bitů. Naprosto stejně funguje také modul proudových výstupů.
Zde je zajímavé nastavení co má modul udělat v případě zastavení CPU, tady přechodu do režimu STOP. Můžeme si vybrat standardní chování, tedy odpojení výstupního napětí respektive proudu, nebo zmrazení hodnoty ve stavu těsně před zastavením CPU. Pro další ukázku nastavíme kanál na oboupolaritní, tedy +/-10V. Tomu bude odpovídat hodnota proměnné +/-27648.
V online režimu máme celou periferii správně nastavenu a funkční.
Výstupní napětí na analogových modulech nastavíme ve VAT tabulce proměnných. Hodnota 5000 proměnné QW302 odpovídá výstupnímu napětí dle vzorce (10V/27648)*5000, což je 1,80V.
Klikněte na obrázek pro zvětšení
Záporné napětí na výstupu dostaneme jednoduše změnou znaménka výstupní proměnné analogového kanálu. -10000 odpovídá podle výše uvedeného vzorce velikosti napětí -3,61V.
Zkusíme na výstupní napětí připojit osciloskop a mrkneme se, jak dokáže analogový výstup rychle reagovat na změny.
Asi takto jednoduše si to nastavíme v PLC programu, bit M1.7 budeme měnit po 1s, 100ms a taky jak nás napadne.
Pokud je vše v pořádku, na analogovém výstupu dostaneme takový průběh, bez jakýchkoliv zákmitů nebo překmitů. Vyzkoušejte si, jak se bude výstup chovat, bude-li se s cyklus změny přibližovat době cyklu CPU.
Závěr:
Analogové signály jsou druhé nejpoužívanější v automatizační technice jak u pevných CPU tak na periferiích, lhostejno od jakéhokoliv výrobce. Ovšem zásady zde uvedené platí téměř vždy. Setkali jsme se ale již s analogy, které například na jmenovitou hodnotu požadovali místo 27648 jinou velikost proměnné, to byly ale atypické moduly odněkud z východu. Mimochodem pokud jste si vyzkoušeli také formát S5, tak tam se právě jiná hodnota proměnné vyskytuje.
Pro dotazy nebo doplnění využijte možnost komentářů pod článkem.
Jaroslav Blažek
Doplňující odkazy k článku:
TB20 - systémový manuál: ZDE
Kontakt a doplňující informace: www.helmholz.cz
Další produkty Helmholz: www.helmholz.cz
