Analóg jelek kezelése



A digitális jeleknél a jelnek két állapotát különböztetjük meg. Ez a két állapot rendszerint egy-egy feszültség szint, amely egy előre jól meghatározott és egymástól könnyen kezelhetően elkülönülő  feszültségtartományba esik. Az egyik, iparban gyakran alkalmazott digitális jel a 24V-os jel. Egy S7-300 analóg modul egy bemenetén a tipikus gyári adatok szerint a feszültségszintek a következők:
+13 - +24V = logikai "1"
-30 - +5V = logikai "0"



Mivel egy digitális jelnek csak két állapota van, kevés információt hordoz, így bizonyos feladatokra nehezen használható fel.

Az analóg jel is előre meghatározott tartományba eső elektromos jel, de nem csak két állapotát különböztetjük meg. Iparban gyakori szabványos analóg jelek:
Ahogy a digitális jeleket digitális bemenetek fogadják a PLC-ben, úgy az analóg jeleket analóg bemenetek tudják feldolgozni. Az analóg bemenetek fontos jellemzője az, hogy milyen jelfajták kezelésére képesek (lásd a fenti felsorolást). Egy bemenet rendszerint többféle jel fogadására is képes (egyszerre csak egy, de állítható, hogy melyik). Pl. egy 0-10V-ra alkalmas bemenet sokszor beállítható 0-20mA-re vagy -10-+10V-ra is. A hőelemek jelének fogadására alkalmas bemenetek esetében rendszerint csak a hőelem fajták között választhatunk
Másik fontos tulajdonság a felbontás. Az analóg jelet az analóg bemeneti modulban egy A/D (analog-digital) átalakító alakítja át. Az A/D az analóg jelet tartományokra kvantálja, a PLC programunkkal pedig kiolvashatjuk, hogy az átalakító bemenetén mekkora a jel. A felbontás tulajdonképpen ezeknek a tartományoknak a száma. Természetesen minél több ilyen tartományra osztja az A/D az érkező jelet, annál jobb, a felbontás annál nagyobb és a mérés annál pontosabb lesz.



Ezek a tartományok a bement/kimenet grafikonon lépcsőket alkotnak. Ezeket a feszültség lépcsőket tudja az A/D megkülönböztetni egymástól. Minden lépcsőfokhoz egy digitális kód tartozik az A/D kimenetén. Nagyobb felbontás esetén több a lépcső.

Harmadik fontos tulajdonság a sebesség. Az A/D átalakító sebessége véges, a bemenetére kerülő analóg jel mérése időt vesz igénybe. Továbbá egy analóg bemeneti modul általában több analóg bemenetet is tartalmaz, de a modulon mégis csak egy A/D átalakító van, nem tartozik minden bemenethez külön A/D. A bemeneteket a modul ezért multiplexeli, vagyis az A/D átalakítóra egymás után kapcsolgatja rá a modul egyes bemenetein érkező jeleket. Amikor az A/D az egyiket megmérte, kapcsolja a következőt. Ez tovább csökkenti a sebességet és növeli egy adott bemenetre nézve az egymás utáni mérések között eltelt időt.

 
Az ábrán egy S7 analóg modul vázlata látható feszültség mérésre.

Az analóg bemenetek sebessége PLC-nél viszonylag kicsi, a mérési gyakoriság ms nagyságrendű. Általában ez elegendő, ha figyelembe vesszük, hogy a PLC ciklus ideje is ebbe a nagyságrendbe esik (a PLC ciklusoknál sokkal gyorsabb A/D alkalmazásának nem volna értelme, mert a keletkező adatok feldolgozását a PLC programja nem volna képes elvégezni).

Analóg jelekkel méréseket szoktunk végezni. Analóg jeleket távadók, vagy mérő jeladók szolgáltatnak. Ezek a távadók valamilyen fizikai mennyiséggel arányos jelet adnak, így analóg bemenetre vezetve ezeket, a PLC programja képessé válik a távadó által mért érték pontos meghatározására.
A távadó mérhet hőmérsékletet, áramlást, nyomást, ellenállást, áramot, feszültséget, fordulatszámot, elmozdulást, távolságot, intenzitást, szintet, sebességet, egyszóval sokmindent. A lényeg mindig az, hogy a távadó által szolgáltatott jel (legyen az bármelyik jelfajta) valamilyen ismert összefüggésben van az általa mért dologgal. Így az analóg bemenetre érkező jel révén annak mértékéből és a távadó paramétereinek ismeretében a PLC program ki tudja számolni mit mér a távadó.

Hogyan?
Amikor analóg bemeneti modult helyezünk el a Step7 HW konfig szerkesztőjében, a modul címeket kap. Minden analóg bemenet külön címet. Minden érték két byte, integer típusú. Ezeken a címeken keresztül tudja a program kiolvasni a címhez tartozó bemeneten lévő analóg jellel arányos értéket.



Az ábra a HW konfigban a CPU rack moduljait mutatja, ahol az első modul egy két bemenetű analóg modul (AI2x12bit). A modul a 256-259 bemeneti (PIW) címtartományt kapta, ami 4 byte. Mivel egy analóg bemenethez 2 byte tartozik (1 word) ezért a PIW256-os cím olvasásával az egyik a PIW258-as cím olvasásával a másik analóg bemenetet olvashatjuk a PLC programból (ezen a modulon 2 analóg bemenet van).

Az analóg modul elhelyezésével, beállításával és huzalozásával kapcsolatos néhány információ egy korábbi írásban olvashatók.

Ha a bemenet nem ellenálláshőmérős mérésre van beállítva (pl. Pt100) akkor a bemenethez tartozó periféria címen egy 0-27648 vagy -27648 - +27648 tartományba eső értéket olvashatunk ki a beállított jelfajtától és a használt modultól függően.
A bemenet címéről beolvasott  érték arányos a bemeneten lévő feszültséggel (vagy árammal).:



Az ábra 0-10V-os bemenetre érkező szintmérő, áram és távolság távadó jelét mutatja példaképpen, a bemeneten lévő feszültségekkel és a PLC program által a bemenet regiszteréből olvasott értékkel. (Ezek a mérések nincsenek egymással összefüggésben, ez három különböző példa a mérésre)
Mint ahogy az analóg bemenetek több féle jelet képesek fogadni, úgy különböző jeleket szolgáltató távadók is vannak. Nem nehéz belátni, hogy a mérés akkor fog működni, illetve akkor lesz pontos, ha a bemenetünk olyan jellel dolgozik, mint amilyet a távadó szolgáltat, hiszen egy 4-20mA-es távadót közvetlenül nem köthetünk egy Pt100-as mérésre szolgáló bemenetre.

Az analóg bemenetek méréstartományán van ráhagyás, ezért +/-27648 és nem +/-32767 az értéktartomány. A méréshatárt úgy állapítják meg, hogy a szabványos jel maximuma fölött még néhány százalék tartalék legyen.



A táblázatban egy S7 modul 0-20mA és 4-20mA-es mérését látjuk. A Dec/Hex oszlop az analóg bemenetről érkező értékeket mutatja, a 0 to 20 mA és 4 to 20 mA oszlopok a bemeneten folyó áramot. Ezzel a módszerrel a PLC program biztonságosan képes érzékelni a jel túlcsordulását, és az analóg modul a méréstartomány közelében sem lesz túlvezérelve.

Az S7 modulok többsége nem csak egy fajta analóg jel fogadására alkalmas, át lehet őket állítani többféle jelhez. Ezt a hardver konfig-ban is meg kell tenni és csavarhúzóval hardveresen is. Az ilyen modulok oldalán van egy dugaszolható méréshatár váltó. A dugasz négyzet alakú, így négyféleképpen helyezhető a modulba, ez négy különböző jelfajtát jelent.



A pozíciókat A, B, C, D betűk jelölik. Jellemző, hogy nincs minden bemenethez ilyen dugó, egy dugó két bemenet jelfajtáját állítja. Tervezésnél ezért mindig figyelembe kell venni, hogy az a két bemenet, amit egy dugó konfigurál, csak egyforma jelfajtához állítható be!
A HW cfg-ben a bemenetekhez tartozó jelfajtát (Measuring type, ami egyben megadja az említett dugó helyzetét) és azon belül a méréstartományt is meg kell adni. Ez utóbbi már lehet eltérő, de pl. a feszültség mérésre állított két bemenet csak feszültséget tud majd mérni, a méréstartomány viszont eltérhet:

   

A HW cfg-ben a dugó (más néven: Range Selection Module) beállításának azonosnak kell lenni a modulon valóban beállítottal!

Az áram bemenetre is beállítható modulok 2 vezetékes (2DMU) vagy 4 vezetékes (4DMU) módban is működhetnek.



A két vezetékes módnál a távadóhoz csak két vezeték csatlakozik.
Ezt nevezik soros táplálású megoldásnak is, ilyenkor a távadót a modul analóg bemenete táplálja meg. Vagyis a modul feszültséget ad ki a modul bemenetein és a távadó ezt a feszültséget használja fel a mérőáram létrehozására.
Mivel az ilyen távadóknak nincs szüksége külön tápfeszültségre, a tápfeszültségüket is a mérőjelből nyerik. Ezért 2 vezetékes módban nincs 0-20mA-es jelforma, mivel a távadó nem lenne képes tápfeszültséget nyerni a mérőbemenet feszültségéből úgy, hogy azon nem hajt át valamekkora áramot. Ilyenkor tehát csak 4-20mA-es jellel dolgozhatunk.

A négy vezetékes mód lényege az, hogy a bemenet nem ad ki feszültséget, csak a bemeneten átfolyó áramot méri. Ilyenkor a távadó a mérőjel feszültségforrása, a bemenet passzív terhelésként viselkedi. Az ilyen távadóknak külön tápfeszültségre van szükségük.



Példa
Elmondható tehát, hogy analóg méréshez az alábbi dolgok fontosak:
Ha a huzalozás, a távadó választás, a jel fajtája és az analóg modul beállítása megfelelő, az analóg bemenethez tartozó periféria input szóból (PIW) kiolvasható a bemenethez tartozó érték.
Általában első lépés a PLC programban az analóg jel kezelésével kapcsolatban az, hogy a modulról beolvasott 0-27648 értéket átkonvertáljuk a távadó által mért fizikai mennyiséggé. Úgy sokkal könnyebben kezelhető és a kijelzése is egyszerűbb.

Lássunk egy konkrét példát analóg modul használatára.
A modul egy 4 be és 2 kimenetet is tartalmazó SM334 típus. (6ES7 334-0KE00-0AB0)

A modulon lévő 4 bemenet közül a 0. és 1. csak ellenállás mérésre alkalmas, a másik kettő 0-10V-os feszültség és ellenállás mérésre is. A példában feszültséget mérünk és erre a 2. bemenetet (CH2) használjuk fel. A feszültséget egy potenciométert tartalmazó feszültség osztóval állítjuk elő, így a potenciométer állításával változni fog a bemenetre jutó feszültség. Tekintsük ezt a potenciométeres feszültség osztót olyan távadónak, ami valamit mér. (A példában a szemléltetés miatt szerencsésebb ez az állíthatóság, ezért nem mérő-távadót kötöttem rá)
A modul bekötése az alábbi:



A HW config:
Ezen a modulon nincs hardveres jelfajta beállítási lehetőség, a mérőjelet csak a HW configban kell meghatároznunk:



A jel fajtájának meghatározásán kívül fontos a bemenet címe is. Ezt automatikusan beállítja, általában ez megfelel, de szükség esetén átállítható. A képen is látható, hogy az analóg modul bemenetei a 272-279-es címtartományt kapták. Minden bemenet egy két byte-ot vagyis egy word-öt foglal el ebből a tartományból. A kiosztás sorfolytonos:

PIW272: CH0, bemenet
PIW274: CH1, bemenet
PIW276: CH2, bemenet
PIW278: CH3, bemenet

Mivel a CH2 bemenetet használjuk, a PIW276-os címen érjük el majd a bemenet által mért feszültséggel arányos értéket. (PIB276-PIB277-es című byte)
Ha létrehozunk egy VAT táblát, amibe beletesszük a PIW276-ot, láthatjuk ahogy az érték változik a potméter forgatásával:



Megvan tehát az analóg bemenet, már csak skálázni kell.
Az analóg bemenetről kapott értéket előbb skálázzuk át feszültség értékre. Skálázás után tehát egy olyan számot kapunk, ami megfelel az analóg bemeneten V-ban mért feszültségnek.
Amikor csak a végértéket kell skálázni, (mint jelen esetben is), a képlet egyszerű, hiszen a 0 beolvasott értékhez 0V bemenő feszültség tartozik. A skálázás így egy egyszerű szorzás (vagy osztás) lesz.
Tudjuk, hogy 0V-nál 0 érték olvasható PIW276-ról és azt is, hogy 10V-nál 27648-at kapunk.

27648/10=2764,8
A PIW276-ról beolvasott értéket el kell osztani 2764,8-al és megkapjuk a bemeneten lévő feszültséget V-ban:



Egy egyszerű WinCC Flexible project szemléletesebbé teszi a példát:

Video: kb 3.5MB



Kapcsolódó írások:
Analóg jelek kezelése S7-300/400 PLC-vel
Analóg késleltetővonal

Felhasznált irodalom:
Training document for the company-wide automation solution MODULE B2 Analog value processing
S7-300 and M7-300 Programmable Controllers Module Specifications Reference Manual




Szirty