Jste zde

Návrh PLC očima vývojáře – 2. část (Analogové vstupy)

Jan Robenek, 13. Srpen 2010 - 7:49

S programovatelnými automaty se můžeme setkat prakticky na každém „průmyslovém“ kroku. Aby je však mohli jedni zapojit a obsluhovat, musí je druzí nejdříve vymyslet, navrhnout a odladit. A právě takovému tvůrčímu přístupu se nyní budeme věnovat. Zároveň také představíme celou řadu doporučených polovodičových řešení.

Analogové vstupy

O co se jedná?

Jak již samotný název napovídá, budou tyto vstupy PLC pracovat s analogovými signály, které v daném provozu získáme z nejrůznějších čidel nebo také elektrických rozvodů. Hovoříme – li o čidlech, máme přitom na mysli převod fyzikálních veličin (v souvislosti se světlem, teplotou, zvukem, plyny, vibracemi apod.) na elektricky vyhodnotitelnou podobu. V rámci vstupní analogové trasy pak ještě před samotným navzorkováním v A/D převodníku (ADC) dochází k úpravě snímaného signálu tak, aby neutrpěla jeho integrita a bylo možno v celém rozsahu pracovat s nejlepším možným rozlišením. V průmyslovém prostředí, do kterého PLC také zpravidla navrhujeme, se však setkáváme se spoustou signálových úrovní, nejrůznějšími šířkami pásma a co je zvláště nepříjemné, bezpočtem zdrojů rušení či šumu. Stěžejní úkol tedy spočívá v maximálně možném potlačení každé irelevantní (nesouvisející) informace. Na druhé straně však musíme během převodu z analogového do číslicového světa udržet a nezatratit vše podstatné.

Od analogových vstupů PLC se očekává, že si budou rozumět s napěťovými i proudovými výstupy připojených čidel. Pokud jde o napěťové vstupy, setkáváme se s různými amplitudami, nejčastěji pak

0 až 10 V,
0 až 5 V,
±10 V nebo také
±5 V.

Nejoblíbenějším standardem pro vstupující proudy se stal rozsah

4–20 mA,

přestože se můžeme setkat i s

±20 mA.

Jak jsme již ostatně zmínili v předchozí části, navzdory označení 4–20 mA ve skutečnosti hovoříme o

0–24 mA.

Můžeme tak totiž jednoduše detekovat

rozpojený vstup (< 3.6 mA) nebo
překročení rozsahu (> 20 mA)

a ještě k tomu získat dostatečný prostor pro kalibraci. Abychom dále zajistili, že nikdy nedojde k přerušení proudové smyčky, zakončujeme obvykle proudové vstupy rezistorem s relativně malým odporem (např. v rozsahu 50 Ω až 250 Ω). Teprve pak přichází na řadu analogové zpracování.

Signálový řetězec

Na výběr máme hned několik topologií signálového řetězce, např.

souběžně vzorkující A/D převodníky a nezávislé vstupní zesilovače,
první stupeň, tvořený multiplexerem a následovaný běžnou zesilovací trasou až do A/D převodníku,

resp.

samostatné zesilovací kanály s multiplexerem, zařazeným až před A/D převodníkem.

Od vstupního dílu se dále běžně očekává jakási nezničitelnost v případě, vyskytne – li se na přívodech vyšší napětí, jak kladné tak i záporné, např. ±30 V nebo ještě více. Vstupní karta PLC s analogovými vstupy tak bude

chráněna před vnějšími poruchami,

příp. se může ještě lépe přizpůsobit proměnlivým souhlasným potenciálům, zakotveným na dlouhých přívodech od vzdálených snímačů. Mezi další kritické parametry řadíme

nízký teplotní drift

a také

minimální šum.

Chybu, vznikající při pokojové teplotě +25 °C, dokážeme potlačit vhodnou softwarovou kalibrací. Podobným způsobem „umíme zatočit“ i s následným driftem v širším provozním rozsahu teplot. Celá řada systémů si s tím však „hlavu neláme“ a proto zde hovoříme o tzv. kritické specifikaci.

Blokový diagram analogových vstupů PLC s vyznačeným polem působnosti pro polovodiče Maximu. Kompletní seznam doporučených řešení naleznete na www.maxim-ic.com/plc.

A/D převod

Standardní návrhy PLC zpravidla vyžadují A/D převodníky, pracující s vysokou přesností. Šířka pásma vstupujícího signálu pak definuje nezbytnou

vzorkovací rychlost ADC.

Parametry jako

SNR (Signal-to-noise Ratio) a
SFDR (Spurious-free Dynamic Range)

zase promlouvají do rozlišení převodníku, požadavků na filtraci nebo také velikosti zesílení. Rovněž nelze opomíjet způsob, kterým číslicový výstup přivedeme do mikrokontroléru či CPU. Tak třeba aplikacím s velkou šířkou pásma bude „více slušet“

paralelní, resp. rychlé sériové rozhraní.

I2C se svým 2linkovým digitálním rozhraním se zase lépe hodí do pomalejších systémů. Mají – li být výsledky měření na analogovém vstupu přenášeny prostřednictvím proudové smyčky 4 – 20 mA, můžeme v případě PLC volit mezi

ADC se samostatným D/A převodníkem (DAC),
integrovaným DAC, který může 4 – 20 mA linky budit přímo nebo
vysokonapěťovým operačním zesilovačem, zapojeným jako precizní zdroj proudu.

Pokud je předmětem našeho zájmu měření fázového posunu mezi jednotlivými kanály, nasadíme s výhodou vícenásobné nebo také souběžně vzorkující A/D převodníky.

Ikdyž se budou v praxi PLC používat různými způsoby, mohou přesto v celé řadě návrhů vykazovat některé společné rysy. Tak např. nejčastěji využívaným rozlišením pro A/D a také D/A převodníky se stalo to 16bitové. Pokud jde o Maxim, tak ten nabízí více než sto 16bitových ADC a DAC se širokým rozsahem vstupních a také výstupních napětí. Uvažujme nyní situaci, ve které bude nasazení senzorů s různou přesností vyžadovat tři odlišné A/D převodníky s 12, 14 a také 16bitovým rozlišením. Abychom tedy zbytečně nezvyšovali cenu a s ní i složitost daného řešení, můžeme příslušné bity číslicové interpretace signálu zvolených čidel vyloučit a vyšší rozlišení tak zapracovat pouze tehdy, je – li to opravdu potřeba. V takovém případě máme na mysli jediný A/D převodník s 16bitovým rozlišením, kterému multiplexováním vybíráme zvolené analogové průběhy (pochopitelně jsme předtím zvážili rozdíly v pořizovacích nákladech 12, resp. 16bitového převodníku a také další možné kompromisy). Využít přitom můžeme rozdílové vstupní zesilovače nebo také PGA (Programmable Gain Amplifier).

Budeme – li vybírat vhodný multiplexer, nesmíme opomenout rychlost s jakou připojené čidlo reaguje. Jinými slovy, potřebujeme stanovit šířku pásma vstupního signálu a také jak rychle se bude spínač otevírat nebo zavírat. Snímače s pomalou odezvou, vyhodnocující např. teplotu či vlhkost, vystačí s periodou několika vteřin. Rychlejší změny, odrážející např. rychlost, polohu nebo krouticí moment zase zpravidla za jednu sekundu vyžadují přinejmenším tisíce různých vzorků. S podobným přístupem se můžeme setkávat i na výstupní straně D/A převodníků, kde se parametry, související s multiplexováním, odvíjí od četnosti, se kterou musíme výstupy obsluhovat tak, abychom udrželi řízení v příslušných mezích.

Zpracování signálu a kalibrace

Při výběru součástek pro vstupní trasu analogového signálu potřebujeme jako vývojáři „pořešit“ spoustu věcí. V souvislosti se vstupy A/D převodníku, resp. případného multiplexeru, dochází k úpravě užitečného signálu, tj.

filtraci,
převodu proudu na napětí,
změně zesílení,
offsetu,
impedance nebo také
předpětí (stejnosměrný posun).

Pozornost přitom musíme věnovat jak

očekávaným a tudíž i předvídatelným napěťovým amplitudám včetně samotné polarity signálu

tak i

nenadálým a tudíž i nežádoucím přechodovým jevům, projevujícím se jak v napěťové tak i proudové rovině.

Maxim v této věci umožňuje výběr ze široké nabídky

operačních zesilovačů,
přístrojových zesilovačů,
PGA,
přesných rezistorů,
filtrů,
napěťových referencí,
A/D převodníků a také
multiplexerů,

čímž vhodně podporuje každý originální návrh PLC. Skutečně, nabídka Maximu zahrnuje také přesné rezistory, např. v podobě vysoce precizních napěťových děličů, zapouzdřených do SOT23 – viz např. [2], část Programmable Precision Voltage Dividers. V souvislosti s tímto druhem děliče viz také článek

Návrh měřicího USB modulu s osmi 16bitovými vstupy,

publikovaný na hw.cz. Pokud jde o kalibraci, tak ta zase zlepšuje dosahované parametry v čele s přesností.

PGA s rozhraním SPI,

pracovně označený jako MAX9939, se např. výtečně hodí do aplikací s termočlánky. Z jeho předností můžeme zmínit vnitřní referenci, rovnou polovině napájecího napětí, která „předepíná“ integrovanou polovodičovou strukturu a umožňuje tak zpracování jak kladně tak i záporně orientovaných průběhů. Vstupy integrovaného obvodu MAX9939 zase vykazují přechodovou ochranu v rozsahu ±16 V a účinně tak předchází možnému poškození celého PLC systému. K přepínání většího počtu vstupních kanálů můžeme použít

multiplexery (MUXy).

Multiplexery, které ustojí vyšší napájecí napětí, např. 72 V, resp. ±36 V, nebo se jen tak nezaleknou nějakého přepětí, mohou ušetřit nákladnější vnější struktury typu napěťových děličů nebo optorelé. Malé a zároveň také přizpůsobené odpory v sepnutém stavu (Ron) zde vytváří základní předpoklady pro minimální zkreslení, zvyšující celkovou spolehlivost, přičemž nízké parazitní proudy zase vhodně ovlivní chyby napěťového měření. V nabídce Maximu lze najít více než 15 ochranných, „vysokonapěťových“ muxů s nízkými parazitními proudy a ještě menšími odpory v sepnutém stavu, vhodné pro nasazení v PLC. (Osobně a sám za sebe se analogovému multiplexování nebráním a dokonce je i vítám. Rozhodně si však dám velký pozor v případě přesnějšího měření, kdy každý odpor různý od nuly, vložený do cesty užitečnému signálu, hraje svou roli i při neměnné pokojové teplotě, natož pak v nekompromisním provozu. A nemusí se přitom jednat jen o vstupní multiplexery. Spoustu zábavy můžeme užít i s analogovými, polovodičovými spínači, aktivujícími jednotlivé větve zpětné vazby...) Na vývojáři rovněž leží volba fyzického umístění obvodů pro zpracování signálu, ke kterému dochází ještě před samotným navzorkováním v A/D převodníku.

Různé snímače produkují na svých výstupech různé signálové úrovně – příliš malé nebo také příliš velké. Abychom tedy vhodně využili vstupní dynamický rozsah připojeného A/D převodníku, zapojujeme do cesty užitečného signálu

zesilovací, příp. také zeslabovací stupně.

Právě zmíněné bloky pak s radostí zajistí PGAčka nebo také samostatné (diskrétní) operační zesilovače, vybavené přesnými a teplotně stálými odporovými děliči. A/D převodníky přitom s takovými zesilovači pracují jako společní (tandemoví) hráči. Chtějí přitom v rámci omezení, která jim připraví

cenový,
výkonový (napájecí) a také
rozměrový

rozpočet zajistit nejlepší možný odstup SNR (Signal-to-noise Ratio). Další možnou a někdy také i výhodnou alternativu představuje nasazení ADC s již integrovanými stupni pro zpracování analogového signálu. Bez ohledu na to, co vše bylo na společný čip zapracováno a jakým způsobem, budou

napěťový rozsah,
nízký teplotní drift a také
minimální šumové pozadí

tvořit při výběru nejlepšího možného řešení (architektury) ty nejvíce kritické specifikace.

Představa průmyslového prostředí v sobě nese jasné zmínky o nesčetném množství zdrojů rušení a také šumů, které pochází např. z 50 Hz / 60 Hz výkonových sítí, ze kterých se pak s radostí navazují všude, kde se jim zlíbí – zpravidla tam, kde si to ale výslovně nepřejeme. Právě zmíněné nežádoucí rušení bychom tedy měli „zneškodnit“ nebo alespoň výrazně „umravnit“ ještě dříve, než vůbec začneme zesilovat. S výhodou přitom můžeme nasadit PGA či rozdílové zesilovače s

vysokým činitelem potlačení souhlasného signálu CMRR (Common-mode Rejection Ratio).

Maxim má ve své nabídce spoustu laserově trimovaných, pečlivě „sehraných“ odporových děličů, podporujících precizní zesílení nebo také potlačení užitečného analogového průběhu, bude – li si „příliš vyskakovat“. Na výběr rovněž máme přesné číslicové potenciometry, vhodné pro jemné doladění a také kalibraci nebo A/D převodníky s rozdílovými (diferenciálními) vstupy a PGA zesilovači, zapracovanými v rámci jednoho, jediného integrovaného obvodu.

Pro naplnění anti-aliasingových požadavků, spolu s potlačením nežádoucích zdrojů rušení na dalších kmitočtech, využíváme ještě před samotným navzorkováním v ADC dolnopropustné, resp. pásmové filtrace (propusti). Jako vývojáři PLC systémů pak můžeme vybírat mezi