4 Організація введення сигналів через плати пзо
4.1 Підключення до різних джерел сигналу
Особливості електричної зборки системи управління на основі плат ПЗО розглянемо на прикладі конкретної плати аналогового введення.
Плата PCI-1710/1710HG фірми Advantech [ ] підтримує підключення 16 однопровідних чи 8 диференціальних аналогових входів. Конфігурація кожного вхідного каналу вибирається програмно, що зручніше, ніж настройка за допомогою повзункового перемикача. Тобто якщо який-небудь канал програмно встановлюється як однопровідний (чи диференціальний), то інші канали будуть зберігати свою індивідуальну конфігурацію.
Однопровідне підключення каналу. Однопровідна конфігурація має тільки один сигнальний провід на кожен канал, а вимірювана напруга Uвимє напругою відносно загальної землі. Джерело сигналу без локального заземлення називається джерелом, що плаває. Підключити однопровідний сигнал до джерела живлення, що плаває, досить просто.
Рисунок 4.1 показує однопровідне підключення джерела сигналу, що плаває, до каналу введення плати PCI-1710/1710HG.
Рисунок 4.1 – Однопровідне підключення каналу аналогового
введення
Диференціальне підключення каналу. Конфігурація диференціального входу має два сигнальних проводи на кожен канал, а напруга входу відповідає різниці напруги між вхідними сигналами високого і низького рівня. На платі PCI-1710/1710HG може бути до восьми каналів, якщо всі канали встановлені як диференціальні. Якщо який-небудь провід джерела сигналу з'єднаний з локальною землею, то джерело сигналу є заземленим. Земля джерела сигналу і земля PCI-1710/1710HG, узагалі говорячи, будуть мати різний потенціал, тому що замиканням через землю вони з'єднані з промисловим устаткуванням і проводкою будинків. Різниця між потенціалом землі джерела і землі приймача сигналу формує синфазний сигнал Uсинф. (синфазну заваду). Щоб уникнути ефекту паразитного контуру з замиканням через землю, викликаного напругою синфазного сигналу, можна підключити землю джерела сигналу до входу сигналу низького рівня.
Рисунок 4.2 показує підключення заземленого джерела сигналу до входу плати PCI-1710/1710HG. Завдяки такому з'єднанню операційний підсилювач придушує напругу синфазного сигналу між джерелом сигналу і землею плати.
Рисунок 4.2 – Диференціальне підключення вхідного каналу
плати ПЗО до заземленого джерела сигналу
Якщо джерело сигналу, що плаває, підключається до диференціального входу, напруга джерела сигналу може перевищити робочий діапазон синфазного сигналу диференціального підсилювача приймача, що заведе диференціальний підсилювач у режим насичення з помилковою вимірюваною напругою. Отже, необхідно з'єднати джерело сигналу з AIGND.
Рисунок 4.3 показує таке підключення джерела сигналу, що плаває, до входу плати PCI-1710/1710HG.
На цьому рисунку кожен провід джерела сигналу, що плаває, підключається до AIGND через опір. Таке підключення дозволяє відкинути напругу синфазного сигналу між джерелом сигналу і землею плати.
Проте, це підключення має недолік – навантаження джерела сигналу послідовною комбінацією опорів. Для прикладу, якщо вхідний опір джерела сигналу 1 кОм, а опір обох резисторів ra і rb по 100 кОм кожний, то похибка коефіцієнта підсилення складе мінус 0,5 %.
Рисунок 4.3 – Диференціальне підключення вхідного каналу плати
ПЗО до джерело сигналу, що плаває
Розглянуті приклади використання плат ПЗО стосуються випадків, коли довжина з’єднувальних проводів чи кабелів невелика (кілька метрів), а умови експлуатації – загальнопромислові. Інша річ – польові умови.
4.2 Прокладка кабелів у польових умовах. Загальні зауваження
Якщо при використанні будь-яких плат введення для збору даних з польових датчиків та вимірювальних приладів не забезпечити належного електромагнітного захисту, то природний фон навколишнього середовища може серйозно вплинути на точність вимірів. Нижченаведені рекомендації будуть корисні при прокладці сигнальних проводів між джерелами сигналів і платою PCI-1710/1710HG.
По-перше, необхідно переконатися, що сигнальні кабелі підведені до плати оптимальним образом. Проводку кабелю необхідно віддаляти від джерел перешкод. Доцільно тримати монітори КСУ якнайдалі від кабелів з аналоговими сигналами, тому що монітори є частим джерелом перешкод у системах збору даних на базі шини PCI.
По-друге, якщо необхідно знизити перешкоду синфазного сигналу, то треба намагатися використовувати диференціальне підключення аналогових входів.
По-третє, щоб сигнали не спотворювалися при передачі через зони з високим рівнем електромагнітних перешкод чи великими магнітними полями, доцільно дотримуватися наступної техніки прокладки кабелів. Для підключення до плати вхідних аналогових сигналів використовується індивідуальні екрановані кручені пари, наприклад сигнали високого і низького рівня переплітаються один з одним і поміщуються в екран. Заземлюється екран тільки в одній точці, з боку джерела сигналу.
По-четверте, треба переконатися, що сигнальні лінії не проходять через труби, тому що в них можуть бути прокладені силові лінії. Також доцільно сигнальні лінії віддалити від електродвигунів, автоматичних вимикачів і зварювального устаткування, тому що вони можуть створювати магнітні поля.
По-п’яте, сигнальні проводи, підключені до плати, варто прокладати під прямим кутом до високовольтних/ потужнострумових ліній електропередачі, або на достатньому видаленні від них при рівнобіжній до них прокладці.
Крім зовнішніх перешкод, передані сигнали самі можуть впливати на якість роботи плати. Щоб уникнути такого роду перешкод, рекомендується підключати джерела сигналу до плати, використовуючи спеціальний екранований кабель PCL-10168.
4.3 Використання додаткових клемних плат
Плата PCI-1710/1710HG оснащена 68-контактним з’єднувачем формату SCSI-II. Через цей з’єднувач і спеціальний кабель PCL-10168, що має екрановані по окремості аналогові і дискретні лінії, виконані у вигляді кручених пар, плата може підключатися до спеціальної клемної плати PCLD-8710.
Клемна плата дозволяє встановлювати додаткові пасивні елементи в спеціально відведені для них місця. За допомогою цих елементів можна збирати специфічні ланцюги нормалізації вхідних сигналів. Також можна побудувати будь-який фільтр низьких частот, дільники напруги і перетворювачі струму в напругу шляхом установки резисторів і конденсаторів у передбачені на клемній платі місця.
Нижче приведені приклади реалізації таких ланцюгів нормалізації вхідних сигналів.
Призначення ланцюга нормалізації вхідного однофазного сигналу (рисунок 4.4) можна змінювати шляхом вибору пасивних елементів.
Рисунок 4.4 – Схема ланцюга нормалізації вхідного
однофазного сигналу
Для прямого підключення джерела сигналу до плати PCI-1710/ 1710HG потрібно вибрати RA = 0 (перемичка), RB – не встановлюється, С – не встановлюється.
Для створення фільтра низьких частот зі смугою пропускання частот 1,6 кГц (за рівнем – 3 дБ) потрібно вибрати RA = 10 кОм, RB – не встановлюється, С = 0,01 мкФ.
Для створення дільника напруги 10:1 потрібно вибрати RA = 9кОм, RB = 1 кОм, С – не встановлюється. Це справедливо для джерела сигналу, внутрішній опір якого набагато менший за 10 кОм.
Для створення перетворювача струму в діапазоні 4-20 мА в напругу в діапазоні 1-5 В потрібно вибрати RA = 0 (перемичка), RB = 250 Ом ± 0,1%, С – не встановлюється.
При підключенні до плати джерела диференціального сигналу варто використовувати ланцюг нормалізації, схема якого наведена на рисунку 4.5.
Для прямого підключення джерела сигналу до плати PCI-1710/ 1710HG потрібно вибрати RAn = 0 (перемичка), Ran+1 = 0 (перемичка), RDn – не встановлюється, СDn – не встановлюється.
Рисунок 4.5 – Схема ланцюга нормалізації вхідного
диференціального сигналу
Для створення фільтра низьких частот зі смугою пропускання частот 1,6 кГц (за рівнем – 3 дБ) потрібно вибрати RAn = 5 кОм, Ran+1 = 5кОм, RDn – не встановлюється, СDn = 0,01 мкФ.
Для створення дільника напруги 10:1 потрібно вибрати RAn = 4,5кОм, Ran+1 = 4,5 кОм, RDn = 1 кОм, СDn – не встановлюється. Це справедливо для джерела сигналу, внутрішній опір якого набагато менший за 10 кОм.
Для створення перетворювача струму в діапазоні 4-20 мА в напругу в діапазоні 1-5 В потрібно вибрати RAn = 0 (перемичка), Ran+1 = 0 (перемичка), RDn = 250 Ом ± 0,1%, СDn – не встановлюється.
Додатково клемна плата обладнана ланцюгами компенсації температури холодного спаю CJC (Cold Junction Compensation), що дозволяє безпосередньо підключати термопари. Програми лінеаризації і компенсації дозволяють підтримувати широкий спектр існуючих термопар.