Często zachodzi konieczność pomiaru siły lub masy w kilku punktach pomiarowych oddalonych od siebie. Do realizacji takiego zadania producenci oferują urządzenia potrafiące mierzyć siłę za pomocą kilku tensometrycznych czujników siły.
Urządzenia te zazwyczaj przetwarzają sygnały z jednego do czterech czujników. Wadą tego rozwiązania jest ograniczenie liczby czujników, które można do takiego systemu podłączyć. Kolejnym istotnym problemem jest odległość między czujnikiem a urządzeniem pomiarowym. Zbyt długie przewody, przesyłające niskonapięciowe sygnały z mostkowych czujników tensometrycznych, są narażone na zakłócenia, co może być przyczyną przekłamań pomiarów oraz niestabilnych odczytów.
Komunikacja w sieci MODBUS i współpraca z panelami HMI
Na dokładność pomiaru mostkowych czujników tensometrycznych duży wpływ ma temperatura oraz jakość i długość przewodów połączeniowych. Na przykład przewód o długości kilkunastu metrów może mieć ponad jednoprocentowy wpływ na czułość układu pomiarowego. Istnieje kilka rozwiązań eliminujących ten wpływ:
podłączenie kablem 6-żyłowym lub zasilenie czujnika napięciem zmiennym (wymaga specjalnego wzmacniacza z wejściem kompensującym) – kompensuje długość przewodu, ale nie zabezpiecza przed zakłóceniami zewnętrznymi
zastosowanie oryginalnego kabla producenta – jednak jego wydłużenie może pogorszyć charakterystykę termiczną
zastosowanie dla każdego czujnika niezależnego przetwornika pomiarowego zaraz przy czujniku z wyjściem prądowym lub cyfrowym – nie wymaga stosowania długiego przewodu z czujnika oraz eliminuje wpływ zakłóceń zewnętrznych.
Dalej pokazano rozwiązanie pozwalające zbierać sygnały pomiarowe z wielu czujników tensometrycznych, które mogą być bardziej oddalone (>20 m) od punktu zbierającego i przetwarzającego pomiary.
Czujniki pomiarowe w sieci
Rozwiązaniem tego problemu jest stosowanie czujników z pojedynczymi wzmacniaczami pomiarowymi, które mogą przesyłać dane pomiarowe wspólną magistralą.
Firma WObit proponuje wzmacniacze WDT-1 do mostkowych czujników tensometrycznych. Urządzenie to nie ma wiele wspólnego z prostymi, stosowanymi niegdyś, analogowymi wzmacniaczami do czujników tensometrycznych. WDT-1 ma precyzyjny, cyfrowy przetwornik mierzący sygnał z czujnika z rozdzielczością 20 bitów. Ponadto w urządzeniu zaimplementowano cyfrowy filtr medianowy, skutecznie niwelujący zakłócenia zewnętrzne.
Parametry przetwornika WDT-1
Napięcie zasilania
14…28 V DC, 60 mA
Minimalna rezystancja mostka
200 Ω
Rozdzielczość pomiarów (wyjście cyfrowe)
0,001 % zakresu pomiarowego (dla typowego mostka o stałej 2 mV/V)
Najważniejszą cechą opisywanego wzmacniacza jest interfejs RS-485 z zaimplementowanym protokołem MODBUS RTU, który umożliwia podłączenie do 32 czujników na jednej magistrali. Tak wyposażony przetwornik (oprócz standardowego wyjścia napięciowego 0-10 V) pozwala na łączenie wielu czujników umieszczonych w dużych odległościach.
Interfejs MODBUS
W urządzeniu zaimplementowano wersję protokołu MODBUS, który ze względu na swoją prostotę jest wciąż stosowany w urządzeniach automatyki. MODBUS, opracowany w firmie Modicon, stał się standardem przyjętym przez większość znanych producentów sterowników przemysłowych do wymiany informacji między urządzeniami systemów pomiarowo-kontrolnych. O jego popularności i rozpowszechnieniu zadecydowały takie cechy:
prosta reguła dostępu do łącza oparta na zasadzie „master-slave”
zabezpieczenie przesyłanych komunikatów przed błędami
potwierdzanie wykonania rozkazów zdalnych i sygnalizacja błędów
skuteczne mechanizmy zabezpieczające przed zawieszeniem systemu
asynchroniczna transmisja znakowa zgodna z RS-232.
Struktura ramki w MODBUS RTU
Pierwszym polem informacyjnym ramki jest Adres (1 bajt) urządzenia. Kolejne stałe pola ramki to Funkcja (1 bajt), Dane (N × 1 bajt) oraz suma kontrolna CRC (2 bajty). Urządzenie SLAVE sprawdza, czy przesłany adres jest jego adresem własnym. Jeżeli tak, to kontynuuje interpretację pozostałych pól wchodzących w skład ramki. Adres o wartości 0 jest adresem rozgłoszeniowym i może być interpretowany przez wszystkie urządzenia na magistrali MODBUS.
Format ramki w trybie RTU
Znacznik początku
Adres
Funkcja
Dane
CRC
Znacznik końca
T1-2-3-4
8 bitów
8 bitów
N x 8 bitów
16 bitów
T1-2-3-4
Wzmacniacz WDT-1 może pracować z szybkościami transmisji 19 200 bps, 32 400 bps, 57 600 bps i 115 200 bps. Szybkość jest ustawiana w urządzeniu automatycznie w zależności od szybkości pracy urządzenia MASTER. Po włączeniu zasilania i rozpoczęciu nadawania ramek przez urządzenie MASTER, WDT-1 sprawdza poprawność ramek ustawiając po kolei wymienione szybkości. Gdy rozpozna właściwą, ustawia ją i od tego momentu może odsyłać ramki z danymi pomiarowymi.
Współpraca wzmacniaczy WDT-1 z panelami HMI
WObit proponuje panele HMI firmy KINCO (dostępne w ofercie firmy WObit) jako urządzenia zbierające dane z przetworników czujników. Najprostszy panel MD204L (rys. 5) jest ekonomicznym rozwiązaniem pozwalającym na wyświetlanie danych pomiarowych na wyświetlaczu monochromatycznym o przekątnej 4,3” i rozdzielczości 192×64 pikseli. Zasilany jest napięciem 24 V DC. Współpracuje ze sterownikami i kontrolerami większości producentów. Wyposażony jest w komunikacyjne porty RS-232, RS-422 oraz RS-485.
Niewątpliwą zaletą paneli jest nieskomplikowane środowisko programowania, pozwalające na dodawanie tekstu, wykresów, prostych kontrolek czy nawet grafiki. Programowanie odbywa się przez połączenie panelu z komputerem PC łączem RS-232.
Konfiguracja wzmacniacza WDT-1 z panelem MD204L
Na rys. 7 pokazano przykładowe połączenie dwóch wzmacniaczy WDT-1 z panelem MD204L. Jeden z nich ma ustawiony adres 1, a drugi 2. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, by podłączyć większą liczbę wzmacniaczy – do 32 (maksymalna liczba adresów ustawianych w WDT-1).
Programowanie panelu polega na dodaniu odpowiedniej kontrolki (np. pola liczbowego odczytującego wartość pomiarową) i ustawieniu dla niej 4 parametrów. Na przykład dla odczytu wartości pomiaru z przetwornika pierwszego dla dodanej kontrolki należy ustawić:
Adres urządzenia slave – Station: 1 (rys. 8 nr 1)
Adres rejestru, spod którego odczytywana będzie wartość pomiaru – Addr.: 3 (z dokumentacji WDT-1 jest to rejestr nr 3) (rys. 8 nr 3)
Typ rejestru – Type: 4× (z dokumentacji WDT-1 jest to rejestr odczytu n-rejestrów – 4×) (rys. 8 nr 4)
Wielkość zmiennej – Register: 2 (z dokumentacji WDT-1 jest to wartość 4-bajtowa, zajmująca 2 rejestry) (rys. 8 nr 2).
Przykładowe okna z oprogramowanego panelu MD204L
Gdy chcemy mieć możliwość modyfikowania danej zmiennej (np. parametr czułości mostka, tarowanie czujnika itp.), należy zaznaczyć opcję Set.
