Аналоговый выход можно описать как традиционный тип сигнала в технике измерения и управления. Актуальна ли сегодня такая передача сигнала? Чтобы ответить на этот вопрос, в этой статье объясняется принцип работы и возможности передачи аналогового сигнала. Свойства аналоговой передачи сигналов и интерфейсов Industrial Ethernet сравниваются друг с другом, чтобы в будущем вы могли сделать правильный выбор для своего применения.
Ток или напряжение?
С аналоговым выходом пользователь обычно может выбирать между выходом по току или по напряжению. В зависимости от выбора измеряемая величина, например, положение, передается на контроллер в виде непрерывно текущего сигнала тока или напряжения. В случае магнитострикционного датчика с аналоговым выходом, такого как R-серии V Analog, длина хода отображается в диапазоне, например, 0…20 мА или 4…20 мА или 0…10 В или –10…+10 В. Основные характеристики сигнала тока и напряжения:
- - Сигналы напряжения могут быть легко измерены.
- - При измерении токового сигнала цепь должна быть разомкнута.
- - Сигналы напряжения затухают на больших расстояниях из-за сопротивления проводов.
- - Текущие сигналы обычно не становятся слабее на больших расстояниях.
- - Токовые сигналы нечувствительны к электромагнитным помехам.
- - При токовом сигнале 4…20 мА неисправный провод приводит к протеканию тока 0 мА, что позволяет быстро обнаружить неисправность кабеля.
Аналоговый или цифровой?
Для датчика, подобного R-серии V Analog, в технических характеристиках указано разрешение 16 бит. Почему для аналогового выхода указывается цифровое значение разрешения? В аналоге R-серии V измеренное значение доступно как результат определения положения внутри датчика в цифровой форме с разрешением 0,1 мкм. Это цифровое значение преобразуется в сигнал напряжения или тока для аналогового выхода с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП, используемый в R-серии V Analog, имеет разрешение 16 бит. Это означает, что преобразователь может отображать 216 = 65 535 различных градаций, то есть длина хода датчика делится на 65 535 равных шагов. Это схематически показано на рис. 1 для двух датчиков с разной длиной хода. В этом примере длина хода двух датчиков отображается с разрешением 3 бита = 23 = 8 шагов.
В таблице 1 приведен размер шага в зависимости от длины измерения для 16-битного цифро-аналогового преобразователя (длина измерения равномерно распределена по доступным 65 535 шагам):
| Длина хода | Размер шага |
| 25 mm | 0.4 µm |
| 65.5 mm | 1 µm |
| 2,000 mm | 31 µm |
| 7,620 mm | 116 µm |
Следовательно, размер шага увеличивается с увеличением длины хода. И наоборот, это означает, что чем меньше длина хода, тем меньше размер шага. И чем меньше размер шага, тем точнее регистрируются изменения положения.
Аналоговый сигнал генерируется из равномерно распределенных шагов. Это показано на рис. 2 для сигнала напряжения 0…10 В при разрешении 3 бита. В этом примере каждый шаг вызывает изменение напряжения на 1,25 В. Для V Analog серии R с разрешением 16 бит один шаг при сигнале напряжения 0…10 В вызывает изменение напряжения на (10 В / 65 535 шагов) = 150 мкм. То же самое относится и к выходному току. Например, при токовом выходе 4…20 мА доступные 16 мА распределяются на 65 535 шагов. Таким образом, один шаг обеспечивает изменение тока на (16 мА / 65 535 шагов) = 244 нА. Это означает, что измерительный прибор или контроллер должен иметь разрешение в диапазоне нА или мкВ независимо от длины хода датчика, чтобы регистрировать измеренные изменения положения.
В R-серии V Analog, как и в R-серии 2004 Analog, в дополнение к положению скорость или скорость, с которой перемещается позиционный магнит, могут сообщаться через дополнительный канал. Пользователь может выбирать между скоростью и скоростью. Скорость означает, что сообщается абсолютное значение скорости перемещения позиционного магнита, независимо от направления измерения. Со скоростью аналоговое значение также используется для сообщения о том, в каком направлении перемещается позиционный магнит, то есть движется ли он вперед или назад.
Аналоговый или промышленный Ethernet?
Как уже упоминалось, аналоговый выход можно охарактеризовать как традиционный тип сигнала, потому что этот тип передачи сигнала очень давно используется в промышленных условиях. В дополнение к аналоговому выходу также получили распространение интерфейсы Industrial Ethernet, такие как EtherCAT®, EtherNet/IP™, POWERLINK или PROFINET. В таблице 2 сравниваются существенные различия между аналоговой передачей сигналов и интерфейсами Industrial Ethernet.
Из Таблицы 2 видно, что интерфейсы Industrial Ethernet могут выполнять больше, чем аналоговый вывод (одновременная передача нескольких порций информации, двунаправленная связь между датчиком и контроллером, например, для настройки параметров, синхронные измерения для управления движением, поддержка различных топологий, для гибкой настройки). Это делает эти интерфейсы намного более сложными, чем передача аналоговых сигналов, что также влияет на установку и проверку.
| Особенность | Передача аналогового сигнала | Промышленный Ethernet интерфейс |
|---|---|---|
| Возможность проверки передаваемого сигнала | Подключение к мультиметру | Подключение к управлению |
| Поддерживаемая топология | Звезда | Линия, дерево, звезда, кольцо |
| Прокладка кабелей | 1 кабель на датчик | 3 кабеля на датчик: 2 × линия передачи данных + 1 × источник питания |
| Длина кабеля | > 100 м возможно | Максимум 100 м без дополнительных устройств |
| Переданная информация | Только 1 функция, например, позиция | Различные функции, например, информация о местоположении, скорости и состоянии одновременно |
| Направление связи | Однонаправленный: только от датчика к контроллеру | Двунаправленный: от датчика к элементу управления и от элемента управления к датчику |
| Минимальное разрешение | В зависимости от длины хода | Независимо от длины хода |
| Синхронизация для сбора данных |
Невозможно | Возможно |
Существует множество областей применения, в которых аналоговая передача сигналов очень хорошо подходит и может дать свои преимущества по сравнению с интерфейсами Industrial Ethernet, например, судовые шлюзы: Шлюзовые системы для самоходных барж обычно имеют длину более 100 м, поэтому часто используется аналоговая передача сигналов. здесь. Кроме того, точность в миллиметровом диапазоне достаточна, например, при перемещении шлюзовых затворов, так что можно воспользоваться преимуществом простой проверки передаваемого сигнала на месте с помощью мультиметра.
Устаревший или современный?
Вопрос о подходящем типе передачи зависит от применения и условий эксплуатации. Как аналоговая передача сигналов, так и интерфейсы Industrial Ethernet (а также передача данных через SSI) хорошо зарекомендовали себя в промышленной среде. Заранее пользователь должен уточнить, какой тип передачи подходит для его области применения, чтобы он мог сделать правильный выбор для решения своей задачи.