В статье рассматриваются особенности барьеров искрозащиты дискретных сигналов типа «сухой контакт», контакт с контролем целостности цепи и сигнал стандарта NAMUR.
НПФ «КонтрАвт», г. Нижний Новгород
Настоящая статья посвящена барьерам искрозащиты, предназначенным для работы с дискретными сигналами. По традиции НПФ «КонтрАвт» не ограничивается отдельной новинкой, а выпускает сразу целую группу приборов с кодировкой КА52ХХЕх.
Особенности дискретных сигналов
Традиционные сигналы типа «сухой контакт» (контакты электромеханического реле, кнопки или тумблера, датчики с контактным выходом и т. п.) очень распространены, но обладают одним важным недостатком: при наличии соединительных линий (а они есть всегда) невозможно определить, является ли зафиксированное состояние истинным состоянием контактов (например, разомкнуты) или это наведенное состояние соединительных проводов. Например, нельзя определить, разомкнуты контакты или произошел обрыв в соединительной линии (рис. 1).
Рис. 1. Сухой контакт и соединительная линия без контроля целостности цепи
Обнаружение аварийных ситуаций
Проблему решает простая схема из двух резисторов, размещенных непосредственно на сухом контакте (рис. 2). Номиналы резисторов нормируются в определенном диапазоне значений. Принцип работы заключается в том, что регистрирующее устройство (в нашем случае барьер искрозащиты) прикладывает фиксированное напряжение к цепи (обычно это 8,2 В) и измеряет протекающий по цепи ток. Легко посчитать, что ток будет различным в четырех разных ситуациях: при замыкании/размыкании контактов и обрыве / коротком замыкании соединительной линии. Барьер искрозащиты по измеренному току определяет состояние контактов либо классифицирует аварийную ситуацию.
Рис. 2. Контакт с контролем целостности цепи
На графике на рис. 3 по вертикальной оси приведены возможные значения тока и соответствующие состояния цепи. Как видим, аварийные ситуации легко определяются.
Рис. 3. Состояние выходных сигналов и индикации при работе с сигналами NAMUR
Аналогичный принцип обнаружения аварийных ситуаций реализован, например, и в датчиках перемещения L (показано по горизонтальной оси), которые вырабатывают сигнал, удовлетворяющий стандартам NAMUR. Зависимость выходного тока от перемещения приведена на графике на рис. 3. Здесь также имеются две области значений выходного тока, которые соответствуют аварийным ситуациям: ОБРЫВ и КЗ.
Указанная выше группа барьеров искрозащиты КА52ХХЕх как раз и предназначена для работы с тремя такими видами дискретных сигналов – «сухой контакт», контакт с контролем целостности цепи, сигналами стандарта NAMUR. Эта группа барьеров имеет ряд особенностей.
Барьеры являются активными
Как и все барьеры искрозащиты из серии КА5000Ех, дискретные барьеры группы КА52ХХЕх являются активными. Цепи входов и цепи выходов гальванически развязаны между собой.
Барьеры обрабатывают сигналы NAMUR
Барьеры поддерживают функцию обнаружения аварийных ситуаций (ОБРЫВ, КЗ) при работе с контактами с контролем целостности цепи и сигналами NAMUR.
При работе с контактами с контролем целостности цепи и с сигналами NAMUR должен формироваться специальный сигнал ОШИБКА, указывающий на аварийную ситуацию в соединительной линии. В барьерах КА52ХХЕх обнаружение аварийных ситуаций проявляется следующими способами:
– индикация на передней панели (во всех модификациях) (рис. 4). Цвета индикаторов соответствуют рис. 3;
– специальный выход ОШИБКА в канале (в барьерах КА5241Eх, КА5242Ех, КА5262Ех). Данный выход присутствует в каждом канале;
– сигнал ОШИБКА на шине питания (в модификациях с шиной питания) гальванически изолирован и реализован на оптотранзисторе (50 В, 30 мА). В многоканальных барьерах этот сигнал появляется при возникновении аварийной ситуации в любом из каналов.
Рис. 4. Индикация режимов работы и DIP-переключатели
Включение-выключение функции определения ошибки
Барьеры искрозащиты в зависимости от того, с каким типом сигнала работают, должны обнаруживать (или не обнаруживать) аварийные ситуации: при работе с простым сухим контактом функция определения аварийных ситуаций должна быть отключена. В барьерах КА52ХХЕх это делается с помощью DIP-переключателей (рис. 4).
Питание по шине
Питание к барьерам можно подать к клемме питания. Однако каждый вид барьера имеет модификации, питание которых можно реализовать по шине питания (рис. 5). Это сильно упрощает и ускоряет монтаж целых групп барьеров. Заметим, что в данных модификациях на шину питания поступает и обобщенный сигнал ОШИБКА, общий для всех каналов.
Рис. 5. Барьер имеет шинный соединитель
Дублирование и инвертирование выходов
В барьерах КА5241Eх, КА5242Ех, КА5262Ех имеется два выхода на канал. Один выход СИГНАЛ транслирует работу входного сигнала. Второй выход либо дублирует работу выхода СИГНАЛ, либо является выходом ОШИБКА. Как выход СИГНАЛ, так и выход ОШИБКА могут быть инвертированы. Для этого производится специальная настройка с помощью DIP-переключателей (рис. 4).
Группа приборов КА52ХХЕх представлена одноканальными (КА5241Ех), двухканальными (КА5232Ех, КА5242Ех, КА5262Ех) и четырехканальными (КА5234Ех) барьерами.
Гальваническая изоляция входов
Двухканальный барьер искрозащиты КА5262Ех имеет гальванически несвязанные между собой входы.
Малая ширина корпуса
Учитывая то обстоятельство, что в системах дискретные сигналы обрабатываются в большом количестве, ширина корпуса играет важную роль. Барьеры размещаются в узких корпусах 12,5 и 22,5 мм, имеют ширину на канал от 5,5 до 12,5 мм.
Тип выходов СИГНАЛ и ОШИБКА
В зависимости от модификации канальные выходы СИГНАЛ и ОШИБКА могут быть реализованы на электромеханическом реле (250 В, 3 А) или на оптотранзисторе (60 В, 150 мА). Обобщенный выход ОШИБКА на шине питания выполнен на оптотранзисторе (50 В, 30 мА).
В заключение предлагаем ознакомиться с классификационной таблицей различных модификаций барьеров искрозащиты группы КА52ХХЕх, о которых мы говорили в данной статье (табл. 1).
Таблица 1. Барьеры искрозащиты группы КА52ХХЕх: классификация (увеличить изображение)
Напоминаем нашим читателям, что барьеры искрозащиты предоставляются в опытную эксплуатацию.
При подключении к схемотехнике цепей сигнализирующих о срабатывании замыканием (например, термостаты) появляется необходимость детектирования обрыва и короткого замыкания линии. Чтобы решить задачу детектирования используется вход и контакт NAMUR.
Вход и контакт NAMUR для детектирования обрыва и короткого замыкания линии.
Как реализовать этот механизм в простейшем случае при использовании АЦП микроконтроллера? Эмуляцию схемы привел здесь.
АЦП определяет напряжение на входе в зависимости от срабатывания ключа SW1 и состояния линии.
R1 защищает вход АЦП на случай короткого замыкания на линии, когда на АЦП по какой-то причине появляется напряжение. Например, случайно выставили пин микроконтроллера в pull up.
Предположим, что Vcc — напряжение питания микроконтроллера 3.3V. Когда линия в нормальном состоянии и ключ SW1 разомкнут, образуется делитель напряжения:
- Vацп = Vcc * (R2 + R3) / (R4 + R2 + R3) = 3.3 V * 11000 Ом / 11470 Ом = 3,165 V (При R2 = 1 кОм)
- Vацп = Vcc * (R2 + R3) / (R4 + R2 + R3) = 3.3 V * 12000 Ом / 12470 Ом = 3,176 V (При R2 = 2 кОм)
- Vацп = Vcc * (R2 + R3) / (R4 + R2 + R3) = 3.3 V * 10400 Ом / 10870 Ом = 3,157V (При R2 = 400 Ом)
При замыкании ключа R3 шунтируется и напряжение на входе АЦП:
- Vацп = Vcc * R2 / (R4 + R2) = 3.3 V * 1000 Ом / 1470 Ом = 2,245 V (При R2 = 1 кОм)
- Vацп = Vcc * R2 / (R4 + R2) = 3.3 V * 2000 Ом / 2470 Ом = 2,672 V (При R2 = 2 кОм)
- Vацп = Vcc * R2 / (R4 + R2) = 3.3 V * 400 Ом / 870 Ом = 1,517 V (При R2 = 400 Ом)
Если линия замкнулась, то Vацп = 0V
Если же произошел обрыв линии, то Vацп = 3.3 V
Разрешения АЦП современных микроконтроллеров достаточно для надежного детектирования разницы в напряжении. Тестирование АЦП микроконтроллера ESP32 и внешнего АЦП ADS1115 привел здесь.
«Сухой контакт» на входе Namur
Если вместо контакта NAMUR используется обычный «сухой контакт», тогда на входе АЦП будет:
- Vацп = 0V (контакт замкнут)
- Vацп = 3.3 V (контакт разомкнут)
Если линия длинная, то возможно добавление сопротивления линии и «наводок» искажающих величину напряжения. В этом случае для повышения точности детектирования можно использовать генератор тока на транзисторе(ах). В этом случае вход АЦП шунтируется эталонным сопротивлением для измерения величины тока протекающего по цепи.
Запись опубликована в рубрике IT рецепты. Добавьте в закладки постоянную ссылку.
Для тех кто «шпрехает» – http://www.namur.de.
NAMUR: NormenArbeitsgemeinschaft für Mess- Und Regelungstechnik der chemischen Industrie
(Группа, разрабатывающая стандарты для Контрольно-Измерительных Приборов в Химической Промышленности).
Приведенная схема отображает типичное построение искрозащитного усилителя с гальванической развязкой цепей.
На клеммы входной (управляющей) цепи подано напряжение 8,2 В постоянного тока. Ток, который при этом течет через датчик, опрашивается, но внутреннем резисторе R, (как правило – 1 кОм). При срабатывании (активировании) датчика изменяется ток во входной цепи, и переключающий усилитель преобразует аналоговый сигнал в пороговый.
Ниже приведена типовая характеристика «Расстояние переключения датчика Sn / ток» для искровзрывобезопасного датчика с двухпроводным токовым выходом стандарта NAMUR.
Датчики NAMUR предназначены для подключения к внешнему искрозащитному модулю, преобразующему изменения выходного тока в двухуровневый выходной сигнал (транзисторный или релейный) и обеспечивающему всестороннюю гальваническую развязку цепей (вход, выход, питание, а в многоканальных модулях – также развязку между каналами).
Контроль цепи датчика:
Внутреннее сопротивление датчиков стандарта NAMUR не может быть ниже 400 Ом. С другой стороны, максимальное сопротивление должно обеспечивать протекание тока не ниже, чем 0,05мА. Эти два граничных значения могут быть использованы для контроля цепи датчика на короткое замыкание и на обрыв провода.
Использование механического контакта во входной цепи:
Если вместо датчика или переменного резистора во входной цепи используется механический контакт, входной сигнал может оцениваться переключающим усилителем как обрыв провода (разомкнутый контакт) или короткое замыкание (замкнутый контакт). Поэтому необходимо включение дополнительных резисторов в цепь механического выключателя.
-для переключающих усилителей с контролем короткого замыкания во входной цепи
-для переключающих усилителей с контролем обрыва и короткого замыкания во входной цепи
Преимущества датчиков с выходом NAMUR:
– Возможность применения во взрывоопасных зонах в паре с сертифицированным переключающим усилителем.
– Контроль обрыва цепи и короткого замыкания осуществляется с помощью переключающего усилителя.
– Датчики с выходом NAMUR пригодны для детектирования быстрых перемещений и высоких скоростей вращения.
– При одинаковых корпусах, скорость срабатывания датчиков NAMUR выше, чем у обычных датчиков.
ATEX (Atmosphere explosive)
Конвенция о создании Европейского экономического сообщества содержит директиву 94/9/EC (также называется ATEX 100a) – унификация правовых норм в странах ЕС для приборов и защитных систем, предназначенных к использованию в средах, подверженных опасности взрыва.
Требования, касающиеся внешнего исполнения и конструкции оборудования, определяют отдельную классификацию, основанную на следующих зонах:
Область применения оборудования:
Взрывозащищенное оборудование имеет сертификаты одной из испытательных лабораторий стран ЕС. Ex в шестиграннике – маркировка взрывозащищенного оборудования по АТЕХ.
I- подземные выработки (шахтное);
II- наземное применение (химиндустрия, НХЗ, НПЗ и т. п);
0- Постоянное присутствие взрывоопасной атмосферы;
1- Временное присутствие взрывоопасной атмосферы;
2- Присутствие взрывоопасной атмосферы только при аварийных ситуациях;
D- пыль (для горючих пылей, волокон и взвесей);
Маркировка взрывобезопасности оборудования:
Классификация видов защиты:
d- взрывонепроницаемая оболочка;
e- защита вида “е” (повышенная);
o- масляное заполнение;
p- заполнение или продувка оболочки под Ризб;
q- кварцевое заполнение;
m- заполнение компаундом;
i- искробезопасная электроцепь: (данный тип взрывозащиты гарантирует, что опасная ситуация не может возникнуть в результате искры (при коротком замыкании), либо в случае внезапного обрыва цепи питания (энергия внутренней индуктивности прибора), либо в результате нагрева токонесущих проводов);
ia- опасная ситуация не может возникнуть при нормальной эксплуатации при помехах на линии и при любой комбинации двух возможных неисправностей;
ib- опасная ситуация не может возникнуть при нормальной эксплуатации, при помехах на линии и одной неисправности. После главного вида защиты может указываться дополнительный;
I- подземные работы;
II- наземное применение;
Для видов защиты “d” и “i” в случае наземного применения вводятся подгруппы IIA (Пропан), IIB (Этилен) и IIC (Водород). По величине БЭМЗ или МТВ
льная длина кабеля датчиков NAMUR:
При определении максимальной длины кабеля необходимо учитывать два условия:
В стандарте DIN EN60947-5-6 (NAMUR) определено максимальное сопротивление кабеля, которое не должно превышать 50 Ом. Рассчитываем максимальную длину кабеля исходя из максимально допустимого сопротивления.
I= R x Q / Rho
I = макс. длина в метрах
R = сопротивление в Ом
Q = сечение проводника мм2
Rho = номинальное сопротивление проводника (0,0175 для меди) в Ом/мм2
При установке во взрывоопасной зоне необходимо соблюдать максимально допустимые индуктивность и емкость.
Данные характеристики указаны в документации на датчики и изолирующие усилители.
Переключающие усилители с гальванической развязкой цепей
Переключающие усилители используются при решении большинства промышленных задач, где необходимо передавать бинарные сигналы из взрывоопасной во взрывобезопасную зону.
Данные усилители могут быть соединены с:
– механическими контактами
Приведенная схема отображает типичное построение цепи датчик искрозащитный усилитель.
На клеммы входной цепи подается стандартное напряжение 8,2 В постоянного тока. При этом значении напряжения во входной цепи, имеющей сопротивление Ri (как правило _ 1 кОм), падает определенное
значение напряжения. При изменении состояния датчика, изменяется его внутреннее сопротивление, следовательно изменяется ток и во входной цепи переключающего усилителя. Различие в величине тока включенного и выключенного датчика используется усилителем для определения порога переключения и, таким
образом, аналоговый сигнал преобразуется в пороговый.
Требования к датчикам/усилителям установлены стандартом EN 50227, в которым перечислены все важнейшие характеристики. На Рис. 2 изображена типичная выходная характеристикаиндуктивного датчика соответствующего стандарту EN 50227 (NAMUR) при номинальных условиях работы:
(U0 = 8, 2 В ± 0, 1 В; Ri = 1 k± 1 %;
TU = 20 °C ± 2 °C ).
Величина тока, при которой происходит переключение, имеет значение между 1.2 и 2.1 мА. Переключающие усилители TURCK откалиброванны на значение 1.55 мА, к которому необходимо прибавить значение
гистерезиса 0.2_0.4 мА. Величина гистерезиса обусловлена различием в расстояниях переключения датчиков, которое составляет до 10 % от номинальной величины (в зависимости от типа датчика).
Механические контакты также могут быть использованы взамен датчиков в качестве входных устройств. В этих случаях изменяются условия во входных цепях в следствие отсутствия внутреннего сопротивления открытого контакта. Это могло бы привести к тому, что механический контакт воспринимался бы переключающим усилителем с функцией контроля входной цепи, как обрыв или короткое замыкание (в зависимости от состояния “Вкл.” Или “Выкл.”). Преимущества устройств имеющих функцию контроля входной цепи, при использовании их вкупе с механическими контактами, позволяют получить шунтирующие сопротивления, которые симулируют уровни сигналов датчиков NAMUR для механических контактов.
При использовании многоканальных усилителей, любой неиспользуемый вход должен быть зашунтирован сопротивлением (10.. .22 kΩ) для невозможности контроля входной цепи этого входа (конечно исключая тот случай, когда эта функция устанавливается отдельно для каждого канала). Таким образом происходит защита от ложного определения состояния входа. TURCK выпускает переключающие усилители в следующих исполнениях:
– без контроля входной цепи (для датчиков NAMUR и механических контактов)
– с постоянным контролем входной цепи (для датчиков NAMUR и механических контактов с дополнительным сопротивлением)
– с контролем обрыва и короткого замыкания
– с программируемым контролем обрыва и короткого замыкания (для датчиков NAMUR и механических контактов с дополнительными сопротивлениями соответственно выбранной функции контроля).
Функция выхода устанавливается на переключающем усилителе и характеризует режим работы выхода вкупе с соответствующим входом. В каталоге необходимо обращать внимание на слова “нагруженный/нормально разомкнутый режим (NO)” и “ненагруженный/нормально замкнутый режим (NC)” что соответствует режиму работы выхода в случае использования механических контактов в качестве входного устройства.
Конвертор сигналов типа “NAMUR”
В последнее время все настойчивее ставится задача постоянного контроля исправности линий связи, идущих от датчиков дискретных сигналов. Промышленностью уже освоен выпуск приборов с датчиками типа «NAMUR», для которых разработаны соответствующие приемники преобразователи. Эквивалентная схема датчика типа «NAMUR» представлена на рисунках, они просты, но преобразователи сигналов для таких датчиков требуют более сложной схемотехники. Задачей преобразователей является определение как состояния датчика: включен отключен так и постоянная диагностика состояния линии связи норма, обрыв, короткое замыкание. Диагностика состояния линии связи является особенно важной для ответственных сигналов систем противоаварийной защиты ПАЗ. Отсутствие информации об отказах линий связи может приводить к нарушению выполнения отдельных функций систем ПАЗ или ложному срабатыванию защиты. Причина этому – невозможность в обычных схемах приема сигналов различить состояние датчика «отключено» от обрыва линии и состояние «включено» от короткого замыкания в линии. Наличие диагностики состояния линий связи позволяет системе принимать различные решения, включая предупредительные меры обеспечения безопасности.
Есть различные способы реализации контроля линий связи и состояния датчиков дискретных сигналов. Одним из самых полных и удачных методов диагностики линий связи является метод обтекания цепи датчика постоянным током. В данном методе для всех состояний датчика и сопротивления линии связи должны быть определены диапазоны токов, протекающих в линии с датчиком. Так например, для широко распространяющегося стандарта датчика типа «NAMUR» определены следующие параметры:
На рисунке 1 показан не дорогой вариант реализации схемы приёма дискретных сигналов и диагностики линий связи. Метод основан на компарировании порогов напряжения, вызванных протеканием тока в цепи датчика и линии связи. В схеме используется самый простой счетверенный операционный усилитель в одном корпусе, диоды резисторы и конденсаторы. Для заданных значений токов в цепи датчиков типа «NAMUR» произведены расчеты опорных напряжений для компараторов и значения сопротивлений, указанных в электрической схеме на рисунке 1 и 2. Выходные сигналы операционного усилителя можно в дальнейшем усилить либо транзисторным усилителем, либо включить оптопару, а также подключить светодиодные индикаторы – зеленый для отображения «состояния», красный для отображения «отказ». Такая схема рекомендуется при приеме постоянных или импульсных сигналов, с частотой не более 20 кГц (например сигналы турбинных расходомеров). Предложенная схема может работать как с обычными датчиками так и датчиками типа «NAMUR». При работе с обычными датчиками вывод «отказ» не используется.
Конвертор сигналов на 8 каналов.
Рассчитанные значения токов в цепи датчика учитывают возможность изменения сопротивления в линии и установку дополнительного сопротивление (например в виде пассивного барьера искрозащиты ( 260 Ом.)). Сопротивление цепи датчика, цепи линии и др. последовательно соединенных с ними приборов при замкнутом контакте датчика может принимать суммарно значение от 400 ом до 2,0 кОм. Для приведенного расчета тока в цепи датчика на схеме, в его цепи, установлено последовательно сопротивление 1 кОм, включающее в себя суммарно: собственное сопротивление установленного в датчик резистора, сопротивление линии связи и сопротивление барьера искрозащиты.
Напряжение питания цепи датчика может варьироваться, рекомендуемый диапазон от 7 до 9 вольт, соответственно этому изменению будет изменяться ток, протекающий через датчик, и пропорционально изменению напряжения пороги срабатывания компараторов. Диапазон изменения напряжения питания датчика входит в расчетные значения токов.
Для использования возможности контроля линий связи в существующих системах можно установить в цепи обычного датчика два резистора, как показано на рисунках, максимально приближенно к месту установки датчика. При этом необходимо учитывать допустимые токи в цепи датчика и в соответствии с этими ограничениями производить расчет токов в цепи и выделяемые тепловые потери на резисторах датчика и преобразователя.
Подводя итоги данной статьи, хотелось бы отметить необходимость закрепления в нормативных документах Ростехнадзора, регулирующих требования к системам безопасности, важного требования об обязательном применении средств диагностики состояния линий связи от датчиков дискретных сигналов.
Конвертор сигналов на 3 канала
Сейчас Вы – Гость на форумах «Проектант». Гости не могут писать сообщения и создавать новые темы. Преодолейте несложную формальность – зарегистрируйтесь! И у Вас появится много больше возможностей на форумах «Проектант».
Последние сообщения на форуме «Автоматизация, Связь, Сигнализация»
19 Марта 2023 года, 16:18
17 Марта 2023 года, 09:14
15 Марта 2023 года, 14:37
01 Марта 2023 года, 12:30
23 Февраля 2023 года, 15:37
18 Февраля 2023 года, 08:01
16 Февраля 2023 года, 11:04
16 Февраля 2023 года, 11:02
16 Февраля 2023 года, 08:59
13 Февраля 2023 года, 07:53
11 Февраля 2023 года, 15:39
06 Февраля 2023 года, 22:34
30 Января 2023 года, 11:12
25 Января 2023 года, 18:47
