اتصال سنسور آنالوگ به PLC یکی از مراحل کلیدی در اتوماسیون صنعتی است که برای دریافت و پردازش سیگنال‌های پیوسته از حسگرها انجام می‌شود. این فرآیند مستلزم رعایت استانداردهای سیم‌بندی، تنظیمات صحیح ورودی آنالوگ و کالیبراسیون مناسب برای اطمینان از دقت داده‌های دریافتی است.
نحوه اتصال سنسور آنالوگ به plc
برای اتصال سنسور آنالوگ به PLC باید مراحل زیر را به‌دقت انجام دهید تا سیگنال‌های حسگر به‌درستی دریافت و پردازش شوند.
۱. انتخاب سنسور مناسب
پیش از انجام هرگونه عملیات سیم‌بندی و پیکربندی نرم‌افزاری، جهت اتصال سنسور آنالوگ به plc باید نوع سنسور متناسب با نیاز سیستم تعیین شود. انتخاب سنسور مناسب نه‌تنها بر دقت اندازه‌گیری و کیفیت داده‌های ورودی به PLC تأثیرگذار است، بلکه در بسیاری از موارد می‌تواند باعث افزایش پایداری سیستم کنترلی، کاهش هزینه‌های نگهداری و بهبود عملکرد کلی فرایند صنعتی شود.
به‌طور کلی، سنسورهای آنالوگ دارای دو نوع خروجی اصلی هستند که هریک از آن‌ها ویژگی‌های خاص خود را داشته و برای کاربردهای مختلف بهینه شده‌اند:
الف) سنسورهای دارای خروجی ولتاژی (Voltage Output Sensors)
این دسته از سنسورها خروجی خود را به‌صورت یک سیگنال ولتاژی پیوسته ارائه می‌دهند که مقدار آن معمولاً در یکی از بازه‌های استاندارد ۰ تا ۱۰ ولت، ۰ تا ۵ ولت، ۱ تا ۵ ولت یا -۱۰ تا +۱۰ ولت قرار دارد. استفاده از این نوع سنسورها در سیستم‌هایی که دارای فاصله کوتاه بین سنسور و PLC هستند و سطح نویز محیطی کم است، گزینه مناسبی محسوب می‌شود، زیرا سیگنال ولتاژی در برابر نویز حساسیت بیشتری دارد و در فواصل طولانی ممکن است دچار افت یا اعوجاج شود.
ب) سنسورهای دارای خروجی جریانی (Current Output Sensors)
در مقابل، برخی از سنسورها خروجی خود را در قالب جریان الکتریکی ارائه می‌دهند که متداول‌ترین استانداردهای آن ۴-۲۰ میلی‌آمپر و ۰-۲۰ میلی‌آمپر است. استفاده از سیگنال جریانی مزایای متعددی دارد که مهم‌ترین آن‌ها مقاومت بالا در برابر نویزهای الکتریکی و امکان انتقال سیگنال در فواصل طولانی بدون افت کیفیت یا تأثیرپذیری از مقاومت سیم‌ها است. به همین دلیل، سنسورهای جریانی معمولاً در محیط‌های صنعتی با سطح نویز بالا یا در مواقعی که سنسور در فاصله زیادی از PLC نصب شده است، انتخاب بهتری محسوب می‌شوند.
ملاحظات مهم در انتخاب نوع خروجی سنسور:
- سطح نویز الکتریکی محیط صنعتی: در محیط‌های دارای موتورهای الکتریکی، اینورترها و خطوط قدرت، سنسورهای جریانی توصیه می‌شوند.
- فاصله بین سنسور و PLC: برای فواصل طولانی‌تر از ۱۰ متر، خروجی جریانی مناسب‌تر است، زیرا افت ولتاژ در طول کابل تأثیری بر دقت اندازه‌گیری ندارد.
- سازگاری با ورودی آنالوگ PLC: قبل از انتخاب سنسور، باید اطمینان حاصل شود که PLC دارای ورودی متناسب با نوع سیگنال خروجی سنسور باشد. برخی از PLCها فقط یک نوع ورودی (ولتاژی یا جریانی) را پشتیبانی می‌کنند، درحالی‌که برخی دیگر دارای ورودی‌های چندگانه با قابلیت تنظیم از طریق نرم‌افزار هستند.
ما در این مقاله در رابطه با PLC (کنترل کننده منطقی برنامه پذبر)و انواع PLC صحبت کرده ایم.
۲. بررسی قابلیت‌های ورودی آنالوگ PLC
پس از تعیین نوع سیگنال خروجی سنسور برای اتصال سنسور آنالوگ به plc، باید مشخص شود که PLC مورد استفاده، چه نوع ورودی آنالوگی دارد و آیا مستقیماً با خروجی سنسور سازگار است یا نیاز به مبدل سیگنال وجود دارد. ورودی‌های آنالوگ در PLC معمولاً به‌صورت ماژول‌های مجزا یا به‌عنوان بخشی از سخت‌افزار داخلی دستگاه ارائه می‌شوند و معمولاً در دو نوع اصلی دسته‌بندی می‌شوند:
- ورودی‌های ولتاژی (Voltage Inputs – AI_Voltage): این ورودی‌ها معمولاً از سیگنال‌هایی در بازه‌های ۰-۱۰V، ۰-۵V، ±۱۰V پشتیبانی می‌کنند و برای سنسورهای ولتاژی مناسب هستند.
- ورودی‌های جریانی (Current Inputs – AI_Current): این نوع ورودی‌ها برای سنسورهایی با خروجی ۴-۲۰mA یا ۰-۲۰mA طراحی شده‌اند و معمولاً در ماژول‌های ورودی آنالوگ صنعتی یافت می‌شوند.
بررسی قابلیت‌های سخت‌افزاری PLC:
برای اطمینان از انتخاب درست ورودی آنالوگ، مشخصات سخت‌افزاری PLC باید بررسی شود و سؤالات زیر پاسخ داده شوند:
- آیا PLC دارای ورودی آنالوگ از نوع جریانی، ولتاژی یا هر دو است؟
- محدوده‌های پشتیبانی‌شده توسط ورودی آنالوگ PLC چیست؟ آیا با خروجی سنسور سازگار است یا نیاز به مبدل دارد؟
- دقت نمونه‌برداری (Resolution) ورودی آنالوگ PLC چند بیت است؟ آیا مقدار تفکیک‌پذیری ورودی PLC برای دقت موردنیاز اندازه‌گیری کافی است؟
- آیا ورودی‌های آنالوگ PLC ایزوله هستند یا نیاز به ایزولاسیون اضافی برای کاهش نویز و افزایش ایمنی وجود دارد؟
ملاحظات مهم در انتخاب ورودی مناسب PLC:
- اگر PLC فقط از ورودی ولتاژی پشتیبانی کند ولی سنسور جریانی باشد، باید از مقاومت دقیق (معمولاً ۲۵۰ اهم) برای تبدیل جریان به ولتاژ استفاده شود.
- در صورتی که سنسور دارای خروجی جریانی و PLC دارای ورودی ولتاژی باشد، می‌توان از مبدل سیگنال آنالوگ (Analog Signal Converter) برای تبدیل ۴-۲۰mA به ۰-۱۰V استفاده کرد.
- در شرایطی که نیاز به دقت بالاتر باشد، باید از ماژول‌های ورودی آنالوگ با دقت نمونه‌برداری ۱۲ بیت یا بالاتر استفاده شود.
۳. سیم‌بندی صحیح سنسور آنالوگ به PLC
ب) روش سیم‌بندی سنسور جریانی به ورودی PLC
سیم‌بندی سنسورهای جریانی، به دلیل نوع انتقال سیگنال، کمی متفاوت از سنسورهای ولتاژی بوده و نیازمند رعایت اصولی خاص برای اطمینان از دقت اندازه‌گیری و جلوگیری از بروز نویز است.
۱. ترمینال خروجی مثبت سنسور (Iout) را به ورودی آنالوگ جریانی PLC (AI Current In) متصل کنید.
۲. ترمینال منفی سنسور (COM یا GND) را به ترمینال زمین مشترک (GND یا COM) PLC متصل نمایید.
۳. اگر سنسور نیازمند منبع تغذیه خارجی است، دقت شود که اتصال زمین منبع تغذیه با زمین PLC مشترک باشد تا از بروز اختلاف پتانسیل ناخواسته جلوگیری شود.
۴. در صورت عدم وجود ورودی جریانی در PLC، می‌توان از یک مقاومت ۲۵۰ اهمی دقیق استفاده کرد تا سیگنال ۴-۲۰mA به ۱-۵V تبدیل شده و توسط ورودی ولتاژی PLC خوانده شود.
ج) نکات مهم برای کاهش نویز و افزایش دقت اندازه‌گیری در سیم‌بندی آنالوگ
از آنجایی که سیگنال‌های آنالوگ به‌شدت مستعد تأثیرپذیری از نویزهای الکتریکی، القاهای مغناطیسی و نوسانات ولتاژ در خطوط قدرت هستند، رعایت برخی اصول اساسی در سیم‌بندی ضروری است:
- استفاده از کابل‌های شیلددار:
کابل‌های مخصوص سیگنال‌های آنالوگ دارای شیلد (Shield) هستند که از ورود نویزهای محیطی جلوگیری می‌کند. شیلد کابل باید فقط در یک طرف (معمولاً در سمت PLC) به زمین متصل شود تا حلقه‌های جریان ناخواسته ایجاد نشود. - جدا نگه‌داشتن کابل‌های سیگنال از کابل‌های قدرت:
سیم‌های مرتبط با ورودی‌های آنالوگ باید از کابل‌های حامل ولتاژ و جریان بالا (مانند کابل‌های موتورها، اینورترها و خطوط برق سه فاز) حداقل ۳۰ سانتی‌متر فاصله داشته باشند. - عدم ایجاد حلقه‌های زمین (Ground Loop):
حلقه‌های زمین زمانی ایجاد می‌شوند که بیش از یک مسیر برای تخلیه جریان زمین وجود داشته باشد، که این موضوع می‌تواند باعث ایجاد ولتاژهای ناخواسته و در نتیجه تخریب دقت سیگنال آنالوگ شود. - استفاده از ماژول‌های ایزولاسیون سیگنال (Signal Isolation Modules):
در صورتی که سیستم صنعتی دارای چندین نقطه زمین باشد یا احتمال ایجاد نویزهای ناشی از زمین وجود داشته باشد، می‌توان از ماژول‌های ایزوله‌کننده سیگنال آنالوگ برای حذف این نویزها استفاده کرد. - تست مقاومت اتصالات با مولتی‌متر قبل از راه‌اندازی:
پس از سیم‌بندی، باید مقاومت مسیر بین خروجی سنسور و ورودی PLC با استفاده از مولتی‌متر اندازه‌گیری شود تا از عدم وجود اتصال کوتاه، قطعی یا افت ولتاژ ناخواسته اطمینان حاصل شود.
جهت آشنایی با انواع مولتی مترهای آنولوگ و دیجیتال کلیک کنید.
۴. تنظیمات نرم‌افزاری PLC برای پردازش سیگنال آنالوگ
پس از اتمام مرحله سیم‌بندی، باید PLC را از طریق نرم‌افزار مربوطه تنظیم کرد تا داده‌های دریافتی به‌درستی پردازش شوند و مقدار عددی نمایش داده‌شده در سیستم مطابق با مقدار واقعی اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور باشد.
الف) انتخاب نوع ورودی آنالوگ در تنظیمات PLC
۱. در نرم‌افزار PLC Configuration، ماژول ورودی آنالوگ را انتخاب کنید.
۲. اگر ماژول ترکیبی (قابل تنظیم برای ولتاژی یا جریانی) باشد، گزینه مربوط به نوع ورودی متناسب با خروجی سنسور (Voltage یا Current) را انتخاب نمایید.
۳. محدوده مناسب (Scaling) را مشخص کنید. به‌عنوان مثال، اگر سنسور ۴-۲۰mA را به ورودی ۰-۱۰V متصل کرده‌اید، باید این تبدیل در تنظیمات لحاظ شود.
ب) انجام عملیات مقیاس‌بندی (Scaling) برای تبدیل مقدار خام ورودی به مقدار واقعی
از آنجایی که PLC مقدار آنالوگ را به‌صورت یک عدد خام دیجیتال (بین ۰ تا مقدار ماکزیمم تفکیک‌پذیری ماژول ورودی آنالوگ، مثلاً ۱۲ بیت یا ۴۰۹۶ سطح) دریافت می‌کند، باید مقدار ورودی با استفاده از فرمول مقیاس‌بندی مناسب به مقدار واقعی سنسور تبدیل شود.
فرمول تبدیل سیگنال جریانی (۴-۲۰mA) به مقدار واقعی خروجی سنسور (مثلاً دما در °C) به‌صورت زیر خواهد بود: X=(InputValue−MinRaw)×(MaxReal−MinReal)MaxRaw−MinRaw+MinRealX = \frac{{(InputValue – Min_Raw) \times (Max_Real – Min_Real)}}{{Max_Raw – Min_Raw}} + Min_Real
که در آن:
- InputValue = مقدار خام خوانده‌شده توسط PLC
- Min_Raw و Max_Raw = محدوده عددی ورودی آنالوگ (مثلاً برای ۱۲ بیت: ۸۲۰ تا ۴۰۹۵ برای ۴-۲۰mA)
- Min_Real و Max_Real = محدوده واقعی خروجی سنسور (مثلاً ۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد)
پس از اعمال این تنظیمات، مقدار نمایش داده‌شده در HMI یا مانیتور PLC دقیقاً مقدار واقعی اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور خواهد بود.
ما در این مقاله به بررسی انواع روش های نحوه اتصال سنسور فشار به PLC پرداخته ایم.
۵. انجام تست، عیب‌یابی و کالیبراسیون سیگنال آنالوگ در PLC
پس از اعمال تمامی مراحل بالا، مهم‌ترین گام، بررسی صحت عملکرد سیستم و اطمینان از دقت سیگنال‌های دریافتی است. این مرحله شامل تست‌های زیر است:
الف) بررسی مقدار سیگنال ورودی با مولتی‌متر
۱. خروجی سنسور را با مولتی‌متر اندازه‌گیری کرده و مقدار آن را با مقدار نمایش داده‌شده در PLC مقایسه کنید.
۲. در صورت وجود اختلاف، مقدار Offset و Gain را در نرم‌افزار PLC تنظیم کنید.
ب) تست عملکرد سنسور در شرایط واقعی
۱. سیگنال را در چند نقطه میان بازه اندازه‌گیری بررسی کنید (مثلاً ۴، ۱۲ و ۲۰ میلی‌آمپر برای یک سنسور جریانی).
2. مطمئن شوید که مقدار نمایش داده‌شده در سیستم به‌طور خطی و یکنواخت با تغییرات سنسور تغییر می‌کند.
ج) بررسی تأثیر نویز و استفاده از فیلتر نرم‌افزاری
۱. اگر مقدار خوانده‌شده در PLC دارای نوسان زیاد است، از فیلتر دیجیتالی (Moving Average یا Low-Pass Filter) در نرم‌افزار PLC استفاده کنید.
۲. مقدار Sampling Rate ورودی آنالوگ را بررسی کنید و در صورت نیاز، آن را افزایش دهید تا سیگنال خوانده‌شده دارای دقت بالاتر و پاسخ سریع‌تر باشد.
مشاوره قبل از خرید
برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با خرید محصولات می‌توانید با شماره تلفن‌های زیر تماس بگیرید: