Cosa sono i segnali analogici? Come si utilizzano con i PLC? Quanti tipi di collegamento ci sono per i moduli di questo tipo?
L’unico modo che abbiamo di rappresentare la realtà dei processi che automatizziamo in modo che sia interpretabile dai PLC è di trasformarla in numeri, e chiunque si occupi di programmare plc e sistemi di monitoraggio sa quanto importanti siano i bit, le unità minime di rappresentazione delle informazioni nelle macchine programmabili.
In questa lezione affrontiamo l’argomento “segnali analogici di ingresso e uscita”, e scopriamo come le apparecchiature ci permettano di acquisire e fornire valori numerici che vengono convertiti in segnali elettrici e viceversa; parliamo infatti di moduli di ingresso e uscita analogici.
Ecco gli argomenti di questa lezione:
Valori digitali e analogici.
Convertitore A/D e D/A.
Risoluzione dei convertitori A/D e precisione.
Come si collegano gli ingressi analogici sui moduli del plc.
Collegamento dei segnali analogici a due fili.
Collegamento dei segnali analogici a tre fili.
Collegamento dei segnali analogici a quattro fili.
Collegamento dei moduli di uscita analogici plc in tensione.
Collegamento dei moduli di uscita analogici plc in corrente.
Prima di cominciare vi invitiamo a prestare attenzione a quanto segue: Operare sulle apparecchiature elettriche è compito di personale addestrato e autorizzato. Leggere sempre bene i manuali di istruzione e i diagrammi di collegamento delle apparecchiature, e considerare inoltre che il contenuto didattico presentato in queste lezioni ha solamente uno scopo informativo generale.
Valori digitali e analogici.
Nel mondo delle macchine e in particolare in quello dei plc, sappiamo che con un bit possiamo rappresentare uno stato come qualcosa di attivato, oppure in allarme.
Per quanto riguarda invece il rappresentare le variabili fisiche ci dobbiamo affidare a dei numeri più complessi, dato che queste variabili non assumono valore zero o uno, ma un range continuo di valori, solitamente sotto forma di segnali elettrici di tensione, corrente, oppure con una resistenza.
Questo è il caso delle variabili come la temperatura, l’umidità, la pressione, il livello, la conduttività, e tutte quelle variabili che possono essere rappresentate con un segnale di tipo continuo.
Convertitore A/D e D/A.
Riguardo alle variabili numeriche però, dobbiamo sempre tenere presente che nel plc gli unici dati che l’unità centrale è in grado di comprendere sono sempre i bit che valgono zero e uno, così anche i numeri vengono convertiti in formato binario; per esempio a 8 bit (byte), oppure a word (16 bit) e così via.
Come si fa a trasformare i segnali analogici in questi aggregati numerici binari? Questo è il compito dei convertitori A/D ( convertitore analogico / digitale); naturalmente esiste anche il convertitore D/A che fa il contrario e converte i numeri in segnali analogici.
I circuiti convertitori di segnali sono costituiti di microchip e altra circuiteria accessoria, che hanno varie caratteristiche, tra queste le più importanti sono la risoluzione e la precisione.
La risoluzione indica qual è la variazione minima del segnale analogico che il convertitore fornisce, mentre la precisione indica l’errore massimo nella conversione del segnale; vediamo bene in cosa consiste la risoluzione.
Risoluzione dei convertitori A/D e precisione.
Abbiamo detto che un convertitore di segnali A/D prende un segnale elettrico e lo trasforma in numeri binari, il numero di bit usati per la conversione determina la precisione. Se per esempio prendiamo un convertitore AD a 8 bit, questo avrà una precisione inferiore a quella di un convertitore a 12 bit, infatti le combinazioni numeriche esprimibili con 8 bit sono 256, mentre con 12 bit ne otteniamo 4096.
Supponiamo di avere un segnale 0-10V che deve essere convertito in digitale, con un convertitore a 8 bit otteniamo una variazione minima di 10/256 che fa 0.039V, se utilizziamo un convertitore a 12 bit invece otteniamo 10/4096 che risulta 0.00244V.
Quando questi numeri rappresentano per noi una variabile fisica la risoluzione ha molta importanza, per esempio se abbiamo un ingresso analogico che misura una temperatura che va da 0 a 200°C e vogliamo una precisione di 0.01 gradi centigradi, dobbiamo avere un buon convertitore, con un chip a 8 bit non riusciremmo a ottenere questa precisione.
Per essere precisi, i convertitori dei moduli analogici per PLC non funzionano esattamente come nella teoria, lo scopo di questa lezione tuttavia è di comprendere il principio di funzionamento per potersi orientare meglio nella scelta delle apparecchiature; per questo i ragionamenti che facciamo vanno più che bene.
Nella prossima immagine vediamo riassunti i calcoli di conversione e precisione dei convertitori AD di vario tipo. Partiamo dal numero di bit per conoscere le combinazioni binarie per rappresentare la variabile, poi dividiamo lo span di corrente o di tensione (a seconda del tipo di segnale elettrico fornito) per il numero di combinazioni; otteniamo così la variazione minima del segnale elettrico.
Dividendo il fondo scala della variabile fisica misurata per il numero di combinazioni del convertitore otteniamo la precisione in unità di misura fisiche.
Nella figura sopra vediamo che se abbiamo una sonda di temperatura che misura da zero a duecento gradi centigradi, collegandola a un convertitore a 8 bit otteniamo una precisione di 0.78°C; per ottenere una precisione di almeno 0.1°C è necessario un convertitore a 12 bit.
I moduli di ingressi e uscite analogiche per PLC più diffusi offrono proprio convertitori a 12 bit.
Il collegamento in figura sopra necessita di tre fili, in effetti però viene sempre chiamato a due fili poiché due sono i conduttori che entrano nel modulo analogico del plc.
Collegamento dei segnali analogici a tre fili.
In un collegamento a tre fili, l’alimentatore esterno e il trasmettitore condividono la terra del segnale, mentre il trasmettitore ha due positivi: uno va all’alimentatore e l’altro al morsetto AIN dell’ingresso analogico. Lo schermo come sempre è collegato a terra.
Collegamento dei segnali analogici a quattro fili.
L’ultimo tipo di collegamento ingressi analogici per plc che vediamo oggi è quello a quattro fili. Questo collegamento è molto apprezzato perché fornisce una completa separazione tra l’alimentatore e il trasmettitore del segnale.
Come vediamo in figura il trasmettitore ha due morsetti positivi e negativi, e ci sono due loop di corrente separati: quello dell’ingresso analogico e quello dell’alimentatore.
Il segnale e l’alimentazione sono completamente opto isolati e questo elimina i disturbi dell’alimentatore sul segnale stesso.
Collegamento dei moduli di uscita analogici plc in tensione.
Anche per i moduli d’uscita possiamo avere il collegamento in tensione a due fili come nell’immagine seguente. Vediamo i due morsetti AOUT e AGND collegati semplicemente al terminale positivo e negativo del carico. Lo schermo come sempre è a terra da un lato.
Alcuni moduli analogici come quelli della Siemens prevedono nel collegamento due terminali aggiuntivi per compensare l’impedenza della linea e mantenere il segnale in tensione in uscita dal modulo uguale a quello che entra nell’apparecchio esterno.
Collegamento dei moduli di uscita analogici plc in corrente.
La maggior parte dei moduli di uscita analogica in corrente viene collegata con un sistema a tre fili, anche se in effetti nel cablaggio ne compaiono due.
Il modulo analogico d’uscita fornisce l’alimentazione che prevede un terzo filo a noi invisibile. Vediamo che questo circuito presenta due loop di corrente: uno interno al modulo di ingresso e uno all’esterno.
Bene, siamo arrivati al termine di questa lezione sui moduli analogici utilizzati nei sistemi d’automazione PLC e dei segnali da questi trattati.
Io vi do appuntamento qui sul mio sito e sul mio canale YouTube per una nuova lezione sul mondo dell’automazione industriale, dei controllori logici programmabili, e dei sistemi di monitoraggio HMI e SCADA. Ci vediamo presto!