Стенд проверки датчика давления

Тестовый стенд
Подключение
Кнопки управления и индикация
Калибровка
Тестирование датчика
Что нужно для проекта
Тестовый скетч

В автоматизации современной промышленности и на транспорте (включая судоходство) широкое распространение получил стандарт передачи аналогового сигнала "токовая петля 4-20 мА". Практически все поставщики промышленных микроконтроллеров поддерживают этот стандарт. Основное преимущество токовой петли (по сравнению с более дешевой параметрической передачей напряжением) в том, что точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока автоматически поддерживает требуемый уровень тока в линии. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи.

Стенд проверки датчика давления

Одной из составляющих любого измерителя тока является преобразователь, который пропорционально конвертирует ток от датчика в напряжение. Это напряжение, в свою очередь, подается на аналоговый вход PLC (например, Arduino) для последующей обработки в АЦП контроллера. На этой страничке сайта представлен самодельный преобразователь для подключения к Arduino датчиков, работающих по протоколу токовой петли 4-20 мА.

При описании того преобразователя, как источник тока использовалось не реальное устройство, а самодельный задатчик тока. На этой страничке сделана попытка перейти от теории к практике : здесь показано применение преобразователя вместе с конкретным датчиком. В качестве подопытного - датчик давления Danfoss MBS 5100.

Итак, далее представлена имитация аварийной ситуации, которая продемонстрирует, как можно использовать преобразователь токовой петли для диагностики неисправности. Но сначала нам надо собрать тестовый стенд.

Этот стенд будет полностью повторять сборку с преобразователем токовой петли. К нему мы добавим источник питания петли и клеммницы для удобства подключения.

Что входит в состав системы : PLC Arduino UNO с шилдом Sensor Shield v5.0 (питание 7-12 В постоянного тока), LCD-дисплей с шиной I2C, понижающий DC-DC конвертер для питания преобразователя и дисплея, повышающий DC-DC конвертер для питания токовой петли (24 вольта), кнопочный пост с тремя кнопками и самодельный преобразователь токовой петли.

Здесь приведено соединение всех элементов системы управления, Arduino (через шилд), преобразователя и самого датчика. В виде схемы подключение представлено ниже.

Электросхема проверки датчиков

• питание Arduino : от адаптера 7-12VDC (2A)
• питание шилда (перемычка убрана) : от адаптера 7-12VDC (2A) через понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А)
• питание датчика (токовая петля) : от адаптера 7-12VDC (2A) через повышающий DC-DC преобразователь типа MT3608 (не менее 2А)
• LCD-дисплей 1602 + модуль I2C : питание от шилда (подсоединяем GND и VCC к любым свободным пинам G и V цифровых входов), SDA (I2C) - A4 (шилд), SCL (I2C) - A5 (шилд)
• сигнал от кнопки НАСТРОЙКИ : вход в Arduino - цифровой пин 7. Пины + и - кнопочного поста, общие для всех кнопок НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ подсоединяем к любым свободным пинам V и G цифровых входов. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки ВНИЗ : вход в Arduino - цифровой пин 5. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки ВВЕРХ : вход в Arduino - цифровой пин 6. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от преобразователя тока к контроллеру Arduino - аналоговый пин А0
• питание преобразователя тока : подсоединяем к любым свободным пинам V и G цифровых входов
• датчик (сенсор) подключаем к токовой петле следующим образом : плюс (+) питания подаем на плюс (+) датчика, минус (-) датчика подсоединяем к плюсу (+) преобразователя тока, минус (-) с преобразователя подаем на минус (-) источника питания. В качестве источника - повышающий DC-DC преобразователь

Управлять системой можно с помощью трех кнопок : НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ. Рассмотрим их функции подробно :

Кнопка НАСТРОЙКИ

При нажатии этой кнопки вы будете циклично переходить по пунктам меню. Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Изменение цифровых параметров сразу принимается системой, подтверждение не нужно.

Пройдемся по пунктам меню Настройки.

• MinVolt=XXX (minimum voltage) : нижняя граница напряжения с аналогового порта переведенная в цифровой вид (1024 градации).
• MinVal=XX (minimum value) : условная цифровая величина какого-либо параметра, соответствующая нижней границе вольтажа (это может быть ток, давление, уровень и т.п.).
• MaxVolt=XXX (maximum voltage) : верхняя граница напряжения с аналогового порта переведенная в цифровой вид
• MaxVal=XX (maximum value) : условная цифровая величина какого-либо параметра, соответствующая верхней границе вольтажа.
• SaveSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы сохраните настройки программы в память контроллера. При перезагрузке контроллера (выключение - включение) именно эти настройки загрузятся в программу.
• ReadSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы перенесете настройки из памяти контроллера в программу.
• Default (UP) : загрузка значений по умолчанию (пункты 1 - 6). При нажатии кнопки ВВЕРХ параметры, определенные в начале скетча, загрузятся в оперативную память PLC (в текущие настройки). Эта функция может быть полезна, когда вы запутались в регулировках и хотите все вернуть в исходное положение. Но есть и еще одна причина ее использования. Если вы на одну и ту же плату Arduino постоянно записываете скетчи разных проектов, возможна ситуация, когда параметры одного проекта запишутся в настройки другого. Конечно, это можно исправить, но представьте, что в параметре, где должно быть, например, число 10, стоит 32000. Вручную кнопками ВВЕРХ или ВНИЗ корректировать это очень долго, проще сбросить настройки к заводским, а уже затем их подправить.

Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗ

Этими кнопками меняются значения параметров.

ИНДИКАЦИЯ LCD

Верхняя строчка :

"X=YY.YY V=YYY" : здесь X - калибруемая величина, соответствующая текущему напряжению V, переведенному в цифровой вид (0...1023)

Нижняя строчка :

пункты меню настроек

После того, как тестовый стенд собран, его нужно откалибровать (если вы не сделали это раньше). Для этого загрузим в Arduino тестовый скетч.

Для имитации токовой петли будем использовать задатчик тока, для чего к его клеммам ТЕСТ подсоединим мультиметр в режиме замера тока. Теперь, собственно, токовая петля. На плюсовую клемму задатчика подадим плюс от повышающего DC-DC конвертера (клемма VOUT+). Минусовую клемму задатчика соединим с плюсовой клеммой нашего преобразователя тока, а минусовую клемму преобразователя соединим с минусом DC-DC конвертера (клемма VOUT-) - петля замкнулась. Промышленные датчики могут работать при напряжении от 12 до 30 вольт. Мы сразу выставим на выходе повышающего DC-DC конвертера стандартные 24 вольта.

Стенд для калибровки преобразователя тока

Теперь калибровка. Потенциометром на задатчике выставим силу тока 4 мА, а затем присвоим параметру MinVolt значение из параметра V в верхней строчке LCD. В MinVal забиваем 4 мА. Затем выставляем по мультиметру ток 20 мА и также меняем параметр MaxVolt в соответствии с параметром V в верхней строчке LCD, а MaxVal присваиваем 20 мА. Теперь при изменении силы тока задатчиком мы увидим такие же показания тока на LCD-экране, как и на мультиметре.

Результаты замеров в скетче могут выглядеть подобным образом :

• float MinVolt = 126;
• float MinVal = 4.00;
• float MaxVolt = 626;
• float MaxVal = 20.00;

Конечно вы можете вместо тока 4 - 20 мА сразу подставить измеряемый параметр. Например, на датчике Danfoss MBS 5100-2011-1DB04 написано, что 4 - 20 mA соответствуют 0 - 10 bar. Так можно сделать, если вы эту систему будете использовать для управления каким-либо объектом на постоянной основе. Но для тестирования лучше оставить ток, чтобы из-за каждого нового датчика не лезть в настройки. А измеряемый параметр можно быстро пересчитать из тока на калькуляторе.

Очень важное замечание по поводу используемого для калибровки мультиметра. Выше описана проверка преобразователя с использованием АЦП Arduino. Если вы будете использовать вместо PLC мультиметр, учтите следующее : как видно из электросхемы задатчика, на выходе с него стоит RC-фильт. При подключении тестера для замеров он образует с резистором R5 делитель напряжения, поэтому на выходе мы получим Uвых=Uвх*R5/(R5+Rм), где Rм - внутреннее сопротивление мультиметра. При использовании мультиметров с гарантированным внутренним сопротивлением в 10 мегаом особенных проблем нет - падение напряжения на замере есть, но оно не критично. В дешевых же тестерах (в районе 300 рублей) внутреннее сопротивление составляет 1-2 мегаома, и ошибка (падение напряжения) в замере может стать неприемлемой. Примите это во внимание. То же самое относится и к дешевым осциллографам, например DSO138.

Попробуем смоделировать реальную ситуацию : есть главный двигатель (ГД) теплохода. Его работу обеспечивают несколько систем, одна из них - топливная. Среди контролируемых параметров этой системы есть и давление топлива, которое можно прочитать как на обычных манометрах, так и на электрическом индикаторе. Последний работает от датчика Danfoss MBS 5100 и выводит показания в ЦПУ (центральный пост управления) машинного отделения.

ЦПУ машинного отделения

Во время проверки параметров работы двигателя мы замечаем, что давление топлива по индикатору упало.

Электрический индикатор давления топлива

Бросаем взгляд на блоки контроля подкачного и циркуляционного топливных насосов - они в работе.

Блоки управления топливными насосами

Спускаемся к местному посту управления ГД.

Местный пост управления ГД

И проверяем давление топлива по манометру. Все в порядке. Значит неисправность в электронной системе замера этого параметра. Проблема может быть в датчике, проводке, преобразователе или в самом индикаторе. Чтобы проверить датчик, воспользуемся нашим тестовым стендом.

Манометр давления топлива

Откроем щит с датчиками главного двигателя. Найдем тот, что отвечает за давление топлива.

Щит с датчиками главного двигателя

Отсоединим родную фишку и подсоединим наш тестовый стенд. Но сначала обратимся к инструкции к датчику Danfoss MBS 5100 и проверим его полярность, допустимое напряжение и нагрузку. Напряжение питание датчика : 10 - 32 вольта постоянного тока (у нас 24 вольта), нагрузка рассчитывается по формуле и для 24 вольт не должна превышать 700 Ом. В нашем преобразователе стоит нагрузочный резистор в 10 Ом.

Щит с датчиками главного двигателя

Подключим стенд к питанию и проверим показания на LCD.

Тестовый стенд

На экране - 14,9 мА, что соответствует давлению 6,8 bar на манометре. Теперь перекроем клапан к манометру и датчику и сбросим давление в трубке через тестовый штуцер. Ток на дисплее упал до 4,4 мА. Конечно это не 4 мА, которые должны быть при 0 bar, но в принципе датчик рабочий и его можно исключить из поиска неисправности.

Тестовый стенд

Небольшое замечание касательно полярности датчика Danfoss MBS 5100. В инструкции, что представлена на сайте, плюс от источника питания подается на клемму 1 датчика, а выход с датчика к преобразователю - на клемму 2. Но на практике все оказалось несколько сложнее. Во время проверки других датчиков этой же серии попадались как те, где полярность соответствовала инструкции, так и те, где она была "перевернута". Возможно, это разные модификации внутри одной серии MBS 5100, так как полное обозначение датчика включает в себя еще несколько цифр и букв.

Но здесь важно помнить следующее. Раз такая ситуация возможна в принципе, обязательно проверьте по datasheet, допускает ли датчик переполюсовку (есть ли защита по полярности). У Danfoss MBS 5100 она есть. Второй вопрос, а не повредит ли переполюсовка самодельному преобразователю токовой петли? Нет, не повредит. Благодаря тому, что в его схеме в качестве буфера используется операционный усилитель, перемена плюса и минуса на входе ему не страшна.

И третий аспект этой проблемы. Если после первого подключения тестового стенда на экране вы увидели показания в районе 0 мА, не стоит сразу браковать дачик. Сначала поменяйте полярность токовой петли и перепроверьте еще раз.

Итак, мы проверили датчик давления, и он оказался рабочим. Продолжим поиск неисправности и проверим сам индикатор в ЦПУ. Процесс описан на этой страничке.

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• самодельный преобразователь токовой петли - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• повышающий DC-DC преобразователь типа MT3608 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• кнопка тактовая с колпачком (datasheet) - 3 шт
• макетная плата под пайку 35х50 - 1 шт (для монтажа кнопок)
• резистор 10 кОм (0,25 Вт) - 3 шт
• стойка мама-мама М3х15 - 8 шт (для монтажа LCD-дисплея и преобразователя токовой петли)
• клеммница двойная с шагом 5,08 мм - 2 шт
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 30 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)
• кусок оргстекла или т.п. - 20х30 см (для монтажа всех элементов)
• болт М6х15 и гайка - 4 шт (ножки оргстекла)

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• EEPROM.h - библиотека работы с памятью (она нужна для чтения и записи наших настроек в энергонезависимую память Arduino). Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это тоже стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.