Стенд проверки индикатора тока

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.

Одной из составляющих измерителя тока может быть индикатор, который показывает замеренный ток в удобном для пользователя виде (цифры на LCD или шкала со стрелкой). При этом не обязательно градуировка индикатора будет в мА. Вместо них может быть любая величина (давление, температура, частота вращения), которую измеряет конкретный датчик, преобразующий эту величину в ток.

На этой страничке сайта была представлена диагностика датчика давления, работающего по протоколу токовой петли 4-20 мА. Для проверки использовался самодельный преобразователь. Здесь же вы увидите еще один пример применения электронного модуля с сайта в процессе реального тестирования индикатора тока. Можно сказать, что это будет продолжением той диагностики.

При демонстрации вы узнаете, как можно использовать задатчик токовой петли для выявления неисправности электронного оборудования. В качестве задатчика применен готовый модуль преобразователя ШИМ-сигнала в ток с этой странички сайта. Но сначала нам надо собрать тестовый стенд.

ТЕСТОВЫЙ СТЕНД

Этот стенд будет полностью повторять сборку с задатчиком 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 задачика тока (24 вольта), кнопочный пост с тремя кнопками и самодельный задатчик токовой петли.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ

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

Электросхема проверки индикаторов

питание Arduino : от адаптера 7-12 В постоянного тока (2A)
питание шилда (перемычка убрана) : 5 В постоянного тока. Можно от того же адаптера 7-12 В через понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А)
питание задачика и индикатора : 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
ШИМ-сигнал от контроллера Arduino к задачику тока - цифровой пин 3
землю задатчика соединяем с землей Arduino
индикатор подсоединяем к задатчику тока, соблюдая полярность

КНОПКИ УПРАВЛЕНИЯ И ИНДИКАЦИЯ

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.

PWM=XXX : скважность ШИМ-сигнала, которым задается напряжение на выходе с Arduino (256 градации).
PWM_Min=XXX : ШИМ-сигнал, соответствующий нижней точке токовой характеристики.
CurMin=XX.XX (current minimum) : нижняя точка токовой характеристики, мА.
PWM_Max=XXX : ШИМ-сигнал, соответствующий верхней точке токовой характеристики.
CurMax=XX.XX (current maximum) : верхняя точка токовой характеристики, мА.
SaveSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы сохраните настройки программы в память контроллера. При перезагрузке контроллера (выключение - включение) именно эти настройки загрузятся в программу. Значение скважности ШИМ-сигнала в память не сохраняется и при запуске программы равно 0. Это сделано из соображений безопасности. Если вам важно сохранить этот параметр, внесите соответствующие изменения в скетч.
ReadSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы перенесете настройки из памяти контроллера в программу.
Default (UP) : загрузка значений по умолчанию (пункты 2 - 5). 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
"Cur=XX.XX" (current) - расчетный ток, мА. Он получен в результате интерполяции.
В скобках - скважность сигнала (0...255).

Нижняя строчка
Пункты меню настроек.

КАЛИБРОВКА

После того, как стенд собран, его нужно откалибровать (если вы не сделали это раньше). Для этого загрузим в Arduino тестовый скетч, а затем подключим плату к PLC согласно схеме.

Стенд для калибровки

Подсоедините к выходным клеммам токовой петли задатчика мультиметр в режиме замера тока (вместо индикатора). Кнопкой ВВЕРХ установите уровень ШИМ-сигнала 255, а затем потенциометром POTI1 установите ток по тестеру 22 mA.

Теперь зададим токовую характеристику. С помощью кнопок ВНИЗ и ВВЕРХ установите по мультиметру ток около 4 мА и измените соответственно параметры PWM_Min (берем с LCD) и CurMin (берем с тестера). Затем выставляем по мультиметру ток около 19,5 мА и меняем параметры PWM_Max и CurMax. Теперь при изменении силы тока задатчиком мы увидим такие же показания тока на LCD-экране, как и на мультиметре. Перепроверьте показания на LCD еще раз, при необходимости скорректируйте. Не забудьте сохранить изменения в памяти Arduino.

ТЕСТИРОВАНИЕ ИНДИКАТОРА

Продолжаем моделировать реальную ситуацию. В первой части мы проверяли датчик давления топлива главного двигателя (ГД). Проверка показала, что он исправен. Поэтому следующим этапом станет проверка стрелочного индикатора в ЦПУ (центральный пост управления) машинного отделения.

ЦПУ машинного отделения

Как видно индикатор ничего не показывает, стрелка ушла ниже нуля.

Электрический индикатор давления топлива

Открываем панель индикаторов ЦПУ.

Панель индикаторов ЦПУ

Находим индикатор давления топлива.

Индикатор давления топлива

Подсоединяем к нему наш тестовый стенд. Соблюдайте полярность!

Индикатор давления топлива

Подаем питание на тестовый стенд.

Тестовый стенд

Теперь кнопками установим ток по LCD в 4 мА. Стрелка индикатора должна выйти на ноль. Затем будем постепенно увеличивать ток, наблюдая за поведением стрелки. Как видно, индикатор адекватно реагирует на изменение тока, а значит он тоже исправен.

Тестовый стенд

Итак, мы проверили дачик давления и индикатор, и оба оказались рабочими. По всей видимости, где-то обрыв в линии, но это уже другая история. Задача была продемонстрировать, как простые самодельные модули могут пригодиться в поисках реальных неисправностей.

ЧТО НУЖНО ДЛЯ ПРОЕКТА

PLC Arduino UNO - 1 шт
Sensor Shield v 5.0 - 1 шт
самодельный задатчик тока - 1 шт
понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) - 1 шт
повышающий DC-DC преобразователь типа MT3608 (не менее 2А) - 1 шт
LCD-дисплей 1602 + модуль I2C - 1 шт
кнопка тактовая с колпачком - 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 задатчика тока)
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)