Wieloczujnikowe systemy pomiaru siły i masy – komunikacja w sieci Modbus i współpraca z wyświetlaczami

Jest to pierwszą wadą tego typu rozwiązania. Kolejnym problemem jest odległość między czujnikiem a urządzeniem pomiarowym. Zbyt długie przewody przesyłające słabe sygnały z mostkowych czujników tensometrycznych są narażone na zakłócenia, przez co mogą powodować przekłamania w pomiarach i niestabilny odczyt. Dlatego warto nieraz wdrożyć własny system, gdzie owe wady zostaną wyeliminowane.

Rys. 1. Podłączenie czujników do wielowejściowego wzmacniacza pomiarowego – ograniczeniem są duże odległości między czujnikami

Rys. 2. System z wieloma czujnikami z niezależnymi przetwornikami pomiarowymi – krótkie przewody sygnałowe

Tabela 1. Parametry przetwornika WDT1

Na dokładność pomiaru z mostkowych czujników tensometrycznych w przypadku oddalenia wzmacniacza pomiarowego duży wpływ ma temperatura otoczenia oraz jakość i długość przewodów połączeniowych. Dla przykładu przewód o długości kilkunastu metrów może mieć ponad 1-procentowy wpływ na czułość układu pomiarowego. Istnieje kilka rozwiązań eliminujących ten wpływ:

• zastosowanie podłączenia z kablem 6-żyłowym lub zasilanie czujnika napięciem regulowanym (wymaga specjalnego wzmacniacza z wejściem kompensującym) - kompensuje długość przewodu, ale nie zabezpiecza przed zakłóceniami zewnętrznymi,
• użycie oryginalnego kabla producenta (jednak jego wydłużenie może pogorszyć charakterystykę termiczną),
• zastosowanie niezależnego dla każdego czujnika przetwornika pomiarowego zaraz przy czujniku z wyjściem prądowym lub cyfrowym - nie wymaga stosowania długiego przewodu z czujnika oraz eliminuje w dużym stopniu wpływ zaburzeń zewnętrznych.

Rys. 3. Urządzenia podłączone do magistrali Modbus RS485

Rys. 4. Panel MD204L

Na rysunku 2 pokazano rozwiązanie dla wielu czujników tensometrycznych oddalonych na większe odległości (>20m) od urządzenia zbierającego i przetwarzającego pomiary.

Czujniki pomiarowe w sieci

Tabela 2. Format ramki w trybie RTU

Rozwiązaniem są czujniki z pojedynczymi wzmacniaczami pomiarowymi potrafiące przesyłać informacje na wspólnej magistrali. Firma WObit proponuje ekonomiczne "wzmacniacze" WDT1 dla mostkowych czujników tensometrycznych. Celowo słowo wzmacniacz zostało ujęte w cudzysłów, gdyż urządzenie nie ma wiele wspólnego z prostymi, stosowanymi niegdyś analogowymi wzmacniaczami dla czujników tensometrycznych.

WDT1 zawiera precyzyjny, cyfrowy przetwornik mierzący sygnał z czujnika z rozdzielczością 20 bitów. Ponadto, w urządzeniu zaimplementowano cyfrowy filtr medianowy, skutecznie niwelujący zaburzenia zewnętrzne. Najważniejszą jednak cechą opisywanego wzmacniacza jest interfejs RS485 z zaimplementowanym protokołem Modbus- RTU, który pozwala na podłączenie do 32 czujników na jednej magistrali. Tak wyposażony przetwornik (oprócz standardowego wyjścia napięciowego 0-10V) pozwala na łączenie wielu czujników nawet znacznie od siebie oddalonych.

Interfejs Modbus

W urządzeniu zaimplementowano interfejs Modbus, który dzięki swojej prostocie jest wciąż stosowany jako jeden ze standardów komunikacyjnych w urządzeniach automatyki. Modbus został opracowany w firmie Modicon i stał się standardem przyjętym przez większość znanych producentów sterowników przemysłowych dla wymiany informacji pomiędzy urządzeniami systemów pomiarowo- kontrolnych. O jego popularności i rozpowszechnieniu zadecydowały takie cechy, jak:

• prosta reguła dostępu do łącza oparta na zasadzie master-slave,
• zabezpieczenie przesyłanych komunikatów przed błędami,
• potwierdzanie wykonania rozkazów zdalnych i sygnalizacja błędów,
• skuteczne mechanizmy zabezpieczające przed zawieszeniem systemu,
• wykorzystanie asynchronicznej transmisji znakowej zgodnej z RS-232.

Struktura ramki Modbus-RTU

Pierwszym polem informacyjnym ramki jest Adres (1 bajt) urządzenia. Kolejne stałe pola ramki to Funkcja (1 bajt), Dane (N x 1 bajt) oraz suma kontrolna CRC (2 bajty). Urządzenie slave sprawdza, czy przesłany adres jest jego adresem własnym. Jeżeli tak, to kontynuuje interpretację pozostałych pól wchodzących w skład ramki. Należy dodać, że adres o wartości 0 jest adresem rozgłoszeniowym i może być interpretowany przez wszystkie urządzenia podłączone do magistrali Modbus.

Rys. 5. Oprogramowanie TP200 do programowania paneli MD204

Rys. 6. Ustawienia odczytu wartości przez panel

WDT1 może pracować z prędkościami transmisji 19,2, 32,4, 57,6 oraz 115 kb/s. Prędkość ustawiana jest w urządzeniu slave automatycznie w zależności od prędkości pracy urządzenia master. Po włączeniu zasilania i rozpoczęciu nadawania ramek przez urządzenie master, WDT1 sprawdza poprawność ramek, ustawiając po kolei wymienione wyżej prędkości. Gdy rozpozna właściwą, ustawia ją i od tego momentu może odsyłać ramki z pomiarem.

Współpraca wzmacniaczy WDT1 z panelami HMI

WObit proponuje panele HMI firmy Kinco (www.kinco.pl) jako urządzenia zbierające dane z przetworników czujników. Najprostszy z paneli o symbolu MD204L jest ekonomicznym rozwiązaniem pozwalającym na prezentację pomiarów na wyświetlaczu monochromatycznym o przekątnej 4,3" i rozdzielczości 192 × 64 pikseli. Jest zasilany napięciem 24V_DC. Współpracuje ze sterownikami i kontrolerami większości producentów.

Rys. 7. Przykładowe połączenie dwóch wzmacniaczy WDT1 z panelem MD204L

Rys. 8. Przykładowe okna zaprogramowanego panelu MD204L

Komunikuje się poprzez porty RS232, RS422 i RS485. Przyjazne dla użytkownika środowisko do programowania paneli pozwala na dodawanie tekstu, wykresów, prostych kontrolek czy nawet grafiki. Programowanie odbywa się przez połączenie panelu z komputerem PC za pośrednictwem interfejsu RS232.

Konfiguracja WDT1 z panelami MD204L

Na rysunku poniżej pokazano przykładowe połączenie dwóch wzmacniaczy WDT1 z panelem MD204L. Jeden z nich ma ustawiony adres 1, a drugi 2. Istnieje możliwość podłączenia do 32 urządzeń (maksymalna dostępna liczba adresów ustawianych w WDT1). Programowanie panelu polega na dodaniu odpowiedniej kontrolki (np. pola liczbowego odczytującego wartość pomiarową) i ustawieniu dla niej czterech parametrów. Przykładowo dla odczytu wartości pomiaru z przetwornika pierwszego dla dodanej kontrolki należy ustawić:

• adres urządzenia slave (rys. 8-1),
• adres rejestru, spod którego odczytywana będzie wartość pomiaru (rys. 8-3), z dokumentacji WDT1 jest to rejestr nr 3,
• typ rejestru (rys. 8-4), z dokumentacji WDT1 jest to rejestr odczytu n rejestrów,
• rozmiar zmiennej (rys. 8-2), z dokumentacji WDT1 jest to wartość 4-bajtowa, czyli zajmująca dwa rejestry,
• dla modyfikacji danej zmiennej (np. parametr czułości mostka, tarowanie czujnika itp.) należy zaznaczyć opcję Set.

Adam Sarzyński
WObit
www.wobit.com.pl