Mess- und Regeltechnik
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Mess- und Regeltechnik Mess- und Regeltechnik 2014 DRUCK 2 Mess- und Regeltechnik 2014 DRUCK ◦ Druck ist Kraft pro Fläche ◦ Einheit ist Pascal [Pa]= [N/m2] ◦ oft verwendet wird Bar oder Millibar 1[mbar] =1[hPa] ◦ Pound per square inch [psi] 1psi = 0,0689 bar ◦ Torr, mmWS, atm 3 Mess- und Regeltechnik 2014 Druckarten 4 Mess- und Regeltechnik 2014 Druckmessgeräte Manometer Manometer mit Sperrflüssigkeit. Offenes U-Rohr-Manometer 5 Mess- und Regeltechnik 2014 Manometer mit Sperrflüssigkeit. Geschlossenes URohr-Manometer für Unterdruck und Überdruck 6 Mess- und Regeltechnik 2014 Manometer federelastisch Rohr-, Platten- u. Kapselfedermanometer bis 1000 bar bis 40 bar bis 0,6 bar 7 Mess- und Regeltechnik 2014 Manometer federelastisch Federelastischer Manometer mit Messumformer 8 Mess- und Regeltechnik 2014 Manometer federelastisch Messbereiche: Pü : 0,1 ; 1 ; 1,6 ; 2,5 ; 4 ; 6 ; 10 ; 16 ; 25 ; 40 ; 60 ; 100 usw. Genauigkeitsklassen: 0,1 ; 0,2 ; 0,6 ; 1 ; 1,6 ; 2,5 ; 4 als Messfehlergrenze in % vom Messbereich 9 Mess- und Regeltechnik 2014 Druckmessumformer Prinzip: Piezoresistiv (Si-Membran), induktiv, kapazitiv, Dehnmessstreifen 10 Mess- und Regeltechnik 2014 Differenzdruck Ausführung mit Sperrflüssigkeit, federelastisch, pneumatisch, mechanisch u. elektrisch 11 Mess- und Regeltechnik 2014 Differenzdruck 12 Mess- und Regeltechnik 2014 Druckreduzierung Flaschendruckminderer 13 Mess- und Regeltechnik 2014 TEMPERATUR 14 Mess- und Regeltechnik 2014 Temperatur Die Temperatur ist eine der am häufigsten gemessenen physikalischen Größen. Die Temperatur ist eine Größe, die den Wärmezustand (= Maß für Energie) beschreibt. Einheit ist Kelvin [K]. Oft verwendet wird Celsius [°C]. 273,15 [K] ist 0 [°C] 15 Mess- und Regeltechnik 2014 Temperaturmessgeräte mechanisch ◦ Flüssigkeitsausdehnungs- u. ◦ FlüssigkeitsFeder Thermometer Volumenänderung bzw. Druckerhöhung Hg: -35°C – +600°C Alk: -70°C – +70°C 16 Mess- und Regeltechnik 2014 Temperaturmessgeräte mechanisch ◦ BimetallThermometer -50°C - +500°C + Aufzeichnung (Schreiber) + ZweipunktRegler 17 Mess- und Regeltechnik 2014 Temperaturmessgeräte elektrisch ◦ Elektrische Temperaturmessgeräte ergeben ein von der Temperatur abhängiges elektrisches Ausgangssignal + Signal kann zur Registrierung und als Regelgröße verwendet werden 18 Mess- und Regeltechnik 2014 Temperaturmessgeräte elektrisch ◦ Widerstandsthermometer Platindraht mit Nennwiderstand von 100 Ω Pt 100 19 Mess- und Regeltechnik 2014 Widerstandsthermometer 20 Mess- und Regeltechnik 2014 Widerstandsthermometer + sind die genauesten Thermometer ◦ -250°C bis + 650°C (850°C) ◦ Toleranzklassen A und B + Leitungen sind normale Kupferleitungen Ausführung je nach Leitungskompensation 2, 3 oder 4 - Leitersysteme 21 Mess- und Regeltechnik 2014 Widerstandsthermometer 22 Mess- und Regeltechnik 2014 Widerstandsthermometer 23 Mess- und Regeltechnik 2014 Thermoelement • • • • 24 Prinzip: Seebeck – Effekt (1822) -270°C bis + 3000°C 8 genormte Thermopaare Einteilung in Klassen 1 - 3 Mess- und Regeltechnik 2014 25 Mess- und Regeltechnik 2014 Thermoelement: Farbcodierung 26 Mess- und Regeltechnik 2014 Thermoelement 27 Mess- und Regeltechnik 2014 Vergleich: Thermoelement - Widerstandsthermometer 28 Mess- und Regeltechnik 2014 PT100 mit Analogausgang 29 Mess- und Regeltechnik 2014 DURCHFLUSS 30 Mess- und Regeltechnik 2014 Durchfluss Mit Durchflussmessgeräten wird der augenblicklich pro Zeiteinheit durch die Leitung fließende Volumenstrom einer Flüssigkeit oder eines Gases gemessen. Durch Multiplikation mit der Betriebsdichte kann daraus der Massendurchfluss berechnet werden. Es gibt Durchflussmessgeräte nach verschiedenen physikalischen Wirkungsmechanismen. 31 Mess- und Regeltechnik 2014 Durchfluss 32 Mess- und Regeltechnik 2014 Pitot- und Staurohr Das Pitotrohr, ein hakenförmig gekrümmtes offenes Rohr, wird gegen die Strömung ausgerichtet und an seiner Spitze ist der Gesamtdruck wirksam. Über eine Schlauchleitung wird es mit einem Druckmessgerät, z.B. einem Schrägrohrmanometer, verbunden. 33 Mess- und Regeltechnik 2014 Prandtlsches Staurohr Mit dem äußeren Rohr wird der durch Einzelbohrungen oder einen Ringspalt am Umfang (quer zur Strömung) gemessene statische Druck zum zweiten Schlauchanschluss am hinteren Rohrende geleitet. Bei Anschluss beider Drücke an einem Schrägrohrmanometer kommt die Differenz beider Drücke, der dynamische Druck, zur Anzeige. 34 Mess- und Regeltechnik 2014 Turbinenradzähler Dieses Gerät hat als Messglied ein Turbinenrad. Der Gasstrom wird von einem Verdrängerkörper in einen Ringspalt geleitet und treibt dort das Turbinenrad an. Es dreht sich mit einer zur Strömungsgeschwindigkeit des Gases proportionalen Drehzahl. Über eine Magnetkupplung oder eine Induktionsspule wir die Anzahl der Turbinenradumdrehungen ermittelt und daraus das durchgeflossene Volumen bestimmt. 35 Mess- und Regeltechnik 2014 WIRKDRUCK-DFM Es kommt zum Auftreten des sog. Wirkdrucks, aus dem sich über die Durchflussgleichung der Durchfluss berechnen lässt. Unter Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung und Einführung des Öffnungsverhältnisses m=A2/A1 (A1, A2 sind die Strömungsquerschnitte) ergibt sich für die Abhängigkeit des Durchflusses vom Wirkdruck Dp 36 QV = A1v = mA1 2 ∆p ρ ⋅ 1 1 − m2 Mess- und Regeltechnik 2014 WIRKDRUCK-DFM Vor und hinter dem Drosselgerät darf die Rohrleitung keine Querschnitts- oder Richtungsänderung aufweisen, um eine exakte Messung zu gewährleisten. Einlaufstrecke ≥10 D, Auslaufstrecke ≥5 D. 37 Mess- und Regeltechnik 2014 SCHWEBEKÖRPER-DFM Auf den Schwebekörper wirken im wesentlichen drei Kräfte: Die konstante Schwerkraft G Die hydrostatische Auftriebskraft A, die gemäß dem Archimedischen Prinzip bei konstanter Dichte des Messstoffes ebenfalls konstant ist Die Kraft S, mit der die Strömung den Schwebekörper anhebt. Schwebekörper-DFM sind auf die Messung bei niedrigen Drücken begrenzt. Die VDI/VDE-Richtlinie 3513 beschreibt das Verfahren zur Berechnung der Skalen. 38 Mess- und Regeltechnik 2014 SCHWEBEKÖRPER-DFM Bei Änderung der Betriebstemperatur und des Betriebsdruckes werden die Multiplikationsfaktoren zur Korrektur nach folgenden Gleichungen ermittelt: Norm-bzw. Gewichtseinheiten Betriebseinheiten Kp = Korrekturfaktor für Druck Kt = Korrekturfaktor für Temperatur P1 = 1,013 bar + Kalibrierdruck in bar P2 = 1,013 bar + neuer Betreibsdruck in bar T1 = 273 K + Kalibriertemperatur in °C T2 = 273 K + neue Betriebstemperatur in °C 39 Mess- und Regeltechnik 2014 SCHWEBEKÖRPER-DFM Zudem ist bei Gasmessungen die richtige Anordnung des Ventils (ein/auslassseitig) immer in Zusammenhang mit dem Kalibrierdruck zu betrachten. Bedingt durch die Dichteänderung des komprimierten Gases, ändern sich die Auftriebskräfte am Schwebekörper und somit natürlich auch die Durchflussleistung entsprechend. Damit der Arbeitsdruck im Bereich des Messrohres immer konstant bleibt, ist das Einstellventil wie folgt anzuordnen 40 Mess- und Regeltechnik 2014 MAGNETISCH-INDUKTIVE-DFM Mit magnetisch-induktiven Durchflussmessern wird der Volumendurchfluss von elektrisch leitfähigen Messstoffen gemessen. Ein elektrischer Leiter, hier der elektrisch leitfähige Messstoff, bewegt sich durch ein Magnetfeld. In diesem Messstoff wird eine Spannung U induziert, die direkt proportional von der mittleren Fließgeschwindigkeit v abhängt. Die magnetische Induktion B (Stärke des Magnetfeldes) und der Elektrodenabstand D (Rohrnennweite) sind konstant. U=K×B×v×D K Gerätekonstante B Stärke des Magnetfeldes v mittlere Fließgeschwindigkeit D Elektrodenabstand 41 Mess- und Regeltechnik 2014 ULTRASCHALL-DFM 1. Das Dopplerverfahren. 2. Das Laufzeit-Differenzverfahren. 42 Mess- und Regeltechnik 2014 THERMISCHE DFM Das Herz eines thermischen MassenDurchflussmessers/-reglers ist der Sensor, bestehend aus einem dünnen Edelstahlrohr mit thermischen Widerstandselementen. Ein Teil des Gasstroms fließt durch diesen BypassSensor und wird durch Heizung 1 und 2 erwärmt. Bei Gasdurchfluss bedingt durch den Wärmetransfer driften die gemessenen Temperaturen T1 und T2 auseinander. Die Temperaturdifferenz ist dem Massedurchfluss durch den Sensor direkt proportional. 43 Mess- und Regeltechnik 2014 THERMISCHE DFM 44 Mess- und Regeltechnik 2014 GAS ANALYSIS 45 Mess- und Regeltechnik 2014 Gas Analysis The analysis of gases in technical processes is a fundamental requirement for an economical and ecological utilisation in environmental and process technology. One must differentiate between quantitive and qualitative measurements. Qualitative measurements define a single component in a mixture. Quantitive measurements define a concentration of a component in a mixture. In a technical process, the latter is used, as the components are mostly known. 46 Mess- und Regeltechnik 2014 Gas Analysis Principles The principles include: ◦ IR-Absorption – NDIR (Non-Dispersive Infrared Spectrometer) – FTIR (Fourier-Transformations-InfraredSpectrometer) ◦ Heat Conductivity ◦ Oxygen – Electrochemical – Paramagnetic 47 Mess- und Regeltechnik 2014 IR-Absorption Aside from the Nobel gases (H2, N2, O2 etc.), all gases can be measured. Typical examples are CO, CO2, CH4 and CmHn (a dipole must be present, which allows the molecule to swing). The measurement principle is based on the absorption of infrared radiation at various wavelengths (4000–400 cm−1). Each gas has a specific wavelength where absorption takes place. The absorption is proportional to the concentration. 48 Mess- und Regeltechnik 2014 IR-Vibrations 49 Mess- und Regeltechnik 2014 NDIR-Spectrometer An infrared source sends radiation via a splitter through two chambers. One is a reference and the other is the sample chamber. In the sample chamber, a portion of the light is absorbed. Due to the resulting temperature difference, a pressure difference is created and therefore a change in the flow. The flow is measured in the connecting line and converted to an electrical signal. The measuring chamber and cuvette length define the measuring range (normally switchable 1:10). Each gas requires an unique detector. 50 Mess- und Regeltechnik 2014 NDIR-Spectrometer 51 Mess- und Regeltechnik 2014 NDIR-Spectrometer 52 Mess- und Regeltechnik 2014 NDIR-Spectrometer 53 Mess- und Regeltechnik 2014 FTIR Spectrometer This technique shines a beam containing many frequencies of light at once, and measures how much of that beam is absorbed by the sample. Next, the beam is modified to contain a different combination of frequencies, giving a second data point. This process is repeated many times. Afterwards, a computer takes all these data and works backwards to infer what the absorption is at each wavelength. A broadband light source shines into a Michelson interferometer, a certain configuration of mirrors, one of which is moved by a motor. As this mirror moves, each wavelength of light in the beam is periodically blocked, transmitted, blocked, transmitted, by the interferometer, due to wave interference. Different wavelengths are modulated at different rates, so that at each moment, the beam coming out of the interferometer has a different spectrum 54 Mess- und Regeltechnik 2014 FTIR Spectrometer 55 Mess- und Regeltechnik 2014 FTIR Spectrometer • The cuvette „windows“ determine the spectral range eg. KBr 400-4000cm-1. • The spectral resolution is a question of price, 7 cm-1 is cheaper than 0.25 cm-1 • A better resolution will enable the separation of components at the same wavelengths . • A longer cuvette will increase the sensitivity of the FTIR. PPB is possible with a 2.5m cuvette. • So called “Open path” measurements can be made, eg. Between two mountains over a town, to measure CO2. 56 Mess- und Regeltechnik 2014 FTIR Spectrometer Background Interferogram Scan 57 Mess- und Regeltechnik 2014 Heat Conductivity Heat conductivity can be used to measure CH4, CO2, H2, N2 , Argon and mixtures thereof. The construction consists of four heated chambers. Two for reference gas and two for the sample. Different gases dissipate heat at different rates. Therefore the heated conductors have different temperatures and hence different electrical resistance. The conductors are connected to a wheatstone bridge and a voltage is generated. The voltage is proportional to the concentration 58 Mess- und Regeltechnik 2014 Heat Conductivity 59 Mess- und Regeltechnik 2014 Oxygen - Electrochemical The electrochemical oxygen cell looks similar to a battery. A current is generated which is directly proportional to the concentration. Reactions • Cathode : O2 + 2H2O+ + 4e- -> 4OH• Anode : 2Pb + 4OH- -> 2PbO + 2H2O+ 4e• Total : O2 + 2Pb -> 2PbO In a serial based gas measurement system, the oxygen sensor should be the last sensor in the chain! The zero point is not calibrated, only the endpoint, using surrounding air (20.95 Vol. %). 60 Mess- und Regeltechnik 2014 Oxygen - Electrochemical 61 Mess- und Regeltechnik 2014 Oxygen - Paramagnetic Oxygen is one of the few gases with strong magnetic susceptibility. The movement of the electrons within a molecule generates magnetic moments. The principle of the measurement is based on a sensor in which a dumb-bell comprising two nitrogen filled spheres is arranged in rotational symmetry within a magnetic field. Oxygen entering the sensor is drawn into the magnetic field, thereby strengthening the field. The nitrogen has the opposite magnetic polarisation and therefore the dumb-bell rotates. The degree of rotation is proportional to the concentration. To reduce sensitivity to vibration, the rotation is measured using light beam, a mirror and two photocells. Benefits: No cross-sensitivity, rapid response. Long term stability. 62 Mess- und Regeltechnik 2014 Oxygen - Paramagnetic Permanent Magnets Nitrogen Spheres Mirror 63 Electrical conductor Mess- und Regeltechnik 2014 DATA ACQUISITION 64 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition “Data Acquisition” is the link from the ‘real world’ of physical variables to your computer. Actual sensory information such as sound, light, temperature, vibration etc is converted by sensors to real time signals that may be interpreted by the data acquisition hardware. ◦ Analogue & Digital Signals ◦ Resolution ◦ Data Coding ◦ Interfaces ◦ Visualisation 65 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Analogue & Digital Signals A measurement e.g. Temperature is converted by a sensor and transmitter into a signal that is proportional to the temperature. Standard signals are: ◦ ◦ ◦ ◦ 0 - 20 mA 4 – 20 mA 0–5V 0 – 10 V The electrical signal is converted to a digital signal for further processing using an Analogue to Digital Converter (ADC). The resolution of the ADC representing the signal is important! 66 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition - Resolution A 3-bit resolution of a sin wave (with amplitude from 0 to 10) would divide the signal into 23 or 8 levels giving a resolution of only 1.25 per level, a very inaccurate representation of the wave. A 16-bit resolution would mean that sin wave can be represented by 216 levels (65536) or effectively 0.00015 per level. 67 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Resolution (Practical example) An Eurotherm chart recorder reads a thermocouple and converts the signal for further use on a PC. The recorder cannot transmit a decimal point, therefore the values are converted using a formula. E.g. 16 bit ADC = 216 = 65536 & 20 °C Output = resolution of DAQ x °C / Max. Temperature = 65536 x 20 / 1100 = 1191.56 (sent as 1191) PC converts back to a temperature: output x 1100 / 65536 = 19.99 °C 12 bit: 19.87 °C Compare 8 bit: 17.18 °C 68 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Data Coding An interface can only transmit two states, LOW level (0) or HIGH level (1). This represents a bit. The actual electrical value for the high and low level is dependant on the interface itself. +15V Active state LOW (logical 0) +3V -3V Non Active state HIGH (logical 1) -15V 69 The signal level for the RS232C interface is shown left. The area between +3V and –3V is not defined. Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Data Coding In practice, interfaces never send single bits of information, the bits are grouped into blocks of eight and are called bytes. The 128 standard characters (ASCII) require only 7 bits but the 8th bit is used to allow the use of 256 characters and the extended codes. To increase accuracy, integer numbers (0 – 65536) are sent as 2 bytes or a word. Floating point numbers in the range 1.0E±38 are sent as 4 bytes. 70 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Interfaces Serial & Parallel Data is normally transferred in a bus system as a serial transmission with each bit being transmitted sequentially over for example a 2-wire cable. In some cases, a parallel transmission is used as it has a higher transmission rate but only works over short distances due to the increased sensitivity to interference. The RS232, RS422 and RS485 interfaces all function as serial transmission methods with for example the MODbus protocol. RS232: 2-Wire cross over + Ground. RS422: 4-Wire cross over. TxD & RxD split into a “+” positive and “- “ negative. RS485: 2-Wire with state switching (master/slave). 71 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Interfaces Serial & Parallel RS232 No Bus capability. Can only connect two devices. RS422 Bus capability up to 32 stations. Max 1200m apart. Distance can be increased by using Repeaters. Less sensitive to interference than the RS232 as the measured signal is always the difference between the two signals. E.g. TxD+ has +5V and TxD- has –5V, this corresponds to logical “0” and the reverse as logical “1”. RS485 Same capability as for RS422. Interface available for PC otherwise bus converter required. 72 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Interfaces Interface Speeds. Serial 1 bit transfer Parallel 8 bit (150kB/s) USB 2.0 USB 3.0 Firewire (i-Link, 1394) Ethernet WLAN 73 up to 115200 bits/s ~10 Mbits/s 480 Mbits/s 4 Gbits/s 12 Mbits/s 1 Gbit/s 600 Mbits/s Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Visualisation Visualisation software is the last part of data acquisition. Most hardware requires a driver to access the registers of the DAQ hardware. A common example is the Labview software from National Instruments. Labview stands for Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench First development in 1986 for Macintosh Computers. Comprises a graphical user interface or front panel (GUI), a block diagram and a connector diagram. Program is compiled into machine code. 74 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Visualisation 75 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Visualisation From the same company, the SCADA software Lookout is also available. “National Instruments Lookout is an easy-to-use Web-enabled human machine interface (HMI) and supervisory control and data acquisition (SCADA) software system for demanding manufacturing and process control applications. With Lookout, developing your HMI/SCADA application takes less time, delivering substantial savings on overall project costs.” 76 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Visualisation 77 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – Visualisation Problem: No driver for my software / hardware combination Solution: OPC-Server OLE for Process Control (OPC) is a standard used to bridge windows based programs and process control hardware from different manufacturers. Object Linking and Embedding (OLE) is a distributed object system and protocol developed by Microsoft. OLE 1.0 was the origin of Dynamic Data Exchange (DDE) which allows two running programs to exchange data and is used today. OLE 2.0 has been further developed and is now called ActiveX. For the exercise, Lookout from National Instruments will be used to communicate with a data acquisition system from Eurotherm via an OPC-Server, as a direct communication protocol is not available. 78 Mess- und Regeltechnik 2014 Data Acquisition – References [1] “Digital Interfaces and Bus Systems, Fundamentals and practical advice for the connection of field devices to MODbus, PROFIBUS-DP, ETHERNET, CANopen and HART®”; Manfred Schleicher; ISBN-13: 978-3-935742-03-0 (as PDF-File from www.jumo.at) [2] Wikipedia [3] “A basic guide to data acquisition”; Blue Chip Technology; www.bluechiptechnology.co.uk [4] Lookout Reference Manual, National Instruments www.ni.com. 79 Mess- und Regeltechnik 2014 BUS SYSTEMS 80 Mess- und Regeltechnik 2014 In computer terminology, the bus system is the term for the bidirectional data communication system that carries all electrical information between the central processing unit (CPU) and the other devices in the system e.g. random access memory (RAM), PCI expansion slots, hard-disks etc and is commonly called the front side bus (FSB). In industry, the equivalent would be the “black box” between individual sensors (for example) and the computer control system. This black box interface can take various forms: ◦ data logger ◦ a SPS-System (SpeicherProgrammierbare Steuerung – Memory programmable control) ◦ PC-Interface card or ◦ a simple amplifier coupled with interface port. 81 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems Usually, the interface can be found locally near the sensor group, with multiple interfaces being connected via a 2-wire cable to a central control system or PC. All components are therefore connected and form together the bus system. An access procedure regulates which interfaces talks on the bus and when. 82 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Transmission Properties Master / Slave Procedure Master calls slaves consecutively, slave listens, answers and confirms. Time for one loop (all slaves) is the Bus Cycle Time. PROFIBUS-DP in milliseconds, MODBus in seconds. 83 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Transmission Properties Token-Passing Procedure More than one Master. Master with the token can talk to the slaves. An example of this system is PROFIBUS-DP. 84 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Collision ◦ If a system operates with the CSMA procedure (Carrier Sense Multiple Access), then all stations on the bus have equal rights. ◦ Any station can start transmitting on its own accord. The principle is, that every station checks whether another station is transmitting at the moment, before it starts transmitting. ◦ Problems arise if two stations start transmitting simultaneously. ◦ There are various possibilities for dealing with this situation, which is known as a collision: 85 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Collision CSMA-CD When using the CSMA-CD access procedure (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection), if two stations transmit simultaneously, then the message will be destroyed. The stations recognise the simultaneous transmission, and repeat the transmission on a random basis. If another collision occurs, there will be a fresh transmission etc. ETHERNET, for instance, works on this principle. 86 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Collision CSMA-CA When using the CSMA-CA procedure (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoid), the station that is transmitting the message with a lower priority will disconnect from the bus. Thanks to the arrangement of the protocol and the electrical characteristics of the interface, the higher-priority message will obtain access and be transmitted without disturbance. 87 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Transmission Media ◦ Co-Axial and optical fibre cables can be used. ◦ More common, shielded, twisted pair. ◦ Important: Inductance and Capacitance should be low to avoid signal loss. ◦ Typical capacitance <30pF/meter. ◦ Increasing cable length = increasing signal loss ◦ Therefore decrease transmission rate (Baud Rate) to compensate! 88 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Transmission Media E.g. RS485 interface can transmit up to 12 Mbps which decreases rapidly. Length (m) 100 200 400 1000 1200 Baud Rate (kbps) 12000 1500 500 187.5 9.6 A further point is the so called termination resistor. If the ends of the cable on the bus were open, the signals would be reflected. The higher the baud rate, the worse this effect will be. A termination resistor at each end minimises this problem. 89 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Transmission Protocol The transmission protocol is the common language between the master and slave(s). Standard protocols include: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 90 MODBus ProfiBus Ethernet Can Hart Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Transmission Protocol Manufacturer MODbus PROFIBUS-DP Gould-Modicon Siemens, Klöckner Möller, ETHERNET CANopen HART Bosch and Intel Rosemount Inc. Bosch etc. Access Master/Slave Master/Slave CSMA-CD CSMA-CA Master/Slave Medium unrestricted 2-wire or optical fibre 2-wire cable 2-wire cable 2-wire cable Baud rate Up to 187.5 kbps 9600 bps to 12 Mbps 100Mbps 50kbps to 1Mbps 1200bps Bus expansion Up to 1200m/segment 1200m/segment Max. 100m between two Up to 5000m Up to 2000m www.can-cia.de www.hartcomm.org points Hyperlink 91 www.modbus.org www.profibus.com www.iano-eu.com Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – MODBus ◦ Developed in 1979 by Gould-Modicon, America. ◦ Uses RS232 or RS485 ◦ Baud Rate, Parity Check & Stop Bits must be same for all stations. ◦ Master / Slave procedure. Each with unique address! ◦ Uses function codes: – – – – – – – 92 Read N bits: Read N words: Write a bit: Write a word: Fast read of status: Diagnostic: Write N words: Code 01 or 02 Code 03 or 04 Code 05 Code 06 Code 07 Code 08 Code 16 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – MODBus Example with Eurotherm 4180M chart recorder. For a thermocouple, Type K, Range 0 – 1100°C M = measured temperature in °C ( 20°C = 1.1mV) R = resolution of DAQ ( 16 bit = 216 = 65536) Max = maximum temperature in °C (1100°C = 65mV ) Raw output value from recorder = R x M /Max = 1191 93 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – MODBus Example with Eurotherm 4180M chart recorder. If this thermocouple is connected to channel 1 on the recorder, the command to read this channel in would be: Modbus1.40001 x 1100 / 65536 Where: Modbus1 1100 65536 40001 94 = The name of the protocol driver = The maximum measured value of the TC = The resolution of the recorder. = Code (0)4, read input register followed by 0001, address of channel 1 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Profibus DP PROcess Field Bus ◦ Network comprising Master (PC or PLC [Programmable Logic Controller] & Slave devices. 2-wire with terminators. ◦ Bi-Directional ◦ Each device has a unique address. ◦ User defines – Device & Information in device (GSD Database) ◦ Network configuration file is generated. ◦ Uses a polling cycle (similar to SPS). ◦ Very fast – milliseconds! ◦ Device description file (GSD) describes functionality of device, baud rates, inputs & outputs etc. 95 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – Profibus DP 96 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – HART Highway Addressable Remote Transducer. ◦ The HART Protocol makes use of the Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) standard to superimpose digital communication signals at a low level on top of the 4-20mA 97 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – HART Global standard for sending and receiving digital information across analog wires between smart devices and control or monitoring system Communicates at 1200 bps without interrupting the 4-20mA signal and allows a host application (master) to get two or more digital updates per second from a smart field device. As the digital FSK signal is phase continuous, there is no interference with the 4-20mA signal. Simultaneous transfer of the primary analog measurement signal & device information in the digital signal. Low cost, easy to use and configure. Example: Caller ID on landline! 98 Mess- und Regeltechnik 2014 Bus Systems – CAN bus Controller Area Network A vehicle bus standard designed to allow microcontrollers and devices to communicate with each other within a vehicle without a host computer. CAN bus is a message-based protocol, designed specifically for automotive applications CAN is a multi-master broadcast serial bus standard for connecting electronic control units (ECUs). Each ECU has a proirity. 99 Mess- und Regeltechnik 2014 VERDRAHTUNG 100 Mess- und Regeltechnik 2014 Verdrahtung Unter „Verdrahtung“ versteht man alles, was innerhalb eines Schaltschranks, innerhalb eines Verteilerschrankes oder dergleichen für eine Steuerung oder Regelung, egal welcher Art, elektrischerseits benötigt wird. Dabei spielt die Größe des Schrankes keine Rolle. Wichtig ist in erster Linie, dass gemäß der Norm EN 60204 (alte VDE 0113) mehr als zwei Komponenten mit Drähten oder Leitungen verbunden werden. Komponenten sind Schalter, Taster, Schütze, Relais, SPS, Frequenzumrichter, Klemmen, usw., die für eine Steuerung oder Regelung benötigt werden. 101 Mess- und Regeltechnik 2014 Ein Schaltschrank beherbergt die elektrischen und elektronischen Komponenten einer verfahrenstechnischen Anlage, einer Werkzeugmaschine oder Fertigungseinrichtung, die sich nicht direkt in der Maschine (z. B. Sensoren) befinden. Im einfachsten Fall enthält er nur Klemmen zum übersichtlichen elektrischen Verbinden verschiedener Komponenten einer Anlage (Klemmkasten, Verteilerkasten). Bei einem geschlossenen Schrank ist die zufällige und unbeabsichtigte Berührung spannungsführender Bauteile ausgeschlossen. 102 Mess- und Regeltechnik 2014 Kabelkanal Datenerfassung Netzwerk 24V Stromversorgung Leistungsschutzschalter & Relais Reihenklemmen 103 Mess- und Regeltechnik 2014 24V Stromversorgung 24V Reihenklemmen Klemmenbrücken 104 Mess- und Regeltechnik 2014 ~230V Versorgung 105 =24V geschaltete Versorgung Mess- und Regeltechnik 2014 L, N & PE ~230V Ausgänge ~400V Versorgung 106 Mess- und Regeltechnik 2014 Reihenklemmen Bezeichnung (X4) Sicherheitsklemme Geschaltete 24V Ausgänge 107 Trennplatte Mess- und Regeltechnik 2014 Durchgangs-Reihenklemmen Weidmüller WDU2.5 (800V, 32A) Weidmüller WQV 2.5/10 Reihenklemme Schutzleiter WPE 2,5 Hutschiene 108 Mess- und Regeltechnik 2014 Leitungsschutzschalter MCB 1P+N 6 A Charakteristik Typ C Halbleiterrelais 6 A 280 V eff. Steuerspannung 24V 109 Mess- und Regeltechnik 2014 1 mm² Einzeladerleitung, AWG 18, 600 V, PVC, Nennstrom 17A 110 Leitungsquerschnitt mm2 Max. Strom A 0,75 6 1,0 10 1,5 13 2,5 16 4,0 25 Mess- und Regeltechnik 2014 Magnetventil Öffner, 24 V, 1 Zoll, Port DN25, Leistung 29W Verhalten: NC – Normally Closed NO – Normally Open VORSICHT: P=I*U I=P/U I = 29 / 24 = 1,21 A 111 Mess- und Regeltechnik 2014 Merken: 3 x 16A Versorgung! Hauptschalter Versorgung 112 Mess- und Regeltechnik 2014 24V Versorgung Vorsicht 2 x 10A Netzteile auf L3! 113 Mess- und Regeltechnik 2014 Vorsicht 2 x 10A Netzteile! P=I*U P = (10 + 10 ) * 24 = 480 Watt P = I * U folgt I = P / U I = 480W / 230V = 2,08A !! 114 Mess- und Regeltechnik 2014 Auslegung von 24V Netzteile: Leistung von alle Abnehmer summieren I = Gesamtleistung / 24 Beispiel: 10 Stück Magnetventile je 30W 10 x 30 = 300W / 24V = 12,5A Vorsicht: Wirkungsgrad 300W mit WG 80% €300 ! 115 300/0,8 = 375W ! Mess- und Regeltechnik 2014 116 Mess- und Regeltechnik 2014 24V Magnetventil Schalter od. Relais 24V Versorgung 117 Mess- und Regeltechnik 2014 Cerabar S PMC71 Prozessdrucktransmitter 3 & 4 Erdungsklemme 118 6 & 7 Versorgung Mess- und Regeltechnik 2014 Drucktransmitter Multimeter od. Datenerfassung 24V Versorgung 2 Drahtsystem 119 Mess- und Regeltechnik 2014 Multimeter od. Datenerfassung Drucktransmitter 24V Versorgung 120 Mess- und Regeltechnik 2014 Massendurchflussmesser MFM DAQ Datenerfassung 4 Drahtsystem 121 Mess- und Regeltechnik 2014 Massendurchflusscontroller MFC DAQ 24V 122 Sollwertgeber zB. Poti. Mess- und Regeltechnik 2014 4 – 20 mA 100 Ohm Signalumwandlung mA -> V mittels „Shunt“ [ U=R*I] 0,4 – 2 V • Wiederstand kann optimal ausgewählt abhängig von DAQ 100 Ohm= 2V, 500 Ohm = 10V. • Wiederstand muss sehr Genau sein (100±0,1 Ohm)! 123 Mess- und Regeltechnik 2014 EUROTHERM 2500 124 Mess- und Regeltechnik 2014 125 Mess- und Regeltechnik 2014 Unit comprises Module + Terminal Terminal determines input signal. 126 Mess- und Regeltechnik 2014 IOC (CPU) Terminal 127 Mess- und Regeltechnik 2014 Input terminal for • Temperature • Voltage • Current (with resistor) 128 Mess- und Regeltechnik 2014 Output Terminal for • Voltage • Current 129 Mess- und Regeltechnik 2014 Terminal for 4 Channel Relay Output A1 B1 24V + 0V 130 Magnetic Valve Mess- und Regeltechnik 2014 Example connection for pressure sensor A1 C1 24V + 0V 131 Pressure Transmitter Mess- und Regeltechnik 2014 iTools Configuration Software 132 Mess- und Regeltechnik 2014 Connect PC and DAQ with appropriate cable. Start iTools software. Start Abfrage 2500 found 133 Mess- und Regeltechnik 2014 Turn on config mode Relays and outputs are not active in edit mode! 134 Mess- und Regeltechnik 2014 Check each module found is the correct module. 135 Mess- und Regeltechnik 2014 Example: 4-20mA with 5 ohm Shunt scaled to 0-100 bar 136 Mess- und Regeltechnik 2014 Read „val“ with OPC server or with Modbus address 5207 137 Mess- und Regeltechnik 2014 Configuration for Relay channel. Output 0 or 1 to „val“ to open or close. 138 Mess- und Regeltechnik 2014 Complete example to read a temperature using Eurotherm OPC-Server. 139 Mess- und Regeltechnik 2014 Configure module with iTools. E:g. Module 01: AI2 140 Mess- und Regeltechnik 2014 Channel 1 configured for Thermocouple Type K. Temperature can be seen. 141 When configuration is finished, turn off edit (Zugriff). Mess- und Regeltechnik 2014 Start OPC-Server, DAQ should be automatically found, if not, ask! Activate Monitor. 142 Mess- und Regeltechnik 2014 In Lookout software, create driver object: OPCClient. 143 Mess- und Regeltechnik 2014 Create new object: Create, Object, Display, Gauge, to read Channel 1, „Val“. 144 Mess- und Regeltechnik 2014 Format gauge display to digital 145 Mess- und Regeltechnik 2014 Data is displayed real-time! 146 Mess- und Regeltechnik 2014 Complete example to control a relay using Eurotherm OPC-Server. 147 Mess- und Regeltechnik 2014 In your project, add a driver object – OPC Client. 148 Mess- und Regeltechnik 2014 Select the Eurotherm server. 149 Mess- und Regeltechnik 2014 Create a controlling object eg. A switch. 150 Mess- und Regeltechnik 2014 Select from the menu: Edit connections in edit. Select your process followed by OPC client1. 151 Mess- und Regeltechnik 2014 Select COM1 where the DAQ is connected (Top left). 152 Mess- und Regeltechnik 2014 Select ID255-2580 this is the DAQ. 153 Select IO. Mess- und Regeltechnik 2014 Select the correct module AND channel. 154 Mess- und Regeltechnik 2014 Here we use module 4, channel 1 155 Highlight „Val“ and press select. Mess- und Regeltechnik 2014 Select bottom left, your process. 156 Highlight your controlling object and press paste. Mess- und Regeltechnik 2014 In the middle you see the connection. Press accept. 157 Mess- und Regeltechnik 2014 After Accept, you see, top right, the new connection. Press quit. Try the switch! What have you just done? You have said that the value of module 4 (Relay module), channel 1 takes its value from the value of the switch (0 or 1). This value is continuously sent to the DAQ. Think back. You have done this before with the logger panel! 158