Měření teploty - RTD teplotní modul Siemens EM 231

Regulace teploty patří k základním úlohám automatizace. Pro její měření lze použít řadu teplotních senzorů, založených na různých principech. Mohou být jak dotykové, tak i bezkontaktní (infračervené), vhodné např. pro méně přístupná místa.

V této lekci si ukážeme možnosti zpracování a využití hodnot z průmyslového odporového čidla RTD za pomoci rozšiřujícího teplotního modulu připojeného k PLC Simatic S7-200 firmy Siemens.

Obr. 1: Průmyslové teplotní čidlo Pt100 – firma ZPA

Obecné parametry RTD

U těchto čidel dochází se změnou teploty ke změně hodnoty jejich vnitřního odporu. Nejčastěji bývají vyrobeny z platiny nebo niklu. U kovů obecně, a tedy i u těchto materiálů, se zvyšující se teplotou roste i jeho odpor !!!

Mezi základní parametry patří:

• R₀ – základní odpor při teplotě 0°C (udávaný na štítku čidla)

• R₁₀₀ – hodnota odporu při teplotě 100°C

• R_t – hodnota odporu při konkrétní teplotě t°C

• W₁₀₀, W_t – poměr odporů při 100°C, resp. t°C a 0°C

                    

• teplotní součinitel odporu α – vyjadřuje závislost odporu vodiče na teplotě

                    

Udávané parametry na štítku RTD

Pro správné nastavení a připojení čidla k řídicímu systému je nutná znalost základních údajů, které lze odečíst ze štítku nebo nalézt v katalogovém listu.

V našem případě známe tyto údaje:

• materiál čidla – Pt značí použitý materiál, tedy platinu

• hodnota odporu při teplotě 0°C, tedy R₀ =100Ω

• toleranční třída B

• možnost připojení 4-vodičově

Označení použitého čidla má tedy tvar Pt100/B/4.

 

Důležitý je samozřejmě i rozsah teplot, který budeme schopni čidlem měřit. Tyto hodnoty bývají uvedeny opět na štítku, tedy -50°C až +200°C.

 

Průmyslové senzory jsou mnohdy vystaveny nepříznivému průmyslovému

prostředí. Je u nich tedy důležitý stupeň krytí IP, kterým je zaručena odolnost

proti vniknutí pevných částic a vody do zařízení.

Obr. 2: Vyražený štítek na teplotním čidlu

Připojení RTD čidla

RTD čidla umožňují tzv. 4-vodičové připojení, které poskytuje nejpřesnější měření. V případě 2-vodičového připojení se dvě příslušné svorky nezapojí.

Svorkovnice RTD čidla je vyobrazena na obrázku níže, kde každá svorka je označena číslem 1,2,3 a 4. Pro zjištění dvojice spojených svorek můžeme použít např. tzv. bzučák, kterým je vybavena většina dnešních multimetrů.

Obr. 3: Svorkovnice RTD čidla a schéma 4-vodičového připojení

Teplotní modul

Modul označený EM231 firmy Siemens umožňuje 4-vodičové připojení pro dvě teplotní čidla. Modul obsahuje 16-bitový převodník, přičemž vstupní rozlišení je pro průmyslové aplikace dostatečných 0,1°C. Aktualizace dat potom probíhá každých 405ms.

Jedná se o jednotku, která poskytuje automatu číselnou informaci v podobě skutečné (změřené) teploty. Jedná se však o datový typ INTEGER, tedy číslo není s desetinnou čárkou !!! Bude-li tedy tato hodnota např. 217, jedná se o teplotu 21,7°C.

Obr. 4: Teplotní RTD modul EM231 – firma Siemens

Příklad

Úkolem je zajistit regulaci výkonu spalovacího kotle pomocí závěrné klapky, která ovládá přívod vzduchu. Rozsah teplot pro řízení bude od 30°C do 100°C.

Bude-li tedy teplota růst, klapka se bude přivírat a naopak.

Přepočet hodnot získaných z teplotního modulu

Klapka bude ovládána modelářským servomotorkem, pro jehož požadované natočení je nutná realizace PWM (Pulsně šířkové modulace), kdy je nutné zajistit změnu střídy signálu podle aktuální teploty. Z tohoto důvodu nejprve využijeme matematické instrukce násobení MUL a sčítání ADD.

Pro řízení PWM výstupu je tedy nutný přepočet hodnoty z teplotního modulu na hodnoty odpovídající konkrétnímu natočení modelářského serva.

Levé poloze serva má odpovídat teplota 30,0°C, tj. hodnota 300 INTEGER. Minimální hodnota pro natočení serva odpovídá 640 (levá krajní poloha).

Pravá poloha má odpovídat 100,0°C, tj. hodnota 1000 INTEGER. Maximální hodnota pro natočení je 2400 (pravá krajní poloha).

Měřené údaje o teplotě získáme na adrese AIW2, která odpovídá pozici připojeného čidla na svorky modulu EM231.

Obr. 5: Použití matematických instrukcí

Pro rozsah teplot 30°C až 100°C jsou konstanty na vstupech IN2 obou matematických instrukcí voleny takto:

• pro 30°C dostáváme

• (300 ∙ 2) + 100 = 700 (nejnižší možná hodnota 640)

• pro 100°C dostáváme

• (1000 ∙ 2) + 100 = 2100 (nejvyšší možná hodnota 2400)

 

Servomotorek se tedy ani v jednom případě nedostane na krajní polohy, kdy by mohlo dojít k jeho poškození.

Instrukce PWM

PLC Simatic S7-200 firmy Siemens disponuje dvěma výstupy pro šířkově modulovaný signál, který je možné definovat instrukcí PWMx_RUN. Tato instrukce vyžaduje zadání pevné hodnoty periody a proměnné šířky pulsu na adrese VW300.

Obr. 6: Instrukce pro nastavení PWM signálu

Použití instrukce komparátoru

Jako indikaci dosažení teploty např. 70,0°C použijeme komparátor a bit speciální paměti SM0.5 pro generování signálu s frekvencí 1Hz. Na adresovaný výstup Q0.1 bychom tak mohli připojit akustické nebo světelné signalizační zařízení.

Obr. 7: Komparátor pro signalizaci překročení teploty

Tímto způsobem můžeme porovnávat jak hodnoty INTEGER, tak i konvertované na datový typ REAL.

Zdroje

Obrázky

• Pokud není uvedeno jinak, autorem obrázků je Ing. Miroslav Opl

Videa

• Archiv autora