Dlaczego warto wymieniać dobrze znane i sprawdzone sygnały analogowe na cyfrowe? Postaramy się dziś wyczerpująco odpowiedzieć na postawione pytanie. Za przykład do analizy weźmy cyfrowe przetworniki ciśnienia marki WIKA, w których CANopen jest już standardem.
Czym jest sygnał CANopen?
CANopen to protokół komunikacyjny oparty o szeregową magistralę komunikacyjną CAN (Controller Area Network), którym od 1995 roku opiekuje się organizacja CAN in Automation (CiA). Obecnie to standard w normie Europejskiej EN 50325-4. W zamierzeniu protokół miał być ustandaryzowaną, wbudowaną siecią o wszechstronnych możliwościach konfiguracyjnych. W praktyce CANopen zapewnia kilka obiektów komunikacyjnych, które umożliwiają wdrożenie pożądanego zachowania sieciowego w przyrządzie. Dzięki temu czujnik zyskuje możliwość komunikowania danych procesowych, wyświetlania komunikatów o wewnętrznych błędach urządzenia oraz wpływania na zachowanie sieciowe i sterowania nimi.
W celu odpowiedzi na postawione we wstępie pytanie o zasadność wymiany analogowych sygnałów na cyfrowe, musimy porównać oba w kontekście 5 kluczowych właściwości, tj. dokładność, niezawodność, diagnostyka, architektura systemu i możliwości w zakresie zarządzania cyfrowym sygnałem wyjściowym CANopen. To właśnie te właściwości dla jednego typu sygnału są wadą, a dla drugiego zaletą.
Przyjrzyjmy się temu bliżej
Cyfrowe przetwornik ciśnienia – dokładność
Wróćmy na moment do roku 2015, w którym to dwóch pracowników firmy WIKA przeprowadziło szczegółową analizę różnic w dokładności pomiędzy czujnikami analogowymi i CANopen i dowiodło, że czujniki analogowe są bardziej podatne na błędy. Dlaczego? Sygnał jest przetwarzany trzykrotnie: najpierw z analogowego na cyfrowy (AD), następnie z cyfrowego na analogowy (DA), a na koniec jest ponownie digitalizowany w sterowniku. Zazwyczaj sygnał jest jeszcze linearyzowany, co dodatkowo zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia błędów.
Droga sygnału od czujnika przez kable z połączeniem wtykowym do przyrządu końcowego to najsłabszy punkt analogowej technologii pomiarowej.
Niezawodność cyfrowych czujników
W tej kwestii przewaga sygnału cyfrowego nad analogowym wynika z precyzyjnego zdefiniowania przewidywanych wartości. Transmitowane bity są sprawdzone pod kątem wiarygodności przez stałe pola, jak również przez długość komunikatu. Jeśli spodziewamy się zestawu 16 cyfr (np. 0101 0111 0100 1001), a otrzymujemy zestaw 14-cyfrowy, to oczywiste, że coś poszło nie tak w trakcie transmisji. Tym samym podatność na błędy w wyniku oddziaływania czynników zewnętrznych zostaje znacząco zmniejszona.
Diagnostyka
Układy elektroniczne ze „skaczącym sygnałem” opracowano specjalnie dla konkretnych czujników siły. Mogą być używane do sprawdzania, czy odpowiednie czujniki zwracają taki sygnał analogowy, jakiego należałoby oczekiwać. Jednak tak wyspecjalizowane obwody to rzadkość.
Szczegółowa kontrola struktury systemu sprawdzająca np. który typ przyrządu jest zainstalowany, w jakiej pozycji, a także weryfikacja czujników cyfrowych, wchodzi w zakres standardowego procesu rozruchu. Wielokrotną weryfikację sygnału cyfrowego umożliwia nawet w trakcie pracy (np. przez protokół Heartbeat lub limity czasu oczekiwania). Czujniki analogowe takiej możliwości nie przewidują.
Ponadto magistrala może przesyłać nie tylko sygnały, ale także dowolną ilość innych danych. Pojedynczy czujnik jest w stanie przesłać różne zmierzone zmienne: siłę i temperaturę, ciśnienie i poziom, lub zupełnie inne kombinacje.
Rozszerzenie systemu
Warto wspomnieć o możliwości łączenia sygnałów. W ramach jednego systemu sterowania można połączyć do 127 kanałów. Mało skomplikowany układ możemy bez problemu rozszerzyć w terminie późniejszym.
Okablowanie jest proste, a sterowniki są coraz tańsze, ponieważ nie jest konieczne stosowanie 127 osobnych, wysoce precyzyjnych kanałów analogowych.
Możliwość ponownego użytku
Z punktu widzenia potencjalnej wymiany i regulacji, czujniki analogowe wypadają korzystniej. Jeśli użytkownik korzysta ze standardowych sygnałów wyjściowych, wymiana lub modernizacja przyrządu nie wymaga zmiany oprogramowania, niezależnie od producenta. Dzięki temu proste procesy logistyczne nie wpływają na zachowanie systemowe. Z kolei w przypadku czujników cyfrowych warto mieć na uwadze, że praktycznie żaden producent czujników cyfrowych nie zapewni dokładnie takiego samego produktu, co konkurencja.
Cyfrowy przetwornik ciśnienia – przykład
Przykładem oferowanego przez nas przetwornika ciśnienia wyposażonego w protokół CANopen jest przetwornik ciśnienia D-20-9. Jest on kompatybilny z dowolnym systemem CANopen zaprojektowanym zgodnie z CiA. Jako usługi komunikacyjne przetwornik może obsługiwać m.in. LSS, Ochrona Node, puls, dane synchroniczne i asynchroniczne. Szybkość transmisji można ustawić w zakresie od 20K bodów do 1M bodów. Dla ułatwienia konfiguracji przetworników tej serii dostępne jest narzędzie EasyCom CANopen.
Cyfrowy przetwornik ciśnienia to rozwiązanie o wysokiej wydajności, jednocześnie cenowo opłacalne. Czujniki charakteryzują się dużą dokładnością i elastycznością w dostosowaniu do najszerszych zakresów pomiarowych. Wszystkie części zwilżone przetworników ciśnienia są wykonane ze stali nierdzewnej i są całkowicie spawane. Dodatkowo brak wewnętrznych elementów uszczelniających sprawia, że praktycznie nie ma ograniczeń w wyborze medium.
Sygnał analogowy czy CANopen?
Podsumowując, tak długo, jak czujniki obsługujące tradycyjne sygnały analogowe działają prawidłowo, nie należy zakłócać ich pracy. Jednak w przypadku rozbudowy systemu, napraw lub renowacji, warto wziąć pod uwagę korzyści wynikające z przejścia na sygnały cyfrowe.
