Návrh PLC očima vývojáře – 15. část (Kalibrace a korekce výrobních tolerancí)

S programovatelnými automaty se můžeme setkat prakticky na každém „průmyslovém“ kroku. Aby je však mohli jedni zapojit a obsluhovat, musí je druzí nejdříve vymyslet, navrhnout a odladit. A právě takovému tvůrčímu přístupu se nyní budeme věnovat. Zároveň také představíme celou řadu doporučených polovodičových řešení.

Automatickým testem po zapnutí napájení a také nepřetržitou / periodickou kalibrací navyšujeme spolehlivost včetně dlouhodobé stability

Výrobní tolerance kompenzujeme kalibrací během závěrečných testů ještě ve výrobě, přičemž získaná data následně upotřebíme po náběhu napájecího napětí daného systému. Za potřebou dalších testů či kalibrace však stojí i některé parametry okolního prostředí, ve kterém budeme naše zařízení provozovat. Může se jednat o takové faktory jako

teplota,
vlhkost vzduchu či
stárnutí obvodových součástek (drift) – poeticky rovněž „zub času“,

které ovlivní chybu amplitudy nebo offsetu. Některé struktury nabízí řídicí či průměrovanou informaci, kterou lze v určitých intervalech ukládat do paměti. Zmíněné faktory pečlivě vyhodnocujeme a to ve spojení se samočinným testováním po náběhu napájecího napětí a periodickými nebo také nepřetržitými kontrolami. Provozní testování přitom může být tak jednoduché jako „pouhé“ snímání teploty a následné kompenzování dle naměřených výsledků, ale může se také jednat o mnohem složitější algoritmy.

Celá řada výrobků obsahuje interní mikroprocesor, napomáhající testování. Tak například v souvislosti s vážením lze provádět kompenzaci s ohledem na hmotnost obalu daného produktu – plastového pytlíku, sklenice apod. Odečtení hmotnosti použitého obalu od hrubé váhy je totiž nezbytné, chceme – li na stupnici přesně stanovit čistou hmotnost obsahu. Protože se však může hmotnost obalu postupem časem měnit – máme zde nějaké výrobní odchylky nebo také mohlo dojít ke změně dodavatelů, bude žádoucí čas od času váhu obalu či přepravní krabice aktualizovat.

Další možnost spočívá v nasazení spínače, který by zkratoval vstup zesilovače na zem, abychom tak mohli podchytit napěťový offset. Můžeme tak činit během automatického testu po zapnutí napájení, kdy kompenzujeme vliv stárnutí obvodových součástek. Případně se může jednat i o periodickou akci, kompenzující teplotní drift. Bude – li teplotní drift předvídatelný a opakovatelný, můžeme si testování usnadnit mikroprocesorem, který změří teplotu a následně bude řídit kalibrační obvod v otevřené smyčce.

Chybu zesílení systému lze kalibrovat vpravením známého signálu do vstupního dílu a změřením výstupní úrovně. Můžeme tak učinit při spuštění aplikace nebo periodicky, ve fázích nečinnosti.

Kalibrační D/A převodníky a potenciometry a podpora přesného, automatického „seřízení“

Kalibrační D/A převodníky (CDAC, Calibration Digital-to-Analog Converter) a také číslicově řízené potenciometry, určené ke kalibraci (CDPot, Calibration Digital Pot) vykazují jedinečné vlastnosti, umožňující trimování, dostavování a také kalibraci. První výhoda spočívá v interní non – volatilní paměti, která při náběhu napájení automaticky obnovuje kalibrační nastavení.

Na obr. 1 vidíme druhou výhodu: Schopnost přizpůsobit kalibrační krok a také umístění s ohledem na bezpečnost, definovanou v rámci průmyslových aplikací.

Obr. 1: Srovnání kalibračního rozsahu běžného DAC s CDAC

Obyčejný D/A převodník (DAC) podporuje jediné referenční napětí (V_REF), které zpravidla odpovídá maximální úrovni. Opačným a zároveň nejnižším protipólem je pak pevně daná hladina, typicky zem. Pro nastavení blízká středu bude značná část rozsahu mezi V_REF a zemí ignorována a tudíž i nevyužita – dostupná velikost kroku je totiž rovnoměrně rozložena v rámci celého rozsahu. V_REF, nastavené na 4 V, bude v případě 10bitového D/A převodníku znamenat velikost kroku 0,0039 V. V průmyslových aplikacích je nezbytné vyloučit jakékoli chyby, související s bezpečností. Pokud se nám tedy podaří „zbavit“ nevyužitého rozsahu pro nastavení, eliminujeme tím jakoukoli případnou možnost hrubého odchýlení obvodu.

CDAC a CDPot však v souvislosti s horním a spodním napětím DAC podporují nastavení prakticky libovolných potenciálů, čímž vylučují přebytečný rozsah nastavení. Na obr. 1 nám jako příklad posloužila napětí 1 V (Low) a 2 V (High). Abychom v rozsahu mezi 1 V a 2 V dosáhli velikosti napěťového kroku 0,0039 V, bude nám stačit jen 8bitová struktura, což se pochopitelně příznivě odráží i na ceně. Zároveň tím navyšujeme bezpečnost celého řešení, protože vylučujeme jakoukoli možnost nežádoucí odchylky. Vysoká i nízká úroveň napětí pro CDAC je prakticky libovolná, takže lze provádět vystředění, kdekoli to bude s ohledem na kalibraci zapotřebí. Vyplynul na základě analýzy tolerancí požadavek na rozsah 1,328 V až 1,875 V? Není problém, vše se dá zařídit! S rozsahem 256 kroků zde můžeme získat rozlišení dokonce 0,00214 V. Aplikace se specifickými požadavky tak již nebudou noční můrou – právě jsme totiž provedli optimalizaci.

Dokončení příště.