Návrh PLC očima vývojáře – 16. 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 jsme se celou dobu věnovali. Zároveň také byla představena celá řada doporučených polovodičových řešení.

Náhrada mechanických prvků plně elektronickými ekvivalenty: „Náklady dolů, přesnost nahoru!“

Číslicově řízené prvky, určené k nastavování, nabízí v rámci průmyslových systémů oproti svým mechanickým protějškům hned několik výhod. Snad největší z nich pak tvoří nižší cena. ATE může opětovně provádět přesnou kalibraci, čímž eliminuje značné náklady, spojované s manuálními součástkami, které „tak rády“ vnáší chybu. Digitální potenciometry rovněž umožňují mnohem častější periodické testování, příp. také po mnohem delší dobu, vnímáno z pohledu životnosti daného zařízení, protože mohou zaručit třeba 50 000 cyklů zápisu. Nejlepší mechanické potenciometry přitom podporují pouhých několik tisíc seřízení.

Mezi dalšími výhodami, oproti mechanickým protějškům, vynikají možnost pružného umístění a také vlastní rozměry. Číslicově řízené potenciometry lze na desce plošného spoje osadit přímo v signálové trase, přesně tam, kde budou zapotřebí. Jak to pak kontrastuje s mechanickými ovládacími prvky, které mohou vyžadovat fyzický zásah pověřené osoby, a žádají si tak relativně dlouhé obvodové trasy nebo rovnou koaxiální kabely. V případě citlivých struktur pak kapacita, časová prodleva či interference, „nasbírané“ na takových kabelážích, mohou znehodnocovat jinak solidní parametry koncového produktu.

Digitální prvky si v proudu času rovněž lépe udržují svá kalibrační nastavení, kdežto mechanické struktury mohou vykazovat malé posuny a to dokonce i v případě, budou – li zafixovány. A to ještě nehovoříme o pohybech jezdce z titulu mechanického pnutí, způsobeného teplotními cykly nebo také vibracemi, například během přepravy. Kalibrační koeficienty, uložené v číslicových potenciometrech, naštěstí takovými neduhy trpět nebudou (tímto pojednáním rozhodně nechceme obecně naznačovat, že mechanicky = zlé a elektronicky = dobré, jen zdůrazňujeme onen propastný rozdíl, ze kterého se dá vhodně těžit, ne však všude a skalní „hifisti“ dobře vědí proč – ale vraťme se zpět k našemu námětu; pozn. překl.).

V případě systémů, vyžadujících mimořádné zajištění, nasazujeme prvky CDPot typu OTP (one-time programmable). Dochází zde k trvalému uzamčení kalibračních nastavení, takže obsluha již nemůže nic dostavit. Pokud se však přesto vyskytne potřeba změny kalibračních údajů, nezbývá než fyzicky vyměnit příslušný OTP CDPot. Speciální provedení OTP CDPotu se pak pokaždé po power-on resetu vrací ke své uložené hodnotě. Obsluha tak může provádět za provozu omezená nastavení dle vlastního uvážení.

Číslicová kalibrace a otázka vlivu přesných napěťových referencí

Zapojení s čidly a související napěťová měření s přesnými A/D převodníky mohou být pouze tak dobrá, jak „dobré“ budou napěťové reference, použité k porovnávání. Stejně tak výstupní řídicí signály mohou být jen tak přesné, jak přesná budou referenční napětí, dodávaná D/A převodníku, zesilovači či budiči, ke kterému pak připojíme kabel. Běžné napájecí zdroje se s precizními napěťovými referencemi nemohou poměřovat, a to „ani omylem“, vždyť takový typický napájecí zdroj vykazuje přesnost pět až deset procent, jeho výstup se mění se zatížením a také změnou velikosti vstupujícího napětí, a k tomu všemu má ještě snahu být permanentně zarušen.

Kompaktní, nízkopříkonové a také nízkošumové napěťové reference s malým teplotním koeficientem jsou cenově dostupné a jednoduše se s nimi pracuje. Některé referenční prvky kromě toho nabídnou i vestavěná teplotní čidla, napomáhající sledování změn okolního prostředí. Celkově vzato, máme zde tři druhy sériových, kalibračních napěťových referencí (CRef), přičemž každá z nich nabídne jedinečné výhody pro různé koncové aplikace. Máme – li tedy možnost volby sériových napěťových referencí, můžeme jako vývojáři optimalizovat a také kalibrovat svá přesná zapojení. Pojďme vybírat:

První typ reference podporuje malé trimovací rozsahy, obvykle tři až šest procent; to je výhodné pro dostavení zisku v průmyslových snímacích / zobrazovacích systémech. Tak třeba spojení video D/A převodníku s nastavitelnou CRef umožní doladění celkového systémového zesílení a to jednoduchým nastavením napětí CRef.

Druhým typem rozumíme nastavitelné reference, umožňující změny v rámci širokého rozsahu (např. 1 V až 12 V), což jistě oceníme (odhlédneme – li nyní od rozebírané klasiky v podobě PLC) u terénních zařízení, využívajících snímače s docela širokými tolerancemi, které navíc musí pracovat z nestabilního napájecího zdroje. Přenosná servisní zařízení totiž mohou být docela dobře napájena z baterií, automobilového zdroje či nouzových generátorů.

A do třetice všeho dobrého: Jmenuje se to E²CRef, má to integrovanou paměť a umožňuje to jedním pinem „nakopírovat“ jakékoli napětí mezi 0,3 V a [V_IN – 0,3V], které se pak bude udržovat až do „nekonečna“. Princip E²CRef jistě oceníme v souvislosti s přístroji pro testování a monitorování, kdy potřebujeme stanovit výchozí bod nebo také prahovou úroveň pro výstrahu či spuštění alarmu.