Prinsip Kerja Differensial Pressure transmitter

Umumnya desain sensor tekanan listrik umum bekerja pada prinsip kapasitansi diferensial. Dalam desain ini, elemen penginderaan(sensor) adalah diafragma logam kencang yang terletak berjarak sama antara dua permukaan logam stasioner, terdiri dari tiga pelat untuk sepasang kapasitor komplementer. Cairan pengisi yang mengisolasi secara elektrik (biasanya berupa senyawa silikon cair) mentransferkan gerakan dari diafragma pengisolasi ke sensor diafragma, dan juga berfungsi ganda sebagai dielektrik yang efektif untuk dua kapasitor :

Setiap perbedaan tekanan di cell dapat menyebabkan diafragma melentur ke arah tekanan paling rendah. Sensor Diafragma adalah precision-manufactured spring element, yang berarti bahwa perpindahannya adalah fungsi yang dapat diprediksi dari gaya yang diterapkan. Gaya yang diterapkan dalam hal ini hanya dapat menjadi fungsi dari tekanan diferensial yang bekerja melawan luas permukaan diafragma sesuai dengan persamaan tekanan-tekanan-bidang standar F = PA.

Dalam hal ini, kita memiliki dua kekuatan yang disebabkan oleh dua tekanan fluida yang bekerja melawan satu sama lain, sehingga persamaan force-pressure-area dapat kita tulis ulang untuk menggambarkan gaya resultannya sebagai fungsi dari tekanan diferensial (P1 - P2) dan area diafragma: F = (P1 - P2) A. Karena daerah diafragma adalah konstan, dan gaya diduga terkait dengan perpindahan diafragma, semua yang kita butuhkan sekarang untuk menyimpulkan tekanan diferensial adalah secara akurat mengukur perpindahan diafragma.

Fungsi sekunder diafragma sebagai satu piring dari dua kapasitor menyediakan metode yang nyaman untuk mengukur perpindahan. Karena kapasitansi antar konduktor berbanding terbalik dengan jarak yang memisahkannya, kapasitansi pada sisi tekanan rendah akan meningkat sementara kapasitansi pada sisi tekanan tinggi akan berkurang:

Sebuah rangkaian detektor kapasitansi yang terhubung ke cell ini menggunakan sinyal eksitasi AC frekuensi tinggi untuk mengukur perbedaan dalam kapasitansi antara dua bagian, menerjemahkannya ke dalam sinyal DC yang akhirnya menjadi output sinyal oleh instrument yang mewakili tekanan.

Sensor tekanan ini sangat akurat, stabil, dan kasar. Fitur yang menarik dari desain ini - menggunakan dua diafragma isolasi untuk mentransfer tekanan cairan proses ke sensor diafragma tunggal melalui internal "mengisi cairan" - adalah bahwa bingkai padat membatasi gerak dari dua diafragma mengisolasi sedemikian rupa sehingga tidak ada yang mampu memaksa. diafragma penginderaan melewati batas elastisnya.

Seperti yang ditunjukkan ilustrasi, diafragma pengisolasi tekanan tinggi terdorong ke arah bingkai logam, mentransfer gerakannya ke diafragma penginderaan melalui cairan pengisi. Jika terlalu banyak tekanan diterapkan ke sisi itu, maka diafragma yang mengisolasi hanya akan "meratakan" pada kerangka solid kapsul dan berhenti bergerak. Ini secara positif membatasi gerakan diafragma dan  mengisolasinya sehinga tidak mungkin mengerahkan kekuatan lebih kepada sensor diafragma, bahkan jika tekanan cairan proses tambahan diterapkan. Penggunaan diafragma mengisolasi dan mengisi cairan untuk mentransfer gerakan ke sensor diafragma, digunakan dalam gaya lain dari sensor tekanan diferensial juga, memberikan instrumen tekanan diferensial modern dengan ketahanan yang sangat baik terhadap kerusakan tekanan berlebih.

Perlu dicatat bahwa penggunaan cairan pengisi cairan adalah kunci untuk desain tahan terhadap tekanan tinggi ini. Agar sensor diafragma dapat secara akurat menerjemahkan tekanan yang diterapkan ke dalam kapasitansi proporsional, maka dari itu tidak boleh menghubungi bingkai logam konduktif di sekitarnya. Agar setiap diafragma terlindung dari tekanan berlebih, bagaimanapun, ia harus menghubungi backstop yang solid untuk membatasi perjalanan lebih lanjut. Dengan demikian, kebutuhan untuk non-kontak (kapasitansi) dan untuk kontak (perlindungan overpressure) adalah saling eksklusif, sehingga hampir tidak mungkin untuk melakukan kedua fungsi dengan diafragma penginderaan tunggal. Menggunakan mengisi cairan untuk mentransfer tekanan dari mengisolasi diafragma ke sensing diafragma memungkinkan kita untuk memisahkan fungsi pengukuran kapasitif (penginderaan diafragma) dari fungsi perlindungan overpressure (diafragma isolasi) sehingga setiap diafragma dapat dioptimalkan untuk tujuan yang terpisah.

Contoh klasik dari instrumen tekanan berdasarkan pada sensor kapasitansi diferensial adalah pemancar tekanan diferensial Rosemount model 1151, ditunjukkan dalam bentuk rakitan dalam foto berikut:

Dengan melepas empat baut dari pemancar, kita dapat menghapus dua flensa dari kapsul tekanan, mengekspos diafragma isolasi ke tampilan polos:

Foto close-up menunjukkan konstruksi dari salah satu diafragma yang terisolasi, yang tidak seperti sensor diafragma yang dirancang untuk menjadi sangat fleksibel. Kerutan konsentris dalam logam diafragma memungkinkan untuk dengan mudah melenturkan dengan tekanan yang diberikan, memancarkan proses tekanan cairan melalui cairan pengisian silikon ke sensor diafragma yang kencang di dalam sel kapasitansi diferensial:

Bagian dalam sensor diferensial kapasitansi yang sama (diungkapkan dengan memotong sensor 1151 model Rosemount menjadi dua dengan menggunakan gergaji untuk memotongnya) gambar diatas menunjukkan diafragma pengisolir, sensor diafragma, dan port yang menghubungkannya bersama:

Di sini, diafragma mengisolasi sisi sebelah kiri lebih jelas untuk dilihat dari pada diafragma isolasi sisi sebelah kanan. Sebuah fitur yang jelas terlihat dalam foto diatas adalah jarak yang kecil antara diafragma isolasi sisi kiri dan kerangka logam internal, versus ruang yang luas di mana sensor diafragma berada.

Perlu diketahui bahwa ruang-ruang internal ini biasanya ditempati oleh cairan pengisi, tujuannya adalah untuk mentransfer tekanan dari diafragma isolasi ke sensor diafragma. Seperti yang disebutkan sebelumnya, kerangka logam padat membatasi pergerakkan setiap diafragma dan mengisolasi sedemikian rupa sehingga tekanan yang lebih tinggi mengisolasi diafragma "bottoms out" pada bingkai logam sebelum sensor diafragma dapat didorong melewati batas elastisnya. Dengan cara ini, sensor diafragma dilindungi terhadap kerusakan akibat overpressure karena isolasi diafragma tidak diperbolehkan untuk bergerak lebih jauh.

Sensor kapasitansi diferensial berkaitan dengan mengukur perbedaan tekanan yang diterapkan antara kedua sisinya. Sesuai dengan fungsi ini, instrumen tekanan ini memiliki dua port berulir di mana tekanan fluida dapat diterapkan. Bagian selanjutnya dalam bab ini akan menguraikan kegunaan pemancar tekanan diferensial. Semua sirkuit elektronik yang diperlukan untuk mengubah kapasitansi diferensial sensor menjadi sinyal elektronik yang mewakili tekanan dan ditempatkan dalam struktur berwarna biru di atas kapsul dan flensa. Realisasi yang lebih modern dari prinsip tekanan-sensing diferensial kapasitansi adalah pemancar tekanan diferensial Rosemount model 3051:

Seperti halnya dengan semua perangkat tekanan diferensial, instrumen ini memiliki dua port yang mana melalui tekanan fluida dapat diterapkan ke sensor. Sensor, pada gilirannya, hanya menanggapi perbedaan tekanan antara port.

Konstruksi sensor kapasitansi diferensial lebih kompleks dalam bagian yang khususnya dalam hal ini pressure instrument, dengan bidang sensor diafragma tegak lurus terhadap bidang dari dua isolasi diafragma. Desain "coplanar" ini lebih kompak dari pada gaya sensor yang lebih lama, dan lebih penting lagi mengisolasi sensor diafragma dari tekanan baut flange.

Perhatikan secara khusus bagaimana perakitan sensor tidak tertanam dalam bingkai logam padat seperti halnya dengan desain Rosemount asli. Sebaliknya, perakitan sensor relatif terisolasi dari frame, hanya dihubungkan oleh dua tabung kapiler bergabung dengan isolasi dari diafragma. Dengan cara ini, tekanan di dalam bingkai logam yang diberikan oleh baut flens hampir tidak berpengaruh pada sensor.

Model cutaway model Rosemount 3051S ("supermodule") DP transmitter menunjukkan bagaimana semua ini terlihat dalam kehidupan nyata:

Proses tekanan cairan yang diterapkan pada isolasi diafragma(s) untuk mentransfer mengisi cairan di dalam tabung kapiler, membawa tekanan ke diafragma di dalam sensor kapasitansi diferensial. Seperti desain Rosemount model 1151 klasik, kami melihat cairan mengisi dan melakukan beberapa fungsi:

Cairan pengisi melindungi sensor diafragma dengan halus dari kontak dari cairan  proses yang kotor atau korosif

Cairan pengisi memungkinkan isolasi diafragma untuk memberikan perlindungan dari tekanan berlebih untuk meindungi senosor diafragma

Cairan pengisi menyediakan media permitivitas konstan untuk rangkaian kapasitansi diferensial function

Seri "supermodule" pemancar tekanan Rosemount berbagi desain coplanar yang sama seperti model 3051 sebelumnya, tetapi menambahkan fitur desain baru: penyertaan elektronik dalam modul baja-baja daripada rumah bagian atas yang dicat biru. Fitur ini memungkinkan ukuran pemancar dikurangi secara signifikan jika diperlukan untuk aplikasi dengan ruang terbatas.

Pengenalan HMI

Programmable logic controllers yang dapat diprogram dibangun untuk memasukkan berbagai jenis sinyal (diskrit, analog), menjalankan algoritma kontrol pada sinyal tersebut, dan kemudian sinyal output sebagai tanggapan terhadap proses kontrol. Dengan sendirinya, PLC umumnya tidak memiliki kemampuan menampilkan nilai-nilai sinyal dan variabel algoritma ke operator manusia.

Seorang teknisi atau insinyur dengan akses ke komputer pribadi dan perangkat lunak yang diperlukan untuk mengedit program PLC dapat terhubung ke PLC dan melihat status program "online" untuk memantau nilai sinyal dan status variabel, tetapi ini bukan cara praktis untuk personel operasi untuk memantau apa yang dilakukan PLC secara rutin. Agar operator dapat memantau dan menyesuaikan parameter di dalam memori PLC, kita memerlukan jenis antarmuka yang berbeda yang memungkinkan variabel tertentu untuk dibaca dan ditulis tanpa mengorbankan integritas PLC dengan mengekspos terlalu banyak informasi atau mengizinkan orang yang tidak berkualifikasi untuk mengubah program yang ada pada PLC.

Salah satu solusi untuk masalah ini adalah tampilan komputer khusus yang diprogram untuk menyediakan akses selektif ke variabel tertentu dalam memori PLC, umumnya disebut sebagai Antarmuka Manusia-Mesin, atau HMI.

HMI dapat mengambil bentuk komputer tujuan umum ("pribadi") yang menjalankan perangkat lunak grafis khusus untuk berinteraksi dengan PLC, atau sebagai komputer tujuan khusus yang dirancang untuk dipasang di bagian panel logam lembaran untuk melakukan tidak ada tugas tetapi antarmuka operator-PLC .

Foto dibawah ini menunjukkan contoh komputer pribadi biasa (PC) dengan perangkat lunak HMI :

Tampilan yang ditunjukkan di atas terjadi untuk memantau proses vacuum swing adsorption (VSA) untuk memurnikan oksigen yang diekstraksi dari udara ambient. Di suatu tempat, PLC (atau kumpulan PLC) sedang memantau dan mengendalikan proses VSA ini, dengan perangkat lunak HMI bertindak sebagai "jendela" ke dalam memori PLC untuk menampilkan variabel yang bersangkutan dalam bentuk yang mudah diinterpretasikan untuk personel operasi. Komputer pribadi yang menjalankan perangkat lunak HMI ini terhubung ke PLC (s) melalui kabel jaringan digital seperti Ethernet.

Catatan: Istilah lama untuk panel antarmuka operator adalah "Man-Machine Interface" atau "MMI."

Foto berikut ini menunjukkan contoh panel HMI tujuan khusus yang dirancang dan dibangun secara tegas untuk digunakan dalam lingkungan operasi industri:

Panel HMI ini benar-benar tidak lebih dari komputer pribadi, yang dibuat dengan kasar dan dalam format yang kompak untuk memudahkan penggunaannya di lingkungan industri. Kebanyakan panel HMI industri dilengkapi dengan layar sentuh yang sensitif, yang memungkinkan operator untuk menekan ujung jari mereka pada objek yang ditampilkan untuk mengubah layar, melihat detail pada bagian dari proses, dll.

Teknisi atau program insinyur HMI menampilkan untuk membaca dan menulis data melalui jaringan digital ke satu atau lebih PLC. Objek grafis yang tersusun di layar tampilan HMI sering meniru indikator dan switch dunia nyata, untuk menyediakan antarmuka yang akrab bagi personel operasi. Sebuah objek "push button" pada muka panel HMI, misalnya, akan dikonfigurasi untuk menulis satu bit data ke PLC, dengan cara yang mirip dengan saklar dunia nyata yang menulis satu bit data ke register masukan PLC.

Panel dan perangkat lunak HMI modern hampir secara eksklusif berbasis tag, dengan setiap objek grafis pada layar yang terkait dengan setidaknya satu nama tag data, yang pada gilirannya dikaitkan dengan titik data (bit, atau kata-kata) dalam PLC melalui tag nama file database tinggal di HMI. Objek grafis pada layar HMI menerima (baca) data dari PLC untuk menyajikan informasi yang berguna kepada operator, mengirim (menulis) data ke PLC dari input operator, atau keduanya. Tugas memprogram unit HMI terdiri dari membangun database nama tag dan kemudian menggambar layar untuk mengilustrasikan proses ke tingkat detail yang baik karena operator perlu menjalankannya.

Contoh screenshot dari tabel database nama tag untuk HMI modern ditampilkan di sini:

Database nama tag diakses dan diedit menggunakan perangkat lunak yang sama untuk membuat gambar grafik di HMI. Dalam contoh khusus ini Anda dapat melihat beberapa nama tag (mis. MULAI PUSHBUTTON, MOTOR RUN TIMER, ERROR MESSAGE, MOTOR SPEED) terkait dengan titik data dalam memori PLC (dalam contoh ini, alamat PLC ditampilkan dalam format register Modbus). Dalam banyak kasus, editor nama tag akan dapat menampilkan titik-titik memori PLC yang sesuai dengan cara yang sama seperti yang ditampilkan dalam perangkat lunak editor pemrograman PLC (mis. I: 5/10, SM0.4, C11, dll.).

Detail penting untuk dicatat dalam tampilan database nama tag ini adalah atribut baca / tulis dari setiap tag. Perhatikan secara khusus bagaimana empat tag yang ditampilkan adalah hanya-baca: ini berarti HMI hanya memiliki izin untuk membaca nilai keempat tag dari memori PLC, dan tidak menulis (mengubah) nilai-nilai tersebut. Alasan untuk ini dalam kasus empat tag ini adalah bahwa tag-tag tersebut merujuk ke titik data input PLC. Tag START PUSHBUTTON, misalnya, mengacu pada input diskrit dalam PLC yang diberi energi oleh pushbutton switch. Dengan demikian, titik data ini mendapatkan statusnya dari energi terminal masukan diskrit. Jika HMI diberi izin tulis untuk titik data ini, kemungkinan akan ada konflik. Misalkan terminal input pada PLC diberi energi (pengaturan bit START PUSHBUTTON ke keadaan “1”) dan HMI secara bersamaan berusaha untuk menulis keadaan “0” ke tag yang sama. Salah satu dari dua sumber data ini akan menang, dan yang lainnya akan kalah, mungkin menghasilkan perilaku tak terduga dari program PLC. Karena alasan ini, poin dari data dalam PLC yang terkait dengan input dunia nyata harus selalu dibatasi sebagai izin "read-only" dalam basis data HMI, sehingga HMI tidak mungkin menghasilkan konflik.

Potensi konflik data juga ada untuk beberapa titik lain dalam database, namun. Contoh yang bagus dari hal ini adalah bit MOTOR RUN, yang merupakan sedikit dalam program PLC yang memberitahu motor dunia nyata untuk dijalankan. Agaknya, bit ini mendapatkan datanya dari program Ladder Diagram PLC. Namun, karena ini juga muncul di basis data HMI dengan izin baca / tulis, ada potensi bagi HMI untuk menulis secara berlebihan (yaitu konflik) yang sedikit sama dalam memori PLC. Misalkan seseorang memprogram toggling "pushbutton" objek layar di HMI terkait dengan tag ini: menekan "tombol" virtual ini pada layar HMI akan mencoba untuk mengatur bit (1), dan menekannya lagi akan mengatur ulang /meresetnya ke bit (0 ). Jika bit yang sama ini ditulis oleh coil dalam program PLC, bagaimanapun, terdapat kemungkinan yang berbeda bahwa objek "pushbutton" HMI dan koil PLC akan konflik, yang mencoba untuk memberitahu bit menjadi "0" sementara yang lain mencoba untuk mengatakan bahwa bit menjadi "1". Situasi ini sangat mirip dengan masalah yang dialami ketika beberapa program Ladder Diagram menunjukan bit yang sama.

Aturan umum untuk mengikuti di sini tidak pernah memungkinkan lebih dari satu elemen untuk ditulis ke titik data apa pun. Salah satu kesalahan umum yang dibuat siswa ketika pertama kali belajar memrogram HMI: mereka akan mencoba untuk memiliki HMI dan tulisan PLC ke lokasi memori yang sama, dengan hasil yang aneh.

Salah satu pelajaran yang akan Anda pelajari ketika memrogram sistem besar dan kompleks adalah sangat bermanfaat untuk mendefinisikan semua nama tag yang diperlukan sebelum mulai menata grafik dalam HMI. Hal yang sama berlaku untuk pemrograman PLC: itu membuat seluruh proyek berjalan lebih cepat dengan lebih sedikit kebingungan jika Anda meluangkan waktu untuk menentukan semua poin I / O yang diperlukan (dan nama-nama tag, jika perangkat lunak pemrograman PLC mendukung nama-nama tag dalam lingkungan pemrograman) sebelum Anda mulai membuat kode yang menentukan bagaimana input dan output tersebut akan berhubungan satu sama lain.

Mempertahankan konvensi konsisten untuk nama-nama tag juga penting. Misalnya, Anda mungkin ingin memulai nama tag setiap titik I / O terprogram sebagai INPUT atau OUTPUT (mis. INPUT PRESSURE SWITCH HIGH, OUTPUT SHAKER MOTOR RUN, dll.). Alasan untuk mempertahankan konvensi penamaan yang ketat tidak jelas pada awalnya, karena seluruh titik nama tag adalah memberi programmer kebebasan untuk memberikan nama sewenang-wenang ke titik data dalam sistem. Namun, Anda akan menemukan bahwa sebagian besar editor nama tag daftar tag dalam urutan abjad, yang berarti konvensi penamaan diatur dengan cara ini akan menyajikan semua tag input berdekatan (berdekatan) dalam daftar penamaanya, sama halnya dengan semua tag output berdekatan dalam daftar penamaanya, dan seterusnya.

Cara lain untuk memanfaatkan daftar abjad nama-nama tag untuk lebih memudahkan Anda adalah untuk memulai setiap nama tag dengan kata yang menjelaskan hubungannya dengan bagian utama peralatan. Ambil contoh contoh proses ini dengan beberapa titik data yang didefinisikan dalam sistem kontrol PLC dan ditampilkan dalam HMI:

Jika kita inputkan semua name tag diatas dalam urutan abjad, maka :

1. Exchanger effluent pump
2. Exchanger effluent temp out
3. Exchanger preheat pump
4. Exchanger preheat temp in
5. Exchanger preheat valve
6. Reactor bed temp
7. Reactor feed flow
8. Reactor feed temp
9. Reactor jacket valve

Seperti yang Anda lihat dari daftar nama tag ini, semua tag yang terkait langsung dengan heat exchanger berada dalam satu grup berdekatan, dan semua tag yang terkait langsung dengan reaktor berada dalam grup berdekatan berikutnya. Dengan cara ini, penamaan tag yang bijaksana berfungsi untuk mengelompokkannya dalam mode hierarkis, membuatnya mudah bagi programmer untuk mencari di masa depan dalam database nama tag.

Anda akan melihat bahwa semua nama tag yang ditampilkan di sini tidak memiliki karakter spasi di antara kata-kata (misalnya, bukannya "Reactor bed temp", nama tag harus menggunakan tanda hubung atau garis bawah sebagai karakter spasi: "Reaktor_bed_temp"), karena ruang umumnya diasumsikan oleh bahasa pemrograman komputer menjadi pembatas (pemisah antara nama variabel yang berbeda).

Seperti pengontrol logika yang dapat diprogram sendiri, kemampuan HMI terus meningkat sementara harganya menurun. HMI modern mendukung tren grafis, pengarsipan data, advanced alarming, dan bahkan kemampuan web server yang memungkinkan komputer lain dengan mudah mengakses data tertentu melalui jaringan area yang luas. Kemampuan HMI untuk mencatat data dalam jangka waktu yang lama mengurangi PLC karena harus melakukan tugas ini, yang sangat membutuhkan memori. Dengan cara ini, PLC hanya "melayani" data saat ini ke HMI, dan HMI mampu menyimpan catatan data saat ini dan waktu waktu sebelumnya dengan menggunakan cadangan memori yang jauh lebih besar. Jika HMI didasarkan pada platform komputer pribadi (mis. Perangkat lunak Rockwell RSView, Wonderware, FIX / Intellution), HMI mungkin dilengkapi dengan hard disk drive untuk penyimpanan data historis dalam jumlah yang sangat besar.

Beberapa panel HMI modern bahkan memiliki PLC yang dibangun di dalam unit, menyediakan kontrol dan pemantauan di perangkat yang sama. Panel semacam itu memberikan titik koneksi terminal strip untuk I / O yang terpisah dan bahkan analog, yang memungkinkan semua fungsi kontrol dan antarmuka ditempatkan dalam unit panel-mount tunggal.