تقویت کننده آنالوگ یا Analog Amplifier

در ادامه ی بررسی بلوک های برنامه نویسی آنالوگ لوگو به معرفی بلوک Analog amplifier می پردازیم. بلوک تقویت کننده ی آنالوگ دارای یک پایه ورودی آنالوگ، یک خروجی آنالوگ و یک پایه سبز رنگ Par است. در این بلوک نیز تنظیمات مربوط به پارامترها از طریق پنجره مشخصات و یا جعبه پارامتر بلوک انجام می‌شود. از این تابع جهت تقویت سیگنال ورودی آنالوگ در پایه Ax و انتقال آن به پایه خروجی آنالوگ Ax استفاده می‌شود. تصویر زیر شماتیک یک بلوک تقویت کننده آنالوگ را نشان می دهد. طبق این تصویر هر دو پایه ی ورودی و خروجی در این بلوک آنالوگ هستند.

از این بلوک جهت اسکیل کردن و تنظیم مقیاس استفاده می‌شود. به عنوان مثال فرض کنید در یک پروژه از دو سنسور دما با خروجی 0 تا 5 ولت و 0 تا 10 ولت استفاده شده باشد. هردوی این سنسورها بازه 0 تا 20 درجه را اندازه گیری می‌کنند. در سنسور 0 تا 5 ولت دمای 20 درجه معادل 5 ولت است؛ در حالی که در سنسور 0 تا 10 ولت دمای 20 درجه معادل با 10 ولت خواهد بود. همانطور که در مقاله ی پردازش مقادیر آنالوگ شرح داده شد مقدار 0 تا 10 ولت پس از پردازش در لوگو به 0 تا 1000 واحد تبدیل می شود. در این حالت دمای 20 درجه در سنسور اول پس از ورود به لوگو معادل 500 واحد بوده در حالی که در سنسور دوم دمای 20 درجه معادل 1000 واحد می باشد. همانطور که مشاهده کردید در دمای یکسان، خروجی متفاوتی در لوگو زیمنس ایجاد می شود. این پدیده به دلیل تفاوت در ولتاژ خروجی سنسور ها است.

نکته ی مهم در این پروژه عدم امکان مقایسه ی دو ورودی آنالوگ با رنج متفاوت است. به عبارت دیگر نمی توان بدون تقویت ورودی سنسور 0 تا 5 ولت آن را با ورودی 0 تا 10 ولت مقایسه کرد. استفاده از این سنسورها بدون تقویت کننده باعث ایجاد نتیجه ی اشتباه خواهد شد. به منظور مقایسه ی صحیح مقدار این دو سنسور با یکدیگر باید از بلوک Analog Amplifier استفاده ‌کرد. مراحل این کار به شرح زیر است:

ابتدا باید مقدار سنسور 0 تا 5 ولت را به شکل بازه 0 تا 10 ولت اسکیل کرد. این عمل به کمک بلوک تقویت کننده آنالوگ انجام می شود.
خروجی اسکیل شده یا همان خروجی تقویت کننده را به یکی از ورودی های بلوک مقایسه کننده آنالوگ متصل می کرد.
ورودی آنالوگ دیگر که 0 تا 10 ولت بوده را به دومین ورودی بلوک مقایسه کننده متصل کرد. توضیحات مربوط به بلوک مقایسه کننده آنالوگ لوگو را در مقالات بعدی شرح داده می شود.

ورودی آنالوگ Ax می‌تواند یکی از سیگنال‌های آنالوگ زیر باشد:

AI1 تا AI8 صفر تا 10 ولت که به بازه 0 تا 1000 متناظر شده است.
AM1 تا AM6 در لوگو 6، AM1 تا AM16 درلوگو 7 و AM1 تا AM64 در لوگو 8
NAI1 تا NAI32 در لوگو 7 یا 8
AQ1 تا AQ2 در لوگو 7 و AQ1 تا AQ8 در لوگو 8
NAQ1 تا NAQ16 در لوگو 7 یا 8 و غیره

در تقویت کننده‌ی آنالوگ پارامترهای زیر قابل تنظیم هستند:

نوع خروجی Sensor
مقادیر ماکسیمم و مینیمم در رنج اندازه‌گیری
مقادیر Gain و Offset
تعداد رقم اعشار در محاسبات

قسمت Sensor در پجره مشخصات این بلوک مشخص کننده‌ ی نوع سیگنال آنالوگ است. طبق تصویر، در این بخش امکان انتخاب گزینه های ولتاژ 0/10 ولت، جریان 0/20 یا 4/20 میلی آمپر، PT100/PT1000 و یا No Sensor وجود دارد.

در جدول زیر مقادیر مجاز در تنظیم پارامترهای تقویت‌ کننده‌ی آنالوگ آورده شده است.

پارامتر	بازه‌ی قابل تنظیم
Gain	-10.00 تا 10.00
Offset	-10000 تا 10000
On یا آستانه روشن شدن	-20000 تا 20000
Off یا آستانه خاموش شدن	-20000 تا 20000
P یا تعداد رقم اعشار	قابل تنظیم روی یکی از اعداد 0، 1، 2 یا 3

در نظر داشته باشید که رنج سیگنال خروجی AQ در بازه -32768 تا +32767 قرار دارد. عملکرد کلی این بلوک به این شکل است:

1. تقویت کننده آنالوگ مقدار سیگنال آنالوگ ورودی Ax را قرائت می کند.

2. مقدار خوانده شده در مقدار gain ضرب می‌شود. طبق فرمول زیر، عدد حاصل از این ضرب با مقدار پارامتر Offset جمع شده و به عنوان مقدار واقعی Ax در نظر گرفته می‌شود.

(Ax * gain) + offset = Actual value Ax

3. مقدار واقعی Ax به خروجی AQ منتقل می‌شود.

همانطور که می‌دانید خروجی آنالوگ لوگو تنها قادر به پردازش مقادیر 0 تا 1000 است. از این رو به منظور اتصال مستقیم خروجی آنالوگ یک بلوک به خروجی‌های آنالوگ لوگو باید آن ها را در رنج 0 تا 1000 اسکیل کنیم. همانطور که در مقاله پردازش مقادیر آنالوگ در لوگو اشاره شد، جهت اسکیل کردن مقادیر از بلوک تقویت کننده آنالوگ استفاده می کنیم. به عنوان مثال فرض کنید می خواهیم مقدار خروجی آنالوگ بلوک مالتی پلکسر را روی یکی از خروجی‌های آنالوگ لوگو منتقل کنیم. به این منظور ابتدا باید خروجی مالتی پلکسر را در رنج 0 تا 1000 اسکیل کرد. در تصویر زیر نحوه ی اتصال خروجی مالتی پلکسر به بلوک Analog amplifier نمایش داده شده است. در این روش تابع تقویت کننده میان بلوک مالتی پلکسر و خروجی AQ لوگو قرار می گیرد. در تصویر زیر از یک تابع تقویت کننده آنالوگ میان تابع مالتی پلکسر آنالوگ و خروجی آنالوگ لوگو یا AQ استفاده شده است.

در تصویر زیر پنجره مشخصات بلوک تقویت کننده آنالوگ را مشاهده می کنید:

جهت درک بهتر از نحوه عملکرد این بلوک به مثال های این بخش توجه کنید.

مثال اول

فرض کنید یک سنسور آنالوگ فشار برای اندازه گیری رنج 0 تا 500 kg/cm2 با خروجی 4 تا 20 میلی آمپر در یک پروژه استفاده شده باشد. هدف این پروژه؛ نمایش مقدار سنسور روی نمایشگر متنی لوگو است. در نظر داشته باشید که از این سنسور به عنوان ورودی آنالوگ Onboard لوگو استفاده شده است. گام های انجام این پروژه به شرح زیر است:

ابتدا در نرم افزار لوگو منوی Tools>Select Hardware را انتخاب کرده تا پنجره ی LOGO! Settings باز شود.
در این پنجره گزینه I/O settings را انتخاب می کنیم.
در قسمت تنظیمات مربوط به ورودی‌های آنالوگ Onboard لوگو گزینه Enable 2 AIs را انتخاب می کنیم. این گزینه در تصویر زیر نمایش داده شده است. به این ترتیب ورودی I7 و I8 به AI1 و AI2 تبدیل می‌شوند.

خروجی سنسور را به پورت I7 لوگو متصل کرده و از AI1 در صفحه برنامه نویسی نرم‌افزار لوگو استفاده می‌کنیم.
در ادامه از دو بلوک AI1 و Analog Amplifier جهت برنامه نویسی استفاده می کنیم. هدف این پروژه نمایش فشار اندازه گیری شده در نمایشگر لوگو است. به این منظور و با استفاده از بلوک تقویت کننده، مقدار فشار اندازه گیری شده را در بازه ی 0 تا 500 کیلوگرم بر سانتی متر مربع اسکیل می کنیم.

در نظر داشته باشید که سنسور مورد استفاده از نوع خروجی جریان 4 تا 20 میلی آمپر است. همانطور که در مقالات قبلی شرح داده شد در ورودی‌های آنالوگ Onboard لوگو تنها از ولتاژ 0 تا 10 ولت استفاده می‌شود. به این ترتیب جهت تبدیل جریان 4 تا 20 میلی آمپر به ولتاژ، از یک مقاومت 500 اهمی استفاده می‌کنیم.

\[\left\{ {\;\begin{array}{*{20}{c}}{4\;mA\; \times \;500 = 2V}\\{20\;mA\; \times \;500 = 10V}\end{array}} \right.\]

تنظیمات بلوک Analog Amplifier را باید طبق تصویر زیر انجام داد. در قسمت Sensor از این پنجره، گزینه 4…20 mA را انتخاب کرده و در ادامه مقدار رنج اندازه گیری Minimum را روی عدد 0 و Maximum را روی 5000 تنظیم می کنیم. به این ترتیب مقادیر Gain و Offset به صورت خودکار روی 6.25 و -1250 تنظیم خواهند شد. اکنون بازه 200 تا 1000 در ورودی آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپری روی بازه 0 تا 5000 اسکیل شده است. به منظور اسکیل کردن عدد نمایش داده شده در نمایشگر لوگو در بازه ی 0 تا 500 باید تعداد رقم اعشار یا Decimal places را روی 1 تنظیم کرد. تنظیمات ذکر شده در تصویر زیر قابل مشاهده هستند.

فرآیند اندازه گیری فشار در این سنسور به این شرح است:

فشار اندازه گیری شده به صورت یک سیگنال آنالوگ وارد PLC شده و به واحدهای 200 تا 1000 تبدیل می‌شود.
این سیگنال از یک تقویت کننده آنالوگ عبور کرده و مقدار این واحد ها در رنج 0 تا 5000 قرار می گیرد. به عبارت دیگر بازه 200 تا 1000 روی 0 تا 5000 اسکیل می‌شود. در نمایشگر لوگو و حالت شبیه‌ سازی نیز مقدار فشار اندازه گیری شده میان 0.0 تا 500.0 نمایش داده می‌شود. تصویر زیر برنامه ی نوشته شده برای این پروژه را در حالت شبیه‌ سازی نشان می دهد.

قابل ذکر است که در بلوک Message Texts مقدار پارامتر Ax در بلوک تقویت کننده آنالوگ برای نمایش در لوگو انتخاب شده است. در قسمت توضیحات مربوط به بلوک نمایشگر متنی بیشتر به تنظیمات این بلوک خواهیم پرداخت.

مطالب شرح داده‌شده در این مقاله را می‌توانید به‌صورت ویدئو در دوره تصویری لوگو زیمنس مشاهده کنید. در این دوره‌ی آموزشی با انواع پی ال سی، زبان‌های برنامه‌نویسی و مینی پی ال سی لوگو زیمنس آشنا می‌شویم. آموزش لوگو از ابتدا صورت گرفته و شامل بررسی ماژول اصلی، کارت‌های توسعه، نصب، سیم بندی، برنامه‌نویسی و کنترل توسط اپلیکیشن و وب سرور می‌شود. در بخش برنامه‌نویسی تمام بلوک‌های دیجیتال، شبکه، آنالوگ و غیره بررسی‌شده و نحوه‌ی کار آن‌ها روی لوگو نمایش داده‌شده است. مانیتورینگ و کنترل لوگو از طریق اپلیکیشن، وب سرور و صفحه‌های طراحی‌شده توسط LWE صورت می‌گیرد. این موارد نیز در دوره‌ی تصویری شرح داده‌شده‌اند. لطفاً جهت مشاهده‌ی سرفصل‌ها و لیست ویدئوهای این دوره روی عبارت لوگو زیمنس کلیک کنید.

مثال دوم

در این مثال یک سنسور دمای 0 تا 10 ولت با رنج اندازه گیری 50 تا 200 درجه مد نظر است. همانطور که می‌دانیم ورودی آنالوگ در لوگو به بازه 0 تا 1000 اسکیل می‌شود. جهت تبدیل رنج 0 تا 1000 در AI2 به بازه ی 50 تا 200 از یک Analog amplifier استفاده می کنیم. در پنجره مشخصات این بلوک، مقدار Minimum و ماکسیمم را به ترتیب برابر با 50 و 200 قرار داده تا مقدار Gain و Offset به صورت خودکار تنظیم شود.

در صورت تغییر مقادیر ماکسیمم و مینیمم بلوک تقویت کننده از 0 تا 1000 به 50 تا 200 مقدار Gain و Offset به صورت خودکار روی 0.15 و 50 قرار می گیرد.

به این ترتیب رنج 0 تا 1000 به بازه ی 50 تا 200 تبدیل می‌شود. این نکته در حالت شبیه سازی برنامه نیز قابل مشاهده است. همانطور که در سمت راست تصویر زیر مشاهده می‌کنید مقدار 1000 در AI2 معادل با مقدار 200 و در تصویر سمت چپ نیز مقدار 0 معادل 50 شده است.

مثال سوم

فرض کنید می‌خواهیم دمای دو سنسور را با یکدیگر مقایسه کنیم. برنامه باید این شرایط را داشته باشد:

خروجی باید هنگامی فعال شود که اختلاف دو سنسور دما به 20 درجه رسیده باشد.
خروجی هنگامی خاموش می شود که این اختلاف به 10 درجه برسد.
این عملیات با استفاده از دو سنسور 0 تا 5 ولت و 0 تا 10 ولت انجام شود.
قابل ذکر است که رنج اندازه گیری هر دو سنسور از 0 تا 100 درجه سلسیوس است.
نکته ی مهم این است که سنسور دمای 0 تا 5 ولت دمای 100 درجه را برابر با 5 ولت در نظر می‌گیرد.

همانطور که می دانید، در ورودی آنالوگ لوگو 0 تا 10 ولت به 0 تا 1000 واحد تبدیل می شود. به این ترتیب سیگنال سنسور 0 تا 5 ولت به بازه 0 تا 500 واحد تبدیل خواهد شد. در این حالت دمای ماکسیمم یا همان 100 درجه در این سنسور معادل با 500 واحد است. از طرفی در سنسور 0 تا 10 ولت دمای ماکسیمم یا 100 درجه برابر با 10 ولت در ورودی آنالوگ لوگو است. در این سنسور دمای 100 درجه معادل با 1000 واحد خواهد بود.

با توجه به موارد شرح داده شده کاملا مشخص است که خروجی سنسور اول باید اسکیل شود. در این حالت بدون اسکیل کردن خروجی سنسور اول امکان مقایسه ی صحیح بین آن ها وجود ندارد. اگر خروجی های اسکیل نشده به یک بلوک مقایسه کننده متصل شوند همواره اختلاف دما تشخیص داده می شود. توجه کنید که بدون اسکیل کردن همواره 1000 واحد در سنسور دوم از 500 واحد سنسور اول، بیشتر است.

به منظور پیش گیری از خطای ذکر شده ابتدا باید ورودی 0 تا 5 ولت را اسکیل کنیم. می دانیم 0 تا 5 ولت در ورودی آنالوگ لوگو معادل با 0 تا 500 واحد است. جهت تبدیل بازه ی 0 تا 500 واحد به بازه 0 تا 1000 واحد از یک بلوک تقویت کننده آنالوگ با Gain=2 استفاده می کنیم. مراحل بعدی برنامه نویسی به این شرح می باشد:

خروجی تقویت کننده یا همان مقدار 0 تا 1000 را به یک پایه از بلوک مقایسه گر متصل می کنیم. تنظمیات درون بلوک تقویت کننده آنالوگ طبق تصویر زیر می باشد.

خروجی سنسور آنالوگ 0 تا 10 ولت را به پایه دیگر مقایسه گر آنالوگ متصل می کنیم.
در بلوک مقایسه کننده آنالوگ بازه ماکسیمم و مینیمم را روی 0 تا 100 قرار می دهیم. بازه 0 تا 1000 در این ورودی های آنالوگ به دمای 0 تا 100 درجه سلسیوس اسکیل می شود. تنظیمات درون بلوک مقایسه کننده را در تصویر زیر مشاهده می کنید: