Система регистрации параметров испытаний центробежного насоса с сохранением информации в течение трех часов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система регистрации параметров испытаний центробежного насоса с сохранением информации в течение трех часов

Система должна иметь датчик крутящего момента, датчик температуры корпуса и датчик давления жидкости. Информация о состоянии каждого из параметров после оцифровки должна передаваться в персональный компьютер для хранения и обработки.

Современные вращающиеся датчики крутящего момента

Первые датчики крутящего момента имели, как правило, аналоговый выходной сигнал. При таких интерфейсах невозможно исключить помехи исходящие от соседствующих силовых узлов и приводов, особенно при протяженной подводке и высокой динамике. Из-за этого в прошлом увеличивали уровень сигнала датчика. Общепринятые уровни сигнала в ± 5 В и ± 10 В, и всё же, для многих применений помехоустойчивость не достаточна высока.

Решение данной проблемы лежит в цифровой сенсорной электронике. Схема её принципиальной механической конструкции представлена на следующей картинке.

На валу находится суженное по диаметру место где наклеен тензометрический мост.

На валу так же находятся вращающаяся часть трансформаторного транслятора и вращающаяся электроника. В корпусе находится стационарная часть транслятора и остальная электроника. Для подключения датчика, на корпусе находится штекер.

Интегрированная электроника как в статоре, так и в роторе содержит микропроцессор с сопутствующей памятью. Измерительный сигнал генерируется на роторе посредством тензорезисторов, тут же усиливается и оцифровывается. Цифровой сигнал попадает в процессор, который готовит его к передаче на статор в форме последовательного сигнала с контрольной суммой. В статоре сигнал данных подготавливается и в заключение формируется в процессоре для последовательного интерфейса RS485.

Благодаря применению процессоров такие данные как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дата калибровки и прочие могут быть сохранены как на роторе, так и на статоре и при необходимости могут быть считаны.

Питание датчика происходит через контролируемый процессором источник, который может подключить калибровочный контроль для проверки датчика. Благодаря оцифровыванию измерительного сигнала непосредственно на месте его снятия и сохранению, а так же считыванию данных датчика обеспечивается очень высокая эксплуатационная надёжность измерительного устройства.

RS-485 - это номер стандарта, впервые принятого Ассоциацией электронной промышленности (Е1А). Сейчас этот стандарт называется TIA/EIA-485 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (Электрические характеристики передатчиков и приемников, используемых в балансных цифровых многоточечных системах).

Блок-схема цифровой передачи измерительного сигнала с интегрированными микропроцессорами

Главное отличие RS-485 от также широко распространенного RS-232 - возможность объединения нескольких устройств.

Описание интерфейса RS-485

Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Широко используется в промышленности при создании АСУ ТП.

Скорость и дальность

RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная дальность зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии -- 120 м, при скорости 100 кбит/с--1200 м.

Количество соединяемых устройств

Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256.

Протоколы и разъемы

Стандарт не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужно), стоповый бит.

Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу "ведущий"-"ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus RTU.

Тип соединителей и распайка также не оговариваются стандартом. Встречаются соединители DB9, клеммные соединители и т.д.

Подключение

Схема подключения

На рисунке изображена локальная сеть на основе интерфейса RS-485, объединяющая несколько приемо-передатчиков.

Уровни сигналов

Интерфейс RS-485 использует балансную (дифференциальную) схему передачи сигнала. Это означает, что уровни напряжений на сигнальных цепях А и В меняются в противофазе, как показало на приведенном ниже рисунке:

Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 В при максимальной нагрузке (32 стандартных входа и 2 терминальных резистора) и не более 6 Б на холостом ходу. Уровни напряжений измеряют дифференциально, один сигнальный провод относительно другого.

На стороне приемника RS-485 минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 200 мВ.

Осциллограмма реального обмена

Ниже приведена осциллограмма реального обмена (запрос и начало ответа) при обмене двух контроллеров ВАРИКОНТ по интерфейсу RS-485 (цепь А относительно цепи В). На осциллограмме цифрами отмечены некоторые ключевые моменты:

Включение передатчика ведущего контроллера. После включения выдержана пауза.

Начало передачи данных -- стартовый бит первого фрейма (фреймы аналогичны фреймам RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета, стоповый бит).

Завершение передачи данных -- стоповый бит последнего фрейма.

Выключение передатчика.

Включение передатчика ведомого контроллера.

Смешение

Как видно на осциллограмме выше, в отсутствие сигнала на сигнальных цепях имеется небольшое смещение. Это смещение предназначено для защиты приемников от ложных срабатываний.

Рекомендуется создавать смещение немногим более 200 мВ (зона недостоверности входного сигнала согласно стандарту). При этом цепь А "подтягивают" к положительному полюсу источника, а цепь В -- к "общему". Один из вариантов реализации цепи смещения показан ниже:

Номиналы резисторов рассчитывают, исходя из требуемого смещения и напряжения источника питания - например, мы хотим получить смещение 250 мВ при терминальных резисторах Rt = 120 Ом и напряжении источника 12 В. Учитывая, что 2 терминальных резистора включены параллельно и не принимая во внимание нагрузку от приемников, получаем ток смещения

I = U / R = 0,250 В / 60 Ом - 0,0042 А.

Общее сопротивление цепи смещения

R = U /1 = 12 В / 0,0042 А = 2857 Ом.

Получаем Rcm = (2857 - 60) / 2 ~= 1400 Ом. Выбираем ближайший поминал -- 1,3 или 1,5 кОм.

Мы, например, используем для смещения резисторы 1,5 кОм и внешний 12-вольтовый, гальванически развязанный выход блока питания контроллера ВАРИКОНТ, который является ведущим в своём сегменте сети.

Возможны другие варианты реализации смещения, например, распределённая схема с резисторами большого номинала на каждом узле. При размещении цепей смещения следует принимать во внимание, что узел, обеспечивающий смещение, может быть выключен или вовсе удалён из сети.

При использовании приёмо-передатчиков с гальванической развязкой (типа МАХ 1480) следует использовать и гальванически развязанный источник питания, иначе пользы от дорогих приёмо-передатчиков не будет никакой.

При наличии смещения потенциал цепи А на холостом ходу положителен относительно цепи В, что может служить ориентиром при подключении нового устройства к кабелю с немаркированными проводами.

Традиционный интерфейс RS-232 в промышленной автоматизации применяется достаточно редко.

Сигналы этого интерфейса передаются перепадами напряжения величиной (3...15) В, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров из-за низкой помехоустойчивости. Интерфейс RS-232 имеется в каждом PC -совместимом компьютере, где используется в основном для подключения манипулятора типа "мышь", модема, и реже - для передачи данных на небольшое расстояние из одного компьютера в другой.

Передача производится последовательно, пословно, каждое слово длиной (5...8) бит предваряют стартовым битом и заканчивают необязательным битом четности и стоп-битами.

Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только 2 устройства (так называемое соединение "точка - точка").

Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными перепадами напряжения величиной (0,2...8) В, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств - повторителей).

Кроме того, интерфейс RS-485 позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии (так называемая "мультиплексная шина").

В обычном PC-совместимом персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому необходим специальный адаптер -преобразователь интерфейса RS-485/232.

Преобразователь интерфейса ПИ-485/232, выпускаемый НПФ "КонтрАвт", используется при организации связи между устройствами, оборудованными интерфейсом RS-232, но использующими в качестве среды передачи интерфейс RS-485.

Некоторые технические данные преобразователя ПИ-485/232:

взаимное "прозрачное" преобразование сигналов интерфейсов RS-232 и RS-485 с гальванической изоляцией между ними;

управление направлением передачи осуществляется со стороны RS-232 по сигналу RTS;

требует наличия сигнала DTR, используемого для питания преобразователя (на стороне RS-232);

организация связи между различными устройствами, протокол передачи которых использует полудуплексный режим (запрос и ответ передаются по одной физической линии, но в разные промежутки времени);

индикация состояния сигналов интерфейса RS-232: RxD (прием), TxD (передача), RTS (сигнал управления передачей);

максимальная скорость обмена - 19200 бит/с.

Грубо принцип управления направлением передачи преобразователя ПИ-485/232 можно представить так:

Существуют и полностью автоматические преобразователи, не требующие сигнала управления передатчиком, но, как правило, они требуют жесткого указания скорости обмена и длины передаваемого слова (с учетом стартовых, стоповых бит и бита четности).

Подключение преобразователя ПИ-485/232 к порту RS-232 осуществляется так называемым "модемным" кабелем. Преобразователь имеет 9-контактный разъем (DB9, гнездо), персональный компьютер может иметь разъемы как 9-контактные (DB9, штырь), так и 25- контактные (DB25, штырь). Для 9-контактного разъема распайка кабеля осуществляется "один в один" (в скобках указаны номера контактов):

DB9, штырь - кDB9, гнездо - к преобразователю компьютеру

GND (5)GND (5)

RxD (2)RxD (2)

TxD (3) TxD (3)

DTR (4)DTR (4)

DSR (6)DSR (6)

RTS (7)RTS (7)

CTS (8) CTS (8)

RI(9)_____RI(9)

DCD(l)_ DCD(l)

Этот стандартный кабель производится многими изготовителями.

В качестве датчика температуры корпуса применим

OF4/E - Контактный датчик температуры для плоской металлической поверхности с магнитным держателем

Данная модель контактного датчика температуры идеально подходит для измерения температуры плоской металлической поверхности. Датчик оснащен мощным магнитом для крепления датчика к металлической поверхности. Измерительный элемент прижимается к контролируемой поверхности мощной пружиной. Применяемые в конструкции датчика мощный магнит и пружина делают его нечувствительным к вибрациям поверхности и дают стабильный измерительный сигнал. Стандартным является соединительный кабель 2 м и диаметром 6 мм.

-2О...+1О5 o С для типовых измерительных элементов,

Диапазон измерения:по спецзаказу доступен измерительный элемент из платины с диапазоном измерения -40...+400°С

Потребляемый ток:1мА

Сопротивление изоляции:100 МОм, при 20°С и 500 В пост, тока 2 м, Зм, 4м, 5м (другая длина по запросу), кабель

Соединительный кабель:изолирован, температурный диапазон изоляции кабеля до+180°С

Тип подключения : 2-х проводное (опционально З-х/4-х проводное с, заземлением)

Класс защиты:IP40

Крепление:Магнитный держатель

Сила притяжения магнита:90N

В качестве датчика давления применим:

DT/D - Преобразователь давления, до 1000 бар.

Преобразователь давления серии DT/D состоит из 3-х основных частей: измерительный элемент, преобразователь сигнала ASIC и U/I конвертор-переключатель.

Электронная калибровка обеспечивает преобразователь относительно небольшими погрешностями и длительной стабильностью, а закрытая измерительная тонко-пленочная ячейка длительной стабильностью и герметичностью. Диапазон измерения преобразователя давления: от 0...0.6 бар до 0...1000 бар. Напряжение питания 10В или 4...20мА (по заказу).

ASIC является программируемой CMOS-ASIC с EEPROM сохранением данных и аналоговым сигнальным выходом, который работоспособен в широком диапазоне рабочих температур. Мембрана из нержавеющей стали абсолютно вакуумно-герметична, особо устойчива к перегрузкам и подходит для всех стандартных сред в гидравлике, пневматике, охране окружающей среды, полупроводниках и автомобильном оборудовании.

Примерная схема подключения к компьютеру приведена ниже на рисунке

Типовая схема модуля аналогового ввода приведена на рисунке. Модуль имеет один или несколько аналоговых входов и цифровой выход. Как правило, модуль рассчитан на определенный тип аналоговых сигналов. Тип аналоговых сигналов определяется физическими особенностями датчика и наличием в нем первичного измерительного преобразователя (например, термосопротивление или датчик с выходом "токовая петля (4...20) мА").

Цифровой выход - это, чаще всего, последовательный интерфейс для подключения к обшей шине обмена информацией между модулями ввода, модулями вывода и центральным вычислителем. В качестве интерфейса могут использоваться стандарты RS-485, CAN и другие. Модуль аналогового вывода может иметь токовый выход (как правило, не более ±20 мА) и/или выход напряжения (например ±10 В).

Усиление

Первым активным элементом на пути сигнала от датчика в типовом модуле аналогового ввода является инструментальный усилитель. Он служит для подавления синфазной помехи и усиления. МАХ4460/1/2 - инструментальные усилители с оригинальной нестандартной внутренней структурой имеют очень низкий входной ток {1 лА) и эффективное подавление синфазной помехи (120 дБ), в том числе и для входных сигналов ниже нуля на 100 мВ (при одяополярном питании). МАХ4194-7 - семейство прецизионных инструментальных усилителей с классической (из трех ОУ) внутренней архитектурой. Входной сигнал может быть ниже нуля на 200 мВ. Уровень напряжения смещения не превышает 75 мкВ, а температурный дрейф напряжения смещения 0,5 мкВ/°С(оба параметра входные, типовые значения, при коэф. усиления 10). Усилить и/или буферизировать сигнал можно также с помощью операционных усилителей.

Коэффициент усиления очень удобно задавать с помощью прецизионных делителей напряжения МАХ5490/1/2 или цифровых потенциометров. Недорогие микросхемы цифровых потенциометров МАХ5427-9 и МАХ5527-9 оснащены однократно программируемой энергонезависимой памятью положения движка и имеют 32 и 64 шага регулирования соответственно. МАХ5128 сохраняет последнее положение движка в энергонезависимой памяти и имеет 128 шагов регулирования. Сдвоенные 10-битные (1024 положения) цифровые потенциометры МАХ5494-9 также имеют энергонезависимую память последнего положения каждого движка и могут быть использованы для точной подстройки коэффициента передачи и "нуля" напряжения сдвига. У всех делителей и потенциометров типовой температурный коэффициент не превышает 5 ррт/°С при потенциометрическом включении.

АЦП

Главная микросхема модуля аналогового ввода. Ее выбор зависит от целого ряда требований, который не ограничивается типом аналогового сигнала. Аналоговый модуль может быть многоканальным и при этом осуществлять одновременное сэмплирование нескольких входных сигналов. Такая задача под силу только специализированному АЦП2007напряжения 3 ррт/°С. При этом типовое значение этого параметра составляет 0,5 ррт/°С в диапазоне температур от -40°С до 85°С.

Источник опорного напряжения

Для систем промышленной автоматики, как правило, ключевым параметром является температурная и временная стабильность выходного напряжения. Семейство микросхем МАХ6101-8 имеет максимальный температурный дрейф не более 20 ррm/°С, а ИМС МАХ6033 является самым точным в отрасли источником опорного напряжения в корпусе SOT-23 с максимальным температурным дрейфом не более 7 ррm/°С.

Ультрапрецизионный малошумящий источник МАХ6126 имеет размах напряжения шумов 1,45 мкВ в диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 Гц (при выходном напряжении 2,5 В) и максимальный дрейф выходного по схеме с компенсацией сопротивления соединительных проводов. Управление осуществляется по последовательному интерфейсу SPI/QS Pi/Micro wire. Реализована возможность индикации аварийного режима (обрыв токовой петли или короткое замыкание выхода напряжения) и асинхронного обнуления или загрузки предустановленного значения.

автоматизированный измерительный микроконтроллер вычислительный

Литература

1. Ю.В. Новиков, О.А. Калашников, С.Э. Гуляев. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. -- М: ЭКОМ, 1998.

2. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Датчики: Справочное пособие Авторы: И. Минаев,А. Совлуков,Г. Ишанин,Н. Кошевой,В. Шарапов,Е. Полищук Техносфера Москва 2012.

4. Программирование последовательных интерфейсов Авторы: Магда Юрий Степанович Санкт- Петербург 2009.

5. Сайт:www.NovoSoft.by

Размещено на Allbest.ru