Несмотря на существующие традиции применения ПЛК для решения проблем автоматизации, многие задачи гораздо эффективнее решаются с помощью персональных компьютеров вместо контроллера. Компьютер может быть использован также как пульт оператора (диспетчера) или выполнять одновременно функции контроллера и пульта оператора. В задачах автоматизации широко применяют как офисные, так и промышленные компьютеры.

Устройства (модули) ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром. В идеальном случае было бы желательно иметь в процессоре значения измеренных сигналов в любой момент времени. Однако поскольку количество каналов ввода-вывода в некоторых системах может достигать тысяч, а измерительные каналы всегда имеют ограниченную пропускную способность, измеренные значения поступают в процессор в дискретные моменты времени.

Существует несколько уровней и способов опроса множества каналов ввода. Современный модуль ввода имеет свой собственный микроконтроллер, который выполняет циклический опрос всех своих каналов и помещает полученные данные в буфер. Если по алгоритму работы системы автоматизации используются только несколько каналов модуля, то неиспользуемые каналы можно замаскировать (исключить их из процедуры опроса), если это требуется для увеличения быстродействия системы. При поступлении в модуль команды считывания значений со входов собранные данные передаются из буфера модуля в ПЛК, где помещаются в буфер OPC сервера или в определенную область ОЗУ.

Опрос модулей может выполняться циклически с одинаковой частотой для всех модулей, или с разной частотой. Второй вариант позволяет уменьшить загруженность шины, по которой выполняется обмен данными между модулями ввода и процессорным модулем.

Циклический опрос всех модулей с заранее заданной частотой сильно загружает шину, по которой модули ввода связываются с процессором. Это особенно очевидно, если процессор сканирует входы для обнаружения сигнала от аварийного датчика, который может сработать один раз в 10 лет, или если вводятся данные от датчика температуры в условиях, когда температура постоянна. В подобных случаях более эффективны многомастерные шины (например, CAN или Profibus), которые позволяют использовать режим подписки, при котором процессор модуля ввода, в котором произошло изменение состояния входа, является инициатором обмена данными.

Наибольшее распространение в промышленной автоматизации нашли одномастерные шины и циклический опрос (поллинг - от "polling") модулей ввода в силу своей простоты и сравнительно низкой стоимости.

Модули ввода и вывода в промышленной автоматизации имеют гальваническую изоляцию между входными (выходными) зажимами и шиной контроллера. Напряжение изоляции составляет от 2500 В (реже от 500 В) до 4000 В.

Иногда требуется выполнить одновременный опрос входов всех модулей ввода или вывести данные одновременно в каналы всех модулей вывода. Для решения этой проблемы используют широковещательные команды, которые воспринимаются всеми модулями одновременно и они выполняют ввод или вывод данных в свои буферные регистры в одно и то же время. После этого обычным циклическим опросом данные по очереди вводятся в процессорный модуль.

Модули ввода соединяются с процессором последовательной или параллельной шиной. В магистрально-модульных системах используются параллельные шины ISA, PCI, Compact PCI, PCI Express, PC/104, SpeedBus, VME и др., в модульных ПЛК - частнофирменные (нестандартные) последовательные и параллельные шины. В контроллерах с распределенными (удаленными) модулями ввода-вывода наиболее распространены последовательные шины на основе интерфейсов RS-485 и CAN.

Преимуществом параллельной шины является высокая пропускная способность, позволяющая выполнять сканирование модулей ввода с высокой частотой и использовать модули аналогового ввода с тактовой частотой АЦП до 100 кГц. Однако небольшая длина параллельной шины, ограниченная рассинхронизацией отдельных бит в передаваемом слове, не позволяет подключить к одному контроллеру более 32 модулей. Контроллеры с последовательной шиной имеют противоположные свойства. Кроме того, они позволяют организовать распределенные системы сбора данных и управления, преимущества которых обсуждались в разделе "Архитектура автоматизированной системы".

Большинство параллельных и последовательных шин контроллеров являются одномастерными, поскольку многомастерные шины существенно сложнее и дороже.

Обмен данными с модулем выполняется по адресу, который обычно записывается в ПЗУ модуля. Иногда адресом является номер слота, в который вставляется модуль или положение микропереключателя.

Цепи входов и выходов модулей ввода должны иметь гальваническую изоляцию, назначение которой подробно описано в разделе "Защита от помех". Гальваническая изоляция может быть поканальная, когда каждый канал изолирован от остальных, или групповая. Обычно используется групповая изоляция. В удаленных модулях распределенных ПЛК может быть использована индивидуальная гальваническая изоляция интерфейса RS-485 каждого модуля или групповая изоляция интерфейсов нескольких модулей с помощью одного модуля развязывающего повторителя интерфейсов. Для передачи напряжения питания в изолированную часть модуля используются DC-DC преобразователи, построенные с применением развязывающих миниатюрных трансформаторов.

Современные модули ввода-вывода могут выполнять кроме функций ввода некоторую обработку вводимой информации и дополнительные функции: компенсацию температуры холодного спая термопар, линеаризацию нелинейных датчиков, диагностику обрыва датчика, автоматическую калибровку, ПИД-регулирование, управление движением. Перенос части функций контроллера в модули ввода-вывода является современной тенденцией, направленной на увеличение степени распараллеливания задач управления, обеспечение независимости локальных модулей (которые по своим функциям приближаются к ПЛК) и уменьшение потока информации между параллельно работающими процессорами в модулях ввода-вывода. По такому принципу построены, в частности, модули RealLab! фирмы НИЛ АП.

Потенциальные входы модулей ввода (рис.6.5) используются для измерения напряжений. Идеальный потенциальный вход имеет бесконечно большое сопротивление и нулевую емкость, поскольку при подключении к измеряемой цепи он не должен влиять на ее динамические или статические характеристики. В реальных условиях внутреннее сопротивление источника сигнала и сопротивление открытого ключа образуют делитель напряжения с входным сопротивлением на постоянном токе и емкостью в динамическом режиме (см. рис.6.5-а). Поэтому полное входное сопротивление модуля ввода вносит методическую мультипликативную погрешность в результат измерения, которую всегда нужно оценивать, исходя из паспортных данных модуля. Типовыми значениями входных параметров являются , , , поэтому для обеспечения методической погрешности величиной 0,01% сопротивление источника сигнала должно быть не более . Однако, поскольку указанная погрешность не зависит от напряжения источника сигнала, ее можно скомпенсировать в контролере или модуле ввода.

Сопротивления и емкость, показанные на рис.6.5-а, образуют фильтр низкой частоты первого порядка с постоянной времени 1,2 мкс при , , (считаем, что ), который вносит также динамическую погрешность в результат измерения. Динамическая погрешность зависит от формы входного сигнала и может быть оценена по методике, изложенной в разделе "Измерительные каналы".

а)

б)

Рис. 6.6 Токовый вход на основе одиночного (а) и дифференциального (б) потенциального входа

Для модулей с дифференциальными входами (рис.6.5-б) оценка методической погрешности делается аналогично.

Для уменьшения погрешности следует увеличивать входные сопротивления и уменьшать емкости . Однако в схеме с дифференциальным включением увеличение и снижение ведет к росту емкостной наводки (см. раздел "Защита от помех"), а также к увеличению синфазной помехи, вызванной входными токами операционного усилителя и атмосферным электричеством. Синфазная помеха может стать настолько большой, что напряжения на входах операционного усилителя выйдут за границы динамического диапазона. Поэтому при работе с дифференциальными входами следует соблюдать правила выполнения сигнального заземления, изложенные в разделе "Защита от помех". Вывод на рис. 6.4, рис. 6.5 следует соединять с экраном кабеля источника сигнала или не соединять ни с чем.

Токовый вход

Токовые входы модулей ввода используются для ввода величины тока, например, стандартного сигнала 4.20 мА. Преобразование тока в напряжение выполняется с помощью резистора величиной 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом, максимальное падение напряжения на котором составляет, соответственно, 2,5 В, 5 В или 10 В. Для ввода в контроллер полученного напряжения используется модуль с дифференциальным или одиночным входом (рис.6.6). Измерительные резисторы могут быть установлены снаружи модуля ввода (на его входных клеммах) или внутри.

Измерительные резисторы могут быть прецизионными, тогда для получения точных измерений достаточно откалибровать модуль только в режиме ввода напряжений. При использовании резисторов низкой точности их погрешность можно скомпенсировать путем калибровки модуля совместно с измерительным резистором, в режиме измерения тока. Однако для этого необходимо выполнить калибровку каждого канала отдельно. Если модуль не позволяет выполнять индивидуальную калибровку каждого канала, то формулу для внесения поправок и ее коэффициенты можно сохранить в ОРС сервере или флэш-памяти ПЛК.

При использовании диапазона токов 0.20 мА ток преобразуется в напряжение по формуле , для диапазона 4.20 мА - по формуле (рис.6.7). При этом току 4 мА соответствует выходной сигнал, равный нулю. Смещение уровня нуля на 4 мА необходимо для обеспечения возможности диагностирования обрыва в цепи датчика, см. раздел "Аппаратное резервирование".

а) б)

Рис. 6.7 Преобразование тока в выходной сигнал для диапазона 0.20 мА (а) и 4.20 мА (б)

Термопары

Термопары являются самым распространенным средством измерения температуры в промышленности и лабораториях [Олейник]. Это связано с их широким температурным диапазоном (от - 270°С до +2500°С), обычно удовлетворительной точностью, низкой ценой, взаимозаменяемостью и высокой надежностью. Понимание принципа действия термопары крайне важно для ее корректного применения. Термопара представляет собой два провода из различных металлов, соединенных на одном конце ("рабочий конец", "горячий спай") и предназначенных для измерения температуры (рис.6.8). Вторые концы термопары ("свободные концы", "холодный спай") соединены со средством измерения напряжения с помощью проводов из металла одного типа, например, меди.

а) б)

Рис. 6.8 Измерение сигнала термопары без компенсации температуры холодного спая (а) и с компенсацией (б)

Между двумя несоединенными выводами термопары возникает э. д. с, (рис.6.8-а), величина которой зависит от температуры горячего спая:

. (6.1)

Для случая, когда температура холодного спая (свободных концов) равна 0°С (), зависимость (6.1), а также обратная зависимость представлены в ГОСТ Р 8.585-2001 [ГОСТ] и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или полинома.

Для случая, когда температура свободных концов не равна нулю (), они являются источником э. д. с. , величина которой также зависит от температуры: . Поэтому напряжение на входе измерителя напряжения термопары будет равно (см. рис.6.8-б)

. (6.2)

Обратим внимание, что для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же градуировочная таблица (полином). Это становится возможным благодаря "правилу промежуточных проводов", согласно которому если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, константан и железо соединены через медь, как на рис.6.8), то промежуточный металл не влияет на результирующую э. д. с., если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, свободные концы термопары, соединенные с измерителем напряжения медными проводами (рис.6.8-а), можно рассматривать как второй контакт между константаном и железом.

Измерение температуры с помощью термопары выполняется косвенным методом: сначала измеряется напряжение между свободными концами термопары и их температура . Затем путем решения уравнения (6.2) относительно находится измеряемая температура. Чтобы исключить необходимость решения нелинейного уравнения (6.2), обычно используется табулированная функция, обратная , т.е. , приведенная в ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется "компенсацией температуры холодного спая".

В модулях ввода сигналов термопар (например, в модуле NL-8TI (pdf 1,2 Мб) серии RealLab! указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически. Пользователю нужно только задать тип термопары (см. табл. 6.31) и подключить ее к модулю ввода. Температура свободных концов ("холодного спая") измеряется встроенным в модуль датчиком температуры (рис. 6.8-б), в качестве которого чаще всего используется терморезистор.

Очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между свободными концами термопары и датчиком их температуры. С этой целью для точных измерений используют медную или алюминиевую пластину, к которой через диэлектрическую прокладку прикрепляются свободные концы термопары и датчик температуры. Конструктив выполняется таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт пластины с датчиком и термопарными проводами, а также изотермичность поверхности.

Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. Для этой цели можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами. Зависимость напряжения между свободными концами термопары от температуры при условии, что температура холодных концов стабилизирована на уровне 0°С, в стандартах NIST* и ГОСТ Р описывается полиномом вида [ГОСТ, Temperature]:

, (6.3)

где - коэффициенты полинома; - степень полинома. Для обеспечения необходимой точности аппроксимации весь температурный диапазон разбивается на 1.3 поддиапазона, для каждого из которых используется отдельный полином вида (6.3).

Обратная зависимость описывается аналогичным выражением

. (6.4)

Погрешность такой аппроксимации составляет от ±0,02°С до ±0,05°С.

В таблице приведены типы термопар, их маркировка, классы допуска и допустимые отклонения от номинальной статической характеристики преобразования.

Таблица. Параметры термопар

Примечание.

1. Пределы отклонений (технологический разброс) указаны как отклонения от номинальной нелинейной характеристики (6.4).

2. В таблице приведены значения отклонений для классов допуска 2 и 3. Термопары класса 1 и 2 имеют меньшие отклонения (допуск), см. в ГОСТ Р 8.585-2001.

Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Сварка проводов термопары, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температурой плавления припоя. Термопары, изготовленные сваркой, выдерживают более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинального вида вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металл, а также изменения структуры материала. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым спаем имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности, поверхности полупроводниковых приборов [Milanovi - Miyazaki]. В [Dashevsky] описана термопара с диаметром рабочего конца 1 мкм, которая имеет постоянную времени 1 мкс.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Погрешность измерений

Основная проблема построения измерительного канала на базе термопары связана с ее малым выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), которое гораздо меньше помех, наведенных на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к модулю ввода. Модуль ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы снизить длину проводов, по которым передается аналоговый сигнал. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в модулях ввода используют режекторный фильтр. Подавление помехи нормального вида (т.е. когда источник помехи включен последовательно с источником сигнала) с частотой 50 Гц, например, в модулях NL-8TI (pdf 1,2 Мб) фирмы НИЛ АП, составляет 120 дБ, помехи общего вида (когда источник помехи включен между закороченными входами и землей) - 140 дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к емкостным наводкам.

Точность термопары зависит от химического состава материала. Внешние факторы, такие как давление, коррозия, радиация могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.

Погрешность измерений с помощью термопар складывается из следующих составляющих:

случайная

Размещено на http://www.allbest.ru/

погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары (см. табл. 6.31). Зависит от чистоты материалов и точности их процентного содержания в материалах электродов;

случайная

Размещено на http://www.allbest.ru/

погрешность измерения температуры холодного спая;

погрешность,

Размещено на http://www.allbest.ru/

вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;

систематическая

Размещено на http://www.allbest.ru/

погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;

систематическая

Размещено на http://www.allbest.ru/

погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

динамическая

Размещено на http://www.allbest.ru/

погрешность;

погрешность,

Размещено на http://www.allbest.ru/

вызванная внешними помехами;

погрешность

Размещено на http://www.allbest.ru/

аналого-цифрового канала.

Погрешность измерения температуры холодного спая, погрешность линеаризации, погрешность аналого-цифрового канала и динамическая погрешность относятся к инструментальным погрешностям и указываются в паспорте на модуль ввода. Другие погрешности необходимо учитывать отдельно, в зависимость от типа использованных термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т.п.

Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры сопротивления) являются вторыми по распространенности средствами измерения температуры после термопар. Принцип их действия основан на зависимости электрического сопротивления металла (по ГОСТ 6651-94 [ГОСТ] используется медь, платина и никель) или полупроводника от температуры.

Достоинством металлических датчиков является высокая линейность и взаимозаменяемость, т.е. возможность замены вышедшего из строя датчика на аналогичный без повторной калибровки системы. Взаимозаменяемость достигается благодаря малому технологическому разбросу сопротивлений датчиков (разброс сопротивлений составляет от ±0,15°С при температуре 0°С для медных датчиков класса "А" до ±0,5°С для датчиков класса "С" по ГОСТ 6651-94). Разброс сопротивлений увеличивается с ростом температуры, см. табл.6.32. Медные датчики используются для измерения температуры в диапазоне от - 200°С до +200°С, платиновые - в диапазоне от - 260°С до +850°С, никелевые - от - 60°С до +180°С [ГОСТ].

Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые - высокую стабильность (неизменность показаний с течением времени), медные - низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление при 100°С и отношение , где - сопротивление при 0°С. Медные датчики изготавливаются с и , платиновые - с и , никелевые - с . Эти параметры, а также класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление указывается в форме "ТСМ50" (Термопреобразователь Сопротивления Медный, 50 Ом), "ТСП100" (Термопреобразователь Сопротивления Платиновый, 100 Ом) и т.п.

Таблица. Параметры термопреобразователей сопротивления

Примечание: *Для единичного производства допускается изготовление термопреобразователей ТСП с диапазоном от - 260 до +1100° С.

Зависимость сопротивления от температуры в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной (рис.6.9):

, (6.5)

где - сопротивление при температуре °С, - температурный коэффициент сопротивления. Из этого уравнения можно получить связь между и :

. (6.6)

В широком диапазоне температур линейная зависимость дает слишком большую погрешность (рис.6.9-б), поэтому ГОСТ 6651 [ГОСТ] устанавливает для термопреобразователей сопротивления табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры [ГОСТ]. Это позволяет исключить систематическую составляющую погрешности нелинейности из результата измерений. Процедура исключения погрешность нелинейности обычно выполняется в микроконтроллере модуля ввода (рис.6.4).

а) б)

Рис.6.9 Реальная зависимость сопротивления от температуры является нелинейной (а); погрешность нелинейности для меди и платины (б)

После исключения систематической составляющей погрешности нелинейности остается случайная составляющая, обусловленная технологическим разбросом сопротивления датчика при 0°С и разбросом его температурного коэффициента сопротивления. Эта погрешность вносит основной вклад в результат измерения температуры. Она нормируется для трех классов допуска: А, B и С (табл.6.32) [ГОСТ].

Источником погрешности измерений с помощью термопреобразователей сопротивления является также электротермический эффект, который проявляется при соединении никелевых или медных термопреобразователей с медными проводами. Обычно он не превышает 20 мкВ. Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение двух измерений при противоположных направлениях тока или измерения на переменном токе [Low].

Датчик температуры, основанный на зависимости сопротивления от температуры, состоит из термочувствительного элемента и защитной оболочки. Чувствительный элемент (сенсор) может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой (безиндуктивная намотка сдвоенным проводом) или проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.

При использовании крупных датчиков для измерения температуры тел с малой теплоемкостью появляется методическая погрешность, вызванная перераспределением количества теплоты между объектом измерений и датчиком (погрешность термического шунтирования). Для уменьшения этой погрешности следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.

Для датчиков с малыми геометрическим размерами существенную роль играет величина измерительного тока (здесь общепринятый символ "ex" происходит от "excitation" - "возбуждение"). Мощность , выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением , преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика. Для уменьшения эффекта саморазогрева следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнала к шуму и увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Лучшие результаты дает измерение с помощью импульса, длительность которого выбирается из условия минимизации энергии, поступающей в резистор за время измерения.

В отличие от металлических термопреобразователей, полупроводниковые терморезисторы, как правило, требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинством являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.

Для измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления необходимо измерять величину омического сопротивления датчика. В системах промышленной автоматизации используются три варианта схем измерений: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Двухпроводная схема измерений