Технические средства автоматизации
Классификация технических средств автоматизации. Сведения о цифровых технических средствах автоматизации и интеллектуальных измерительных приборов. Исполнительные и регулирующие механизмы. Выбор технических средств автоматизации по типу производства.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.09.2017 |
| Размер файла | 6,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
kр/ТИ1/y*Tc или TИy*Tc
При выполнении этого условия пульсирующий режим возникает и в замкнутой АСР, когда на вход измерительного блока регулятора поступает низкочастотный сигнал y*(t), произвольно изменяющийся во времени.
Структуры автоматических регуляторов. На рис. 2.6,а показана структурная схема П-регулятора с электродвигательным исполнительным механизмом (ИМ). Собственно регулирующий прибор образуют сумматор (элемент сравнения ЭС) и аналого-позиционный преобразователь (АПП) с цепями настройки зон нечувствительности и возврата. Внутренняя отрицательная обратная связь регулятора отключена. Положение вала ИМ измеряется датчиком положения (ДП) с коэффициентом передачи kос. ИМ с постоянной скоростью вращения представляет собой нелинейный релейный элемент, так как может находиться только в трех состояниях: останова, вращения вперед и назад. Однако в цепях регулятора с импульсным выходом выходной сигнал ИМ в среднем не отличим от выходного сигнала линейного интегрирующего звена.
Рис. 2.6. Структурная схема (а) и переходные процессы (б)
П-регулятора с импульсным выходным сигналом
Ввиду большого коэффициента передачи АПП вся схема близка в области низких частот к пропорциональному звену с коэффициентом передачи 1/kос. Переходные процессы в регуляторе при подаче на вход линейно возрастающего сигнала показаны на рис. 2.6, б. Сигнал хс возрастает со скоростью изменения сигнала , а после включения ИМ убывает со скоростью, равной разности скоростей изменения и vоc. Режим изменения сигналов характерен для автоколебательных переходных процессов.
В релейных АР при условии возникают скользящие режимы изменения сигналов. В таком режиме выходной кусочно-непрерывный сигнал v1с достаточной степенью точности воспроизводит изменение входного сигнала . Статическая ошибка воспроизведения зависит от зоны нечувствительности релейного элемента, а динамическая погрешность - от зоны возврата. С уменьшением зон нечувствительности и возврата ошибки уменьшаются.
Рис. 2.7. Структурная схема (а) и переходные процессы (б) ПИ-регулятора с импульсным выходным сигналом
На рис. 2.7, а показана структура ПИ-регуляторов типа Р25, РПИ. Сумматор ЭС и аналого-позиционный преобразователь АПП реализуют прямую связь. Цепь из элементов R1 и С представляет собой апериодическое звено отрицательной обратной связи, формирующее напряжение vос1. Делители напряжений на низкоомных резисторах R2, и R3 имеют коэффициенты передачи соответственно и . Вторая ветвь обратной связи с выходным сигналом vос2 представляет собой усилительное звено с коэффициентом передачи . Выходные усилительные каскады УС1, УС2 вырабатывают напряжение высокого уровня соответственно при положительной и отрицательной полярности сигнала от АПП. Блок ИМ представляет собой совокупность реверсивного пускателя и электродвигательного исполнительного механизма с постоянной скоростью вращения.
При поступлении на вход сумматора ЭС ступенчатого сигнала Т, в различных точках АР возникают переходные процессы, изображенные на рис. 2.7, б. Поскольку Т > b1, напряжение х примет положительное значение x0. На выходе сумматора vc = -voc1- voc2,поэтому сразу после срабатывания АПП напряжение vc уменьшается на величину voc2=x0. Затем, вследствие зарядки конденсатора С, напряжение vc начнет плавно уменьшаться. При x0>>voc1 небольших изменениях напряжения voc1 можно линеаризовать закон изменения последнего и представить его в виде voc1=x0t/(R1C).
Преобразователь и ИМ включены до тех пор, пока не выполнится соотношение vc<b0. Время первого включения двигателя ИМ достаточно малых b0 и voc2 можно найти как время tв1 =R1CT(х0), за которое величина voc1 изменится на T. Поскольку tв1 достаточно мало, в первом приближении считают, что сразу после подачи на регулятор ступенчатого входного сигнала ИМ переместит регулирующий орган на величину tв1/T0, пропорциональную времени Т0 полного хода ИМ. Далее преобразователь выходит в установившийся режим, который характеризуется периодическим включением и выключением электродвигателя.
После того как сигнал х станет равным нулю, напряжение voc2 исчезнет, и начнет разряжаться конденсатор С. После срабатывания АПП вновь появится сигнал voc2, а конденсатор С начнет заряжаться. Поэтому в установившемся режиме зависимость vc от времени имеет вид ломаной пилы.
Малые приращения напряжения vр и vз, обратной связи vос при разрядке и зарядке конденсатора С линейно зависят от времени t:
vр=Тt/(R1C); vз=x0t/(R1C).
Величину vсв=x0/(R1C).называют скоростью обратной связи и рассматривают как параметр настройки АР. С помощью несложных рассуждений определяют продолжительность простоя tп2 и работы tв2 как длительность разрядки и зарядки конденсатора и, наконец, коэффициент заполнения импульсов включения двигателя:
= tв2/(tв2+tп2) T(х0).
Средняя скорость перемещения регулирующего органа в установившемся режиме равна
vср=/Т0=Т/(Т0x0).
Следовательно, в целом после подачи ступенчатого возмущения Т, на вход АР перемещение и регулирующего органа будет зависеть от времени следующим образом:
.
Эта зависимость соответствует переходной функции ПИ-регулятора с передаточной функцией
Wp(p)=kp[l+l/(Tиp)],
где р = R1C/(T0х0) = 1/(T0vсв); Tи = R1C.
Величина не входит в закон регулирования, однако очень важна для эксплуатации регулятора, так как определяет частоту включения двигателя, равную 1/(tп2 + tв2).
При большой частоте исполнительный механизм быстро изнашивается, а при малой объект регулирования плохо сглаживает прерывистый сигнал управления. Значение изменяют с помощью ручек настройки регуляторов "Импульс". При повороте ручки, вправо увеличивается период времени между включениями. Связь между положением ручки и коэффициентом зависит от вида (положительная или отрицательная) связи, которую дает сигнал voc2.
При линеаризованном описании работы АР, в которых исполнительный механизм получает сигналы управления от аналого-позиционного преобразователя, передаточная функция ИМ имеет вид Wим(p)=l/(T0x0p). Такой вид функции обусловлен тем, что у импульсного сигнала со средним за период Т напряжением х=х0 информационной составляющей является только величина =х/х0. Вводя коэффициент 1/x0 передаточную функцию ИМ, можно рассчитать свойства регулирующего устройства как структуры, построенной из линейных блоков. Для регулятора, представленного на рис. 2.7, а, передаточная функция в соответствии с этим может быть найдена как
,
где Ти=R1С.
В современных регулирующих блоках с импульсным выходным сигналом используют нелинейные инерционные отрицательные обратные связи. Нелинейность обратной связи позволяет расширить диапазоны изменения параметров настройки регулятора. Нелинейность может быть получена включением в цепь обратной связи коммутирующей неоновой лампы, которая зажигается при некотором пороговом напряжении. Установка такой лампы позволяет получить различные постоянные времени для зарядки и разрядки конденсатора. Другой способ получения нелинейности состоит в том, что специальное коммутирующее реле обеспечивает зарядку конденсатора в составе интегрирующего звена, а разрядку - в составе апериодического звена.
На рис. 2.8, а представлена структурная схема регулятора Р27 с импульсным выходным сигналом, который совместно с исполнительным механизмом обеспечивает ПИД-закон регулирования. Регулятор содержит входной демпфирующий блок (ДБ) с передаточной функцией Wдб(p)=l/(Tф+1), выполняющий роль низкочастотного фильтра и подавляющий высокочастотные входные помехи. Сумматор (ЭС) прямого канала соединен с инвертирующим аналого-позиционным преобразователем (АПП), имеющим настраиваемую зону нечувствительности. В зависимости от полярности напряжения один из выходных каскадов усиления (УC1 или УС2) вырабатывает отрицательное управляющее напряжение.
Рис. 2.8. Структурная (а) и функциональная (б) схемы ПИД-регулятора с импульсным выходным сигналом
Сглаженный сигнал 1 поступает на вход дифференциатора (Д), имеющего передаточную функцию WД(p)=Tдp (где Тд - параметр настройки).
Сигнал с дифференциатора вводят на сумматор обратной связи 2. Низкоомные делители напряжения R1, R2, R3 имеют коэффициенты передачи соответственно , и . Операционный усилитель (ОУ) совместно с элементами С, R1=R2 является общим узлом в двух информационных каналах 1-vc1 и x-vc2. Поэтому передаточная функция этих каналов содержит сомножители с равными постоянными времени.
Сигнал voc формирует положительную безынерционную обратную связь к инвертирующему преобразователю АПП. Поэтому резистором R4 можно изменять частоту включения исполнительного механизма.
На рис. 2.8, б показана структурная схема регулирующего устройства, включающая передаточную функцию исполнительного механизма Wим(p)=l/(T0x0p). На этой схеме сумматоры 1 и 2 в совокупности моделируют сумматор ЭС прямого канала регулятора.
Инвертирующий АПП представлен линеаризованной передаточной функцией Wапп(p)= kп, где kп>>1. Передаточную функцию W1(p) по каналу можно найти, принимая сигнал х = 0. В этом случае ОУ, формирующий интегрирующее звено, включен в обратную связь к сумматору обратной связи, и передаточная функция имеет вид:
W1(p)=1/[1+/(R2Ср)] = Tиp/(Tиp+1),
где Tи=RС/.
Передаточную функцию W3(р) по каналу х-vс2 можно найти, принимая сигнал . В этом случае узел с операционным усилителем представляет собой апериодическое звено; тогда
Wз(p)=[R2/(CR2р+]/R3 = (/)/(Tиp+1)
Передаточная функция всего регулирующего устройства имеет вид:
Wp(p)=[1Wд(р)W1(р)]W2(р)W4(р)/[1+W2(р)W3(р)] = kр[1+1/(Tир)+Tдp],
где kр=R1С/(T0v0).
Электрические исполнительные механизмы постоянной скорости строят на базе либо однофазных асинхронных конденсаторных двигателей (для ИМ типа МЭО), либо трехфазных асинхронных двигателей (для ИМ типа МЭОБ, МЭОК и модификации механизма МЭО с двигателем типа АОЛ).
Исполнительные механизмы характеризуют номинальным крутящим моментом Мк на валу (кгсм), продолжительностью T0 полного хода выходного вала (с), полным ходом вала (об.). Исполнительные механизмы типа МЭО имеют следующие модификации: 4/10-0,25; 4/25-0,63; 25/63-0,25; 25/160-0,63; 63/25-0,25; 63/63-0,63; 400/63-0,25; 400/160-0,63. Для ИМ типа МЭОК и МЭОБ указывают значения Mк, Т0 и мощность (в кВт): 25/100 (0,27); 63/100 (0,4).
В состав ИМ входят также датчики положения (дифференциально-трансформаторные и резисторные), тормозное устройство, концевые и путевые выключатели. Концевые выключатели служат для выключения двигателя при достижении выходным валом одного из крайних положений. Путевые выключатели ограничивают поворот вала в более узком диапазоне, определяемом условиями эксплуатации ТОУ.
Исполнительные механизмы типа МЭО управляются бесконтактными магнитными усилителями типа УМД или реверсивными тиристорными пускателями ПБР-2. Допускается и контактное управление ИМ с помощью магнитных пускателей. ИМ типа МЭОК управляются контактными пускателями ПМРТ, а типа МЭОБ -бесконтактными тиристорными пускателями У-101.
2.4 Аналоговые регуляторы с непрерывным выходным сигналом
Структуры аналоговых регуляторов. Такие регуляторы с непрерывным выходным сигналом строят на основе трех принципов: организации скользящего режима; использования усилителя и функциональной обратной связи; применения параллельной структуры.
Автоматический регулятор с непрерывным выходным сигналом, работающий в скользящем режиме (например, типа К15), имеет структуру регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом. В эту структуру вместо электродвигательного ИМ включен исполнительный механизм-интегратор, выполненный на электронных элементах. Отсутствие механических движущихся частей в структуре АР позволяет обеспечить достаточно большую частоту переключения аналого-позиционного преобразователя. В результате этого ступенчатый характер выходного сигнала интегрирующего ИМ практически незаметен, и регулятор можно рассматривать как линейный аналоговый.
На рис. 2.9, а показана схема формирующего узла (применяемого в регуляторах типа РБА) но одном операционном усилителе (ОУ) с функциональной обратной связью. Эквивалентное сопротивление между узлами с напряжениями vп и vв может быть найдено путем преобразования Т-образной цепи в эквивалентную П-образную цепь. Это сопротивление Zэ=R2+R3+R2R3C5. Передаточная функция формирующего узла:
Wp(р)=-(kp+Тд+р),
где kp=(R2+R3)/R1; Тд+=R2R3C/R1.
Для данного узла параметры настроек взаимозависимы, так как kp и Тд+ одновременно зависят от сопротивлений R1, R2 и R3. Поэтому в регуляторах с функциональной одноканальной связью для изменения только одного параметра настройки необходимо варьировать все параметры.
Для создания формирующих узлов на одном операционном усилителе с независимыми коэффициентами настроек необходимо использовать многоканальную обратную связь. Принцип построения такой связи состоит в том, что на инвертирующий вход усилителя ОУ входной сигнал подают не только через входные цепи, но и через цепи обратной связи. При этом регулировочные элементы узла содержат спаренные резисторы, один из которых включен во входную цепь усилителя, а другой - в цепь обратной связи.
На рис. 2.9, б показана схема ПИД-регулятора с многоканальной обратной связью и независимыми параметрами настройки (такую структуру имеет регулятор Р12 системы "Каскад"). В этом регуляторе низкоомные делители напряжений на резисторах R1, R2 и R5 имеют коэффициенты передачи k1, k2 и k3. Передаточную функцию этого регулятора можно найти следующим образом. Поскольку ввиду действия обратной отрицательной связи сигнал v3 = 0, то через резистор R3 течет ток IR3 = v1/R3. Так как ток через конденсатор С2 равен току IR3, то напряжение v2= IR3/(pC2). Через конденсатор С1 проходит ток Icl=(v0-v2)C1p. Ток через резистор R4 определяется как IR4 =IR3+IC1. Этот ток формирует напряжение v4 = v2+IR4R4. Учитывая, что
v0=k1; v1=k2; v4=k3vв; С1=С2=С; R1=R2=R; k2=0,5,
Рис. 2.9. Структурная схема регулятора с непрерывным выходным сигналом при зависимых (а) и независимых (б) параметрах настройки можно найти:
Wp(p)=vв(p)/[(р)]=kр[1+1/(Tир)+Tиp],
где kp = 1/k3; Tи = 2СR; = k1/2.
На рис. 2.10 показана схема ПИД-регулятора с параллельной структурой и непрерывным выходным сигналом. Такие схемы имеют, в частности, регуляторы Р17 и Р133. При параллельной структуре каждая из составляющих выходного сигнала регулятора формируется отдельным функциональным блоком, причем эти блоки подключены к общему сумматору. Такая параллельная структура в рассматриваемом АР образована усилителем (УС), дифференциатором (Д) и делителем напряжения (ДН), имеющими передаточные функции соответственно k, Tдр и .
Рис. 2.10. Схема регулятора с параллельной структурой
На операционном усилителе ОУ1 выполнен двухходовой суммирующий интегратор. При автоматическом режиме работы регулятора переключатель (Пр) находится в положении А; при этом передаточная функция интегратора равна 1/(Tир), где Ти=R1C. В этом же режиме низкоомный выход сумматора 2 непосредственно подключен к инвертирующему входу ОУ2. Поэтому узел на усилителе ОУ2 имеет большой отрицательный коэффициент передачи, а напряжение vpy от блока ручного управления не влияет на выходной сигнал усилителя vв.
Сумматор и усилитель ОУ2 охвачены отрицательной обратной связью через делитель ДН. Сумматор можно представить в виде эквивалентной совокупности двух последовательно включенных сумматоров Э1 и Э2. Первый из них имеет три входа, второй - два. На вход сумматора Э2 подаются выходные сигналы Э1 и ДН. Цепь, содержащая элементы Э2, ОУ2 и ДН, имеет коэффициент передачи -1/. Следовательно, передаточную функцию АР можно записать как
В регуляторах с параллельной структурой отдельные блоки и цепочки блоков охвачены нелинейными безынерционными отрицательными обратными связями, ограничивающими уровни выходных сигналов. У нелинейных связей, подключенных к выходу регулятора, имеются элементы настройки, позволяющие выбирать диапазон изменения выходного сигнала регулятора.
Устройства безударного переключения АР. Регуляторы Р17 и Р133 имеют устройство для безударного перехода с автоматического режима работы на ручной. Для этого с помощью блока ручного управления устанавливают напряжение vpy, равное сигналу vв. Затем переключатель Пр переводят в положение "Р". Поскольку R3=R4, то сразу после переключения режимов напряжение vв сохраняется неизменным. После этого напряжение vв изменяют вручную с помощью сигнала vpy.
В ручном режиме работы регулятора выход сумматора подключен ко второму входу интегратора, в частности к резистору R2 поэтому образуется дополнительный контур с отрицательной обратной связью. В этом контуре на выходе интегратора формируется такое напряжение, чтобы алгебраическая сумма напряжений, вырабатываемых на выходе сумматора Э1, была равна -vpy. В противном случае на выходе сумматора (или, что то же, на выходе сумматора Э2) появится разбаланс, заставляющий интегратор изменить свое выходное напряжение. Наличие дополнительного контура с отрицательной обратной связью позволяет автоматически осуществить безударный переход с ручного режима на автоматический. Действительно, сразу после установки переключателя Пр в положение "А" выходной сигнал -vpy с сумматора Э1 умножается на коэффициент передачи -1/ выходной цепи. В результате выходной сигнал регулятора изменяется в зависимости от значения сигнала разбаланса.
Некоторые регуляторы данного типа имеют кнопочное ручное управление. При ручном управлении на вход интегратора, встроенного в АР, с помощью кнопок "больше" или "меньше" подается нужное положительное или отрицательное напряжение. Поскольку при переходе в режим автоматического управления используется тот же интегратор, то сразу после переключения выходной сигнал регулятора сохраняется, т.е. осуществляется безударный переход с одного режима на другой.
Рис. 2.11. Структурная схема тиристорного усилителя мощности
Усилители мощности АР. В состав аналоговых электрических регуляторов входят усилители мощности. К их числу относится бесконтактный тиристорный усилитель типа У-252, предназначенный для управления электрической мощностью нагрева (такой усилитель выполняет одновременно функции ИМ). Структурная схема усилителя У-252 приведена на рис. 2.11. Усилитель содержит генератор Г пилообразного напряжения, период следования сигналов которого равен полупериоду сетевого напряжения vс. В состав генератора входят двухполупериодный выпрямитель В напряжения vс, сумматор для смещения импульсов положительной полярности на отрицательную величину vсм и интегратор И с полупроводниковым ключом для установления нулевого уровня сигнала vг.
Входное напряжение усилителя vвx суммируется с vг в сумматоре 1 и результат вводится в компаратор К, вырабатывающий высокий уровень напряжения vк, когда vр больше максимального значения vг=v0. Формирователь импульсов ФИ вырабатывает короткий импульс, открывающий тиристор в блоке ТБ в момент времени, когда vр>v0; тиристор вновь закрывается в момент времени, когда vс=0. За время открытия тиристора сетевое напряжение vс поступает на нагрузку. Зависимость электрической мощности N, рассеиваемой в нагрузке, от напряжения vвх в общем случае нелинейна.
Для построения исполнительных механизмов с линейными статистическими характеристиками по каналу vвх-N применяют тиристорный усилитель типа У-13. Он имеет внутренний следящий И-регулятор, поддерживающий выходную мощность N на уровне, пропорциональном сигналу vвх. Коэффициент пропорциональности усилителя определяется электрическим сопротивлением нагрузки на выходе АР.
3. УСТРОЙСТВА ВВВОДА И ВЫВОДА РЕГУЛЯТОРОВ
Автоматические регуляторы (АР) содержат в своем составе датчики (первичные преобразователи), барьеры искровой защиты, нормирующие преобразователи, преобразователи непрерывного сигнала в цифровой код и преобразователи кода в аналоговый сигнал. Данные преобразователи (часто сами являющиеся микропроцессорными) входят в состав устройств сопряжения регуляторов с объектом управления (УСО), так как предназначены для согласования объекта со средством обработки и представления информации и технически оформляются как модули ввода и вывода аналоговой или дискретной информации.
3.1 Барьеры искровой защиты
Барьеры искрозащиты применяются для сопряжения электрооборудования, расположенного во взрывоопасной зоне, с электрооборудованием, установленным во взрывобезопасной зоне, и служат в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями. Искрозащита достигается использованием электрических цепей, исключающих появление напряжений или токов, при которых возможен искровой разряд, например, включая нелинейный элемент - стабилитрон.
Разновидностью таких устройств являются барьеры для защиты электрооборудования, подключенного к измерительным и управляющим цепям, от бросков тока, наведенных в результате разрядов молний. Защитные устройства могут быть установлены в диспетчерской или непосредственно в месте размещения оборудования. Обеспечивается защита от всплесков напряжения между каждым сигнальным проводом и корпусом устройства (несимметричное напряжение) и между проводниками (симметричное напряжение).
Также имеются барьеры искробезопасности с гальваническим разделением цепей.
3.2 Нормирующие преобразователи
Основными функциями нормирующих преобразователей (НП) или нормализаторов являются приведение границ параметров первичного сигнала датчика к одному из стандартных диапазонов, принятому для входного сигнала измерительного средства (аналого-цифровой преобразователь и т.д.), и согласование стандартного диапазона выходного сигнала управляющего элемента с видом (ток/напряжение) и диапазоном входного сигнала исполнительного устройства. Дополнительными функциями устройств нормализации, как правило, являются предварительная фильтрация первичных сигналов, а также обеспечение надежной гальванической развязки между первичными измерительными или исполнительными цепями и соответствующими цепями контроля или управления более высокого уровня.
Современные интеллектуальные датчики - это высокоинтегрированные устройства, в которых объединены функции приёма, фильтрации, нормализации, хранения, преобразования в цифровую форму, вычислительной обработки и передачи по одному из множества используемых в промышленности последовательных интерфейсов величины физического параметра (температуры, давления, уровня жидкости, давления, концентрации и т.д.). Кроме того, эти устройства могут проводить периодическую автокалибровку с внесением соответствующих поправок во флэш-память и корректировать дальнейшие результаты измерений с учетом возможной погрешности. Учитывая возросшие возможности современных датчиков, может показаться, что такие устройства, как нормализаторы, исчерпали себя. Тем не менее, практика показывает, что данные устройства пользуются широким спросом. Причин здесь несколько.
1. Существует много производств, до сих пор использующих огромный парк первичных датчиков, термопары, терморезисторы и т.д., выходные сигналы которых не унифицированы и нуждаются в согласовании перед использованием в системе управления. При модернизации таких производств с целью повышения метрологических характеристик системы управления, экономически оправданной, оказывается замена именно элементов нормализации, так как всеобщая замена первичных датчиков на датчики интегральные ведёт к существенным издержкам, связанным с дорогостоящими монтажными работами (сложный демонтаж, несовпадение габаритов старого и нового оборудования, необходимость прокладки новых коммуникационных каналов, соответствующих современным спецификациям промышленных интерфейсов и т.д.).
2. Применение нормирующих преобразователей позволяет упростить построение систем с дублированием каналов обработки сигналов от одного первичного датчика (параллельное подключение потребителя).
3. Являясь одноканальными, элементы нормализации при построении управляющих систем позволяют реализовать принцип модульности аппаратуры, минимизируя информационные (и финансовые) потери в системе при выходе нормализатора из строя.
4. Внешний элемент нормализации, выполненный на основе специализированной микросхемы по сравнению с платой изолированного ввода-вывода, устанавливаемой в слот компьютера, обеспечивает более качественную гальваническую развязку и более эффективно устраняет возможное влияние сильноточных или высоковольтных входных сигналов на аппаратуру системы.
Характеристики нормирующих преобразователей. Нормирующие преобразователи строятся на основе операционных усилителей (ОУ), потому их характеристики однородны свойствам ОУ.
Полоса пропускания (Bandwidth) - это диапазон частот, для которого величина передаточной функции составляет не меньше 70,7% от своего максимального значения.
Время отклика (Response Time) - время, необходимое измерительной системе (прибору), чтобы изменение входного измеряемого сигнала достигло на выходе 90% от своего входного значения.
Нелинейность (Nonlinearity). Линейность системы предполагает, что выходной сигнал прямо пропорционален входному сигналу (чувствительность системы не зависит от значения измеряемой величины), то есть график зависимости выходной величины от входной измеряемой величины представляет собой прямую линию с определённым углом наклона. В реальных устройствах отмечаются отклонения этой зависимости от идеальной линейной характеристики. Разность между реальным значением величины и теоретическим значением, полученным при предположении, что система измерения линейна, определяет такую характеристику, как нелинейность систем.
Подавление помехи нормального вида (NMR - Normal-Mode Rejection). На входе инструментального усилителя на постоянную составляющую сигнала датчика накладывается переменная составляющая помехи. Величина, характеризующая степень уменьшения влияния переменного сигнала помехи нормального вида на значение выходного сигнала и приводимая в децибелах для конкретного значения частоты (например, для частоты силовой цепи питания 50 или 60 Гц), называется подавлением помехи нормального вида.
Подавление помехи общего вида (CMR - Common-Mode Rejection) - выраженная в децибелах величина отношения коэффициента передачи дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала
На рис. 6.1. показаны основные способы усиления сигналов датчиков с помощью операционных усилителей. В инвертирующей схеме (а) выходное напряжение Uвых противоположно входному Uвх по знаку и зависит от соотношения сопротивлений R1, R2. В неинвертирующей схеме (б) выходное напряжение имеет знак входного. В дифференциальной схеме (в) выходное напряжение пропорционально разности напряжений на входах операционного усилителя.
Рис. 6.1. Схемы применения операционных усилителей для нормализации сигналов датчиков: а - инвертирующая; б- неинвертирующая; в- дифференциальная схемы
3.3 Гальваническое разделение цепей
Гальваническое разделение цепей (гальваническая развязка) преследует цель защиты входных цепей УСО от помех. Под этим термином подразумевают семейство технических способов обеспечения изоляции между частями системы, которая обеспечивает непроводимость гальванического барьера для земельных и питающих сквозных токов и проводимость для информационного сигнала фактически это устройство отделения информационного сигнала от среды, по которой он пришел.
В сложной системе управления с разветвленными каналами связи имеется опасность появления ложного заземления линии, причем земля может появиться на нескольких участках цепи одновременно. Для повышения живучести системы по отношению к подобным нарушениям предусматривается гальваническая изоляция входных и выходных цепей приборов относительно цепи питания, а во многих блоках - также между входными и выходными цепями.
Гальваническая изоляция цепей особенно необходима для обеспечения возможности последовательного соединения нескольких потребителей или источников сигнала, каждый из которых может иметь свою точку заземления.
Принято различать поперечные помехи, называемые также помехами нормального вида (Noise Normal-Mode), и продольные помехи, именуемые помехами общего вида (Noise Common-Mode). Поперечные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя наряду с входным сигналом. Продольные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя и землей и в общем случае являются следствием электрической связи источника сигнала и измерительного усилителя с землёй через комплексные сопротивления. Разность потенциалов «земель», обусловленная блуждающими токами, заземлением силовых установок и т.д., и определяет возникновение в измерительном контуре дополнительного источника напряжения продольной помехи, суммируемого с напряжением измеряемых сигналов датчика. Так как проводники, соединяющие датчик и измерительный усилитель, имеют конечное сопротивление, образуется на входе измерительного усилителя напряжение уже поперечной помехи, пропорциональное отношению сопротивления проводника к сумме комплексных сопротивлений электрических связей с землёй, внутреннего сопротивления источника продольной помехи и сопротивления проводника. Таков механизм преобразования продольной помехи в поперечную.
Гальваническое разделение цепей постоянного тока осуществляется обычно по структурной схеме, приведенной на рис. 6.2, а.
а
б
Рис. 6.2. Способы гальванического разделения цепей:
а - с помощью модуляции-демедуляции;
б - с применением оптоэлектронных преобразователей.
В модуляторе М сигнал постоянного тока превращается в последовательность импульсов с использованием амплитудно-импульсной или широтно-импульсной модуляции. Далее импульсный сигнал проходит через разделительный трансформатор Тр, обеспечивающий собственно гальваническое разделение входных и выходных цепей. В демодуляторе Дм производится фазочувствительное выпрямление сигнала, а с помощью сглаживающего фильтра Ф выделяется постоянная составляющая выпрямленного сигнала.
При передаче дискретных сигналов для осуществления гальванического разделения цепей применяются также оптоэлектронные преобразователи - оптроны (рис. 6.2, б), содержащие светодиод СД и фоторезистор ФР (резисторный оптрон) или фототиристор ФТ (тиристорный оптрон).
При появлении управляющего сигнала Uупр светодиод СД облучает светом фоторезистор ФР или фототиристор ФТ, которые переходят в проводящее состояние и замыкают собой цепь нагрузки zв. После исчезновений сигнала управления излучение светодиода прекращается. Сопротивление фоторезистора в этот момент резко возрастает, что соответствует отключению цепи нагрузки. Отключение же фототиристора может произойти только тогда, когда не только сигнал управления, но и ток нагрузки снизится до нуля. Поэтому тиристорный оптрон используется обычно для коммутации цепей с пульсирующим до нуля током.
Для обеспечения помехустойчивой передачи как цифровых, так и аналоговых сигналов необходимо каждый сигнал передавать по отдельной перевитой паре проводов, а весь жгут заключать в металлический экран. Экран следует заземлять только с одной стороны - либо у источника, либо у приемника сигнала, там, где имеется общая заземленная точка. Например, прием сигнала на вход дифференциального усилителя или на обмотку реле, запитываемого от УСО, не имеет непосредственной связи с «землей», поэтому экран следует заземлять у источника сигнала (рис. 6.3, а). Если же и приемник сигнала, и источник сигнала имеют каждый свое заземление, то экранирование не защищает от проникновения помехи общего вида Еп, вызванной разностью потенциалов общих точек питания источника и приемника. В этом случае надо вводить гальваническую развязку цепей источника и приемника с помощью оптронов (в данном случае транзисторным) (рис. 6.3, б). Обычно Zз<<Zcп=Zoп<Zн, т.е. помеха, проникающая в сигнальную цепь, в основном оказывается на Zн. Экран защищает от внешних электростатических и электромагнитных наводок.
Рис. 6.3. Обеспечение помехоустойчивости канала:
Ес, Еп - ЭДС сигнала и помехи, Zз - сопротивление цепи заземления между общей точкой ЭВМ и общей точкой объекта, Zн - сопротивление нагрузки, Zсп, Zoп-сопротивления сигнального и обратного проводов, Э-экран, О - транзисторный оптрон
Часто нормализаторы и устройства гальванической развязки совмещают в одном модуле (рис. 6.4). Нормирующий преобразователь построен как развязывающий или изолированный усилитель с трехуровневой изоляцией (3-Way Isolation).
Рис. 6.4. Блок-схема нормализатора с трёхуровневой изоляцией
Блок-схему развязывающего усилителя можно представить как совокупность входного и выходного каскадов питания (рис. 6.4). Отличительной особенностью развязывающих усилителей с трёхуровневой изоляцией является обеспечение раздельного питания входного и выходного каскадов, осуществляемого через разделительный трансформатор. При этом сигнал от входного к выходному каскаду может передаваться тремя способами: через трансформаторную, оптическую или ёмкостную связь. Метод передачи сигнала - это, как правило, модуляция/демодуляция (амплитудная, широтно-импульсная или частотная) и линеаризующая обратная связь. При ёмкостной связи, например, модулированный сигнал передается через ёмкость небольшого номинала (порядка единиц пикофарад) для обеспечения ограничения переменного синфазного напряжения.
Каждый такой модуль поддерживает отдельный канал изолированного аналогового ввода или вывода. Входные модули обеспечивают интерфейс со всеми типами внешних датчиков. Модули фильтруют, изолируют, усиливают и преобразуют входной сигнал к выходному аналоговому сигналу тока/напряжения с диапазонами изменения, принятыми в измерительной технике. Внешнее оформление такого модуля с возможностью монтажа на DIN - направляющих (рельсах) представлено на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Модули входных преобразователей
Для динамично перестраиваемых производств, а также тестового и измерительного оборудования, где требуется высокая гибкость, вызванная частым изменением поддиапазонов измеряемых параметров, заменой датчиков, изменениями измерительного диапазона либо даже типа входного сигнала, фирма Dataforth (США) выпускает нормирующие конфигурируемые преобразователи (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Схема коммутации оборудования для программирования модуля DSCP20
3.4 Распределение унифицированных токовых сигналов с защитой цепи от разрыва
В распределенных системах с токовым выходным сигналом связи все потребители включаются последовательно, поэтому обрыв линии связи или отключение одного из потребителей приводит к тому, что одновременно прекращается поступление информационного сигнала ко всем остальным потребителям. Для того, чтобы сохранить протекание тока в цепи, параллельно зажимам потребителей на распределительной колодке подключается сигнальное защитное устройство (рис. 6.7, а), представляющее собой стабилитрон с нелинейной вольт-амперной характеристикой, отличающейся наличием порогового напряжения включения.
Рис. 6.7. Использование стабилитронов для защиты токовой цепи от разрыва:
а - схема включения;
б - вольт-амперная характеристика защитного устройства
В нормальном режиме падение напряжения Uн = IнRн на сопротивлении нагрузки Rн, создаваемое током Iн источника сигнала, меньше порогового напряжения Uп стабилитрон закрыт и ток через него практически равен нулю (точка В на вольт-амперной характеристике). При обрыве линии связи одного из потребителей (в точке А на рис. 6.7, б) напряжение на нагрузке скачком возрастает (так как источник сигнала стремится поддержать силу тока в цепи), стабилитрон открывается и в цепи сохраняется прежнее значение силы тока. Напряжение на зажимах потребителя становится равным Uп (точка С на вольт-амперной характеристике), а на зажимах источника напряжение возрастает на величину U = Uп - IнRн (предполагается, что источник сигнала, имеет соответствующий запас по напряжению).
3.5 Защита от дребезга контактов дискретных датчиков
Если применяют контактные датчики бинарного типа (0 отключено, 1 - включено), называемые часто «сухой контакт», то возникает проблема дребезга контактов - кратковременного отскакивания контактов друг от друга при срабатывании датчика, что достаточно для перехода МПС регулятора в непредусмотренное состояние. Для защиты от дребезга вводят инерционные элементы (а) или специальные операторы (б) в программе работы порта ввода (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Аппаратная (а) и программная (б) защита от дребезга контактов датчика
В случае использования бесконтактного датчика с двумя состояниями «0» и «1», то при переходе от одного состояния к другому на вход микропроцессорной системы (МПС) или микропроцессорного цифрового прибора (МЦП) кратковременно подается напряжение с промежуточной величиной между «0» и «1». Для быстродействующей МПС этого промежутка времени бывает достаточно, чтобы перейти в непредусмотренное алгоритмом состояние. Необходимо специальное устройство, обеспечивающее быструю смену сигналов. Для этого на выходе датчика или входе МПС включают компаратор. Он выполнен на операционном усилителе с двумя входами, один из которых подключен к источнику порогового напряжения Uп (рис. 6.9). Если напряжение на выходе датчика равно пороговому напряжению Uн или выше его, то на выходе компаратора появляется сигнал "1".
Рис. 6.9. Применение компаратора для формирования порогового сигнала бесконтактного бинарного датчика
Если аналоговые датчики и устройства согласования с МПС удалены друг от друга, то сигналы датчиков искажаются из-за сопротивления соединительной линии и электромагнитных помех, воздействующих на линию передачи (рис. 6.10, а). В этом случае преобразование сигнала осуществляют на месте установки датчика. Непосредственно к выходу датчика подключают миниатюрный преобразователь напряжения в частоту U0/f (рис. 6.10, б). При изменении физической величины изменяется частота электрического сигнала, которая не зависит от помех.
Рис. 6.10. Способы соединения аналоговых датчиков с МЦП: а - через АЦП; б - путем преобразования напряжения в частоту; в - с помощью RC и LC-генератора
В простейших случаях можно применять датчики с изменяемым выходным сопротивлением, включенные в цепь изменения частоты RC или LC-генератора (рис. 6.10, в). При изменении выходного сигнала датчика меняется частота генератора, на которой сигнал передается через линию связи.
Ввод частотно-изменяемого сигнала в МЦП осуществляется двумя способами. При первом частоту сигнала определяют с помощью счетчика на входе МПС. При втором способе частоту определяют с помощью подпрограммы работы микроЭВМ.
4. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
4.1 Аналого-цифровые преобразователи
Цифровые приборы могут работать с дискретными сигналами, состоящими из нулей и единиц, в то время как многие информационные устройства выдают аналоговые сигналы. Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в цифровую форму называют аналого-цифровым преобразованием, а сам прибор, осуществляющее такое преобразование, аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Такое преобразование состоит из двух процессов:
· квантования по уровню;
· квантования (дискретизации) по времени.
Рис. 6.12. Квантование сигналов по уровню (а) и времени (б)
Квантование сигналов по уровню сводится к замене текущих значений непрерывного сигнала конечным числом его уровней. На рис. 6.12, а показан непрерывный сигнал y(t), который в результате квантования заменяется ступенчатой функцией (у). Разность уровней у(t) называется шагом квантования по уровню. Если в интервале изменения времени от ti до ti+1 приращение сигнала не выходит за пределы шага квантования в одну или другую сторону, то прибор фиксирует постоянное значение yi. Таким образом, такое преобразование является нелинейным, так как выходной сигнал изменяется ступенчато. Шаг квантования определяется требуемой допустимой относительной погрешности измерения :
у(t) [уmaxуmin], (6.1)
где уmax, уmin соответственно максимальный и минимальный уровни сигнала.
Число уровней квантованного сигнала с учетом нулевого значения вычисляется по формуле
. (6.2)
Количество информации (в битах), содержащееся в таком сигнале, составит
I=log2m. (6.3)
С учетом (6.1) и (6.2) получим объем информации в зависимости от допустимой погрешности:
I = log2(1/ + 1). (6.4)
Преобразование квантованной (дискретной) информации в двоичную форму сводится к масштабированию и округлению до ближайшего целого числа в диапазоне чисел, определяемом разрядностью выходного двоичного кода АЦП. Формула масштабирования и округления запишется следующим образом:
, (6.5)
где Сi - выходной двоичный код АЦП;
n - разрядность АЦП;
yi - текущее значение измеряемой величины;
- операция выделения целой части числа.
Для АЦП с п двоичными разрядами цифрового выходного кода число уровней т:
m=2n-1. (6.6)
Пример 6.1. АЦП с линейной характеристикой, имеющий входной токовый предел измерения 05 мА, вырабатывает 8-разрядный двоичный код. Диапазон чисел, которые могут быть представлены в разрядной сетке преобразователя с учетом «нуля» 0(28 - 1)= 0 255. Если текущее значение входного сигнала равно 0,41 мА, то выходной код АЦП
. (6.7)
Квантование непрерывного сигнала y(t) по времени (рис. 6.12, б) сводится к замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток времени t. Последний называется шагом или периодом квантования по времени (дискретизации) и может быть постоянным или переменным. При этом возникает опасность пропуска важных изменений сигнала внутри промежутка t или возникновения избыточного количества информации при чересчур малом t.
В этом случае частота квантования определяется на основании теоремы Котельникова-Шеннона (1933г.). В теореме рассматривается непрерывная функция, не ограниченная по времени, т.е. имеющая ограниченный спектр частот. В теории импульсных систем доказывается, что любая функция, содержащая частоты от 0 до fmax, может быть представлена с любой точностью в виде дискретной суммы
, (6.8)
где k номер интервала дискретного времени; и наоборот, функция вида (6.8) содержит лишь частоты от 0 до fmax. Такую функцию можно передавать с любой точностью при помощи чисел, следующих друг за другом через интервалы времени
t = 1/2fmax. (6.9)
Таким образом, непрерывный сигнал, не содержащий частот выше fmax, может быть заменен на интервале времени Т набором 2Тfmax (отсчитанных через промежутки времени t = 1/2fmax) дискретных значений сигнала без потери информации между этими значениями. Например, переменное напряжение частотой 50 Гц может быть заменено дискретными значениями напряжения через 0,01 с.
...Подобные документы
Функциональная схема автоматизации объекта на базе программно-технического комплекса ПТК. Выбор и обоснование комплекса технических средств. Модульное построение АСУ. Составление заказной спецификации локальных приборов и основных средств автоматизации.
курсовая работа [943,7 K], добавлен 27.12.2014Обоснование и выбор объекта автоматизации. Разработка функционально-технологической схемы автоматизации и принципиальной электрической схемы. Разработка нестандартных элементов и технических средств. Определение основных показателей надежности.
курсовая работа [643,0 K], добавлен 25.03.2014Подбор и краткое описание приборов для реализации информационной цепи и управляющей цепи, определение технических характеристик и возможностей данных приборов. Составление структурной и функциональной схемы автоматизации, спецификации оборудования.
контрольная работа [2,2 M], добавлен 12.03.2010Системы обеспечения безопасности на предприятии. Проект автоматического регулирования установки АВТ1, характеристика: сырье, реагенты, продукция. Выбор технических средств автоматизации: датчики, преобразователи, контроллеры, исполнительные механизмы.
курсовая работа [229,3 K], добавлен 21.11.2012Классификация и анализ существующих программно-технических средств. Базовые технологии локальных вычислительных сетей, построение и программное обеспечение. Практическая реализация подбора ЛВС для автоматизации работы бухгалтерии. Расчет стоимости.
дипломная работа [386,9 K], добавлен 10.02.2009Маршрутизаторы. Топологии сети. Коммутатор. Концентратор. Вычислительные средства отдельных проектных подразделений. Объединение технических средств автоматизированных систем проектирования в единую систему комплексной автоматизации.
реферат [91,3 K], добавлен 05.09.2007Методика разработки автоматической системы регулирования печи для сжигания органических отходов с использованием микропроцессорного контроллера ТРМ-251. Комплексный подбор и обоснование технических средств, а также средств измерений и автоматизации.
курсовая работа [457,2 K], добавлен 07.12.2013Обоснование и выбор объекта автоматизации. Технологическая характеристика электрической тали. Разработка принципиального электрической схемы управления. Составление временной диаграммы работы схемы. Расчет и выбор средств автоматизации, их оценка.
курсовая работа [889,4 K], добавлен 25.03.2011Требования к системе автоматизации резервуарного парка. Структура микропроцессорной системы автоматизации. Алгоритм автоматического управления объектом. Выбор вибрационного сигнализатора уровня. Функциональная схема автоматизации резервуара РВС-5000.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 22.04.2015Физическая сущность измеряемого технологического параметра запыленности воздуха в деревообрабатывающей промышленности. Структурное моделирование и разработка схемы автоматизации измерительного канала запыленности; выбор комплекса технических средств.
курсовая работа [362,6 K], добавлен 02.06.2013Описание теплового пункта, подлежащего автоматизации. Выбор электроприводов двухходовых клапанов. Разработка функциональной схемы системы автоматизации теплового пункта. Управление системой горячего водоснабжения. Выбор коммутационно-защитной аппаратуры.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 24.03.2014Аппаратура, используемая в составе комплексов технических средств, применяемых для охраны объектов. Принципы действия различных охранных сигнализаций (контроля доступа, пожаротушения, сейсмических). Направления деятельности службы безопасности объекта.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 27.08.2009Технология измерения количества и показателей качества нефти при транспортировке. Средства автоматизации, применяемые на СИКН № 3. Анализ существующих средств измерения давления. Направления усовершенствования системы автоматизации ООО "Балтнефтепровод".
дипломная работа [875,4 K], добавлен 29.04.2015Основные понятия и определения измерительной техники; классификация приборов и особенности применения микропроцессоров. Изучение программного обеспечения комплекса автоматизации измерений и компьютера; расчёт экономической эффективности устройства.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 15.03.2014Принцип работы установки для получения моющего раствора. Техническая характеристика оборудования, используемого в технологическом процессе. Разработка функциональной схемы автоматизации. Выбор контроллера и модулей ввода/вывода, средств автоматизации.
курсовая работа [88,5 K], добавлен 04.10.2012Технология подготовки нефти в КСУ-1,2,3 на КСП-5. Комплекс технических средств системы автоматического регулирования уровня. Схема автоматизации функциональная регулирования уровня. Устойчивость по критерию Гурвица. Критический коэффициент усиления.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 27.01.2016Назначение и классификация роботизированных технологических комплексов (РТК). Место РТК в гибкой автоматизации производства. Основные схемы взаимодействия промышленных роботов с основным и вспомогательным оборудованием. Основные технологические операции.
контрольная работа [437,7 K], добавлен 04.06.2010Принципы построения современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ. Разработка функциональной схемы автоматизации, обоснование выбора средств. Контроллер и модули ввода и вывода.
курсовая работа [77,2 K], добавлен 07.10.2012Понятие средства измерений, их виды и классификация погрешностей. Метрологические характеристики средств измерений, особенности норм на их значения. Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей и цифровых измерительных приборов.
курсовая работа [340,9 K], добавлен 03.01.2013Типовые средства автоматизации и контроля технологических процессов. Устройство и работа измерительных преобразователей. Принцип работы пневматических и электрических вторичных приборов. Приемы и методы ремонта контрольно-измерительной аппаратуры.
курсовая работа [480,7 K], добавлен 10.04.2014
