Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройства связи процессом. Устройства связи оператора с АСУ

План

1. Устройства связи с процессом

2. Схемы аналого-цифрового преобразователя

3. Устройства связи оператора с АСУ

1. Устройства связи с процессом

К устройствам связи АСУ относятся устройства ввода в систему сигналов, соответствующих значениям технологических переменных, и устройства вывода управляющих воздействий. Принципы построения и тех и других устройств в основном сформировались на предшествовавших этапах развития АСУ и переход к микропроцессорам и распределенным структурам АСУ наложил отпечаток лишь на отдельные их особенности.

Аналоговые устройства связи с процессом подробно освещены в литературе.

Для передачи аналоговых сигналов от датчиков, связанных с процессом, в аппаратуру обработки еще шире, чем прежде, применяют в качестве унифицированного токовый выходной сигнал в виде постоянного тока 0-5, 1-5 или 4-20 мА. При этом сигнал передается по двум проводам, не подвергаясь существенному воздействию промышленных помех.

Местный промежуточный преобразователь сигнала датчика, устанавливаемый непосредственно около него, может служить только для получения унифицированного токового сигнала или выполнять функцию измерительного преобразователя, т. е. линеаризовать и масштабировать сигнал. В первом случае можно обойтись без местного источника питания, располагая последний на приемной стороне; это относится, в частности, к резистивным датчикам, включаемым в мостовую схему. При установке датчиков в агрессивной или взрывоопасной среде его вместе с местным промежуточным преобразователем заключают в герметизированный корпус, который одновременно служит экраном.

Датчики переменного тока обычно соединяются с устройством обработки четырьмя проводами: по двум на датчик передается напряжение переменного тока для питания, по двум другим снимается сигнал измерения.

Иногда пользуются датчиками с частотным выходом. Частотный сигнал хорошо подходит для передачи по световодам и в связи с этим рассматривается как весьма перспективный.

Типичная структурная схема ввода аналоговых величин в АСУ с микро-ЭВМ показана на рис. 1.

Рис. 1 Типичная структурная схема ввода аналоговых сигналов в микро-ЭВМ: АРК - адресный регистр с коммутатором; АС - аналоговые сигналы; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; АШ - адресная шина; БР - буферный регистр; ВК - входной коммутатор аналоговых сигналов; У -- измерительный усилитель; УДА -- устройство дешифратора адреса и логического управления; УШ -- управляющая шина; Ф - фиксатор; ШД -- шина данных

Аналоговые сигналы АС поступают на входной коммутатор ВК, который рассчитан, как правило на 16 однопроводных (несимметричных) или 8 двухпроводных (дифференциальных) входов; часто предусматривается возможность увеличения числа входов до 64. С входного коммутатора модулированный по амплитуде импульсный сигнал поступает на фиксатор Ф, хранящий аналоговую величину между операциями ее цифрового преобразования, выполняемыми аналого-цифровым преобразователем АЦП. Код выводится на выходной буферный регистр БР, откуда через шину данных ШД вводится в микро-ЭВМ.

Операциями ввода управляет микро-ЭВМ, посылая коды адреса по адресной шине АШ и управления - по управляющей шине УШ. Код адреса поступает на адресный регистр коммутатора АРК и устройство декодирования адреса и логического управления УДА. Это последнее устройство, получающее также код управления, задает коэффициент усиления и, возможно, коэффициенты линеаризации в усилителе У, а также управляет работой фиксатора Ф, аналого-цифрового преобразователя АЦП и выходного буферного регистра БР. Аналого-цифровой преобразователь обычно имеет 12 двоичных разрядов, шина данных - 8-разрядная.

Конструктивно узлы ввода оформляются в виде модульных плат с гибридными ИМС. В одних случаях гибридные платы рассчитаны на работу с микро-ЭВМ определенного семейства (например, АОС0816 фирмы National Semiconductor), в других требуют, чтобы пользователь дополнил их соответствующей интерфейсной схемой.

Четко проявляется тенденция к выпуску монолитных ИМС, полностью обеспечивающих функцию ввода группы аналоговых сигналов (например, от 8 до 64) в микро ЭВМ.

Главной проблемой при вводе аналоговых величин является обработка малых сигналов, особенно в промышленных условиях, характеризующихся высоким уровнем помех. Иногда в целях борьбы с помехами и дрейфом применяют индивидуальные аналого-цифровые преобразователи для каждой технологической переменной. Это позволяет снизить быстродействие преобразователя, т.е. уменьшить его стоимость, или увеличить частоту ввода данных; обойтись без входного коммутатора и фиксатора; обеспечить при последовательной передаче данных полную гальваническую развязку цепи аналогового входа и цифровой системы (например, путем применения оптоэлектронной схемы развязки).

Американская фирма American Industrial Measurements выпускает местные преобразователи для непосредственного подключения к термопарам, а также к термометрам сопротивления и другим мостовым датчикам. Местный промежуточный преобразователь выдает модулированный по амплитуде импульсный сигнал с частотой до 1 МГц, передаваемый по двухпроводной линии. На приемной стороне амплитуда импульсов преобразуется в цифровой код.

Располагая индивидуальные промежуточные преобразователи у датчиков, можно полнее реализовать принцип местной обработки данных, столь характерный для распределенных АСУ. В общем случае, однако, применение индивидуальных промежуточных преобразователей обходится дороже, чем общий коммутируемый аналого-цифровой преобразователь. Входные коммутаторы в системах с микро-ЭВМ выполняются либо на герконах (герметизированных реле, называемых также капсульными или язычковыми), либо на полупроводниках - полевых транзисторах или комплиментарных МОП - структурах (КМОП). Герконы дают чрезвычайно малую погрешность коммутации, но имеют ограниченное быстродействие (порядка миллисекунд) и надежность. Полевые транзисторы отличаются от КМОП-структур более высоким быстродействием и низкими токами утечки, однако КМОП-структуры лучше совместимы с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ), имеют меньшее рассеяние мощности, надежнее разрывают входную цепь при отключении питания.

Ко входу коммутатора подводится напряжение постоянного тока, падающее на сопротивлении в токовой цепи или на мосте; это напряжение может принимать значение от 10 мВ до 10 В.

Для защиты транзисторных ключей от перенапряжений во входных коммутаторах устанавливаются диоды, ограничивающие входное напряжение в пределах от +20 до +30 В; ток на входе ограничивается резисторами. Типичное значение входного сопротивления закрытого ключа на КМОП-структурах - 10⁹ Ом при токе 5 нА, у ключей на полевых транзисторах оно на порядок выше.

Управление входным коммутатором обеспечивает небольшой сдвиг во времени между разрывом цепи подключенного аналогового сигнала и замыканием цепи следующего сигнала, чтобы исключить возможность даже самого кратковременного подключения к входу аналого-цифрового преобразователя двух сигналов.

Входные коммутаторы на ИМС выпускаются в двух модификациях: с устройством декодирования адреса, включенным в общую ИМС, и без такого устройства. Как правило, они допускают три способа подключения входного сигнала (рис. 2). Однополюсное подключение применимо, если можно пренебречь отношением продольной помехи - напряжения между источником сигнала и землей усилителя - к полезному сигналу. Двухполюсное симметричное подключение позволяет полностью использовать способность усилителя ослаблять продольную помеху. Это типичный способ подключения источников сигнала низкого уровня. Каждый источник может иметь произвольный потенциал относительно земли системы в пределах допустимого диапазона продольной помехи, например +30 В.

По сравнению с однополюсным подключением число входных переменных, обслуживаемых коммутатором, сокращается при двухполюсном подключении вдвое.

Рис. 2 Схемы подключения входного аналогового сигнала: а -- однополюсное подключение; б - двухполлюсное симметричное; в-псевдодифференциальное; Кл, Кл1, Кл2 - ключи; У - усилитель; U_a - напряжение полезного аналогового сигнала; U_п - напряжение продольной помехи

Третий способ подключения носит название псевдодифференциального. Он предпочтителен, когда все источники аналогового сигнала находятся под одинаковым потенциалом относительно земли системы. При этом способе экономится число ключей
входного коммутатора и вместе с тем существенно снижается влияние
продольной помехи.

Измерительный усилитель повышает входной сигнал низкого уровня (например, милливольты с выхода термопары) до уровня шкалы на входе аналого-цифрового преобразователя, обычно от 0 до 10 В. Одновременно усилитель ослабляет продольную помеху до пренебрежимо малого уровня. К измерительному усилителю предъявляются многочисленные и не всегда легко выполнимые требования: малый дрейф; высокая степень ослабления продольной помехи (от 90 до 120 дВ и выше); высокое входное сопротивление поперечному (дифференциальному) и продольным (относительно земли) сигналам; высокое допустимое значение напряжения продольной помехи на входе; очень высокая линейность и стабильность запаздывания; короткое время установления выходного сигнала, например достижение 99,99 % установившегося значения за 2 мкс; малый собственный шум. У лучших образцов измерительных усилителей коэффициент ослабления продольной помехи достигает 150 дВ (типичное значение 60 - 80 дБ, иногда 120 дВ), а входное сопротивление продольному сигналу - более 10¹¹ Ом. Полоса пропускания усилителя обычно лежит в пределах от 30 Гц до 50 кГц, входное сопротивление 100 МОм.

Высококачественные измерительные усилители строят в виде двухкаскадных операционных усилителей на одном кристалле. Отделение входов по постоянному току от земли осуществляется трансформаторами или оптоэлектронными устройствами. При требовании очень малого дрейфа применяют измерительные усилители с модуляцией входного сигнала, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией. Однако в большинстве применений допустима работа с усилителями без внутренней гальванической развязки между каскадами.

Коэффициент усиления измерительного усилителя должен изменяться ступенями, принимая значения 2^П, где целое п изменяется от 0 до 10, путем задания управляющего слова программой микро-ЭВМ. Таким образом можно устанавливать свой коэффициент усиления и шкалу для каждой технологической переменной. Управление усилителем можно упростить, введя в схему ввода аналоговых данных оперативную или полупостоянную память, хранящую значения настройки для каждой переменной. К этой памяти регистр адреса переменной обращается -тогда же, когда он обращается к схеме декодирования адреса входного коммутатора.

Фиксаторы являются необходимым элементом системы ввода с аналого-цифровым преобразователем, действующим по принципу поразрядного уравновешивания. На входе такого преобразователя сигнал должен оставаться неизменным в течение всего периода преобразования. Требование к постоянству напряжения на фиксаторе тем выше, чем шире полоса входного сигнала и чем больше время одного цифрового преобразования.

Для цифрового преобразования применяются устройства, основанные на всех трех издавна установившихся принципах: параллельного и поразрядного уравновешивания и развертывающего время-импульсного преобразования. Чаще всего пользуются преобразователями с поразрядным уравновешиванием. Преобразователи с параллельным уравновешиванием применяют лишь в случае особенно высоких требований к быстродействию, а время-импульсные - при низких требованиях к быстродействию или при использовании индивидуальных преобразователей для каждой входной переменной.

2. Схемы аналого-цифрового преобразователя

цифровой преобразователь сигнал устройство

В составе схемы аналого-цифрового преобразователя должен иметься прецизионный источник эталонного напряжения. В однокристальных преобразователях стабилизаторы напряжения часто выполняют внутри кристалла. Внешние источники используют обычно тогда, когда цифровой преобразователь служит для получения кода отношения между двумя аналоговыми сигналами.

На выходе аналого-цифрового преобразователя с односторонней входной шкалой, например 0 - 10 В, получают отсчет в двоичном или двоично-десятичном коде, а у преобразователей с двусторонней шкалой (например, от - 5 до +5 В) - в дополнительном двоичном коде со смещением либо в двоично-десятичном коде со знаком. Совместимый с вводом в микропроцессор цифровой преобразователь должен иметь на выходе регистр, допускающий вывод байтами на 8-битную шину. При установке преобразователя на расстоянии от обрабатывающего микропроцессора и применении двухпроводной связи целесообразна организация последовательно, но одному биту, вывода кода в линию передачи данных.

В целом современные системы аналогового ввода с 8-разрядными аналого-цифровыми преобразователями имеют при 25 'С погрешность 0,2 - 0,4 %, а с 12-разряд-ными преобразователями - 0,025-0,05 %. С ростом коэффициента усиления погрешность возрастает: например для 12-разрядного преобразователя при коэффициенте усиления 1000 - до 0,2 %.

Частота ввода для большинства промышленных устройств колеблется от 0,03 до 3 Гц, однако при большом числе опрашиваемых переменных она может достигать и 25 кГц. В последнем случае применяют аналого-цифровые преобразователи с параллельным или поразрядным уравновешиванием, результат преобразования вводится в память по каналу прямого доступа. Для подавления помех при столь большом быстродействии приходится прибегать либо к внешним фильтрам, либо к программной цифровой фильтрации.

Вывод аналоговых управляющих воздействий на технологический процесс на микро-ЭВМ осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей, которые преобразуют код в аналоговую величину непосредственно или с промежуточным преобразованием, обычно в последовательность модулированных по ширине прямоугольных импульсов.

В цифро-аналоговом преобразователе прямого действия код управляет током в резисторной цепочке, выполненной тонкой пленкой 81Сг на поверхности интегральной пластины. Эта же ИМС часто содержит эталонный источник напряжения и входной буферный регистр. Последний может загрузиться последовательно (в случае размещения преобразователя на расстоянии от процессора) или по байтам.

Цифро-аналоговые преобразователи с промежуточной широтно-импульсной модуляцией реализуются аппаратурно значительно проще, они не нуждаются в прецизионных резисторных цепочках, однако время преобразования у них сравнительно велико - как правило, более 1 мс.

Платы аналогового вывода выдают от одного до восьми сигналов, причем для каждой переменной применяется свой цифро-аналоговый преобразователь. Выходным сигналом обычно служит напряжение либо ток в унифицированной шкале 4-20 мА (в отдельных случаях 0-5 мА). Погрешность 8-разрядных преобразователей составляет около 0,4% для 12-разрядных преобразователей она уменьшается до 0,01 - 0,05 %. Задачей устройств ввода и вывода двоичных сигналов является преобразование логических уровней 0 и 1. В аппаратуре, непосредственно связанной с ТП, этим уровням могут соответствовать напряжение на замкнутом или разомкнутом электронном ключе; замкнутый или разомкнутый контакт реле; сравнительно мощный сигнал 8, 24, 30, 48 или 60 В при токе 2, 10, 100 или 200 мА или нулевой уровень. Устройства выполняются как платы, рассчитанные на ввод или соответственно вывод 16 или 32 двоичных сигналов. В платах предусматриваются регистры для хранения вводимых (выводимых) двоичных наборов.

3. Устройства связи оператора с АСУ

Понятие распределенности АСУ относится в первую очередь к размещению аппаратуры. Однако все технические средства, позволяющие оператору воздействовать на процесс, стремятся сосредоточить в одном центральном пункте, здесь же концентрируются и средства, представляющие результаты контроля процесса. В местных узлах устанавливаются лишь минимальные средства контроля за процессом и, возможно, органы настройки контуров регулирования.

В современных АСУ основным средством визуального вывода стал дисплей, гибкость которого повышается вместе в его «интеллектуальностью», растущей по мере оснащения дисплея местными микропроцессорными средствами обработки данных. Традиционные специализированные средства вывода данных - стрелочные шкалы, сигнальные лампы, панели цифровой индикации, графопостроители, печатающие устройства - играют теперь лишь более или менее второстепенную роль.

Преобладающим средством воздействия на процесс в системе управления со стороны оператора стала клавиатура дисплея, лишь в отдельных случаях пользуются клавиатурой печатающих устройств, аналоговый же ввод применяется только на специальных объектах.

Поскольку дисплеи снабжаются клавиатурой, устройство в целом, обеспечивающее общение оператора с АСУ называется дисплейным терминалом.

Современные дисплеи, как правило, строятся на основе электронно-лучевых трубок с цветным воспроизведением.

По принципу образования элементов на экране дисплеи делятся на штриховые и растровые. В штриховых дисплеях элементы изображения прочерчиваются отдельными штрихами, а в растровых - точками, которые проходятся лучом по строкам, как в телевизионных приемниках.

Штриховые дисплеи дают изображение более высокого качества, чем растровые. При применении в штриховом дисплее обычной электроннолучевой трубки изображения нуждаются в периодическом восстановлении со стороны схемы возбуждения. Этого недостатка лишены запоминающие трубки; однако последние не позволяют получать цветные изображения и передавать быстрые изменения, они менее ярки, имеют более короткий срок службы.

В растровых дисплеях изображение на экране обычно состоит из 256X512 точек, хотя выпускаются дисплеи и с более высокой разрешающей способностью, например 1024X1280 у дисплея американской фирмы Genisco.

По характеру выводимой информации различают алфавитно-цифровые (или символьные) и графические дисплеи. Кроме того, имеются промежуточные по ориентации устройства - так называемые алфавитно-цифровые дисплеи с графическими возможностями. Программы формирования стандартных элементов, подлежащих воспроизведению, -отрезков точек; дуг окружности и других кривых, символов и т.п., - хранятся в постоянной памяти, и хранящиеся ассортименты элементов отражают - специализацию дисплея.

Самым совершенным (как, впрочем, и самым дорогим) средством общения между оператором и АСУ сегодня является цветной графический терминал. Такой терминал оснащается большой оперативной -памятью (до нескольких сотен миллионов битов) для хранения выводимого изображения - так называемой памятью обновления (refresh memory) - и дает возможность получить миллионы цветовых оттенков (например, цветовой терминал американской фирмы Comtal дает 16 млн. оттенков цвета). Изображение хранится в памяти обновления в трех «срезах», каждый из которых соответствует одному цветовому компоненту. Память обновления позволяет дисплею работать автономно от главной ЭВМ. Эта память однажды загружается из главной ЭВМ, а затем к ней обращаются электронные схемы дисплея, обеспечивая непрерывное обновление изображения на экране. Память обновления выполняется как динамическое или статическое ЗУ с произвольным доступом. Успехи в технологии ЗУ делают эту память все более миниатюрной, быстродействующей, дешевой, экономичной по потребляемой мощности. Однако поскольку быстродействие памяти все еще отстает от требуемых скоростей обновления изображения, обычно в память обновления обращаются одновременно за 8 или 16 элементами изображения. Наиболее популярна память обновления на 512X512 8-битовых элементов изображения; имеются, впрочем, и запоминающие устройства на 4096X4096 элементов от 1 до 16 битов в каждом.

К настоящему времени цветными графическими дисплеями оснащены все современные комплексы средств для построения распределенных АСУ. Ранее разработанные и более простые комплексы, предусматривают применение черно-белых алфавитно-цифровых дисплеев с ограниченными графическими возможностями. Для хранения постоянной информации, подлежащей выводу на экран дисплея, пользовались гибкими дисками.

Дисплеями в распределенных АСУ оборудуются все пункты контроля. Они входят в состав станций контроля и управления либо присоединяются к ним как автономные терминалы. Так, в комплексе Centum, выпускаемом японской фирмой «Екогава дэнки», каждой станции оператора, рассчитанной на 32 контролируемые переменные, может быть придано до четырех дисплеев с электронно-лучевой трубкой размером 50,8см. На каждом экране формируется до семи изображений, имитирующих аналоговые пульты управления соответствующими участками процесса. Обращаясь к этим изображениям, оператор получает информацию о состоянии процесса и системы управлении, а также воздействует на процесс, характеристики управления и способы контроля.

Информация о процессе, выводимая на экран дисплея, различается широтой охвата и подробностью описания объекта; кадры представления упорядочиваются некоторой иерархической системой, содержащей до четырех уровней.

Хотя дисплеи являются универсальным средством общения оператора с АСУ, в комплексах для распределенных АСУ еще используются и более традиционные средства визуального вывода и регистрации. Так, в комплексе Micro-Z Французской фирмы Controle Bailey центральная станция, рассчитанная на 240 контуров регулирования, в дополнение к дисплеям и лампам сигнализации допускает подключение печатающего устройства, многоточечных самописцев, регистраторов тенденции и устройств фотокопирования экрана дисплея. Иногда предусматривается сохранение традиционной мнемосхемы, и тогда в комплекс входит специальное устройство с микропроцессором, управляющее лампами мнемосхемы (комплекс Damatic финской фирмы Valmet).

Среди новых специализированных средств визуального вывода в последние годы получили распространение линейные аналоговые указатели значений контролируемых величин.

Электронные линейные указатели сочетают лучшие свойства цифровых индикаторов - якорь и четкость изображения - и аналоговых индикаторов - легкость восприятия. Этим и объясняется их широкое распространение. По сравнению со стрелочными указателями электронные линейные указатели не подвержены влияниям вибрации, ударов, практически безынерционны, могут иметь гораздо меньшие размеры. По сравнению с цифровыми индикаторами линейные указатели предпочтительнее, когда достаточна точность 1 %, они в отличие от цифровых индикаторов не страдают от колебаний отсчета. Пример изображения на экране линейного указателя показан на рис. 3. Переход переменной за заданную границу или нарушение режима при применении линейных указателей удобно отображать переходом через отметку или изменением цвета. Гибкость в генерировании выводимого изображения в современных линейных указателях легко достигается применением микропроцессоров. Точность отсчета в случае необходимости легко может быть повышена добавлением к линейному отсчету также цифрового указания. Линейные указатели выполняются на плазменных или электронно-лучевых приборах, светодиодах или жидких кристаллах.

Рис. 3 Изображение на экране линейного указателя

Для линейной индикации выпускают специальные электроннолучевые трубки. Цвет индикации - зеленый

Клавиатура - одно из самых старых устройств ввода в ЭВМ, совершенствование ее непрерывно продолжается в направлении повышения аппаратурной и функциональной надежности.

Весьма экономно применение виртуальной клавиатуры. При этом функция каждой клавиши программируется. Чтобы оператор знал, каково назначение каждой клавиши в данный момент, расшифровка функций дается в изображении клавиатуры на некотором участке экрана дисплея.

Иногда, как, например, в комплексе Micro-Z, предусматривается возможность пользования небольшой переносной панелью с клавиатурой и цифровым индикатором. Панель присоединяется к станции управления штекером.

Ввод и вывод речевых сигналов при взаимодействии оператора с системой является реальной перспективой развития ближайшего будущего.

Контрольные вопросы

1. Какие устройства относятся к устройствам связи АСУ процессом? [Л.7, 53-54].

2. Расскажите о передаче аналоговых сигналов от датчиков. [Л.7, 54-55].

3. Что является главной проблемой при вводе аналоговых величин? [Л.7, 55-56].

4. Объясните о двух модификациях, выпускающих входные коммутаторы на ИМС. [Л.7, 57-58].

5. Сколько способов имеются подключения входного сигнала к входным коммутаторам на ИМС? [Л.7, 58-59].

6. Что должно иметься в составе схемы аналого-цифрового -преобразователя? [Л.7, 59-60].

7. Расскажите о цифро-аналоговых преобразователях. [Л.7, 59-60].

8. Что является основным средством визуального вывода в современных АСУ [Л.7, 60-61].

9. Перечислите лучшие свойства цифровых и аналоговых индикаторов. [Л.7, 62-64].

10. Какие недостатки имеют светодиоды? [Л.7, 64-66].

Размещено на Allbest.ru