Аппаратурные средства для получения, передачи и обработки информации

Аппаратура, предназначенная для сопряжения по соответствую­щим каналам связи датчиков (измерительных преобразователей) с исполнительной аппаратурой автоматизации и преобразования ин­формации, т. е. с автоматическими регулирующими устройствами, техническими средствами показания, записи, сигнализации изме­ряемых и регулирующих параметров, относится к устройствам связи с объектом (УСО). Таким образом, УСО предназначены для ввода сигналов с датчиков в устройства обработки и вывода сигналов для управления исполнительными механизмами.

Модули ввода/вывода являются локальными УСО и осуществ­ляют первичную обработку непрерывных и дискретных сигналов от входных датчиков и выдачу управляющих воздействий на ИМ. Каждый модуль имеет выход в технологическую сеть на основе интерфейса. Обработанный сигнал преобразуется модулем в за­щитный цифровой код для дальнейшей передачи в сеть. Из сети модуль получает команды на выдачу управляющих воздействий. Вычислительные мощности модулей обеспечивают также выря-ботку дополнительных сигналов о выходе значения за допусти­мые пределы, синхронизацию ведения единого времени систеМй взаимодействие с минипультом и т. п.

Каждый модуль представляет собой функционально законченное устройство, все модули имеют единые конструкцию, интерфейс и питание.

Модули УСО выполняют:

ввод аналоговых сигналов среднего уровня ±10 В; ±5 мА; +20 мА> 4-5-20 мА (в том числе с подавлением помех нормального " общего вида, с гальванической развязкой);

ввод аналоговых сигналов низкого уровня от термоэлек­трических преобразователей (термопар) и термометров сопротив­ления (в том числе с применением выносных преобразователей, имеющих искробезопасное исполнение);

ввод аналоговых сигналов переменного тока от вращаю­щихся и дифференальных трансформаторов;

ввод дискретных сигналов постоянного напряжения и тока: 6; 12; 48; 110; 220 В; 5 мА; 20 мА; «сухой контакт» (в том числе инициативных сигналов); сигналов напряжения перемен­ного тока 24; 110; 220 В;

ввод импульсных (число-импульсных и время-импульс­ных) и частотных сигналов;

вывод (формирование) аналоговых сигналов напряжения и тока ±10 В, ±5 мА, ±20 мА;

вывод (формирование) гальванически развязанных дис­кретных сигналов постоянного напряжения от 5 до 48 В (в том числе с контролем линии связи и с защитой от перегрузок);

вывод (формирование) импульсных сигналов напряжения до 24 В (в том числе с заданным периодом следования и с за­данной длительностью);

вывод дискретных сигналов постоянного и переменного тока для управления исполнительными механизмами путем ком­мутации исполнительных цепей с токами до 10 А при напряже­нии до 220 В (с применением выносных бесконтактных и релей­ных формирователей);

вывод (формирование) сигнала управления асинхронными электродвигателями (с применением выносных бесконтактных пускателей 220/380 В на ток от 5 до 25 А, обеспечивающих включение, реверс, динамическое торможение, защиту от перегрузок); обеспечивается метрологическая аттестация каналов свя­зи с объектом.

В современной автоматике большое число автоматических систем управления формируются на основе применения про­мышленных компьютерных систем, выполняющих функции центрального элемента (звена) сбора, обработки информации, а также выработки и передачи управляющих сигналов на исполни­тельные устройства.

К промышленным компьютерным системам предъявляются специфические требования, которые, в основном, определяются Условиями эксплуатации в производственных помещениях. Специфичность этих условий определяется повышенным содержанием пыли и влаги в окружающей среде, изменениями температурных режимов, повышенной вибрацией, наличием сильных элек­тромагнитных полей и т. д.

Устройства связей «датчик — человек — компьютер» должны быть выполнены с учетом жестких условий эксплуатации, требований представления информации человеку-оператору, а также возможности оперативного вмешательства в процесс управления.

Важным компонентом любой автоматизированной системы управления технологическими процессами является УСО — устрой­ство связи с объектом. УСО предназначено для сопряжения аппара­туры (Д или ПИП), исполнительных механизмов (ИМ), управляемо­го (контролируемого) объекта (технологического процесса) с вычис­лительными и управляющими средствами компьютерных систем.

Основные функции УСО.

1. Нормализация аналогового сигнала — приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала Д или ПИП к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) измерительного канала. В настоящее время наибольшее распространение получили сигналы по на­пряжению: 0 +5 В, -5 +5 В, О +10 В; по току: 0-20, 4 + 20 мА. Ряд ПИП (или датчиков) имеют входные сигналы, отвечаю­щие требованиям ГСП, которые могут быть восприняты управ­ляющей частью ПТК АСУТП или промышленным компьюте­ром. Однако непосредственно их включать в систему не всегда можно. Осуществить это возможно лишь посредством УСО, так как только они обладают функцией гальванической развязки между источниками измерительного сигнала и другими элемен­тами системы.

2. Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала, т. е. ограничение полосы частот первичного непрерыв­ного сигнала в целях снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наибольшее распространение получили помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вы­званные влиянием на технические средства измерительных пере­ходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности.

3. Обеспечение гальванической изоляции (развязки) между ис­точником аналогового или дискретного сигнала и измерительны­ми или другими статусными каналами системы. Это относится И к изоляции между каналами дискретного вывода системы Я управляемым силовым оборудованием. Кроме собственно защиты входных и выходных цепей гальваническая изоляция позволяет

снизить влияние на систему помех по цепям заземления за счет С одного разделения оборудования вычислительной системы и нТролируемого оборудования. При этом УСО может выполнять некоторые специальные задачи с помощью наличия в системе япугих цепей и интерфейсов. К этим задачам можно отнести: за­щиту от перенапряжения; фильтрацию высоких частот; подавле­ние помех на частоте 50 Гц, а также специфические функции, связанные с особенностями обслуживания конкретной системы, g схемах и конструкциях УСО должны быть определены требова­ния по надежности, удобству обслуживания, возможности «нара­щивание-расширение» и др.

Для реализации указанных задач и функций УСО разрабаты­вается и конструктивно изготавливается широкая номенклатура модулей. Каждый модуль выполняется в виде функционально за­конченного устройства (платы), заключенного в соответствующий корпус и оснащенного клеммами, штырьевыми или другими со­единителями для входных и выходных цепей. Модули УСО, как правило, монтируются на стандартных несущих рельсах, которые можно объединить в монтажные панели. Такая конструктив­но-технологическая схема наиболее распространена для УСО как зарубежного, так и отечественного производства.

Модуль УСО конструктивно и функционально состоит из ряда элементов, входящих в состав УСО любой конфигурации, предназначенных в первую очередь для выполнения основных функций, указанных выше, а конкретнее — для нормализации (нормирования) сигналов, фильтрации сигналов и обеспечения гальванической изоляции (развязки).

Измерительные усилители (ИУс) предназначены для усиления уровня входного напряжения тока и введения его в диапазон нормирования, удобный для последующих преобразований или индикации. ИУс выполняют следующие требования: обеспечение большого коэффициента усиления, постоянство коэффициента Усиления; минимальное выходное напряжение и его изменение (дрейф) при нулевом напряжении на выходе; максимальное вход­ное сопротивление; минимальная инерционность.

Этим требованиям, предъявляемым к ИУс, удовлетворяют Усилители постоянного тока в интегральном исполнении с глубо­кой отрицательной связью, т. е. операционные усилители (ОУ). Операционные усилители с глубокой отрицательной обратной связью удовлетворяют вышеуказанным требованиям. Например, схема инвертирующего измерительного усилителя выполняет эти требования, т. е. изменяет полярность выходного напряжения по отнощению к входному. Она состоит из операционного усилителя, резисторов обратной связи и корректирующего резистора.

В дифференциальных усилителях наряду с усилением входного сигнала осуществляется и дифференцирование его по времени, т. е. учитывается скорость его изменения. Эта операция реализуется схемно комбинацией ОУ с LRС-цепочками.

Гальваническая связь — это связь электронных (электрических) элементов и схем, реализуемая посредством активных сопротив­лений (резисторов) устройства. Гальванические связи между эле­ментами схем могут возникать через общие шины питания, «зем­ли», шасси и по другим каналам. Гальваническая изоляция (или развязка) является необходимой для электрической изоляции ме­жду источниками аналоговых или дискретных электрических сиг­налов различного вида и статусными каналами УСО, а также для изоляции между каналами дискретного вывода системы и управ­ляемым силовым оборудованием (исполнительными устройствами и механизмами).

Гальваническая изоляция позволяет снизить влияние помех на систему по цепям заземления посредством полного разделения вычислительной системы ПТК АСУТП (или промышленного компьютера) от управляемого оборудования.

Простейшим устройством гальванической изоляции-развязки являются электромагнитные реле. Однако они инерционны, име­ют значительные габариты, невысокую надежность и высокое по­требление энергии. Наиболее часто в качестве элементов гальва­нической изоляции применяются резисторные, резисторно-емкостные, резисторно-индуктивные, емкостно-индуктивные цепи и фильтры. Например, используются аттенюаторы, обеспечивающие при постоянном уровне мощности или напряжения сигнала на входе возможность уменьшить выходной сигнал в заданное число раз; применяются LRС-цепочки, эффективность которых зависит от соотношения между постоянной времени х = RC и периодом входного сигнала /. При х«t автоматически выполняется соот­ношение ивых«ивх.

В последнее время в устройствах УСО находят применение оптроны (оптроны, оптопары), представляющие собой оптоэлек-тронное устройство, состоящее из источника света, фотоприем­ника и оптической согласующей или управляющей среды, кото­рые могут быть связаны оптически, электрически или обоими видами связи. Наиболее распространенными являются оптроны с пассивной оптической средой, которые выполняют роль согла­сующего элемента для получения максимального коэффициента передачи светового сигнала от источника света к фотоприемнику-

Важной функцией модулей УСО является фильтрация сигна­лов как на входе и выходе, так и на его внутренних связях.

фильтры электрических сигналов позволяют ограничивать час­тный спектр сигналов или выделять сигналы в пределах огра­ниченной полосы частот.

фильтры разделяются на несколько видов: нижних частот, верхних частот, полосопропускающие и полосозаграждающие.

Идеальный фильтр низких частот имеет нулевой коэффици­ент передачи на частотах выше частоты среза, т. е. частоты, ко­торая измеряется при условии, что мощность выходного сигнала фильтра уменьшилась на 50% в сравнении с мощностью входно­го сигнала. На частотах ниже частоты среза он пропускает сиг­нал без его ослабления. Идеальный фильтр высоких частот не оказывает влияния на амплитуду сигналов, имеющих частоту выше частоты среза, не пропускает более низкочастотные сигна­лы, чем частота среза.

Идеальный полосопропускающий (полосозаграждающий) фильтр пропускает (не пропускает) сигналы в интервале между их ниж­ней и верхней частотами среза. Частотные фильтры представляют собой LC-цепочки требуемых параметров. Для получения требуе­мых параметров фильтров используются высокоточные и высоко­стабильные конденсаторы и катушки индуктивности.