Задачи нижнего уровня распределенной системы управления

На нижнем уровне иерархической системы должны обеспечиваться: дистанционное измерение основных режимных параметров технологического объекта управления (ТОУ), сигнализация предельных значений этих параметров, согласованное управление оборудованием и сигнализация его состояния.

Одной из важнейших задач системы управления является поддержание заданных значений режимных параметров процесса, от которых зависит его производительность и качество выпускаемой продукции. Эта задача выполняется без участия человека автоматической системой управления (САУ), структура которой приведена на рис. 3.

х

Рис.3. Структурная схема САУ.

Для получения информации о технологическом процессе используются датчики (Д), для ее преобразования и передачи — нормирующие и кодирующие преобразователи (НП, КП) и линии связи ЛС. МП преобразуют сигналы датчиков в унифицированные, которые поступают на КП для представления их и передачи в цифровом виде по ЛС.

В качестве КП могут быть использованы аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП, ЦАП). Определение необходимых управлений реализует регулирующее устройство (РУ), функции которого выполняют автоматические регуляторы или микропроцессорные контроллеры.

Для отображения информации используют измерительные приборы (П), устройства сигнализации (С), мнемосхемы (МС), размещенные на щитах и пультах в операторских пунктах управления (ОПУ). Команды управления поступают на усилитель мощности (УС) и реализуются на объекте исполнительными механизмами (ИМ) и регулирующими органами (РО).

Оператор в такой системе не принимает непосредственного участия в оперативном управлении ТОУ. Его функции заключаются лишь в технической диагностике состояния технических средств. Оператор может при необходимости изменять задания регуляторам, переводить управление с автоматического на ручное.

Классификация преобразователей.

Важнейшая функция системы сбора информации заключается в восприятии сведений о состоянии объекта или внешней среды и их обработке для ввода в ЭВМ. Технические средства и человек могут воспринимать только ту информацию, которая «материализована», т.е. превращена в доступное для измерений изменение параметров, какой — либо физической среды или объекта.

Сигнал есть физическая величина, отображающая информацию.

В настоящее время существует примерно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура — более 50 %, расход вещества и механические величины (перемещение, сила, давление и др.) - по 15%, количество, время и состав вещества — по 5%, электрические и магнитные величины — менее 5%.

в 1960 г. было принято решение о создании Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), которой были унифицированы основные конструкции датчиков. В ГСП все контролируемые величины разбиты на пять следующих групп: теплоэнергетические, электроэнергетические, механические величины, химический состав и физические свойства.

Теплоэнергетические величины: температура, давление, перепад давлений, уровень и расход.

Электроэнергетические величины: постоянные и переменные ток и напряжение, мощность (активная и реактивная), коэффициент мощности, частота и сопротивление изоляции.

Механические величины: линейные и угловые перемещения, уголовная скорость, деформация, усилие, вращающие моменты, число изделий, твердость материалов, вибрация, шум и масса.

Химический состав: концентрация, состав, химические свойства.

Физические свойства: влажность электропроводимость, плотность, вязкость, освещенность и др.

Устройства, в которых первично преобразуется измеряемая физическая величина, называют первичными измерительными преобразователями (ПИП). Измерительные преобразователи (ИП) бывают с естественным и унифицированным выходными сигналами.

Естественный выходной сигнал формируется первичными ИП естественным путем и может представлять собой угол поворота, перемещение, усилие, сопротивление, емкость и т.д.

Унифицированный сигнал — это сигнал определенной физической природы, изменяющийся в определенных фиксированных пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона ее измерения. Для получения унифицированных аналоговых сигналов применяют ИП, называемые нормирующими.

Измерительные преобразователи можно классифицировать:

· по виду измеряемой физической величины — различают ИП линейных и угловых перемещений, давления, температуры, концентрации вещества и т.д.;

· по виду используемой энергии — электрические, механические, пневматические и гидравлические;

· по соотношению между входной и выходной величинами:

· преобразование неэлектрической величины в неэлектрическую (рычаги, редукторы, мембраны, пружины и т. д.);

преобразование неэлектрической величины в электрическую (потенциометры, термопары, емкостные и индуктивные ИП и др.);

преобразование одной электрической величины в другую (датчики тока, напряжения, фазочувствительные схемы и усилители);

· по виду выходного сигнала — аналоговые (потенциальные, токовые, частотные, фазовые), дискретные (амплитудно-, время- и числоимпульсные и др.), релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом;

· по характеру преобразования входной величины в выходную — параметрические, генераторные, компенсационные, частотные и фазовые.

Параметрические преобразователи — это преобразователи, в которых изменение входной неэлектрической величины преобразуется в изменение какого — либо электрического параметра выходной цепи (активного сопротивления, индуктивности, емкости). В них для получения сигнала требуется внешний источник энергии.

Генераторные преобразователи — это преобразователи, в которых входная величина преобразуется в ЭДС на выходе (датчики термоЭДС, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, тахометрические и др.). В них формирование сигнала осуществляется за счет энергии самого сигнала.

Компенсационные преобразователи — это преобразователи, в которых входная величина (часто после предварительного преобразования) компенсируется другой величиной, имеющей ту же физическую природу. Для непрерывной компенсации осуществляется отрицательная обратная связь.

Частотные и фазовые преобразователи — это преобразователи, в которых различные физические величины на входе (перемещение, скорость, расход) изменяют частоту переменного тока, частоту следования импульсов или фазу.

ИП можно также классифицировать по конструктивному исполнению, по величине погрешности и по другим признакам.

Наибольшее распространение в системах автоматизации получили параметрические преобразователи неэлектрических величин в электрические. В общем случае такой преобразователь состоит из первичного измерительного преобразователя ПП (чувствительного элемента), преобразующего контролируемую величину х в величину х1, удобную для измерения, и измерительного преобразователя П, в котором величина х1 преобразуется в электрический сигнал у за счет подводимой извне энергии.

Устройство, которое, подвергаясь воздействию измеряемой физической величины, выдает эквивалентный сигнал, являющийся функцией измеряемой величины, называют датчиком. Другими словами, датчик преобразует один вид сигнала-носителя информации в другой, обычно — в электрическую величину (напряжение, ЭДС или ток) или в параметр электрической цепи (частота, фаза).

Нормирующие преобразователи.

В промышленности применяется огромное разнообразие первичных преобразователей физико-химических величин, каждый из которых имеет свой выходной электрический сигнал. Чтобы избежать такого же разнообразия вторичных измерительных и регулирующих приборов, датчики оснащаются нормирующими преобразователями, которые преобразуют различные сигналы первичных преобразователей (термопар, термопреобразователей сопротивления, влажности, давления, веса, рН и проч.) в унифицированные сигналы постоянного тока или напряжения. Происходит нормирование и стандартизация сигналов.

На функциональной схеме (рис.) мы видим, как многоканальный вторичный измерительный прибор, рассчитанный на один тип унифицированного сигнала, работает с датчиками различных физико-химических параметров.

Рис. Схема подключения различных датчиков к многоканальному измерительному прибору.

Если говорить более широко, унифицированные сигналы применяются для связи не только датчиков, но и других устройств промышленной автоматики: регистраторов, регуляторов, контроллеров, исполнительных механизмов и проч. Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011 — 80. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивления источников и приемников этих сигналов.

В заключение отметим, при работе с токовым сигналом 4 — 20 мА легко обнаружить обрыв или связи — ток будет равен нулю, т.е. выходит за возможные пределы. Обрыв в цепи с сигналом 0 — 5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым.