Программируемые регулирующие приборы

Глава 2

 

Программируемые регулирующие приборы

 

 

Успехи в микроэлектронике, появление микропроцессоров революционизировали технику построения систем управления. Микропроцессоры стали входить в состав отдельных средств автоматики и контроля. В настоящее время на рынке автоматизации представлено огромное количество микропроцессорных средств автоматики различной степени сложности – от простейших микропроцессорных приборов контроля и локального управления до многоканальных (до нескольких тысяч входов-выходов) микропроцессорных контроллеров.

Регулирующие приборы ПО «ОВЕН»

Производственное объединение «ОВЕН» (www.owen.ru) является одним из крупнейших в России производителем программируемых микропроцессорных приборов для АСУ ТП. Номенклатура выпускаемых приборов включает:

· Измерители: 2ТРМ0, ТРМ200, УКТ38-Щ4, УКТ38-В, ИТП11, ИДЦ1;

· Регуляторы: ТРМ1, ТРМ201, ТРМ501, ТРМ502, 2ТРМ1, ТРМ202, ТРМ138, ТРМ138В;

· ПИД-регуляторы: ТРМ10, ТРМ101, ТРМ210, ТРМ148, ТРМ12, ТРМ212;

· Контроллеры для вентиляции и ГВС: ТРМ32, ТРМ33, ТРМ133, ТРМ132М, ТРМ133М;

· Программные задатчики: ТРМ151, ТРМ251, МПР51;

· Сигнализаторы и регуляторы уровня жидкости и сыпучих сред: САУ-М2, САУ-М6, САУ-М7Е, САУ-МП, САУ-У, БКК1

Измерители-регуляторы ТРМ1, 2ТРМ1

Измерители-регуляторы ТРМ1, 2ТРМ1 предназначены для измерения и регулирования температуры различных сред [27]. Также они могут использоваться для измерения и регулирования других физических величин, преобразованных в электрический унифицированный сигнал по току (0 … 5 мА, 0 … 20 мА, 4 … 20 мА) или напряжению (0 … 1 В).

Прибор ТРМ1 осуществляет одноканальное регулирование по позиционному или пропорциональному закону. 2ТРМ1 может осуществлять:

Ø независимое регулирование двух измеряемых величин по двухпозиционному или пропорциональному закону;

Ø регулирование одной измеряемой величины по трехпозиционному закону;

Ø регулирование разности температур (или другой физической величины).

Приборы выполнены в настенном (130´105´ 65 мм) или в щитовом исполнении (96 ´ 96 ´ 70 мм или 96 ´ 48 ´ 100 мм) с напряжением питания 220 В (ТРМ1(2)А) или с расширенным диапазоном напряжения питания 85 … 250 В (ТРМ1(2)Б). Внешний вид приборов представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Внешний вид приборов ТРМ1 и 2ТРМ1

 

ТРМ1

К нагрузке

Датчик

Блок обработки данных

8.8.8.8

ВУ

ЛУ

Вход

Рис. 2.2. Функциональная схема прибора ТРМ1

Вычислитель разницы

К нагрузке 2

Датчик 2

ВУ2

ЛУ

Цифровой фильтр

Вход 2

2ТРМ1

К нагрузке 1

Датчик 1

8.8.8.8

ВУ1

ЛУ

Цифовой фильтр

Вход 1

Рис. 2.3. Функциональная схема прибора 2ТРМ1

Функциональные схемы приборов представлены на рис. 2.2 и 2.3.

ТРМ1 имеет один вход для подключения измерительного датчика. 2ТРМ1 содержит два идентичных входа. Вход может быть выполнен в одной из следующих модификаций:

Ø ТС – для подключения термометров сопротивления ТСМ или ТСП;

Ø ТП – для подключения термопар ТХК, ТХА, ТНН, ТЖК;

Ø ТПП – для подключения термопар ТПП;

Ø АТ и АН – для подключения датчиков с унифицированным сигналом тока и напряжения, соответственно.

Блок обработки данных предназначен для предварительной обработки входного сигнала (цифровой фильтрации, коррекции и масштабирования), индикации измеренной величины и формирования сигнала управления выходным устройством. Блок обработки данных включает логическое устройство (ЛУ), которое может работать в одном из трех режимов:

Ø Компаратор (устройство сравнения) – реализуется позиционное регулирование. Для работы ЛУ в этом режиме требуется выходное устройство (ВУ) ключевого типа (реле, оптосимистор, транзисторный ключ).

Ø П-регулятор – реализуется аналоговое П-регулирование.

Ø Измеритель-регистратор. Для реализации П-регулятора и измерителя-регистратора требуется установка в качестве выходного устройства цифро-аналогового преобразователя с выходным сигналом 4 … 20 мА.

Модификация входного и тип выходного устройства определяются при заказе прибора.

Общая схема подключения приборов ТРМ1 и 2ТРМ1 показана на рис. 2.4., а на рис.2.5 и рис.2.6 – соответственно схемы подключения измерительных датчиков и выходных устройств.

 

Рис. 2.4. Общая схема подключения ТРМ1 и 2ТРМ1

 

Программирование прибора осуществляется с помощью кнопок, расположенных на передней панели. Программирование заключается в установке параметров регулирования и режимов работы прибора. Все настроечные параметры сохраняются в энергонезависимой памяти прибора и остаются неизменными при выключении питания.

в)

б)

а)

Рис. 2.5. Схемы подключения к прибору 2ТРМ1А датчиков:

а – термопреобразователи сопротивления ТСМ/ТСП, б – термопары,

в – датчики с выходным сигналом тока или напряжения

 

е)

д)

г)

в)

б)

а)

Рис. 2.6. Схемы подключения выходных устройств прибора 2ТРМ1А:

а – два электромагнитных реле; б – 2 транзисторных оптопары;

в – 2 симисторных оптопаты; г – 2 цифроаналоговых преобразователя 4…20 мА; д – ВУ1: транзисторная оптопара, ВУ2: ЦАП 4…20 мА;

е – ВУ1: симисторная оптопара, ВУ2: ЦАП 4…20 мА

 

Рис. 2.8. Общая схема подключения ТРМ10

в)

б)

а)

Рис. 2.9. Схемы подключения к прибору ТРМ10 датчиков:

а – термопреобразователи сопротивления ТСМ/ТСП, б – термопары,

в – датчики с выходным сигналом тока или напряжения

 

д)

г)

в)

б)

а)

Рис. 2.10. Схемы подключения выходных устройств прибора ТРМ10:

а – ВУ1: электромагнитное реле; б – ВУ1: транзисторная оптопара;

в – ВУ1: симисторная оптопата; г – ВУ1: цифроаналоговых преобразователя 4…20 мА; д – три симисторных оптопары

 

Программирование прибора осуществляется с помощью кнопок, расположенных на передней панели, и заключается в установке параметров регулирования и режимов работы прибора.

 

Рис. 2.11. Функциональная структура ТРМ101

В приборе устанавливаются два выходных устройства в следующих сочетаниях: оба ключевого типа (реле, транзисторная или симисторная оптопара); выход 1 – ключевой; выход 2 – аналоговый (ток 4... 20 мА); оба выхода аналоговые (ток 4... 20 мА).

В регуляторе ТРМ101 установлен модуль двунаправленного интерфейса RS-485, который позволяет осуществлять связь с РС-сов-местимым компьютером. При этом с компьютера можно производить чтение измеряемых величин, изменение режимов регулирования, запуск/останов процесса регулирования.

Совместно с прибором поставляется OPC-сервер, позволяющий связать прибор с наиболее популярными SCADA-системами, поддерживающими технологию OPC.

Микропроцессорный регулятор ТРМ101 выполнен в щитовом исполнении и имеет габаритные размеры 48 ´ 48 ´ 102 мм.

 

Рис. 2.12. Функциональная структура ТРМ201

 

ТРМ201 имеет один вход для подключения измерительного датчика. ТРМ202 содержит два входа, при этом возможно подключение датчиков различных типов.

Блок обработки данных предназначен для предварительной обработки входного сигнала (масштабирования, цифровой фильтрации, вычислении квадратного корня (при необходимости), коррекции), индикации измеренной величины и формирования сигнала управления выходным устройством. Блок обработки данных включает логическое устройство (ЛУ), которое может работать в одном из трех режимов:

Ø Двухпозиционный регулятор. Для работы ЛУ в этом режиме требуется выходное устройство (ВУ) ключевого типа (реле, оптосимистор, транзисторный ключ).

Ø П-регулятор – реализуется аналоговое П-регулирование.

Ø Измеритель-регистратор.

Для реализации П-регулятора и измерителя-регистратора требуется установка в качестве выходного устройства цифро-аналогового преобразователя с выходным сигналом 4 … 20 мА.

Тип выходного устройства определяются при заказе прибора.

Общая схема подключения приборов ТРМ201 и ТРМ202 показана на рис. 2.14.

 

Рис. 2.14. Общая схема подключения ТРМ201 и ТРМ202

 

Схема подключения выходных устройств приборов ТРМ201 и ТРМ 202 полностью аналогична схеме подключения ТРМ1 и 2ТРМ1 (рис.2.6).

 

Рис. 2.15. Организация канала регулирования в приборе ТРМ151

Существует множество технологических процессов, в которых требуется не постоянное поддержание величины регулируемого параметра, а изменение этой величины по заранее определенному закону. Приборы с такими функциями часто называют программными задатчиками. ТРМ151 так же относится к классу программных задатчиков. При этом закон или последовательность изменения регулируемых прибором параметров системы в данном приборе названа программой технолога.

Программа технолога состоит из набора конечного числа этапов - шагов программы. На каждом шаге пользователем задается уставка, длительность шага и условия перехода на следующий шаг: по времени, по достижении определенного значения - измеренного или вычисленного, а также по комбинации времени и достижения значения.

Всего в ТРМ151 для одного объекта регулирования можно задать до 12 независимых программ технолога по 10 шагов. При этом каждая из 12 программ может исполняться как вложенная подпрограмма на одном из шагов другой программы. Такая гибкая система перехода между программами позволяет описать технологический процесс, практически, любой сложности

ТРМ151 имеет два универсальных входа, к которым можно подключать датчики (в том числе разного типа):

· термопреобразователи сопротивления типа ТСМ/ТСП;

· термопары TХК(L), ТХА(К), ТЖК(J), ТНН(N), ТПП(R), ТПП(S), ТПР(В), TВР(А-1,2,3);

· датчики с унифицированным выходным сигналом тока 0(4)...20 мА или напряжения 0...1 В.

Кроме того, ТРМ151 может снимать показания с 8-ми датчиков, подключенных к внешним модулям измерения МВА8 компании ОВЕН, по сети RS-485.

В приборе в зависимости от заказа могут быть установлены два выходных элемента в любых сочетаниях:

· реле 4 А 220 В;

· транзисторные оптопары n–p–n-типа 200 мА 40 В;

· симисторные оптопары 50 мА 300 В;

· цифроаналоговый преобразователь «параметр–ток 4...20 мА».

Кроме того, ТРМ151 может использовать 8 выходных элементов внешних модулей вывода ОВЕН МВУ8 по сети RS-485.

Общая схема подключения датчиков и выходных устройств полностью идентична прибору ТРМ202 (рис.2.13).

ТРМ151 может осуществлять регулирование различных измеренных или вычисленных величин. По измеренным сигналам ТРМ151 может осуществлять вычисление:

· относительной влажности (психрометрический метод);

· квадратного корня из измеренной величины;

· разности измеренных величин;

· среднего арифметического измеренных величин;

· минимальной и максимальной среди измеренных величин;

· суммы и частного измеренных величин.

Для регулирования в ТРМ151 предусмотрено восемь программных модулей - регуляторов, каждый из которых может работать по двухпозиционному или по ПИД-закону регулирования. Одновременно в ТРМ151 могут работать два регулятора.

ТРМ151 имеет важную особенность, выгодно отличающую его от других приборов, - это возможность на разных шагах программы подключать разные регуляторы к одному и тому же выходному устройству. Такая особенность прибора позволяет решать множество задач, которые ранее были трудно реализуемыми. В качестве примера можно привести процесс обжига керамики.

Технологический процесс обжига керамики требует точного регулирования в широком диапазоне температур. При этом на первом этапе поддерживается температура близкая к комнатной, а на последующих этапах - равная нескольким сотням градусов. Нагрев осуществляется одним нагревательным элементом. На разных температурах и при большом разбросе мощности исполнительного механизма коэффициенты ПИД-регулятора будут разными, поэтому добиться точной настройки одного ПИД-регулятора для работы в широком диапазоне температур практически невозможно. В этом случае спасает возможность переключаться с регулятора на регулятор на разных шагах технологического цикла. Достаточно организовать несколько, например три, различных регулятора с различными коэффициентами настройки ПИД-алгоритма для разных уставок и присоединить всех их к одному исполнительному механизму (рис.2.16).

Рис. 2.16. Пример использования прибора ТРМ151

 

ТРМ151 имеет встроенный интерфейс RS-485, обмен данными ведется по стандартному сетевому протоколу ОВЕН. Наличие интерфейса RS-485 позволяет подключить прибор к компьютеру для регистрации измеряемых величин или к SCADA-системам. Помимо этого, посредством RS-485 ТРМ151 может обмениваться данными с внешними модулями ввода-вывода МВА8 и МВУ8.

Для конфигурирования ТРМ151 и модулей ОВЕН МВА8 и МВУ8 созданы специальные бесплатные программы - конфигураторы. Они облегчают этап настройки приборов и позволяют получить быстрый доступ к любому параметру прибора. Все конфигураторы имеют удобный пользовательский интерфейс и систему подсказок. Для работы с конфигуратором необходимо установить программу на компьютере и подключить к нему прибор или через сеть RS-485 или с помощью преобразователя интерфейсов ОВЕН АС3.

 

Рис. 2.18. Функциональная структура регулятора МЕТАКОН-5х2

 

В каждом канале регулятора осуществляется:

· Цифровая фильтрация входных сигналов.

· Масштабирование линейных сигналов и отображение результата измерения на цифровом дисплее в единицах физических величин.

· Двухпозиционное регулирование по двум уровням или трехпозиционное регулирование.

· Гальваническая развязка входного и выходного сигналов.

· Контроль обрыва входных линий и аварийных ситуаций.

Логика работы компараторов, используемых в регуляторе МЕТАКОН-5х2, описывается различными функциями (рис. 2.19). Функции, зоны возврата и уставки всех компараторов задаются программным путем, и могут быть различными для разных каналов регулятора.

В зависимости от заказа в регуляторе МЕТАКОН-5х2 в качестве выходного устройства могут использоваться транзисторы с открытым коллектором (коммутируемое напряжение до 24В, ток до 150 мА) или электромеханическое реле (постоянное/переменное напряжение 110В/250В, активная/индуктивная нагрузка 5А/2А).

 

Рис. 2.19. Функции компараторов регулятора МЕТАКОН-5х2

 

Рис. 2.20. Функциональная структура регулятора МЕТАКОН-5х3/5x4

 

Регулятор обрабатывает сигнал рассогласования , где - входной сигнал, - уставка регулятора. Сигнал управления формируется путем ограничения выходного сигнала ПИД-алгоритма (рис. 2.21). Выходной сигнал ПИД-алгоритма определяется выражением:

,

где - зона пропорциональности, - постоянная времени интегрирования, - постоянная времени дифференцирования.

Рис. 2.21. Формирование сигнала управления E регулятора МЕТАКОН-5х3

Сигнал управления ограничен пределами , , которые задаются при конфигурировании регулятора.

Ограниченный сигнал управления поступает на широтно-импульсные модуляторы: положительные значения преобразуются модулятором ШИМ ∆, отрицательные - модулятором ШИМ .

Модуляторы преобразуют сигнал управления в последовательность импульсов с периодом . Длительность импульсов (интервал времени, в течение которого замкнуты контакты соответствующего реле) пропорциональна величине сигнала управления (рис.2.22). Период последовательности устанавливается при конфигурировании регулятора.

 

Рис. 2.22. Формирование выходного сигнала регулятора

МЕТАКОН-5х3

 

ВЫХОД ∆ предназначен для управления исполнительным устройством, функционирование которого приводит к увеличению регулируемой величины (например, управление нагревателем), а ВЫХОД - к уменьшению регулируемой величины (например, управление охладителем).

Компараторы Н и Lпредназначены для аварийной сигнализации выхода измеряемого технологического параметра за допустимые пределы.

В процессе работы прибор обнаруживает и выдает сообщения о аварийных ситуациях, связанных с нарушением работы прибора. Такими ситуациями являются:

· выход измеренных значений за пределы диапазонов измерения прибора;

· обрыв проводов подключения термопреобразователя;

· нарушение параметров, хранимых в энергонезависимой памяти (обнаруживается при включении питания);

· аппаратная неисправность прибора, выявленная в процессе самодиагностики.

В случае аварийной ситуации в приборе включается выходное реле АВАРИЯ (контакты реле замыкаются), а аварийный канал переходит в режим АВАРИЯ.

Для ограничения возможности изменения параметров прибора в нем предусмотрен режим защиты от несанкционированного доступа (пароль). Пароль представляет собой любое число от 1 до 255. Пароль устанавливается пользователем в режиме конфигурирования прибора.

Глава 2

 

Программируемые регулирующие приборы

 

 

Успехи в микроэлектронике, появление микропроцессоров революционизировали технику построения систем управления. Микропроцессоры стали входить в состав отдельных средств автоматики и контроля. В настоящее время на рынке автоматизации представлено огромное количество микропроцессорных средств автоматики различной степени сложности – от простейших микропроцессорных приборов контроля и локального управления до многоканальных (до нескольких тысяч входов-выходов) микропроцессорных контроллеров.