Аппаратная реализация систем управления

Средства измерения технологических параметров

Во всем сообществе электронных средств промышленной автоматизации в последнее время появилась ниша приборов с цифровым способом передачи данных, то есть на смену господствовавшему в течение почти 25 лет стандарту 0...20 мА (4...20 мА и др.) приходит двоичный способ представления информации в системах управления и регулирования. Преимущества данного способа: повышенная точность передачи данных, возможность обнаружения и устранения ошибок при передаче, возможность использования одной линии связи для работы нескольких устройств, а также использование одной линии для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов (например, HART-протокол) и т.д.

С развитием технических средств автоматизации менялись методы измерения и идеология построения самих систем измерения и управления.

Далее рассматривается аппаратная реализация первого (нижнего) уровня современной АСУТП, объединяющего информационные системы сбора и первичной обработки информации.

В настоящее время применяют т.н. «интеллектуальные датчики». Этот термин означает, что устройство имеет встроенный микропроцессор, который позволяет осуществлять определенные функции. Интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. Так, основная погрешность приборов серии «Метран-45» составляет 0,25 % от шкалы, а основная погрешность интеллектуального датчика серии 3051 Coplanur (фирма Fisher-Rosemount Inc.) - 0,075 %. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход, температуру и давление в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка.

Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи и аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой - для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем.

Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами.

Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов.

При выборе технических средств нужно руководствоваться, прежде всего, спецификой процесса. Если нет необходимости использования сложных алгоритмов управления, не требуется высокой точности, если объект не является рассредоточенным и не требует большого числа приборов, то здесь можно эффективно использовать пневматические средства. Данные устройства имеют некоторые преимущества перед электрическими: они пригодны для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных зонах, вся автоматика защиты (отсечные клапаны) смонтированы на пневмосредствах, просты в эксплуатации, не требуют особой подготовки персонала, кроме того, требуют меньших материальных затрат на приобретение.

Для объектов с сосредоточенными параметрами (например, установка на НПЗ) более подойдут аналоговые средства, которые обладают рядом преимуществ. В частности, использование стандартных уровней сигналов не ставит проблемы сопряжения устройств, скорость передачи подходит для использования в системах реального времени, высокая точность (до 0,05 %) и возможность применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в большом количестве недешевых соединительных проводов, ограничения на дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят неудобства при применении.

Класс цифровых устройств, кроме перечисленных выше задач, позволяет решать задачи управления сильно распределенных объектов (например, НГДУ) и благодаря применению пары проводов для подключения нескольких приборов значительно уменьшает затраты на монтаж системы. Особенности применения цифровой передачи, из-за отсутствия единого стандарта, связаны с использованием различных протоколов связи.

Устройства связи с объектом

Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее применение в системах управления, используют цифровое представление обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующей цифровые устройства (промышленные компьютеры, вычислительные сети и т.д.). Для представления места УСО в процессе автоматизации производства подобные системы можно теоретически изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3).

 

Рисунок 3.3

 

Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками, исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной или цифровой.

Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др.

Данная схема является условной, поскольку в реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером служат датчики, которые осуществляют двойное (тройное и т.д.) преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISA-слот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код.

В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта (независимо от того, сколько раз они были преобразованы внутри него), преобразования его в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер), а также для приема цифровых управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий исполнительным механизмам объекта.

Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый корпус и оснащены соответственно либо выводами для крепления на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей.

На УСО возлагают следующие функции:

1) Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА.

2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности.

3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.

Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода, микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных.

Простейшим устройством гальванической развязки является электромагнитное реле. Реле, как правило, инерционны, имеют относительно большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при достаточно большом потреблении энергии. Развитие электроники привело к распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку между цепями. УСО, построенные с использованием такой развязки, являются недорогими, высоконадежными и быстродействующими. Кроме того, они характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью.

По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые дискретные и цифровые.

Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции. Кроме того, желательными являются работа с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов, термопар и т.д.), возможности быстрой замены и низкая стоимость.

Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряжения, тока и т.д., а выходные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые. Кроме того, они должны обладать минимальным временем переключения, а выходные - обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными процессами, в коммутируемую цепь.

Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой формой информации. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаимодействия. Например, повторители, служащие для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485.

По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на 3 типа:

1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для управления;

2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов для исполнительных механизмов;

3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов.

Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного исполнения, то здесь можно выделить следующую классификационную структуру:

1 Устройства преобразования типа «а/д сигнал «ЦИ», т.е. преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и наоборот. Внутри этого типа можно выделить классы:

1.1 Модули аналогового/дискретного ввода/вывода, выполненные в одном конструктиве (см. рисунок 3.4,а). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech.

1.2 Устройства типа «а/д «модуль «м.п. «ЦИ» (м.п. - монтажная плата) (см. рисунок 3.4,б). Пример: модули фирм Grayhill, Analog Devices.

1.3 Устройства типа «а/д «модуль «м.п. «контроллер «ЦИ» (см. рисунок 3.4,в). Пример: контроллеры Grayhill.

2 Вспомогательные устройства:

2.1 Устройства типа «ЦИ «ЦИ», служащие для преобразования интерфейсов либо для организации новых сегментов измерительной сети (коммуникационные модули) (см. рис. 3.4, г). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech.

2.2 Модули нормализации и гальванической развязки («а/д «модуль «а/д»). Пример: серия ADAM-3000 фирмы Advantech.

3 Платы для ввода/вывода данных в PC:

3.1 Формирователь интерфейсов («ЦИ «плата «РС»).

3.2 Платы АЦП/ЦАП («а/д «плата «РС»).

 

Рисунок 3.4

 

Некоторые УСО используют монтажные платы для установки модулей ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены АЦП/ЦАП-преобразователи и формирователи ЦИ.

Устройства первого вида являются основными УСО, используемыми в автоматизации и поэтому широко представленными производителями. Эти устройства предназначены для реализации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

Модули обеспечивают выполнение следующих функций:

· прием и дешифрацию команд по цифровому каналу;

· ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток и напряжение);

· опрос состояния дискретных входов;

· фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов;

· вывод аналоговых (ток и напряжение) и дискретных сигналов;

· аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода) преобразование;

· цифро-аналоговое (для модулей аналогового вывода) преобразование;

· преобразование шкалы значений непрерывных параметров в предварительно заданные единицы измерения;

· формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результат измерения или состояние дискретных входов, после получения соответствующего запросу по цифровому каналу.

Настройка и калибровка многих модулей осуществляется программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд по информационной сети.

Примером таких модулей, выполненных в виде единого отдельного устройства, являются модули серии ADAM-4000, производимые фирмой Advantech.

Модули позволяют создавать на технологическом участке измерительную сеть, основанную на интерфейсе RS-485 и состоящую из нескольких сегментов.

Взаимодействие между основной вычислительной системой (контроллером сети, КС) и модулями, объединенными в сеть, осуществляется путем передачи в адрес каждого модуля запроса, содержащего префикс типа команды, символьное представление сетевого адреса запрашиваемого модуля, число, соответствующее подтипу команды, и символ возврата каретки. Для программного обеспечения КС выдача запроса означает выдачу строки символов в последовательный порт. При получения команды встроенное программное обеспечение модуля производит проверку его корректности и идентификацию, после чего посылает в адрес КС запрашиваемую информацию в виде строки символов.

Представителем 2-го класса этого типа УСО, т.е. УСО, представляющих собой набор модулей, устанавливаемых на монтажную плату, являются модули и платы фирм Analog Devices (серии 5В, 6В, 7В), Grayhill (серии 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 и др. Особенностью этих модулей аналогового/дискретного ввода является то, что они сами по себе не обеспечивают цифрового интерфейса. Выходы этих модулей, как правило, частотные. При этом частота выходного сигнала линейно зависит от значения входного сигнала и меняется в определенном диапазоне (14,4 кГц...72 кГц). Таким образом, чтобы получить цифровое значение входного сигнала, нужно измерить частоту с выхода модуля либо через дискретный порт ввода/вывода либо программным способом, либо используя специализированные монтажные платы, преобразующие частоту в код. Стоимость такой платы ниже, чем для традиционной платы АЦП, поскольку она работает с частотным, т.е. дискретным сигналом, а значит, не содержит дорогих аналоговых цепей.

Дополнительным достоинством устройств развязки данного класса является возможность установки на монтажную панель как аналоговых, так и дискретных модулей ввода/вывода, так как они совместимы по выводам.

Входным сигналом для модулей вывода является управляющее слово в двоичном последовательном коде, которое проходит через опторазвязку и далее через буфер подается на ЦАП. Функцию посылки этого слова принимает на себя монтажная плата.

К 3-му классу рассматриваемого типа УСО можно отнести микроконтроллеры фирмы Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MicroDAC LT, MicroLon, DeviceNet-DACNet и система OpenLine). Данные микроконтроллеры используют те же модули аналогового/дискретного ввода/вывода и монтажные платы, что и описанные выше. Отличительной чертой микроконтроллеров является то, что их семейства могут быть объединены в сеть и обеспечивать гибкие и недорогие решения при применении РС для управления и сбора данных. Кроме того, непосредственное расположение микроконтроллеров рядом с датчиками и исполнительными механизмами сокращает длину линий и увеличивает помехоустойчивость сети.

Они подключаются по интерфейсу RS-422/485 к сетевому серверу, в качестве которого используется промышленный РС или обычный офисный.

Коммуникационные модули предназначены для создания информационно-измерительных сетей, для увеличения протяженности линии связи или организации очередного сегмента сети (повторители).

Кроме того, к этому типу можно отнести преобразователи интерфейсов RS‑232/RS‑485 и др. Они необходимы для обеспечения связи, например, между измерительной сетью предприятия, построенной на RS-485, и интеллектуальными датчиками, которые, как правило, используют интерфейс RS-232, или радиомодемами.

Примером подобных систем являются коммуникационные модули серии ADAM‑4000 фирмы Advantech:

ADAM-4510 - повторитель RS-485/RS-485,

ADAM-4520 - преобразователь RS-232/RS-422/RS-485,

ADAM-4521 - преобразователь RS-232//RS-485,

ADAM-4550 - радиомодем с преобразованием RS-485/RS-232.

Платы для ввода/вывода данных в РС работают с информацией, которая приходит либо через интерфейсы RS и др. (в случае с платами формирования интерфейсов), либо вводится в РС непосредственно в аналоговом/дискретном виде через платы АЦП. Данные платы устанавливаются непосредственно в слоты ISA (реже IPC) промышленного или обычного офисного РС.

Платы АЦП/ЦАП используются непосредственно для ввода измеряемой величины в компьютер и/или для вывода управляющих сигналов. Данные платы, как правило, имеют дополнительно несколько каналов цифрового ввода/вывода.

При выборе модулей УСО желательна ориентация на тот интерфейс, на основе которого построена измерительная сеть предприятия, так как в противном случае могут потребоваться модули преобразования интерфейсов. На выбор используемого интерфейса влияет топология сети и протяженность линий связи. Для разветвленных сетей и сетей с протяженными линиями (до 1200 м и более) наиболее подходящим является интерфейс RS-485. Количество устройств, подсоединенных к такой сети, ограничено 255.

Выбор интерфейса RS-422 в большинстве случаев нецелесообразен, так как он не имеет широкого распространения. Для небольших локальных сетей с количеством устройств порядка нескольких единиц может быть использован RS-232. Его преимуществом является то, что он встроен во все промышленные и офисные РС и не требует дополнительных устройств. Недостаток - малая протяженность линий связи.

Протяженные сигнальные линии от датчиков и исполнительных устройств к центральному контроллеру часто приводят к проблемам, связанными с недостаточной помехоустойчивостью и поиском неисправностей.

Модули ввода/вывода серии ADAM-4000 фирмы Advantech наиболее целесообразно применять в распределенных системах сбора данных и прикладной области, для которых характерна невысокая скорость измерения параметров технологического процесса, подлежащих контролю. Функции локального, независимого от контроллера сети, управления представлены ограниченно и часто не удовлетворяют требованиям, выдвигаемым при постановке задачи комплексной автоматизации предприятия.