Пьявченко Т.А., Финаев В.И. Автоматизированные информационно-управляющие системы

Подождите немного. Документ загружается.

121

- 4080D – модуль, предназначенный для измерения частоты или

используемый в качестве счетчика импульсов;

- 4013 – модуль ввода сигналов от термосопротивлений

(платиновых и никелевых). Диапазон входящих сигналов ± 15 мВ, ± 50

мВ, ± 100 мВ, ± 150 мВ, 1 или 2,5В, I = ± 20 мА. Диапазон измерения tº

С:

- для платиновых: ± 100ºС, 0 ÷ 100ºС, 0 ÷ 200ºС, 0 ÷ 600ºС;

- для никелевых: 0 - 100ºС, -80 + 100ºС?

время преобразования в АЦП равно

100 мс (без учета времени

командного опроса и выдачи информации). Погрешность модуля

4013

0,05%;

- 4021 – модуль вывода аналоговых сигналов;

- 4060 – модуль релейного выхода, коммутирующий сигналы до 40

В;

- 4050 – модуль дискретного ввода/вывода. Подсистема ввода:

количество каналов ввода – 7, логический 0 не более 1 В, логическая 1

- от 3,5 до 30 В, вытекающий ток не более 1 мА. Подсистема

вывода:

количество каналов 8, коммутируемое напряжение U до 30 В; Р=0,4

Вт;

- 4014D – модуль ввода аналоговых сигналов в виде напря-жения

мВ, В и тока в мА;

- 4011 – модуль ввода сигналов от термопар (мВ и В до 2,5В и мА

до 20мА); имеется 14 режимов, отличающихся типом и диапазоном

входного сигнала.

2.3. Модуль аналогового ввода ADAM-4011

Существенно сократить номенклатуру КТС подсистемы сбора и

первичной обработки информации (см. рис. 25) можно, использовав,

например, модуль аналогового ввода ADAM-4011. Этот модуль может

быть дистанционно настроен на один из 14 режимов ввода, которым

соответствуют различные типы и диапазоны входного сигнала

(сигналы термопар различных типов, ток в мА, напряжение в мВ или в

В),

имеет компенсацию ЭДС холодного спая.

АЦП этого модуля, построенное с использованием сигма-дельта

преобразования, имеет 16 разрядов, управляется микропроцессором

(МП), который преобразует цифровые отсчеты АЦП в значения

следующих форматов: инженерные единицы, проценты полной шкалы,

122

дополнительный код или Омы. После получения запроса на передачу

данных от ведущего узла сети на базе RS-485 МП передает отсчет в

требуемом формате в адрес ведущего узла сети.

Как видно из рис. 27, модуль аналогового ввода

ADAM-4011

содержит все элементы рассмотренной выше подсистемы, но обладает

ольшими возможностями и лучшей точностью. Он имеет

программную настройку для работы с термопарами, с малыми

напряжениями и токами. К тому же, у него есть 2 цифровых выхода

(аварии по верхней и нижней границам измеряемого сигнала) и 1

цифровой вход для подсчета счетчиком событий до 65535 изменений

логического состояния канала дискретного ввода.

МП

БП

мВ

мА

MUX

ФНЧ АЦП

разрядов

опто

изоляция

+5В GND

ПЗУ

RS- 485

COMM

2 дискр

канала

1 дискр

канал

АВАРИ

Счетчик

событий

Рис. 27

2.4. Выбор модулей подсистемы сбора и первичной

обработки аналоговых сигналов

Исходными данными к выбору комплекса технических средств

подсистемы сбора и первичной обработки информации (ПСОИ)

являются требования, сформулированные в техническом задании на

разработку АСУТП.

Различают требования:

- по техническим характеристикам, среди которых можно выделить

требования к точности и быстродействию применяемых устройств;

- по эксплуатационным характеристикам, главным из которых

является требование по надежности;

по технико-экономическим характеристикам, обуславливающим

требования по стоимости.

123

На основании анализа схемы компоновки технических средств

ПСОИ (см. рис. 25) можно представить цепочку аппаратных средств i-

го канала измерения в виде рис.28.

Рис. 28

Выбор каждого из устройств определяется перечисленными выше

требованиями. Заданную в ТЗ

тз

±Δy

- точность измерения и

представления технологической переменной

распределяют между

аппаратными средствами представленной на рис. 27 цепочки блоков по

значимости вносимой каждым блоком погрешности. Погрешности

измерения и преобразования информации указанной цепочки являются

случайными величинами, подчиняющимися определенным законам

распределения. Для оценки погрешности на входе микроконтроллера

МК

вхi

, можно воспользоваться следующим выражением,

записанным для цепочки аппаратных средств i-го канала измерения по

рис. 27:

22 2 222

вхi нормi усi фi АЦПi

датч

σ = σ +σ + σ + σ + σ

. (43)

В выражении (43) предполагается, что погрешности отдельных

аппаратных блоков не зависят друг от друга, а их величины

определяются классом точности каждого аппаратного средства.

Наиболее ответственными блоками с точки зрения вносимых

погрешностей будут датчик и аналого-цифровой преобразователь,

поскольку выбор нормализатора, усилителя и фильтра достаточно

высокоточными существенно не повлияет на общую стоимость

аппаратных средств, но позволит пренебречь их влиянием на точность

канала измерения.

Нормализаторы представляют собой резисторы, включаемые как

потенциометры. Их погрешность будет тем меньше, чем выше класс

точности, и в сравнении с другими погрешностями ею можно

пренебречь.

В качестве усилителей обычно используют прецизионные

операционные усилители с коррекцией дрейфа нуля и с полосой

пропускания до 50 Гц. Требуемый коэффициент усиления зависит от

124

уровня сигнала на входе усилителя и от расстояния, на которое

передается сигнал.

Для фильтрации помех промышленной частоты используются одно-

или двухзвенные RC-фильтры (интегрирующие цепочки) [56]. Полоса

пропускания f

пр

такого фильтра зависит от времени опроса датчика

опрi

пр

=0,2/Т

опрi

Поскольку частоты полезных сигналов в АСУТП находятся в

пределах 1 Гц, то, выбрав высокоточные элементы в этих фильтрах,

можно также пренебречь их аппаратными погрешностями.

Следовательно, погрешность на входе МК

22 2

вхi АЦПi

датч

σ = σ +σ

. (44)

Для выбора датчика и АЦП необходимо задать коэффициенты

χ (0

– 0,6) – долю общей погрешности, приходящейся на датчик, т.е.

датч

тз

σ = χ×σ

(45)

ρ (0 – 0,5) – долю погрешности датчика, приходящейся на АЦП, т.е.

АЦП

датч

σ = ρ×σ

(46)

так, чтобы произведение ρχ располагалось в диапазоне:

0 < ρχ ≤ 0,4. (47)

При этом остальная величина допустимой погрешности измерений

в i-м канале должна быть отдана ошибкам вычисления в

микроконтроллере по алгоритмам первичной обработки информации.

Из выражения (47) следует, что, задаваясь значениями коэффициентов

ρ и χ, можно выбрать датчик и определить разрядность АЦП. В

частности, чем меньше будет

χ, тем точнее, но и дороже, будет датчик,

а чем меньше будет

ρ, тем с большей разрядной сеткой потребуется

АЦП. К примеру, задавая

χ=0,6, т.е. выбирая недорогой, но грубый

датчик, из выражения (46) при

ρχ=0,12 получим ρ=0,2. Следовательно,

чтобы обеспечить высокую точность при плохом датчике, необходимо

увеличивать разрядную сетку АЦП и, конечно, вычислителя.

Улучшения точности в этом случае добиваются применением

программ усреднения или сглаживания, позволяющих ослабить

низкочастотный шум в

η (2-10) раз.

2.4.1. Выбор датчика. Исходные данные:

- условия эксплуатации,

- диапазон изменения технологической переменной

125

- абсолютная величина допустимой точности измерения:

≤

доп

дат тз

y χ

либо допустимая относительная погрешность в %:

≤

доп

дат утз

δχδ;

- допустимая инерционность

≤

мин

доп

дат оу

T0,1Т , где

мин

оу

Т -

минимальная постоянная времени в передаточной функции объекта

управления,

оп

ат

T - допустимая величина постоянной времени датчика.

Обычно датчики выбирают в два этапа. На первом - по условиям

эксплуатации определяется тип датчика, к примеру, термопара или

термосопротивление. На втором - из справочника находят типоразмер

датчика и все его характеристики, а именно:

- физическая величина, измеряемая чувствительным элементом

датчика,;

- диапазон измерения по паспортным данным

дат

псп

D , причем

диапазон изменения технологической переменной должен находиться

в интервале

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

псп

дат

D= - D

;

- погрешность измерения

≤

псп доп

ат дат

или ≤

псп доп

ат дат

δδ;

- инерционность датчика

≤

псп доп

ат дат

TT, где

псп

ат

T - постоянная

времени датчика, равная

гот

ат

0, 3t ,

гот

ат

t - время готовности датчика

выдать первое измерение, определяемое по его паспортным данным;

- крутизна статической характеристики

вых вх

ат дат дат

y=К

. Из серии

однотипных датчиков подбирают тот, у которого крутизна

ДАТ

наибольшая;

- выходной сигнал датчика с указанием его диапазона, к примеру,

токовый в диапазоне 0 – 5 мА, (0 – 20 мА) или напряжение в диапазоне

0 – 10 В.

Если выход датчика имеет другую физическую природу, например,

изменение сопротивления или частотный, то после датчика следует

ставить преобразователь (см. рис. 25), обеспечивающий

унифицированный сигнал: токовый или напряжение.

Пример 1. Выбрать датчик измерения температуры воздуха в

производственном помещении, изменяющейся в пределах (10 – 35

С),

точность измерений не ниже ±0,5

С, выходной сигнал должен быть

126

унифицированным (ток в диапазоне 0 – 5 мА или напряжение 0 –

10 В), постоянная времени объекта управления – порядка 3000 с.

Решение.

1. Выразим требуемую точность в заданном диапазоне изменения

температур в относительных единицах или в %:

yтз

±0,5 C

δ ==±0,02 или 2%

25 C

2. Зададимся коэффициентом

χ, равным 0,6. При этом потребуется

датчик, обеспечивающий точность измерения

доп

дат

δ =1,2% .

3. По условиям эксплуатации выбираем тип чувствительного

элемента – термосопротивление (ТС).

4. Выписываем из справочника параметры ТС с подходящими

данными, как это показано в табл. 5.

Таблица 5

Типоразмер

ТС

Диапазон

измерения

Инерционность

гот

ат

Погрешность

псп

ат

ТСМ-8012 (0 – 50)

С 240 с ±0,1%

ТСП-085 (0 – 100)

С 9 с ±0,1%

ТСП-763 (0 – 100)

С 240 с ±0,1%

Примечание: в типоразмере ТС буква М соответствует медному,

П - платиновому термосопротивлениям.

Поскольку постоянная времени объекта управления значительная

по величине, то инерционностью любого из указанных в таблице

чувствительных элементов можно пренебречь. Следовательно,

основываясь на критерии меньшей стоимости при одинаковой

точности, выбираем термосопротивление ТСМ-8012. Для

обеспечения токового выхода используем преобразователь в виде

компенсационного

моста КСМ4, обеспечивающего точность 0,25%.

При этом погрешность датчика составит:

псп 2псп 2псп доп

дат тсм ксм дат

δ = δ + δ = 0,01 + 0,0625 = ±0,933% < δ ,

что даст следующее значение абсолютной погрешности процесса

измерения

псп

yдат

псп псп o

дат дат

50 C

Δy=δ = ±0,933× = ±0.466 C.

100 100

127

В результате выбора датчика из его паспортных данных становятся

известными диапазон измерения

псп

ат

и точность

псп псп

ат дат

; δ . Эти

значения наряду с выбранной величиной коэффициента

ρ позволяют

определить длину разрядной сетки АЦП.

2.4.2. Выбор АЦП. Исходные данные: диапазон измерения

псп

yдат

D ;

точность датчика

псп псп

ат дат

; δ ; величина коэффициента ρ: 0<ρ≤0,5.

АЦП характеризуется разрядностью, быстродействием и

помехозащищенностью. Длина разрядной сетки АЦП

АЦП

N рассчитывается в соответствии с выражением:

⎧

⎫

⎛⎞

⎪

⎜⎟

⎨

⎬

⎜⎟

⎪

⎝⎠

⎩⎭

АЦП

псп

удат

псп

дат

N=Elo

+1 ,

2×ρ× Δу

(47)

в котором операция

Е{…} означает округление результата до

ближайшего целого в большую сторону, а коэффициент

появляется из-за разницы в вычислении дисперсий погрешностей

датчика и АЦП. Так как погрешность датчика подчиняется

нормальному закону распределения, а погрешность АЦП –

равномерному, то дисперсии соответствующих погрешностей будут

равны:

(

)

()

АЦП

псп

дат

Δу

σ =, σ =

912

Следовательно, учитывая, что

АЦП

222

ат

σρσ, величину младшего

разряда АЦП можно определить как

АЦП

псп

ат

Δy= ρΔy

(48)

Нужно заметить, что если расчеты погрешностей ведутся в

относительных единицах или в процентах, то в качестве диапазона

измерения

псп

ат

в формуле (47) следует брать либо 1, либо 100%.

Пример 2. Определить разрядность АЦП для преобразования

аналогового сигнала измерения температуры в код с помощью

выбранного в

примере 1 датчика температуры при ρ, равном 0,1.

Решение.

128

На основании выражения (47) и данных примера 1 получаем:

⎧⎫⎧⎫

⎛⎞⎛⎞

⎪⎪⎪⎪

⎜⎟⎜⎟

⎨⎬⎨⎬

⎜⎟⎜⎟

⎪⎪⎪⎪

⎝⎠⎝⎠

⎩⎭⎩⎭

АЦП

50 C 3 100% 3

N=Elog +1=Elog +1=10

2× 0,1×0,466 C 2× 0,1×0,933%

При этом, как следует из (48), величина младшего разряда АЦП

составит 0.054

С, а среднеквадратическое значение погрешности на

входе вычислителя с учетом (44)

АЦП

датч

вх

датч АЦП

Δy

0.494 C

912

σ = σ + σ

Пример 3. Оценить погрешность на входе МП в относительных

единицах при измерении температуры термосопротивлением ТСМ-

8012 (см. пример 1), имеющим по паспортным данным относительную

погрешность

δ=0,1%. В качестве преобразователя применить

компенсационный мост КСМ4 с погрешностью

δ=0,25%. Для

преобразования унифицированного сигнала в код использовать 16-

разрядный АЦП. Определить значения коэффициентов

χ и ρ.

Решение.

1. Определим относительную погрешность АЦП, принимая

максимально возможную измеряемую величину за 100%

АЦП

100%

δ = = 0,0015%

2-1

2. Учитывая то, что погрешности термосопротивления и

компенсационного моста подчиняются нормальному закону

распределения, а погрешность АЦП – равномерному закону, вычислим

среднеквадратичное значение погрешности на входе МП как

АЦП

тс кпм

вх

δδ

σ = + + = 0,0836%

9912

3. При этом коэффициенты

χ и ρ соответственно равны:

датч датч

тз тз

σδ

0.933%

= = = = 0.47

σδ 2%

АЦП

дат

9δ

ρ = 0,0014

12δ

Представленные в примерах расчеты показывают, как оценивать

погрешности в абсолютных и относительных единицах. При этом в

формулу (44) необходимо ввести коэффициент пересчета

129

АЦП

псп

дат

прс

2-1

, (49)

величина которого будет зависеть от разрядности АЦП и от того, в

каких единицах проведены расчеты. Например, при

АЦП

=10 и

диапазоне датчика

псп

ат

D , представленном 100 %,

прс

100(%)

k = = 0,0978

2-1

Если же диапазон датчика и все погрешности

рассчитываются в абсолютных величинах, то

прс

50( C)

k = = 0,0489

2-1

Следовательно, формула (44) примет вид:

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

вхi

прс

датчi АЦПi

σ = σ + σ k

. (50)

Как было отмечено выше, помимо разрядности, важную роль при

выборе АЦП играют его быстродействие и помехозащищенность.

Быстродействие АЦП и его помехозащищенность связаны обратно

пропорциональной зависимостью, т.е. чем выше помехозащищенность,

тем больше потребуется времени на преобразование аналоговой

величины в код. Так как для технологических процессов не требуется

высокое быстродействие, то

выбирают АЦП интегрирующего типа,

имеющий высокую помехозащищенность и время преобразование

порядка 100 мс.

2.4.3. Выбор микроконтроллера. Критерием выбора обычно

является минимум длины разрядной сетки АЛУ микроконтроллера

(МК) при обеспечении заданного быстродействия и минимальной

стоимости.

Из практики и технической литературы известно, что вычисления в

МК должны выполняться с точностью, превышающей точность АЦП.

Удовлетворить этому требованию можно, либо выбрав разрядность

АЛУ большей разрядности, чем у АЦП, на величину

d, т.е.

АЛУ уАЦП

N=N +d

(51)

либо выполняя расчеты на меньшей разрядности, но с удвоенной

точностью. В последнем случае обязательна проверка по требуемому

быстродействию, при этом в последующем выражении перед

слагаемым

ВЫЧ

должна стоять цифра 2:

≤

АПД

доп

цикла выч обм ц

Т = Т + Т + ТТ

(52))

130

где

цикла

- время цикла, равное времени между опросом i-го датчика и

выдачей информации по

i-му каналу измерения; Т

ВЫЧ

- время

вычислений в цикле по принятым алгоритмам;

ОБМ

- время обмена

информацией при вычислениях между ОЗУ и ПЗУ;

АПД

- время

прохождения информации через аппаратуру передачи данных в

i-м

канале измерения;

оп

Т - допустимое время цикла между двумя

соседними опросами датчика.

Выбирая разрядность АЛУ МК в соответствии с выражением (51),

необходимо так подбирать величину d, чтобы значение N

АЛУ

было

кратно байту.

В настоящее время рынок МК достаточно обширен, поэтому

подобрать МК в соответствии с предложенным критерием несложно,

однако затем необходимо оценить точность вычислений по принятым

алгоритмам с учетом всех погрешностей, возникающих в МК (см.

разд. 2.6 части 2).

Известно, что длина разрядной сетки АЛУ определяется требуемой

точностью вычислений. Чтобы определить

какую погрешность в

точность представления измеряемой переменной вносит вычислитель,

необходимо знать алгоритмы первичной обработки аналоговой

информации.

2.5. Алгоритмы первичной обработки информации

В любой автоматизированной системе перед принятием решения

должен быть выполнен анализ сигналов, поступивших по каналам

связи от датчиков. Прежде всего, должна быть выполнена проверка

этих сигналов на достоверность, чтобы выявить нарушения, как в

канале передачи информации, так и в работе датчиков. Среди таких

нарушений можно назвать случайную импульсную помеху, обрыв или

короткое замыкание. К тому же датчики могут иметь статические

ошибки, нелинейные характеристики или зашумленный выходной

сигнал, что скажется на точности измерения. Для получения

корректных значений результатов измерения применяют

алгоритмы

первичной обработки

такие, как масштабирование, пересчет в

технические единицы, проверка на достоверность, сглаживание,

проверка на технологические границы

[59].