Полоса фильтра

Параметр «полоса фильтра» позволяет фильтровать единичные помехе большой амплитуды. Полоса фильтра задается в единицах измеряемой величины.

Основная идея: если текущее показание отличается от предыду­щего измеренного значения более чем на значение этого параметра, то оно игнорируется, и устройство производит повторное измерение. При этом на цифровом индикаторе остается значение предыдущего измерения.

После измерения в точке 1 автоматически формируется полоса фильтра, в пределах которой следующее измерение (точка 2) воспринимается как истинное, и в противном случае – как ошибочное. Аналогичным образом формируется полоса фильтра для точки 2 и проверяется попадание точки 3 в эту полосу (в данном случае значение в точке 3 истинное). После оценки истинности измеренного значения в точке 3 снова откладывается полоса фильтра в плюс и в минус и проверяется результат измерения в момент времени 4. Если же измеряемая величина находится за пределами полосы фильтра, то устройство производит повторные измерения в момент времени 5 с проверкой (попадает результат измерения в полосу фильтра измеренного значения в точке 3 или нет). В нашем случае результат измерения попадает в полосу фильтра измеренного значения в точке 3 и принимается решение, что измеряемая величина в точке 4 имеет случайную составляющую погрешности, которая игнорируется (выпадает из общего потока).

Ниже рисунок поясняет принцип действия фильтра в случаях быстрого изменения измеряемой величины.

В этом случае точка 2 не попадает в полосу, проложенную в точке 1. В том случае, если результат измерения в точке 3 находится в пределах полосы фильтра измеренного значения в точке 2, то делается вывод об истинности измеренных значений в точках 2 и 3.

Примечание: подбор полосы осуществляется следующим образом. Малая ширина полосы фильтра приводит к замедлению реакции устройства на быстрое изменение входной величины. Поэтому при низком уровне помех или при работе с быстроменяющимися процессами реко­мендуется увеличить значение параметра полосы фильтра или задать его равным 0. В противном случае, если высокая вероятность помех большой амплитуды, то целесообразно уменьшать величину полосы фильтра, несмотря на внесение в систему некоторой инерционности. В последнем случае для снижения инерционности необходимо снизить время опроса датчика.

Глубина фильтра

Параметр «глубина фильтра» позволяет добиться «сглаживания» изме­нений показаний устройства (прибора) за счет их усреднения. Значение этого пара­метра задает количество последних измерений, для которых фильтр вычисляет среднее арифметическое.

На рисунке показаны переходных характеристик фильтра для разных значений параметра N.

Уменьшение значения глубины фильтра приводит к более быстрой реакции прибора на скачкообразные изменения контролируемой вели­чины, но снижает помехозащищенность устройства.

Увеличение значения приводит к улучшению помехозащищенности, но вместе с этим повы­шает инерционность прибора.

Вопрос №4. Устройство ввода аналоговых сигналов. Типовая структурная схема, принцип действия и назначение модуля.

Модули аналогового ввода оснащены равноценными каналами, которые могут быть масштабированы, подвержены коррекции (фильтрации) или настроены как дискретные входы. Данные модули (и подобные им) как правило, совместимы с большинством OPC-серверов и пром. контроллеров, позволяющие опрашивать модули, обрабатывать информацию и выдавать управляющие воздействия. Так же модули позволяют подключать к ним все виды стандартных датчиков с дискретным или аналоговым выходом, а так же с нормированным сигналом без дополнительных цепей согласования.

ВИП – встроенный источник питания; ИПН – изолирующий преобразователь напряжения;

СТ – сторожевой таймер; IN – входы; МК – микроконтроллер со встроенной флеш-памятью F;

IDC – разъем для программирования контроллер и подключения индикаторов; ИОН – источник опорного напряжения; INT – вход разрешающий настройку и программирование контроллера.

Принцип действия АЦП основан на подборе резисторов включенных по схеме R-2R таким образом, что кодовая посылка на выходе АЦП соответствующая включенному или выключенному состоянию в резистивной матрице соответствовала условию аналогового сигнала на входе.

Сторожевой таймер – блок контроля уровня напряжения питания и работоспособности микроконтроллера. В случаях неадекватной работы микроконтроллера («подвисания»), СТ вырабатывает сигнал на его перезагрузку. В случае нештатного отключения модуля или нештатного понижения уровня питания, СТ вырабатывает сигнал на отключение контроллера.

ВИП выполняет функции стабилизации входного напряжения, т.е. если на входе напряжение может варьироваться в диапазоне от 9 до 30 В, то на выходе ВИП поддерживается постоянный уровень напряжения на уровня 5В.

ИПН – выполняет две функции: гальваническая развязка по цепи питания выполненная на основе трансформатора; получение нужного уровня напряжения, которое может быть как выше, так и ниже по уровню амплитуды.

Интерфейс RS-485 преобразует данные стандартного протокола в последовательный код, понятный микропроцессору и предназначен для передачи информации от входных каналов (аналоговых) к контролеру (в систему верхнего уровня), а также для настройки режимов работы модуля ввода аналоговых сигналов.

ИОН предназначен для формирования эталонного напряжения, который служит мерой для оцифровки аналогового сигнала.

Принцип действия данного модуля: после загрузки программы в микропроцессор и ее запуска, микроконтроллер последовательно опрашивает входные каналы IN0….IN15, т.е. производит последовательное открывание полевых транзисторов на входе каждого аналогового канала. В свою очередь АЦП производит непрерывное измерение входной аналоговой величины и выставляет цифровой код, соответствующий амплитуде текущего аналогового сигнала по команде микропроцессора. С учетом того что АЦП является самым медленным устройством в системе автоматизации, разрешающий сигнал с микроконтроллера поступает с учетов времени работы АЦП плюс время запаса, в течение которого сигнала (нули и единицы на выходе АЦП) гарантировано примут свое установившееся состояние. Фактически процесс опроса АЦП и каналов коммутатора производится синхронно. На самом деле бывают схемы с АЦП, где он работает и асинхронно. Микропроцесс параллельный код с АЦП преобразует в последовательный код для передачи на верхний уровень. C помощью блока RS-485 последовательный код преобразуется в один из стандартных протоколов (ProfiBus). Так же МК выполняет функции сигнализации текущей работы модуля через разъем IDC, включая или выключая индикаторы. Иногда модули входных аналоговых/дискретных сигналов могут содержать и каналы управления, т.е выходные. Последние выполняют с целью решения локальных задач автоматизации.

Вопрос №5. Логика работы двухпозиционного регулятора. Принцип действия и назначение устройства.

Двухпозиционный регулятор – это устройство формирующее импульсный сигнал с двумя устойчивыми состояниями (вкл./выкл.) в зависимости от величины аналогового сигнала рассогласования на входе. Выходным устройством двухпозиционного регулятора являются реле или полупроводниковый ключ.

Двухпозиционный регулятор сравнивает значение измеренной величины с эталонным (уставкой). Состояние выходного сигнала изменяется на противоположное, если входной сигнал (измеренная величина) пересекает пороговый уровень (уставку).

Двухпозиционный регулятор используется: для регулирования измеренной величины в несложных системах, когда не требуется особой точности; для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы.

Типы логики:

1) Прямой гистерезис

Применяется в случае использования прибора для управления работой нагревателя или сигнализации о том, что значение текущего измерения меньше величины уставки – Туст.

При этом выходное устройство, подключенное к логическому устройству (ЛУ), первоначально включается при значениях Т<Туст-∆ (происходит нагрев объекта), выключается при Т>Туст+∆ и вновь включается при Т<Туст-∆, осуществ­ляя тем самым двухпозиционное регулирование температуры объекта по уставке Туст с гисте­резисом ±∆.

Примечание: Работа данного регулятора и точность поддержания измеряемой величины зависит от величины ∆, которую мы можем задавать. При этом снижение ширины гистерезиса приводит к повышению точности работы двухпозиционного регулятора с одной стороны, а с другой стороны частые коммутации влияют на низкую надежность работы контактов реле, а также на образование электромагнитных помех. Решение в данном случае возможно за счет применения бесконтактных управляемых ключей (тиристоры, симисторы) с коммутацией в момент перехода точки через ноль.

2) Обратный гистерезис

Применяется в случае использования прибора для управления работой «холодильника» (напри­мер, вентилятора) или сигнализации о превышении значения уставки. При этом выходное уст­ройство первоначально включается при значениях Т>Туст +∆, выключается при Т< Туст-∆ и вновь включается при Т>Туст +∆, также осуществляя двухпозиционное регулирование.

3) П-образная логика

Применяется при использовании прибора для сигнализации о входе контролируемой величины в заданные границы. При этом выходное устройство включается при Туст-∆<Т< Туст+∆.

4) U-образная логика

Применяется при использовании прибора для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы. При этом выходное устройство включается при Т<Туст-∆ и Т>Туст.+ ∆.

5) Дополнительные функции двухпозиционного регулятора

Задержка включения и выключения выходного устройства применяется для защиты выходного устройства от частых срабатываний при работе в режиме компаратора в устройствах автоматизации с возможностью установки времени задержки включения и выключения выходных цепей.

В зависимости от реализации задач реализуется (выбирается) время задержки при включении и выключении двухпозиционного регулятора, при этом величина задержки должна быть не меньше кратковременных всплесков измеряемой величины, обусловленных ошибкой или особенностью тех. процессов. Применяя данную функцию есть возможность исключить проявление случайных помех, а также частые срабатывания реле, тем самым повысить надежность системы.

Примечание: с одной стороны обеспечивая надежность работы мы вносим некоторую инерционность, которую необходимо учитывать при выборе настоек регулятора.

Вопрос №6. Принцип действия импульсных источников питания. Функциональная схема и назначение устройства.

Источники питания постоянного тока – это устройства позволяющие получить высокостабильное постоянное напряжение или постоянный ток.

Импульсные источники питания построены по принципу преобразования сетевого напряжения в переменный ток достаточно высокой частоты, порядка 200 кГц, и дальнейшего трансформирования и регулирования. Поскольку трансформаторы таких источников питания работают на частотах значительно выше 50 Гц, то и собственный размер, и масса источника питания становятся гораздо меньше. Удельная мощность таких источников питания значительно выше, чем у линейных источников. Импульсные источники питания, получили широкое распространение. Но они обладают одним недостатком – больший по сравнению с линейным источником уровень излучаемых помех.

В отличие от традиционных источников питания , предлагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные источники питания используют иные явления и подходы для генерации сбалансированного напряжения, а именно: накопление энергии в катушках индуктивности и возможность высокочастотной трансформации накопленной энергии в постоянное напряжение.

Существует три типовые схемы: повышающая, понижающая и инвертирующая.

В качестве ключевого элемента , генерирующего высокочастотные импульсы, применяются MOSFET или IGBT транзисторы, работающие на частоте 20…100кГц. Импульсный ток, протекающий через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в ее магнитном поле. Запасенная таким образом энергия передается в нагрузку.

Одним из достоинств является высокие значения КПД за счет применения катушки индуктивности, использования транзисторов в ключевом режиме (режиме насыщения).

Рассмотрим одну из схем импульсных источников питания. На схеме имеются след. обозначения: Г – генератор управляемый, Ф – фильтр, Дн – датчик напряжения.

Амплитуда напряжения на выходе импульсного источника питания определяет частоту работы генератора в диапазоне от 20 до 100 кГц с которой силовой ключ коммутирует ток в обмотке трансформатора Т. Если напряжение на выходе источника питания недостаточно до требуемого уровня, то генератор увеличивает частоту тока в обмотке трансформатора Т, увеличивая этим скорость протекания электромагнитных процессов с получением более высоких значений ЭДС на выходе трансформатора Т. Фильтры Ф1 и Ф2 рассчитаны на поглощение гармоник высокочастотного сигнала и не допускают выход помех за пределы устройства.

Вопрос №7. Устройство сбора дискретных сигналов. Типовая структурная схема, принцип действия и назначение модуля.

В состав модуля входит: микроконтроллер, память энергозависимая, сторожевой таймер, входной буфер.

Информация с дискретных датчиков 1 или 0 поступает на входы DIN0…DIN15 и запоминается во вх.регистрах буфера памяти. Эти входные регистры энергозависимые и хранят только текущее состояние входа.

С вх.буферов дискретная информация поступает в МК. Как правило, МК в своем корпусе содержит энергонезависимую память. В памяти содержится информация и алгоритм работы МК, согласно которому производится обработка поступающих с буфера данных и преобразование их в послед.код.

Преобразование в послед.код требуется для передачи информации по последовательному интерфейсу RS-485.

К блоку МК подключен сторожевой таймер, который отслеживает работу контроллера и при возникновении ошибки производит перезагрузку контроллера с начала стартовой страницы. Также его функцией является отслеживание напряжения источника питания, если величина напряжения ниже допустимого уровня производится автоматическое отключение модуля в целом.

Привязка к сторожевому таймеру реализована для корректного завершения работы модуля и исключения развития аварийных отключений.

Функция сторожевого таймера заключается в последовательном вкл. и выкл. логики функционирования модуля. При вкл. модуля первоначально устанавливается питающее напряжение всех питающих цепочек, вырабатывается импульс сторожевым таймером на запуск MCS. Первоначально сторожевой таймер переводит все модули в ждущий режим, после чего напряжение питания отключается.

К блоку МК подключен IDC разъем предназначенный для внутрисхемного программирования МК.

После его установки к плате можно подключить разъем и произвести перепрограммирование контроллера по той программе, по которой нужно.

Также доп.модуль ввода дискр.сигналов помимо вх.контактов может содержать выходы (не >2…3). С помощью них можно реализовать управление любыми дискр.выходами.

Примечание: в общем случае, все входы и выходы данного модуля могут управляться от МК через RS-485.

Выходы реализованы на основе MOSFET транзисторов, которые управляются от блока управления.

Стабилизатор напряжения (ВИП) вырабатывает на выходе постоянное напряжение. При питании от 9 до 30 В стабилизатор гарантировано будет обеспечивать 8…9В.

Сигнал INIT служит для инициализации устройства в сети. При подаче управляющего сигнала INIT разрешается выдача информации по RS-485, разрешается программирование контроллера.

Вопрос №8. Основные виды гальванической развязки. Понятия и области применения.

Гальваническая развязка – это определенное схемотехническое решение, обеспечивающее электрическую изоляцию электрических цепей для разделения двух или более контуров тока с возможностью передачи информации или энергии от одного контура тока к другому.

Гальваническая развязка бывает: информационная, энергетическая. Главное отличие одного вида от другого заключается в том, что при использовании энергетической развязки возможно запитывание (обеспечение электропитания). К информационной относятся оптическая гальваническая развязка, основанная на полевых транзисторах; гальваническая развязка на основе магнитного поля; трансформаторная.

Виды гальванических развязок:

1). Трансформаторная: в схеме в основном используются ПИК-трансформаторы. Область их применения – в цепи управления мощными полупроводниковыми ключами (тиристоров и симисторов).

TV – трансформатор напряжения, TA – трансформатор тока.

В ПИК-трансформаторах применяются ферритовый сердечник, позволяющий пропускать высокие частоты от одной обмотки к другой. Конструктивно трансформаторы могут пропускать через себя импульсный сигнал.

Рис. 1 Схема включения трансформатора для управления тиристором

Места, где кривая тока переходит через ноль, называется точками естественной коммутации.

Точки естественной коммутации, в которых тиристор (симистор) закрывается самостоятельно вследствие снижения тока до 0 ампер.

За счет электрического пробоя p-n перехода, активное (динамическое) сопротивление которого меньше доли Ом, полупроводниковый ключ может выдержать ударные токи до 10-13 крат по отношению к номинальному значению. У трансформаторной гальванической развязки напряжение пробоя колеблется от 3 до 30 кВ. Чем больше расстояние между обмотками и чем больше изоляция (бумага, смола), тем лучше трансформатор выдерживает пробой.

На входе трансформатора , на входе тиристора получаем . Такого скачка достаточно для открытия тиристора.

Линейное подключение трансформатора приведено ниже:

Второй пример – применение в системах электропитания шахт, предприятий с взрывоопасной средой для разделения цепей с глухозаземленной нейтралью и цепей с изолированной нейтралью.

Цепь (сеть) с изолированной нейтралью при замыкании одного из проводов на землю или на корпус оборудования не приводит к образованию дуги, искр или вспышек, т.е будет нормальный режим.

2). Оптическая гальваническая развязка.

Гальваническая развязка производится за счет наличия стеклянной пластинки, которая обладает напряжением пробоя не менее 3-5 кВ. Области применения: обеспечение гальванической развязки для управления мощными биполярными транзисторами. Современные мощные полупроводниковые ключи (биполярные транзисторы и тиристоры) выпускают как правило со встроенными оптроном (гальванической развязкой).

3). Гальваническая развязка на полевых транзисторах. В качестве принципа гальванической развязки выступает диэлектрическая пластинка, которая находится между затвором и силовой цепью сток-исток.

4). Гальваническая развязка на основе магнитного поля. В данном случае гальваническая развязка осуществляется за счет коммутации контактов в одной цепи, за счет формирования силового воздействия магнитным полем со стороны внешних источников.