Тема 4.2. Системы автоматического регулирования на базе программируемых логических контроллеров.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКОВ С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ

К КОНТРОЛЛЕРАМ В настоящее время наибольшее распространение в промышленности имеют датчики с аналоговым выходным сигналом. Их активно вытесняют цифровые или интеллектуальные датчики

ДАТЧИКИ С ДВУХПРОВОДНОЙ ТОКОВОЙ ЛИНИЕЙ СВЯЗИ

Наиболее распространённым видом пере­дачи аналогового сигнала является сигнал с силой тока 4...20 мА. Основная характеристика дат­чиков - низкое энергопотребление при минимальном значении входного сигнала. Для работы датчика требуется ток менее 4 мА. Только в этом случае электропитание и выходной сигнал могут подаваться по одной линии.

На рис. 1 приведена типовая схема подключения датчика по двухпроводной схеме.

Для питания электронной схемы датчика требуется напряжение порядка 5...8 В, кото­рое может преобразовываться в датчике в двуполярное стабили­зированное напряжения порядка ±2,5 В. Этого напряжения дос­таточно для работы схем усилителя, а также управления диспле­ем и выходным транзистором. На все эти функции, как правило, потребляется ток менее 2 мА. Ситуация не изменяется, даже ес­ли датчик вырабатывает более высокий выходной сигнал. На верхнем пределе ток, потребляемый электроникой, немного выше. Выходной транзистор приоткрывается (т.е. сопротивление его перехода уменьшается) настолько, чтобы пропустить ток 18,1 мА; в результате по линии связи проходит полный ток 20 мА (рис. 2).

ноль

верхний предел

Эта схема подключения датчика называется токовой петлёй. она широко используется в аппаратуре и обладает рядом преимуществ:

- низкое сопротивление, а, следо­вательно, большая устойчивость к помехам, чем линии связи с сигна­лами напряжения;

- до определенного предела она не чувствительна к изменению внутреннего сопротивления прово­дов линии связи;

- «нуль» токового контура 4...20 мА отличается от «нуля сигнала работающего прибора», что позво­ляет надежно распознать неисправность датчика, а также обрыв линии связи.

Электроника датчика распознаёт отказ (например, неисправность чувствительного элемента) и немедлен­но устанавливает выходной сигнал, равный 3 мА.

При обрыве ток в линии отсутствует (0 мА). В обоих состояниях выходной сигнал будет отличен от сигнала в режиме измерения, что позво­ляет обнаружить неисправность (рис. 3).

Рисунок 3 Шкалы измеряемого сигнала и тока датчика

Диапазон 4...20 мА имеет фиксированный верхний предел, поэтому ток, превышаю­щий 20 мА, также не может интерпретироваться как измеритель­ный сигнал. Это служит указанием, что значение изме­ряемого параметра превысило измерительный диапазон, или сви­детельствовать о коротком замыкании, т.е. о неисправности. При этом ток короткого замыкания должен ограничиваться до разум­ного значения на стороне контроллера с помощью защитного резистора (или плавкого предохранителя).

Если датчик откалиброван, то при отсутствии давления он покажет «нуль». Чтобы амперметр показывал ток 4 мА, выход­ной транзистор должен «приоткрыться» и отобрать из линии питания тока до 4 мА. Если ток ниже 3,6 мА и выше 21 мА – датчик не исправен. Большинство датчиков в нефтегазовой промышленности яв­ляются полевыми устройствами, преобразующими измеряемый параметр в сигнал 4. .20 мА. Без барьера безопасности они мо­гут использоваться только в невзрывоопасных областях. При со­единении с соответствующим барьером безопасности датчики можно установить во взрывоопасной зоне.

ДАТЧИКИ ДЛЯ НЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОЙ ЗОНЫ Датчики могут работать при напряжении питания в диапазоне 8..28 В. В ряде контроллеров, имеющих аналоговые входы, на­пряжение питания выводится на клеммы разъёма для питания аналоговых датчиков. Измерительная схема всегда одинакова (рис. 4). Измерительный ток I_вх протекает через резистор R_вх создавая пропорциональное падение напряжения U_вx, которое усиливается измерительным усилителем. Результирующее напряжение U_выx используется для индикации результатов измерения и формирования сигнала тревоги с помощью компараторов.

Рисунок 4 Подключение двухпроводного датчика 4…20 мА к контроллеру с питанием по входным цепям

Если двухпроводный датчик работает с контроллером, в кото­ром не предусмотрены клеммы для питания датчика, то его не­обходимо подсоединить к внешнему источнику питания напря­жением 24 В или к аккумулятору рис. 5 Рисунок 5 Подключение двухпроводного датчика 4…20 мА к контроллеру с внешним источником питания

ДАТЧИКИ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ. БАРЬЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ В нефтегазовой промышленности для сопряжения контрольно-измерительного оборудования, размещённого во взрывобезопасной зоне, с датчиками, установленными во взрывоопасных зонах, в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями применяются барьеры искрозащиты

Во взрывоопасных зонах разрешено размещать оборудова­ние:

-взрывозащищенной конструкции («d» - взрывонепроницаемая оболочка), когда не допускается распространение разруше­ний, вызванных давлением взрыва, за пределы оболочки прибора;

- искробезопасной конструкции (маркируется как «Ех»).

Искробезопасность - это метод защиты, гарантирующий, что при возникновении одной неисправности («ib») или даже двух независимых неисправностей («ia») в аппарате не возникнет ни горячих поверхностей, ни искр, которые могли бы поджечь горючую смесь, окружающую датчик. В отличие от других методов защиты, искробезопасен не только датчик, но и вся цепь. Эта искробезопасная цепь должна быть отделена от неискробезопасной цепи контроллера так называемым барьером безопасности.

Барьер искробезопасности ограничивает напряжение, поступающее на датчик до уровня U_mах, и мощность до уровня Р_mах. Эти значения могут быть различными для разных барьеров искрозащиты.

Например, для барьера искрозащиты GHG 1169 110 V0 (ABB) соответствующие параметры этого барьера:

U_mах, = 19,2 В, Р_mах = 648 мВт.

Барьер безопасности должен быть заземлен (РЕ) или соединен с общей шиной (РА); то же относится и к экрану (рис. 6).

а)

б)

Рисунок 6 . Схема подключения датчика к барьеру безопасности:

а) без гальванической развязки, б) с гальванической развязкой

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА ИСКРОЗАЩИТЫ

Если, при неисправности, напряжение неискробезопасной цепи становится слишком высоким (потенциал измеряется относительно потенциала точки РА/РЕ), то стабилитроны, обычно имеющие высокое сопротивление, начинают проводить ток и потребляют столь его столько, что плавкий предохранитель перегорает. Таким образом, опасные высокие напряжения не могут передаваться во взрывоопасную зону. При замыкании на массу во взрывоопасной области максимальный ток ограничен токоограничивающим резистором во невзрывоопасной области и/или перегорает плавкий предохранитель. Следовательно, опасно высокие токи не могут передаваться во взрывоопасную область, т.е. электропитание в искробезопасной цепи надежно ограничено.Очевидно, что такой барьер безопасности должен быть серти­фицирован и маркирован как прибор, обеспечивающий взрыво-безопасность, например, [Ex ib]. Квадратные скобки указывают, что барьер безопасности обеспечивает искробезопасность цепи категории «ib», однако сам по себе не является взрывозащищенным прибором, т.е. барьер следует устанавливать только во взрывобезопасной области (обычно в шкафу управления, где монтируется контроллер).

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ Датчик, который содержит микропроцессорное устройство обработки информации, называют интеллектуальным датчиком (см. рис.9)

На рис. 9 показана функциональная схема интеллектуального датчика давления а на рисунке 10 блок-схема интеллектуального датчика с выходным значением тока

Сенсор - чувствительный элемент - преобразует давление в напряжение.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь - преобразует напряжение в код.

МП - микропроцессор - осуществляет обработку сигнала - вычисление значения вычисляемого параметра, а также функции управления и линеаризации характеристики сенсора.

Интерфейсные блоки служат для формирования сигналов цифровой и аналоговой передачи данных. Устройство индикации показывает значение измеряемого параметра.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь - преобразует цифровой код в сигнал тока датчика. Полевой транзистор слу­жит для стабилизации напряжения питания схемы. Сопротивле­ние Ri служит для контроля значения тока в цепи.

Рисунок 9 Функциональная схема интеллектуального датчика давления

Рисунок 10 Блок-схема интеллектуального датчика с выходным значением тока

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer) способ передачи данных с помощью частотной модуляции, который наряду с передачей аналоговой информации может пере­давать и цифровые данные. Цифровая информация пе­редаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логиче­ский 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 11).

Частотно-модулированный сигнал цифровых данных при применении соответствующей фильтрации не влияет на основ­ной аналоговый сигнал 4...20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с.

Рисунок 11. Схема передачи данных в HART-протоколе

Модем 1 преобразует цифровой код в частотно-модулиро­ванный сигнал, который поступает на формирователь сигнала, и далее через ЦАП на выход датчика.

Основные технические характеристики контроллеров

и программно-технических комплексов Современный рынок контроллеров и программно-технических комплексов весьма разнообразен. Выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и многим другим.

Классифицировать контроллеры можно по различным признакам. Вот одна из классификаций (по назначению): общепромышленные контроллеры; встраиваемые контроллеры; противоаварийные контроллеры (резервированные, высоконадежные); телемеханические контроллеры, передающие сигналы на большие расстояния (десятки и сотни км).

Обзор различных семейств контроллеров многих производителей показал, что в первом приближении в качестве характеристик контроллеров можно выделить пять обобщенных показателей: характеристика процессора; характеристика каналов ввода/вывода, поддерживаемых контроллерами; коммуникационные возможности; эксплуатационные характеристики; программное обеспечение. Рассмотрим эти показатели.

Характеристика процессора. Здесь имеется ввиду: наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, EPROM, EEPROM, Flash; тип и разрядность основной процессорной платы; рабочая частота; поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять эффективную обработку данных; наличие функции ПИД-регулирования.

Память. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory - память с произвольным доступом) представляет собой тип памяти, которая позволяет чтение и запись в любую ячейку без предварительного поиска. В контроллерах этот тип памяти используется для хранения программ и значений технологических параметров (данных). ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read Only Memory - память только для чтения) устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались при ее изготовлении путём нанесения на матрице алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". В контроллерах память типа ПЗУ используется для хранения программ пользователя. Данный тип памяти не получил широкого распространения в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, в то время как производственный цикл изготовления памяти достаточно длителен (4-8 недель).

EPROM (СППЗУ), EEPROM (ЭСППЗУ) и Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM).

Характеристика каналов ввода/вывода контроллеров Параметры контроллера с точки зрения поддерживаемых им каналов ввода/вывода часто могут быть определяющими при выборе. Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддерживаемое контроллером, но и разнообразие модулей ввода/вывода по количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы подключения внешних цепей к модулям ввода/вывода, количество каналов локального, удаленного и распределенного ввода/вывода. Рассмотрим поподробнее эти характеристики.

• Количество поддерживаемых контроллером (процессором) каналов

ввода/вывода (аналоговых, дискретных, скоростных). Большинство фирм-производителей поставляют на рынок средств и систем автоматизации семейства контроллеров, каждое из которых рассчитано на определенный набор выполняемых функций и объем обрабатываемой информации. Среди них имеются семейства самых малых контроллеров (микро) небольшой вычислительной мощности, способных поддерживать максимум несколько десятков вводов/выводов, в основном, дискретных. Область применения таких контроллеров - сбор данных и системы противоаварийной защиты. В качестве примеров можно привести контроллеры семейства MicroLogix (Allen-Bradley), Direct Logic DL05 (Koyo), Nano (Schneider Electric).

Семейства малых контроллеров уже способны поддерживать сотни вводов/выводов, выполнять более сложные функции. Эти контроллеры имеют достаточно развитый аналоговый ввод/вывод, выполняют операции с плавающей точкой и функции ПИД-регулирования. К этой группе контроллеров можно отнести SLC 500 (Allen-Bradley), Direct Logic DL205 (Koyo), Smart – (PEP Modular Computer), Simatic S7-200 (Siemens).

Под локальным следует понимать такой ввод/вывод, когда модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том же шасси, на котором размещен и модуль центрального процессора. Так как количество слотов в шасси ограничено (максимум 16 - 18 для некоторых контроллеров), то и количество локальных вводов/выводов может быть также ограничено. Преимущество локальных вводов/выводов заключается в том, что они имеют высокую скорость обновления данных. При всех прочих равных условиях, скорость обработки этих вводов/выводов очень высока. Эта характеристика особенно важна, когда речь идет о регулировании технологических параметров.

Удаленный ввод/вывод применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других полевых устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии (1000 и более метров) от центрального процессора. Это относится и к объектам нефтегазовой отрасли, часто находящихся на больших расстояниях от пунктов управления. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули ввода/вывода размещаются вблизи полевых устройств. Каналы удаленного ввода/вывода обновляются асинхронно по отношению к сканированию процессора. Поэтому из числа задач, использующих удаленный ввод/вывод, решены могут быть только те, которые не требуют обновления ввода/вывода на каждом шаге.

Коммуникационные возможности контроллеров

К параметрам контроллеров, характеризующим их способность взаимодействовать с другими устройствами системы управления, относятся: количество и разнообразие портов в процессорных модулях; широта набора интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров; поддерживаемые протоколы; скорость обмена данными и протяженность каналов связи.

• Сетевая архитектура системы управления

Как показано на рис. 4, система управления технологическим процессом представляет собой многоуровневую структуру.

Устройства верхнего уровня (компьютеры, концентраторы) на своем уровне обмениваются большими объемами информации. Эта информация защищена механизмами подтверждений и повторов на уровне протоколов взаимодействия. Пересылаемый массив данных может быть доступен не только центральному устройству, но и другим узлам сети этого уровня. Это означает, что сеть является равноправной (одноранговой), т. е. определяется моделью взаимодействия peer-to-peer (равный с равным). Время доставки информации не является доминирующим требованием к этой сети (речь идет о жестком реальном времени).

С ети, обеспечивающие информационный обмен на этом уровне, называют информационными сетями. Наиболее ярким представителем сетей этого уровня является Ethernet с протоколом TCP/IP.

Рис. 4. Сетевая архитектура системы правления.

Сети, обеспечивающие информационные обмен между контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами, часто объединяются под общим названием "промышленные сети" (Fieldbus дословно переводится как "полевая сеть"). Их можно разделить на два уровня: управляющие промышленные сети, решающие задачи сбора и обработки данных на уровне промышленных контроллеров, управления технологическим процессом; полевые сети или шины, задачи которых сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных устройств. На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов промышленных сетей (управляющие и полевые) довольно широк. CAN, FIP, Profibus, ControlNet, DH+, Modbus, Modbus plus, Genius, DirectNet, DeviceNet, Interbus, SDS, ASI, HART, FF и еще несколько десятков протоколов присутствуют сегодня на рынке промышленных сетей. Каждая из сетей имеет свои особенности и области применения.

Информационная сеть Ethernet. Ethernet - это локальная сеть для быстрого равноправного (одноранговая сеть) обмена информацией между компьютерами и другими устройствами (контроллерами нижнего уровня, большими контроллерами – концентраторами). В качестве физических средств связи используются толстый коаксиальный кабель 10Base5, тонкий коаксиальный кабель 10Base2, витая пара 10Base-T, оптоволокно 10(100)Base-F. Скорость обмена по сети - 10 Mбод (100Мбод).

Протяженность сети на витой паре - до 100 м, на специализированном оптоволокне - до 2800 м. Количество узлов сети (рабочих станций, серверов и т. п.) определяется многими факторами и может достигать нескольких десятков. Эта локальная сеть используется в том случае, когда в системе имеют место большие потоки информации, а также при необходимости создания многих пользовательских узлов (рабочих, инжиниринговых станций, серверов и т. д.) в сети. Большинство контроллеров средней и большой мощности имеют возможность взаимодействия с Ethernet через встроенные порты процессоров или посредством интерфейсных модулей. Даже микроконтроллеры MicroLogix 1200, MicroLogix 1500 фирмы Allen-Bradley могут быть подключены к сети Ethernet через интерфейс 1761-NET-ENI. Этот интерфейс поддерживает мониторинг программ и их загрузку, сбор данных и равноправный обмен информацией. А процессоры контроллеров средней мощности PLC 5/20E, PLC 5/40E и PLC 5/60E снабжены встроенным портом Ethernet. Кроме того, в системе имеется модуль интерфейса Ethernet (1785-ENET) для контроллеров PLC 5. Платформа контроллеров ControlLogix той же компании располагает интерфейсными модулями 1756-ENET/ENBT - 1 порт, 10 Мбит/сек (ENET), 10/100 Мбит/сек (ENBT).

Контроллеры семейства Quantum (Schneider Electric) поддерживают сеть Ethernet TCP/IP посредством интерфейсных модулей:

• 140 NOE 211 00 - 2 порта (передатчик и приемник) с протоколом 10BASE-T, витая пара, скорость передачи данных 10 Мбит/сек);

• 140 NOE 251 00 - 2 порта (передатчик и приемник) с протоколом 10BASE-FL, оптоволокно, скорость передачи данных 10 Мбит/сек).

Контроллеры семейств S7-300 и S7-400 (компания Siemens) поддерживают сеть Ethernet через коммуникационные процессоры CP 343-1 TCP и CP 443-1 TCP.

Контроллеры семейства 90-70 компании GE Fanuc имеют разъем для подключения приемопередатчика локальной сети Ethernet, обеспечивающего высококачественную связь между контроллерами.

Коммуникационный процессор MCP-T (Motorola Communication Processor) предназначен для взаимодействия с локальной сетью Ethernet по протоколу TCP/IP. Может служить мостом между сетью Modbus и сетью Ethernet при больших объемах передаваемой в сети информации.

Эксплуатационные характеристики

• Надежность системы управления оценивается следующими косвенными показателями:

1. Возможность резервирования сетей, контроллеров, модулей ввода/вывода и т. д.

К наиболее распространенным способам резервирования относятся:

• горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

• троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат, объявляется неисправным);

• работа по принципу "пара и резерв". Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, а аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре. Первая пара тестируется и, либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары. Наличие встроенных аккумуляторов и батарей, обеспечивающих работу способ организации управления при прекращении питания от сети. Глубина и полнота диагностических тестов.

• Условия эксплуатации: диапазоны температур и влажности окружающей среды; наибольшие вибрации и ударные нагрузки; допускаемые электрические и магнитные помехи и т. п.

Известно, что наиболее крупные российские месторождения нефти и газа находятся в Западной Сибири и на Крайнем Севере. При выборе программно-технических средств автоматизации объектов добычи таких месторождений на первый план могут быть выдвинуты требования их работоспособности в жестких условиях эксплуатации (например, в широком диапазоне температур). Можно, конечно, разместить аппаратуру в специальных обогреваемых помещениях, но это повлечет за собой значительное увеличение линий связи и удорожание системы автоматизации. С другой стороны, следует иметь ввиду, что аппаратура, способная работать при очень низких минусовых температурах (до - 40⁰ С), имеет более высокую стоимость.

Контроллеры, способные функционировать без подогрева в условиях минусовых температур и предназначенные для автоматизации объектов, находящихся на больших расстояниях друг от друга и от пунктов управления, получили название RTU (Remote Terminal Unit - удаленное терминальное устройство). Эти устройства в качестве каналов связи используют телефонные линии или радиоканал. Оба эти канала требуют наличия модемов со стороны приемника и передатчика, потому такие системы называют телемеханическими. В нефтегазовой отрасли RTU нашли применение при автоматизации таких объектов, как кусты добывающих нефтяных и газовых скважин, водонагнетательные скважины, кустовые насосные станции, газораспределительные станции, линейные участки магистральных нефтегазопроводов и т. п. Пример применения RTU на линейном участке нефтепровода приведен на рис. 10.

Рис. 10. Система управления нефтепроводом подключения и узлом учета

на базе контроллеров MOSCAD.