7.5. Аппаратные средства автоматизированных систем управления технологическими процессами

7.5.1. Датчики неэлектрических величин

Общие сведения

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназ­ наченные для преобразования непрерывного изменения входной (контролируемой) неэлектрической величины в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивления, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной характеристикой датчика является чувствительность:

Датчики могут быть линейными (S = const) и нелинейными (S = var). У последних чувствительность зависит от входной вели­ чины. Важным параметром датчика является порог чувствительности, представляющий собой наименьшее значение входной величины, вызывающее изменение выходной величины, которое может быть измерено.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной. Эта характеристика дается в паспорте датчика и используется как расчетная при измерениях. Экспери­ ментально снятая зависимость вход-выход отличается от номиналь­ ной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика

где X - значение входной величины датчика, определяемое по выходной величине и номинальной характеристике;

Хд- действительное значение входной величины. Введем номинальный коэффициент преобразования

(7.15) Аналогично могут быть рассмотрены погрешности датчика по

выходу.

На погрешность оказывают влияние внешние условия эксплуата­ ции: температура, магнитные и электрические поля, влажность окру­ жающей среды, напряжение и частота источника питания, механи­ ческие и радиационные воздействия и др. Допустимая интенсивность внешних воздействий оговаривается в технических условиях на поставку датчика.

Погрешности датчика при нормальных значениях внешних пара­ метров (нормальной температуре, нормальном атмосферном дав­ лении, номинальных значениях напряжения и частоты питания и т. п.) называются основными.

Различают аддитивную погрешность, не зависящую от значения входной величины^ и мультипликативную погрешность, зависящую от нее (погрешность чувствительности).

На рис. 7.4 показана зависимость относительной погрешности у0 от входной величины X Здесь Хн - нижнее значение, Хв - верхнее значение входных величин, при которых нормируется основная погрешность.

м

Рис. 7.4. Зависимость относительной погрешности от входной величины X

Если параметры внешних условий выходят за границы норми­ руемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьше­ ния дополнительных погрешностей либо снижают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Если сечение каркаса 2, на котором намотан резистор, всюду одинаково, то сопротивление датчика меняется пропорционально углу поворота а, или ходу х. При необходимости зависимость R(a, х) может быть сделана нелинейной. Тогда каркас имеет переменное сечение или резисторы rl - гб неодинаковы по сопротивлению (рис. 7.5в и 7.5г).

Возможные схемы включения датчиков приведены на рис.7.6. Наиболее простой является реостатная схема (рис.7.6а). Широко применяется потенциометрическая схема (рис.7.6б/ Если входное сопротивление измерительной схемы велико, то выходное напряже­

Рис. 7.6. Схемы включения резистивных датчиков

Чувствительность датчика с линейным перемещением подвиж­ ного контакта.

Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания Uff Однако при этом растет мощность, рассеива­ емая датчиком.

В схеме рис.7.6в при перемещении подвижного контакта вниз или вверх от начального среднего положения (а = 0) выходное напря­ жение меняет полярность. В схеме рис.7.6г при перемещении левого подвижного контакта вниз правый с помощью механической передачи движется вверх. При этом чувствительность возрастает в 2 раза. Чувствительность резистивных датчиков может быть 3 - 5 В/мм.

Погрешность работы датчиков зависит от стабильности питаю­ щего напряжения U0, точности изготовления конструктивных деталей, температурной стабильности использованного проводникового материала. Для повышения температурной стабильности следует применять проволоку с малым температурным коэффициентом сопротивления.

В качестве примера применения резистивного датчика рассмот­ рим устройство для регистрации скорости контактов силовых комму­ тационных аппаратов, например, высоковольтных выключателей. С подвижным контактом выключателя жестко связывается подвижный контакт датчика (рис. 7.7). Выходное напряжение датчика подается через добавочный резистор R на осциллографический гальвано­ метр ОГ.

Рис. 7.7. Резистивный датчик хода контактов высоковольтных выключателей

Достоинством такого датчика является независимость его точнос­ ти от питающего напряжения Uff Резистивные датчики применяются для измерения линейных и угловых перемещений. С их помощью можно измерить уровень и расход жидкости (датчик соединяется с поплавком), силу (датчик соединяется с упругим элементом, деформируемым измеряемой силой), размеры и т.д.

Преимущества резистивных датчиков заключаются в простоте конструкции, точности работы до 0,5 %, малых массе и габаритах.

Недостатком является наличие подвижного контакта, ухудшаю­ щего надежность работы и уменьшающего срок службы.

Контактные релейные датчики. Для контроля размеров и от­ браковки негодных деталей широко применяются контактные релей­ ные датчики (рис. 7.8).

разно применять схемные методы.

Следует отметить, что при малом'расстоянии между контактами (1 мкм) даже при напряжении 10 В создается высокий градиент поля Е=107 В/м, что может привести к интенсивной эрозии контактов. Мощность, коммутируемая контактами, не должна превышать 100150 мВт.

Минимальная погрешность при срабатывании контактного датчика находится в пределах 1 - 2 мкм.

Бесконтактные датчики (индуктивные и индукционные)

Индуктивные датчики. Рассмотрим простейший индуктивный датчик (рис. 7.9; 7.10).

У<*B+ W + w

Индуктивность обмотки L и протекающий по ней ток / могут из­ меняться за счет изменения зазора 5 или его площади S. На рис.7.9а представлен датчик с изменяемым зазором 5, а на рис.7.10а - с изме­ няемой площадью S зазора, пропорциональной координате переме­ щения d. Зависимость индуктивности и тока от зазора дана на рис.7.96, а зависимость индуктивности от площади или координаты d — на рис.7.106.

Погрешности индуктивных датчиков определяются стабиль­ ностью напряжения и частоты источника питания, влиянием темпера­ туры на активное сопротивление обмотки и размерами рабочего зазора.

Чувствительность индуктивного датчика изменится при изме­ нении площади, где Lo - начальное значение индуктивности датчика при б = 5а и S=S0; So, S0 - длина зазора и его площадь в начале хода; Л5 и AS - изменение зазора и площади.

Таким образом, чувствительность SS является нелинейной функцией Аб. Для работы с малой нелинейностью целесообразно выбирать Аб/бо<0,2.

Индукционные датчики. Если изменяется потокосцепление, связанное с проводником или катушкой, то в них возникает ЭДС. Это происходит при движении проводника в магнитном поле или магнит­ ного поля, пересекающего неподвижный проводник. ЭДС индукции возникает и тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Эти явления лежат в основе работы индукционных датчиков.

Индукционные датчики часто используются как датчики скорос­ ти. Если использовать дифференцирующие и интегрирующие це­ почки, то можно получить выходные величины, пропорциональные ускорению и перемещению.

Для контроля частоты вращения используются датчики в виде тахогенераторов и импульсных индукционных датчиков. Тахогенератор постоянного тока может представлять собой генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. ЭДС на выходе такого генератора пропорциональна частоте его вращения.

Для повышения линейности выходной характеристики сопро­ тивление нагрузки должно быть возможно больше (уменьшается реакция якоря). Переходное сопротивление щеток вносит сущест­ венную погрешность.

Более надёжны асинхронные тахогенераторы. Обмотка статора питается от источника переменного тока частотой 400 - 500 Гц. Обмотка неподвижна и сдвинута относительно обмотки на 90°. Полый алюминиевый ротор связан с валом, скорость которого контро­ лируется.

7.5.2. Средства измерения температуры

Классификация средств измерения температуры

Виды средств измерения температуры (°С) приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1

Виды средств измерения / °С

Применение видов средств измерения температуры (°С) в техно­ логическом процессе представлены в табл.7.2.

Таблица 7.2

Рассмотрим средства измерения температуры (°С) различных видов.

Терморезистивные. В качестве чувствительного элемента используются термопары (термопреобразователи сопротивления):

-из медной проволоки ТСМ (-50. ..180) °С;

-из платиновой проволоки ТСП ((-260...600) °С. Требования, предъявляемые к термопреобразователям:

-соответствие диапазона;

-правильность выбора места установки;

-соответствие прочности материала и арматуры крепления

условиям эксплуатации; - правильный выбор длины проводов монтажной части.

Термоэлектрические преобразователи. Предназначены для измерения высоких температур (в том числе и при погружении в жидкую среду).

Они снабжены замкнутыми трубками из металла или керамики:

-стальные трубки - до 600 °С;

-жаростойкие сплавы - до 1100 °С;

-фарфоровые - д о 1300° С.

По инерционности измерений термопреобразователи делятся на:

-малоинерционные (время измерения до 40 с);

-средней инерционности (время измерения до 1 мин);

-большой инерционности (время измерения до 3,5 мин);

-ненормируемые (время измерения больше 3,5 мин).

Чувствительные элементы термоэлектрических преобразовате­ лей изготавливаются из благородных и неблагородных сплавов:

-хромель-алюминиевый марки ТХА;

-хромель-калиевый марки ТХК;

-платиново-родиевый марки ТИР;

-вольфрамо-родиевый марки ТВР.

Манометрические. Применяются в показывающих приборах прямого измерения, в измерительных приборах с унифицированным выходным сигналом.

Предназначены для дистанционного измерения температуры газов, паров и жидкостей.

Достоинства:

-простота и надежность конструкции;

-нечувствительность к внешним электромагнитным полям. Максимальное расстояние измерения температуры - до 40 м.

Радиационные (пирометры).

Достоинства:

-отсутствие контакта с внешней средой;

-практически неограниченный верхний предел измерений;

-высокое быстродействие;

-отсутствие влияния пирометра на температурное поле объекта;

-возможность измерения температуры подвижного объекта. Недостатки связаны с методическими погрешностями, обуслов­

ленными запыленностью среды измерения и неоднозначной зависи­ мостью уровня измерения объекта от температурыОднозначность проявляется только у абсолютно черного тела.

Взависимости от времени измерения температуры:

-малоинерционные - время установления до 1 с;

-средней инерционности - время установления до 2 с;

-большой инерционности - время установления >2 с.

Под временем установления показаний понимают время, за которое температура достигает 5% от установившегося значения.

Дилатометрические.

Биметаллические.

И те и другие имеют простую конструкцию, высокую надежность измерения и применяются в сигнализирующих измерительных приборах.

7.5.3. Средства измерения давления

Давление, его виды и единицы измерения

Давление является одним из важнейших, физических пара­ метров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например, для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так в технологических целях, например, для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых на предприятии.

Давлением Р называют отношение абсолютной величины нор­ мального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхности: Р = F /S .

Если сила равномерно распределена по площади, то указанное отношение задает точное значение давления в каждой ее точке, в про­ тивном же случае - только его среднее значение.

Виды измеряемых давлений

Жидкие и газообразные среды характеризуются свойствами упру­ гости - обратимого изменения объема, т.е. уменьшения объема среды при сжатии ее под давлением и восстановления исходного объема при снятии этого давления, и текучести - обратимого измерения формы. В этих средах различают давление внешнее (поверхностное) - на границе (поверхности) сред и внутреннее - внутри, в объеме или массе среды.

Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади поверхности S, передается внутрь среды без изменений и равномерно во все стороны.

Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающих большей плотностью, чем газы. Положение точки измерения отно­ сительно горизонтальных плоскостей - поверхностей равного дав­ ления - определяет весовую составляющую внутреннего давления -

гидростатическое давление.

Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода, определяется суммой

внешнего, гидростатического и гидродинамического давления - скоростного напорного давления, а также потерями давления на тре­ ние по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях - коленах, задвижках, диафрагмах.

В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений; при этом скоростные характеристики потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды.

На практике давления газообразных и жидких сред могут изме­ ряться относительно двух уровней:

1)уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления

-идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды,

2)уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77).

Давление, измеряемое относительно вакуума, называют абсо­ лютным.

Барометрическое давление - абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: темпе­ ратуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно ат­ мосферного, называют соответственно избыточным или давлением разрежения, вакуумметрическим.

Системные и внесистемные единицы измерения давления

Единицы измерения давления (СТ СЭВ 1052-89) определяются одним из двух способов:

1) через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряе­ мое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяно­ го столба (мм вод. ст. или м вод. ст.) при 4 °С или ртутного столба (мм рт. ст.) при 0 °С и нормальном ускорении свободного падения (в англоязычных странах используются соответствующие единицы in Н20 , ft Н20 - дюйм вод. с т ф у т вод. ст. и in Hg - дюйм pm. ст.; 1 дюйм = 25,4 мм, 1 фут = 30,48 см);

2) через единицы силы и площади.

В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей силы является Н (ньютон), а единицей площади - м2. Отсюда определяется единица давления паскаль Па = 1 н/м2 и ее производные, например, килопаскаль (1 кПа = 103 Па), мегапаскаль (1 МПа = 103 кПа = 106 Па).

Наряду с системой СИ в области измерения давления продол­ жают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы.

В технической системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс « 9,8 Н). Единицы давления в МГКСС - кгс/м2 и кгс/см2; единица кгс/см2 получила название технической, или метрической, атмосферы (am).

Вслучае измерения в единицах технической атмосферы избы­ точного давления используется обозначение “ати”.

Вфизической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) введена единица давления бар (1 бар = 1 дин/см2).

Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфе­

ра (атм), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт.ст.

Изредка находит применение единица давления из системы МТС (метр, тонна, секунда) пьеза (1 пз = 1 сн/м2, где 1 сн = 108 дин - сила в 1 стен, сообщающая телу массой в 1 тонну ускорение 1 м/с2). В англоязычных странах широко распространена единица давления пси (psi = lbf/in2) - фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт = 0,4536 кг). При измерении абсолютного и избыточного давления используются соответственно обозначения psia (absolute - абсолютный) иpsig (gage

-избыточный).

Втабл. 7.3 указаны коэффициенты перевода одних системных или внесистемных единиц давления в другие: например, одной техни­ ческой атмосфере соответствует давление 0,980665 в барах (здесь бар является внесистемной единицей). В действительности не всегда требуется столь высокая точность перевода единиц, которая отражена в табл. 7.3. На практике из-за использования разнородного гидравли­ ческого и измерительного оборудования разных изготовителей и стран, причем нередко давнего года выпуска, потребность перевода одних единиц давления в другие возникает постоянно. Приведенные

Таблица соответствия единиц давления

в таблице соотношения позволят быстро справиться с такими за­ дачами.

Диапазон давлений, измеряемых в технике, достигает 17 поряд­ ков: от 10'8 Па в электровакуумном оборудовании до 103 МПа при обработке металлов давлением. Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления. Для поддиапазона 1 - 1 0 0 кПа избыточных, абсолютных давлений в качестве первичного эталона используется, как правило, ртутный двухтрубный ((/-образный) манометр с лазер­ ным считыванием высоты мениска (погрешность считывания не более 10‘3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, учитывающая в том числе и влияние температуры, не превышает 0,0005% от верхней границы диапазона). Для поддиапазона 100 кПа - 100 МПа при­ меняются газовые грузопоршневые манометры (точность 0,0035 - 0,004% от показаний).

Газовые и жидкостные грузопоршневые манометры использу­ ются и как рабочие эталоны для передачи единиц давления образ­ цовым промышленным приборам (их точность 0,01 - 0,1%).

Классификация средств измерения давления

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД), или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).

Манометры классифицируют по принципу действия и конст­ рукции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам (рис. 7.11).

По принципу действия манометры можно подразделить на жид­ костные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости - воды, ртути - соответствующей высоты), дефор­ мационные (давление определяется по величине деформации и пере­ мещения упругого чувствительного элемента УЧЭ-мембраны,

Рис. 7.11. Классификация манометров

трубчатой пружины, сильфона), грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь), электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты - чувствительного элемента ЧЭ от измеряемого давления) и другие (тепловые, ионизационные, термопарные и т.п.). В промышленности при локальных измерениях давлений энергоносителей в большинстве случаев используются деформационные манометры на основе одновитковой трубчатой пружины - трубки Бурдона - для прямопоказывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами для самопишущих манометров, но на смену им все чаще приходят электрические манометры с цифровым табло и развитой системой интерфейсов.

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения избыточного и абсолютного давления - собст­ венно манометры, разрежения - вакуумметры, давления и разрежения - мановакуумметры, атмосферного давления - барометры и разност­ ного давления - дифференциальные манометры (дифманометры).

Манометры, вакуумметры и мановакуумметры для измерения небольших (до 20 - 40 кПа) давлений газовых сред называют соответственно напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами, а дифманометры с таким диапазоном измерения-микроманометрами (ГОСТ 8.271-77). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ2405-88, ГОСТ 18140-81). По области применения манометры подразделяют на общепромыш­ ленные-, или технические, работающие в промышленных условиях (при перепадах температур и влажности окружающей среды, вибра­ циях, загрязнении внешней среды), лабораторные (приборы повышенной точности для использования в комфортных и стабиль­ ных условиях лабораторий), специальные (применяются в экстремаль­ ных условиях: на железнодорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислотными и другими агрессивными средами), образцовые (для поверки рабочих манометров) и эталон­ ные (хранители единиц давления с целью передачи их образцовым

приборам). По типу отображения значений измеряемого давления манометры подразделяют на прямопоказывающие - с визуальным считыванием данных непосредственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора, на сигнализирующие (электроконтактные) - с выдачей управляющего электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного значения, на регис­ трирующие (самопишущие) - с записью в память значений давления как функции времени и их отображением на электронном табло.

Манометры выполняют функцию локального контроля и в боль­ шинстве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного дос­ тупа к их показанйям (за! исключением манометров с унифици­ рованным выходным электрическим сигналом) не могут исполь­ зоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преобразователи давления (рис. 7.12).

По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давле­ нию) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы).

Современная тенденция развития ИПД заключается в их “интел­ лектуализации” на базе микроэлектронной технологии и микро­ процессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых тра­ диционных функций вторичных преобразователей - первичным.

Известны десятки способов преобразования давления в элект­ рический сигнал, но только некоторые из них получили широкое при­ менение в общепромышленных ИПД. По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные ИПД подразделяют прежде всего на деформационные и электрические. В первых деформационные перемещения УЧЭ (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помо­ щью дополнительных промежуточных механизмов и преобра­ зователей (например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного) в электрический или электромагнитный сигнал, а во вторых изме­ ряемое давление, оказывая воздействия на ЧЭ, изменяет его

Рис.7.12. Классификация измерительных преобразователей давления

собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления.

Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе ёмкостных (используют УЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет ёмкость УЧЭ), пьезоэлект­ рических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и других

-от давления) или тензоризисторных (используют зависимость ак­ тивного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах. В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные.

На сегодняшний день самыми популярными на постсоветском пространстве являются тензорезисторные ИПД. Тензорезисторные чувствительные элементы ТРЧЭ (в переводной литературе их иногда называют пьезорезистивными) представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме

-электронному блоку обработки. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным дефор­ мациям тензорезисторного моста и его разбалансу - изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком.

Тензорезисторы (ТР) выполняются как из металла (проволочные, фольговые или пленочные), так и из полупроводника (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полу­ проводниковых ТР в десятки раз выше, чем металлических и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микро­ электронный блок обработки, в последние годы получили преиму­ щественное развитие интегральные полупроводниковые ТРЧЭ. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов

сизоляцией их от проводящей кремниевой подложкир-п переходами

-технология “кремний на кремнии”, либо по гетероэпитаксиальной технологии “кремний на диэлектрике” на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно вли­ яние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компен­ сации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и термо­ резисторы).

По выходному сигналу ИПД подразделяются на аналоговые и цифровые. Основной парк действующих ИПД относится к ана­ логовым с унифицированным токовым сигналом 0...5, 0...20 или 4...20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой инфор­ мации поверх стандартного аналогового сигнала 4 -20 мА. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей

Foundation Field bus, Mod Bus, Profibus. При этом используется полностью цифровой протокол для передачи информации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых произво­ дителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифровые интерфейсы, как ДДПК (двоично-десятичный парал­ лельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RS-232С.

ИПД различаются, кроме того, по видам измеряемого давления, используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520-85): диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда давлений), пределу основной допускаемой погрешности (определяется при нормальной температуре +25 °С от верхнего предела диапазона измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гисте­ резиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов из­ мерения), пределу дополнительной погрешности, допустимому

рабочему диапазону температур окружающей среды, динамическому диапазону измерения давлений, стабильности метрологических характеристик во времени (как процент предела диапазона измерения

втечение 6 или 12 месяцев), устойчивости к вибрациям, защите от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнениям (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 14254-96), требованиям к источнику питания и по другим параметрам.

7.5.4.Средства измерения расхода

Взависимости от принципа действия наиболее часто применя­ емые в народном хозяйстве расходомеры и счетчики жидкости, газа и пара могут быть классифицированы следующим образом.

1.Расходомеры переменного перепада давления. Принцип дейст­ вия этой группы расходомеров основан на зависимости перепада дав­ ления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым

втрубопроводе, или элементом трубопровода, от расхода вещества.

Красходомерам переменного перепада давления относятся расходомеры:

- с сужающим устройством (принцип действия основан на зависимости перепада давления, образующегося в сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую, от расходе^;

- с гидравлическим сопротивлением (принцип действия основан на зависимости перепада давления, образующегося на гидравлическом сопротивлении, от расхода);

- с напорным устройством (принцип действия основан на зависимости перепада давления, создаваемого напорным устройством

врезультате перехода кинетической энергии струи в потенциальную, от расхода);

- центробежные (принцип действия основан на зависимости давления, образующегося на закруглении трубопровода в результате действия центробежных сил в потоке, от расхода);

- струйные (принцип действия основан на зависимости пере­ пада давления, образующегося при ударе струи, от расхода) и др.

2.Расходомеры переменного уровня. У этих приборов уровень жидкости в сосуде при свободном истечении ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда зависит от расхода.

3.Расходомеры обтекания. У этих приборов перемещение тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, зависит от расхода вещества. К расходомерам обтекания относятся расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры, поплав­ ковые, пружинные), поплавково-пружинные, с поворотной лопастью.

4.Тахометрическиерасходомеры (принцип действия основан на зависимости скорости движения тела, установленного в трубопро­ воде, от расхода вещества). В эту группу входят: 1) камерные рас­ ходомеры с одним или несколькими подвижными элементами, от­ меривающими при своем движении определенные объемы жидкости или газа; к камерным расходомерам относятся шестеренчатые (с вращающимися шестернями), лопастные (с лопастями, совершаю­ щими сложное вращательно-поступательное движение), поршневые, роторные (с вращающимися роторами), винтовые (с роторами винто­ вой формы), кольцевые (с кольцевым поршнем, катящимся внутри цилиндрической камеры и одновременно движущимся вдоль перегородки) и др.; 2) турбинные с вращающейся крыльчаткой;

3)шариковые с движущимся шариком.

5.Электромагнитные расходомеры (принцип действия основан на зависимости результата взаимодействия движущейся жидкости с магнитным полем от расхода).

6.Акустические расходомеры, создающие зависимый от расхода акустический эффект в потоке. К этой группе приборов относятся ультразвуковые расходомеры, использующие звуковые колебания частотой свыше 2* 104 Гц.

7.Вихревые расходомеры (принцип действия основан на зависимости частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования, от расхода).

Кроме перечисленных, существует большое число расходомеров

исчетчиков жидкости, газа и пара, принципы действия которых основаны на других зависимостях (например, тепловые, оптические, ионизационные, меточные, парциальные и др.).

Воптических расходомерах измерение расхода производят по оптическому эффекту, сопровождающему процесс распространения света в измеряемом потоке. В качестве источников излучения применяют лазеры.

Ионизационными называют расходомеры, принцип действия которых основан на искусственной ионизации движущегося потока вещества, обычно газа, вызывающей возникновение ионизационного тока между электродами; величина тока зависит от расхода газа. Ионизация потока осуществляется изотопами или же с помощью электрического поля.

Парциальный метод измерения расхода позволяет с помощью небольшого расходомера или счетчика количества контролировать поток в трубопроводе большого диаметра. В парциальных расходо­ мерах измеряется определенная доля расхода основного потока, для ответвления которой используется перепад давлений (на сужающем устройстве или участке трубопровода) либо динамическое давление потока.

Термины и определения основных понятий, применяемых в области приборов для измерения расхода и количества жидких и газообразных сред, установлены ГОСТ 15528-70.

Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления со стандартными сужающими устройствами получили широкое распространение. Причиной этого являются следующие их достоинства:

-универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных сред при самых различных давлениях и температурах;

-удобство массового производства. Индивидуально изготовля­ ется только преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе дифманометр и вторичный прибор, могут изготовляться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды;

-отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужаю­ щих устройств может быть определена расчетным путем.

Наряду с этим расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются сле­ дующие:

-квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высо­ кой погрешности измерения и затрудняет использование этих прибо­ ров для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах;

-ограниченная точность, причем погрешность измерения ко­ леблется в широких пределах (1,5 - 3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давле­ ния и температуры измеряемой среды.

Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и вместе установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статическое давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего устройства - перепад давления - зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.

Основы измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами и общие технические требования к расходомерным устройствам регламентируются Правилами РД 50-213-80.

При измерении расхода газов и жидкостей допускается приме­ нять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, соплах и трубах Вентури.

Расходомеры переменного уровня

Принцип действия расходомеров переменного уровня основан на зависимости между расходом и высотой уровня жидкости в сосуде, через который непрерывно протекает жидкость. Их обычно приме­ няют для измерения расхода агрессивных жидкостей, а также жидкос­ тей, содержащих взвеси. Наибольшее распространение получили приборы с отверстиями истечения щелевой формы, распложенными в боковой стенке. Специальный профиль щели обеспечивает пропор­ циональность между расходом и высотой уровня в сосуде.

Преобразователь расхода щелевой типа ПРЩ предназначен для измерения массового расхода некристаллизующейся агрессивной жидкости, протекающей через первичный преобразователь. Плот­

ность измеряемой среды должна быть в пределах от 0,97 до 1,8 г/см3, вязкость - не более 0,01 Па*с, температура - до 70 °С. Материал корпуса преобразователя - сталь 12Х18Н1 ОТ или сталь 06ХН28МДТ.

Давление воздуха в пьезометрической трубке уравновешивает гидростатическое давление измеряемой жидкости перед профили­ рованной щелью и воспринимается дифманометром, который преобразует его в стандартный пневматический сигнал 20 -100 кПа. Таким образом выходной сигнал дифманометра пропорционален расходу протекающей жидкости.

Пневматическая часть расходомера размещена в блоке управле­ ния, который входит в комплект поставки. Он представляет собой металлический шкаф размером 411 х 415 х 886 мм, его можно устанав­ ливать на расстоянии до 10 м от первичного преобразователя. В шкафу смонтированы дифманометр, воспринимающий давление в пьезо­ трубке, редукторы и контрольный стаканчик, через которые питаются пьезотрубка и дифманометр, а также манометры, контролирующие давление перед пьезотрубкой, на входе и на выходе дифманометра. Давление воздуха питания 0,25; 0,4 или 0,6 МПа. Расход воздуха в установившемся режиме не превышает 8 л/мин. Выходной сигнал дифманометра поступает ко вторичному прибору или устройству автоматического регулирования, которые можно устанавливать на расстоянии до 50 м от блока управления.

Расходомеры обтекания

К этим расходомерам относятся приборы, чувствительные эле­ менты которых обтекаются потоком. Наибольшее распространение получили расходомеры постоянного перепада давления, у которых перепад давления измеряемого вещества на чувствительном элементе на всем диапазоне измерений с некоторым приближением можно считать постоянным. К этой группе приборов относятся ротаметры, широко применяемые для измерения малых расходов жидкости ц газа. Основными элементами ротаметра являются расширяющаяся кверху вертикальная конусная трубка и поплавок, находящийся в потоке измеряемого вещества. Равновесное состояние поплавка, соответ­ ствующее его определенному положению по вертикали, однозначно характеризует расход.

К основным преимуществам ротаметров можно отнести простспу конструкции, возможность измерения малых расходов, значительный

диапазон измерения, возможность измерения расхода агрессивных сред, достаточно равномерную шкалу. Недостатками ротаметров являются большая чувствительность к температурному изменению вязкости (особенно при малых расходах), невозможность измерения расхода загрязненных жидкостей и жидкостей, из которых выпадает осадок.

Выпускают ротаметры для местного измерения расхода без дистанционной передачи показаний, с электрической дистанционной передачей показаний без местной шкалы, с пневматической дистан­ ционной передачей и местной шкалой показаний. На заводе-изго- товителе ротаметры тарируются по воде или воздуху. Для других сред необходима индивидуальная тарировка. Ротаметры выпускают по ГОСТ 13045-81, они предназначены для измерения объемного расхода плавноменяющихся однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов с дисперсными включениями ино­ родных частиц. Верхние фактические пределы измерения ротаметров не должны превышать значений верхних пределов, указанных для каждого прибора, более чем на 20%, нижний предел измерения должен составлять не более 20% от верхнего фактического предела измерения.

При заказе ротаметра следует указать его тип, предел измерения, измеряемую среду, исполнение, категорию размещения и тип вторичного прибора.

Расходомеры жидкостей шариковые

Шариковыми называются тахометрические расходомеры, чувствительным элементом которых является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Структурная схема расходомера включает первичный преобразователь расхода и измерительный (вторичный) прибор. Первичные преобразователи состоят из шарикового преобразователя расхода и нормирующего преобразователя. Шариковые расходомеры нечувствительны к твердым включениям в измеряемой среде, а также к вибрации и ударным нагрузкам в широком диапазоне, они отличаются простотой конструкции и позволяют измерять расход пульсирующих потоков с амплитудой пульсации, меняющейся от нуля до максимального

значения расхода. Шариковые расходомеры выпускаются по ГОСТ 14012-76.

Электромагнитные расходомеры

В основу работы электромагнитных расходомеров положен закон электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересе­ кающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Выпускаются расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода и с электромагнитным преобразователем скорости потока. Процессы, протекающие в них, имеют одинаковую физическую основу.

Электромагнитные расходомеры могут применяться для измере­ ния больших расходов жидкости, их показания не зависят от парамет­ ров контролируемой среды (вязкости, температуры, химического состава, плотности), они обладают высоким быстродействием, имеют линейную шкалу и значительный диапазон измерения. С помощью этих приборов можно измерять расход агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп. Преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют движущихся элементов и сужений. В расходомерах применено переменное магнитное поле повышенной частоты (50 Гц), при котором практически устраняется влияние поляризации электродов на выходной сигнал преобразователя. Приборы применяют для измерения расхода жидкостей с удельной электропроводностью не менее 10'3 См/м, соответствующей электро­ проводности воды из водопроводной сети. Верхний предел удельной электрической проводимости 10 См/м.

К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести необходимость компенсации помех, возникающих при переменном поле в цепи электродов, а также то обстоятельство, что газы и такие жидкости, как масла, бензин и другие нефтепродукты, вследствие малой электропроводности остаются за пределами применения этих приборов. Вблизи преобразователя расхода, измерительного устрой­ ства или линии связи между ними не должно быть электросиловых устройств, создающих сильное электромагнитное поле.

При заказе расходомера следует указать его тип, диаметр услов­ ного прохода, вид покрытия первичного преобразователя, диапазон измерения.

Вихревые расходомеры

Вихревыми называют расходомеры, принцип действия которых основан на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Основными достоинствами этих при­ боров является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, а также линейность шкалы в большом диапазоне измерения.

Преобразователь расхода ВИР предназначен для измерения расхода воды, он состоит из первичного преобразователя ППВР, выбираемого в зависимости от диапазона измерения расхода, и передающего преобразователя ПЧВР-5.

Температура измеряемой среды 5 - 9 5 °С, рабочее избыточное давление в трубопроводе не более 2,5 МПа. Нижний предел измерения равен 10% от верхнего.

В процессе развития науки и техники создаваемые человеком средства измерения становятся всё более сложными и требования, предъявляемые к ним, становятся всё более жёсткими. Датчики приобретают новые потребительские качества: упрощается обслужи­ вание, снижаются эксплуатационные и ремонтные расходы, умень­ шается время подготовительных работ перед началом эксплуатации, повышается надёжность и точность измерений.

7.6. Использование F ield B u s- технологий

при проектировании АСУТП

Основная цель построения распределенных систем автомати­ зации - удешевление и упрощение технологий и менеджмента производства и эксплуатации конечной системы за счет, в частности, обеспечения технологии сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных пассивных элементов (датчики, регуляторы и т.п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости.

Во многих странах коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).

Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS-485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия.

Стандартные и частные решения

Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к организации их эффективного и надежного взаимодействия. Там, где коммуникационные системы гомогенны (однородны), т.е. построены из устройств одного производителя, аппаратно-программные проблемы, как правило, решены. Но когда речь идет о построении систем с использованием устройств различ­ ных производителей, то неизбежно встают вопросы их совмес­ тимости.

Уникальные системы, то есть системны, работающие по уникаль­ ным протоколам связи и производимые и поддерживаемые одной компанией, получили название закрытых систем. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными.

Успешное интегрирование в единую систему изделий от различ­ ных производителей позволяет использовать принципы открытых систем.

Применительно к промышленным сетям частные решения - это интеллектуальная собственность отдельных компаний, и использо­ вание таких технологий ограничивается необходимостью получения лицензионного права пользования. Другое дело - открытые системы, открытые технологии, открытые сет и.

Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

-наличие полных опубликованных спецификаций с возмож­ ностью их приобретения за разумные деньги;

-наличие критического минимума доступных компонентов (интерфейсные кристаллы и готовые изделия) от ряда независимых поставщиков;

-организация хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

Более коротко это можно сформулировать так: каждый желаю­ щий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или

выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Если некоторая /?е/<йм.г-технология относится к открытым систе­ мам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств:

-включаемостью (interconnectivity), т.е. возможностью свобод­ ного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей;

-взаимодействием {interoperability), т.е. возможностью постро­ ения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков;

-взаимозаменяемостью {inter-changeability), т.е. возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других про­ изводителей.

Очевидно, что конечной целью создания открытой промышлен­ ной сети является достижение именно взаимозаменяемости отдель­ ных ее компонентов. Это возможно, если спецификации протоколов полные и существует отлаженная система тестирования и сертифи­ кации новых изделий.

Результаты исследований рынка промышленных сетей, предо­ ставленные независимыми маркетинговыми компаниями, убеди­ тельно свидетельствуют о постоянном росте открытых fieldbus-си­ стем: около 20% в год. Однако до сих пор существенную долю рынка занимают закрытые (частнофирменные) решения.

Определение “fieldbus”

Корнем термина fieldbus является слово field - область, сфера, место приложения. Промышленные сети (fieldbuses) применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производ­ ства и переработки материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.

Fieldbus- э то основополагающий термин, определяющий некото­ рую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4 - 2 0 мАтехнологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, после­

довательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые приводы и т. п. Каждоеfield-устрой­ ство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позво­ ляющим относить его к разряду интеллектуальных {smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выпол­ нять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему устройств. Поэтому технология fieldbus - это нечто большее, чем просто замена 4 - 20мА - технологии.

Fieldbus - это сеть для промышленного применения, логически очень похожая на LAN-сети, применяемые в офисных приложениях. Однако промышленные сети должны отвечать специфическому набору требований:

-жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения;

-обеспечение функций реального времени;

-работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара);

-повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в промышленной среде (например, при больших электромагнитных помехах);

-наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

Одним из ключевых требований рассматриваемой технологии является повышенная надежность передачи данных и детермини­ рованность поведения, предполагающая, что все возможные события

всети могут быть заранее четко определены.

Переход на fieldbus-технопогию обещает улучшение качества, снижение затрат и повышение эффективности конечной системы. Эти обещания основаны на том факте, что принимаемая или передаваемая информация кодируется в цифровом виде. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обес­ печивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровож­ дению. Серьезный ценовой выигрыш получается за счет проводников

и монтажных работ: аналоговая технология связи требует, чтобы каж­ дое устройство имело собственный набор проводов и собственную точку соединения. Fieldbus устраняет эту необходимость, так как использует всего одну витую пару проводников для объединения всех активных (контроллеры) и пассивных (датчики) устройств.

Кроме того, общее количественное снижение оборудования дела­ ет всю систему не только проще в эксплуатации, но и надежнее за счет уменьшения потенциальных аппаратных отказов.

Место полевых шин в иерархии систем

1.GAN - Global Area Network (глобальные сети): спутники

асвязи, трансатлантические линии связи.

2.WAN - Wide Area Network (широкомасштабные сети): Интернет.

3.MAN- Megapolis Area Network (объединенные мегаполисные сети).

4.LAN - Local Area Network (локальные сети): сети, не выходящие из здания офиса.

5.FAN - Field Area Network (промышленные сети).

6.$AN (шины, интерфейсы): сети низшего уровня.

LAN и FAN объединены в LON - Local Operating Network. Рассмотрим несколько популярных технологий Fieldbus проекти­

рования автоматизированных систем управления технологическими процессами.

7.6.1. Технология “Шина P-NET”

Общая характеристика P-NET

P-NET- это шина, которая была создана для объединения отдель­ ных компонент вычислительного процесса, а именно: компьютера, датчиков, исполняющих устройств, устройств ввода/вывода, цен­ трального и периферийного контроллеров и т.д., которые обычно сое­ диняются двумя кабелями. Такое соединение заменяет традиционное при использовании большого количества кабелей. Данные, получа­ емые в ходе выполнения процесса (показания измерительных приборов, сигналы датчиков) преобразуются в числовые величины (рис. 7.13). P-NET используется также для объединения данных, для конфигурации узлов/датчиков и для загрузки программ.

Использование P-NET характеризуется низкими затратами, осо­ бенно для небольших систем. Расходы прямо пропорционально зависят от размера системы. Р-NET одинаково хорошо подходит как для малых производственных систем, так и больших, имеющих большое количество контроллеров, датчиков и интерфейсных моду­ лей. Кроме того, любые системы такого вида всегда можно расширить в случае необходимости.

Области применения Р-NET Полевая шина P-NET нашла приме­ нение более чем в 5000 системах, внедренных по всему миру. Диапа­ зон применения Р-NET распространяется от простых инсталляций с несколькими I/O точками до очень больших и сложных инсталляций, использующих более 4000 I/O точек.

Р-NET нашла широкое применение как в промышленности в целом, так и в отдельных частях производства.

Основные принципы функционирования Р-NET Электрическая спецификация Р-NET основана на стандарте &5-485, использующем защищенную витую пару, что позволяет использовать кабель длиной до 1200 метров без повторителей. Данные посылаются асинхронной передачей в NRZ коде. Интерфейс Р-NET гальванически изолирован. К нему может быть присоединено до 125 устройств на каждый сег­ мент шины через специальную цепь зажимов без использования повторителей.

Р-NET обладает очень эффективным протоколом полевой шины,

вкотором можно выполнить до 300 передач подтвержденной инфор­ мации в секунду от 300 адресов независимых узлов. Эта информация может передаваться либо в форме полностью обработанной перемен­ ной (переменной с плавающей точкой), таких как температура, давление, электрический ток и т.д., либо в качестве 300 блоков от 32 независимых бинарных сигналов, означающих состояние, положение и т. д. Это приводит к выполнению до 9600 бинарных сигналов в секунду, доступных из любой точки всей системы.

Р-NET является шиной с несколькими мастерами, число которых может доходить до 32. Основной принцип связи заключается в следу­ ющем: мастер посылает запрос - и слэйв отправляет немедленный ответ. Запрос может быт типа читать - писать. Мастера и слэйвы показаны на рис. 7.14.

кими мастерами. Другие шины, например, PROFIBUS, передают реальные телеграфные сообщения для передачи маркера. Такой метод передачи увеличивает время работы мастера и позволяет сократить мощность шины. Принцип передачи виртуального маркера также применим при отсутствии мастера. В этом случае все устройства, включая остальные мастера, будут продолжать свою работу обычным образом.

Большое количество осуществленных передач данных достига­ ется за счет одновременной работы слэйвов по обработке данных и получению и передачи блоков. Процесс запроса начинается в слэйве сразу же после прибытия первого байта данных. Это является отличи­ ем от схем, где запрос не посылается до прибытия всего блока данных. Таким образом, стандартная скорость передачи данных 76800 бит/с не является ограничивающим фактором при выполнении. Выпол­ нение может быть образовано в системах со скоростью передачи данных свыше 500000 бит/с.

Мулътисетевая структура Р-NET Существовавшие до сих пор пути создания архитектуры сетей для промышленных предприятий имели периферийные шины, непосредственно связывающие датчики и исполняющие устройства (см. рис.7.14).

Периферийная шина могла бы быть соединена с элементомконтроллером или несколько элементов-контроллеров могли бы быть соединены с элементами сети иерархически, что означало бы изме­ нение высокоскоростной сути сети. Скорость передачи данных в сети на самом высоком уровне была принята за величину больше, чем у сетей нижнего уровня.

Возможно, это было резонной философией в той части, где все окончательные данные хранились в мощном компьютере на верхнем уровне. Практикой сегодняшнего дня и дня будущего является рас­ пределение сведений между элементами-контроллерами, интерфей­ сом и датчиками. На каждом уровне данные накапливаются и хра­ нятся внутри одной и той же шины. Потребность в высокой скорости передачи данных на высшем уровне уменьшается, так как большин­ ство сведений распределено. Это является основанием для примене­ ния Р-NET на различных уровнях в полной системе автоматизации предприятия.

Деление системы на элементы, возможность связи с любым производственным объектом позволяет исключить отдельные секции, не воздействуя при этом на остальные. Выполнение программы может быть разделено на один или больше независимых процессов на элемент. Программная или аппаратная ошибка в элементе не будет влиять на работу остальных элементов. Отдельный элемент сейчас имеет только ограниченную потребность в обмене данными с другими элементами, например, чтобы начать или завершить процесс, чтобы загрузить средства, чтобы передать результаты и т.д. В системе, в которой сведения действительно распределены, всегда может быть добавлен дополнительный управляющий контроллер за счет высвобожденных ресурсов и, следовательно, это позволяет системам расширить свою структуру.

Среди имеющихся систем связи с периферией только P-NET осуществляет прямую адресацию между несколькими сегментами шины, которые известны так же как и структура мульти-сети. Эта особенность является специфической частью Р-МЕТ-протокола. Прямая адресация может быть построена внутри стандартной операционной системы многопортовых мастеров. Соединение осуществляется прямо через различные сегменты шины и узлы с двумя или более интерфейсами P-NET. Это значит, что несколько компьютеров одного сегмента шины могут иметь прямой доступ к нескольким узлам из другого сегмента без использования специ­ альной программы в мастере.

Разбиение на сегменты также позволяет иметь в распоряжении независимые локальные нагрузки на каждом сегменте шины, которые увеличивают скорость передачи данных и ввод/вывод данных через всю систему.

Еще одно важное преимущество разбиения системы на неболь­ шие сегменты - ограничение влияния ошибки в одном сегменте на работу остальных благодаря эффективной службе защиты системы. Более того, эти отличительные черты мульти-сети учитывают естест­ венную избыточность, которая делает общую инсталляцию производ­ ства очень крепкой, что касается ошибок. Важное преимущество многосетевой топологии P-NET в том, что она не нуждается в иерар­ хической структуре в сегментах шины. Это особенно важно при рас­ ширении P-NET и при подсоединении к другой сети.

Для соединения двух сегментов внутри одного узла в системе не мульти-сетевых шин требуется специальная программа в этом узле. Такая программа требует все данные от всех устройств одного сегмен­ та для того, чтобы сделать этот сегмент доступным для других (так называемое создание “представления о процессе”). При большом количестве данных, которые имеются в распоряжении сегодняшнего программируемого узла, почти невозможно поддерживать верное “представления о процессе” для полного сегмента шины. Такая про­ цедура занимает значительную часть мощности шины и запрашивает большое количество памяти. Более того, создать и проверить создан­ ную программу для соединения каждого сегмента дорого. Р-NET не требует создания такого “представления о процессе”.

Преимущества протокола Р-NET Распределенная мощность выполняемого процесса может быть увеличена за счет простого добавления мастера.

Все узлы, подчиняющиеся Р-NET, могут быть прямо связаны с шиной и друг с другом, так как Р-NET использует только одну ско­ рость передачи данных и только один вариант на каждом коммуни­ кационном уровне. Это является отличием от других стандартов, которые допускают несколько вариантов на одном и том же уровне, что является результатом несовместимости.

Любые /V/VZiT-модули, включая управляющие, могут быть присо­ единены к шине или отсоединены от нее без обращения к остальным системам шины. Следовательно, возможен обмен модулей и расши­ рение системы может осуществляться без прекращения работы системы.

Потребность в конфигурации связанных параметров в P-NET весьма незначительна по сравнению с другими системами. В слэйвах системный интегратор Р-NET должен только подключить адреса узлов, а в управляющих модулях нужно только определить адрес узла и номер управляющего модуля. Следовательно, не нужно долго обучаться, чтобы понять и инсталлировать систему P-NET.

Для изменения адреса отдельного модуля сети посредством его уникального серийного номера в P-NET-стандарт включены специ­ альные процедуры. Они позволяют изменить адрес узла системы без прерывания работы. Переключатели и другие механизмы могут быть удалены, следовательно, это позволяет создать герметически закры­ тые узлы P-NET.

При разработке нового устройства для P-NET можно извлечь пользу из того факта, что P-NET может иметь доступ к любому адресу внутри устройства, логическому или физическому. Когда устройство подключается к P-NET, обе процедуры проверки, которые выполня­ ются во время фазы развития для прикладных программ внутри устройства, и последующая калибровка и эксплуатация могут быть упрощены. P-NET может использоваться для просмотра устройства на програм-мные переменные монитора.

Результаты измерений, проведенных в слэйве, предоставляются мастеру в допроцессной форме в единицах измерения СИ. Выигрыш очевиден, так как ненадобность повторного преобразования, произво­ димого мастером (мастерами), приводит к значительной экономии мощности. Например, результат измерения температуры слэйв преобразует в переменную с плавающей точкой и предоставит по запросу мастера в градусах Цельсия.

Идентификаторы, используемые для доступа к физическим пере­ менным в сети, определены в списке “Программное обеспечение”. Этот список создается во время компиляции действующей програм­ мы. Следовательно, не требуется передача в режиме реального времени, что приводит к очень быстрому доступу к данным. Чтобы обеспечить хранение данных в режиме реального времени, каждый блок данных, передаваемый в сеть, ограничен 56 байтами. Если запрашиваемые данные длиннее, чем 56 байтов, они автоматически делятся на несколько групп, удобных для передачи.

Программируемые модули P-NET. Типичный модуль P-NET

(рис. 7.15) дает системному интегратору большие функции, чем просто ввод/вывод, которые очень часто содержат в себе дополнитель­ ные функции, определяющие процесс. Их диапазон распространяется от простого ограниченного направленного мониторинга до регулятора или программных каналов, разрешения системному интегратору устанавливать локальный контроль или специальные шаги процесса.

Другая возможная функция слэйваиспользование его как пере­ датчика, где аналогичные сигналы от загруженных элементов непрерывно поступают, обрабатываются и хранятся в памяти слэйва. Если от мастера поступает запрос, то слэйв немедленно посылает самые последние результаты из хранящихся. В слэйве также осущест­ вляется постоянный контроль за ошибками, и мастер, благодаря коду

Легкость реализации P-NET. Одна из причин большого числа инсталляций P-NET, действующих сейчас, может быть связана с низкой стоимостью реализации узла. Отличительная черта P-NET - это использование одного и того же микропроцессора для контроля как за главной задачей (прикладная область), так и за задачей комму­ никации. Данные хранятся в одном определенном месте. При присое­ динении P-NET как составной части устройства она может быть использована для выполнения конфигурации и для чтения состояния устройства.

Обычно это означает, что £>/Р-переключатели могут быть исклю­ чены при выборе скорости передачи в Бодах и размещении адреса узла.

Другие типы данных используют добавочные цепи в каждом узле в форме отдельной платы/микропроцессора для коммуникации. Данные обмениваются через двухпортовую RAM. Этого не нужно для специально установленных схем, когда реализуется P-NET протокол, потому что программа для слэйва может требовать только несколько кбайт кодов. Последнее обеспечивает удобство для использования общего стандарта отдельных микропроцессорных схем, например Н8 - 300, 68НС11, 6805, 8051 и т.д. включая UART.

Следовательно, можно заключить, что использование узлов P-NET обходится не дороже, чем традиционное микропроцессорное оборудование, не обладающее соединением P-NET.

В помощь производителям и для обмена опытом по реализации узлов P-NET создана организация пользователей P-NET.

Краткое описание архитектуры P-NET. P-NET реализована согласно эталонной модели взаимодействия открытых систем на уровне 1, 2, 3, 4, и 7. Обычная шина подключается только на уровне 1, 2, и 7. Поскольку особенностью P-NET является многосетевая структура, протокол реализуется также на уровне 3 и 4.

Уровень 1 обеспечивает передачу необработанного бита по шине. Он точно определяет кабель как 1 или О и выдает сообщение в шину, что уровень подключен и т.д.

Уровень 2 обеспечивает передачу маркера между мастерами, упаковывает данные в блоки для отправки, включая адреса отпра­ вителей и получателей, а также обнаруживает ошибки.

Уровень 3 является “почтой” P-NET, которая получает и отправ­ ляет блок данных согласно адресам получателей. Сообщение может быть отправлено по требованию в другой порт или службу или вер­ нуться обратно по запросу или в том случае, когда адрес неизвестен. Также он выполняет необходимое превращение адресов для того, чтобы можно было вернуть сообщение.

Уровень 4 выполняет две различные задачи. Первая - обеспе­ чение работы услуг P -N E T которые учитывают или записывают данные во внешнюю память через список SOFTWIRE, или ремаршрутизируют запросы, если табло SOFTWIRE показывает, что пере­ менные находятся в другом узле. Вторая задача - содержать подроб­ ную информацию о номерах запросов, которые были посланы, но на них не было получено ответа. Если ответ наконец-то получен, то он отсылает его запрашивавшему.

Уровень 7 используется в прикладных программах для доступа к переменным в других узлах. Для этого производится посылка блока команд, содержащих ссылки на список SOFTWIRE, в котором сдержатся адреса узлов, внутренние адреса и т.д. Список SOFTWIRE используется также внутренними переменными.

Прохождение виртуального маркера. Каждому мастеру P-NET

дается адрес узла, который лежит между 1 и числом мастеров шины. Все мастера содержат “счетчик простоя шины”, который увеличивается каждый раз, когда шина простаивает. Каждый мастер имеет также счетчик доступа, который увеличивается каждый раз,

когда счетчик простоя шины достигает значений 40, 50, 60.

Когда счетчик доступа мастера равен адресу узла, мастер стано­ вится обладателем маркера и ему дозволяется доступ к шине.

7.6.2. Технология “L o n W orks”

Технология LonWorks содержит интеллектуальные устройства, называемые узлами, которые взаимодействуют друг с другом с помощью широкого набора предающих сред, используя общий протокол, основанный на сообщениях.

Технология LonWorks включает в себя все элементы, требуемые для разработки, построения и дальнейшей поддержки управляющих сетей, такие как:

- нейрон-чипы МС143150 и МС143120;

-магнитными картами;

-устройствами передачи данных инфракрасным излучением;

-дифференциальными кодерами/декодерами;

-UART-

-специальными запоминающими устройствами типа Touch Memories.

Одной из особенностей систем автоматизации, построенных с применением LonWorks, является их децентрализация. Децентра­ лизованная система на базе LonWorks обладает следующими свойствами:

-все устройства являются равноправными (нет деления на ведущее и ведомое устройство);

-инициализация передачи данных, как правило, производится отправителем. Получение данных методом опроса считается неэф­ фективным;

-функции каждого узла программируются с помощью со­

бытий.

Локальные вычислительные сети, в частности LonWorks, иде­ ально подходят для построения сетей по децентрализованному прин­ ципу, при этом ресурсы распределены среди большого числа узлов. Так, в автоматизации зданий одна сеть может содержать около 10000 узлов. Узлы. LonWorks могут использоваться для применения в различных областях и оптимально сконфигурированы.

Сетевая технология LonWorb предоставляет разработчику си­ стемы все основные типы передающих сред, таких как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно, передача данных, используя радиотракт, инфракрасные передатчики и силовые линии.

Особенности LonWorks

1. Основой построения узла является нейрон-чип, который для передачи использует манчестерское кодирование. Основное достоин­ ство этого метода - отсутствие постоянной составляющей в сигнале, что позволяет совместить шину питания и информационную шину.

2.LonWorks использует метод доступа к шине CSMA, что означает, что узел самостоятельно определяет, занята ли шина, и обрабатывает возникающие коллизии.

3.LonWorks использует схему адресации, допускающую сег­ ментацию сети, которая реализуется с помощью маршрутизаторов.

4. На сеансовом уровне LonWorks предоставляет службу иден­ тификации, с помощью которой можно реализовать защиту пере­ даваемых данных от повреждения или подмены.

Реализация приложений

Враспоряжении разработчиков имеется семейство нейрон-чипов.

Взависимости от требований можно использовать различные их типы. Интересно, что коммуникационный протокол реализован аппаратно в каждом нейрон-чипе и не требует дополнительных затрат на реализацию.

От пользователя требуется записать пользовательское приложе­ ние в нейрон-чип и, используя специальные программные средства, связать их между собой (различные приложения, находящиеся в разных узлах).

Протокол LonTalk

Протокол, реализованный в нейрон-чипе, является независимым от среды передачи данных. Среди передающих сред доступны витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно, инфракрасные передатчики и силовые линии.

Канал - это физическая передающая среда для информационных пакетов. Канал может содержать максимум 32835 узлов. Сеть может содержать, в свою очередь, один или несколько каналов. Для передачи данных из одного канала в другой используются маршрутизаторы. Маршрутизатор чаще всего представляет собой два нейрон-чипа, соединенных напрямую друг с другом (цифровыми входами/выходами), при этом каждый нейрон-чип содержит свой приемоперед­ атчик, возможно работающий с другой передающей средой.

Каналы могут быть сконфигурированы на различную скорость передачи, это может зависеть от различных внешних условий (рас­ стояние, питающего напряжения и пр.). Доступные скорости: 0,6; 1,2; 2,4; 4,9; 9,8; 19,5; 39,1; 78,1; 156,3; 312,5; 625,2 и 1250 Кбит/с. Средняя длина пакета находится в пределах от 10 до 16 байт, но при этом максимальная длина равна 255 байтам, включая адрес, домен и служебную информацию.

Верхним уровнем иерархии при адресации является домен. Идентификатор домена может иметь длину 0, 1, 3, 6 байт. Каждый узел может входить в два домена максимум.