Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматическое регулирование. Учебное пособие.pdf
эксплуатационными характеристиками, конструкцией и
комплектацией.
Интеллектуальные датчики давления
серии Метран – 150
Датчики «Метран» с микропроцессорным преобразователем
имеют преимущества перед аналогичными датчиками с
измерительным преобразователем по всем показателям:
метрологическим, функциональным, эксплуатационным. В
настоящее время серия более совершенных интеллектуальных
датчиков давления «МЕТРАН-150» (рис. 22) полностью заменила
датчики «МЕТРАН» предыдущих поколений [4].
Рис. 22. Интеллектуальный датчик давления «МЕТРАН-150»
Микропроцессорный преобразователь датчиков Метран-270
МП позволяет перенастраивать диапазон измерений и проводить
самодиагностику (рис. 23).
51
Рис. 23. Функциональная схема интеллектуального датчика
Блок электроники представляет собой электронную плату,
помещенную в герметичный корпус, объединяющую в себе
микропроцессор, модуль питания, блок управления ЖКИ дисплеем и
ЦАП. Получая данные из аналого-цифрового преобразователя,
процессор корректирует их в соответствии с коэффициентами,
хранящимися в запоминающем устройстве, и передает их в ЦАП,
который преобразует их из цифрового в аналоговый сигнал (4-20) мА.
Микропроцессор (МП) представляет собой конструктивно и
функционально законченное устройство обработки цифровой
информации, выполненное из одной или нескольких БИС, входящих в
состав МПК ИС. В первом случае МП называют однокристальным, во
втором – многокристальным или модульным. На основе
микропроцессорных комплектов ИС созданы микро-ЭВМ,
микропроцессорные управляющие вычислительные комплексы,
микропроцессорные программируемые контроллеры (МПК) и др.
Процессор посредством HART протокола может взаимодействовать,
как с конфигураторами, так и с различными системами сбора и
обработки информации. Все заданные пользователем параметры
работы прибора, а также коэффициенты корректировки первичных
данных хранятся в запоминающем устройстве.
4.3. Канал связи
Технология НАRТ - протокола позволяет по одной паре
проводов передавать и аналоговый (4-20) мА, и цифровой сигналы,
что даёт возможность использовать уже имеющиеся коммуникации
52
для аналоговых сигналов. Приём сигнала о параметре и настройка
датчика осуществляется с помощью HART - модема или HART коммуникатора. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий
получить информацию о состоянии датчика или осуществить его
настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой
петли уровня (4-20) мА (рис. 24). Таким образом, питание датчика,
снятие его первичных показаний и вторичной информации
осуществляется по двум проводам. HART протокол использует
принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости
1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один
полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая
накладывается на токовую петлю
(4-20) мА. Поскольку среднее
значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не
влияет на аналоговый сигнал (4 - 20) мА.
Рис. 24. Принцип обмена данными по HART-протоколу
4.4. Программируемые логические контроллеры
Функции управления технологическим оборудованием и
процессом могут быть реализованы как аппаратным, так и
программным способом. В первом случае при необходимости
изменения логики работы технического объекта приходится
заменять на печатной плате состав комплектующих элементов.
53
Программная реализация предполагает использование
универсальных электронных устройств на основе
микропроцессорной техники, которые называются
программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) [5].
Основным показателем ПЛК является число каналов вводавывода. По этому признаку ПЛК делятся на следующие группы:
нано-ПЛК (менее 16 каналов);
микро-ПЛК (более 16 каналов, до 100 каналов);
средние (более 100, до 500 каналов);
большие (более 500 каналов).
По расположению модулей ввода-вывода ПЛК бывают:
моноблочными, в которых устройство ввода-вывода не может
быть удалено из контроллера или заменено на другое;
модульные, состоящие из общей корзины, в которой
располагаются модуль центрального процессора и сменные модули
ввода-вывода;
распределенные, в которых модули ввода-вывода выполнены
в отдельных корпусах, соединяются с модулем контроллера по сети
и могут быть расположены на расстоянии до 1,2 км от
процессорного модуля [10].
Устройства ввода-вывода являются интерфейсом между
процессором ПЛК и реальным миром. Современный модуль ввода
имеет свой собственный микроконтроллер, который выполняет
циклический опрос всех своих каналов и помещает полученные
данные в буфер. При поступлении в модуль команды считывания
значений со входов собранные данные передаются из буфера модуля
в ПЛК, где помещаются в буфер ОРС сервера или в определенную
область ОЗУ [10].
Опрос модулей может выполняться циклически с одинаковой
частотой для всех модулей или с разной частотой. Во втором случае
есть возможность уменьшить загруженность шины, по которой
выполняется обмен данными между модулями ввода и
процессорным модулем [10].
Иногда требуется выполнить одновременный опрос входов
всех модулей ввода или вывести данные одновременно в каналы
всех модулей вывода. Для этого используют широковещательные
команды, которые воспринимаются всеми модулями одновременно и
они выполняют ввод или вывод данных в свои буферные регистры в
54
одно и то же время. После этого обычным циклическим опросом
данные по очереди вводятся в процессорный модуль [10].
Современные модули ввода-вывода могут выполнять кроме
функций ввода некоторую обработку вводимой информации и
дополнительные функции: компенсацию температуры холодного
спая термопар, линеаризацию нелинейных датчиков, диагностику
обрыва датчика, автоматическую калибровку, ПИД-регулирование,
управление движением [10].
ПЛК можно представить в виде трех частей: центрального
процессора, который выполняет основные действия по обработке
поступающей информации в соответствии с программой; входного
модуля, к которому подключают источники входных сигналов,
записываемых в регистр; выходного модуля, к которому
подключают исполнительные элементы – контакторы,
электромагниты, сигнальные лампы и т.д. (рис. 25) [5].
Рис. 25. Структура ПЛК:
ЦП – центральный процессор; ИП – интерфейсная плата; Пр – программа;
ВхМ (МВД) – входной модуль; Вых (МДВ) – выходной модуль;
ППЗУ – перепрограммируемое запоминающее устройство;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; БДИ – блок
дополнительных инструкций; x
– сигналы управления приводами ИМ [5]
y
i
– сигналы с датчиков ЗР, ТР, ОН;
i
Процессор является центральной частью контроллера и
определяет его основные параметры: число входов и выходов, число
дополнительных функций, объем памяти, быстродействие, систему
команд и др. центральный процессор выполняет считывание и
обработку команд, следит за последовательностью отработки
программы, управляет процессом считывания и записи памяти,
55
выдачей результатов вычислений в выходной модуль [5]. Структура
оит из трех этапов: загрузки в память
центрального процессора показана на рис. 26.
Рис. 26. Структура центрального процессора и устройства управления:
РА – регистр-аккумулятор; РБ – регистр-буфер; АЛУ – арифметико-
логическое устройство; ППЗУ – перепрограммируемое запоминающее
устройство, или память программ пользователя ПП; ОЗУ – оперативное
запоминающее устройство или память данных ПД [5]
Рабочий цикл ПЛК сост
состояний входных модулей, последовательной обработки
программы с запоминанием результатов вычислений в
промежуточный или выходной памяти и передача их на выходные
модули [5].
Производительность ПЛК оценивается по следующим
параметрам [10]:
длительность контроллерного цикла (период считывания
значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в
каналы вывода);
время выполнения команд (отдельно логических, с
фиксированной и с плавающей точкой);
пропускная способность шины между контроллером и
модулями ввода-вывода;
пропускная способность промышленной сети;
время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной
сети, или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с
маркером;
время реакции.
Контроллер в системах автоматизации выполняет
циклический алгоритм, включающий ввод данных и размещение их в
ОЗУ, обработку данных и вывод [10].
56
Длительность контроллерного цикла зависит от количества
модулей ввода-вывода и наличия в них замаскированных входоввыходов. В контроллерный цикл входит также обслуживание
аппаратных ресурсов ПЛК (обеспечение работы системных
таймеров, оперативное самотестирование, индикация состояния),
контроль времени цикла, сетевой обмен, управление
многозадачностью, отображение процесса выполнения программы
на дисплее и т.д. [10]
Перед началом работы ПЛК выполняет загрузку
операционной системы и программы пользователя в ОЗУ и ПЗУ,
начальное тестирование аппаратуры. Как правило, ПЛК может
работать в режиме отладки, пошагового выполнения программы,
просмотра и редактирования значений переменных и т.д. [10]
В системах с распределенными по объекту модулями вводавывода длительность контроллерного цикла может определяться
пропускной способностью промышленной сети, что в ряде случаев
является ограничением на предельное количество модулей вводавывода.
В контроллерах для систем противоаварийной защиты (ПАЗ)
и сигнализации, а также для опасных производственных объектов
может быть предусмотрена возможность резервирования отдельных
частей системы: промышленной сети, процессорного модуля или
контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых
контуров автоматического регулирования, модулей ввода-вывода
[10].
Химические производства относятся к числу
взрывопожароопасных, и автоматизация осуществляется на основе
использования взрывозащищенных средств автоматизации с
использованием контроллеров и персональных компьютеров (ПК).
ПК обрабатывает по заложенной в нем программе информацию,
поступившую от датчиков. Высвечивает на табло значения
измеренных параметров [9]. ПК применяется во-первых, для
облегчения работы оператора, т.к. за короткий промежуток времени
обрабатывает большое количество информации; во-вторых может
выполнять роль «советчика», при котором ЭВМ рекомендует
оператору оптимальные знания режимных параметров процесса.
Микропроцессорные промышленные управляющие контроллеры
также имеют собственные языки программирования, позволяющие
описать конкретный процесс: это так называемые языки релейных
57
схем со встроенными булевыми операциями. Контроллеры можно
программировать и при помощи Ассемблера или языка высокого
уровня, чаще всего C, с последующим компилированием и загрузкой
управляющих программ в память контроллера.
Основные задачи, решаемые контроллером:
измерение, опрос и управление оборудованием;
первичное преобразование результатов измерений;
хранение локального архива данных;
быстрая и надежная доставка информации на следующий уровень
автоматизации;
обеспечение автономной и бесперебойной работы управляемого
узла объекта автоматизации;
автоматическое управление локальным узлом автоматизации.
Локальный контроллер. В настоящее время распространено
несколько типов локальных контроллеров:
контроллер, встраиваемый в оборудование (агрегат, машину,
прибор) и являющийся его неотъемлемой частью. Примеры
такого «интеллектуального» оборудования: станки с
программным управлением, современные аналитические
приборы;
автономный контроллер, реализующий функции контроля и
управления небольшим, достаточно изолированным
технологическим узлом (объектом).
Контроллеры обычно могут иметь десятки входов/выходов от
датчиков и исполнительных механизмов. Их вычислительная
мощность может быть разной: малые, средние и большие
контроллеры. Они реализуют типовые функции обработки
измерительной информации, логического управления, регулирования.
Многие из них имеют один или несколько физических портов для
передачи информации в другие средства/системы автоматизации.
Сетевой комплекс. Этот класс ПТК является наиболее
широко распространенным и внедряемым средством управления
технологическими процессами во всех отраслях промышленности.
Программируемые микропроцессорные контроллеры – это
построенные на основе МП специализированные устройства,
предназначенные для реализации алгоритмов логического типа или
алгоритмов аналогового управления.
Минимальный состав такого средства:
ряд контроллеров;
58
несколько дисплейных рабочих станций операторов;
системная (промышленная) сеть, соединяющая контроллеры и
рабочие станции между собой.
Контроллеры определенного сетевого комплекса имеют
обычно ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью,
быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования,
приспособлением к разным условиям окружающей среды,
максимально возможным числом каналов входов и выходов. Это
облегчает использование определенного сетевого комплекса для
разных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее
точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под разные
отдельные узлы автоматизируемого агрегата и под разные функции
контроля и управления. Сетевые комплексы контроллеров имеют
верхние ограничения как по сложности выполняемых функций
(обычно, типовые функции измерения, контроля, учета,
регулирования, блокировки), так и по объему самого
автоматизируемого объекта, в пределах десятков тысяч измеряемых и
контролируемых величин (обычно, отдельный технологический
агрегат, производственный участок).
Сетевые контроллеры (комплексы) выполняют следующие
функции:
воспринимают унифицированные аналоговые, дискретные
электрические сигналы;
измеряют и нормируют принятые сигналы;
выполняют программную обработку сигналов с первичных
преобразователей и формируют аналоговые и дискретные
управляющие сигналы;
отображают информацию на экране;
управляются при помощи стандартной клавиатуры.
Пример типичного сетевого контроллера представлен рис. 27.
59
Рис.27. Сетевой контроллер БАЗИС-21.
Технические характеристики БАЗИС-21
макс. кол-во собственных вх. каналов ………… 56
двухпозиционных………………………………………. 56
аналоговых………………………………………………. 24
макс. кол-во расчетных параметров……….………… 24
макс. кол-во вых. каналов…………………………… . 135
внешних табло / кнопок квитирования……………… ..8
кол-во событий архива ……………………………1000
цв. дисплей TFT — 5,5" (139 мм), кол-во цветов . . . . 256
потребляемая мощность, ВА, не более ……………50
масса, кг, не более……………………………………….. 5
габаритные размеры: Н = 156 мм; В = 220 мм; L = 276 мм.
4.5. Исполнительные устройства
Исполнительные устройства представляют собой
конструктивную совокупность иcполнительных механизмов и
регулирующих органов. По виду используемой энергии
различают пневматические, электрические и гидравлические
исполнительные механизмы.
4.5.1. Пневматические исполнительные механизмы
Пневматические исполнительные механизмы могут быть
мембранные и поршневые. Регулирующее воздействие
60