Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические средства систем автоматизации теплоэнергетических процессов. Учебное пособие
.pdf
21
Рис. 3.1. Схема внешних подключений преобразователя 2000Н
4. СОГЛАСОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ
МЕЖДУ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
И УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТЬЮ
Процедура согласования сигналов связана с уменьшением влия-
ния эффекта нагрузки. Она выполняется путем подбора значений
входных и выходных сопротивлений соединяемых устройств. Напряжение, генерируемое устройством с высоким выходным сопротивлением, чрезвычайно чувствительно к нагрузке. Напротив, низкое выходное сопротивление позволяет уменьшить зависимость выходного
напряжения от тока нагрузки. Современные конструкции приборов
позволяют существенно упростить процедуру согласования между
измерительной и управляющей частью.
В соединительных цепях между устройствами приема и передачи
информации возникают электрические помехи. Помехи, возникающие в соединительных цепях, различают по следующей природе:
− гальванической;
− емкостной;
− индуктивной.
22
Гальваническая связь. При гальванической связи имеется опасность
появления ложного заземления линии, причем земля может появиться
на нескольких участках цепи одновременно. Для повышения живучести
системы по отношению к подомным нарушениям используется гальваническая изоляция входных и выходных цепей приборов относительно
цепи питания, а также между входными и выходными цепями.
Гальваническая изоляция особенно необходима для обеспечения
возможности последовательного соединения нескольких потребителей или источников сигнала, каждый из которых может иметь свою
точку заземления. В частности, это относится к схеме с последовательным включением нескольких потребителей к одному источнику
токового сигнала (рис. 4.1, а), к схеме суммирования токовых сигналов во входной цепи потребителя с помощью последовательно включенных резисторов (рис. 4.1, б).
а б
Рис. 4.1. Схема согласования сигналов
с гальваническим разделением цепей:
ИС – источник сигналов; ПС – приемник сигналов;
ГР – устройство гальванического разделения
Кроме того, гальваническое разделение цепей позволяет защи-
тить систему от помех, обусловленных разностью потенциалов между точками заземления источника и приемника сигнала.
Гальваническое разделение цепей постоянного тока осуществля-
ется обычно по структурной схеме, приведенной на рис. 4.2.
23
Рис. 4.2. Гальваническое разделение цепей
с помощью трансформаторной развязки
В модуляторе М сигнал постоянного тока превращается в после-
довательность импульсов с использованием амплитудно-импульсной
модуляции. Далее импульсный сигнал проходит через разделитель-
ный трансформатор Тр, обеспечивающий собственно гальваническое
разделение входных и выходных цепей. В демодуляторе ДМ произво-
дится фазочувствительное выпрямление сигнала, а с помощью сгла-
живающего фильтра Ф выделяется постоянная составляющая вы-
прямленного сигнала.
При передаче дискретных сигналов для осуществления гальвани-
ческого разделения цепей применяются оптоэлектронные преобразо-
ватели – оптроны (рис. 4.3).
При появлении управляющего сигнала Uупр светодиод СД облу-
чает светом фототиристор, который переходит в проводящее состоя-
ние и замыкают собой цепь нагрузки Rн.
Одно из важнейших применений оптической развязки – защита обо-
рудования от скачков напряжения в линии, которые могут вывести его
из строя. Такие скачки могут возникать в результате внешних наводок.
Эта проблема особенно остро стоит в промышленных сетях: производ-
ственное оборудование является источником очень сильных помех.
Рис. 4.3. Электрическая схема оптической развязки
Основное препятствие для помех в оптической развязке – оптопа-
ра. Она состоит из двух элементов: светодиода и фототиристора. Ко-
24
гда по проводу идет полезный сигнал в виде логической единицы, то
светодиод загорается, а фотодиод принимает этот сигнал и передает
дальше по проводу. Получается цепочка: электрический ток свет
электрический ток.
С помощью оптической развязки можно обеспечить электриче-
ский разрыв в линии. Таким образом, проводная линия разбивается на
несколько электрических сегментов, соединенных между собой оптической связью. Это позволяет повысить помехоустойчивость системы в
целом, т.к. наведенная электрическая помеха не распространяется за
пределы сегмента, ограниченного оптической развязкой.
Разрыв контура заземления – еще одна функция оптической раз-
вязки. Если приборы, подключенные к проводной линии, заземлены в
разных местах, то линия работать не сможет, т.к. даже в переделах
одного помещения разница потенциалов «земли» различается на несколько десятков вольт. Оптическая развязка решает это проблему.
При применении оптической развязки существует несколько особенностей. Например, ввиду нелинейности передаточной характеристики в линии могут возникать отраженные сигналы. Для того чтобы
этого избежать, необходимо последовательное включение резистора,
ограничивающего отражение сигнала. Для предотвращения прохождения импульсных помех через оптическую развязку требуется
уменьшение развязывающей емкости. Это достигается путем введения экранирующей сетки между излучателем и приемником или увеличения расстояния между излучателем и фотоприемником.
Емкостная и индуктивная связь. Емкостная и индуктивная помеха часто возникают, когда рядом с сигнальным проводом проложен
силовой провод с переменным напряжением.
Линии двух проводников образуют конденсатор, емкость которого зависит от расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды и геометрии проводников [8].
На практике емкостные связи должны быть сведены к минимуму.
Не рекомендуется прокладывать неэкранированные сигнальные проводники рядом с силовыми. Для снижения емкостной связи может быть
25
использован защитный электростатический экран (экранированный кабель). Экран должен быть заземлен в одной точке со стороны источника сигнала. Незаземленный экран станет одной из пластин конденсатора, что приведет к появлению емкостной связи. Нельзя заземлять экран
в нескольких точках, поскольку через экран течет ток, возникающий от
разности потенциалов в точках заземления. Ток, протекающий по экрану, наводит индуктивную помеху на проводниках внутри экрана.
Из-за эффекта электромагнитной индукции в сигнальном провод-
нике наводится напряжение помехи в виде переменного напряжения.
При прокладке информационных кабелей необходимо следовать следующим простым правилам: во-первых, сигнальные кабели и силовые кабели не должны прокладываться вблизи друг друга в одних и
тех же кабельных каналах. Влияние электромагнитной и индуктивной
помехи при токовом информационном сигнале можно ослабить за
счет экранирования, а также установкой фильтра на входе приемника
в виде апериодического звена первого порядка с коэффициентом передачи, равным единице.
Схема для защиты от емкостной и индуктивной помехи представ-
лена на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Схема правильного заземления экрана
с фильтром от высокочастотных помех
Токовый сигнал при передаче информации. Как правило, связь меж-
ду измерительным преобразователем и контроллером осуществляется с
помощью унифицированного токового сигнала (преимущественно 420 мА). Основными достоинствами токового сигнала являются:
− отсутствие влияния сопротивления линии связи на точность
передачи информации;
26
− простота процедуры проверки, поскольку величина тока, равная
нулю, означает, что датчик отключен или линия связи разомкнута;
− обеспечение хорошей защиты от помех.
Связь источника сигнала с его приемником осуществляется по
двухпроводной линии. Во входной цепи приемника токовый сигнал I
обычно преобразуется в сигнал напряжения U постоянного тока с
помощью входного резистора Rвх:
U=I*Rвх. (4.1)
Дальнейшее усиление и преобразование сигнала производятся
обычно по напряжению, так как это выполняется проще, чем для токового сигнала.
Применение унифицированного сигнала связи в АСУ ТП предполагает его многократное использование несколькими потребителями.
Все потребители в этом случае должны подключаться последовательно (токовая петля). Однако это возможно лишь при условии, что
входные цепи отдельных потребителей гальванически изолированы
друг от друга. Кроме этого при обрыве линии связи или отключении
одного из потребителей это приведет к тому, что одновременно прекращается поступление информации ко всем остальным потребителям. Для того чтобы сохранить протекание тока в цепи, параллельно
зажимам потребителей подключается защитное устройство (рис. 4.5).
Защитное устройство представляет собой стабилитрон с нелинейной
вольт-амперной характеристикой, отличающейся наличием порогового напряжения включения.
Рис. 4.5. Схема включения защитного устройства в токовой петле
27
В нормальном режиме падение напряжения Uн=Iн*Rн на сопротивлении нагрузки, создаваемое током источника сигнала, меньше
порогового напряжения Uп, стабилитрон закрыт и ток через него
практически равен нулю (точка В на вольт-амперной характеристике). При обрыве линии связи одного из потребителей напряжение на
нагрузке резко возрастает (так как источник сигнала стремится поддержать силу тока в цепи), стабилитрон открывается и в цепи сохраняется прежнее значение силы тока. В случае большого входного сопротивления (например, при Rн=1кОМ) следует использовать последовательное включение защитных устройств для снижения погрешности, связанной с протеканием тока через стабилитрон, когда напряжение на нагрузке в нормальном состоянии близко к порогу
включения стабилитрона.
5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
КОНТРОЛЛЕРЫ
В современных АСУ ТП как основные устройства для выполне-
ния вычислительных операций в реальном масштабе времени используются программируемые логические контроллеры (ПЛК). На
рынке присутствуeт множество контроллеров (АВВ, Siemens,
Schneider Electric, PEP, Mitsubishi, TREI-5B, МФК, ТКМ-52, Теконик,
Decont, MicroPC, Advantech, TOSHIBA, Ремиконт P-130, VEGACOM
и ряд других) различных производителей. Конструктивно ПЛК выполнен для работы в промышленных условиях с учетом высоких
температур, повышенной влажности, запыленности окружающей
среды, магнитных полей и вибрации.
Программируемый логический контроллер может иметь различ-
ное конструктивное исполнение:
− промышленное шасси или крейт;
− модульное исполнение с расположением на DIN-рейке.
Промышленное шасси представляет собой конструкцию, состоя-
щую из кожуха, пассивной объединительной платы, вентиляторов и
28
источника питания. В объединительную плату помещаются компоненты ПЛК (модуль центрального процессора, модуль ввода-вывода
данных и другие), которые связываются между собой через разъемы.
Тип разъемов определяется стандартом шины. Промышленные шасси
выпускаются на различное количество посадочных мест, различной
мощности и т.д.
Модульное исполнение предполагает размещение модулей ПЛК
на DIN-рейке и включает в свой состав следующие части:
− модуль центрального процессора;
− модули ввода-вывода данных;
− функциональные модули;
− коммуникационные процессоры;
− интерфейсные модули;
− блоки питания.
В качестве системного интерфейса ПЛК применяются открытые
стандарты шин (VMT, ISA, CompactPCI) либо стандарты фирм – изготовителей контроллеров (закрытые стандарты). Собственные стандарты могут позволить себе только крупные фирмы, которые в состоянии поставлять на рынок весь ряд модулей для своей шины. К таким компаниям относятся АВВ, Siemens, Mitsubishi и ряд других.
Контроллеры Simatic фирмы Siemens. Программируемые кон-
троллеры Simatic [9] выпускаются в виде следующих серий:
− Simatic S7-200,
− Simatic S7-300,
− Simatic S7-400,
− Simatic S7,
− промышленные компьютеры Simatic РС.
Контроллеры Simatic S7-200 предназначены для построения от-
носительно простых и недорогих систем автоматического управления
и могут использоваться для замены существующих релейноконтактных схем.
Контроллеры Simatic S7-300 предназначены для решения задач
автоматического управления средней степени сложности. Высокая
29
вычислительная мощность, комплексный набор команд, наличие
MPI- интерфейса и способность работать в локальных вычислитель-
ных сетях делают контроллер исключительно мощным средством автоматизации. Набор встроенных функций, всеобъемлющая диагностика, парольная защита, удобная система подключения внешних цепей, отсутствие ограничений на порядок размещения модулей позволяют создавать многообразные конфигурации систем управления.
Контроллеры Simatic S7-400 предназначены для решения задач
автоматического управления средней и высокой степени сложности.
Центральные процессоры различной производительности дают возможность построения мультипроцессорных систем. Наличие интеллектуальных функциональных, коммуникационных модулей, резервных моделей и использование информационных технологий позволяют строить высокоинтеллектуальные системы безопасного управления сложными объектами.
Система автоматизации Simatic S7 предназначена для построения
компактных систем управления, сочетающих в себе функции программируемого контроллера и устройства человеко-машинного интерфейса. Каждая система включает в свой состав центральный процессор семейства Simatic S7-300 и графическую панель оператора.
Интегрирование всех компонентов системы управления в одном блоке сводит размеры системы к минимуму.
5.1. КОНТРОЛЛЕРЫ SIMATIC S7-300
Simatic S7-300 – это модульные программируемые контроллеры
(рис. 5.1), работающие с естественным охлаждением. Модульная кон-
струкция, возможность построения распределенных структур управления, наличие дружественного пользователю интерфейса позволяют
использовать контроллер для экономичного решения широкого круга
задач автоматического управления в различных областях промышленного производства.
30
Рис. 5.1. Общий вид контроллера SIMATIC S7-300:
1 – блок питания; 2 – буферная батарея (во всех центральных процессорах,
кроме CPU 312IFM); 3 – клеммы для подключения питания =24В;
4 – ключ переключения режимов работы; 5 – светодиоды индикации состояния системы;
6 – субмодуль памяти (во всех центральных процессорах, кроме CPU 312IFM);
7 – разъем многоточечного интерфейса MPI; 8 – фронтальный соединитель;
9 – защитная крышка; 10 – сигнальные модули
Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и
могут включать в свой состав:
− модули центральных процессоров (CPU). В зависимости от
степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающиеся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием
встроенных входов-выходов и специальных функций, наличием или
отсутствием коммуникационных интерфейсов;
− сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода
дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и
временными параметрами;
− коммуникационные процессоры (СР) для подключения к сетям
PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-интерфейсу или организации связи
по PPI (point to point)-интерфейсу;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]