4. Некоторые особенности подключения устройств полевой автоматики

а) Подключение аналоговых датчиков сигналов низкого уровня.

При подключении сигналов малого уровня (до 1В), при большой длине линий связи с источниками входных сигналов (более 25м) рекомендуется дифференциальное подключение входных сигналов: в этом случае помехи, наводимые на линиях связи, воспринимаются как синфазный сигнал и подавляются входным усилителем. Однако, число дифференциальных каналов вдвое меньше числа однополюсных каналов - об этом следует помнить при компоновке УВК.

Особое внимание следует обратить на подключение термопар. Для уменьшения влияния помех, наведенных внешним электромагнитным полем следует сближать и скручивать термоэлектродные +(компенсационные) провода и провода соединительных линий.

Для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей соединительные линии и сами термопары заключаются в защитный экран. Экранирование термопар и соединительных линий является эффективным в том случае, если экран заземлить в одной точке, в противном случае, ввиду разности потенциалов точек заземления, вместо уменьшения может произойти увеличение уровня помех на входе модуля.

При установке термопары на электропроводящий объект наиболее рационально экран термопары соединить с объектом. При установке экранированной термопары на неэлектропроводящем объекте лучше всего экран заземлять в точке заземления шасси контроллера. Если заземляется сама термопара (ее горячий спай) или используется автономный нормирующий преобразователь (при отсутствии в составе УВК модулей, рассчитанных на прием слабого сигнала), необходимо обязательное использование гальванических развязок.

При измерении температуры термопарами в промышленных условиях необходимо вводить поправку на температуру свободных концов термометра. Если модуль УСО содержит каналы, прямо предназначенные для подключения термопар, то обычно эта поправка вводится автоматически. В противном случае для ее определения необходимо устанавливать термометр в месте нахождения свободных концов термопары.

Для вывода свободных концов термопары в зону с постоянной температурой служат удлинительные термоэлектродные провода. В случае недефицитных материалов и удовлетворительных эксплутационных свойств эти провода изготовляют из тех же материалов, что и подключаемая термопара. Для термопар из благородных металлов и сплавов используют специальные сплавы. Промышленность выпускает термоэлектродные провода в виде скомплектованного (двужильного) кабеля с различными цветами оболочек каждой жилы или с пометками положительного термоэлектрода (для определения полярности включения). Этим кабелем термопара соединяется с модулем УСО.

Т.к. большинство контроллеров импортные, то их модули, как правило, рассчитаны на прием сигналов и компенсацию изменения температуры холодных спаев термопар своих стандартов. В табл. 4.1 приведены соответствия отечественных и зарубежных термопар. Кроме того, в этом случае могут быть использованы термопреобразователи с унифицированными выходными сигналами (табл. 4.2) с подключением к модулю, принимающему токовые сигналы.

Табл.4.1. Основные типы отечественных и зарубежных термопар.

Тип термопары	Обозначение	Обозначение МЭК	Буквенное обозначение НСХ	Пределы измеряемых температур, 0С
				верхний	Кратковременно*)
Медь-константановая	ТМКн	Cu-CuNi	T	350	400
Хромель-копелевая	ТХК	-	L	600	800
Хромель-константановая	ТХКн	NiCr-CuNi	E	700	900
Железо-константановая	ТЖК	Fe-CuNi	J	750	900
Хромель-алюмелевая	ТХА	NiCr-NiAl	K	1200	1300
Нихросил-нисиловая	ТНН	NiCrSi-NiSi	N	1200	1300
Платинородий-платиновые**)	ТПП13 ТПП10	-	R S	1300	1600
Платинородий-платинородиевая**)	ТПР	-	B	1700	-
Вольфрамрений-вольфрамрениевые	А-1, А-2, А-3	-	-	2200	2500

Примечание. *) Принято считать, что «кратковременная работа» соответствует работе термопары в течение до 100часов (за это время статическая характеристика ее может измениться не более, чем на 1%), но обычно (особенно при высоких температурах) верхний предел термопара выдерживает в течение не более 2 часов.

**) Термопары ТПП10, ТПП13 и ТПР предпочтительны для температур 1000-1600⁰С, причем т.к. термопары ТПР имеют малую чувствительность в диапазоне температур 0-100⁰С, то возможно ее применение с медными удлинительными проводами.

Табл.4.2. Термопреобразователи с унифицированными выходными сигналами 4-20мА (производства «Промышленной группы «Метран»)

Марка и исполнение	Диапазон температур, 0С	НСХ	Приведенная погрешность, %*)	Схема подключения	Тип первичного преобразователя
ТСМУ-205	0-180	100М	0,25	рис.1	Термометр сопротивления
ТСПУ-205	0-500	100П	0,25	рис.1
ТХАУ-205	0-900 0-1200	К (ТХА)	1,0 1,5	рис.1	Термопара

Примечание: *) При длине термопреобразователя более 120мм - для термометров сопротивления и 320мм – для термопар.

Нагрузка (аналоговый модуль ввода)

ТСМУ-205

ТСПУ-205

ТХАУ-205

+U

-U

Термопреобразователь Внешний источник питания 18-36В

Рис.1. Схема подключения термопреобразователей с унифицированным выходом.

Для термометров сопротивления обычно используется трехпроводная схема включения, что требует либо применения модулей УСО, имеющих соответствующие входы, либо использования автономных преобразователей, если требуемых модулей в составе УВК нет.

б) Подключение аналоговых датчиков сигналов высокого уровня.

Подключение датчиков со стандартными сигналами напряжения к модулям УСО не вызывает затруднений. При этом в случае заземления датчиков на объекте на входе модуля УСО должна присутствовать гальваническая развязка, а сигнал с них может быть передан к модулю одним проводом (при условии, что "земля" датчика будет присутствовать на УВК, например, через броню кабеля; однако, лучше для нее предусмотреть отдельный провод, один на всю группу этих датчиков).

Датчики со стандартным токовым сигналом также могут быть подключены (но двухпроводной линией) к модулям УСО, принимающим стандартные сигналы напряжения. В этом случае помимо гальванической развязки на их входах должен быть установлен нагрузочный резистор (для преобразования тока в напряжение) и защитный стабилитрон. В состав большинства УВК, однако, входят модули, уже рассчитанные на прием токового сигнала.

в) Подключение дискретных датчиков.

В системах автоматизации, как правило, используются пассивные дискретные датчики типа "сухой контакт". Для определения их состояния (закрыт или открыт) необходимо на них подать напряжение. Это напряжение обычно подается на один их выводов датчика от источника в контроллере (эти выводы у близкорасположенных датчиков могут быть объединены и затем подключены к источнику). Второй вывод датчика подключается к входу дискретного канала модуля УСО (в этом случае гальванических развязок не требуется).

Подключение датчиков экстренной сигнализации аналогично, т.к. они отличаются от обычных дискретных датчиков только значимостью выдаваемой ими информации: срабатывание такого датчика требует немедленной реакции УВК, что достигается подключением их каналов к линиям запросов на прерывание и реализуется программно.

г) Подключение исполнительных механизмов.

В случае применения пневматических ИМов к модулю аналогового вывода через гальваническую развязку подключается электро-пневматический преобразователь и далее байпасная панель для обеспечения возможности переключения на ручное управление и регулирующий орган (клапан) - рис.2.

E/P

ЦАП

ИМ

код N Y HC

от ЭВМ

Тир.

Пр.

ИМ

ЦАП

Рис.2. Подключение пневматических и электродвигательных ИМов

к УВК через модуль аналогового вывода (показан ЦАП).

В случае электрических систем и использования двигательных исполнительных механизмов с асинхронными двигателями на выходе этого модуля необходимо установить преобразователь, обеспечивающий импульсное (частотно- или широтно-импульсное) управление ИМом (обычно это тиристорный преобразователь - Тир.Пр. на рис.1). Дискретный вывод используется в схемах сигнализации, для управления отсечными клапанами, а также для управления двигательными исполнительными механизмами в импульсном режиме, при этом импульсное управление двигателями ИМов организуется программно. Для возможности переключения на ручное управление перед пускателем ПБР, играющим роль усилителя, устанавливается переключающее устройство, например, БРУ - рис.2

Дис-

кретн.

выход

БРУ ПБР ИМ

HC NC

от ЭВМ

Рис.2. Подключение импульсных и электродвигательных ИМов к УВК через дискретный выход.

д) Защита от помех

Одним из основных источников помех является неправильное заземление. Существует два типа земляных шин - корпусная и схемная. Корпусная шина электрически соединяет металлические конструктивы устройства и имеет вывод на его корпусе, схемная земляная шина - это нулевой провод, от которого отсчитываются все потенциалы в электронной схеме устройства.

Схемная земляная шина не должна быть соединена с корпусной внутри блока, для нее обычно выводится отдельный зажим, изолированный от корпуса. Корпусная земля в производственных условиях обязательно должна быть подключена к шине заземления. При этом желателен вариант подключения, при котором корпусные и схемные земли отдельными радиальными проводами подводятся к земляной шине и заземляются в одной точке или, по крайне мере, как можно ближе друг другу (рис.3), тогда возможные колебания потенциала этих точек из-за уравнительных токов по земляной шине, токов утечек и т.п. не внесут помех в работу устройств ИУВК и автоматики.

земляная шина земляная шина

к сх

устр.

к сх

устр.

к сх

устр.

к сх

устр.

к i-му

устр.

а)неправильно б)правильно

Обозначены: сх - схемная, к- корпусная земли.

Рис.3. Варианты выполнения заземления

Для связи модулей УСО с объектом, особенно при передаче сигналов с датчиков очень важно правильно выбрать и подключить кабели. Прежде всего при подключении к модулю источников входных сигналов необходимо выполнить стандартные требования к прокладке сигнальных проводов низкого уровня: сигнальные провода должны прокладываться отдельно от силовых проводов; желательно применение витых пар, экранирование и т. д.

На рис.4 схемная земля модуля контроллера и корпус датчика подключены к оплетке (экрану) кабеля. Это приводит к тому, что при неравенстве потенциалов заземления на передающей и приемной сторонах по оплетке будут протекать большие уравнительные токи. В результате создается так называемая продольная помеха, вызванная падением напряжения на оплетке. Подавить ее можно только введением гальванической развязки или устранением одного заземления. Защита от поперечных помех, наводимых электромагнитным излучением, в этом случае - удовлетворительна.

Ист.сигнала R_н

Рис.4. Неудачный вариант включения кабеля

Наиболее эффективно здесь использование для передачи сигналов с датчиков кабелем с витыми парами (рис.5).

Витая пара к.з

в экране сх.з.

Р ис.5. Кабель с витыми парами

Для связи с датчиками желательно применять индивидуальные скрученные и экранированные пары, а не многопроводные кабели, если они состоят из параллельных проводников (а не витых пар). Заземление экранов кабелей производится только в одной точке, потенциал которой принят за нуль в данных условиях.