Вход и выход технологических процессов

 

Важными для управления являются измерения и технология дат­чиков. Датчики должны точно отображать физические переменные технического процесса как в стационарных, так и в переходных режимах работы.

 

4.2.1. Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером

4.2.1.1 Датчики

У большинства физических величин существует множество различных измерительных технологий, характеризуемых зависимостью между вырабатываемым сигналом и измеряемой величиной. Измерительное устройство или датчик (sensor) состоит из двух частей — измерительной головки (sensor head) и преобразователя (transducer), как показано на рис. 4.8. Термин "датчик" иногда ошибочно употребляется вместо "измерительной головки".

Рисунок 4.8 - Составные элементы датчика

 

Результат измерения — это "реакция измерительной головки датчика", которая на выходе преобразователя представляет собой электрическую величину, распространяющуюся дальше по проводнику. В соответствии с ГОСТ 16263-70 это устройство называется первичным измерительным преобразователем (primary measuring transducer), его часть, на которую непосредственно воздействует измеряемая величина, — чувствительным элементом (detector), а все последующие составляющие измерительной цепи - измерительным преобразователем.

В большин­стве управляющих систем выходной сигнал обычно (и предпочтительно!) электрический, однако довольно часто встречаются и пневматические датчики. Главное достоинство электрических датчиков — это гибкость и разнообразие способов обработки сигнала. Следует отметить, что электрический сигнал можно передавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии. Пневматические датчики, по сравнению с электрическими, обычно дешевле, меньше по размерам, проще и нечувствительны к возмущениям. Более того, в условиях взрыво- и пожароопасной среды пневматические датчики более безопасны, чем электрические.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоич­ное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1).

 

4.2.1.2. Исполнительные устройства (механизмы)

Исполнительное устройство или механизм (actuator) преобразует электрическую энергию в механическую или в физическую величину для воздействия на управляе­мый процесс. Электродвигатели, управляющие "суставами" промышленного робота, и есть исполнительные механизмы. В технологических процессах металлургической, химической, пищевой и др. отраслях оконечными управляю­щими элементами могут быть клапаны, задвижки, задающие расход реагентов. Следует подчерк­нуть, что исполнительные устройства обычно лишь опосредованно влияют на пере­менные физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, координаты или химическую концентрацию, а исполнительные устрой­ства управляют подводом тепла, движением или потоками исходных реагентов. И уже от динамики физической системы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.

В составе исполнительного устройства можно выделить две части (рис. 4.9): во-первых, преобразователь (transducer) и/или усилитель (amplifier), во-вторых, силовой преобразователь (converter) и/или исполнительный механизм (actuator). Исполнительный механизм превращает входной сигнал в механическую или физическую величину, Например электромотор преобразует электрическую энергию во вращательное движе­ние. Усилитель изменяет маломощный управляющий сигнал, получаемый от выход­ного интерфейса компьютера, до значения, способного привести в действие преобразователь. В некоторых случаях усилитель и преобразователь конструктивно составляют одно целое. Таким образом, некоторые оконечные управляющие элементы могут пред­ставлять собой самостоятельную систему управления — выходной сигнал компьютера является опорным значением для оконечного управляющего элемента.

 

Рисунок 4.9 - Составные элементы исполнительного устройства

 

Требования к исполнительным устройствам — потребляемая мощность, разреша­ющая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т. д. — могут су­щественно различаться в зависимости от конкретного приложения. Для успешного управления процессом правильно выбрать исполнительные устройства так же важ­но, как и датчики.

Для перемещения клапанов часто применяется сжатый воздух. Если необходимо развивать значительные усилия, обычно используют гидропривод. Электрический сигнал компьютера должен быть преобразован в давление или расход воздуха либо масла.

Бинарное управление обеспечивается электромеханическими реле или электронными переключателями.

 

4.2.1.3. Полоса пропускания и шум

Два важных фактора — ширина полосы пропускания и уровень шума — определя­ют способ передачи сигналов между компьютером и физическим процессом. Полоса пропускания (bandwidth) является важным параметром для многих тех­нических приложений — передача данных, системные шины, управление с обратной связью, — однако в разных случаях термин имеет различные значения. В передаче информации и управлении с обратной связью полоса пропускания обозначает диапа­зон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика остается не меньше заданного значения (обычно 0.707 от максимального). Для системных шин полоса пропускания является синонимом термина "пропускная способность". При обработке сигналов управления и мониторинга полоса пропускания определяется как диапазон рабочих частот датчика или исполнительного механиз­ма — только те физические величины, рабочие частоты которых лежат в полосе про­пускания, можно надлежащим образом измерить или изменить. Это означает, что скорость реакции датчика достаточна для правильного отображения изменений ис­ходной физической величины, при этом сигнал не искажается из-за несоответствия динамики датчика и процесса. Аналогично, исполнительный механизм должен иметь соответствующую полосу пропускания, чтобы реализовать нужное управляющее воздействие. Чем шире полоса пропускания, тем быстрее будет реакция датчика или исполнительного механизма. Последнее не всегда является положительным фактором, поскольку в этом случае устройство более восприимчиво к нежелательным вы­сокочастотным возмущениям.

Любой измерительный сигнал искажается возмущениями ( disturbances) и шумом (noise) как в процессе формирования, так и передачи. Одна из основных проблем передачи сигнала — уменьшение влияния шума. Источники шума должны быть изолированы, или, в крайнем случае, их влияние должно быть снижено до минимально воз­можного уровня. Искажение сигналов или сообщений шумом проявляется при лю­бых типах передачи информации. Регуляторы обычно проектируются в расчете на наличие воз­мущений и шумов.

 

4.2.1.4. Передача измерительных сигналов

Аналоговые сигналы, вырабатываемые измерительными устройствами, обычно необходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряже­ний интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен быть смещен, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с минимальным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется со­гласованием сигнала.

При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обус­ловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием сре­ды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного харак­тера. Этот шум может исказить исходный сигнал. Одно из возможных решений – преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность (ширина) которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерительный сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же часто­ту, что и исходный сигнал. Последовательность импульсов может передаваться либо по электрическому, либо по волоконно-оптическому кабелю.

4.2.1.5 Характеристики датчиков

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения — это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описа­нии, — статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свой­ства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками (dynamic characteristic). Они суще­ственно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, кото­рый применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быст­родействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

Точность ( accuracy) определяет разницу между измеренной и действительной ве­личиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показа­нию. Разрешение (resolution) — это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намного чаще, чем точность, указывается в технических описаниях. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного ком­плекса. Погрешность (ошибка) измерения (measurement error) определяется как раз­ница между измеренной и действительной величинами. Поскольку действительная величина неизвестна, в произвольном случае оценку точности можно сделать на ос­нове эталонных измерений или углубленного анализа данных.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением усло­вий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каж­дом измерении. Типичная систематическая ошибка — это смещение показаний (reading offset) или сдвиг (bias). В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках (calibration). Случайные ошибки, напротив, могут иметь самое разное происхождение. В большинстве случаев — это влияние окружающей среды (темпера­туры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений харак­теризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка (mean error), среднеквадратичная ошибка (mean quadratic error) или стандартное отклонение (standard deviation) и разброс (variance) либо погрешность ([un]precision).

В английском языке в слова "accuracy" и "precision", которые на русский язык переводят­ся одним и тем же словом "точность", вкладываются несколько разные понятия. "Accuracy" соответствует общему отсутствию погрешностей измерения, в то время как "precision" опре­деляет малый разброс результатов измерений относительно некоторого среднего значения, которое может оказаться неточным из-за систематической погрешности, например смеще­ния. Таким образом, необходимым и достаточным является удовлетворение требования, оп­ределяемого термином "accuracy". Датчик с хорошей повторяемостью результата (или малой случайной ошибкой) имеет, очевидно, хорошую случайную погрешность, но не обязательно дает правильную выходную величину, поскольку сдвиг может существенно исказить результат, т. е. точность датчика невелика.

Разница между систематической и случайной ошибками иллюстрируется рис. 3.3. На рис. 3.3 а и в представлены смещенные результаты. Стандартное отклонение или разброс результатов отдельных измерений является мерой погрешности.

Центр каждой мишени представляет собой истинное значение измеряемой величины, а точки — результат измерений. На диаграммах справа истинная величина представле­на прямой линией, на которую наложены результаты измерений. Точность измерения зависит как от смещения, так и от разброса:

а ~ большое смещение + большой разброс = низкая точность;

б ~ малое смещение + большой разброс = низкая точность;

в ~ большое смещение + малый разброс = низкая точность;

г ~ малое смещение + малый разброс = высокая точность

Результаты измерений на рис. 4.10 б и г имеют малую погрешность, только результат, показанный на рис. 3.3 г, является точным.

 

 

Рисунок 4.10 - Иллюстрация смещения, погрешности и точности

 

4.2.1.6 Динамические характеристики датчиков

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, ко­торые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производите­лей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис. 4.11). Параметры, описываю­щие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нараста­ния, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойствах (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

Рисунок 4.11 - Динамическая реакция датчика (реакция на скачок):

(t₀ — время прохождения зоны нечувствительности, T_d — запаздывание, Т_р — время достижения первого максимума, T_s — время установления, М_p— перерегулирование)

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров.

· Время прохождения зоны нечувствительности (dead time) — время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.

· Запаздывание (delay time) — время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.

· Время нарастания (rise time) — время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нараста­ния — величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженная на установившееся значение. Иногда используются другие определения. Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

· Время достижения первого максимума (peak time) — время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

· Время переходного процесса, время установления (settling time) — время, начи­ная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения стано­вится меньше заданной величины (например, ± 5 %).

· Относительное перерегулирование (percentage overshoot) — разность между мак­симальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).

· Статическая ошибка (steady-state error) — отклонение выходной величины датчи­ка от истинного значения или смещение. Может быть устранена калибровкой дат­чика.

В реальных условиях некоторые требования к датчикам всегда противоречат друг яругу, поэтому все параметры нельзя минимизировать одновременно.

 

4.2.1.7 Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение. Важными статическими па­раметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и вос­производимость результата.

- Чувствительность (sensitivity) датчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине (для тонких измерительных технологий определение чувствительности может быть более сложным).

- Разрешение (resolution) — это наименьшее изменение измеряемой величины, ко­торое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

- Линейность (linearity) не описывается аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показыва­ет зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Бли­зость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максималь­ное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.

- Статическое усиление (static gain) или усиление по постоянному току (d.c. gain) — это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Боль­шой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измери­тельного устройства.

- Дрейф (drift) определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует нулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона Датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением ок­ружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выра­ботка ресурса, нелинейность и т. д.).

- Рабочий диапазон (operating range) датчика определяется допустимыми верхним и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.

- Повторяемость (repeatability) характеризуется как отклонение между несколькими последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины в одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должно происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

- Воспроизводимость (reproducibility) аналогична повторяемости, но требует боль­шего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подверг­нут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего диа­пазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

 

4.2.1.7 Влияние нелинейности

Многие датчики обладают свойством нелинейности. Например, если датчик дос­тигает верхнего предела рабочего диапазона, проявляется эффект насыщения, т. е. выходной сигнал ограничен, даже если входная величина возрастает. Примеры нелинейностей: нелинейная деформация пружин, кулоновское трение; магнитное насыщение в сердечниках трансформаторов, характеристики расходомеров (например, измерения в открытом канале харак­теризуются нелинейным соотношением между измеренным уровнем h и расхо­дом F, так как F = К • h^a, где К — постоянная);зависимость сопротивления термистора от температуры (R = R₀ • еxp(b(1/T-1/To)) где Т— это температура в градусах Кельвина, a R₀, T ₀ и b — это постоянные).

Особые проблемы связаны с люфтом в зубчатых передачах и других механизмах, имеющих свободный ход, а также с магнитным насыщением. Выходной сигнал дат­чиков, для которых характерны такие явления, — это многозначная функция вход­ной величины, зависящая от направления её изменения.

4.2.1.8 Характеристики импедансов

Объединение одного или нескольких элементов может существенно повлиять на поведение каждого из них по сравнению с автономным использованием. Например, тяжелый акселерометр может увеличить нагрузку настолько, что это изменит измеря­емое ускорение и даст неверный результат. Аналогично, подключение вольтметра из­меняет токи и напряжения в цепи, а термопара может исказить измеряемую температуру. Все это называется эффектом нагрузки (loading effect). Такие ошибки могут превосходить все другие типы ошибок измерения; их следует предусматривать при со­единении различных датчиков и устройств передачи/преобразования информации.

Понятие "импеданс" (impedance), т. е. полное сопротивление, имеет фундамен­тальное значение в электрических системах. Устройство с высоким входным импе­дансом (input impedance) потребляет меньший ток при заданном напряжении и, соответственно, меньшую мощность. Устройство с низким входным импедансом потребляет больший ток при данном напряжении. Поскольку оно отбирает большую мощ­ность у предшествующего в цепи устройства, это может вызвать ошибки нагрузки. Напряжение, генерируемое устройством с высоким выходным импедансом (output impedance), чрезвычайно чувствительно к эффекту нагрузки. Напротив, низкий вы­ходной импеданс позволяет уменьшить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Для выходных сигналов в виде силы тока картина прямо противополож­ная: высокий выходной импеданс делает выходной сигнал менее подверженным вли­янию токов нагрузки. Поэтому во многих случаях требуется применение специаль­ных согласующих электронных устройств для усиления сигналов и приведения в соответствие импедансов. В случае сигналов в виде напряжений применяются уси­лители с высоким входным импедансом и низким выходным импедансом. Процедура называется согласованием импедансов (impedance matching) и должна тщательно выполняться на каждом этапе.