МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ. Майже всі технологічні параметри, присутні в реальному промисловому об'єкті, мають аналоговий або дискретний вигляд

Майже всі технологічні параметри, присутні в реальному промисловому об'єкті, мають аналоговий або дискретний вигляд. Існує багато датчиків, які можуть перетворювати вимірювані величини тільки в аналоговий вигляд, а також багато виконавчих механізмів, що мають тільки аналогові вхідні сигнали. З іншого боку, новітні засоби автоматизації, які знаходять все більше застосування в системах управління, використовують цифрове представлення оброблюваних величин. Для того, щоб зв'язати між собою параметри, представлені в аналоговому/дискретному і цифровому вигляді, використовуються пристрої зв'язку з об'єктами (ПЗО). Таким чином, ПЗО є невід'ємною частиною будь-якої системи управління, зокрема що використовує цифрові пристрої (промислові комп'ютери, обчислювальні мережі і т.д.). Для представлення місця ПЗО в процесі автоматизації виробництва подібні системи можна теоретично зобразити у вигляді схеми (див. рис.3).

 

Рисунок 3

 

Датчики, що встановлюються на об'єкті, призначені для первинного перетворення параметрів у вихідний сигнал для передачі в ПЗО. Виконавчі механізми приймають керуючі сигнали, що пройшли через ПЗО, для дії на процес. Зв'язок між датчиками, виконавчими механізмами і ПЗО може бути аналоговим, дискретним або цифровим.

Промисловий комп'ютер (РС|) в системі грає роль керуючого елемента, що приймає цифрову інформацію від ПЗО| і виробляє керуючі сигнали. Для зв'язку між ним і ПЗО використовується будь-який з цифрових інтерфейсів (ЦІ), до яких належать RS-232, RS-422, RS-485 і ін.

Дана схема є умовною, оскільки в реальних системах модулі ПЗО можуть бути не присутніми у вигляді самостійного пристрою, а входити до складу датчиків або промислових комп'ютерів. Прикладом служать датчики, які здійснюють подвійне (потрійне і т.д.) перетворення вимірюваної величини і що видають на вхід готовий цифровий сигнал. В цьому випадку межа між власне первинним перетворювачем і ПЗО проходить десь усередині нього. З іншого боку, ПЗО можуть бути виконані у вигляді АЦП/ЦАП-плати, що вставляється в ISA-слот комп'ютера. В цьому випадку аналогові сигнали можуть бути введені прямо в комп'ютер, де і перетворяться в цифровий код.

Надалі в якості ПЗО будем розглядати модулі, плати та інші пристрої, призначені для прийому аналогових і дискретних сигналів від об’єкта (незалежно від того, скільки разів вони були перетворені всередині нього), перетворення його в цифровий вигляд для передачі в комп’ютер (контролер), а також для прийому цифрових керуючих даних від РС і претворення їх у вигляд, відповідаючий виконавчим механізмам об’єкта.

Модулі ПЗО - це конструктивно закінчені пристрої, виконані у вигляді модулів, що встановлюються, як правило, в спеціалізовані плати, що мають клемні з'єднувачі для підведення зовнішніх кіл (такі плати називають монтажними панелями), або на стандартну несучу DIN-рейку. Модулі ПЗО| поміщені в пластмасовий корпус і оснащені відповідно або виводами для кріплення на монтажних панелях, або клемними з'єднувачами з гвинтовою фіксацією для кріплення вхідних і вихідних ланцюгів.

На ПЗО покладають наступні функції:

1) Нормалізація аналогового сигналу - приведення меж шкали первинного безперервного сигналу до одного із стандартних діапазонів вхідного сигналу аналого-цифрового перетворювача вимірювального каналу. Найбільш поширені діапазони напруги від 0 до 5 В, від -5 до 5 В, від 0 до 10 В і струмові: від 0 до 5 ма, від 0 до 20 ма, від 4 до 20 ма, від 1 до 5 ма.

2) Попередня низькочастотна фільтрація аналогового сигналу - обмеження смуги частот первинного безперервного сигналу з метою зниження впливу на результат вимірювання перешкод різного походження. На промислових об'єктах найбільш поширені перешкоди з частотою мережі змінного струму, а також хаотичні імпульсні перешкоди, викликані впливом на технічні засоби вимірювального каналу перехідних процесів і наведень при комутації виконавчих механізмів підвищеної потужності.

3) Забезпечення гальванічної ізоляції між джерелами сигналу і каналами системи.

Крім цих функцій, ряд пристроїв зв'язку з об'єктом може виконувати складніші функції за рахунок наявності в їх складі підсистеми аналого-цифрового перетворення і дискретного введення-виведення, мікропроцесора і засобів організації одного з інтерфейсів послідовної передачі даних.

Крім цих функцій, ряд пристроїв зв'язку з об'єктом може виконувати складн|іші функції за рахунок наявності в їх складі підсистеми аналого-цифрового перетворення і дискретного введення-виведення, мікропроцесора і засобів організації одного з інтерфейсів послідовної передачі даних.

Простим пристроєм гальванічної розв'язки є електромагнітне реле. Реле, як правило, інерційні, мають відносно великі габарити і забезпечують обмежене число перемикань при чималому споживанні енергії. Розвиток електроніки привів до розповсюдження компонентів, що забезпечують оптичну розв'язку між ланцюгами. ПЗО, побудовані з використанням такої розв'язки, є недорогими, високонадійними і швидкодіючими. Крім того, вони характеризуються високою напругою ізоляції і низькою споживаною потужністю.

По характеру оброблюваного сигналу ПЗО можна розділити на аналогові дискретні і цифрові.

Аналогові ПЗО повинні володіти великою точністю, хорошою лінійністю і забезпечувати чималу напругу ізоляції. Крім того, бажаними є робота з різними джерелами вхідних сигналів (струми, напруга, сигнали від терморезисторів, термопар і т.д.), можливості швидкої заміни і низька вартість.

Дискретні ПЗО забезпечують опитування датчиків з релейним виходом, кінцевих вимикачів, контроль наявності в ланцюзі напруги, струму і т.д., а вихідні ПЗО формують сигнали для управління пускачами, двигунами і іншими пристроями. Дискретні ПЗО повинні задовольняти тим же вимогам, що і аналогові. Крім того, вони повинні володіти мінімальним часом перемикання, а вихідні - забезпечувати комутацію якомога вищої напруги і струмів і вносити при цьому мінімум спотворень, обумовлених перехідними процесами, в комутований ланцюг.

Серед модулів ПЗО існують також пристрої, що працюють тільки з цифровою формою інформації. До них відносяться комунікаційні модулі, призначені для забезпечення мережевої взаємодії. Наприклад, повторювачі, які служать для збільшення протяжності лінії зв'язку, перетворювачі інтерфейсів RS-232/RS-485.

По напряму проходження даних через ПЗО їх можна розділити на 3 типи:

1) пристрої введення, що забезпечують передачу сигналу з датчиків в пристрій обробки і виведення сигналів для управління;

2) пристрої виводу, призначені для формування сигналів для виконавчих механізмів;

3) двонаправлені, тобто такі, що забезпечують введення і виведення сигналів.

Якщо розглядати ПЗО з погляду призначення і конструктивного виконання, то тут можна виділити наступну класифікаційну структуру:

1 Пристрої перетворення типу «а/д сигнал «ЦІ», тобто перетворюючі аналогові і дискретні сигнали в цифровий вигляд для передачі по цифровому інтерфейсу (ЦІ) і навпаки. Усередині цього типу можна виділити класи:

1.1 Модулі аналогового/дискретного введення/виводу, виконані в одному конструктиві (див. рис.4,а). Приклад: серія ADAM-4000 фірми Advantech.

1.2 Пристрої типу «а/д «модуль «м.п. «ЦІ» (м.п. - монтажна плата) (див. рис.4,б). Приклад: модулі фірм Grayhill, Analog Devices.

1.3 Пристрої типу «а/д «модуль «м.п. «контроллер «ЦІ» (див. рис.4,в). Приклад: контроллери Grayhill.

2 Допоміжні пристрої:

2.1 Пристрої типу «ЦІ «ЦІ», що служать для перетворення інтерфейсів або для організації нових сегментів вимірювальної мережі (комунікаційні модулі) (див. рис.4, г). Приклад: серія ADAM-4000 фірми Advantech.

2.2 Модулі нормалізації і гальванічної розв'язки («а/д «модуль «а/д»). Приклад: серія ADAM-3000 фірми Advantech.

3 Плати для введення/виводу даних в PC:

3.1 Формувач інтерфейсів («ЦИ «плата «РС»).

3.2 Плати АЦП/ЦАП («а/д «плата«РС»).

Деякі ПЗО використовують монтажні плати для установки модулів введення/виводу. На деяких з цих плат встановлені АЦП/ЦАП-перетворювачі і формувачі ЦІ.

Пристрої першого вигляду є основними ПЗО, що використовуються в автоматизації і тому широко представлені виробниками. Ці пристрої призначені для реалізації взаємодії між обчислювальною системою і датчиками безперервних і дискретних параметрів, а також для видачі керуючих дій на виконавчі механізми.

Рисунок 4

 

Модулі забезпечують виконання наступних функцій:

· прийом і дешифрування команд по цифровому каналу;

· введення і нормалізацію аналогових сигналів (струм і напруга);

· опитування стану дискретних входів;

· фільтрацію аналогових і дискретних вхідних сигналів;

· вивід аналогових (струм і напруга) і дискретних сигналів;

· аналого-цифрове (для модулів аналогового введення) перетворення;

· цифро-аналогове (для модулів аналогового виводу) перетворення;

· перетворення шкали значень безперервних параметрів в заздалегідь задані одиниці вимірювання;

· формування і передачу на адресу основної обчислювальної системи інформації, що містить результат вимірювання або стан дискретних входів, після отримання відповідного запиту по цифровому каналу.

Настройка і калібрування багатьох модулів здійснюється програмним способом шляхом передачі в їх адресу відповідних команд по інформаційній мережі.

Прикладом таких модулів, виконаних у вигляді єдиного окремого пристрою, є модулі серії ADAM-4000, вироблювані фірмою Advantech.

Модулі дозволяють створювати на технологічній ділянці вимірювальну мережу, що заснована на інтерфейсі RS-485 і складається з декількох сегментів.

Взаємодія між основною обчислювальною системою (контроллером мережі, КМ) і модулями, об'єднаними в мережу, здійснюється шляхом передачі в адресу кожного модуля запиту, що містить префікс типу команди, символьне представлення мережевої адреси запрошуваного модуля, число, відповідне підтипу команди, і символ повернення каретки. Для програмного забезпечення КМ| видача запиту означає видачу рядка символів в послідовний порт. При отриманні команди вбудоване програмне забезпечення модуля проводить перевірку його коректності і ідентифікацію, після чого посилає в адресу КМ| запрошувану інформацію у вигляді рядка символів.

Представником 2-го класу цього типу ПЗО, тобто ПЗО що являють собою набір модулів що встановлюються на монтажну плату, є модулі та плати фірм Analog Devices (серії 5В, 6В, 7В), Grayhill (серії 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 та ін. Особливістю цих модулів аналогового/дискретного введення є те, що вони самі по собі не забезпечують цифрового інтерфейсу. Виходи цих модулів, як правило, частотні. При цьому частота вихідного сигналу лінійно залежить від значення вхідного сигналу і змінюється в визначеному діапазоні (14,4 кГц...72 кГц). Таким чином, щоб отримати значення вхідного сигналу, потрібно виміряти частоту з виходу модуля або через дискретний порт введення/виведення або програмним способом, або використовуючи спеціалізовані монтажні плати, перетворюючі частоту в код. Вартість такої плати нижче, ніж для традиційної плати АЦП, оскільки вона працює з частотним, тобто дискретним сигналом, а, отже, не містить дорогих аналогових кіл.

Додатковою перевагою пристроїв розв’язки даного класу є можливість встановлення на монтажну панель як аналогових, так і дискретних модулів введення/виводу, так як вони сумісні за виводами.

Вхідним сигналом для модулів виводу є керуюче слово в двійковому послідовному коді, яке проходить через опторозв’язку і далі через буфер подається на ЦАП. Функцію посилки цього слова приймає на себе монтажна плата.

До 3-го класу даного типа ПЗО| можна віднести мікроконтролери фірми Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MICRODAC LT, MicroLon, DeviceNet-DACNet і система OpenLine). Дані мікроконтролери використовують ті ж модулі аналогового/дискретного введення/виводу і монтажні плати, що і описані вище. Відмінною рисою мікроконтролерів є те, що їх сімейства можуть бути об'єднані в мережу і забезпечувати гнучкі і недорогі рішення при застосуванні РС для управління і збору даних. Крім того, безпосереднє розташування мікроконтролерів поряд з датчиками і виконавчими механізмами скорочує довжину ліній і збільшує завадостійкість мережі.

Вони підключаються по інтерфейсу RS-422/485 до мережевого сервера, в якості якого використовується промисловий РС або звичайний офісний.

Комунікаційні модулі призначені для створення інформаційно-вимірювальних мереж, для збільшення протяжності лінії зв’язку або організації чергового сегмента мережі (повторювачі).

Крім того, до цього типу можна віднести перетворювачі інтерфейсів RS‑232/RS‑485 і ін. Вони необхідні для забезпечення зв'язку, наприклад, між вимірювальною мережею підприємства, побудованою на RS-485, і інтелектуальними датчиками, які, як правило, використовують інтерфейс RS-232, або радіомодемами.

Прикладом подібних систем є комунікаційні модулі серії ADAM‑4000 фірми Advantech:

ADAM-4510 - повторювач RS-485/RS-485

ADAM-4520 - перетворювач RS-232/RS-422/RS-485

ADAM-4521 - перетворювач RS-232//RS-485

ADAM-4550 - радіомодем з перетворенням RS-485/RS-232.

Плати для введення/виводу даних в РС працюють з інформацією, яка приходить або через інтерфейси RS і ін. (у випадку з платами формування інтерфейсів), або вводиться в РС безпосередньо в аналоговому/дискретному вигляді через плати АЦП. Дані плати встановлюються безпосередньо в слоти ISA (рідше IPC) промислового або звичайного офісного РС.

Плати АЦП/ЦАП використовуються безпосередньо для введення вимірюваної величини в комп'ютер і/або для виведення керуючих сигналів. Дані плати, як правило, мають додатково декілька каналів цифрового введення/виведення.

При виборі модулів ПЗО бажана орієнтація на той інтерфейс, на основі якого побудована вимірювальна мережа підприємства, оскільки інакше можуть знадобитися модулі перетворення інтерфейсів. На вибір використовуваного інтерфейсу впливає топологія мережі і протяжність ліній зв'язку. Для розгалужених мереж і мереж з протяжними лініями (до 1200 м і більш) найбільш відповідним є інтерфейс RS-485. Кількість пристроїв, приєднаних до такої мережі, обмежене 255.

Вибір інтерфейсу RS-422 в більшості випадків недоцільний, оскільки він не має широкого розповсюдження. Для невеликих локальних мереж з кількістю пристроїв близько декількох одиниць може бути використаний RS-232. Його перевагою є те, що він вбудований у всі промислові і офісні РС і не вимагає додаткових пристроїв. Недолік - мала протяжність ліній зв'язку.

Протяжні сигнальні лінії від датчиків і виконавчих пристроїв до центрального контроллера часто приводять до проблем, пов'язаних з недостатньою завадостійкістю і пошуком несправностей.

Модулі введення/виведення серії ADAM-4000 фірми Advantech найдоцільніше застосовувати в розподілених системах збору даних і прикладної області, для яких характерна невисока швидкість вимірювання параметрів технологічного процесу, що підлягають контролю. Функції локального, незалежного від контролера мережі, управління представлені обмежено і часто не задовольняють вимогам, що висуваються при постановці завдання комплексної автоматизації підприємства.

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ