Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 3

– могут существенно различаться в зависимости от конкретного технологическогопроцесса. Для успешного управления процессом правильный выбор исполнительных устройств так же важен, как и правильный выбор датчиков.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 электромеханическимиреле или электронными переключателями.Характеристики аналоговых датчиковДискретные датчики используются для качественной оценки измеряемогопараметра: жидкость достигла заданного уровня, температура поднялась вышедопустимого значения и т.п.

С помощью аналоговых датчиков можно получить12количественную оценку величин измеряемых параметров. Кроме того, непрерывное измерение аналогового параметра позволяет учитывать не только текущеезначение параметра, но и динамику его поведения (быстро увеличивается, медленно уменьшается и т.п.), что, в свою очередь, позволяет реализовать более точную систему стабилизации параметра. Именно поэтому аналоговые датчики занимают особое место в системах автоматического управления.Аналоговый датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надёжностии удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами.

Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надёжные измерения – этонеобходимое условие качества управления.Различают статические и динамические характеристики датчиков.Статические характеристики датчиков показывают, насколько корректновыход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после еёизменения, кода выходной сигнал установился на новое значение.

Важными статическими параметрами являются: чувствительность, разрешающая способностьили разрешение, линейность или нелинейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и воспроизводимость результата [1, 5].Чувствительность датчика (коэффициент усиления) определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине.Разрешение – это наименьшее измерение измеряемой величины, котороеможет быть зафиксировано и точно показано датчиком.Линейная зависимость выхода датчика y от входа x – это свойство датчика,при котором коэффициент усиления датчика постоянен и не зависит от значенияизмеряемой величины:y ( x) = k ⋅ x + b, k = const , b = const .(1.1)Большинство датчиков имеют линейную характеристику в рабочем диапазоне.

Нелинейная статическая характеристика датчика чаще всего связана со способом измерения физической величины, например, при измерении расхода по перепаду давлений до и после сужающего устройства, расход оценивается исходя изуравнения Бернулли по формуле:G = ∆P .(1.2)Другой пример нелинейности – зависимость выхода термометра сопротивления от значения измеряемой температуры [6]R = R0 ⋅ exp(α ⋅ (T − T0 ) ) .(1.3)Дрейф определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемаявеличина остаётся постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа13может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточномзначении входного сигнала.

Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика(старение, выработка ресурса и т.д.).Рабочий диапазон датчика определяется допустимыми верхним и нижнимпределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.Повторяемость 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 должныбыть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияниедрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.Воспроизводимость 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 задаётся в виде процентов от рабочего диапазона, отнесённых к единице времени (например, к месяцу).Свойства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входныхвоздействий, называются динамическими характеристиками.

Они существенновлияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагируетна изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчикунеобходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно,что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величинывремя реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, который применяется ко всей системе управления процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быстродействие системы. Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров,которые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей.

Динамическую характеристику датчика (его передаточную функцию)можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входнойвеличины (переходная функция). Параметры, описывающие реакцию датчика,дают представление о его скорости, инерционных свойствах и точности.Выделяют следующие динамические характеристики датчика [1, 5].14Запаздывание – время между началом изменения физической величины имоментом реакции датчика, т.е.

моментом начала изменения выходного сигнала.В литературе встречаются и другие определения запаздывания.Время нарастания – время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10до 90% установившегося значения. Малое время нарастания всегда указывает набыструю реакцию.Время переходного процесса, время установления – время, начиная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньшезаданной величины (например, ±5%).Время достижения первого максимума – время достижения максимумавыходного сигнала (максимум перерегулирования).Относительное перерегулирование – разность между максимальным и установившимся значениями, отнесённая к установившемуся значению (в процентах).Последние две характеристики встречаются довольно редко, посколькубольшинство датчиков всё же имеют апериодический переходный процесс, безперерегулирования.

Ведь наличие перерегулирования говорит о колебательномхарактере переходного процесса, а значит и о наличии резонансной частоты,вблизи которой поведение датчика будет резко ухудшаться.Полоса пропускания и шумПри обработке измерительных сигналов полоса пропускания определяетсякак диапазон рабочих частот датчика. Только те физические величины, рабочиечастоты которых лежат в полосе пропускания, можно надлежащим образом измерить или изменить.

Это означает, что скорость реакции датчика достаточна дляправильного отображения изменений исходной физической величины, при этомсигнал 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 исполнительногомеханизма. Последнее не всегда является положительным фактором, поскольку вэтом случае устройство более восприимчиво к нежелательным высокочастотнымвозмущениям.Любой измерительный сигнал искажается возмущениями и шумом как впроцессе формирования, так и передачи.

Одна из основных проблем передачисигнала – 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 является не толькопроблемой организации интерфейса «процесс – компьютер», но и проявляется15при любых типах передачи информации. Регуляторы обычно проектируются врасчёте на наличие возмущений и шумов.1.5. СОГЛАСОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВПередача информации между различными частями системы управления является одним из неотъемлемых и критически важных элементов. Электрическиесигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить.

Уровнисигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любоеэлектронное устройство способствует возникновению электрических возмущений.

Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядомдруг с другом, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает такжеизменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода икабели выступают в качестве антенны для шумов и возмущений. Многие проблемы, связанные с электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей заземления. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток илисвет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивостьк наводкам и шумам.Согласование сигналовПоследовательное соединение одного или нескольких электронных устройств преобразования измерительного сигнала может существенно изменить поведение каждого из них по сравнению с автономным использованием.