Для чего нужна унификация входных и выходных сигналов
Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики
При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.
Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.
Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.
В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!
Унифицированные аналоговые сигналы
С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).
Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.
В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.
Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В
Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.
Управление сигналом 0-10 В
С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести трёхходовой клапан в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.
Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.
Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.
«Токовая петля»: унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА
Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.
По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:
Управление сигналом 4-20 мА
Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.
Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.
Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.
Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА
Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.
На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.
Нормирующий преобразователь
При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.
Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.
Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:
Унификация средств автоматизации
Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандартизации, также направленный на упорядочение и разумное сокращение состава серийно изготовляемых средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия параметров и технических характеристик, принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей исполнения средств автоматизации.
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации. В рамках ГСП применяются в серийном производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:
— электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);
— пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
— гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая, пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.
Наиболее развитой ветвью средств автоматизации является электрическая. Развитие пневматической ветви ограничивается относительно низкой скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов. В области автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств пневматические средства находились долгое время вне конкуренции. Гидравлическая ветвь средств ГСП не получила широкого развития.
По форме представления информации сигнал может быть аналоговым, импульсным и кодовым.
Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями какого–либо физического параметра–носителя (например, мгновенными значениями электрического напряжения или тока). Такой сигнал существует практически в каждый данный момент времени и может принимать любые значения в пределах заданного диапазона изменений параметра.
Импульсный сигнал характерен представлением информации только в дискретные моменты времени, т.е. наличием квантования по времени. При этом информация представляется в виде последовательности импульсов одинаковой продолжительности, но различной амплитуды (амплитудно-импульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной продолжительности (широтно-импульсная модуляция сигнала). Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) сигнала применяется в тех случаях, когда значения физического параметра–носителя информации могут изменяться со временем. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала используется, если физический параметр–носитель информации может принимать лишь некоторое постоянное значение.
Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При этом каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности импульсов, т.е. кода, а передаваемый сигнал является дискретным (квантуется) и по времени, и по уровню.
Все параметры и характеристики сигналов–носителей информации в средствах ГСП унифицированы. Стандартами предусматривается использование в аналоговых средствах следующих видов электрических сигналов:
— сигнал по изменению силы постоянного тока (токовый сигнал);
— сигнал по изменению напряжения постоянного тока;
— сигнал по изменению напряжения переменного тока;
— частотный электрический сигнал.
Сигналы постоянного тока используются чаще. При этом токовый сигнал (с большим внутренним сопротивлением источника) применяется для передачи информации в относительно длинных линиях связи.
Сигналы переменного тока редко используются для преобразования и передачи информации во внешних линиях связи. Это связано с тем, что при сложении и вычитании сигналов переменного тока необходимо выполнить требование синфазности, а также обеспечить подавление нелинейных искажений гармоник тока. В то же время при использовании этого сигнала легко реализуются задачи гальванического разделения электрических цепей.
Электрический частотный сигнал является потенциально наиболее помехоустойчивым аналоговым сигналом. В то же время получение и осуществление линейных преобразований этого сигнала вызывает затруднения. Поэтому частотный сигнал не получил широкого распространения.
Для каждого вида сигналов установлен ряд унифицированных диапазонов их изменений.
Стандарты на виды и параметры сигналов унифицируют систему внешних связей или интерфейс средств автоматизации. Такая унификация, дополненная стандартами на устройства коммутации блоков друг с другом (в виде системы разъемов), создает предпосылки для максимального упрощения проектирования, монтажа, коммутации и наладки технических средств систем управления. При этом блоки, приборы и прочие устройства с одинаковым типом и диапазоном параметров сигналов на входах–выходах стыкуются путем простого соединения разъемов.
Унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания означает, что сигналы, используемые прибором (напряжение питания, выходной ток и т.д.) должны соответствовать общепризнанному стандарту. Этот принцип делает возможной взаимозаменяемость приборов.
Стандартом определены унифицированные электрические сигналы:
— напряжение питания прибора: 12 В постоянного тока, 220 В переменного тока частотой 50 Гц и др.;
— токовые сигналы постоянного тока с диапазонами 0 … 5 мА, 0 … 20 мА, 4… 20 мА и др.;
— сигналы напряжения постоянного тока с диапазонами 0 … 1 В, 0 … 10 В и др.
Токовые сигналы и сигналы напряжения используются для передачи значений измеренных физических величин. Величины данных токов и напряжений изменяются в пределах указанных диапазонов в соответствии с изменениями измеряемых величин.
Недостатком сигналов напряжения являются потери сигнала при передаче на большие расстояния.
Из перечисленных сигналов в современных системах управления наибольшее распространение получил токовый сигнал с диапазоном 4…10 мА, поскольку при передаче на расстояние величина тока не изменяется. Величина тока ограничена снизу величиной 4 мА в целях диагностики линии передачи и измерительных приборов. Если прибор, рассчитанный на данный диапазон, генерирует сигнал меньший 4 мА, то это позволяет сделать вывод о неисправности прибора или линии передачи.
Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий преобразователь.
Назначение, классификация, принципы построения ИП.
Измерительный преобразователь — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
По характеру преобразования:
Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
По месту в измерительной цепи:
Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;
Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;
Промежуточный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.
Преобразование подобного в подобное в системах измерения и управления
Несмотря на кажущуюся на первых взгляд абсурдность преобразования «подобного в подобное», в ряде задач автоматизации это оказывается важным и полезным. В статье рассматриваются случаи, в которых преобразование унифицированных сигналов в унифицированные не только целесообразно, но и необходимо.
В одном из предыдущих номеров журнала «ИСУП» (№ 3 за 2010 год) была опубликована статья, посвященная нормирующим преобразователям сигналов датчиков температуры – термоэлектрических преобразователей (термопар) и термопреобразователей сопротивления – в унифицированные токовые сигналы.
Основная специфика таких преобразователей заключается в том, что они работают со слабыми сигналами постоянного напряжения от датчиков температуры. Это предопределяет набор функций, которые характерны именно для температурных нормирующих преобразователей:
— реализация метода измерения электрических сигналов термопар и термосопротивлений (например, 4-проводная схема измерения термосопротивления);
— линеаризация нелинейных номинальных статических характеристик термодатчиков;
— компенсация влияния температуры «холодных» спаев;
— усиление сигналов;
— подавление электромагнитных помех, которые оказывают сильное негативное влияние на слабые полезные сигналы датчиков, существенно искажая их;
— гальваническое разделение.
В настоящей статье речь пойдет о нормирующих преобразователях, которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе. Несмотря на кажущуюся на первых взгляд абсурдность преобразования «подобного в подобное», оно оказывается в ряде задач автоматизации весьма важным и полезным.
Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТом 26.011. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивлений источников и приемников этих сигналов. Если ряд отечественных унифицированных сигналов дополнить сигналами, которые широко используются иностранными производителями средств автоматизации, то получится обширное множество сигналов напряжения 0…1, 0…2,5, 0…5, 0…10, –1…1, –10…10 В и сигналов тока 0…5, 0…20, 4…20, –20…20 мА. Это означает, что в системе вполне вероятно будут присутствовать датчики и приборы с различными типами аналоговых сигналов. Они хоть и будут унифицированными, но будут разными. Это значит, что датчик не будет стыковаться с вторичным измерительным прибором, а управляющий прибор не сможет управлять исполнительным механизмом. В системах с десятками или даже тысячами сигналов такая ситуация возникает неизбежно. Особенно остро проблема стоит в тех случаях, когда ядром системы является контроллер (измерительно-управляющей системы – ИУС), который с целью удешевления и унификации работает с одним типом унифицированного сигнала. В современных контроллерах таким сигналом чаще всего является ток 4…20 мА.
Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:
— на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и к стоимости снижаются;
— токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
— обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
— токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя – минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.
Рис. 1. Согласование сигналов в многоканальных измерительно-управляющих системах ИУС. Под воздействием электромагнитных наводок удаленные приборы находятся под разными потенциалами
Картину взаимодействия контроллера, который работает с одним типом сигнала, с большим разнообразием датчиков и исполнительных устройств, иллюстрирует рис. 1. Задачу согласования устройств с различными типами сигналов как раз и призваны решать преобразователи нормирующих сигналов.
На рис. 1 показаны канал 3 на входе и канал 2 на выходе, в которых ни тип сигнала, ни его диапазон не изменяется, и тем не менее установлен нормирующий преобразователь. Дело в том, что в данных каналах нормирующие преобразователи решают еще одну задачу – гальваническое разделение цепей. Необходимость гальванического разделения возникает прежде всего в тех случаях, когда многоканальная измерительная система работает с неизолированными источниками сигналов, находящихся под разными потенциалами. Как известно, в промышленных условиях даже заземленные источники, но расположенные на некотором удалении друг от друга, находятся под разными потенциалами частотой 50 Гц, обусловленными электромагнитным наводками от силовых цепей (см. рис. 1). Гальваническая развязка решает эту проблему: она полностью устраняет влияние разности постоянных потенциалов и значительно подавляет переменные наводки частотой 50 Гц.
Кроме того, гальваническое разделение предохраняет измерительные цепи и от высокочастотных помех, которые вызваны короткими импульсами тока в силовых цепях. Такие импульсы возникают при работе сварочных аппаратов, индукторов, частотных преобразователей, тиристорных коммутаторов, а также при грозовых разрядах.
Рис. 2. Разветвления сигнала тока 1 в N
Наличие гальванической развязки трех составных частей нормирующих преобразователей, а именно входных цепей, выходных цепей и цепей питания, позволяет применять преобразователи для разветвления сигналов 1 в N. На рис. 2 показана схема подключения группы нормирующих преобразователей к одному источнику токового сигнала. На выходе преобразователей появляется ряд дублированных гальванически развязанных сигналов, пропорциональных одному сигналу на входе.
На рис. 3 показана аналогичная схема разветвления одного сигнала в N в случае, когда источником является сигнал напряжения.
Рис. 3. Разветвление сигнала напряжения 1 в N
С точки зрения надежности и безопасности в системе должна присутствовать сигнализация, которая срабатывает при достижении критическими сигналами недопустимых уровней. Например, в термическом оборудовании температура не должна превышать уровня, при котором начинается разрушение самого оборудования. Лучше всего такую сигнализацию реализовать в устройствах, которые максимально приближены к датчикам. Поскольку нормирующие преобразователи находятся на переднем крае на пути прохождения сигналов от датчиков, то представляется целесообразным возложить выполнение функций сигнализации именно на них. Таким образом, некоторые нормирующие преобразователи, наряду с преобразованием и гальваническим разделением сигналов, выполняют важнейшую функцию сигнализации.
Рассмотрим основные характеристики и особенности, которые необходимо учитывать при выборе нормирующих преобразователей унифицированных сигналов. В качестве примера приведем нормирующие преобразователи НПСИ-УНТ, выпускаемые Научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (см. рис. 4).
В силу своего основного функционального предназначения нормирующие преобразователи прежде всего характеризуются типами и диапазонами входных и выходных сигналов. В этом плане все преобразователи можно отнести к одной из двух групп:
— преобразователи с фиксированными входными и выходными сигналами, функция преобразования которых устанавливается предприятием-изготовителем;
— преобразователи, у которых типы и диапазоны преобразования устанавливаются пользователем.
Преобразователи первой группы, очевидно, конструктивно проще, а значит, и дешевле при прочих равных характеристиках. Их применение обосновано в серийно выпускаемых системах, где все функции преобразования четко определены и они не меняются в ходе проектирования и эксплуатации, а стоимость является ключевым фактором.
Преобразователи второй группы оказываются удобными в следующих случаях:
— в системе много преобразователей с большим разнообразием типов преобразования. Это облегчает подбор оборудования при проектировании, облегчает и ускоряет комплектование (комплектование можно проводить даже до окончания проектных работ), требует минимальных затрат на создание ЗИПа.
— в ходе создания системы и во время эксплуатации возникает необходимость замены какого-либо оборудования с изменением типов сигналов. В этом случае не требуется замена преобразователя, достаточно установить необходимый новый тип преобразования.
Из сказанного следует, что преобразователям второй группы отдают свое предпочтение системные интеграторы, которые постоянно выполняют различные проекты в условиях существенных временных ограничений и больших рисков со стороны поставщиков, а также при ограниченных ресурсах на создание складских запасов с большой номенклатурой преобразователей. Ключевыми факторами успеха для них являются гибкость, скорость, способность адаптироваться и устранять влияние рисков.
В преобразователях НПСИ-УНТ выбор входных и выходных сигналов программируется пользователем. Устанавливаются не только диапазоны преобразования, но и типы сигналов (ток и напряжение). При этом один преобразователь может осуществлять как однотипное (например, ток в ток), так и перекрестное преобразование (например, ток в напряжение). Типы и диапазоны преобразования приведены в табл. 1.
Преобразователи НПСИ-УНТ обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных сигналов. Напряжение изоляции составляет 1500 В.
Основная погрешность преобразования составляет 0,1 %. Температурная стабильность преобразователей составляет 0,005 % / °С.
Преобразователи НПСИ-УНТ выпускаются как с функцией сигнализации, так и без нее. В модификациях с сигнализацией выполняемая функция выбирается пользователем из четырех возможных вариантов:
— сигнализация срабатывает, если сигнал больше заданного уровня;
— сигнализация срабатывает, если сигнал меньше заданного уровня;
— сигнализация срабатывает, если сигнал больше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем;
— сигнализация срабатывает, если сигнал меньше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем.
Действие сигнализации для функций 1 и 3 иллюстрируют рис. 5, 6. Функции 3 и 4 представляют собой сигнализацию с защелкой. Сбросить его может пользователь только с передней панели преобразователя. Даже временное отключение питания не может сбросить защелку – после возобновления питания сигнализация будет включена. Таким образом, сигнализация с защелкой позволяет зафиксировать факт аварийной ситуации, а необходимость выполнения процедуры сброса с панели гарантирует, что обслуживающий персонал обнаружит аварийную ситуацию и предпримет действия, предусмотренные технологическим регламентом.
Помимо выполнения функций сигнализации, преобразователи обнаруживают аварийные ситуации, которые могут возникнуть в системе: обрыв линий связи входных и выходных сигналов (только для 4…20 мА), выход сигналов за допустимый диапазон, целостность параметров в энергонезависимой памяти. При обнаружении аварийных ситуаций (не путать с работой сигнализации) на преобразователе зажигается индикатор АВАРИЯ, на дисплее отображается код аварийной ситуации, а выходной ток принимает значение, которое при конфигурировании задает пользователь – низкий или высокий аварийный уровень. Измерительные системы, принимающие сигналы преобразователей, регистрируют эти аварийные уровни и, следовательно, обнаруживают аварийные ситуации.
Питание преобразователей НПСИ-УНТ в зависимости от модификации производится либо от сети переменного напряжения 220 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 85…265 В), либо от постоянного напряжения 24 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 10…42 В).
Конструктивно преобразователи НПСИ-УНТ выполнены в корпусе с габаритными размерами (D×H×W) 115 × 110 × 22,5 мм, который обеспечивает монтаж на DIN-рельс 35 мм по стандарту EN 50 022.
Настройка преобразователя (конфигурирование) осуществляется пользователем с передней панели с помощью кнопок с контролем по цифровому двухразрядному дисплею (см. рис. 7). На цифровом дисплее отображается уровень сигнала в процентах от диапазона. Уровень сигнала наглядно показывает и линейный барграф.
Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (см. рис. 8).
Рис. 8. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей
Нормирующие преобразователи НПСИ-УНТ, выпускаемые ООО НПФ «КонтрАвт», рассчитаны на эксплуатацию при температуре от –40 до +70 °С и относительной влажности 95 %.
Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому пользователь имеет возможность опробовать их в действии, оценить характеристики и принять обоснованное решение о целесообразности их применения в дальнейшей работе.