CC BY
38
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.39
Анализ работы универсальных модулей ввода/вывода для автоматизации систем учета и контроля промышленных объектов
Сергей Александрович Шляхтин, аспирант, e-mail: sega3712@mail.ru Татьяна Сергеевна Аббасова, к.т.н., доцент каф. «Информационные системы», e-mail: abbasova_univer@mail.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены универсальные модули ввода/вывода для автоматизации систем учета и контроля российского производства фирмы ОВЕН; проанализированы функции модулей ввода/вывода как звеньев системы удаленного контроля и управления объекта; предложено ввести в программу работы модулей цифровую фильтрацию для ослабления влияния внешних импульсных помех на их эксплуатационные характеристики; даны рекомендации по выбору полосы фильтра датчика измерений; показано, что чем меньше заданное значение полосы фильтра, тем лучше помехозащищенность измерительного канала, но хуже реакция прибора на быстрое изменение входного параметра.
The authors examine the universal input/output modules for the automation of accounting and control systems in the Russian production company called OVEN. The study analyzes the functions of the input/output modules as components of the remote control system and the management of the site. The authors reduce the influence of the external impulse noise on the performance of the modules with the help of digital filtration and provide recommendations on the choice of the filter band of the measurement sensor. The reduction of a specified value in the filter band improves the noise immunity of the measuring channel but weakens the device reaction to the rapid change in the input parameter.
Ключевые слова: модули ввода/вывода, датчики давления и температуры, преобразование сигналов, цифровая фильтрация.
Keywords: input/output module, pressure and temperature sensors, signal conversion, digital filtering.
При разработке новых и модернизации существующих систем отопления для обеспечения высокой эффективности их работы проектировщики стараются автоматизировать технологический процесс. С этой целью сначала осуществляется сбор информации о реальных физических величинах и преобразование этих величин в унифицированные электрические сигналы с помощью первичных преобразователей (активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом в виде постоянного напряжения или тока, датчики положения исполнительных механизмов, термопреобразователи сопротивления и т.п.), затем, после преобразования, унифицированные сигналы поступают с выходов первичных преобразователей на входы универсальных модулей ввода/вывода, которые управляют технологическим процессом на
основании анализа полученных унифицированных сигналов. Этот анализ осуществляется одновременно для различных типов датчиков. Рассмотрим работу этих модулей.
Модуль ввода аналоговый измерительный (МВА8)
Модуль МВА8 предназначен для построения автоматизированных систем контроля и управления производственными технологическими процессами и осуществляет следующие функции:
• измеряет физические параметры объекта, контролируемые входными первичными преобразователями;
• осуществляет цифровое отфильтровывание измеренных параметров от промышленных импульсных помех;
• корректирует измеренные параметры для устранения погрешностей первичных преобразователей;
• формирует аварийный сигнал при обнаружении неисправности первичных преобразователей;
• передает компьютеру информацию о значениях измеренных датчиками величин или значениях, полученных после преобразования этих величин, по интерфейсу ЯБ-485;
• изменяет значения программируемых параметров с помощью программы конфигурирования;
• сохраняет заданные программируемые параметры в энергонезависимой памяти при отключении напряжения питания МВА8;
• снимает показания датчиков положения и контактных дискретных датчиков.
Работа прибора заключается в преобразовании сигналов подключенных к нему первичных датчиков в электрические сигналы, оптимальные с точки зрения дальнейшей их обработки (рис. 1).
В качестве первичных преобразователей (датчиков) прибора могут быть использованы термопреобразователи сопротивления, термопары (преобразователи термоэлектрические), активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом в виде постоянного напряжения или тока, датчики положения исполнительных механизмов и сухие контакты реле или выключателя.
Прибор может быть использован одновременно для работы с различными типами датчиков
- термопреобразователями сопротивления, термо-
парами и т.п. При этом несущественно, к какому входу МВА8 будет подключен датчик того или иного типа, так как все восемь входов прибора абсолютно идентичны.
После подключения датчикам присваиваются порядковые номера тех входов прибора, с которыми они соединены. Тип каждого датчика устанавливается пользователем в виде цифрового кода в программируемом параметре л_п^ при подготовке прибора к работе.
Сигналы датчиков поступают на вход МВА8, где происходит вычисление текущих значений контролируемых физических параметров и преобразование их в цифровой вид.
При работе с термопреобразователями сопротивления и термопарами вычисление температуры производится по стандартным номинальным статическим характеристикам [1]. Для корректного вычисления параметров, контролируемых на объекте термоэлектрическими преобразователями, в схеме предусмотрена автоматическая коррекция показаний прибора по температуре свободных концов термопар. Датчик контроля этой температуры расположен внутри прибора у клеммных контактов, предназначенных для подключения первичных преобразователей. Автоматическая коррекция обеспечивает правильные показания прибора при изменении температуры окружающей его среды.
При работе с активными преобразователями, выходным сигналом которых является напряжение
Рис. 1. Модуль ввода МВА8
или ток, в приборе предусмотрена возможность масштабирования шкалы измерения. При этом вычисление текущих величин контролируемых параметров осуществляется при помощи масштабирующих значений, задаваемых индивидуально для каждого такого датчика. Использование масштабирующих значений позволяет пользователю отображать контролируемые физические параметры непосредственно в единицах их измерения (атмосферах, килопаскалях, метрах и т. д.). Масштабирование шкалы измерения производится при установке параметров Ain.L (нижней) и Ain.H (верхней) границ диапазона. При этом минимальному уровню выходного сигнала датчика будет соответствовать значение, заданное в параметре Ain.L, а максимальному - значение, заданное в параметре Ain.H.
Дальнейшая обработка сигналов датчика осуществляется в заданных единицах измерения по линейному закону (прямо пропорциональному при Ain.H > Ain.L или обратно пропорциональному при Ain.H < Ain .L). Расчет текущего значения контролируемого датчиком параметра производится по одной из следующих формул: приAin.L>Ain.H -
Ain-L - М^Овх - /мин)
Пизм = Ain-L +-
(I
макс мин
1мин)
, (1)
приAin.L<Ain.H -
„ Ain. L - Ain. H (/ - /,„„)
Пизм - Ain.H +------------ ^ вх мин7, (2)
( макс мин
где Ain.L, Ain.H - заданные значения параметров; 1вх - текущее значение входного сигнала; /мин, 1макс - минимальное и максимальное значения
входного сигнала датчика; Пизм - измеренное прибором значение параметра.
Для ослабления влияния внешних импульсных помех на эксплуатационные характеристики прибора в программу его работы введена цифровая фильтрация результатов измерений (рис. 2). Фильтрация осуществляется независимо для каждого канала измерения входных параметров и проводится в два этапа.
На первом этапе из текущих измерений входных параметров отфильтровываются значения, имеющие явно выраженные «провалы» или «выбросы». Для этого в приборе осуществляется непрерывное вычисление разности между двумя результатами последних измерений одного и того же входного параметра, выполненных в соседних циклах опроса и сравнение этой разницы с заданным предельным отклонением. При этом если вычисленная разность превышает заданный предел, то результат, полученный в последнем цикле опроса, считается недостоверным, дальнейшая обработка его приостанавливается и производится повторное измерение. Если недостоверный результат был вызван воздействием помехи, то повторное измерение подтвердит этот факт и ложное значение аннулируется. Такой алгоритм обработки результатов измерений позволяет защитить прибор от воздействия единичных импульсных и коммутационных помех, возникающих на производстве при работе силового оборудования.
Величина предельного отклонения в результатах двух соседних измерений задается пользователем в параметре «Полоса фильтра» in.EC индивидуально для каждого датчика в единицах измеряемых ими физических величин.
Рис. 2. Временные диаграммы работы цифровых фильтров: а - все фильтры включены; б - все фильтры отключены; в - включен фильтр in.EC; г - включены фильтры in.EC и in.EC
Следует иметь в виду, что чем меньше заданное значение «Полосы фильтра», тем лучше помехозащищенность измерительного канала, но при этом (из-за возможных повторных измерений) хуже реакция прибора на быстрое фактическое изменение входного параметра. Во избежание повторных измерений при задании «Полосы фильтра» для конкретного датчика следует руководствоваться максимальной скоростью изменения контролируемого им параметра при эксплуатации, а также установленной для него периодичностью опроса.
На втором этапе фильтрации осуществляется сглаживание (демпфирование) полученных на первом этапе результатов в случае их возможной остаточной флуктуации.
Передаточная функция звена, осуществляющего преобразование входного сигнала на этом этапе фильтрации, по своим параметрам соответствует фильтру низких частот первого порядка с постоянной времени т. При поступлении на вход фильтра скачкообразного сигнала его выходной сигнал через время, равное т, изменится на величину 0,64 от амплитуды скачка, через время, равное 2т - на величину 0,88, через время, равное 3т - на величину 0,95 и т.д. по экспоненциальному закону.
«Постоянная времени фильтра» задается пользователем в секундах индивидуально для каждого канала при установке параметра л_п.ЕО.
При задании параметра л_п.ЕО следует иметь в виду, что увеличение его значения улучшает помехозащищенность канала измерения, но и одновременно увеличивает его инерционность. То есть реакция прибора на быстрые изменения входной величины замедляется.
Полученные в результате вычислений отфильтрованные текущие значения измеренных величин могут быть откорректированы прибором в соответствии с заданными пользователем корректирующими параметрами.
В приборе для каждого канала измерения предусмотрены два корректирующих параметра, с помощью которых можно осуществлять сдвиг и изменение наклона измерительной характеристики.
Сдвиг характеристики осуществляется путем алгебраического суммирования результатов полученных измерений с корректирующим значением 8, заданным в параметре л-п.БН для данного датчика (рис. 3). По оси абсцисс на графике рис. 3 отложены значения измеряемой температуры (7изм, °С) и сопротивления термопреобразователя сопротивления (ЯТС, Ом). Корректирующее значение 8 задается в тех же единицах измерения, что и изме-
ряемый физический параметр (т.е. в °С), и служит для устранения влияния начальной погрешности первичного преобразователя. Для термопреобразователя сопротивления задаются следующие значения: Я0 - начальное значение сопротивления без коррекции; Я0К - начальное значение сопротивления с коррекцией; АЯ - разница между начальными значениями сопротивления с коррекцией и без коррекции. При нулевом значении измеренной температуры с учетом корректирующего параметра 8 значение ЯТС равно 50 Ом, при 7изм = 100°С с учетом корректирующего параметра 8 значение ЯТС равно 71,3 Ом.
Рис. 3. Коррекция измерительной характеристики со сдвигом
Изменение наклона характеристики осуществляется путем умножения откорректированной по параметру іп.БН измеренной величины на поправочный коэффициент а, значение которого задается пользователем для каждого датчика в параметре іп.БЬ. Данный вид коррекции может быть использован для компенсации погрешностей самих датчиков (например, при отклонении у термопреобразователей сопротивления параметра "100 от стандартного значения) или погрешностей, связанных с разбросом сопротивлений шунтирующих резисторов (при работе с преобразователями, выходным сигналом которых является ток) (рис. 4). Значение поправочного коэффициента а задается в безразмерных единицах в диапазоне 0,900... 1,100 перед его установкой и может быть определено по формуле
а = Пф^, (3)
П„
Рис. 4. Коррекция измерительной характеристики с наклоном
где а - значение поправочного коэффициента, устанавливаемого в параметре in.SL; Пфакг - фактическое значение контролируемого входного параметра; Пизм - измеренное прибором значение параметра.
Определить необходимость введения поправочного коэффициента можно, измерив максимальное или близкое к нему значение параметра, где отклонение наклона измерительной характеристики наиболее заметно.
Полученная после фильтрации и коррекции результирующая информация об измеренных значениях входных параметров поступает для дальнейшей обработки на арифметически-логические преобразователи (АЛП) прибора.
Программирование прибора МВА8 производится с помощью программы «Конфигуратор МВА8» через адаптер RS-485 с помощью компьютера и включает в себя настройку сетевых параметров и сетевого интерфейса прибора МВА8 [3]. Данная процедура задает конфигурацию МВА8 (конфигурация - это полный набор значений параметров, определяющий работу прибора).
Программа-конфигуратор позволяет выполнять следующие операции: создавать, изменять и редактировать значения параметров, а также открывать из файла, считывать из прибора, записывать в прибор и сохранять в файл данные об измерениях.
Приведем основные технические характеристики МВА8 [5]: диапазон переменного напряжения питания - 90...245 В; частота - 47...63 Гц; потребляемая мощность - не более 6 ВА; число каналов измерения - 8; время опроса одного канала - не более 0,4 с; напряжение источника питания актив-
ных датчиков постоянного тока (максимальное значение 180 мА) - 24±3 В; интерфейс связи с компьютером - RS-485; протокол связи, используемый для передачи информации о результатах измерения
- ОВЕН, ModBus-RTU, ModBus-ASCII, DCON; степень защиты корпуса - IP20; габаритные размеры - (157*86*57)±1 мм; масса прибора - не более 0,5 кг; средний срок службы - 8 лет.
По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации МВА8 соответствует группе В4 [2], а по устойчивости к механическим воздействиям - группе N1 [2].
Модуль дискретных входов и выходов (МДВВ)
Рассмотрим работу модуля МДВВ, предназначенного для построения автоматизированных систем контроля и управления производственных технологических процессов.
Прибор служит для управления встроенными дискретными выходным элементами (ВЭ), используемыми для подключения исполнительных механизмов с дискретным управлением, и сбора данных с дискретных входов модуля с передачей их на компьютер (рис. 5).
Модуль МДВВ выполняет следующие функции:
• снимает показания датчиков положения и контактных дискретных датчиков;
• использует любой дискретный вход в режиме счетчика (максимальная частота сигнала - 1 кГц);
• генерирует шим-сигнал с любого из выходов;
• автоматически переводит исполнительный механизм в аварийный режим работы при нарушении сетевого обмена;
• передает компьютеру информацию о значениях, полученных с входов, по интерфейсу RS-485;
• обеспечивает помехоустойчивость за счет встроенного импульсного источника с напряжением питания 90...264 В и частотой 47...63 Гц и гальванической развязки в цепях выходов питания, а также применения защитных элементов в цепях дискретных входов. Прибор может быть оснащен дискретным ВЭ
следующих типов: реле (маркировка Р), симистор-ные оптопары (С), транзисторные ключи (К) и выходы для управления твердотельным реле (Т).
Электромагнитное реле позволяет подключать нагрузку с максимально допустимым током 8 А при напряжении 220 В. На клеммы прибора выведены сухие контакты реле, нормально замкнутый и нормально разомкнутый.
Транзисторный ключ применяется, как правило, для управления низковольтным реле (до 60 В). Схема включения приведена на рис. 6. Во избежа-
Рис. 5. Модуль дискретного ввода/вывода МДВВ
ние выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке реле Р1 необходимо устанавливать диод УБ1, рассчитанный на напряжение 100 В и ток 1 А.
без применения дополнительных устройств. Транзисторный ключ и оптосимистор имеют гальваническую развязку от схемы прибора.
Выход Т предназначен для непосредственного управления твердотельным реле. Выход не имеет гальванической развязки. Гальваническая развязка прибора и ИМ осуществляется за счет самого твердотельного реле, схема подключения к входу Т приведена на рис. 9.
Рис. 6. Схема подключения транзисторного ключа
Оптосимистор включается в цепь управления мощного симистора через ограничивающий резистор Я1 (рис. 7). Значение сопротивления резистора Я1 определяет величину тока управления симистора.
Рис. 8. Схема встречно-параллельного подключения двух тиристоров
Рис. 7. Схема подключения оптосимистора
Оптосимистор может также управлять парой встречно-параллельно включенных тиристоров УБ1 и УБ2 (рис. 8). Для предотвращения пробоя тиристоров из-за высоковольтных скачков напряжения в сети к их выводам рекомендуется подключать фильтрующую ЯС-цепочку (Я2С1).
Оптосимистор имеет встроенное устройство определения перехода через ноль. Это обеспечивает полное открытие подключаемых тиристоров
Рис. 9. Схема подключения твердотельного реле
При отсутствии запросов от Мастера сети в течение времени, заданного для всех ВЭ в одном параметре «Максимальный сетевой тайм-аут» ('Ь.ои'Ь), происходит перевод всех дискретных ВЭ в заранее заданное состояние, безопасное для управляемой системы. Основная функция Мастера сети - инициировать обмен данными между отправителем и получателем данных. В качестве
Общая клемма
Клемма входа
Рис. 10. Схема подключения датчика к дискретным входам
Мастера сети может использоваться ЭВМ или программируемые контроллеры.
Значения параметров О.А1г (аварийное значение на ВЭ) задаются в процентах (от 0 до 100) раздельно для каждого ВЭ и определяют скважность широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Значение безопасного состояния может быть задано или изменено по протоколу Мос1Ьиэ в процессе работы. Значение параметра t.out задается в секундах (в диапазоне от 0 до 600) из конфигуратора или по протоколу Мо^иэ. Если задано значение 0, то параметр не функционирует, т.е. ВЭ не переводятся в безопасное состояние.
Если перевод ВЭ в безопасное состояние произошел, то на передней панели прибора загорается светодиод «Авария». Если в режиме «Авария» на прибор приходит какой-либо запрос от Мастера сети, то индикатор «Авария» гаснет, но ВЭ не изменяют состояния до тех пор, пока не будут выведены из него посылкой корректного значения от Мастера сети.
К дискретным входам МДВВ подключаются датчики типа «сухой контакт». В качестве датчика могут быть использованы различные выключатели, кнопки, концевые выключатели, контакты реле или транзисторные ключи.
Схемы подключения датчиков к дискретным входам приведены на рис. 10. Каждый дискретный вход имеет собственный 16-битный счетчик импульсов, пришедших на вход. Максимальная частота импульсов счета должна составлять не более 1 кГц при длительности импульса не менее 0,5 мс. Импульсы большей частоты или меньшей длительности пропускаются. Счет осуществляется по переднему фронту (по замыканию контакта). При пропадании питания результаты счета сохраняются в энергонезависимой памяти прибора. При переполнении счетчика его значение обнуляется и счет продолжается.
Для каждого дискретного входа может быть включено программное подавление дребезга контактов.
Программирования МДВВ производится с помощью программы «Конфигуратор МДВВ» через адаптер Я8-485 с помощью компьютера по аналогии с прибором МВА8 [4].
Приведем основные технические характеристики МДВВ: диапазон переменного напряжения
питания - 90...264 В; частота - 47...63 Гц; потребляемая мощность - не более 12 ВА; число дискретных выходных элементов - 8; число дискретных входов - 12; тип датчика дискретного входа - «сухой контакт» или полупроводниковый ключ; максимальная частота сигнала, воспринимаемого дискретным входом - 1 кГц; минимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом - 0,5 мс (скважность 0,5 для частоты 1 кГц); интерфейс связи с компьютером - Я5-485; максимальная скорость обмена по интерфейсу Я8-485 -115200 бит/с; протокол связи, используемый для передачи информации о результатах измерения -ОВЕН, МоёВш-ЯШ, МоёВш-АЗСП, БСО^ степень защиты корпуса - 1Р20; габаритные размеры -(157*86*57)±1 мм; масса прибора - не более 1,5 кг; средний срок службы - 8 лет.
Прибор эксплуатируется при следующих условиях: закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов; температура окружающего воздуха от +1 °С до +50 °С; верхний предел относительной влажности воздуха - 80 % при 25 °С и более низких температурах без конденсации влаги; атмосферное давление - от 86 до 106,7 кПа.
По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации прибор соответствует группе исполнения В4 [2].
По устойчивости к воздействию атмосферного давления прибор относится к группе Р1 [2].
По устойчивости к механическим воздействиям при эксплуатации прибор соответствует группе исполнения N1 [2].
Таким образом, рассмотрены основные технические характеристики модулей ввода/вывода. Показано, что для ослабления влияния внешних импульсных помех на эксплуатационные характеристики прибора используют цифровую фильтрацию результатов измерения. Модули ввода/вывода обладают высокой помехоустойчивостью благодаря импульсному источнику питания с напряжением 90...264 В и частотой 47...63 Гц.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 6651-94: Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний и ГОСТ Р 8.585-2001 : ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.
2. ГОСТ 12997-84: Изделия ГСП. Общие технические условия.
3. Гайнутдинов К. А. Подключение модулей ввода/вывода МВА8, МВУ8, МДВВ к ПЛК по протоколу ОВЕН // Автоматизация и производство. 2008 (34). № 2. С. 6 - 9.
4. Шляхтин С.А. Система сбора и обработки информации электротехнического оборудования на промышленных и бытовых объектах // Мат. всероссийской научн. конф. аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы туризма и сервиса». Ч. 2. 2009. С. 101 - 106.
5. Сайт компании ОВЕН иЯЬ: http://www.owen.ru (дата обращения 10.04.2010).
Поступила 05.05.2010 г.
