Владимирский государственный университет
В. С. ТУЛЯКОВ
ЭЛЕМЕНТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Владимир 2021
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
В. С. ТУЛЯКОВ
ЭЛЕМЕНТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Электронное издание
Владимир 2021
ISBN 978-5-9984-1297-4
© Туляков В. С., 2021
1
УДК 681.325.5
ББК 32.973.26
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор
зав. кафедрой информационных систем и программной инженерии
Владимирского государственного университета
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
И. Е. Жигалов
Кандидат технических наук
начальник управления информатизации, телекоммуникаций
и делопроизводства администрации г. Владимира
С. В. Черников
Туляков, В. С. Элементы промышленной автоматики [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. С. Туляков ; Владим. гос. ун-т им.
А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2021. – 252 с. –
ISBN 978-5-9984-1297-4. – Электрон. дан. (7,43 Мб). – 1 электрон. опт.
диск (DVD-ROM). – Систем. требования: Intel от 1,3 ГГц ; Windows
XP/7/8/10 ; Adobe Reader ; дисковод DVD-ROM. – Загл. с титул. экрана.
Рассматриваются принципы организации и правила применения элементов
промышленной автоматики, на основе которых создают локальные и распределенные системы управления. В работе приведены особенности приборов автоматики, промышленных интерфейсов, протоколов и программных сред, которые
необходимо учитывать при создании систем автоматики, работающих без участия
человека.
Предназначено для студентов бакалавриата очной формы обучения по
направлению подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника».
Рекомендовано для формирования общепрофессиональных компетенций в
соответствии с ФГОС ВО.
Табл. 6. Ил. 191. Библиогр.: 13 назв.
© Туляков В. С., 2021
ISBN 978-5-9984-1297-4
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ......................................................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 6
Глава 1. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ .. 7
1.1. Классификация ПЛК ................................................................ 8
1.2. Входы и выходы ПЛК ............................................................ 26
1.3. Подключение датчиков и исполнительных устройств ....... 45
1.4. Среды программирования ...................................................... 53
1.5. СКАДА системы ..................................................................... 62
1.6. Коммуникационные контроллеры ........................................ 74
1.7. Технологическая схема автоматики ..................................... 80
Глава 2. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ................................................. 84
2.1. Двухпозиционный регулятор ................................................ 86
2.2. Пропорциональный закон регулирования ........................... 87
2.3. Интегральный закон регулирования ................................... 89
2.4. Пропорционально интегральный закон регулирования ..... 91
2.5. Пропорционально интегральный дифференциальный
закон регулирования .............................................................. 93
2.6. Выбор регулятора .................................................................. 98
Глава 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ................................... 100
3.1. Общие сведения о промышленных сетях........................... 100
3.2. Интерфейсы RS-485 и RS-422 ............................................. 105
3.3. Интерфейс «токовая петля» ................................................. 109
3.4. Интерфейс 1-WIRE ............................................................... 113
3.5. Протокол HART .................................................................... 115
3.6. Протокол CAN ...................................................................... 122
3.7. Промышленная шина Profibus ............................................ 131
3.8. Протокол Modbus ................................................................. 142
3.9. Протокол Lora Wan .............................................................. 147
3.10. Технология «Интернет вещей» ........................................ 157
Глава 4. ДАТЧИКИ ................................................................................ 162
4.1. Датчики температуры .......................................................... 166
4.2. Датчики индуктивные .......................................................... 182
3
4.2.1. Бесконтактные индуктивные датчики положения ........ 185
4.3. Датчики оптические ............................................................ 187
4.4. Датчики емкостные .............................................................. 190
4.5. Датчики магнитные .............................................................. 194
4.6. Дачики радиации .................................................................. 196
4.7. Датчики газоанализаторы .................................................... 199
4.8. Датчики расхода ................................................................... 207
4.9. Датчики биометрические ..................................................... 212
Глава 5. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ................................. 221
5.1. Частотные преобразователи ................................................ 221
5.2. Устройства плавного пуска ................................................. 224
5.3. Драйверы для двигателей постоянного тока .................... 228
5.4. Драйверы для шаговых двигателей .................................... 230
5.5. Электромагнитные клапаны ................................................ 235
5.6. Линейные двигатели ............................................................ 237
Глава 6. МИКРОСХЕМЫ ДАТЧИКОВ И СЕНСОРОВ
В УСТРОЙСТВАХ. ................................................................................ 241
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................... 245
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................. 241
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Техническая революция, обусловленная развитием микроэлектроники и функциональной электроники, продолжается. Нет такой отрасли промышленности, в которой не было бы потребности в совершенных системах автоматики. Именно внедрение автоматики позволяет снизить, до полного исключения, влияние так называемого «человеческого фактора» на управляемый процесс и способствует сокращению персонала, минимизации расходов на содержание персонала, повышению производительности, повышению качества продукции и в
результате существенному повышению эффективности производства.
Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в
себя контроль и управление, обмен информацией, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и отчетов о работе систем в доступной форме.
Для создания систем автоматики в настоящее время сформирована постоянно развивающаяся среда, состоящая из элементов промышленной автоматики: аппаратных и программных. Аппаратная составляющая постоянно развивается в направлении надежности, помехоустойчивости, удобства эксплуатации и применимости человеко-машинного интерфейса. Особенность программной составляющей – применение одной программы на все время жизненного цикла системы автоматики, обеспечение работы системы в режиме реального времени,
развитие сред программирования ПЛК и СКАДА систем.
Кроме этого на текущий период наработаны теоретические основы функционирования систем автоматики и унифицированные правила (интерфейсы) взаимодействия элементов автоматики. Это законы
регулирования, протоколы связи, правила построения открытых систем.
Умение ориентироваться в предметной области элементов промышленной автоматики позволяет быстрее решать задачи системной
интеграции аппаратуры, программного обеспечения и проектной разработки систем автоматики.
5
ВВЕДЕНИЕ
Пособие разработано на основе опыта преподавания курса «Основы теории управления» на кафедре вычислительной техники и систем управления Института информационных технологий Владимирского государственного университета.
Издание состоит шести разделов.
Первый раздел посвящен рассмотрению программируемых логических контроллеров (ПЛК), обеспечивающих реализацию алгоритмов управления систем автоматики. Предлагается классификация
ПЛК, рассматриваются их характеристики, конструктивные особенности, интерфейсы, способы подключения к ПЛК датчиков и исполнительных устройств. Рассматриваются программные среды для создания локальных и распределенных систем автоматики.
Второй раздел посвящен рассмотрению законов регулирования
и целесообразности их применения для достижения в системе целевого
уровня качества регулирования. Рассматриваются алгоритмы выбора
закона регулирования.
Третий раздел посвящен промышленным интерфейсам, которые
позволяют создавать распределенные системы управления и задают
правила их формирования с помощью утверждения общепринятых
протоколов.
Четвертый раздел рассматривает виды промышленных датчиков, принципы их работы, характеристики и особенности применения.
Пятый раздел посвящен применению исполнительных
устройств промышленной автоматики: частотным преобразователям
для управления электродвигателями; устройствам плавного пуска
электродвигателей; драйверам двигателей постоянного тока; драйверам шаговых двигателей; электромагнитным клапанам; линейным двигателям.
Шестой раздел рассматривает микросхемы для создания датчиков и сенсоров систем автоматики.
6
Глава 1. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
КОНТРОЛЛЕРЫ
Целью данной главы является рассмотрение основной группы
приборов промышленной автоматики - программируемых логических
контроллеров (ПЛК). Название «основная группа» - это некоторое преувеличение, которое позволяет подчеркнуть особый статут этих приборов среди других приборов промышленной автоматики, так как
именно они позволяют реализовать алгоритм управления объектом или
технологическим процессом и создать как локальную, так и распределенную систему автоматики.
Основным режимом работы ПЛК является длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека. Именно это выделяет ПЛК из общей массы вычислительных устройств. Обобщенная структура ПЛК показана на рис. 1.
ПЛК состоит из процессорного элемента, входной секции для подключения датчиков, выходной секции для подключения исполнительных
устройств, коммуникационной секции для создания распределенных
систем и блока питания.
Рис. 1. Обобщенная структура ПЛК[https://www.compel.ru/lib/95591]
7
Крупнейшими мировыми производителями ПЛК сегодня являются компании Siemens AG, Allen-Bradley, Rockwell Automation,
Schneider Electric, Omron, Micubichi, Lovato. ПЛК выпускают и многие
другие производители, включая российские компании ООО КОНТАР,
Овен, ООО Контэл, Сегнетикс, Fastwel Групп, Текон и другие.
[1,2,3,4,5,6]
1.1. Классификация ПЛК
Программируемый логический контроллер (ПЛК) - это специальная разновидность компьютеров, применяемых для автоматизации технологических процессов и объектов. Термин ПЛК (английское сокращение – (PLC) programmable logic controller) ввел Одо Жозеф Стругер инженер фирмы Allen-Bradley США в 1971 году. Он также сыграл
ключевую роль в унификации языков программирования ПЛК.
При реализации алгоритма системы управления в основном требуются логические операции и особенная организация связи с датчиками, исполнительными устройствами и человеко- машинным интерфейсом. Важной особенностью ПЛК является работа в режиме реального времени. Это обеспечивается применением специальных микропроцессоров, которые обеспечивают отклик системы на запрос за заданный интервал времени. ПЛК обычно работают в неблагоприятных
внешних условиях - температурных, влажностных, пылевых, электромагнитных, радиационных. Поэтому обычные бытовые компьютеры в
качестве элементов управления не применяются. В России действует с
2007 года специальный ГОСТ Р МЭК 61131-1-2016 контроллеры программируемые. [7]
Основой ПЛК являются микроконтроллеры - специализированные микропроцессоры однокристальной архитектуры. Микроконтроллеры могут работать без чипсета и материнской платы, без операционной системы. Но этот режим применяется в основном в простых локальных системах автоматики. В сложных системах задействуются достаточно производительные процессоры под управлением специальных операционных систем.
Пример внешнего вида ПЛК в стандартном моноблочном корпусе, показан на рис. 2. Это ПЛК фирмы ОВЕН (Россия) и ПЛК фирмы
8
Сименс (Германия). Разъемы для подключения питания, датчиков и исполнительных устройств расположены с двух сторон корпуса. Корпуса, показанные на рисунке предназначены для установки на монтажную дин- рейку в специальных шкафах с пылевой защитой и защитой
от влаги. Разъемы могут выполняться с подключением проводов к ПЛК
под винтовой зажим или разъемными. Последние имеют очевидное
преимущество при обслуживании, например, при замене ПЛК. При
этом невозможно перепутать подключение проводов. Однако применение двойных разъемов увеличивает стоимость ПЛК, поэтому производители чаще применяют в ПЛК не разъемные, а винтовые соединения проводов.
Обычно моноблочные ПЛК имеют встроенные или выносные
дисплеи, устанавливаемые в передние панели шкафов управления. Они
могут быть графическими, знакосинтезирующими или сенсорными. На
рис.2 показаны ПЛК со встроенным жидко кристаллическим дисплеем
и клавиатурой, которая используются для локальной настройки параметров алгоритма управления.
Рис. 2. Программируемый логический контроллер ПЛК 63
фирмы ОВЕН (Россия) и ПЛК фирмы Сименс (Германия)
Контакты разъемов ПЛК (рис. 3) предоставляют пользователю
ПЛК возможности для подключения датчиков различного типа: аналоговых; дискретных, а также исполнительных устройств и устройств
ввода-вывода. Кроме этого ПЛК обладают набором стандартных приборных интерфейсов для реализации распределенных систем автоматики с использованием различных видов каналов связи: проводных; радиосвязи; интернета.
9
Программируемые логические контроллеры являются основой
для изготовления шкафов (или щитов) автоматики различного назначения. Пример внешнего вида шкафа автоматики показан на рис. 4.
Рис. 3. Выводы ПЛК и подключение внешних устройств
Монтаж элементов автоматики на панели шкафа производится по
проекту принципиальной электрической схемы, который разрабатывается согласно технического задания отдельно для каждой системы.
Технология монтажа шкафа автоматики предусматривает раздельное проведение в распределительных коробах силовых и сигнальных проводов (например, силовые - в правых коробах, а сигнальные в левых коробах, относительно монтажной панели), обязательную маркировку проводов, согласно проекта, и опрессовку окончаний проводов специальными наконечниками. Шкафы автоматики могут иметь
встроенные кондиционеры или подогреватели для обеспечения внутреннего термостатирования.
Разнообразие ПЛК весьма велико. Нет ни одной фирмы в области
автоматики и электроники, которая не выпускала бы собственные
ПЛК. Тем не менее, все ПЛК объединяет их общая архитектура и стандартизация интерфейсов для подключения внешних устройств. При
этом необходимо признать, что диапазон стоимости также весьма широк. При этом ПЛК представляет собой типичное микропроцессорное
10
устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки,
хранения информации и выработки команд управления.
Рис. 4. Внешний вид шкафа автоматики на основе ПЛК
Системная шина объединяет процессорное ядро с памятью трех
видов: флэш; оперативной статической; электрически перепрограммируемой; аналого-цифровыми преобразователями, цифро-аналоговыми
преобразователями, портами ввода-вывода, таймерами, контроллерами прерываний, компараторами, последовательными приемо-передатчиками.
Характерной особенностью ПЛК является возможность расширения конфигурации по системной шине, то есть возможность подключения напрямую к системной шине дополнительных устройств
ввода/вывода.
Классификация ПЛК
При всем многообразии ПЛК их можно разделить на следующие
группы по способу корпусирования и расположения на корпусе вводов
выводов:
- моноблочные;
- модульные;
- специализированные.
Моноблочные ПЛК являются самыми распространенными. Они
показаны на рис. 1. Характерными особенностями данного типа ПЛК
являются: применение стандартных пластиковых корпусов; небольшие
размеры; сравнительно малая стоимость; небольшое число
11
входов/выходов, большинство из которых – дискретные. Кроме этого,
эти ПЛК имеют встроенные контроллеры для подключения к
промышленной сети RS-485, RS-422, CAN, I2C, а также адаптер
последовательного порта RS-232 или USB-2 для подключения к
компьютеру. Однако для конкретного использования моноблочные
ПЛК часто имеют избыточные возможности по характеристикам,
которые бывают не востребованы в текущем проекте. А каждая
невостребованная характеристика по входам выходам увеличивает
стоимость ПЛК. Этого недостатка нет в модульных ПЛК.
В модульных ПЛК пользователю предлагается возможность
сформировать набор входов выходов, которые ему необходимы для
реализации конкретного проекта. Это происходит путем подбора
модулей, каждый из которых отвечает за реализацию конкретной
функции: процессорный модуль; модули дискретных входов; модуль
дискретных выходов; модуль аналоговых входов; модуль аналоговых
выходов; модули интерфейсов. Фактически модульный ПЛК – это
некий конструктор, который пользователь собирает под свою задачу. Так
достигается минимальная аппаратная избыточность и оптимальная стоимость для конкретного проекта. На рис. 5 показан пример внешнего вида
такого ПЛК фирмы Шнайдер Электрик Модикон.
Рис. 5. Программируемые логические контроллеры Schneider Electric Modicon
На рис. 6 показаны модули ПЛК MAТCHBOX компании
«Контэл» Россия. Модули размером со спичечный коробок имеют
персональную функцию: процессор; дискретный вход; дискретный
выход и т.д. Модули соединяются по локальной сети.
12
В распределенных системах модули или отдельные входывыходы, образующие единую систему управления, могут быть
разнесены на значительные расстояния и соединяться через
промышленную информационную сеть. Модульная конструкция ПЛК
позволяет при необходимости модифицировать ПЛК путем
добавления или замены отдельных модулей.
Рис. 6. Модульные ПЛК серии MAТCHBOX компании
«Контел» [https://isup.ru/]
Специализированные ПЛК предназначены для управления конкретными объектами или технологическими линиями (котлами, насосами, холодильниками, приточно-вытяжной вентиляцией и т.д.). Они
обладают специальными входами/выходами для подключения конкретных устройств (термопары, терморезисторы и т.д.) и заводской
установкой программы управления. Выпускаются такие ПЛК большими сериями. На рис. 7 показан пример специализированного контроллера регулятора ТРМ 133 фирмы ОВЕН для управления приточновытяжной вентиляцией с водяным колорифером.
Рис. 7. Специализированный контроллер регулятор ТРМ 133 фирмы ОВЕН для
управления приточно- вытяжной вентиляцией [8]
13
Данный контроллер поставляется пользователю с прошитой программой управления. Это значительно упрощает его применение и эксплуатацию. Пользователю не надо заниматься программированием.
Достаточно, согласно инструкции, подключить внешнее оборудование
и система готова к работе.
Конструктивное исполнение ПЛК
По конструктивному исполнению и способу крепления выделяют
четыре исполнения корпуса ПЛК:
- корпус для установки на монтажную дин-рейку, как показано на
рис.8;
- корпус для крепления на стену, как показано на рис.9;
- панельное исполнение, как показано на рис.10;
- бес корпусное исполнение для встраиваемых модульных систем, как показано на рис.11.
Корпус для установки на монтажную дин-рейку предназначен
для установки ПЛК на панель шкафа автоматики и имеет специальную
пружинную защелку для фиксации на стандартной дин-рейке. При
этом ПЛК может иметь встроенный или вынесенный дисплей для взаимодействия с оператором системы.
Рис. 8. Конструктивное исполнение ПЛК для установки
на монтажную дин-рейку
Корпус для крепления на стену обычно выполняется по стандартам
пылевой и влаго-защиты и имеет встроенные герметичные вводы для
подключения внешней электрической проводки, как силовой, так и
сигнальной.
14
Рис. 9. Конструктивное исполнение ПЛК для установки на стену
Панельное исполнение ПЛК применяется в случае установки ПЛК
в переднюю дверь шкафа автоматики. Обычно панельные ПЛК имеют
сенсорный дисплей, на котором отображается мнемосхема автоматизированной технологической линии или локальной системы автоматики и который используется для ввода параметров регулирования оператором.
Рис. 10. Панельное исполнение ПЛК
Бес корпусное исполнение ПЛК (рис. 11) применяется при создании встраиваемых (бортовых) систем автоматики. В этом случае ПЛК
представляет из себя печатную плату с набором разъемов для подключения внешних устройств и крепежных элементов для соединения с
другими платами.
15
Рис. 11. Бес корпусное исполнение ПЛК
Классификация ПЛК по сложности системы
Такое деление ПЛК предлагает достаточно известная на российском рынке элементов промышленной автоматики компания ОВЕН
[www. owen.ru]. Она предлагает классификацию ПЛК, показанную в
таблице 1. В основе классификации ПЛК фирмы Овен лежит критерий
сложности системы автоматики.
На основе данного критерия все программируемые логические
контроллеры разделяются на пять групп:
- первая группа ПЛК предназначены для решения локальных задач автоматики;
- вторая группа ПЛК предназначена для создания малых систем автоматики;
- третья группа ПЛК предназначена для создания средних систем автоматики;
- четвертая группа ПЛК предназначена для создания сложных распределенных систем автоматики;
- пятая группа ПЛК предназначена для реализации распределенных систем автоматики с развитым информационным интерфейсом для общения с оператором системы.
16
Таблица 1. Классификация ПЛК по сложности систем автоматики
Название ПЛК Предназначение применения
1. Контроллеры
для локальных
задач
2. Контроллеры
для малых систем автоматики
3.Контроллеры
для средних систем автоматизации
4.Коммуникационные контроллеры
5.Панельные
контроллеры
Малые станки, насосные станции, технологическое оборудование
Сфера ЖКХ, распределенные системы.
Отличительные особенности
Наличие дисплея и кнопок управления для оператора
Интерфейсы RS-232, RS485, ETHERNET
Средние станки, установки по переработке, распределенные системы, системы управления и диспетчеризации.
До 60 точек ввода вывода
на ПЛК, интерфейсы RS232, RS-485, ETHERNET
Автоматизированные системы контроля и учета данных. Для объединения устройств с различными протоколами и интерфейсами, разных производителей
Автоматизированные системы управления технологическими процессами
Наличие операционной
системы. Наличие портов
для подключения накопителей информации
ОС. Сенсорный дисплей.
ETHERNET
По области применения ПЛК делятся на следующие типы:
- универсальные общепромышленные;
- для управления роботами;
- для управления позиционированием и перемещением;
- коммуникационные;
- ПИД-контроллеры;
- специализированные.
Степени защиты ПЛК
IP (Ingress Protection Rating) дословно переводится как степени защиты от проникновения. В настоящее время это наиболее распространенная система обозначения защиты оборудования от воздействий
внешней среды. Используется для обозначения защиты от попадания
внутрь оборудования различных физических частиц по геометрическим размерам, в том числе пыли и воды.
Маркировка степени защиты оболочки электрооборудования осуществляется при помощи международного знака защиты (IP) и двух
17
цифр, с необязательным добавлением конкретизирующей буквы, первая из которых означает защиту от попадания твёрдых предметов, вторая - от проникновения воды.
Код имеет вид IPXX, где на позициях X находятся цифры либо символ X, если степень не определена. За цифрами могут идти одна или
две буквы, дающие вспомогательную информацию. Например, бытовая электрическая розетка может иметь степень защиты IP22 - это
означает, что она защищена от проникновения пальцев человека и не
может быть повреждена вертикально или почти вертикально капающей водой.
Максимальная степень защиты по этой классификации - IP68, то
есть пыленепроницаемый прибор, выдерживающий длительное погружение в воду под давлением. В данное время максимальная степень защиты - IP69-K: маркировка корпусов изделий, выдерживающих высокотемпературную мойку под высоким давлением [9]. Степенями защиты могут обладать корпуса ПЛК и также шкафы или щиты, в которых они устанавливаются.
Входное питание ПЛК
Практически все современные ПЛК имеют встроенный импульсный
источник питания, обеспечивающий питание от внешнего источника в
диапазоне переменного напряжения от 110 до 265 вольт (преобразователь напряжения AD-DC) или от источника питания постоянного тока
(преобразователь напряжения DC-DC). Схема и внешний вид импульсного источника питания показан на рис.12. [10]
Импульсные источники питания обладают целым рядом встроенных автоматических защит: от короткого замыкания; от перегрева; от
перегрузки. Обычная схема подключения ПЛК к питанию требует
установки предварительного фильтра от импульсных помех.
Подбор импульсных источников питания производят по значению
необходимой потребляемой мощности и требуемым выходным значениям номиналов питания.
18
Рис. 12 Схема и внешний вид импульсного источника питания
Входным аналоговым цепям (AFE) и АЦП (ADC) ПЛК требуется
стабильное питание с низким уровнем шумов, при небольшом токе.
GSM-/GPRS-модему большую часть времени требуется небольшой
ток, он не особо требователен к стабильности напряжения, но периодически, в режиме передачи, потребляемый ток резко возрастает и может возникнуть проблема просадки питающего напряжения, способная
привести к перезагрузке модема. Поэтому мощность импульсного источника питания выбирают с коэффициентом запаса примерно 1.2-1.3.
Микроконтроллеры ПЛК предъявляют относительно мягкие требования как к стабильности питающего напряжения, так и к потребляемому току, но современная тенденция - микроконтроллеры, микросхемы памяти последних поколений работают от еще более низких
уровней питающих напряжений.
Даже при использовании питающих напряжений +5 В и +3,3 В,
которые еще можно было напрямую получить от первичного DC/DCпреобразователя, очень часто использовались дополнительные вторичные преобразователи. Теперь же, с учетом двух взаимно дополняющих
факторов, таких как снижение питающего напряжения и рост рабочей
частоты DC/DC-преобразователей, применение вторичного преобразователя становится практически неизбежным.
Защита от перенапряжений
Перенапряжения на линиях питания ПЛК являются частым следствием коммутации мощных индуктивных нагрузок, таких как реле,
пускатели или электрические двигатели. Другой распространенной
причиной появления перенапряжений при работе в реальных производственных условиях являются длинные линии проводов питания,
19
проложенные в условиях сильного электромагнитного загрязнения. Зачастую линии питания ПЛК и сторонних мощных нагрузок проложены
физически близко, в одних лотках.
Тепловые ограничения
При работе в жестких производственных условиях ПЛК в основном монтируются в шкафах и стойках, внутри которых поток воздуха
или резко ограничен, или отсутствует вовсе. При использовании взрывозащищенных корпусов ситуация с тепловой нагрузкой еще более
ухудшается. Даже при отсутствии жестких ограничений по искро безопасности, использование вентиляции или кондиционеров не всегда
приемлемо, например, из-за пыли, коррозионных агентов, присутствующих в воздухе или просто из-за того, что решение с принудительной
вентиляцией не соответствует бюджету разрабатываемой системы.
Всем интегральным схемам свойственно выделение тепла при работе, но тепловыделение модулей питания часто занимает ведущую
позицию в общем тепловом балансе устройства, поэтому важно выбрать высокоэффективное решение для минимизации нагрева.
В большинстве случаев дополнительный нагрев ухудшает все аспекты функционирования электронного устройства. Долговременная
надежность прибора падает, точность аналоговых цепей ухудшается,
разработчику приходится снижать тактовые частоты микроконтроллеров. ПЛК, использующий более эффективные схемы питания, не просто потребляет меньше энергии – он более надежен в применении.
Проектирование приборов для экстремальных производственных
условий может потребовать нестандартных решений. Так, при выборе
преобразователя для построения системы питания ПЛК справочники
рекомендуют ориентироваться не на температуру окружающего воздуха, а на указанные в документации предельно допустимые температуры кристалла.
Использование изоляции для подавления помех
ПЛК используют для передачи данных такие интерфейсы как RS485 или Ethernet. Удаленные узлы коммуникационной сети могут использовать питание, гальванически не связанное с местным питанием
20
ПЛК. В отсутствие качественного заземления в длинных заземляющих
проводах и петлях в цепи заземления между ПЛК и удаленным узлом
связи может наблюдаться значительная разница нулевых потенциалов.
При непосредственном соединении двух разнесенных коммуникационных схем может возникнуть ситуация, в которой проводник, имеющий небольшое сопротивление, соединяет две точки со значительной
разницей в потенциалах, что приводит к протеканию большого выравнивающего тока. Такая ситуация может вызвать ошибки в передаваемых сообщениях и даже полное блокирование связи.
Разрыв прямого соединения двух удаленных коммуникационных
точек при помощи гальванической изоляции или оптической изоляции
устраняет описанную ситуацию и служит надежным методом решения
проблемы большой разницы земляных потенциалов. Гальваническая
изоляция позволяет сигналу отвязаться от удаленного общего провода,
что значительно улучшает помехоустойчивость и решает проблему с
ослаблением синфазного сигнала.
Наиболее распространенным решением является применение изолированных DC/DC-преобразователей с входным и выходным напряжением 5 В. [11]
Резервирование источников питания
Если источник основного входного напряжения, отключается по
причине аварии или неисправности, то работу или корректное
завершение работы устройства или системы может обеспечить
источник бесперебойного питания. Системы переключения питания на
резервный источник питания существуют самые различные.
Простейшая диодная схема переключения источника питания показана
на рис.13. При отключении входного напряжения, первый диод
отключается и второй диод подключает батарейное питание. Это
иллюстрация простейшей схемы резервирования электропитания.
Рис. 13. Схема подключения резервного питания
21
Существует класс бытовых и промышленных источников
бесперебойного
питания
(ИБП),
которые
могут
спасти
микропроцессорную систему от следующих опасностей:
- полной потери напряжения;
- провалов напряжения;
- пониженного напряжения;
- повышенного напряжения;
- воздействия молнии;
- бросков напряжения (surge);
- флуктуации частоты;
- всплесков напряжения (burst);
- гармонических колебаний напряжения.
Существует несколько видов источников бесперебойного
питания: ИБП с переключением (англ. – standby UPS или off-line UPS);
ИБП с двойным преобразованием энергии (англ. – Double conversion
UPS); ИБП, взаимодействующий c сетью (англ. – Line Interactive
UPS);Феррорезонансный ИБП (англ. – Ferroresonant UPS).
Каждый ИБП обладает структурой и характеристиками, по
которым их различают и выбирают.
Характеристики ИБП
Выходная мощность,
измеряемая
в вольт-амперах (VA)
или ваттах (W). Стоит обратить внимание, что оборудование,
содержащее мощные электродвигатели (холодильник, погружные
насосы автономных водопроводов и систем полива), имеют «пусковые
токи». Это означает, что в момент пуска двигателя устройство
кратковременно потребляет мощность, в 5 – 7 раз превышающую
паспортную. ИБП должен выбираться с учётом этого факта. То же
касается и лазерных принтеров, которые обычно вообще запрещают
подключать к ИБП;
Выходное напряжение, измеряется в вольтах, V;
Время переключения, то есть время перехода ИБП на питание от
аккумуляторов (измеряется в миллисекундах, ms)
Время автономной работы, определяется ёмкостью батарей и
мощностью подключённого к ИБП оборудования (измеряется в
минутах, мин.), у большинства офисных ИБП оно равняется 4 –
22
15 минутам; (обычно 40 – 45 минут при свежих батареях и
ненагруженном компьютере).
Ширина диапазона входного (сетевого) напряжения, при
котором ИБП в состоянии стабилизировать питание без перехода на
аккумуляторные батареи (измеряется в вольтах, V);
Схема работы ИБП с переключением показана рис. 14. При
наличии основного ввода зарядное устройство заряжает аккумулятор,
а выход ИБП отключен от инвертора (преобразователя постоянного
напряжения в переменное). При отключении основного ввода
электропитания, выход ИБП переключается на инвертор.
Рис. 14. ИБП с переключением
Достоинства данной схемы ИБП: простота; экономичность;
компактность. Недостатки: отсутствие стабилизации входного
напряжения при работе от электросети; более высокий износ
аккумулятора (в сравнении с другими типами ИБП); временной провал
напряжения при переключении; нет стабилизации входного
напряжения; пропуск помех из сети в нагрузку.
ИБП с двойным преобразованием является самым популярным.
Схема ИБП с двойным преобразованием показана на рис. 15.
Особенностью данной схемы является то, что выход ИБП всегда
работает от инвертора. И при наличии основного ввода электропитания
и при его отсутствии. Байпасная линия поключается к выходу только в
режиме аварии модуля управления ИБП.
23
Рис. 15. ИБП с двойным преобразованием
Достоинством схемы является: постоянная стабилизация
напряжения и частоты; полная фильтрация импульсов и
высокочастотных помех основной электросети; отсутствие влияние
подключенного оборудования на основную электросеть; мгновенное
переключение на аккумуляторы в случае сбоев.
К недостаткам можно отнести: сложность конструкции и более
высокую
стоимость
в
режиме
двойного
преобразования
дополнительные затраты электроэнергии; низкий жизненный цикл
батарей аккумуляторов.
ИБП взаимодействующий с сетью применяет в своей структуре
автотрансформатор и общая схема работы показана на рис. 16. Рисунок
иллюстрирует четыре варианта работы ИБП: при нормальном
состоянии входного напряжения; при повышении, понижении или
отсутствии входного напряжения; при повышении входного
напряжения; при понижении входного напряжения.
Рис. 16. ИБП взаимодействующий с питающей сетью
24
Термин взаимодействия с входной сетью электропитания
означает примененина входе ИБП авторансформатора, который имеет
несколько первичных обмоток, подключаемых в зависимости от
изменения входного напряжения. Достоинством данного вида ИБП
являются: компактность; экономичность; стабилизация входного
напряжения; невысокая стоимость. К недостаткам можно отнести:
отсутствие корректировки формы выходного напряжения в режиме
работы от электросети; ступенчатое изменение выходного
напряжения; наличие времени переключения на питание от
аккумуляторов.
В схеме ИБП с феррорезонансным трансформатором вместо
автотрансформатора применяется феррорезонансный трансформатор.
Благодаря его особенностям, становится возможным стабилизировать
выходное напряжение при изменении входного в достаточно широком
диапазоне без механического переключения обмоток транформатора.
Источники бесперебойного питания являются элементами схем
бесперебойного питания. Известны проектные схемы бесперебойного
питания: одномодульные схемы; схемы с параллельным
резервированием; схемы с последовательным резервированием; схемы
с резервированием шины питания. На рис. 17 приводится пример
одномодульной схемы схемы резервирования питания.
Рис. 17. Одномодульная схема резервирования электропитания
Одномодульная схема резервирования электропитания состоит
из ИБП, байпаса и модуля аккумуляторов.
25
Таким образом в данном параграфе рассмотрены методы
обеспечения питания и резервирования схем электропитания ПЛК.
1.2. Входы и выходы ПЛК
Рассмотрим организацию входов и выходов ПЛК рис.18. Существует следующие виды входов-выходов: дискретные, аналоговые,
универсальные, специальные и интерфейсные. Количество тех или
других входов-выходов является основным фактором, определяющим
возможности ПЛК, при создании на его базе системы автоматики.
Рис.18. Входы-выходы ПЛК ОВЕН
[http://lazysmart.ru/osnovy-avtomatiki/tipy-diskretny-h-vy-hodov-plk/]
Дискретные входы
Один дискретный вход (Dinp) ПЛК способен принимать электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. Обычно дискретные входы используются для подключения датчиков рис.19, которые могут находится в двух состояниях: «активен –
пассивен» или «включен - выключен».
С помощью дискретных входов можно подключить кнопки, тумблеры, концевые выключатели, термостаты и прочее оборудование.
Дискретные входы можно использовать при создании промышленных
панелей управления – панелей, клавиатур, аварийных выключателей, а
26
также при приеме информации от исполнительных механизмов, катушек мощных контакторов и реле. По сути, к дискретному входу ПЛК
можно подключить любое устройство с выходом типа «реле» или «открытый коллектор». Дискретные входы контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем +24 В постоянного
тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном
напряжении +24 В) составляет около 10 мА.
Рис.19 Подключение внешних устройств через дискретные входы выходы
ПЛК [11]
Дискретный вход ПЛК, как правило, включает в себя индикатор состояния (светодиод), гальваническую или оптическую развязку и защиту от неверного подключения. У некоторых контроллеров светодиоды индикации расположены до гальванической развязки, что дает возможность пользователю проводить диагностику работы внешних цепей до включения контроллера. Помимо этого, каждый дискретный
вход оснащен аналоговым фильтром, подавляющим высокочастотные
помехи и верхние гармоники спектра входного сигнала. Частота среза
фильтра согласована с программным быстродействием, определяющимся типовым временем рабочего цикла ПЛК. Длительность импульса, который можно надежно зафиксировать дискретным входом
общего назначения, составляет 2…3 мс. Обобщенная структурная
схема дискретного входа ПЛК приведена на рис.20.
Сигналы, поступающие на дискретные входы ПЛК, могут существенно отличаться друг от друга по различным параметрам, таким как
продолжительность фронта и среза, наличие/отсутствие дребезга сигнала, сопротивление источника питания, амплитуда и так далее
27
Рис. 20. Структурная схема дискретного входа [11]
Например, сигнал, который был сформирован замыкающимися
контактами реле, обладает типовой величиной продолжительности
фронта в 4 мс и продолжительностью среза в 2 мс, при этом допустимо
возникновение дребезга. В то же время быстродействующие сигналы
от полупроводниковых ключей могут иметь частоту в десятки и сотни
кГц. Итогом является то, что все дискретные входы ПЛК можно разделить по двум параметрам: типу опрашиваемых датчиков и интервалу
напряжений и токов для заданных логических состояний нуля и единицы [11].
В соответствии с ГОСТ 61131–2-2012, дискретные (цифровые)
входы делятся на три типа:
- цифровой вход типа 1 (type 1 digital input) – устройство для измерительных сигналов, получаемых от механических контактов
устройств переключения, например, реле, кнопок, выключателей. Преобразует фактический сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.
- цифровой вход типа 2 (type 2 digital input) – устройство для измерительных сигналов от полупроводниковых устройств переключения, например, двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактический сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число. Данный класс цифрового входа может использоваться
вместо классов 1 и 3.
- цифровой вход типа 3 (type 3 digital input) по определению аналогичен входам типа 2, но отличается величиной входных токов. Он
также используется для приема сигналов, получаемых от полупроводниковых устройств переключения, например, двухпроводных бесконтактных переключателей. Данный класс цифрового входа может использоваться вместо класса 1. Цифровые входы типа 3 имеют более
28
низкие электрические характеристики по сравнению с цифровыми входами типа 2. Благодаря меньшей допустимой токовой нагрузке удается
на одном модуле разместить большее число входов типа 3. Отличие
типа 3 от типа 2 заключается в том, что первый совместим с устройствами, которые в состоянии «выключено» работают на низком токе.
В соответствии с ГОСТ, рабочий диапазон входа состоит из области
«ВКЛ», области перехода и области «ВЫКЛ». Для входа в область
«ВКЛ» необходимо, чтобы были одновременно превышены минимальные значения тока и напряжения. Для постоянного напряжения питания +24 В вход типа 1 должен переходить в состояние «ВКЛ» при
напряжениях +15…+30 В при токе 2…15 мА. Для входа типа 2 напряжение включения составляет +11…+30 В при токе 6…30 мА. Для входа
типа 3 диапазон напряжений включения составляет +11…+30 В при
токе 2…15 мА. Значения токов и напряжений определяют мощность,
рассеиваемую на входе, которая является важным параметром, так как
способна в конечном итоге оказывать влияние на габариты создаваемого решения.
Одной из основных проблем построения дискретных входов является изоляция цепей датчика и контроллера. Изоляция цепей датчика
строится на основе гальванической развязки. Гальваническая развязка
- это выполнение передачи энергии либо определенного сигнала между
электрическими цепями, которые не имеют непосредственного контакта. Сама по себе гальваническая развязка цепей может осуществляться на основе следующих принципов:
- электромагнитная - на основе принципа взаимной индуктивности, например, трансформаторов;
- оптическая - это оптроны и оптические реле;
- емкостная - это цифровые емкостные барьеры;
- электромеханическая - это электромеханические реле.
Электромагнитная развязка использует трансформаторы с коэффициентом трансформации равным «1». Первичная обмотка подсоединяется к источнику сигнала, а вторичная к приемнику рис.21.
Рис. 21. Структурная схема дискретного входа с гальванической развязкой
29
Величина напряжения на приемнике имеет прямую зависимость от напряжения на источнике. К минусам такого варианта развязки можно отнести следующее:
- габаритные размеры не позволяют производить миниатюрные
изделия, что в современных реалиях очень большой минус;
- частотная модуляция гальванической развязки накладывает
жесткие ограничения на частоту пропускания;
- помехи входного сигнала существенно снижают качество выходного сигнала:
- такая развязка функционирует исключительно в сетях с переменным напряжением.
Гальваническая развязка на основе оптронов является более традиционным решением, применяемым при построении дискретных входов ПЛК (рис.22). Причем в оптической части схемы, которая связывает приемную и передающую часть, в роли переносчика сигнала выступает световой поток. Нейтральность фотонов позволяет реализовать электрическую развязку входной и выходной сети. И так же выполнить согласование цепи с разными сопротивлениями на входе и выходе.
Принцип работы оптоэлектронной развязки заключен в следующем: на светодиод поступает входной сигнал, что побуждает светодиод к генерации света, который попадает на фототранзистор, на электродах которого формируется перепад напряжения либо же импульс
тока. Таким образом, выполняется гальваническая развязка цепей, которые имеют связь со светодиодом с одного края и связь с фототранзистором с другого.
Скорости работы данного типа развязки достаточно для передачи
цифровых сигналов, однако с развитием полупроводниковой промышленности стали доступны микросхемы, позволяющие создать изоляционный барьер за счет других, более современных технологий, позволивших уменьшить габариты и стоимость конечного решения, а также
получить ряд других преимуществ, например, отсутствие помех от
приемника позволяет модулировать сигналы достаточно широкого
диапазона частот.
30
Рис. 22. Оптическая изоляция дискретного входа с использованием оптрона [12]
В развязке, выполненной емкостями рис.23, для передачи данных
применяется переменное электрическое поле. Между пластинами конденсаторов находится диэлектрик, который является изолятором
между цепями. Достоинством емкостной гальванической изоляции является повышенная энергетическая эффективность, небольшие размеры устройства, способность передачи электроэнергии и невосприимчивость к внешним электромагнитным полям.
Рис. 23. Емкостная изоляция дискретного входа
Преимущества развязки, организованной при помощи конденсаторов, заключаются в достаточно высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям.
Одним из недостатков развязки на основе конденсаторов является отсутствие дифференциального сигнала, в отличие от гальванической развязки индуктивного вида. В результате, помехи и шум будут
проходить вместе с рабочим сигналом.
Специализированная интегральная схема ISO1211/12 предназначена для реализации дискретных входов с индивидуальной гальванической развязкой. Посредством микросхем семейства ISO121x можно
построить дискретные входы рис.24, соответствующие стандарту и типам 1, 2 и 3, описанным ранее. К таким входам возможно подключение
внешних датчиков с максимальным рабочим напряжением до +24 B.
31
Рис. 24 Оптическая изоляция дискретного входа с
использованием микросхемы ISO 1211 [https://www.compel.ru/lib/96415]
Микросхемы изоляторы ISO121x представляют собой решение с
малым энергопотреблением. Микросхемы не требуют источника питания с первичной стороны и работают в широком диапазоне напряжений питания +2,25…+5,5В.
Микросхемы ISO121x имеют в своем составе входы, имеющие защиту от обратной полярности, что важно при отказах со значительными обратными напряжениями и токами. Цифровые схемы этого семейства поддерживают скорости обмена данными до 4 Мбит/с с гарантией пропускания импульса длительностью 150 нс.
Микросхемы ISO1211 подходят для разделения каналов в многоканальных системах, а ISO1212 - в решениях с ограниченным пространством размещения [11]. Дискретные входы ПЛК обычно реализуются
по схемотехнике, позволяющей обнаруживать обрывы проводов. Работа такого решения основана на том, что оптический переключатель
отключает землю от микросхемы ISO121x на короткий промежуток
времени и соединяет ее потом снова, в результате чего импульс на выходе микросхемы ISO121x показывает, существует ли обрыв на входе.
Принцип работы электромеханического варианта развязки заключается в использовании реле, которое применяется для соединения
электрических цепей при определенных изменениях входящих данных. Такую развязку называют релейной.
Дискретные выходы
Дискретные выходы (Dout) ПЛК используются для создания выходных сигналов с электрическими параметрами, как у дискретного входа.
Обычно они применяются для управления включением или выключением исполнительных устройств. Дискретные выходы часто реализу-
32
ются с дополнительной оптической изоляцией, что позволяет уменьшить влияние внешних электромагнитных помех на работу процессорного элемента. Схема применения оптической изоляции показана на
рис.25. Кроме этого, для удобства процедур наладки программ, каждый дискретных вход-выход может иметь индивидуальную светодиодную индикацию текущего состояния.
Рис. 25. Схема оптической изоляции с применением оптрона [13]
Основными характеристиками цифровых выходов рис.26 являются: номинальная токовая нагрузка 0,1/0,25/0,5/1/2 А; тип выхода незащищенный или устойчивый к состоянию короткого замыкания.
Датчики тока, последовательно соединенные с нагрузкой, непрерывно
контролируют ток, поступающий на нагрузку, и сообщают о наличии
избыточных токов контроллеру. Величина протекающего в цепи тока
является одним из ключевых параметров безопасности.
Дискретные выходы могут применяться с использованием NPNтранзисторов с диодами для защиты от перенапряжения. Система гарантирует, что при включении цифровых выходов ПЛК ток от источника питания всегда будет находится в пределах заданного рабочего
диапазона контроллера. Чувствительный по току усилитель может защитить цифровые выходы от перегрузки по току, обеспечить диагностику, чтобы устранить неисправные условия нагрузки и предупредить
о сбое системы.
Кроме обычных дискретных выходов ПЛК могут иметь силовые
дискретные выходы, для коммутации электрических цепей с большим
значением уровней тока больше одного ампера.
33
Рис. 26. Дискретный выход с оптической изоляцией ПЛК
[https://www.compel.ru/lib/96415]
Для этого могут применяться электромагнитные или электронные
реле. На рис.27 показана реализация силового выхода на базе электромагнитного реле К1. Контакты К1.1 данного реле могут при срабатывании подключать переменное напряжение 220 В к нагрузке, которая
может быть прибором или исполнительным устройством.
Рис. 27. Схема силового дискретного выхода с применением вынесенного электромагнитного реле
Релейные выходы ПЛК
Такой выход представляет собой электромагнитное реле или твердотельное реле встроенное в ПЛК, и управляемое внутренней логикой
контроллера рис. 28. С помощью такого выхода можно включить или
выключить любую внешнюю силовую нагрузку: электрическую печь,
клапан, насос, привод и т.д. При этом необходимо учитывать мощность
коммутируемого устройства (чтобы максимально возможный ток, протекающий в цепи не превышал предельный ток указанный для этого
выхода). В технических характеристиках обязательно указывают
34
нагрузочную способность выхода. Может быть 1, 2…10А - это и есть
основная характеристика релейного выхода.
Рис. 28. Схема силового дискретного выхода с применением встроенного электромагнитного реле [14]
Релейные выходы различают по количеству и типу контактов. Как
у обычного реле, у релейного выхода могут быть нормально-открытый
(НО) и нормально-закрытый (НЗ) контакты. Чаще всего на корпус
устройства выводят только, НО контакт, как наиболее часто применяемый.
Рассмотрим преимущества и недостатки релейного выхода.
Преимущества релейного выхода:
- выход всегда готов к коммутации силовой (или слаботочной)
нагрузки - нет необходимости в использовании внешних реле;
- не нужно устанавливать внешний источник электропитания выходов;
- релейные выходы независимы друг от друга и могут коммутировать разные по характеристикам цепи (например, один выход может
включать лампу на 220В, а другой - капан на +12 В);
Недостатки релейного выхода:
- искрение контактов при коммутации индуктивной нагрузки (у
электромагнитных реле);
- меньший ресурс (по сравнению с выходом типа «транзисторный
ключ»);
- возможно залипание контактов реле при перегрузке;
- задержка при срабатывании относительно большая (опять же по
сравнению с выходом типа «транзисторный ключ»).
Недостатки электромагнитного реле можно компенсировать применением электронных реле на базе транзисторов, тиристоров, симисторов.
35
Транзисторный выход ПЛК
Дискретный выход типа «транзисторный ключ» - это ключ, реализованный на полевом или биполярном транзисторе рис.29. Транзистор
пропускает электрический ток, когда на его базу приходит управляющее напряжение. Такое включение транзистора называют схемой с открытым коллектором. Транзисторный ключ может коммутировать
только цепи постоянного тока.
В промышленном оборудовании как стандарт для дискретных сигналов (как и аналоговых) используется напряжение +24 В. Но ничего
не мешает такому выводу коммутировать цепь с напряжением, например, +12 В. Транзисторные выходы обычно объединяют в каскады, что
показано на рис.30.
Рис. 29. Схема транзисторного выхода ПЛК [14]
Рассмотрим преимущества и недостатки дискретного выхода типа
«транзисторный ключ». Преимущества:
- отсутствует искрение контактов и их залипание;
- существенно больший ресурс работы;
- малая задержка срабатывания;
- возможна высокая частота коммутации.
Недостатки:
- для коммутации силовой нагрузки нужно использовать внешнее реле;
- необходимо отдельно обеспечивать питанием выходной контакт. Часто для этого требуется отдельный внешний блок питания;
- чаще всего выходы связаны в один каскад, поэтому могут коммутировать только устройства, находящиеся в одной цепи;
- могут коммутировать только цепи постоянного тока.
36
Рис. 30. Схема каскадного соединения транзисторных выходов [14]
Симисторный выход ПЛК
Этот тип выхода ПЛК по принципу работы, подключению, достоинствам и недостаткам аналогичен транзисторному выходу. Однако,
симисторный выход рис.31, может коммутировать цепи переменного
тока.
Такой выход редко применяется в ПЛК. Чаще всего он применяется
в контроллерах регуляторах. Например, ПИД-регулятор температуры,
который управляет индуктивной нагрузкой (электрическая печь). В
этом случае симисторный выход удобен тем, что он, как и релейный,
может коммутировать силовую нагрузку, но исключает искрение контактов.
Используя физические свойства симистора, можно управлять
только моментом его открытия, закрывается симистор самостоятельно
при прохождении приложенного к нему напряжения через ноль.
Рис. 31. Схема симисторного выхода ПЛК [14]
37
Таким образом, симисторный выход, может работать только на
переменном напряжении нагрузки, когда питающее напряжение регулярно пересекает ноль и даёт возможность симисторному выходу закрываться. На постоянном напряжении выход будет оставаться открытым, пока мы не отключим питающее напряжение нагрузки. Управление открытием симисторного выхода происходит через оптосимистор,
который срабатывает только при переходе напряжения нагрузки через
ноль.
Отсюда следует полезное свойство: включение и выключение симисторного выхода происходит только при прохождении напряжения на
нём через ноль. Так как, нагрузка включается и отключается при нулевом напряжении питания, это создаёт минимально возможные коммутационные помехи в питающей сети и позволяет «дозировать» подаваемое на нагрузку напряжение порциями, которые кратны одному периоду сети [15]
Универсальный дискретный вход-выход
Так как любой разряд порта микроконтроллера может работать в
режиме приема и передачи, это свойство можно использовать для создания так называемых универсальных входов выходов ПЛК. Универсальность заключается в том, что пользователь может выбрать назначение входа ПЛК в качестве дискретного выхода или дискретного
входа. На рис.32 показана схема реализации универсального входа выхода в ПЛК.
Рис. 32. Схема универсального входа выхода в ПЛК
38
Универсальный вход выход предоставляет пользователю возможность выбрать, как он будет использован в системе – в качестве
входа или выхода.
Аналоговые входы
Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012 (Дата введения 2014-07-01), аналоговый вход (analogue input) - это устройство, преобразующее непрерывный сигнал в дискретное двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров. Для аналоговых входов самыми распространенными являются стандартные диапазоны постоянного напряжения: –10…+10 В и 0…+10 В. Для токовых входов диапазоны составляют 0–20 мА и 4–20 мА (табл. 2). [16]
Таб. 2 Диапазоны сигналов аналогово входа
Диапазон сигнала
±10 В
0–10 В
1–5 В
4–20 мА
0–20 мА
Пределы для импеданса входов
10 кОм
10 кОм
5 кОм
300 Ом
300 Ом
В общем случае измерительный тракт системы обработки аналоговых сигналов состоит из нескольких элементов (рис. 33): входной сигнал, получаемый с датчика, поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме - нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП. В свою очередь,
АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал поступает
на центральный процессор, где проходит цифровую обработку.
Рис. 33. Общая схема аналогового входа в ПЛК [17]
39
В зависимости от конкретных задач возможны различные варианты реализации измерительного тракта:
- с независимыми предварительными усилителями и АЦП, одновременно конвертирующими входные сигналы в цифровое представление;
- с мультиплексором в качестве первой ступени, за которым в
тракте перед АЦП стоит общий усилитель;
- с отдельными каналами, в каждом из которых стоит усилитель,
а перед АЦП включен мультиплексор.
Мультиплексор (рис.34) необходим для выборки одного из нескольких входных аналоговых каналов. Мультиплексор, соответствующий требованиям по защите от высоковольтных электростатических
разрядов (вплоть до ±35 кВ) или защищенный от скачков напряжения
на входах, способен устранить необходимость использования внешних
схем, таких как делители напряжения и оптоэлектронные реле. При
этом важно иметь низкие согласованные сопротивления открытого канала, поскольку они позволяют обеспечить малые искажения сигналов,
улучшив тем самым надежность системы, а также низкие токи утечки,
критичные для минимизации ошибок измерения напряжений.
К мультиплексорам, применимым в подобных трактах, можно отнести MUX508, MUX36D04, MUX36D08 и MUX36S08 производства
Texas Instruments. Данные устройства способны работать с
напряжениями от +10 до +36 В.[17]
Рис. 34 Схема применения мультиплексора для выбора аналогового входа
в ПЛК [17]
40
Для максимизации динамического входного диапазона АЦП требует добавления усилителей или аттенюаторов соответственно. Эти
предварительные каскады обычно реализуют на усилителях с программируемым коэффициентом усиления или на дискретных операционных усилителях и прецизионных резистивных делителях. АЦП и усилитель работают в тандеме, чтобы обеспечить наилучшее отношение
сигнал/шум при заданных ограничениях по стоимости, размерам и потребляемой мощности.
Аналоговые входы позволяют подключать к ПЛК аналоговые датчики. Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине, в
определенный момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д. В результате преобразования из аналогового сигнала получается дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 10 - 24 разрядные аналого- цифровые преобразователи (АЦП), что в большинстве
случаев, исходя из современных требований по точности управления
технологическими процессами, является достаточным. Стандартное
значение входного аналогового сигнала имеет диапазон от 0 до 20 мА.
Например, если диапазон измерения датчика температуры от 0 до
+100 градусов Цельсия, 0 градусов будет соответствовать 0 мА, а +100
градусам Цельсия будет соответствовать ток 20 мА. Это приводит к
простой формуле перевода значения физического сигнала в значение
измеряемой единицы.
Необходимо отметить, что принципы работы встроенных в ПЛК
АЦП, могут быть самыми разными. Они определяют конкретные параметры преобразователей: по точности; быстродействию; частоте преобразования; потребляемой мощности.
Аналоговый выход
В соответствии с ГОСТ 61131–2-2012 (Дата введения 2014-07-01)
аналоговый выход (Aout) - это устройство, которое преобразует двоичное число в аналоговый сигнал. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов отображены в таб. 3.
41
Таблица 3 Диапазон аналоговых выходов ПЛК
Диапазон сигнала
Пределы для импеданса вводов
±10 В
1000 Ом
0–10 В
1000 Ом
1–5 В
500 Ом
4–20 мА
600 Ом
0–20 мА
600 Ом
В общем случае тракт генерации выходных аналоговых сигналов
включает ряд звеньев (рис. 35): цифровые данные, поступающие от
центрального процессора, могут быть преобразованы в аналоговое
напряжение или ток, например, с помощью ЦАП и схем последующей
обработки выходного сигнала. Дальнейшая обработка обеспечивает
необходимую подстройку выходного сигнала, в том числе калибровку
смещения, опорного напряжения и усиления.
Рис. 35. Общая схема тракта аналогового выхода в ПЛК [17]
ЦАП, применяемые в программируемых логических контроллерах,
должны соответствовать электротехническим требованиям как по точности (погрешность на выходе не более 0,1%), так и по защитным характеристикам (4-й уровень защиты согласно ГОСТ 30804.4.2-2013), а
также удовлетворять параметрам подачи аналоговых сигналов (коммутировать 4–20 мА и 0 В – +10 В), работать со стандартным в этой сфере
диапазоном напряжений (+12 В – +32 В) и иметь рассеиваемую мощность не более 1 Вт.
Аналоговый выход может быть реализован несколькими способами.
Например, либо с помощью встроенного цифроаналогового преобразователя, либо с помощью режима широтно-импульсной модуляции
(ШИМ), который обеспечивает таймерная система микроконтроллера
ПЛК.
42
Данный ЦАП относится к устройствам с промежуточным преобразованием исходного кода. Сначала код с использованием широтно-импульсного модулятора, преобразуется в последовательность импульсов переменной длины, постоянной амплитуды. Затем из этой последовательности, при помощи фильтра нижних частот выделяется значение
среднего напряжения, величина которого пропорциональна исходному
коду. На рис.36. приведена структурная схема такого преобразователя
и диаграмма его работы. Его легко можно построить с использованием
микроконтроллера, имеющего встроенный ШИМ модулятор.
Рис. 36. Схема ЦАП, реализуемая через режим широтно-импульсной
модуляции и диаграмма работы [https://helpiks.org/7-35904.html]
Специальные входы-выходы
ПЛК могут быть оснащены специализированными входами-выходами, позволяющие измерять длительность, фиксировать фронты,
подсчитывать импульсы, управлять двигателями. Например, для определения углового положения валов двигателя, используют датчики,
способные выдавать импульсы на один оборот.
В таких ситуациях и нужны специальные входы, способные первично обрабатывать информацию. Распространенным специализированным типом входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы. Эта функция реализуется с помощью выделенных
входов аппаратного прерывания микроконтроллеров ПЛК.
43
Часто в ПЛК применяются аналоговые компараторы. Для выработки сигнала управления по результату сравнения двух аналоговых
сигналов.
Коммуникационные входы
Коммуникационные входы ПЛК предназначены для удаленного обмена данными:
- с модулями ввода-вывода (Profibus, Modbus, Lora Wan и др.);
- с программаторами, панелями оператора и другими контроллерами;
- с полевыми устройствами (HART, Foundation Fieldbus и др.);
- с сервоприводами (SERCOS);
- с промышленными компьютерами верхнего уровня (Industrial
Ethernet и др.);
- по радиоканалам (GSM, GPRS);
- по телефонным линиям;
- по Internet.
Коммуникационные входы представляют из себя интерфейсы,
работающие по определенным протоколам и физическим стандартам,
для создания распределенных систем автоматики.
Сравнительные характеристики ПЛК
Обычно при выборе ПЛК пользователь производит оценку возможностей исходя из рассмотрения следующих характеристик:
- тип процессора;
- тип операционной системы или ее отсутствие;
- объем памяти для хранения программ;
- объем энергонезависимой памяти;
- время цикла ПЛК;
- конструктивное исполнение;
- климатическое исполнение;
- тип дисплея;
- интерфейсы;
- количество дискретных входов;
- количество дискретных выходов;
44
- количество аналоговых входов;
- количество аналоговых выходов;
- возможности расширения;
- уровень входного питания;
- поддержка дополнительных сервисов;
- наличие сертификатов и разрешений к применению.
Процессоры в ПЛК применяются разные с точки зрения разрядности, рабочей частоты, производительности и потребляемой мощности. Весьма популярны для применения в ПЛК процессоры Cortex
компании ARM. Это объясняется тем, что данная компания выделила
отдельное направление создания процессоров, обеспечивающих режим реального времени, необходимый для работы систем автоматики.
В одном цикле программа ПЛК последовательно выполняет следующие задачи:
- самодиагностика памяти процессора и исправности подключенных датчиков;
- опрос датчиков с целью сбора данных о текущем состоянии технологического процесса;
- обмен данными с другими ПЛК, промышленными компьютерами и системами человеко-машинного интерфейса (HMI) при необходимости;
- обработка полученных данных по формализованному алгоритму;
- формирование сигналов на выходах ПЛК для управления исполнительными устройствами.
Данная последовательность в алгоритме отличает разработку
программ управления от обычного прикладного программирования.
Так как требует от программиста знания особенностей работы технических систем, знания последовательности этапов автоматизируемого
технологического процесса. Но при этом не требуется знания системного программирования.
1.3. Подключение датчиков и исполнительных устройств
В процессе автоматизации технологических процессов решается
задача измерения различных физических величин. Это может быть
температура, давление и расход жидкости или газа, частота вращения
45
вала, сила света, информация о положении частей механизмов и многое другое. Эта информация получается с помощью датчиков. Разные
входы-выходы ПЛК имеют особенности использования, что выражается в способах подключения устройств к ПЛК. Рассмотрим некоторые
традиционные схемы подключения датчиков и исполнительных
устройств к ПЛК.
Подключение аналоговых датчиков
Аналоговый сигнал вводится в ПЛК с помощью встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Цифровые данные с АЦП в
контроллер передаются последовательным или параллельным кодом.
Все зависит от конкретной схемы включения.
Согласно стандартам, существует три диапазона токовых сигналов аналоговых датчиков: 0…5мА, 0…20мА и 4…20мА. В чем их отличие, и какими особенностями они обладают?
Чаще всего зависимость выходного тока прямо пропорциональна
измеряемой величине, например, чем выше давление, тем больше ток
на выходе датчика. Хотя иногда применяется инверсное включение:
большей величине выходного тока соответствует минимальное значение измеряемой величины на выходе датчика. Все зависит от типа применяемого контроллера. Некоторые датчики имеют функцию переключения с прямого на инверсный сигнал.
Выходной сигнал диапазона 0…5мА весьма мал, и поэтому подвержен действию помех. Если сигнал такого датчика меняется при
неизменном значении измеряемого параметра, то рекомендуется параллельно выходу датчика установить конденсатор емкостью
0.1…1мкФ. Более устойчивым является токовый сигнал в диапазоне
0…20мА.
Но оба этих диапазона обладают таким недостатком, что ноль в
начале шкалы не позволяет однозначно определить, что же произошло
в системе. Или измеряемый сигнал на самом деле принял нулевой уровень, или просто оборвалась линия связи? Поэтому, от использования
этих диапазонов стараются, по возможности, отказаться.
Более надежным считается сигнал аналоговых датчиков с выходным током в диапазоне 4…20мА. Помехозащищенность его достаточно высокая, а нижний предел, даже если измеряемый сигнал имеет
46
нулевой уровень, будет 4мА, что позволяет говорить о том, что линия
связи не оборвана.
Еще одной хорошей особенностью диапазона 4…20мА является
то, что датчики можно подключать всего по двум проводам, поскольку
именно таким током питается сам датчик. Это его ток потребления и
одновременно измерительный сигнал.
Источник питания датчиков диапазона 4…20мА включается, как
показано на рис.37. Чаще всего для питания датчика применяются стабилизированные источники с напряжением +24В.
Рис. 37. Схема подключения аналогового датчика с внешним питанием [18]
На этой схеме рис. 37 используются следующие элементы и обозначения. Rш – резистор измерительного шунта, Rл1 и Rл2 – сопротивления линий связи. Для повышения точности измерения в качестве Rш
должен использоваться прецизионный измерительный резистор. Прохождение тока от источника питания показано стрелками.
Выходной ток источника питания проходит с клеммы +24В, через
линию Rл1 достигает клеммы датчика +AO2, проходит через датчик и
через выходной контакт датчика - AO2, соединительную линию Rл2,
резистор Rш возвращается на клемму источника питания -24В. Все,
цепь замкнулась, ток течет.
В случае, если контроллер содержит встроенный источник питания
+24В, то подключение датчика или измерительного преобразователя
возможно по схеме, показанной на рис.38. [18].
47
Рис. 38. Схема подключения аналогового датчика со встроенным источником
питания [18]
Количество точек измерения на современных производствах может
достигать нескольких десятков тысяч. Поэтому к одному контроллеру
чаще всего подключается сразу несколько аналоговых датчиков. Конечно же, не сразу несколько тысяч, хорошо, если десяток. Такое подключение показано на рис. 39.
Рис. 39. Схема подключения нескольких аналоговых датчиков с внешним источником питания [18]
На рис.39 показано, как из токового сигнала получается напряжение, пригодное для преобразования в цифровой код. Если таких сигналов несколько, то обрабатываются они не все сразу, а разделяются по
времени, мультиплексируются, в противном случае на каждый канал
пришлось бы ставить отдельный АЦП. Для этой цели контроллер
имеет схему коммутации каналов.
48
Для подключения токовых датчиков 4…24мА рекомендуется использовать двухпроводный экранированный кабель с сечением жил не
менее 0,5 мм2. Если контроллер смонтирован в металлическом шкафу,
то экранирующие оплетки рекомендуется подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать двух с лишним километров, что рассчитывается по соответствующим формулам.
Датчики с протоколом HART
Особый интерес представляют аналоговые датчики, работающие
по протоколу HART (Highway Addressable Remote Transducer), что
переводится как «Измерительный преобразователь, адресуемый дистанционно через магистраль».
Выходной сигнал датчика представляет собой аналоговый токовый
сигнал диапазона 4…24мА, на который накладывается частотно модулированный (FSK - Frequency Shift Keying) сигнал цифровой связи.
Рис. 40. Выходной сигнал аналогового датчика по протоколу HART [18]
На рис.40 показан аналоговый синусоидальный сигнал с протоколом HART. Это частотно - модулированный сигнал. На рисунке показано, что частота синусоиды при передаче логического нуля выше
(2,2КГц), чем при передаче единицы (1,2КГц). Передача этих сигналов
осуществляется током амплитудой ±0,5мА синусоидальной формы.
Связь по протоколу HART осуществляется двумя способами. В
первом случае, стандартном, по двухпроводной линии могут обмениваться информацией только два устройства, при этом выходной аналоговый сигнал 4…24мА зависит от измеряемой величины. Такой режим
применяется при настройке датчиков.
49
Во втором случае к двухпроводной линии может быть подключено
до 15 датчиков, количество которых определяется параметрами линии
связи и мощностью блока питания. Это режим многоточечной связи. В
этом режиме каждый датчик имеет свой адрес в диапазоне от 1…до 15,
по которому к нему обращается устройство управления.
Датчик с адресом «0» от линии связи отключен. Обмен данными
между датчиком и устройством управления в многоточечном режиме
осуществляется только частотным сигналом. Токовый сигнал датчика
зафиксирован на необходимом уровне и не изменяется.
Под данными в случае многоточечной связи подразумеваются не
только собственно результаты измерений контролируемого параметра,
но еще и целый набор всевозможной служебной информации.
В первую очередь это адреса датчиков, команды управления, параметры настройки. И вся эта информация передается по двухпроводным линиям связи. [18]
Стандарт Wireless HART, средой передачи которого является не
лицензируемая частота 2,4 ГГц, на которой работают многие компьютерные беспроводные устройства, в том числе и беспроводные локальные сети. Поэтому и Wireless HART-устройства можно использовать
без всяких ограничений.
Подключение дискретных датчиков
Самый простой дискретный датчик - это обычный механический
контакт: открыли – контакт разомкнулся, закрыли – замкнулся. Такой
датчик, равно как и приведенный алгоритм работы, часто применяется
в охранных сигнализациях. Для механизма с поступательным движением, который имеет два положения, например, водопроводная задвижка, понадобится уже два контакта: замкнулся один контакт - задвижка открыта, замкнулся другой - закрыта.
Таким образом, датчики на основе контакта являются дискретными
или бинарными, имеют два положения, «замкнут - разомкнут» или «1
и 0». Другими словами, можно сказать, что событие произошло или
нет. По своему первоначальному состоянию контакты могут быть нормально замкнутые (дежурный режим или "норма"). Нормально разомкнутые - диаметральная противоположность первых. Переключающие - комбинация двух вышеперечисленных.
50
Существуют несколько схем подключения различных типов дискретных датчиков (рис. 41):
- датчики имеющие релейный выход ("сухие контакты") с питанием по отдельной линии (1б - нормально разомкнутые, 1а нормально замкнутые);
- датчики, имеющие выход типа "сухие контакты" без питания
(2б - нормально разомкнутые, 2а - нормально замкнутые);
- датчики с питанием по шлейфу сигнализации, имеющие цифровой выход (адресный). В этом случае важно соблюдать полярность шлейфа. [19]
Рис. 41. Датчики с релейным выходом [19]
Номинал резистора в схемах на рис.41 определяется типом приемного контрольного прибора, предназначен этот резистор для ограничения тока шлейфа сигнализации при формировании сигнала тревоги.
Количество датчиков, подключаемых к одному шлейфу сигнализации
может меняться. В первых двух случаях - количество датчиков практически без ограничений. Все определяется параметрами соединительных линий и источником питания. Для варианта «3» расчет количества
датчиков осуществляется следующим образом: K=I шл. /I датчика, где
K - максимально допустимое количество датчиков; I шл. - максимально
допустимый ток шлейфа сигнализации конкретного типа; I датчика ток потребления датчика.
51
Механический контакт в приборах обладает низкой надежностью.
Поэтому, где это возможно, механические контакты заменяются бесконтактными датчиками.[20] Более сложным и точным вариантом следует считать различные бесконтактные датчики. В качестве примера
таких датчиков можно привести датчики БВК (Бесконтактный Выключатель Конечный) различных серий.
Напряжение питания датчиков БВК 24В, ток нагрузки 200мА, что
вполне достаточно для подключения промежуточных реле для дальнейшего согласования со схемой управления. Именно так используются датчики БВК в различном оборудовании рис.42.
Рис. 42. Подключение нескольких датчиков с транзисторным выходом к дискретным входам с использованием внешнего источника питания
Подключение силовой нагрузки к симисторному выходу
Симистор является полностью электронным устройством, в нём нет
движущихся механических частей. Он может производить процедуру
включения и отключения хоть в каждом полупериоде сети (100 раз в
секунду), при этом не создаёт коммутационных помех. Таким образом,
симисторные выходы являются «идеальным реле» для переменного
тока. Поэтому устройства для коммутации нагрузки с помощью симисторов часто называют твердотельными реле. Рассмотрим способы
подключения нагрузки к симисторному выходу рис.43. На рис.43 показаны шесть вариантов использования симисторного выхода: подключение внешнего симистора; подключение внешнего тиристора;
52
подключение электромагнитного пускателя; подключение аварийной
сигнализации; подключение нагрузки мощностью менее 200 Вт.
Рис. 43. Варианты подключение силовой нагрузки к симисторному выходу ПЛК
[21]
Самым простым является прямое управление нагрузкой с помощью симисторного выхода. При таком подключении есть одно существенное
ограничение - ток через симистор не должен быть более одного ампера,
поэтому по этой схеме мы можем подключить нагрузку мощностью не
более 200 Вт.
1.4. Среды программирования
Известно несколько подходов к разработке сред программирования
ПЛК и продвижения их в инженерной среде. Традиционно среда программирования обычно состоит из редактора, компилятора и отладчика проекта. Среда программирования устанавливается на персональный компьютер, который с помощью программатора связывается с
ПЛК в процессе прошивки флэш памяти. Общим для всех сред программирования является две особенности.
Первая особенность заключается в том, что все среды программирования предназначены для использования не професcиональными
программистами, а инженерами, умеющими формализовать алгоритмы управления автоматики и владеющими навыками программирования.
53
Вторая особенность заключается в структуре программы для ПЛК.
Структура программы для ПЛК состоит обычно из нескольких кадров,
которые повторяются в процессорном цикле: кадр тестирования датчиков и исполнительных устройств; кадр чтения входов ПЛК; кадр алгоритма управления; кадр формирования состояния выходов ПЛК. Такая
структура отличает программы прикладного и системного программирования от программ для ПЛК.
Рассмотрим известные принципы работы некоторых программных
сред. К ним относятся:
- язык списка инструкций IL;
- язык релейных диаграмм LD;
- язык диаграмм функциональных блоков FBD;
- язык структурного текста ST;
- язык последовательных функциональных схем SFC.
Язык списка инструкций - IL (Instruction List) - аналог языка Ассемблер. Элемент языка показан на рис.44. Текстовый язык IL относится к
языкам низкого уровня, что существенно облегчает, например, вызов
функциональных блоков и функций перехода «условно» или «безусловно», выполнение назначений. Машинный код готовой программы оптимален по объему. [22]
Список инструкций составлен из последовательности команд. Каждая команда начинается в новой ячейке и состоит из оператора и сопровождается одним или несколькими операндами (рис.44). Если используется несколько операндов, они отделяются запятыми. Команде
может предшествовать метка с двоеточием. Команда может сопровождаться комментарием. Список команд должен всегда начинаться с оператора LD (команда загрузки аккумулятора) и заканчиваться оператором сохранения ST.
Рис. 44. Элементы языка списка инструкций IL [22]
Язык релейных диаграмм - LD (Ladder Diagram) - графический язык,
использующий принципы построения электрических схем. Элемент
54
языка показан на рис.45. Язык был разработан в США в период релейной автоматизации. Когда релейные шкафы были заменены на шкафы
с микросхемами возникла необходимость разработки других языков
программирования понятных новому поколению инженеров. Язык LD
представляет собой графическую интерпретацию процесса разработки
релейно-контактных схем управления. Первоначально на языке LD
программировались контроллеры производства компании Allen
Bradley. [23]
Ввиду его удобства и значительного количества пользователей, обладающих навыками проектирования логических систем на базе реле
и контакторов, язык LD в настоящее время является одним из наиболее
распространенных языков программирования ПЛК. Этот язык удобен
для программирования небольших задач дискретной логики, поэтому
многие контроллеры младших классов имеют язык LD в качестве основного для разработки программ управления.
Программы, написанные на языке LD, состоят из последовательности ступеней, которые выполняются ПЛК последовательно, слева
направо. Ступень состоит из набора графических элементов, ограниченных слева и справа условными шинами питания.
Набор графических элементов языка LD включает:
1) Входы/выходы ПЛК (кнопки, датчики, реле, индикаторные лампы и
т.д.);
2) Стандартные управляющие системные функции (таймеры, счетчики
и т.д.);
3) Арифметические, логические и специальные операции;
4) Внутренние переменные ПЛК.
Дискретные входы ПЛК и результаты выполнения логических операций представляются в виде условных контактов реле, нормально
разомкнутых (замыкаются при появлении сигнала на соответствующем входе или истинности поставленного в соответствие данному контакту логического выражения) и нормально замкнутых (с логикой работы, обратной предыдущей).
Дискретные выходы ПЛК или результаты выполнения данной ступени представляются в виде обмотки реле, питание на которой появляется после прохождения сигнала от левой условной шины питания через все находящиеся на ступени элементы, как показано на рис.45. Левая шина соответствует исходному питанию схемы, правая – выходу
55
схемы, сигнал в котором появляется после замыкания всех контактов и
выполнения всех логических условий.
Рис. 45. Элементы языка релейных диаграмм LD [24]
Язык диаграмм функциональных блоков - FBD (Functional Block Diagram). Программа, написанная на графическом языке FBD, представляет собой набор связанных друг с другом функциональных блоков,
выходы и входы которых соединены линиями связи. Линии связи отражают определенные программные переменные, через которые происходит обмен данными от блока - к блоку. [24]
Отдельный блок выполняет конкретную функцию (логическое
«и», «не», счетчик и т. д.), при этом один блок может иметь несколько
выходов и входов рис.46. Значения переменных задаются константами
или переменными со специальных входов, а выходы связываются с
другими переменными программы или с выходами ПЛК.
Из таких блоков графически составляются выражения, образующие
цепи: к выходу одного блока присоединяется следующий блок, далее
- еще блок, и так образуются электрические цепи. Порядок выполнения блоков соответствует порядку их соединения, а результат выполнения цепи либо подается на выход ПЛК, либо записывается в память
в какую-то внутреннюю переменную.
Язык FBD нагляден, удобен, и потому прост в освоении специалистами - прикладниками, не имеющими специальной подготовки по
программированию. Код выполняется последовательно, структура команд внутри кода проста, поэтому программа транслируется быстро, и
задача выполняется надежно. Есть различные модификации языка программирования FBD, отличающиеся наличием тех или иных ограничений или расширений.
56
Например, существует разновидность FBD, FBC, допускающая
применение только чистых функций с одним выходом без промежуточных переменных - модификация для функционального программирования. Или модификация FBD - CFC (Continuous Function Chart), позволяющая установить порядок выполнения диаграмм не просто последовательной цепочкой, а по усмотрению разработчика программного
обеспечения. С языком CFC разработчик получает больше свободы,
хотя код получается более длинным.
Рис. 46. Элементы языка FBD [25]
Язык структурного текста - ST (Structured Text) – язык программирования, который является надстройкой над СИ++, Паскаль. Элемент
языка показан на рис.47. ST - это одна из составных частей программного комплекса CoDeSyS и представляет собой текстовый редактор высокого уровня. Он очень похож на Basic или Pascal. Такой способ программирования является идеальным инструментом для программистов. Преимуществом языка является возможность создания сложных
математических и разветвленных алгоритмов. [26]
Язык ST позволяет без труда описывать сложные операции компактным и лёгким для восприятия текстом. Structured Text содержит в
себе много конструкций, позволяющие присваивать переменные, использовать готовые библиотеки, функции и функциональные блоки.
57
По числу типов данных ST превосходит язык CИ. Применение
стандартных и специализированных операций не вызывает у CИ программистов ни каких сложностей. Редактор ST в CoDeSys поддерживает синтаксическое цветовое выделение и имеет средства быстрого
ввода. Как правило, трансляция CИ программ в ST проще, чем обратная операция. Язык разработан и принят под давлением пользователей,
являющихся профессиональными программистами. [27]
Рис. 47. Элементы языка ST[26]
Практика показывает, что, профессиональные программисты, работая с CoDeSys, чаше всего выбирают язык ST. Практически все они в
совершенстве владеют языком CИ.
Язык последовательных функциональных схем - SFC (Sequentional
Functional Chart). Элементы языка показаны на рис.48. SFC осуществляет последовательное управление процессом, базируясь на системе
условий, передающих управления с одной операции к другой. Язык
SFC состоит из конечного числа базовых элементов, которые используются как блоки для построения целостного алгоритма программы.
Язык SFC использует следующие структурные элементы для создания программы: шаг (и начальный шаг), переход, блок действий, прыжок и связи типа дивергенция и конвергенция. После вызова программного модуля, описанного языком SFC, первым выполняется начальный
шаг. Шаг, выполняемый в данный момент, называется активным. Действия, связанные с активным шагом, выполняются один раз в каждом
управляющем цикле. В режиме выполнения активные шаги выделяются салатовым цветом. Следующий за активным шагом шаг станет
активным, только если в переходе между этими шагами условие будет
истинно.
В каждом управляющем цикле будут выполнены действия, содержащиеся в активных шагах. Далее проверяются условия перехода, и,
58
возможно, уже другие шаги становятся активными, но выполняться
они будут уже в следующем цикле. [27]
Рис. 48. Элементы языка SFC [27]
Структурно среда исполнения представляет собой набор ресурсов
(в большинстве случаев это и есть ПЛК, хотя некоторые мощные компьютеры под управлением многозадачных операционных систем
предоставляют возможность запустить несколько программ и имитировать на одном ЦП несколько ресурсов). Ресурс предоставляет возможность исполнять задачи. Задачи представляют собой набор программ. Задачи могут вызываться циклически, по событию, с максимальной частотой.
Программа - это один из типов программных модулей. Модули могут быть типа программа, функциональный блок и функция. В некоторых случаях для программирования ПЛК используются нестандартные
языки, например, блок-схемы алгоритмов, СИ-ориентированная среда
разработки программ для ПЛК - HiGraph 7 - язык управления на основе
графа состояний системы.
Инструменты программирования ПЛК могут быть специализированными для отдельного семейства ПЛК или универсальными, работающими с несколькими (но далеко не всеми) типами контроллеров:
CannyLab; CoDeSys; ISaGRAF; Beremiz; KLogic.
Отладка программ для ПЛК
Для примера приведем процесс отладки программ для ПЛК на основе программирования макета ПЛК с процессором STM-32 в среде
59
программирования Релкон, который относится к группе языков структурного программирования - ST.
Для выполнения работ по отладке программ используется компьютер с установленной программной средой Релкон (разработана фирмой «Контел» Россия и предлагается пользователю бесплатно через ресурс www.kontel.ru); лабораторный макет программируемого логического контроллера (рис.49); установленная на компьютере программа
управления USB-программатором для связи компьютера с макетом
ПЛК. Конфигурируется система автоматически.
Рис. 49. Макет программируемого логического контроллера на базе STM-32
Описание программной среды Релкон представлено в электронном
виде на сайте www.kontel.ru. Данная среда содержит редактор, отладчик, компилятор, является надстройкой языка программирования
Си++. Предназначена для специалистов, формализующих в виде программы алгоритмы управления технологическими процессами и объектами.
Макет программируемого логического контроллера (он выполнен
на базе микроконтроллера STM32) подключается к сети питания 220 В
и через встроенный разъем USB программатора к компьютеру пользователя. Макет имеет в своем составе встроенный знакосинтезирующий
индикатор (четыре строки по двадцать символов); пульт кнопочного
управления индикатором; восьмиканальный встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), по каждому входу которого можно изменять аналоговый сигнал с помощью потенциометра в диапазоне от 0
60
до 20 мА, моделируя подключение аналоговых датчиков промышленного стандарта; восемь дискретных входов, к которым подключены переключатели для моделирования цифрового кода или логической установки состояния определенного разряда порта микропроцессора. В макет встроен USB-программатор для программирования флэш-памяти
микропроцессора.
На рис.50 показан пример программы для работы с аналоговыми входами ПЛК. В преамбуле листинга описан алгоритм программы.
/*
Аналоговые входы/выходы
Значение ADC1 пересчитывается в ток.
Если ток ниже 3 мА, выдаётся сообщение об обрыве канала.
Если ток превышает 10 мА, формируется аварийное сообщение
и на первый аналоговый выход подаётся ток 8 мА.
Реакция на превышение максимального уровня не мгновенная,
а с фильтрацией по времени для исключения влияния кратковременных скачков входного тока.
*/
#DATA
// Присвоение переменных программы.
unsigned short cnt;
// вспомогательный счётчик
unsigned short my_adc; // значение для вывода на пульт
float v1;
// значение ADC1, пересчитанное в мА
#INIT
#STARTp0;
//-----Начало программы.
#PROCESS 0
#SIT1(0.1)
my_adc = ADC1;
v1 = (float)ADC1*20/65536;
if(v1<3) {st3=2;} // ток канала менее 3 мА - обрыв датчика
else
{
if(v1>10) // ток канала более 10 мА
{
cnt++;
if(cnt>=20)
{
DAC1 = 65535/20*8;
cnt=0;
st3=1;
}
}
else
Рис. 50 Пример программы для ПЛК на базе STM-32,
подготовленной в среде Релкон
61
Программа компилируется и подготовленный хекс файл по команде
загружается во флэш память ПЛК с помощью подключенного к компьютеру по USB-2 программатора. Макет позволяет имитировать состояние дискретных входов выходов, аналоговых входов.
1.5. СКАДА системы
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское
управление и сбор данных) - программный пакет, предназначенный
для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем
сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. Применяется для управления сложными распределенными системами, в которых применяются программируемые логические контроллеры различных моделей и разных производителей. Общая схема СКАДА системы показана на рис.51
Рис. 51. Обобщенная схема СКАДА системы
Функциями СКАДА системы являются:
- обмен данными с «устройствами связи с объектом» (то есть с промышленными контроллерами и платами ввода-вывода) в режиме реального времени через драйверы;
- обработка информации в режиме реального времени;
62
- логическое управление;
- отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме, например, в виде мнемосхемы, как показано
на рис.52;
- ведение базы данных реального времени с технологической информацией;
- служба аварийной сигнализации и управление тревожными сообщениями;
- подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;
- осуществление сетевого взаимодействия между SCADA компьютерами;
- обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). [29]
Рис. 52. Представление мнемосхемы технологического процесса управления
Для обеспечения данных функций в СКАДА системе выделяют отдельные подсистемы:
- драйверы или серверы ввода-вывода - программы, обеспечивающие
связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и
другими устройствами ввода-вывода информации;
- система реального времени - программа, обеспечивающая обработку
данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов;
- человеко-машинный интерфейс (HMI, от англ. Human Machine
Interface) - программа, которая представляет данные о ходе процесса
63
управления человеку оператору, что позволяет оператору контролировать технологический процесс или объект и управлять им; Программаредактор для разработки человеко-машинного интерфейса.
- система логического управления - программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе и набор редакторов для их разработки;
- база данных реального времени - программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени;
- система управления тревогами - программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером;
- генератор отчетов - программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для
их разработки;
- внешние интерфейсы - стандартные интерфейсы обмена данными
между SCADA и другими программными приложениями.
Существует разделение СКАДА систем на автономные, клиент серверные и распределенные.
Автономные СКАДА - при использовании данной архитектуры
система состоит из одной или нескольких рабочих станций оператора,
которые не "знают" друг о друге. Все функции системы выполняются
на единственной или нескольких независимых станциях. Преимуществом такого решения является простота. Недостатками: низкая отказоустойчивость; не обеспечивается истинность данных (исторические
данные могут отличаться между разными станциями).
Клиент серверные СКАДА выполняются на сервере, а операторы используют клиентские станции для мониторинга и управления
процессом. Высоконадёжные системы строятся на базе двойного либо
тройного резервирования серверов и дублирования клиентских станций оператора, дублирования сетевых подключений сервер-сервер и
клиент-сервер. При данной архитектуре возможно разделение функций SCADA-системы между серверами. Например, сбор данных и
управление ПЛК выполняется на одном сервере, архивирование данных - на втором, а взаимодействие с клиентами - на третьем.
64
Распределенные СКАДА - при использовании архитектуры распределенной системы управления вычисления осуществляются на нескольких взаимосвязанных вычислительных устройствах, часто с
функцией взаимного резервирования. Распределенные SCADA-системы с взаимным резервированием отличаются повышенной надежностью.
СКАДА системы наиболее известные в мире сведены в таб.4.
Табл. 4 СКАДА системы
SCADA
Фирма-изготовитель
Factory Link
United States DATA Co.
InTouch
Wonderware
Genesis
Iconics
RealFlex
BJ Software Systems
iFIX
Intellution
Simplicity
GE Fanuc Automation
RSView
Rockwell Software Inc.
LabVIEW
National Instruments
Citect
CI Technology
WinCC
Siemens
GenieDAQ
Advantech
Sitex
Jade Software
ElipseSCADA Elipse
TraceMode
AdAstra
КРУГ2000
ИнСАТ
MasterSCADA ИнСАТ
КАСКАД
КОНТУР
Страна разработчик
США
США
США
США
США
США
США
США
Автралия
Германия
Тайвань
Англия
Бразилия
Россия
Россия
Россия
Россия
Украина
ОРС сервер
OPC
(от англ. Open
Platform
Communications,
ранее англ. OLE for Process Control) - семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами.
Стандарт ОРС разработан международной организацией OPC
Foundation, членами которой являются более 400 фирм, работающих в
области средств автоматизации и измерительной техники. Основателями организации являются фирмы Fisher-Rosemount, Rockwell Software, Opto 22, Intellution и Intuitive Technology. Первая версия ОРС
стандарта была выпущена в 1998 г. В совет директоров OPC Foundation
65
в 2008 году входили представители Siemens AG, Emerson Process Management, Yokogawa, Honeywell, Rockwell Automation, ICONICS.
Суть OPC проста - предоставить разработчикам промышленных
программ универсальный фиксированный интерфейс обмена данными
с любыми устройствами рис.53. В то же время разработчики устройств
предоставляют программу, реализующую этот интерфейс (набор функций).
Рис. 53. Схема взаимодействия ОРС сервера с ПЛK [30]
Технология OPC была разработана для унификации механизмов
взаимодействия программного обеспечения систем управления с аппаратурой этих систем. В рамках этой технологии ОРС-серверы собирают данные от контроллеров и предоставляют их ОРС-клиентам
(например, SCADA-системам). Любой ОРС-клиент может обмениваться данными с любым ОРС-сервером вне зависимости от специфики устройства, для которого разрабатывался конкретный ОРС-сервер.
Существуют несколько спецификаций ОРС [30]:
- ОРС DA (DataAccess) обеспечивает обмен текущими данными. На
основе данной спецификации создано большинство существующих на
сегодняшний день OPC-серверов;
- OPC HDA (Historical Data Access) предоставляет доступ к историческим данным. Использование этой спецификации позволяет представить архивные данные в универсальном формате как в простых системах визуализации, так и в сложных SCADA-системах;
- OPC AE (Alarms & Events) спецификация создана для контроля за
различными событиями, например, выходом значения за какие-то границы, обрыве сигнала, действиями операторов т.д.;
66
- OPC Batch применяется в задачах управления технологическими
последовательностями;
- OPC DX (Data eXchange) спецификация была разработана для создания механизмов обмена данными между оборудованием и программным обеспечением различных производителей. Основное назначение данной спецификации обеспечить возможность создания шлюзов;
- OPC Security предоставляет инструмент для разграничения прав
доступа клиентов к информации через OPC-сервер;
На рис.54 показан пример взаимодействия прикладных программ
и физических устройств через ОРС сервер на одном компьютере.
Рис. 54. Взаимодействие прикладных программ и физических устройств через
ОРС сервер [31]
Сервер OPC DA
Сервер OPC DA является наиболее широко используемым в промышленной автоматизации. Он обеспечивает обмен данными (запись
и чтение) между клиентской программой и физическими устройствами. Данные состоят из трех полей: значение, качество и временная
метка. Параметр качества данных позволяет передать от устройства
клиентской программе информацию о выходе измеряемой величины за
границы динамического диапазона, об отсутствии данных, ошибке
связи и другие.
Существует четыре стандартных режима чтения данных из ОРС
сервера:
67
- синхронный режим: клиент посылает запрос серверу и ждет от
него ответ;
- асинхронный режим: клиент отправляет запрос и сразу же переходит к выполнению других задач. Сервер после выполнения функции запроса посылает клиенту уведомление и тот забирает предоставленные данные;
- режим подписки: клиент сообщает серверу список тегов, значения которых сервер должен отправлять клиенту только в
случае их изменения. Для того, чтобы шум данных не был принят за их изменение, вводится понятие "мертвой зоны", которая слегка превышает максимально возможный размах помехи;
- режим обновления данных: клиент вызывает одновременное
чтение всех активных тегов. Активными называются все теги,
кроме обозначенных как "пассивные". Такое деление тегов
уменьшает загрузку процессора обновлением данных, принимаемых из физического устройства.
В каждом из этих режимов данные могут читаться либо из кэша
ОРС сервера, либо непосредственно из физического устройства. Чтение из кэша выполняется гораздо быстрее, но данные к моменту чтения
могут устареть. Поэтому сервер должен периодически освежать данные с максимально возможной частотой. Для уменьшения загрузки
процессора используют параметр частоты обновления, который может
быть установлен для каждой группы тегов индивидуально. Кроме того,
некоторые теги можно сделать пассивными, тогда их значения не будут обновляться данными из физического устройства.
Запись данных в физическое устройство может быть выполнена
только двумя методами: синхронным и асинхронным и выполняется
сразу в устройство, без промежуточной буферизации. В синхронном
режиме функция записи выполняется до тех пор, пока из физического
устройства не поступит подтверждение, что запись выполнена. Этот
процесс может занимать много времени, в течение которого клиент
находится в состоянии ожидания завершения функции и не может продолжать выполнение своей работы. При асинхронной записи клиент
отправляет данные серверу и сразу продолжает свою работу. После
окончания записи сервер отправляет клиенту соответствующее уведомление.
68
ОРС DA сервер может иметь пользовательский интерфейс, который позволяет выполнять любые вспомогательные функции для облегчения работы с оборудованием. Например, ОРС сервер NLopc позволяет, помимо обмена данными со SCADA, выполнять следующие полезные функции:
- поиск подключенного к промышленной сети оборудования;
- установку параметров оборудования (имени, адреса, скорости
обмена данными, периода сторожевого таймера, наличие контрольной суммы и др.);
- создавать иерархическое представление имен тегов;
- наблюдать значения тегов;
- управлять правами доступа к ОРС серверу.
Сервер ОРС HAD
Целью OPC HDA сервера является предоставление клиентской
программе единого интерфейса для обмена данными с любыми хранилищами данных, в качестве которых может выступать нестандартный
файл с данными, стандартная СУБД, OPC DA сервер или другой ОРС
HDA сервер. Стандарт распространяется только на интерфейсы для
взаимодействия HDA сервера с клиентскими программами и не устанавливает способов получения или хранения данных.
Спецификация OPC HDA устанавливает стандарт на интерфейсы
СОМ объекта и методы его использования. Структура сервера и методы взаимодействия с клиентами полностью аналогичны общей идеологии ОРС и описанному выше OPC DA в частности. Например, ОРС
клиент может подсоединяться к нескольким OPC HDA серверам разных производителей и быть установлен на разных компьютерах в сети
Ethernet. Существует два типа HDA серверов:
- простой сервер данных предыстории для построения графиков;
- сервер для хранения данных в упакованном виде с возможностью их обработки и анализа. К функциям обработки и анализа
данных относятся нахождение среднего, минимального и максимального значения и др.
69
Работа с данными заключается в чтении, записи или изменении данных. Пример применения ОРС технологии для сетевого доступа к данным в системах автоматизации показан на рис.55.
Рис.55 Пример применения ОРС технологии для сетевого доступа к данным
в системах автоматизации [32]
Спецификация OPC UA
Практика выявила следующие недостатки ОРС технологи:
- доступность только на операционных системах семейства Microsoft
Windows;
- связь c технологией DCOM (DCOM (англ. Distributed COM) — расширение Component Object Model для поддержки связи между объектами на различных компьютерах по сети.) [ https://ru.wikipedia.org/wiki/DCOM], исходные коды которой являются закрытыми. Это
не позволяет решать вопросы надежности ПО, а также выявлять и
устранять возникающие программные отказы;
- бывают проблемы конфигурирования, связанные с DCOM;
- неточные сообщения DCOM о прерываниях связи;
- неприспособленность DCOM для обмена данными через интернет;
- неприспособленность DCOM для обеспечения информационной безопасности.
70
В 2006 году OPC Foundation предложил новую стандартную спецификацию для обмена данными в системах промышленной автоматизации, получившую название "ОРС Unified Architecture" - "ОРС с унифицированной архитектурой", которая рассматривается как ОРС стандарт нового поколения.[ https://ru.wikipedia.org/wiki/OPC UA]
Стандарт OPC UA устанавливает методы обмена сообщениями
между ОРС сервером и клиентом, не зависящие от аппаратно-программной платформы, от типа взаимодействующих систем и сетей.
ОРС UA обеспечивает надежную и безопасную коммуникацию, противодействие вирусным атакам, гарантирует идентичность информации
клиента и сервера.
В новом стандарте используется понятие объекта, под которым понимается физический или абстрактный элемент системы. Примерами
объектов могут быть физические устройства, включающие их системы
и подсистемы. Датчик температуры, к примеру, может быть представлен как объект, который включает в себя значение температуры, набор
параметров сигнализаций и границы их срабатывания. Объект, по аналогии с объектно-ориентированным программированием, определяется как экземпляр класса, а класс рассматривается как тип данных.
Объекты включают в себя переменные, события и методы.
OPC UA использует несколько различных форматов данных, основными из которых являются бинарные структуры и XML документы. Формат данных может быть определен поставщиком ОРС сервера или стандартом. Для работы с произвольными форматами клиент
может запросить у сервера информацию об описании этого формата.
Во многих случаях используется автоматическое распознавание формата данных во время их передачи.
OPC UA обладает робастностью данных и уведомлений о событиях. Робастность обеспечивается механизмом быстрого обнаружения
ошибок коммуникации и восстановления данных. Серверы могут
иметь доступ как к текущим, так и архивированным данным, к событиям и аварийным сигналам. ОРС UA может быть внедрен в различные
коммуникационные протоколы, а данные могут быть закодированы
способами, оптимальными по соотношению эффективности и переносимости на другие платформы. Архитектура, ориентированная на сервисы рис.56.[33]
71
Основным отличием ОРС UA от OPC является отказ от технологии
СОМ и DCOM фирмы Microsoft и переход к архитектуре SOA (Service
Oriented Architecture - "Архитектура, ориентированная на сервисы")[
https://en.wikipedia.org/wiki/Service-oriented_architecture] с целью обмена информацией и обеспечения совместимости c множеством различных аппаратно-программных платформ. Под сервисом в ОРС UA
понимается некоторая функциональность, заключенная в программном компоненте, которая может быть транспортирована от сервера к
клиенту или обратно и вызвана удаленно. Вызов сервиса аналогичен
вызову метода в языках объектно-ориентированного программирования. Интерфейс между клиентом OPC UA и сервером определяется как
набор сервисов. Основным принципом SOA является независимость от
программной технологии, от вычислительной платформы, от языков
программирования, от конкретных приложений, а также организация
сервисов как слабосвязанных компонентов для построения систем.
Сервисы включают в себя средства для обеспечения информационной
безопасности.
Благодаря построению сервера OPC UA на основе сервисов появилась возможность изменять размер сервера для его использования на
платформах с разными вычислительными ресурсами: для встроенных
приложений может быть использован сокращенный набор сервисов,
для корпоративных сетевых серверов - полный набор.
Сервисы ОРС UA делятся на логические группы:
- сервисы безопасных каналов;
- сервисы сессий взаимодействия приложений по инициативе пользователя;
- сервисы для управления узлами. Позволяют клиентам добавлять, модифицировать или удалять узлы в адресном пространстве;
- сервисы видимости узлов, позволяющие задавать индивидуальные
наборы видимых узлов для разных клиентов;
- сервисы атрибутов позволяют модифицировать атрибуты узлов;
- сервисы методов, которые вызывают функции, исполняемые элементами системы;
- сервисы для мониторинга узлов в режиме подписки. Эти сервисы периодически контролируют переменные, атрибуты и события, а также
генерируют уведомления при наступлении заданных условий;
- сервисы для осуществления подписки и публикации уведомлений.
72
Стандарт OPC UA не предназначен для замены существующих
OPC спецификаций, а дополняет и расширяет их возможности.
Для обеспечения информационной безопасности в OPC UA используются стандартные Web сервисы безопасности, такие как WSSecurity, WS-Trust или WS-SecureConversation. Диапазон возможностей средств безопасности простирается от простой аутентификации с
помощью пароля и обмена цифровыми подписями до полного шифрования передаваемых сообщений.
ОРС сообщения в стандарте UA передаются с помощью сообщений
SOAP в виде XML текста. Поскольку кодирование и декодирование
текстового формата занимает довольно много времени, стандарт
предусматривает альтернативный способ представления информации
в виде бинарного файла.
Основными достоинствами OPC UA являются:
- реализация на языке программирования ANSI C для обеспечения переносимости на другие платформы, включая встраиваемые системы;
- ориентация на сервисы вместо ориентации на объекты, что позволяет
использовать OPC UA на любых компьютерах, встраиваемых системах, в коммуникаторах, которые используют веб-сервисы;
- позволяет осуществить масштабирование OPC UA, т.е. изменение
объема программы в зависимости от вычислительных ресурсов процессора и требуемой функциональности. Может быть выполнена также
компиляция в виде однопоточного или многопоточного приложения;
- поддержка надежного и современного транспортного механизма
SOAP на базе XML c применением HTTP протокола;
- обеспечение информационной безопасности;
- конфигурируемый таймаут для каждого сервиса;
- использование открытых стандартов World Wide Web Consortium
(W3C) вместо закрытого стандарта СОМ/DCO.
Рис. 56. ОРС UA клиент и сервер могут быть скомбинированы в одном приложении для
взаимодействия с другими ОРС UA клиентами и серверами [33]
73
1.6. Коммуникационные контроллеры
Коммуникационные контроллеры позволяют решить задачу подключения периферийного оборудования или компьютера к глобальным и локальным сетям. В основе коммуникационных контроллеров
лежат коммуникационные каналы, которые настраиваются для работы
на один из протоколов канального уровня, RISC-процессор, который
управляет работой коммуникационных каналов, и физический интерфейс, который обеспечивает доступ к внешним приборам.
Таким образом, коммуникационный контроллер реализует в полном объеме функции канального уровня управления и частично функции физического и сетевого уровней. На сетевом уровне в основном
реализуется только одна функция - управление маршрутизацией пакетов по логическим каналам между машинами, но без оптимизации
нагрузок по маршрутам. На физическом уровне контроллер выполняет
подготовку данных к обмену и их кодирование, а адаптацию данных к
конкретному кабелю и к конкретным электрическим сигналам выполняет внешний трансивер. Поскольку функции, которые связаны с непосредственным каналом связи, реализуются внешней микросхемой
трансивера это позволяет обеспечить более гибкое и универсальное использование коммуникационных контроллеров.
Применяются для построения распределенных систем управления
и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий. Позволяют решать такие задачи как:
- объединение устройств с различными интерфейсами и протоколами
связи в единую сеть;
- сбор и обработка данных о состоянии распределенных объектов;
- создание систем мониторинга и диспетчеризации технологических
процессов, инженерных систем зданий;
- предоставление консольного доступа к удаленному оборудованию;
- ведение архива непосредственно на объекте.
Открытая архитектура контроллеров позволяет легко интегрировать их в распространенные SCADA системы.
74
Преобразователи интерфейсов или конвертеры
Преобразователи интерфейса используются при создании систем
диспетчеризации, автоматизированных систем коммерческого учета
потребленных ресурсов. Преобразователи интерфейсов обычно работают в трех режимах. [10]
Первый режим - работа в режиме передачи данных по протоколам
ETHERNET/ RS-232/RS-485. Второй режим - работа в режиме «запросответ», который может различаться:
- прием запроса по сети ETHERNET и передача в указанный последовательный интерфейс;
- получение ответа по последовательному интерфейсу и передача в
сеть ETHERNET устройству, отправившему запрос.
Третий режим - работа «без запроса» в двух вариантах:
- прием данных от устройства на последовательном интерфейсе и передача данных в сеть ETHERNET указанному устройству на указанный
порт;
- прием данных по сети ETHERNET и передача их в указанный последовательный интерфейс.
При разработке распределенных систем традиционно выделяют
две задачи. Первая задача - эта передача данных с устройства, имеющего порт RS-232, USB на другие компьютеры, как показано на рис.
57. Конвертер обеспечивает связь локального компьютера и счетчика
тепловой энергии, через модем с удаленным компьютером.
Вторая
задача
производить
опрос
устройств
с
последовательными интерфейсами несколькими компьтерами в сети
Ethernet, как показано на рис. 58.
Рис. 57. Первая схема применения конвертера
75
Рис. 58. Вторая схема применения конвертера
Конфигураторы виртуальных портов конвертеров позволяют
определять и идентифицировать порты конвертера как виртуальные
порты компьютера, производить автоматический поиск конвертеров и
устанавливать сетевые настройки. На рис. 59,60 показана структурная
схема конвертера на базе микропроцессора ARM-9. Конвертер
обладает четырьмя портами Р1-Р4 для связи с устройствами через
интерфейсы RS-232, RS-485 и выделенный порт Ethernet. Все порты
имеют стандартные физические разъемы подключения.
Рис. 59. Структурная схема многоканального конвертера
Контроллеры коммуникационные ARIS-48xx предназначены
для измерений текущего времени, а также сбора, обработки и передачи
информации с использованием стандартных и специализированных
76
протоколов производителей оборудования, трансляции команд
телеуправления.[34]
Принцип действия контроллеров основан на обмене данными в
стандартизованных и нестандартизованных цифровых протоколах
связи с устройствами нижнего уровня, верификации, обработке,
преобразовании и обмене данными с системами верхнего уровня в
стандартизованных цифровых протоколах.
ARIS-48xx применяются в качестве коммуникационных
контроллеров для построения автоматизированных систем управления
технологическим процессом подстанций АСУ ТП, систем сбора и
передачи информации/телемеханики, систем обмена технологической
информации с автоматизированной системой системного оператора на
электрических подстанциях (ПС), распределительных пунктах (РП),
трансформаторных подстанциях (ТП), электростанциях, атомных
станциях и других объектах энергетики.
Так же ARIS-48xx используются в качестве контроллера,
управляющего сетью среднего и низкого напряжения, реализуя
алгоритмы системы автоматического восстановления сети, контроль
топологии сети, вычисление оптимального режима работы, функцию
помощи диспетчеру в принятии решения.
Рис. 60. Структурная схема коммуникационного контроллера
с пятью портами фирмы ICP DAS I-7524 CR [https://insat.ru/]
Модем GSM
Промышленные
GSM/3G/4G-модемы
с
различными
интерфейсами подключения: RS-232, RS-485, RS-422 и USB,
77
обеспечивают беспроводную передачу данных через сотовые сети по
каналам CSD и/или GPRS.
По используемым интерфейсам для подключения GSM модемы
можно разделить:
- USB-модемы (USB modem). Это модемы, которые имеют
интерфейс USB. В большинстве случаев питание модемов
осуществляется через этот интерфейс, однако некоторые модели
имеют дополнительную возможность питания от отдельного разъема.
Эти беспроводные модемы предназначены как для применения в
системах M2M (machine to machine) для обеспечения беспроводной
связи между элементами различного рода оборудования или систем, с
использованием технологий EDGE и GPRS, так и для организации
мобильного доступа в Интернет, с использованием технологий GPRS,
EDGE и 3.5G.
- RS-232-терминалы. У этого класса оборудования для передачи
данных имеется интерфейс RS-232 и вход питания. Данные модемы
используются в системах M2M для обеспечения беспроводной связи
между элементами различного рода оборудования или систем. Для
организации мобильного доступа в Интернет такие модемы не
используются.
- PCMCIA-модемы. Эти модемы предназначены для организации
мобильного доступа в Интернет, используются для подключения к
компьютеру или ноутбуку, имеющему PCMCIA слот (PCMCIA Type II
PC Card). Все PCMCIA-модемы используют технологию EDGE.
- Express Card-модемы. Данные модемы предназначены для
организации мобильного доступа в Интернет, используются с любыми
современными ноутбуками, имеющими слот ExpressCard 34mm или
ExpressCard 54mm. Все Exspress Card-модемы используют технологию
EDGE.[ 35]
На рисунке 61 показан комплект модема i-35 фирмы Simens. В
комплект входит модем, антена, блок питания, кабель связи с com
портом компьютера. Sim карта приобретается пользователем, как для
обычного сотового телефона.
78
Рис. 61. GSM модем фирмы Simens i-35[36]
Повторители сигналов
Предназначены для взаимного преобразования сигналов и их
усиления. Повторители (репитеры) сигналов позволяют увеличить
длину проводной сети, увеличить количество подключаемых к
интерфейсу приборов, автоматически определять направление
передачи кода, обеспечивать согласование волнового сопротивления
линии
с
сопротивлением
нагрузки
и
обеспечивать
помехозащищенность с помощью встроенной оптической развязки.
На рис. 62 показана схема применения повторителя АС5 фирмы
ОВЕН. К микроконтроллеру «мастер» по интерфейсу RS-485, по витой
паре подключены 32 прибора. Затем устанавливается повторитель
АС5, который обеспечивает подключение к «мастеру» еще 32 прибора.
Существуют приборы преобразователи интерфейсов «токовая
петля»\RS-232, «токовая петля»\ RS-485, RS-232\RS-485, USB-2\RS485.
Рис. 62. Схема применения повторителя АС5 в интерфейсе RS-485
79
1.7. Технологическая схема автоматики
Схема автоматизации является основным техническим
документом, определяющим структуру и функции контуров контроля
и управления автоматизируемого объекта или объекта автоматики,
оснащение системы автоматики техническими средствами: приборами
и средствами автоматизации, щитами, пультами, вычислительной
техникой.[37]
На рис. 63 представлен пример неформального представления
технологической схемы системы приточно вытяжной вентиляции. На
схеме показано расположение датчиков и исполнительных усстройств
на воздуховодах в виде рисунка. По схеме можно составить алгоритм
работы системы. Стандартизованные схемы автоматизации
разрабатывают на всех стадиях проектирования системы автоматики.
Унификация правил разработки определяется ГОСТ 21.408-93
(Система проектной документации для строительства. Дата введения
1994-12-01.
Правила
выполнения
рабочей
документации
автоматизации технологических процессов). Схемы используются для
обоснования основных проектных решений при экспертизе и
утверждении проекта, для подготовки и производства работ по
монтажу и наладке систем автоматизации, обучении операторовтехнологов работе на автоматизированной установке. [ 37]
Рис. 63. Технологическая схема приточно-вытяжной вентиляции[www.oven.ru]
80
Схемы автоматизации разрабатываются после изучения
технологии производства (или технологии инженерной системы),
особенностей его функционирования, действий производственного
персонала по пуску, остановке техпроцесса, поддержанию требуемого
режима и работе в аварийных ситуациях, правил безопасной
эксплуатации и охраны труда конкретного производства
(оборудования), задания на автоматизацию объекта, опыта
эксплуатации систем автоматики на аналогичных действующих
объектах.
Схемы автоматизации выполняют двумя способами:
1) Развернутый способ изображения рис.64, при котором на
схеме показывают состав и место расположения технических
средств автоматизации каждого контура контроля и
управления;
2) Упрощенный способ изображения рис.65, при котором на
схеме показывают основные функции контуров контроля и
управления (без выделения входящих в них отдельных
технических средств автоматизации и указания места
расположения).
Рис. 64. Пример развернутой схемы автоматизаци [38]
81
Рис. 63. Пример упрощенной схемы автоматизации [39]
Принципиальная электрическая схема системы
После формализации алгоритма управления и определения
технологической схемы можно приступать к проектированию
принципиальной электрической схемы системы автоматики, которая
позволяет провести монтаж шкафа автоматики для установки его на
объект. Параллельно с монтажем шкафа ( иногда говорят - щита)
автоматики, разрабатывается программа управления системой для
ПЛК. На рис.66 показан пример принципиальной электрической схемы
шкафа управления трехфазным асинхронным электродвигателем.
Особенностью принципиальной электрической схемы является
применение выбранных промышленных компонентов, которые
указываются в спецификации к схеме и однозначное соединение этих
компонентов.
82
Рис. 66. Пример принципиальной электрической схемы шкафа управления
электродвигателем [40
83
Глава 2. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
В задачах управления всегда участвуют два объекта – это объект
управления и управляющий объект. Управляющий объект называют
регулятором. Задача регулятора – реализовать программу управления
объектом с целью достижения целевой функции. Закон регулирования
– это зависимость управляющего воздействия от сигнала ошибки на
входе автоматического регулятора. В современных системах автоматики регуляторы обычно реализуются программно на основе программируемых логических контроллеров. Программа управления объектом
фактически является планом формирования задающего воздействия на
систему. План формирования задающего воздействия может быть временным или параметрическим. Если задающее воздействие временное,
то оно может быть линейным или нелинейным.
Линейным законом управления называется такой, в котором значение управляющего воздействия является линейной функцией переменных состояния объекта и операторов дифференцирования, интегрирования переменных состояния.
Важным отличием нелинейных законов от линейных является то,
что они придают системе управления принципиально новые свойства.
Если при линейном законе всегда используется сигнал, пропорциональный входной переменной или ее производной и т. д., то при нелинейном законе может существенно изменяться сам характер действия
системы управления на объект в зависимости от величины входного
воздействия.
Другими словами, если для линейных систем изменение размера
отклонения ‑ это изменение только масштаба, но не формы процессов,
то в нелинейной системе при этом может существенно изменяться и
форма процессов, вплоть до принципиальных качественных изменений картины процессов. Эти особые свойства нелинейных законов используются в системах автоматического управления [41]
Нелинейные законы регулирования
Классификация нелинейных законов регулирования обычно
предлагается следующая:
- функциональные законы регулирования;
84
- логические законы регулирования;
- параметрические законы регулирования;
- оптимизирующие законы регулирования.
Функциональные законы определяются математической зависимостью параметра регулирования от состояния объекта и текущего задания.
Логические законы основываются на предикатных структурах
типа – «условие» и «действие». Например, как показано на рис.67.
Рис. 67 Пример логического закона управления
Параметрические законы управления задают параметры объекта
управления, которые необходимо регулятору поддерживать. Например, температуру, высоту, вес и т.д.
Оптимизирующие законы определяются экстремальными параметрами объекта управления. Например, поддержание максимальной
скорости, при минимальном потреблении энергии.
Линейные законы регулирования
Линейным законом управления называется такой, в котором значение управляющего воздействия является линейной функцией переменных состояния объекта и операторов дифференцирования, интегрирования переменных состояния.
К линейным законам регулирования относят:
- двухпозиционный закон или релейный закон (Р);
- пропорциональный закон (П);
- интегральный закон (И);
- дифференциальный закон (Д);
- пропорционально-интегральный-дифференциальный закон
(ПИД).
85
Выбор закона регулирования определяет качество регулирования
в системе автоматики, которое характеризуется следующими параметрами:
- скоростью регулирования (определяется интервалом времени
уменьшения ошибки регулирования до заданной величины);
- точностью регулирования, как установившейся ошибки и как
величины перерегулирования;
- запасом устойчивости и отсутствие колебаний, в том числе затухающих;
- установившемся режимом - режимом, при котором разница
между истинным значением регулируемой величины и ее заданным
значением будет постоянным во времени.
2.1. Двухпозиционный регулятор
В режиме двухпозиционного регулятора логическое устройство
сравнивает значение входной величины с величиной задания и выдает
управляющий сигнал на входное устройство в соответствии с заданной
логикой. Выходной сигнал двухпозиционного регулятора имеет только
два значения: включено «ВКЛ.» и выключено «ВЫКЛ.». Тип логики,
задание (Туст), гистерезис – задаются пользователем при программировании. Обычно выделяют четыре типа двухпозиционного регулятора. Все они показаны на рис.68.
Рис. 68 Четыре типа двухпозиционного закона управления [www.owen.ru]
86
Тип логики 1 - применяется для управления работой нагревателя
или сигнализации. Название - прямой гистерезис. При Т < Tуст. -^
устройство включается, при Т > Tуст. -^ - выключается. Тип логики 2
– применяется для управления холодильником, вентилятором. Название - обратный гистерезис. Представляет инверсию логики 1. Тип логики 3 – применяется для сигнализации о выходе контролируемого параметра за заданные границы задания. Название логики 3 – П – образная. При Туст. -^ <T < Туст. +^ . Тип логики 4 – применяется для сигнализации о выходе контролируемого параметра за заданные границы
задания. Название логики 4 – U – образная.
Точность поддержания заданных параметров при двухпозиционном регулировании сравнительно высокая. Если же точность регулирования достаточно высокая, то, казалось бы, двухпозиционные регуляторы можно применять на всех объектах. Однако применимость
двухпозиционного регулирования в большинстве случаев определяется не достигаемой точностью регулирования, а допустимой частотой
переключений. Частые переключения приводят к быстрому износу деталей (очень часто контактов) регулятора, а, следовательно, к уменьшению надежности его работы.
Двухпозиционный регулятор можно применять в том случае, когда степень самовыравнивания объекта регулирования близка к единице и чувствительность объекта к возмущениям не превышает 0,0005
1/с, если нет других причин, заставляющих отказаться от этого регулятора.
Несмотря на выше изложенные недостатки, использование двухпозиционного регулятора оказывается наиболее простым и дешевым,
надежным в эксплуатации и не требующим квалифицированного
ухода. Кроме того, такие регуляторы обеспечивают устойчивое качество регулирования.
2.2. Пропорциональный закон регулирования
Чаще всего такой функциональной зависимостью является простая
пропорциональная зависимость, при которой регулируемая величина y(t), как показано на рис.69, должна воспроизводить обычно на
более высоком уровне мощности изменения заданной величины x(t) или рассогласования дельта x(t). Выражение пропорцио87
нальной зависимости между величинами h(t) и дельта x(t) имеет следующий вид h(t) = k дельта x(t), где k - коэффициент усиления регулятора.
Рис.69 Общая схема контура системы автоматики
Достоинство пропорционального закона регулирования – отсутствие инерционности. Реакция П - регулятора на изменение входной
переменной формируется без задержки. Поэтому П - регулятор обеспечивает хорошее быстродействие и относительно невысокий уровень
максимальной динамической ошибки. Но П - регуляторам свойственно
наличие ошибки регулирования в статическом или установившемся состоянии. Процесс регулирования с П-регулятором показан на рис.70
Рис. 70 Пример графика П-регулирования [42]
Как видно из рис.71, нормальное функционирование данного регулятора возможно только в случае, когда дельта x(t)> 0. Таким образом,
88
автоматическая система с П-регулятором имеет постоянную (статическую) ошибку, которую называют статизмом регулятора, а система автоматического регулирования называется статической системой.
Рис.71 Ошибка регулирования П -регулятора
Преимущество П-регулятора - его быстродействие (небольшое
время регулирования tp рис.70) и высокая устойчивость процесса регулирования.
Недостаток - наличие статической ошибки δ Х рис.70 ,т.е. после
окончания процесса регулирования(за время регулирования tp ) параметр не возвращается точно к заданному значению, а отличается от заданного на δ Х,что снижает точность регулирования. С увеличением
коэффициента усиления Кр, величина δ Х уменьшается, но система
может потерять устойчивость. При Кр = Кр в системе возникают не
затухающие колебания с постоянной амплитудой, а при ещё большем
Кр, с возрастающей амплитудой, как показано красным графиком на
рис. рис.70.
2.3. Интегральный закон регулирования
Регулятор вырабатывает сигнал (MV(t)), пропорциональный интегралу от ошибки регулирования (Е (t)), согласно формуле:
где MV (0) – начальное значение регулируемого параметра,
Kr – коэффициент пропорциональности,
Ti - постоянная времени интегрирования,
ET – ошибка регулирования.
89
На рис. 72 показана обобщенная схема системы автоматики с интегральным регулятором,
Рис. 72 Схема системы автоматики с интегральным регулятором
Достоинством И - регулятора является отсутствие ошибки
регулирования в установившемся режиме. Это связано с тем что
регулирующее воздействие MV(t) перестанет изменятся, когда сигнал
рассогласования становится равным нулю Et=0.
Недостатком системы с И - регулятором является низкое
быстродействие. Процесс регулирования характеризуется большой
продолжительностью и большим значением максимального
динамического
отклонения.
Обычно
интегральное
звено
регулирования самостоятельно не используется. Обычно используется
ПИ регулятор.
Основной недостаток И-регулятора заключается в том, что он
может обеспечить устойчивую работу только на объектах с самовыравниванием. При установке И-регулятора на объекте без самовырав нивания переходный процесс будет иметь вид незатухающих периодических колебаний, как и в случае охвата интегрирующего звена отрицательной обратной связью с интегрирующим звеном. На объектах
с самовыравниванием И-регуляторы обеспечивают устойчивую
работу, однако системы с И-регулятором всегда более склонны к
колебательным переходным процессам.
И-регулятор не имеет статической ошибки регулирования, поскольку выход регулятора будет расти при любом малом значении
рассогласования. Таким образом, в отличие от системы с П-регулято ром системы с И-регулятором не имеют статической ошибки, но динамическая ошибка в этих системах большая. Это объясняется тем, что
в начальный момент И-регулятор еще не успевает из-за своих
инерционных свойств выработать значительный выходной сигнал.
90
2.4. Пропорционально-интегральный закон регулирования
Пропорционально-интегральный
ПИ-регулятор
можно
рассматривать как два регулятора пропорциональный и интегральный,
соединенные параллельно, как показано на рис.73. и формулой на
рис.74.
Рис.73 Схема системы с пропорционально-интегральным регулятором
Рис.74 Формула ПИ-регулятора
Применение ПИ закона регулирования позволяет сочетать в одном
устройстве положительные свойства пропорционального и
интегрального регуляторов. Пропорциональная составляющая
обеспечивает быстродействие системы, а интегральная составляющая
обеспечивает отсутствие статической ошибки как заключительной
стадии процесса регулирования.
Однако при этом необходимо решать задачу рационального
соотношения пропорциональной и интегральной составляющих.
Недостатком ПИ регулирования является медленная реакция на
возмущающие воздействия.
Для настройки ПИ регулятора рекомендуется сначала установить
постоянную времени интегрирования равный нулю, а коэффициент
пропорциональности - максимальным. Затем как при настройке
пропорционального
регулятора,
уменьшением
коэффициента
пропорциональности нужно добиться появления в системе
незатухающих колебаний. Близкое к оптимальному значение
91
коэффициента пропорциональности будет в два раза больше того, при
котором возникли колебания, а близкое к оптимальному значение
постоянной времени интегрирования - на 20% меньше периода
колебаний.
2.5. Пропорционально интегральный дифференциальный
закон регулирования
Для реализации ПИД – закона регулирования используются три
основные переменные: P - коэффициент пропорциональности, (%); I время интегрирования, (с); D - время дифференцирования, (с). Общая
схема системы с использованием ПИД регулятора показана на рис.75.
Рис.75 Схема системы с ПИД регулятором и формула ПИД регулятора
Три составляющих регулятора по разному воздействуют на процесс
регулирования. Пропорциональная составляющая ПИД регулятора
при увеличение коэффициента усиления приводит к увеличению
размаха незатухающих колебаний выходного сигнала в системе, как
показано на рис.76. Синий график отражает поведение системы с
большим коэффициентом усиления.
В зоне пропорциональности, определяемой коэффициентом Р, сигнал
управления будет изменяться пропорционально разнице между
уставкой ST и действительным значением параметра (Е рассогласованию), как показано на рис.77.
92
Рис. 76 Пример влияния пропорциональной составляющей ПИД регулятора
Рис. 77 Зона пропорциональности ST, определяемая коэффициентом усиления P
Например, диапазон измерения температуры 0…1000°С уставка
регулирования ST = 500 °С; зона пропорциональности P = 5%, что
составляет
50
°С
(5%
от
1000
°С);
При значении температуры 475 °С и ниже управляющий сигнал
будет иметь величину 100%; при 525 °С и выше – 0%. В диапазоне
475…525 °С (в зоне пропорциональности) управляющий сигнал будет
изменяться
пропорционально
величине
рассогласования
с
коэффициентом усиления К = 100/Р = 20.
Уменьшение значения зоны пропорциональности Р увеличивает
реакцию регулятора на рассогласование, т. е. малому рассогласованию
будет соответствовать большее значение управляющего сигнала. Но
при этом, из-за большого усиления, процесс принимает колебательный
93
характер около значения уставки ST, и точного регулирования
добиться не удастся.
При излишнем увеличении зоны пропорциональности регулятор
будет
слишком
медленно
реагировать
на
образующееся
рассогласование и не сможет успевать отслеживать динамику
процесса. Для того, чтобы компенсировать эти недостатки
пропорционального регулирования, вводится дополнительная
временная характеристика - интегральная составляющая.
Интегральная составляющая ПИД регулятора влияет на поведение
выходного сигнала при изменении коэффициента интегрирования, а
именно на на накопление ошибки рис.78. Вариант 1 (красный)
коэффициент интегрирования Ki = 0. Вариант 2 (зеленый) – Ki = 0.2.
Вариант 3 (синий) – Ki = - 0.3.
Рис.78 Пример влияния интегральной составляющей ПИД регулятора
Интегральная составляющая определяется постоянной времени
интегрирования, является функцией времени и обеспечивает
изменение коэффициента усиления (сдвиг зоны пропорциональности)
на заданном промежутке времени рис.79. Как видно из рисунка, если
пропорциональная составляющая закона регулирования не
обеспечивает уменьшение рассогласования, то интегральная
составляющая начинает на периоде времени I плавно увеличивать
коэффициент усиления. Через период времени I процесс этот
повторяется.
Многие объекты регулирования достаточно инерционны, т. е.
имеют задержку реакции на приложенное воздействие (мертвое время)
94
и продолжают реагировать после снятия управляющего воздействия
(время задержки).
Рис. 79 Пример влияния интегральной составляющей в ПИД регуляторе
Дифференциальная составляющая ПИД регулятора - есть
производная во времени от рассогласования, т. е. является функцией
скорости изменения параметра регулирования. В случае, когда
рассогласование становится постоянной величиной дифференциальная
составляющая перестает оказывать воздействие на сигнал управления.
Другими словами, дифференциальная составляющая ПИД
регулятора
пропорциональна
темпу
изменений
сигнала
рассогласования. Она придает некоторое ускорение уменьшению
ошибки регулирования, как показано на рис.80. Вариант 1 (красный)
значение коэффициента дифференцирования – Kd = 0. Вариант 2
(зеленый) – Kd = 0.2. Вариант 3 (синий) – Kd = - 0.2. С введением
дифференциальной составляющей регулятор начинает учитывать
мертвое время и время задержки заранее изменяя сигнал управления.
Это позволяет значительно уменьшить колебания процесса около
значения уставки и добиться более быстрого завершения переходного
процесса, как показано на рис.82.
Рис.80 Пример влияния дифференциальной составляющей в ПИД регуляторе
95
Рис.81 Пример влияния дифференциальной составляющей в ПИД регуляторе
ПИД-закон является наиболее совершенным из алгоритмов
регулирования с точки зрения достижимого качества регулирования.
Повышается быстродействие регулирования. Однако применение
дифференциальной составляющей повышает чувствительность
регулятора к пульсациям входного сигнала.
З
о
н
а
н
е
ч
у
с
т
в
и
т
е
л
ь
н
о
с
т
и
Рис.82 Зона нечувствительности в ПИД регуляторе формула и график
96
Если существуют технологические ограничения, не позволяющие,
например, выключить нагрев или, наоборот включать нагрев на
полную мощность, то для выходного управляющего сигнала Yвых
задаются ограничения в виде максимального или минимального
значений, как показано на рис.81.
Рис.83 Ограничения управляющего сигнала
Таким образом, при использовании ПИД регулятора, увеличение
пропорционального коэффициента увеличивает быстродействие и
снижает запас устойчивости, уменьшение интегральной составляющей
- ошибку регулирования уменьшает быстрее, уменьшение постоянной
интегрирования - уменьшает запас устойчивости, увеличение
дифференциальной составляющей повышает запас устойчивости и
быстродействие.
Пример настройки ПИД регулятора
Для систем управления электродвигателем настройка ПИД
регулятора может быть рекомендована по следующему алгоритму:
Шаг 1. Установите интегральную и дифференциальную
составляющие в ноль. Задавайте максимум скорости и наблюдайте за
реакцией системы.
Шаг 2.
Увеличьте пропорциональную составляющую и
повторите шаг 1. Продолжайте до тех пор, пока не начнется
автоколебательный процесс в районе точки задания скорости.
Шаг 3. Уменьшайте пропорциональную составляющую, пока
система не станет стабильной. Колебания станут затухающими.
97
Шаг 4. Установите пропорциональную составляющую
примерно на 15% ниже этого устойчивого пункта.
Шаг 5. Задавайте ступенчато максимальную скорость;
увеличивайте интегральную составляющую до тех пор, пока не
начнутся затухающие колебания скорости перед стабилизацией.
Уменьшайте интегральную составляющую до тех пор, пока система не
достигнет заданной скорости без колебаний или ошибки.
Шаг 6. В большинстве систем, настройка дифференциальной
составляющей не требуется. Если от системы требуется большее
быстродействие, то этого возможно достичь, настраивая
дифференциальную составляющую. Задавайте ступенчато скорость;
увеличивайте дифференциальную составляющую, пока система
остается стабильной с минимальным временем отработки
(увеличивайте медленно, чтобы избежать нестабильного состояния).
Система будет оптимальной при наличии одного перерегулирования.
Шаг 7. Проверьте систему на стабильность, задавая ступенчато
различные значения скорости, чтобы гарантировать, что при
наихудшей отработке задания система является стабильной.[43]
2.6. Выбор регулятора
В первую очередь, согласно рис.84, необходимо оценить, важно ли
получить в результате переходного процесса статическую ошибку,
равную нулю. То есть, если даем задание регулятору, к примеру, 25
градусов, а регулятор выходит на 25,5 и нас устраивает – переходим
по стрелке рис.84 вправо и выбираем П-закон регулирования. Тут
присутствует одна тонкость. Для объекта без самовыравнивания по
каналу задание-выход статическая ошибка равна нулю даже при
использовании П регулятора.
Если важно получить нулевую статическую ошибку, переходим по
стрелке вниз. Далее необходимо оценить влияние возмущений на
объект управления. В случае, если влияние внешних возмущений
велико, то «оптимальным» выбором будет ПИ-закон регулирования, то
есть пропорционально интегральный закон регулирования способен
справиться с внешними возмущениями, благодаря присутствию
интегральной составляющей и, к тому же, получить нулевую
статическую ошибку.
98
Рис.84 Алгоритм выбора закона регулирования
Если влияние внешних возмущений несущественное – переходим
по стрелке вправо рис.84 и оцениваем ещё один параметр. Необходимо
оценить насколько важно время переходного процесса? Если время
переходного процесса не существенно, а объект боится динамических
выбегов (характерным примером являются печи, в которых
производится длительная выдержка заготовок при определенной
температуре), то, опять же таки, стоит вернуться к ПИ-закону.
В случае, если необходимо обеспечить минимальное время
переходного процесса и выполняются все предыдущие условия - стоит
выбрать ПИД алгоритм. ПИД закон регулирования хорошо работает с
объектами, в которых присутствует транспортное запаздывание.
99
Глава 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ
Обмен информацией между устройствами, входящими в состав
автоматизированной системы или астоматической системы,
происходит
в
общем
случае
через промышленную
сеть.
Промышленные сети отличаются от офисных или бытовых
следующими свойствами:
- специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим
защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;
- широким рабочим температурным диапазоном (обычно от -40 до +70
град);
- повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов
крепления;
- повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных
помех;
- возможностью резервирования для повышения надежности;
- повышенной надежностью передачи данных;
- возможностью самовосстановления после сбоя;
- детерминированностью времени доставки сообщений;
- возможностью работы в реальном масштабе времени (с малой,
постоянной и известной величиной задержки).
В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных
сетей(Modbus,Profibus,DeviceNet, CANopen, LonWorks, ControlNet, SD
S, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP, Fo
undation
Fieldbus, Interbus, BitBus и
др.).
Однако
широко
распространенными является только часть из них. В России
подавляющее
большинство
АСУ
ТП
используют
сети Modbus и Profibus. В последние годы возрос интерес к сетям на
основе CANopen и DeviceNet.
3.1. Общие сведения о промышленных сетях
Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией
между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.
100
Поскольку в промышленной автоматизации сетевые интерфейсы
могут быть неотъемлемой частью соединяемых устройств, а сетевое
программное обеспечение прикладного уровня модели открытых систем (OSI) исполняется на основном процессоре промышленного контроллера, то отделить сетевую часть от устройств, объединяемых в
сеть, иногда физически невозможно. Смену одной сети на другую
можно выполнить с помощью замены сетевого программного обеспечения и сетевого адаптера или введением преобразователя интерфейса,
поэтому часто один и тот же тип ПЛК может использоваться в сетях
различных типов.
Соединение промышленной сети с ее компонентами выполняется
с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую
и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе
оборудования.
Наиболее важными параметрами интерфейса являются пропускная способность и максимальная длина подключаемого кабеля. Промышленные интерфейсы обычно обеспечивают гальваническую( оптическую) развязку между соединяемыми устройствами. Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART.
Для обмена информацией взаимодействующие устройства
должны иметь одинаковый протокол обмена. Протокол - это набор
правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет
синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован
аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети
обычно совпадает с названием протокола.
Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек
протоколов - набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь
101
уровней модели открытых систем. Для большинства сетей стек протоколов реализован с помощью специализированных сетевых микросхем
или встроен в универсальный микропроцессор.
Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в
соответствии с моделями «клиент-сервер» или «издатель-подписчик»
(производитель-потребитель) [44]. В модели «клиент-сервер» взаимодействуют два объекта. Сервером является объект, который предоставляет сервис, т. е. который выполняет некоторые действия по запросу
клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Каждый клиент может посылать запросы нескольким серверам,
а каждый сервер может отвечать на запросы нескольких клиентов.
Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, как, например, значения
температуры в периодическом технологическом процессе. Однако эта
модель неудобна для передачи случайно возникающий событий,
например, события, состоящего в случайном срабатывании датчика
уровня, поскольку для получения этого события клиент должен периодически, с высокой частотой, запрашивать состояние датчика и анализировать его, перегружая сеть бесполезным трафиком.
В модели взаимодействия «издатель-подписчик» имеется один
издатель и множество подписчиков. Подписчики сообщают издателю
список тегов, значения которых они хотят получать по определенному
расписанию или по мере появления новых данных. Каждый клиент может подписаться на свой набор тегов. В соответствии с установленным
расписанием издатель рассылает подписчикам запрошенную информацию.
В любой модели взаимодействия можно выделить устройство,
которое управляет другим (подчиненным) устройством. Устройство,
проявившее инициативу в обмене, называют ведущим, главным или
мастером (Master). Устройство, которое отвечает на запросы мастера,
называют ведомым, подчиненным или слейвом (Slave). Ведомое
устройство никогда не начинает коммуникацию первым. Оно ждет запроса от ведущего и только отвечает на запросы. Например, в модели
клиент-сервер клиент является мастером, сервер - подчиненным. В модели издатель-подписчик на этапе подписки мастером является клиент,
а на этапе рассылки публикаций - сервер.
102
В сети может быть одно или несколько ведущих устройств. Такие
сети называется, соответственно, одномастерными или многомастерными. В многомастерной сети возникает проблема разрешения конфликтов между устройствами, пытающимися одновременно получить
доступ к среде передачи информации. Конфликты могут быть разрешены методом передачи маркера, как, например, в сети Profibus, методом побитного сравнения идентификатора (используется в CAN), методом прослушивания сети (используется в Ethernet) и методом
предотвращения коллизий (используется в беспроводных сетях)
Во всех сетях применяется "широковещательная рассылка" без
определенного адреса, т.е. всем участникам сети. Такой режим используется обычно для синхронизации процессов в сети, например, для одновременного запуска процесса ввода данных всеми устройствами
ввода или для синхронизации часов. Некоторые сети используют
много абонентский режим, когда одно и то же сообщение посылается
нескольким устройствам одновременно.
Передача информации в сети выполняется через канал между передающим и приемным устройством. Канал является понятием теории
информации и включает в себя линию связи и приемопередающие
устройства. В общем случае вместо термина "линия связи" используют
термин "среда передачи", в качестве которой может выступать, например, оптоволокно, эфир или витая пара проводов.
В распределенных системах на основе промышленных сетей может быть пять типов данных: сигналы, команды, состояния, события,
запросы. [44]
Сигналы - это результаты измерений, получаемые от датчиков и
измерительных преобразователей. Их "время жизни" очень короткое,
поэтому часто требуется получить только последние данные и в максимально короткий срок.
Команды - это сообщения, которые вызывают некоторые действия, например, закрытие клапана или включение ПИД-регулятора.
Большинство систем должны обрабатывать потоки команд, которые
передаются адресату с высокой надежностью и их нельзя передать повторно. Состояние показывает текущее или будущее состояние системы, в которое она должна перейти. Требование к времени его доставки может быть не такие жестким, как для команд; непринятое состояние может быть послано повторно.
103
Событие наступает обычно при достижении текущим параметром граничного значения. Например, событием может быть выход температуры за технологически допустимую границу. За появлением события должны следовать ответные действия, поэтому для событий особенно важно требование гарантированного времени доставки. Запрос это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ. Примером
может быть запрос серверу, который выдает на него ответ.
Ниже при описании сетей будет использоваться понятие фрейма.
Под фреймом понимают набор данных, передаваемых по сети и имеющих строго оговоренную структуру. Термины "кадр", "дейтаграмма"
"сегмент", используемые в стандартах на различные промышленные
сети, ниже будут использованы как синонимы фрейма.
Сети могут иметь топологию звезды, кольца, шины или смешанную. "Звезда" в промышленной автоматизации используется редко.
Кольцо используется в основном для передачи маркера в много мастерных сетях. Шинная топология является общепринятой, что является
одной из причин применения термина "промышленная шина" вместо
"промышленная сеть". К общей шине в разных местах может быть подключено произвольное количество устройств.
Основными параметрами промышленных сетей являются производительность и надежность. Производительность сети характеризуется временем реакции и пропускной способностью [44].
Время реакции сети определяется как интервал времени между
запросом ведущего устройства и ответом ведомого при условии, что
ведомое устройство имеет пренебрежимо малую задержку выработки
ответа на запрос.
Пропускная способность сети определяет количество информации, переносимой сетью в единицу времени. Измеряется в бит/с и зависит от быстродействия сетевых приемопередатчиков и среды передачи.
Важной характеристикой промышленных сетей является надежность доставки данных. Надежность характеризуется коэффициентом
готовности, вероятностью доставки данных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью [44].
Коэффициент готовности равен отношению времени наработки
до отказа к сумме времени наработки до отказа и времени восстановления после отказа.
104
Вероятность доставки данных определяется помехоустойчивостью канала передачи и детерминированностью доступа к каналу. В
беспроводных сетях вероятность потери пакетов при передаче гораздо
выше, чем в проводных. В сетях со случайным методом доступа к каналу существует вероятность того, что данные никогда не будут доставлены абоненту.
Время доставки данных в офисных сетях Ethernet является случайной величиной, однако в промышленном Ethernet эта проблема решена применением коммутаторов. Безопасность - это способность сети
защитить передаваемые данные от несанкционированного доступа.
Отказоустойчивость - это способность сети продолжать функционирование при отказе некоторых элементов. При этом характеристики системы могут ухудшиться, но она не теряет работоспособности.
В последнее время появился термин "качество обслуживания"
(QoS - "Quality of Service"). QoS определяет вероятность того, что сеть
будет передавать заданный поток данных между двумя узлами в соответствии с потребностями приложения [44].
3.2. Интерфейсы RS-485 и RS-422
Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI
EIA/TIA*-485-А и EIA/TIA-422. [45] Интерфейс RS-485 является
наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus,
WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано
это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития
технологии. Основными его достоинствами являются:
- двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
- работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной
и той же линии, т. е. возможность организации сети;
- большая длина линии связи - 1.2 км без применения повторителей.
- высокая помехоустойчивость, достигаемая использованием
дифференциального способа передачи данных.
105
RS-485
В основе построения интерфейса RS-485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее
уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а
измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data- (рис.85). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В.
Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data+ и Data. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на
линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть
не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ
помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении
линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой
запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим
сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и
определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).
Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся
помехи, близкие по форме и величине рис.85.
Рис 85. Дифференциальный принцип передачи сигнала [10]
106
В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем
вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда
существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.
Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в
соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления
кабеля и количеством витков на единицу длины.
Второй особенностью передатчика D (D - "Driver") интерфейса RS485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable) (рис. 86). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие
третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен
между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего
по двум проводам. Если на рис.84 передачу выполняет устройство В, а
прием - устройство С, то выходы передатчиков А и С переводятся в
высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков А и С не шунтирует линию. [46]
Рис.86 Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485 по двухпроводной
схеме [46]
Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется
обычно сигналом RTS (Request To Send) СОМ-порта.
107
Интерфейс имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная RS-485 используется для полудуплексной передачи (рис.87), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) RS-422
передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 87).
Рис.87 Дуплексная система передачи данных в RS-422 и полудуплексная в RS-485
Недостатком четырехпроводной схемы является необходимость
жесткого указания, ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть, как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством
четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.
Если порты RS-485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя
выходных каскадов микросхем приемопередатчиков интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS-485 и
землей.
Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты. Стандартные характеристики RS-485 показаны на рис.88.
108
Рис.88 Характеристики RC-485 и RS-422
3.3. Интерфейс "токовая петля"
История применения интерфейса "токовая петля" достаточно длительна. Первоначально в нем использовался ток 60 мА; позже получил
распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. Затем начала широко применяться "токовая петля"
4...20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и
исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность "токовой петли" начала падать после появления стандарта на интерфейс
RS-485 и в настоящее время в новом оборудовании она практически не
применяется.
В передатчике "токовой петли" используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению,
ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров
нагрузки. Поэтому в "токовой петле" протекает ток, не зависящий от
сопротивления кабеля, сопротивления нагрузки и э. д. с. индуктивной
помехи (рис.89), а также от напряжения питания источника тока. Ток в
петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые
очень малы.
109
Рис.89 Принцип действия токовой петли [47]
Это свойство токовой петли является основным и определяет все
варианты ее применения. Емкостная наводка, э. д. с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в "токовой петле" и для ее подавления следует использовать экранирование. В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную
помеху.
На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления. При токе 20 мА для получения
стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.
Основным недостатком "токовой петли" является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75
нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения
5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи
около 9 кбит/с. На рис.90 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS-485.
Вторым недостатком "токовой петли", ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное
исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически
стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0...20 мА и 4...20
мА; гораздо реже используют 0...60 мА. В перспективных разработках
рекомендуется использовать только диапазон 4...20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.
110
Рис.90 Зависимость максимальной скорости передачи "токовой петли" от
длины неэкранированной витой пары при токе петли 20 мА [47]
Интерфейс "токовая петля" распространен в двух версиях:
цифровой и аналоговой.
Аналоговая версия "токовой петли" используется, как правило, для
передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от
контроллера к исполнительным устройствам. Применение "токовой
петли" дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью
(погрешность "токовой петли" может быть снижена до ±0,05%). Кроме
того, стандарт "токовая петля" поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.
В варианте "4...20 мА" в качестве начала отсчета принят ток 4 мА.
Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель
имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта "0...20 мА",
где величина "0 мА" может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА
является возможность подачи энергии датчику для его питания.
На рис.91 и рис.92 показаны два варианта построения аналоговой
"токовой петли". В первом варианте используется встроенный незаземленный источник питания, во втором варианте применяется внешний
источник питания. Встроенный источник удобен при монтаже си-
111
стемы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами
в
зависимости
от
поставленной
задачи.
Рис.91 Токовая петля со встроенным источником питания
Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно
большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ)
напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор равен, а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток
через резистор строго равен току в петле и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки.
Рис.92 Токовая петля с вынесенным источником питания
Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и
приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.
Напряжение источника выбирается такой, чтобы обеспечить работу
транзистора передатчика в активном режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях. Для этого выбирают напряжение насыщения транзистора (1...2 В). Например, при
типовых значениях 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине
1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее
стандартное значение равно 24 В.
112
В схемах на рис.93 используется оптическая развязка между входом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником, подробнее.
Цифровая "токовая петля" используется обычно в версии "0...20
мА", поскольку она реализуется гораздо проще, чем "4...20 мА"
(рис.93). Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи
логических уровней роли не играет, можно использовать источник
тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. При стандартном значении напряжения питания +24 В и падении
напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм.
Сопротивление кабеля сечением 0,35 кв. мм и длиной 1 км равно
97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им
можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет
3,3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле
также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником
тока.
Рис.93 Принцип реализации цифровой "токовой петли"[47]
Как аналоговая, так и цифровая "токовая петля" может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно. Вследствие низкой скорости передачи информации по "токовой
петле" согласование длинной линии с передатчиком и приемником не
требуется.
3.4. Интерфейс 1-WIRE
Интерфейс 1-Wire (с англ. - «один провод») - двунаправленная
шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных
113
(обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются
два провода - один общий (GND), а второй для питания и данных; в
некоторых случаях используют и отдельный провод питания). Разработана корпорацией Dallas Semiconductor (с 2001 года - Maxim Integrated (англ.)) и является её зарегистрированной торговой маркой.
Соответственно, топология такой сети - общая шина. Сеть
устройств 1-Wire со связанным основным устройством названа
«MicroLan». Обычно такая сеть используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими, как, например,
цифровые термометры и измерители параметров внешней среды.
На рис.94 показана упрощенная схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire. Вывод DQ устройства представляет собой вход
КМОП-логического элемента, который может быть зашунтирован (замкнут на общий провод) полевым транзистором. Сопротивление канала этого транзистора в открытом состоянии - около 100 Ом. Когда
транзистор заперт - имеется небольшой ток утечки (примерно 5 мкА)
на общий провод. [48]
Шина 1-Wire должна быть подтянута отдельным резистором к
напряжению питания устройств (которое, может быть от 3 до 5В - уточняется по характеристикам конкретного устройства). Сопротивление
этого резистора 4.7 К, однако, это значение рекомендовано только для
достаточно коротких линий. Если шина 1-Wire используется для подключения удаленных на большое расстояние устройств, то сопротивление этого резистора следует уменьшить.
Рис.94 Принцип реализации Шины 1-Wire
114
Основные этапы обмена информацией по шине 1-Wire.
1. Обмен всегда ведется по инициативе одного ведущего устройства, которое в большинстве случаев является микроконтроллером
(МК).
2. Любой обмен информацией начинается с подачи импульса
сброса ("Reset Pulse" или просто RESET) в линию 1-Wire ведущим
устройством.
3. Для интерфейса 1-Wire в общем случае предусматривается "горячее" подключение и отключение устройств.
4. Любое устройство, подключенное к 1-Wire после получения
питания выдает в линию DQ импульс присутствия, называемый
"Presence pulse" (далее я буду использовать термин PRESENCE). Этот
же импульс устройство всегда выдает в линию, если обнаружит сигнал
RESET.
5. Появление в шине 1-Wire импульса PRESENCE после выдачи
RESET однозначно свидетельствует о наличии хотя бы одного подключенного устройства.
6. Обмен информации ведется так называемыми тайм-слотами:
один тайм-слот служит для обмена одним битом информации.
7. Данные передаются побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. Достоверность переданных/принятых данных (проверка отсутствия искажений) гарантируется путем подсчета циклической контрольной суммы. [49].
3.5. Протокол HART
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer - "магистральный адресуемый удаленный преобразователь") является открытым стандартом сетевого обмена, который включает в себя не только
протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи.
Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмой Rosemount
Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт
поддерживается международной организацией HART Communication
Foundation (HCF). HART находит применение для связи ПЛК с датчи-
115
ками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным
оборудованием.
Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор. Типовой областью применения HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры и т.
п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность
HART сигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов
на искробезопасные электрические цепи.
При создании HART-протокола преследовалась цель сделать его
совместимым с широко распространенным в то время стандартом "токовая петля", но добавить возможности, необходимые для управления
интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая "токовая
петля" 4...20 мА была модернизирована таким образом, что получила
возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого
аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом (рис.95) и полученная таким образом сумма сигналов передается с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи. [61]
Благодаря значительному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко
могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемном
устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая
Рис.95 Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе [50]
116
единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц,
ноль - 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту на телефонные каналы связи.
Принцип взаимодействия устройств на физическом уровне модели
открытых систем показан на рис.96. Сопротивление выбирается так
же, как и в токовой петле (стандартом предусмотрена величина
230...1100 Ом) и служит для преобразования тока 4...20 мА в напряжение. Акт взаимодействия устройств инициирует контроллер.
Рис.96 Принцип работы HART-протокола на физическом уровне [50]
Цифровой сигнал от источника напряжения через конденсатор подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме
напряжения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапазоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до
80 мВ приемником игнорируются. Получив запрос, датчик формирует
ответ, который в общем случае может содержать как аналоговый сигнал, так и цифровой. Аналоговый сигнал содержит информацию об измеренной величине, а цифровой - информацию о единицах и диапазоне
измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона,
о типе датчика, имени изготовителя и т. п.
Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию
связи в форме тока (рис.96). На стороне контроллера ток преобразуется
в напряжение резистором. Полученный сигнал подается на фильтр
нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с
117
частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал и аналоговый. При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0,01% от 20 мА. Как и в обычной "токовой петле", источник тока в HART-устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания. В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4...20 мА, без цифрового.
В случае, когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например, электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передаваться от ведущего устройства
к ведомому и источник тока должен находиться в ведущем устройстве.
Поскольку HART устройства содержат микроконтроллер и МОПключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и
приемника выполняется путем подачи соответствующей команды.
HART-устройства всегда содержат микроконтроллер с UART и
ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). Цифровой сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UART в непрерывную последовательность бит, состоящую из двоичных слов длиной 11 бит каждое. Каждое слово начинается со стартового бита (логический ноль), за которым следует байт
передаваемых данных, затем бит паритета и стоповый бит. Сформированная таким образом последовательность нулей и единиц передается
в модем, выполняющий частотную манипуляцию (ЧМ).
Рис.97 Прохождение аналоговых и цифровых сигналов через устройства
с HART-протоколом [50]
118
Полученный частотно-манипулированный сигнал передается в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи (напомним, что от контроллера к датчику передается сигнал
в форме напряжения, а обратно - в форме тока).
На стороне датчика сигнал принимается из линии интерфейсным
блоком, преобразуется ЧМ модемом в последовательность бит, из которой контроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соответствие бита паритета переданному байту
для каждого переданного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения.
Получив команду, контроллер приступает к ее выполнению. Если
пришла команда запроса измеренных данных, контроллер датчика
принимает через АЦП сигнал датчика, преобразует его в аналоговую
форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ модема и передает в линию связи в форме тока 4...20 мА (рис.
97).
Сеть на основе HART-протокола
Описанный выше обмен информацией между двумя устройствами
(типа "точка-точка") является наиболее типичным применением
HART-протокола. HART-устройства могут быть объединены в сеть.
Для этого используют только цифровую часть HART-протокола, без
аналоговой, а информация передается в форме напряжения, что позволяет соединять HART-устройства параллельно.
Максимальное количество устройств в сети может составлять 15,
если не использовать HART-повторители (ретрансляторы, репитеры).
HART-сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает. Этим же объясняются крайне низкие требования к полосе пропускания кабеля (2,5 кГц по уровню - 3 дБ). Такой
полосе соответствует постоянная времени линии передачи 65 мкс, т.е.
при сопротивлении линии 250 Ом ее емкость может достигать 0,26
мкФ, что соответствует длине кабеля около 2...3 км.
В сети могут быть два ведущих устройства, одним из которых является контроллер, вторым - ручной коммуникатор, используемый для
119
считывания показаний и установки параметров HART-устройств. Коммуникатор может быть подключен в любом месте сети, но обычно доступными являются только клеммы датчиков или коммутационные
клеммы в монтажном шкафу.
Сеть допускает горячую замену или добавление новых устройств
(без отключения питания. В случае сбоя, например, при случайном коротком замыкании, сеть повторяет невыполненные операции обмена.
В HART-сети только один узел может посылать сигнал, в это время
остальные пассивно "слушают" линию. Инициирует процедуру обмена
ведущее устройство (контроллер или ручной коммуникатор). Ведомые
получают команду и посылают ответ на нее. Каждое ведомое устройство имеет персональный сетевой адрес, который включается в сообщение ведущего устройства. Адрес имеет длину 4 бита ("короткий адрес") или 38 бит ("длинный адрес"). Имеется также второй способ адресации - с помощью тегов (идентификаторов, назначаемых пользователем).
Каждая команда или ответ на нее называются сообщением и имеют
длину от 10... 12 байт до 20...30 байт. Сообщение начинается с преамбулы и заканчивается контрольной суммой (рис.98).
Рис.98 Структура сообщения в HART-протокол [50], где
РА – преамбула.
SD – признак старта.
AD – адрес.
CD –команда.
BC - количество байт в BD.
ST – статус (ведущий или ведомый).
DT – данные.
CHK – контрольная сумма.
Преамбула представляет собой последовательность единиц и предназначена для синхронизации приемника с передатчиком. Длина преамбулы зависит от требований ведомого устройства. Когда ведущее
устройство выполняет обмен с ведомым первый раз, оно посылает максимально длинную преамбулу, чтобы обеспечить надежную синхронизацию. В ответе ведомого содержится требование к длине преамбулы.
Эта длина сохраняется в памяти ведущего устройства и используется в
120
последующих сообщениях. Поскольку различные ведомые могут
иметь различные требования к преамбулам, ведущий формирует в
своей памяти таблицу преамбул. В настоящее время все новые устройства имеют преамбулу длиной 5 байт.
Ведомое устройство может быть защищено от записи. Обычно это
выполняется с помощью переключателя на плате. Контрольная сумма
используется для обнаружения ошибок в данных. Если ошибка обнаружена, обычно выполняется повторный обмен сообщениями.
Ведомое устройство может иметь режим ускоренной передачи
("burst mode"), при котором оно периодически посылает ответ на ранее
принятую команду, хотя ведущий не посылает ее повторно. Это сделано для увеличения частоты получения значений измеряемой величины от датчика (до 3...4 раз в секунду) в случае необходимости.
Только одно устройство может находиться в таком режиме (его еще
называют монопольным), поскольку линия передачи оказывается занята. После выключения и повторного включения питания ведомое
устройство остается в монопольном режиме и перевести его в обычный
режим можно только командами с номерами 107, 108, 109, которые посылают в паузах между периодическими ответами ведомого устройства.
Сеть на основе HART-протокола может подключаться к другим сетям (Modbus, Profibus, Ethernet) с помощью соответствующих шлюзов.
В сети используются мультиплексоры, позволяющие подключить к одному контроллеру несколько HART-сетей и одновременно выполнить
роль шлюза. Для подключения сети или HART-устройства к компьютеру необходим специальный HART-интерфейс, который выпускается
рядом производителей. Программный доступ SCADA к HART-устройствам выполняется с помощью HART OPC сервера. [50]
Адресация в HART
Каждое HART-устройство должно иметь уникальный адрес. Посылаемые ведущим устройством адреса декодируются одновременно
всеми устройствами, находящимися в сети. Однако отвечает только то
устройство, чей адрес совпадает с принятым.
121
Метод адресации в HART протоколе содержит несколько потенциальных проблем. Стандартом предусмотрено два вида адресов: короткий адрес (длиной 4 бита) и длинный адрес (длиной 38 бит). В настоящее время используется комбинация короткого и длинного адреса.
Длинный адрес устанавливается изготовителем HART-устройства и не
может быть изменен пользователем.
Когда новое устройство подключено к сети, возникает проблема,
как узнать его длинный адрес, поскольку для того, чтобы считать из
памяти HART устройства его адрес, к нему надо сначала обратиться, а
обращение уже требует знания адреса. Перебрать все адреса невозможно, т. к. их очень много. Проблема решается применением команды с номером 0, которая использует короткий адрес для обращения
к устройству и позволяет считать из него длинный адрес. Обычно перед монтажом сети сначала считывают длинные адреса всех устройств
и составляют их базу данных, и только после этого строят сеть.
Существует второй способ узнать длинный адрес устройства - с помощью команды с номером 11, которая обращается к устройствам не
по адресу, а по имени тега. Она применяется, если в сети более 15
устройств (это возможно, если используются повторители) или если
устройствам не присвоены короткие адреса.
Длинный адрес формируется из 40-битного уникального идентификатора HART-устройства путем отбрасывания двух старших битов.
Поэтому адрес получается 38-битным. Уникальный идентификатор
HART-устройства состоит из идентификатора изготовителя (ID изготовителя), кода типа HART-устройства и серийного номера, который
занимает 3 байта.
3.6. Протокол CAN
Протокол CAN (Controller Area Network - "область, охваченная сетью контроллеров") представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует
последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности.
Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время применяется в области промышленной
автоматизации. Это хорошо продуманный сетевой протокол. Начало
122
развития CAN было положено компанией Bosch в 1983 г., первые микросхемы CAN контроллеров были выпущены фирмами Intel и Philips в
1987 году, в настоящее время контроллеры и трансиверы CAN выпускаются многими фирмами.
Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.
CAN охватывает два уровня модели открытых систем (OSI): физический и канальный. Стандарт не предусматривает никакого протокола
прикладного (7-го) уровня модели OSI. Поэтому для его воплощения
различные фирмы разработали несколько таких протоколов: CANopen
(организации CiA), SDS (фирмы Honeywell Micro Switch Division),
CAN Kingdom (фирмы Kvaser), DeviceNet (фирмы Allen-Bradley, ставший Европейским стандартом в 2002 г.) и ряд других [51].
CAN характеризуется следующими основными свойствами:
- каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет;
- гарантирована величина паузы между двумя актами обмена;
- гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;
- широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени;
- непротиворечивость данных на уровне всей системы;
- допустимость нескольких ведущих устройств в сети ("многомастерная сеть");
- способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;
- автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной;
- автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.
К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость
CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а
также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и
прикладного уровня, изложенных в стандартах организации CAN in
Automation (CiA).
123
Электрические соединения в сети CAN
Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод; на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет один километр. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической, или оптической
развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые
мосты и шлюзы. Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть
шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи
1 Мбит/с не должна превышать 30 см.
Выводы "земли" всех передатчиков сети должны быть соединены
(если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность
потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В.
Оптическая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но
не является обязательным требованием стандарта.
Типовая структура трансивера CAN (на примере микросхемы
LT1795 фирмы Linear Technology) приведена на рис.99. При подаче
сигнала уровня логического нуля на вход (вход является инвертирующим) оба транзистора выходного каскада передатчика открываются и
через нагрузку (два резистора по 120 Ом) течет ток, создающий в линии состояние, соответствующее логической единице. При этом потенциал вывода CAN H всегда будет выше, чем вывода CAN L (рис.99).
Рис.99 Структурная схема трансивера CAN [52]
124
При логической единице на входе передатчика его выход переходит в
высокоомное состояние и дифференциальное напряжение на линии
становится равным нулю. Применение терминальных резисторов с номиналом 120 Ом в CAN необходимо не только для согласования линии
(как в случае использования RS-485), но и для создания пути протекания тока.
CAN передатчик имеет очень важное свойство: если один из передатчиков устанавливает в сети логический ноль, а второй - логическую
единицу, то это состояние не является аварийным, (как в сети на основе
интерфейса RS-485), поскольку сквозного тока не возникает. В случае
CAN линия остается в состоянии логической единицы. Иначе говоря,
логическая единица всегда доминирует над логическим нулем. Поэтому в стандарте CAN используется понятие " доминантное состояние" (доминирующее) состояние линии для обозначения состояния линии с током, и понятие "рецессивное состояние" как противоположное
доминантному (рис.100).
Рис.100 Пояснение понятий рецессивного и доминантного состояни [52]
Это свойство CAN обеспечивает возможность получения доступа к
линии, сравнивая посылаемые в линию логические уровни с тем уровнем, который фактически устанавливается в ней: если передатчик посылает в линию рецессивное состояние, а в ней при этом остается доминантное, значит линия занята. Доступ получает тот узел сети, который может предоставить ей доминантный уровень сигнала. Узлы с рецессивным уровнем покидают линию и ждут следующего случая. Этот
125
метод доступа справедлив и при использовании оптоволоконного канала или беспроводной сети - в этих случаях наличие света или электромагнитной волны всегда будет доминировать над их отсутствием.
Вывод Vref на рис.97 позволяет установить пороговое напряжение
для входа Txd и уровень синфазного напряжения в линии, когда она
находится в рецессивном состоянии. Обычно Vref = 2,5 В. Чтобы установить уровень синфазного напряжения на линии, терминальные сопротивления делят на два по 60 Ом, соединяют их последовательно, а
к точке соединения подключают вывод Vref. При симметричной
форме импульсов CAN H и CAN L относительно рецессивного состояния уменьшается уровень излучаемых помех, поскольку приращения
токов в каждом из проводов витой пары при переключении логических
уровней оказываются равными по величине, но обратными по знаку и
поэтому компенсируют друг друга.
Вывод Ro имеет несколько назначений. Если на нем установлено
состояние логической единицы, трансивер переходит в спящий режим,
при котором он потребляет очень малый ток от источника питания, а
на выходе устанавливается высокоомное (рецессивное) состояние.
"Разбудить" его можно сигналом, поступающим в приемник из линии
передачи. Подключение этого вывода к "земле" через сопротивление
позволяет установить нужную длительность фронтов импульсов передатчика. Некоторые трансиверы имеют два режима: резервный и спящий, которые отличаются уровнем потребляемого тока и способом перевода в активный режим. Режим пониженного энергопотребления
предусмотрен стандартом для экономии заряда аккумуляторных батарей в припаркованном автомобиле.
Если сигнал Txd является доминирующим слишком долго (более
1 мс), генератор импульса таймаута (на рис.99 обозначен прямоугольником с импульсом) временно отключает передатчик, поскольку в противном случае модуль может быть навсегда блокирован средствами канального уровня как отказавший.
Стандартом предусмотрена возможность подключения к CAN
сети любого количества устройств, однако практически оно ограничивается нагрузочной способностью передатчиков или задержкой в повторителях.
В CAN-трансивере имеется генератор синхроимпульсов с частотой 16 МГц ±0,1%. Ширина одного бита устанавливается программно
126
от 8 до 25 импульсов синхрогенератора, обычно 8 импульсов при скорости передачи 1 Мбит/с и 16 импульсов при 20 кбит/с. Синхронизация
всех узлов сети происходит в течение первого такта синхронизации.
Процедура обработки битов в приемнике обеспечивает программируемую задержку импульсов синхронизации, необходимую для компенсации времени задержки прохождения сигнала в линии связи и сдвига
фазы вследствие дрейфа частоты тактового генератора.
Различают два типа синхронизации: жесткую синхронизацию с
помощью стартового бита в начале сообщения и ресинхронизацию во
время передачи сообщения. С помощью ресинхронизации можно подстроить интервал времени от начала синхронизации до момента, в который измеряется логический уровень принимаемого импульса данных. Интервал подстройки может быть изменен на 1...4 такта.
Для определения логического состояния шины уровни принимаемых сигналов измеряются на расстоянии 6-ти тактов синхрогенератора от переднего фронта импульса (бита) при скорости 1 Мбит/с и на
расстоянии 14-ти тактов при скорости 20 кбит/с [52] (для сравнения
укажем, что в стандартных UART отсчеты берутся посередине импульса). Количество отсчетов может быть 1 или 3 (устанавливается
программно). CAN использует синхронную передачу битов. Это повышает пропускную способность канала связи, но требует усложненного
процесса синхронизации.
Адресация и доступ к шине в CAN
В CAN сети ни один из узлов не имеет адреса. Вместо этого сообщения посылаются "всем"(широковещательная рассылка), но сообщения содержат идентификатор, который описывает смысл посылаемых
данных. В соответствии с этим смыслом любой узел сети может принять это сообщение, если оно необходимо устройству для работы. Сообщение принимается узлом, если его идентификатор проходит через
фильтр сообщений, имеющийся в каждом узле.
В CAN сети гарантируется, что сообщение будет принято любым
из узлов в одно и то же время или не будет принято ни одним из них.
Это достигается благодаря широковещательной передаче и использованием метода подтверждения приема сообщений или квитирования.
Когда сеть свободна, любой узел может начать передачу сообщения.
127
Но каждое сообщение имеет свой приоритет при получении доступа к
шине. Поэтому передачу может осуществить только одно устройство то, которое содержит сообщение с наивысшим приоритетом.
Доступ устройств к шине происходит следующим образом. Если
два или более устройств обнаружили, что линия свободна и начали передачу сообщений одновременно, то возникший конфликт разрешается путем побитного сравнения идентификатора передаваемого сообщения с состоянием линии. В процессе арбитража (урегулирования
конфликта) каждое устройство сравнивает логический уровень передаваемого бита с логическим уровнем на шине. Если эти уровни одинаковы, устройства продолжают передавать следующий бит идентификатора. Если приемник устройства показывает, что на шине доминантный уровень, а передатчик в это же время передает рецессивный уровень, то устройство сразу прекращает передачу данного сообщения.
Такой механизм арбитража гарантирует, что ни информация, ни время
не будут потеряны.
Достоверность передачи в CAN
Для достижения максимальной надежности (достоверности) передачи данных протокол предусматривает специальные методы обнаружения ошибок, сигнализации об ошибках и самоконтроля, которые воплощены в каждом узле сети.
Для обнаружения ошибок приняты следующие методы:
- передатчик сравнивает каждый бит на шине с переданным битом для
подтверждения правильности передачи на уровне битов;
- выполняется контроль циклическим избыточным кодом (CRC - Cyclic
Redundancy Check);
- используется бит-стаффинг;
- используется проверка каждого переданного фрейма.
Механизм обнаружения ошибок характеризуется следующими свойствами:
- обнаруживаются все глобальные ошибки;
- обнаруживаются все ошибки, вносимые передатчиком;
- в сообщении обнаруживаются до пяти случайно распределенных
ошибок;
128
- в сообщениях обнаруживается пакет следующих друг за другом ошибок длиной до 15 бит;
- обнаруживаются ошибки четности.
Сообщения с обнаруженными ошибками помечаются флагом в том
узле, где они были обнаружены. Такие сообщения отклоняются и автоматически передаются повторно. Время от момента обнаружения
ошибки до начала повторной передачи равно длительности 31-го бита,
если не возникают новые ошибки. CAN способен различать сбои и отказы. Если произошел отказ, то отказавшее устройство отключается от
сети.
Все приемники сети проверяют целостность (непротиворечивость)
полученных сообщений, подтверждают (квитируют) целостные сообщения и помечают флагом противоречивые сообщения.
Формат CAN протокола показан рис.101.
Рис.101 Формат CAN протокола [52], где
SOF – start of frame
ID – идентификатор (11 или 19 бит),
RTR – запрос передачи, 1 –передатчик, 0 – приемник.
IDE – указатель формата, 0 –стандартный, 1 – расширенный.
DLC – количество передаваемых байт.
Data – данные.
CRC – код контрольной суммы.
ADK –подтверждение готовности.
EOF – конец кадра.
Виды кадров CAN протокола:
- кадр данных от 0 - 8 байт;
- кадр запроса данных;
- кадр ошибки;
- кадр перегрузки.
129
Кадр данных (data frame) - передаёт данные. Кадр удаленного запроса (remote frame) - служит для запроса на передачу кадра данных с
тем же идентификатором. Кадр перегрузки (overload frame) - обеспечивает промежуток между кадрами данных или запроса. Кадр
ошибки (error frame) - передаётся узлом, обнаружившим в сети
ошибку.
Электронные спецификации устройств CAN open
Поскольку устройства, используемые в сети, являются программируемыми, перед их включением в сеть необходимо задать параметры,
необходимые для их коммуникаций с сетью и функционирования.
CANopen устанавливает для этого унифицированный метод.
Метод предполагает наличие электронного описания устройств в
текстовом формате, для обработки которого достаточно несложного
компилятора. CANopen определяет формат EDS (Electronic Data Sheet
- "электронный список параметров"), который описывает конфигурацию и параметры устройств, в том числе контроллеров с модульной
архитектурой.
EDS поддерживается и поставляется производителем устройства. В
противном случае используется EDS "по умолчанию", общий для определенного класса устройств, например, модулей аналогового ввода.
EDS является текстовым файлом, использующим ASCII-коды (набор
символов по стандарту ISO 646). Длина строки файла - 255 символов,
строки должны оканчиваться символами CR или LF.
Файл содержит несколько секций:
- информация о самом файле (имя файла, версия, дата создания, версия
EDS, описание, кем создан, дата модификации и др.);
- общая информация об устройстве (имя производителя, идентификационный код производителя, имя устройства, код устройства, номер
версии, функции устройства, список поддерживаемых скоростей обмена, наличие программы начальной загрузки и др.);
- конфигурационные параметры (длительность цикла обмена, тип
устройства, тип данных, нижний и верхний предел изменения переменных, значения по умолчанию, количество каналов ввода-вывода и др.).
Полное описание структуры EDS файла дано в стандарте CAN.
130
3.7. Промышленная шина Profibus
Слово PROFIBUS получено из сокращений от анг. PROcess FIeld
BUS, что приблизительно переводится как "промышленная шина для
технологических процессов". Стандарт Profibus был первоначально
принят в Германии в 1987 году, затем, в 1996 году, он стал международным.
Сеть Profibus (как и другие описанные здесь промышленные сети,
кроме Industrial Ethernet) использует только первый и второй уровни
модели открытых систем (OSI). Один из вариантов сети, Profibus FMS,
использует также уровень семь. Profibus имеет три модификации:
Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA табл.5[53].
Табл. 5 Profibus в соответствии с моделью OSI
Nп.п Название
Profibus DP
Profibus FMS
уровня
7
ПрикладНет
Fieldbus
Message
ной
Specification (FMS)
6
ПредставНет
Нет
ления
5
Сеансовый Нет
Нет
4
Транспорт- Нет
Нет
ный
3
Сетевой
Нет
Нет
2
Канальный FDL
FDL
1
ФизичеRS-485, оптоволокон- RS-485, опто-волоконский
ный интерфейс
ный интерфейс
Profibus PA
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
IEC 1158-2
Интерфейс
IEC 1158-2
Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals - "Profibus для децентрализованной периферии") использует уровни один и два модели
OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не
входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к
канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data
Link Mapper - "прямой преобразователь для канального уровня"). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для
связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и PA построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.
Profibus FMS (Profibus с FMS протоколом) использует уровень семь
модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и
131
компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности. Profibus FMS
и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на
интерфейсе RS-485 и могут работать в общей сети.
Profibus PA (Profibus for Process Automation - "для автоматизации
технологических процессов") использует физический уровень на основе стандарта, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является
возможность работы во взрывоопасной зоне.
В последние годы появился стандарт PROFInet, который основан
на Industrial Ethernet и технологиях COM, DCOM. Он легко обеспечивает связь промышленной сети Profibus с офисной сетью Ethernet.
Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими
устройствами). В качестве ведомых устройств выступают обычно
устройства ввода-вывода, клапаны, измерительные преобразователи.
Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.
Физический уровень Profibus
На физическом уровне Profibus DP и FMS используют стандарт RS485 при скорости передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети
до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью
повторителей интерфейса.
Особые требования установлены к сетевому кабелю. Он должен
иметь волновое сопротивление от 135 до 165 Ом при погонной емкости
не более 35 пФ/м, площадь поперечного сечения проводников более
0,34 кв. мм, и погонное сопротивление не более 110 Ом/км. Кабель должен иметь одну или две витые пары с медным экраном в виде оплетки
или фольги.
Стандартом для шины Profibus рекомендуется разъем D-sub (DB-9)
с 9-ю контактами. На устройствах устанавливается разъем с гнездами,
на кабеле - со штырьками. При необходимости иметь степень защиты
IP65/67 рекомендуется использовать цилиндрический разъем типа M12
(IEC 947-5-2), HAN-BRID или гибридный разъем фирмы Siemens [53].
С обеих сторон линии передачи подключаются согласующие резисторы, которые конструктивно установлены во все сетевые разъемы и
132
подключаются с помощью микропереключателей. При скоростях передачи более 1,5 Мбит/с для согласования линии дополнительно используются плоские (печатные) катушки индуктивности.
Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем. При использовании
стеклянного оптоволокна дальность связи может быть увеличена до 15
км. Оптоволоконные интерфейсы выполняются в виде сменных модулей для контроллеров.
Profibus PA использует физический уровень, соответствующий
стандарту. Данные передаются с помощью уровней тока +9 мА и -9 мА
("токовая петля"). Используется манчестерский код (логический ноль
соответствует смене отрицательного тока на положительный, а логическая единица - положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется
витая пара в экране или без него. Один сегмент сети может содержать
до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В каждом сегменте с обеих сторон кабеля подключены RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора емкостью 1 мкФ и
резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus PA является искробезопасной электрической
цепью и может быть использован во взрывоопасных зонах (при наличии разрешения Рос технадзора на конкретное оборудование).
Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный
формат, идентичный формату HART-протокола, включающему стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит ("1"). Бит паритета равен нулю, если количество бит в слове четное и равен единице в противном случае. В слове
"11000011" количество единиц четное, поэтому бит паритета устанавливается равным 0. Такой формат используется для всех без исключения слов, включая заголовки сообщений. При передаче слов длиннее 8
бит старший байт отправляется первым, за ним остальные в порядке
старшинства.
Для Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485
для взрывоопасных зон, которая получила название "RS-485-IS"
("Intrinsically Safe" - "внутренне безопасный"). Существенным ее отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до
133
значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи.
Канальный уровень Profibus DP
Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDL- уровнем (Fieldbus Data Link - "промышленный канал связи"). Объект MAC
(Medium Access Control - "управление доступом к каналу") на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами,
включая управление правами на передачу данных через сеть. Протокол
канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований:
- в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение
заранее определенного интервала времени;
- взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми
должно происходить максимально быстро.
В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется
метод передачи маркера рис.102. В этом методе сеть имеет логическую
топологию кольца (т. е. кольца на уровне адресов устройств) и каждое
ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа.
Рис.102. Принцип работы многомастерной сети [54]
По истечении определенного времени это устройство должно передать
маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ
134
также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Этот интервал может быть установлен при конфигурировании
системы.
Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства
(рис.102). В методе "ведущий/ведомый" процедуру коммуникации с
ведомыми устройствами выполняет мастер, который обладает маркером. На время обладания маркером мастер становится ведущим также
по отношению к другим мастерам, т.е. может выполнять с ними коммуникацию типа "мастер-мастер".
Profibus имеет также широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение "всем", не ожидая уведомления
о получении, и много абонентский режим, когда ведущее устройство
посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.
В задачи объекта MAC активного устройства (получившего маркер)
входит обнаружение наличия или отсутствия маркера сразу после
начала работы сети, передача маркера следующему устройству в порядке возрастания адресов, удаление адресов, вышедших из строя или
выключенных устройств и добавление новых, восстановление потерянного маркера, устранение дубликатов маркеров, устранение дублирования сетевых адресов и обеспечение заданного периода обращения
маркера по сети.
Коммуникационный профиль DP
Основная функция коммуникационного профиля DP состоит в эффективном обмене данными ПЛК или компьютера с датчиками и исполнительными устройствами. Обмен данными с этими устройствами
обычно выполняется периодически, но коммуникационный профиль
DP представляет также дополнительный сервис апериодического обмена для установки параметров, контроля режимов работы и обработки сигналов тревоги.
В обычном режиме центральный контроллер (ведущий) периодически считывает информацию, поступающую на входы ведомых
устройств и записывает информацию для их выходов. Дополнительно
к этому периодическому обмену данными DP обеспечивает мощные
135
средства для диагностики и инсталляции системы, а также для обеспечения устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.
Средства диагностики DP обеспечивают быстрое обнаружение места
появления ошибки и пересылку соответствующего сообщения ведущему устройству. Диагностические сообщения делятся на три уровня:
- уровень устройства (касающиеся общих признаков работоспособности устройства, таких как перегрев, уход напряжения за допустимые
границы и др.);
- уровень модуля ввода-вывода, входящего в состав устройства модульной конструкции;
- уровень канала модуля (например, "к. з. входа 8").
К одной сети могут быть подсоединены до 128 устройств (но не
более 32-х в одном сегменте). Спецификация для конфигурирования
системы включает количество узлов сети, распределение адресов
устройств, формат диагностических сообщений, параметры шины.
В сети могут использоваться устройства трех типов:
- DP мастер класса 1 (DPM1) - центральный контроллер, который циклически обменивается информацией с ведомыми устройствами с заранее определенным периодом;
- DP мастер класса 2 (DPM2) - устройство, предназначенное для конфигурирования системы, наладки, обслуживания или диагностики;
ведомое устройство - устройство, которое выполняет сбор информации
или выдачу ее исполнительным устройствам.
Эти устройства могут отсылать или принимать не более 256 байт информации за один цикл обмена.
Коммуникационный профиль DP позволяет сконфигурировать как
одномастерную, так и многомастерную сеть. В одномастерной сети ведущее устройство (мастер) может посылать запросы и получать ответы
только от ведомых устройств. В многомастерной сети имеется несколько ведущих устройств, которые имеют свои одномастерные подсети и в пределах подсети являются устройствами класса DPM1. Ведущие устройства в многомастерной сети могут быть также устройствами класса DPM2. Входные и выходные данные подчиненных
устройств могут быть прочитаны любым мастером сети. Однако записывать данные в устройства может только один мастер, который при
конфигурировании системы был обозначен как DPM1.
136
Ведущий контроллер (DPM1) может находиться в одном из трех состояний: Stop - когда не происходит обмена данными; Clear - когда
DPM1 может считывать данные, но не может записывать их и выходы
всех устройств переводятся в безопасные состояния; Operate - обычное
рабочее состояние.
Если в системе появляется сообщение об ошибке, то DPM1 устанавливает выходы всех устройств вывода в безопасное состояние, а сам
переходит в состояние "Clear". Безопасным считается такое состояние,
при котором исполнительные устройства находятся в безопасном (для
человека или системы) состоянии. Такое состояние самоконтроля системы может быть установлено или нет при ее конфигурировании. При
отключенном состоянии самоконтроля система продолжает работать
несмотря на появление ошибок.
При конфигурировании системы пользователь назначает каждому
ведущему свои ведомые устройства и очередность их опроса, а также
указывает устройства, которые не надо опрашивать периодически.
Передача данных между мастером DPM1 и ведомыми делится на три
фазы: параметризация, конфигурирование и передача данных. В фазе
параметризации и конфигурирования проверяется, соответствует ли
конфигурация и параметры ведомого устройства запланированным в
DPM1 установкам. Проверяется тип устройства, формат и длина передаваемых сообщений, количество входов или выходов.
Profibus DP имеет режим синхронизации вывода. Для этого посылается широковещательная управляющая команда синхронизации, при
получении которой происходит одновременная смена состояний выходов всех устройств вывода. Имеется также команда "замораживание",
при поступлении которой входы всех устройств ввода сохраняют свое
текущее состояние и перестают реагировать на изменение поступающих на входы сигналов, пока не поступит команда "размораживание".
Эти команды используются для синхронизации ввода. Команды синхронизации могут посылаться всем устройствам сети, группе или одному устройству.
Для обнаружения ошибок в передающих устройствах предусмотрен механизм временного мониторинга (наблюдения), который действует как в ведомых, так и ведущих устройствах. Интервал мониторинга устанавливается при конфигурировании системы. Ведущий
(DPM1) контролирует процесс передачи данных ведомым устройством
137
с помощью таймера. Для каждого подчиненного используется свой
таймер. Если в течение интервала наблюдения не приходят корректные
данные, выдается диагностическое сообщение для пользователя. Если
включен режим автоматической реакции на ошибки, то ведущий устанавливает все выходы в безопасные состояния, а сам переходит в состояние "Clear".
Ведомый также выполняет контроль ведущего устройства или линии передачи. Для этого используется сторожевой таймер. Если от ведущего не приходят данные в течение периода сторожевого таймера,
ведомый автоматически переводит свои выходы в безопасные состояния. Для большей степени защиты выходов в многомастерной системе
только один (уполномоченный) мастер имеет прямой доступ к изменению состояний выходов устройства. Все другие мастера могут считывать только "изображения" сигналов на входах и выходах устройства.
В Profibus имеются также расширенные DP функции, которые позволяют передавать апериодические функции чтения и записи, а также
сигналы тревог параллельно и независимо от периодической пересылки данных, установленной пользователем при конфигурировании
системы. Это позволяет, например, с помощью DPM2 изменять параметры вновь подсоединенных ведомых устройств или считывать состояние любых устройств сети без остановки системы. Эти служебные
функции выполняются апериодически с низким приоритетом, параллельно с рабочим процессом передачи данных в системе. Для обеспечения такой возможности при параметризации всей сети устанавливают увеличенный цикл обращения маркера, чтобы шина на была загружена на 100%.
Передача сообщений Profibus
Profibus использует два типа сервисов для передачи сообщений:
SRD (Send and Receive Data with acknowledge - "отправка и прием данных с уведомлением") и SND (Send Data with No acknowledge - "отправка данных без уведомления").
Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле
обмена. Этот способ обмена наиболее распространен в Profibus и очень
удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном
цикле можно и отправить, и получить данные.
138
Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновременно группе ведомых устройств (многоабонентский режим) или всем
ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.
Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может
содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных
байт (заголовок телеграммы). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data Exchange.
Заметим, что 11 байт служебной информации делают Profibus очень
неэффективным при передаче коротких сообщений. Однако при больших объемах данных такой формат телеграммы достаточно эффективен. Поля телеграммы показаны на рис.103.
Рис.103 Структура телеграммы Profibus [54], где
SD - стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата. Имеется четыре типа разделителей для телеграмм запроса и ответа и один тип для
короткого уведомления. Короткое уведомление имеет поле SD, но не в начале телеграммы;
LE - длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU);
LEr - повторение поля LE с целью его резервирования;
DA - адрес устройства-получателя телеграммы;
SA - адрес отправителя;
FC - код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические данные, тип
устройства - мастер или ведомый, приоритет, уведомление);
DSAP - устройство-получатель использует это поле чтобы определить, какой тип сервиса
нужно выполнить;
SSAP - COM порт отправителя;
DU - данные длиной от 1 до 244 байт;
FCS - контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255);
ED - признак конца.
Резервирование Profibus
С целью повышения надежности в Profibus предусмотрено резервирование, выполненное следующим образом:
- ведомые устройства содержат два различных Profibus-интерфейса, основной и резервный. Они могут быть либо в одном устройстве, либо в
двух одинаковых устройствах (основном и резервном);
139
- устройства снабжаются двумя независимыми стеками протоколов со
специальным расширением для резервирования;
- процесс резервирования стеков протоколов осуществляется путем запуска специального программного объекта резервирования RedCom.
В нормальном режиме коммуникация выполняется только через
основное устройство, которое посылает диагностическую информацию резервному устройству. В случае, когда основное устройство дает
сбой, резервное устройство берет на себя его функции. Кроме того, мастер контролирует все ведомые устройства и выдает диагностическое
сообщение на верхний уровень АСУ ТП, как только в системе вышло
из строя основное устройство и не осталось резервного, или, когда вышло из строя резервное. Резервное устройство может работать на основной Profibus линии, или на двух, если имеется резервная. Подход к
резервированию в Profibus имеет следующие особенности:
- одна и та же модификация устройств используется для реализации
различных вариантов резервирования;
- ведущее, ведомое устройство и шина могут быть резервированы независимо друг от друга;
- не требуется особого дополнительного конфигурирования резервного
устройства;
- возможен полный мониторинг обоих ведомых устройств.
Резервирование обеспечивает высокий коэффициент готовности*, короткое время восстановления, отсутствие потерь данных и нечувствительность системы к отказам.
Устройства Profibus
Современные модули ввода-вывода являются интеллектуальными
устройствами и выполняют многие функции, которые ранее выполнялись только контроллерами. Однако, чтобы выполнить эти функции,
устройства требуют сложной настройки при инсталляции системы, при
обслуживании и параметризации. Поэтому необходимо иметь точное и
полное описание сведений об устройствах, таких как тип выполняемых
функций, количество входов/выходов, диапазон изменения переменных, единицы измерения, значения по умолчанию, идентифицирующие параметры устройства и т. д.
140
Profibus предлагает несколько методов и средств для описания
устройств, которые обеспечивают унификацию описания. По историческим причинам в промышленной автоматизации используется в основном формат GSD (General Station Data - "общие данные об устройстве"). Описание устройств в этом формате создается их изготовителем
и поставляется вместе с устройством.
Характеристики устройства описываются с помощью языка описания электронных устройств Electronic Device Description Language
(EDDL) и поставляются в виде текстового файла EDD (Electronic
Device Description - "описание электронного устройства"). Интерпретатор этого описания очень хорошо апробирован для приложений средней сложности. Для сложных приложений Profibus предлагает другой
программный компонент - Device Type Manager (DTM).
Текстовый файл GSD содержит как общую, так и специфичную
для конкретного устройства информацию. С помощью ключевых слов
средство конфигурирования может прочесть идентификационные записи, настраиваемые параметры, типы данных, допустимые значения
параметров. Некоторые из ключевых слов обязательны (по стандарту),
например, имя изготовителя, другие являются опционными. GSD файл
делится на три секции:
- общие параметры - содержит имя поставщика и имя устройства, версия аппаратуры и программного обеспечения, идентификационный номер, поддерживаемые скорости передачи;
- спецификация ведущего устройства - указывает допустимое количество подключаемых ведомых устройств, параметры передачи и приема
сообщений;
- спецификация ведомого устройства - указывает количество и тип каналов ввода-вывода, перечень диагностических сообщений и список
модулей при модульной конструкции устройства.
GSD файл загружается в средство конфигурирования системы
"Profibus Configurator" и используется при ее инсталляции. Более мощным средством описания устройств является язык EDD, который является частью международного стандарта IEC 61804-2 и позволяет описывать устройства средней сложности. Еще более мощными являются
независимые от конкретной промышленной сети средства описания
устройств FDT/DTM Field Device Tool/Device Type Manager - "средство
141
для устройств полевого уровня/менеджер типа устройства"), которые
позволяют описывать очень сложные устройства [54].
3.8. Протокол Modbus
Протокол Modbus и сеть Modbus являются самыми распространенными в мире. Одним из преимуществ Modbus является отсутствие
необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и
CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота
программной реализации. Это снижает затраты на освоение стандарта
как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного
оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается
также
полностью
бесплатными
текстами
стандартов
(
www.modbus.org).
Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде
всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое
имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода
контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена
благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их
чтения-записи.
Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу
"ведущий/ведомый", что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного
опроса ведомых устройств ведущим. Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus - многомастерный протокол с кольцевой
передачей маркера и Modbus TCP, рассчитанный на использование в
сетях Ethernet и интернет.
Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote
Terminal Unit – «удаленное терминальное устройство») и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен
присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным.
Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.
Рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus
ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus
142
ASCII нельзя путать с протоколом DCON, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту
Modbus.
Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для
организации промышленной сети является двухпроводной интерфейс
RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.
В стандарте Modbus имеются обязательные требования, рекомендуемые и опционные. Существует три степени соответствия стандарту:
«полностью соответствует» - когда протокол соответствует всем обязательным и всем рекомендуемым требованиям, «условно соответствует» - когда протокол соответствует только обязательным требованиям и не соответствует рекомендуемым, и «не соответствует».
Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной.
Физический уровень
В новых разработках на основе Modbus стандарт рекомендует использовать интерфейс RS-485 с двухпроводной линией передачи, но
допускается применение четырехпроводной линии и интерфейса RS232.
Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от
которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus
должен содержать три проводника в общем экране, два из которых
представляют собой витую пару, а третий соединяет общие ("земляные") выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран
должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего
устройства.
Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:
- непосредственно к магистральному кабелю;
- через пассивный разветвитель (тройник);
- через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса).
В документации на устройство и на тройник должны быть указаны
наименования подключаемых цепей.
143
На каждом конце магистрального кабеля должны быть установлены
резисторы для согласования линии передачи, как это требуется для интерфейса RS-485. В отличие от физического интерфейса RS-485, в котором терминальные резисторы на низких скоростях обмена можно не
использовать, стандарт на протокол Modbus формально требует применения терминальных резисторов для всех скоростей обмена. Их номинал может быть равным 150 Ом и мощность 0,5 Вт.
Терминальные резисторы, а также резисторы, устраняющие неопределенность состояния линии при высокоомном состоянии передатчиков, устанавливаются так же, как описано в разделе "Интерфейсы
RS-485, RS-422 и RS-232". Стандарт требует, чтобы в руководствах по
эксплуатации устройств Modbus было сказано, имеются ли указанные
резисторы внутри устройства, или их необходимо устанавливать при
монтаже сети. Если требуются внешние резисторы, то они должны
иметь номинал в интервале от 450 до 650 Ом и быть установлены
только в одном месте в пределах каждого сегмента сети (сегментами
считаются части сети между повторителями интерфейса).
Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 бит/с и 19200 бит/с, из них 19200 бит/с устанавливается "по
умолчанию". Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,38400
бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с, Скорость передачи должна выдерживаться
в передатчике с погрешностью не хуже 1%, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2%.
Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен
допускать подключение до 32 устройств, однако их количество может
быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способности передатчиков и входного сопротивления приемников, которые
должны быть приведены в документации на интерфейсы. Указание
этих параметров в документации является обязательным требованием
стандарта.
Максимальная длина магистрального кабеля при скорости передачи 9600 бит/с и сечении жил более 0,13 кв. мм составляет один км.
Отводы от магистрального кабеля не должны быть длиннее 20 м. При
использовании много портового пассивного разветвителя с N отводами
длина каждого отвода не должна превышать значения 40 м/N.
144
Modbus не устанавливает конкретных типов разъемов, но, если используются разъемы RJ45, mini-DIN или D-Shell, они должны быть
экранированными, а цоколевки должны соответствовать стандарту.
Для минимизации ошибок при монтаже рекомендуется использовать
провода следующих цветов: желтый - для положительного вывода RS485 (на котором устанавливается логическая "1", когда через интерфейс выводится логическая "1"); коричневый - для второго вывода интерфейса RS-485; серый - для общего провода.
Типовым сечением кабеля является 0,2 кв. мм, диаметр провода
0,51 мм. При использовании кабеля категории пять его длина не
должна превышать 600 м. Волновое сопротивление кабеля желательно
выбирать более 100 Ом, особенно для скорости обмена более 19200
бит/с.
Канальный уровень
Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут
быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства
также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой
момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена.
Адреса с 1 по 247 являются адресами Modbus устройств в сети, а с
248 по 255 зарезервированы. Ведущее устройство не должно иметь адреса и в сети не должно быть двух устройств с одинаковыми адресами.
Ведущее устройство может посылать запросы всем устройствам одновременно ("широковещательный режим") или только одному. Для широковещательного режима зарезервирован адрес "0" (при использовании в команде этого адреса она принимается всеми устройствами сети).
Описание кадра протокола Modbus
В протоколе Modbus RTU сообщение начинает восприниматься
как новое после паузы (тишины) на шине длительностью не менее 3,5
145
символов (14 бит), т. е. величина паузы в секундах зависит от скорости
передачи.
Формат кадра показан на рис.104. Поле адреса всегда содержит
только адрес ведомого устройства, даже в ответах на команду, посланную ведущим. Благодаря этому ведущее устройство знает, от какого
модуля пришел ответ.
Рис.104 Формат кадра протокола Modbus RTU [54]
Поле «Код функции» говорит модулю о том, какое действие нужно выполнить. Поле «Данные» может содержать произвольное количество
байт. В нем может содержаться информация о параметрах, используемых в запросах контроллера или ответах модуля. Поле «Контрольная
сумма» содержит контрольную сумму CRC длиной два байта.
Структура данных в режиме RTU
В режиме RTU данные передаются младшими разрядами вперед
(рис.105).
Стартовый
бит
1
МЗР
2
3
4
5
6
7
8
Бит
паритета
Стопбит
Рис.105 Последовательность битов в режиме RTU;
МЗР – младший значащий разряд. При отсутствии бита паритета на его место
записывается второй стоп-бит
По умолчанию в RTU режиме бит паритета устанавливают равным
1, если количество двоичных единиц в байте нечетное, и равным 0,
если оно четное. Такой паритет называют четным (even parity) и метод
контроля называют контролем четности. При четном количестве двоичных единиц в байте бит паритета может быть равен 1. В этом случае
говорят, что паритет является нечетным (odd parity).
146
Контроль четности может отсутствовать вообще. В этом случае вместо бита паритета должен использоваться второй стоповый бит. Для
обеспечения максимальной совместимости с другими продуктами рекомендуется использовать возможность замены бита паритета на второй стоповый бит.
Ведомые устройства могут воспринимать любой из вариантов: четный, нечетный паритет или его отсутствие.
Структура Modbus RTU сообщения
Сообщения Modbus RTU передаются в виде кадров, для каждого
из которых известно начало и конец. Признаком начала кадра является
пауза (тишина) продолжительностью не менее 3,5 шестнадцатеричных
символов (14 бит). Кадр должен передаваться непрерывно. Если при
передаче кадра обнаруживается пауза продолжительностью более 1,5
шестнадцатеричных символа (6 бит), то считается, что кадр содержит
ошибку и должен быть отклонен принимающим модулем. Эти величины пауз должны строго соблюдаться при скоростях ниже 19200
бит/с, однако при более высоких скоростях рекомендуется использовать фиксированные значения паузы, 1,75 мс и 750 мкс соответственно.
Контроль ошибок
В режиме RTU имеется два уровня контроля ошибок в сообщении:
- контроль паритета для каждого байта (опционно);
- контроль кадра в целом с помощью CRC метода.
CRC метод используется независимо от проверки паритета. Значение CRC устанавливается в ведущем устройстве перед передачей. При
приеме сообщения вычисляется CRC для всего сообщения и сравнивается с его значением, указанным в поле CRC кадра. Если оба значения
совпадают, считается, что сообщение не содержит ошибки. Стартовые,
стоповые биты и бит паритета в вычислении CRC не участвуют.
147
3.9. Протокол Lora Wan
LPWAN (англ. Low-power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия») - беспроводная технология передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанная для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей. LPWAN является одной из беспроводных
технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров [55].
Технология LoRa (от англ. Long Range) появилась на свет под эгидой некоммерческой организации «LoRa Alliance», основанной такими
компаниями, как IBM, Semtech, Cisco, Kerlink, IMST, MultiTech,
Microchip Technology и др., с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для глобальных сетей с
низким энергопотреблением (LPWAN – от англ. Low Power Wide Area
Network).
Технология LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях, разработанный и запатентованный фирмой Semtech
Corporation, и открытый протокол LoRaWAN, разработанный и представленный в 2015 г. Semtech Corporation и исследовательским центром IBM Research. Основными преимуществами технологии LoRa, являются:
- возможность автономной работы конечных устройств вплоть до 10
лет от одного аккумулятора типоразмера АА за счет сверхнизкого
энергопотребления LoRa-модемов (в режиме приема данных – от 9,7
мА, в режиме передачи – от 40мА, в режиме сна – 200 нА);
- высокая помехоустойчивость за счет возможности демодуляции сигналов на уровне ~20dB ниже уровня шумов.
В Российской федерации протокол внедряется в системах коммерческого учета энергоресурсов. [56]
Для Российской Федерации в рамках «LoRa Alliance» разработан
проект отдельного регионального частотного диапазона, представляющего из себя урезанный диапазон "EU 863-870MHz ISM Band", определенный
для
Европейского
союза
(LoRaWAN_RU-868Regional_Parameters_v1.0) - RU 864-869MHz ISM Band.
148
В части диапазона "RU 864-869MHz ISM Band" решением ГКРЧ
при Мининформсвязи России №07-20-03-001 от 07.05.2007 "О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия" (далее –
Решение ГКРЧ) определена возможность использования полос радиочастот для применения устройств малого радиуса действия без оформления отдельных решений ГКРЧ и разрешений на использование радиочастот или радиочастотных каналов для каждого конкретного пользователя (за исключением оговоренных случаев) при выполнении следующих условий:
- соответствия технических характеристик, условий использования и
типов устройств малого радиуса действия основным техническим характеристикам, условиям использования и типам, указанным в Приложениях к решению ГКРЧ;
- устройства малого радиуса действия не должны создавать недопустимых помех и не должны требовать защиты от помех со стороны радиоэлектронных средств, работающих в соответствии с Таблицей распределения полос частот между радио службами Российской Федерации;
- регистрации устройств малого радиуса действия в установленном в
Российской Федерации порядке.
Архитектура сетей LoRa
Сеть LoRaWAN состоит из следующих элементов: конечное
устройство, шлюзы, сетевой сервер и сервер приложений рис.106.
Конечное устройство - предназначено для осуществления управляющих или измерительных функций. Содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов.
Шлюз – устройство, принимающее данные от конечных устройств
с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть. В качестве транзитной сети могут выступать сеть Ethernet, WiFi или сети подвижной радиотелефонной связи. Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Обычно данное устройство содержит многоканальные приёмопередатчики для обработки сигналов в
нескольких каналах одновременно или даже, нескольких сигналов в
149
одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивает зону радио покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными устройствами и сервером.
Сетевой сервер - предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых
данных.
Сервер приложений - может удаленно контролировать работу конечных устройств и собирать необходимые данные с них.
Рис.106 Структура сети LoRaWan [56]
LoRaWAN сеть имеет топологию звезда, имеет конечные устройства, которые через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются
с центральным сервером сети. При таком подходе обычно предполагается, что шлюзами и центральным сервером владеет оператор сети, а
конечными устройствами – абоненты. Абоненты имеют возможность
прозрачной двунаправленной и защищенной передачи данных до конечных устройств.
Преимущества LoRaWAN:
- большая дальность передачи радиосигнала по сравнению с другими
беспроводными технологиями, используемыми для телеметрии, достигает 10-15 км.;
- низкое энергопотребление у конечных устройств, благодаря минимальным затратам энергии на передачу небольшого пакета данных;
- высокая проникающая способность радиосигнала в городской застройке при использовании частот субгигагерцового диапазона;
- высокая масштабируемость сети на больших территориях;
- отсутствие необходимости получения частотного разрешения и
платы за радиочастотный спектр, вследствие использования не лицензируемых частот.
150
Недостатки LoRaWAN:
- относительно низкая пропускная способность, варьируется в зависимости от используемой технологии передачи данных на физическом
уровне, составляет от нескольких сотен бит/с до нескольких десятков
кбит/с.;
- задержка передачи данных от датчика до конечного приложения,
связанная с временем передачи радиосигнала, может достигать от нескольких секунд до нескольких десятков секунд;
- отсутствие единого стандарта, который определяет физический слой
и управление доступом к среде для беспроводных LPWAN-сетей;
- риски зашумленности спектра нелицензированного диапазона частот;
- технология модуляции LoRa, «закрытая» патентом Semetech;
- ограничение мощности сигнала.
Примером является, линейка продуктов стандарта LoRa от компании Mikrotik, таких как: комплект готового решения wAP LoRa8 (код
продукта RBwAPR-2ND & R11e-LoRa8), карта-концентратор
LoRaWAN R11e-LoRa8 и набор LoRa антенны с кабелем SMA/. [57]
Набор wAP LoRa8 (RBwAPR-2ND & R11e-LoRa8) содержит предварительно установленный сервер пересылки показаний датчиков на
основе пакетов UDP для любых общедоступных или частных серверов
LoRa и внешнюю защищенную от непогоды беспроводную точку доступа с интерфейсом WLAN 2,4 ГГц и портом Ethernet.
Дополнительно представленная карта-концентратор LoRaWAN
R11e-LoRa8 представляет собой карту-концентратор в форм-факторе
mini PCIe на основе чипсета Semtech SX1301 рис.107. Концентратор
LoRaWAN может подключаться к любому утройству MikroTik, у которого есть слот mPCIe с подключаемыми USB-линиями.
Этот концентратор поддерживает 8 различных каналов, функции
прослушивания канала до начала передачи пакетов (LBT) и функцию
спектрального сканирования.
151
Рис.107 Карта-концентратор LoRaWAN [57]
Классы устройств LoRa
Для решения различных задач и применений в сети LoRaWAN
предусмотрено три класса конечных устройств для двунаправленного
обмена:
- конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A).
Конечные устройства «класса А» позволяют организовать двунаправленный обмен. Причем связь может инициировать только конечное
устройство, после чего выделяются два временных окна, в течение которых ожидается ответ от сети. Интервал передачи планируется конечным устройством на основе собственных потребностей в связи с небольшими случайными временными флуктуациями (протокол типа
ALOHA). Конечные устройства «класса А» применяются в приложениях, где передача данных от сети возможна только как ответная реакция на получения данных от конечного устройства и требуется максимальное время работы от автономного источника питания.
- конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B)
в дополнение к функциям устройств «класса А», открывают дополнительные окна приема по расписанию. Для того, чтобы открыть окно
приема, конечное устройство синхронизируется по специальным сигналам от шлюза (по маякам – Beacon). Это позволяет сети знать время,
когда конечное устройство готово принимать данные.
- конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном
(Bi-directional end-devices, Class C). Конечные устройства «класса С»
имеют почти непрерывно открытое окно приема. Приемное окно закрывается только на время передачи данных. Этот тип конечных
устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие
152
объемы данных и не требуется длительная работа от автономного источника питания.
Физический уровень (PHY Layer)
На физическом уровне обеспечивается негарантированная передача
блоков данных между конечным устройством (End Node) и шлюзом
LoRa (Gateway).
На стороне передающего устройства выполняется:
- прием блока данных от MAC уровня (PHYPayload);
- формирование физического заголовка пакета (PHDR + PHDR_CRC);
- кодирование физического заголовка пакета (PHDR + PHDR_CRC) с
фиксированной скоростью 4/8;
вычисление контрольной суммы блока полезных данных
PHYPayload (CRC);
- кодирование блока полезных данных (PHYPayload + CRC) с предустановленной скоростью CR;
- передача по радиоканалу преамбулы;
- модуляция и передача по радиоканалу физического блока данных.
На стороне приемного устройства выполняется:
- обнаружение преамбулы и определение начала физического блока
данных;
- демодуляция сигнала;
- декодирование физического заголовка пакета (PHDR + PHDR_CRC)
и проверка его контрольной суммы;
- декодирование блока полезных данных (PHYPayload + CRC) и проверка его контрольной суммы;
- подтверждение принятых данных (для соответствующих типов сообщений);
- передача данных на MAC уровень.
На рис.108 приведены форматы физических блоков данных нисходящего (DL) и восходящего (UL) каналов:
153
Рис.108 Форматы физических блоков данных [56],
Где:
1. Preamble - преамбула, используемая для синхронизации приемника
с входящим потоком и определения начала физического блока данных.
Длина преамбулы для чипа Semtech SX1272 является программируемой.
2. PHDR - физический заголовок пакета. Присутствует только при использовании явного режима (explicit mode) и содержит:
- длину полезной нагрузки в байтах;
- скорость кодирования;
- наличие в физическом блоке данных опционального поля CRC.
При использовании неявного режима (implicit mode) физический заголовок пакета не передается и устройства работают с предустановленными параметрами.
3. PHDR CRC контрольная сумма поля PHDR.
4. PHYPayload – полезная нагрузка (блок данных, полученный от
уровня MAC / передаваемый на уровень MAC).
5. CRC - контрольная сумма поля PHYPayload (опциональное поле).
При этом заголовок PHDR кодируется избыточным кодом с фиксированной скоростью 4/8; полезная нагрузка – с программируемой скоростью.
154
MAC уровень
На MAC уровне обеспечивается:
- передача блоков данных между конечным устройством и сетевым
сервером (возможна передача сообщений с подтверждением и без подтверждения получения);
- шифрование (на уровне сети) полезной нагрузки, передаваемой
между конечным устройством и приложением;
- управление выделением окон передачи данных в линии «вниз»;
- адаптация скорости передачи данных.
Безопасность в сетях LoRa
Протокол LoRaWAN определяет шифрование для обеспечения безопасности данных, конкретно:
- ключи AES128 для каждого устройства
- мгновенная регенерация / отзыв ключей устройства
- пакетное шифрование полезной нагрузки для конфиденциальности
данных
- защита от повторных атак
- защита от атак "человек посередине" LoRa использует два ключа;
Ключи сеанса сети и сеанса приложения, оба из которых обеспечивают
раздельную, зашифрованную связь для управления сетью и взаимодействия приложений.
Ключ сеанса сети, совместно используемый устройством и сетью,
отвечает за аутентификацию данных конечного узла, в то время как
ключ сеанса приложения, совместно используемый приложением и конечным узлом, отвечает за обеспечение конфиденциальности данных
устройства.
В сети LoRaWAN обеспечивается полная конфиденциальность данных при прохождении всех задействованных в цепочке устройств, при
этом содержимое пакета доступно только отправителю (конечному
устройству) и получателю (приложению), для которого оно предназначено. Сетевой сервер оперирует данными в зашифрованном виде, производит аутентификацию и проверяет целостность каждого пакета, но
при этом не имеет доступа к полезной нагрузке, т.е. к информации от
155
подключенных сенсоров (за исключением использования нерекомендуемых сценариев, в которых шифрование полезной нагрузки выполняет сетевой сервер с использованием ключа NwkSKey, а не сервер
приложений; в дальнейшем данный сценарий не рассматривается).
В сети используются три вида ключей. Ключ аутентификации
приложения AppKey известен только конечному устройству и серверу
приложений. В случае если конечное устройство подключается к сети
в режиме Over-The-Air-Activation (OTAA), ключ аутентификации приложения AppKey используется для вычисления сетевого ключа
NwkSKey и ключа приложения AppSKey.
В случае если конечное устройство подключается к сети в режиме
Activation By Personalization (ABP), ключи NwkSKey и AppSKey предустановлены на конечном устройстве. Ключ NwkSKey известен сетевому серверу и конечному устройству и используется для проверки целостности каждого сообщения, используя Message Integrity Code
(MIC). MIC вычисляется по алгоритму AES-CMAC, который аналогичен контрольной сумме, за исключением того, что он предотвращает
умышленную подделку сообщений. Ключ приложения AppSKey используется для шифрования полезной нагрузки, используя алгоритм
AES-128, между конечным устройством и сервером приложений.
Активация конечных устройств
Для подключения к сети LoRaWAN каждое конечное устройство
должно быть идентифицировано и активировано в сети. Предусмотрено два режима активации конечных устройств, активация по воздуху
Over-The-Air Activation (OTAA) и активация персонализацией –
Activation by Personalization (ABP).
Активация по воздуху Over-The-Air Activation (OTAA) рис.109.
При активации по воздуху конечные устройства LoRa не привязаны
жестко к какой-то конкретной сети. На конечных устройствах LoRa
прописываются идентификатор устройства (DevEUI), индификатор
приложения (AppEUI) и ключ приложения (AppKey). Конечное
устройство при активации инициирует JOIN процедуру. Ключи шифрования (AppSKey и NwkSKey), необходимые для передачи информа-
156
ции, вычисляются самим конечным устройством. Данный метод активации обеспечивает высокий уровень безопасности и рекомендуется
для использования.
Рис.109 Активация по воздуху Over-The-Air Activation (OTAA) [56]
Активация персонализацией Activation by Personalization (ABP)
рис.110. При активации персонализацией конечные устройства жестко
прописываются для работы в конкретной сети оператора. Конечные
устройства прошиваются с определенными сетевым ключом
(NwkSKey) и ключом приложения (AppSKey). Данный метод активации (в связи с низким уровнем безопасности и сложностью реализации) не рекомендуется использовать для коммерческих сетей.
Рис.110 Активация персонализацией Activation by Personalization (ABP) [56]
157
3.10. Технология «Интернет вещей»
Интернет вещей (Internet of Things, (IoT)) - строится на базе разветвленной сети устройств, использующих интернет: сенсорных датчиков
и других приборов, считывающих, фиксирующих определенные физические параметры. Изначально вся концепция IoT строилась на использовании технологии радиочастотной идентификации (англ. Radio
Frequency Identification; RFID) и беспроводной сенсорной сети (БСС).
Эта распределенная сеть предусматривает использование одного или
нескольких радиочастотных каналов. На рис.111 показана архитектура
системы IoT.
Через каналы связи, объединенные в сеть устройства, взаимодействуют друг с другом. Площадь покрытия таких локальных сетей может составлять от нескольких десятков метров до нескольких квадратных километров. Основным радиочастотным каналом, которой будет
использован в IoT, является диапазон частот от 3 до 3.9 ГГц. Этот диапазон частот выбран не случайно. Он сопрягается с частотами, на которых, как предполагается, будет работать спутниковый сегмент широкополосного Интернета (проекты One Web или Sky Link).
Рис.111 Архитектура сети IoT [58]
По сферам применения и перспективам использования IoT можно
структурировать следующим образом:
158
- сфера робототехники и автоматизации производства. Уже существуют сборочные предприятия полного цикла, где нет ни одного человека;
- сфера логистики. Сюда входят транспортная логистика, складская и
внутризаводская;
- системы бизнес - клиент (В2С). Для них важен аспект оптимизации
издержек продаж товаров. Это интернет - магазины и супермаркеты,
службы доставки, маркетинга и рекламы, сервисные бизнесы, в том
числе и финансовые услуги.
Архитектура «Интернета вещей» охватывает сети и коммуникации, «умные» объекты, веб-сервисы и приложения, бизнес-модели и
соответствующие процессы, совместную обработку данных, безопасность и т. д. С точки зрения технологии при разработке архитектуры
«Интернета вещей» нужно продумать ее расширяемость, масштабируемость, модульность и возможность взаимодействия гетерогенных
устройств. Поскольку «вещи» могут передвигаться или нуждаться во
взаимодействии с окружающей средой в режиме реального времени,
необходима адаптивная архитектура. Также децентрализованная и гетерогенная. Предлагается вариант рис.112 рассмотрения системы IoT,
как четырех уровневой структуры: уровень зондирования; сетевой уровень; сервисный уровень; интерфейсный уровень.
Уровень зондирования - интегрирован с существующими аппаратными средствами (RFID, датчиками, исполнительными механизмами и
т.д.), для того чтобы распознавать/контролировать физический мир и
собирать соответствующие данные. Поскольку все больше и больше
устройств оснащается RFID- или интеллектуальными датчиками, подключение «вещей» становится все более простым. На уровне зондирования беспроводные смарт-системы с метками или датчиками могут
автоматически распознаваться и обмениваться информацией с различными устройствами. В некоторых отраслях промышленности уже развернуты схемы интеллектуальных служб, а универсальные уникальные
идентификаторы (UUID) назначаются каждому необходимому сервису
или устройству. Устройство с UUID можно легко обнаружить и идентифицировать, поэтому идентификаторы UUID имеют решающее значение для успешного развертывания сервисов в такой огромной сети,
как «Интернет вещей».
159
Сетевой уровень - обеспечивает базовую сетевую поддержку и передачу данных по беспроводной или проводной сети. Роль сетевого
уровня состоит в том, чтобы позволить устройствам обмениваться информацией с другими связанными «вещами». Кроме того, сетевой уровень способен использовать информацию из существующих ИТ-инфраструктур (например, бизнес-систем, транспортных систем, электросетей, информационных и коммуникационных систем и т. д.). В
сервис-ориентированном «Интернете вещей» сервисы, предоставляемые «вещами», обычно развертываются в гетерогенной сети, и все связанные «вещи» заносятся в сервисы Интернета. Этот процесс может
включать в себя управление качеством обслуживания сервиса (QoS) и
службу контроля в соответствии с требованиями пользователей или
приложений. С другой стороны, важным для динамично меняющейся
сети являются автоматическое обнаружение и сопоставление карты
«вещей» в сети. Устройствам автоматически должны назначаться роли
для развертывания, управления и планирования поведения таким образом, чтобы можно было переключаться на любую другую роль в любое
время по мере необходимости. Эти возможности позволяют устройствам выполнять задания совместно. При проектировании сетевого
уровня «Интернета вещей» разработчики должны решить вопросы выбора технологии сетевого управления для неоднородных сетей (например, фиксированной, беспроводной, мобильной и т. п.), эффективности
использования энергии в сетях, требований QoS (качества сервисов),
служб обнаружения и извлечения данных и обработки сигнала, а также
безопасности и конфиденциальности [59].
Сервисный уровень - на этом уровне создаются сервисы и осуществляется управление ими. Сервисный уровень опирается на технологию
связующего ПО (англ. middleware – промежуточное, межплатформенное ПО), которое обеспечивает функциональные возможности для интеграции сервисов и приложений в сфере IoT. Технология middleware
предоставляет «Интернету вещей» экономичную платформу, где аппаратные и программные платформы могут использоваться повторно. В
настоящее время различные организации занимаются разработкой спецификаций сервиса для промежуточного ПО (middleware). Правильно
спроектированный сервисный уровень сможет определить общие требования, а также предоставить интерфейсы прикладного программиро-
160
вания (API) и протоколы для поддержки необходимых сервисов, приложений и потребностей пользователей. Этот уровень также обрабатывает все сервис-ориентированные проблемы, включая обмен информацией и хранение данных, управление данными, поисковые системы и
коммуникации.
Интерфейсный уровень - обеспечивает взаимодействие между
пользователями и со сторонними приложениями. Большинство
устройств для «Интернета вещей» разрабатывается разными производителями, и они не всегда применяют одинаковые стандарты и протоколы. Из-за такой неоднородности возникают проблемы взаимодействия, связанные с обменом информацией, установлением связи между
устройствами и совместной обработкой событий различными «вещами». Кроме того, постоянное развитие устройств, участвующих в
«Интернете вещей», усложняет их динамическое подключение, взаимодействие, управление и отключение. Интерфейсный профиль (IFP)
можно рассматривать как подмножество сервисных стандартов, поддерживающих взаимодействие с приложениями, развернутыми в сети.
Рис.112 Четыре уровня сети IoT [59]
161
Глава 4. ДАТЧИКИ
Датчик (сенсор, от англ. sensor) - первичный
преобразователь,
элемент
измерительного,
сигнального,
регулирующего
или
управляющего
устройства
системы,
преобразующий контролируемую величину в удобный для
использования электрический сигнал.
Датчики можно разделить по виду выходного сигнала:
дискретные и аналоговые, или по принципу преобразования
физической величины в электрический сигнал. Активными входными
величинами являются параметры энергии электрической, магнитной,
тепловой, механической, акустической, радиационной и химической
природы. Приведём перечень основных активных входных величин.
Электрическая энергия: напряжение; ЭДС; потенциал; ток; заряд;
мощность; энергия.
Магнитная энергия: маrнитодвижущая сила; магнитный поток;
магнитная индукция.
Механическая энергия: сила; масса; давление; механическое
напряжение; скорость; ускорение; мощность; энергия.
Акустическая энергия: акустическое давление; интенсивность
звука; мощность; энергия.
Тепловая
энергия:
температура;
тепловой
поток;
термодинамический потенциал.
Оптическая энергия: мощность излучения; поток излучения;
освещенность; яркость; спектральная плотность; сила света; световой
поток.
Ионизационная энергия: энергия излучения; мощность дозы
излучения; поток излучения.
Химическая энергия: молярная энергия; химический потенциал.
Пассивные
сигналы
при
восприятии
нуждаются
в
преобразовании их в активные, эквивалентные входным
энергетические сигналы. Затем, так же как и сигналы активных
датчиков, они воспринимаются и преобразуются с помощью
определённоrо физического эффекта в веществе чувствительного
элемента в измерительный сигнал. Приведём перечень пассивных
входных величин.
162
Электрическая
энергия:
проводимость;
сопротивление;
диэлектрическая проницаемость.
Магнитная энергия: магнитная проницаемость; индуктивность;
взаимоиндуктивность.
Механическая энергия: масса; механическое сопротивление;
вязкость; трение; твердость; длина; площадь; объем; расход.
Акустическая энергия: акустическое сопротивление; акустическая
проницаемость; коэффициенты поглощения, отражения и рассеивания.
Тепловая энергия: теплоемкость; коэффициенты теплопроводности,
теплопередач.
Оптическая энергия: коэффициенты отражения, рассеивания,
пропускания, преломления; цвет; поляризация.
Ионизационная энергия: постоянная радиоактивного распада;
коэффициент поглощения.
Химическая
энергия:
молярный
объем;
диффузия;
концентрация; молярная энтропия.[60]
Датчики могут классифицироваться в зависимости от параметров
следующим образом:
- по виду входных величин: активные; пассивные;
- по количеству входных величин: одномерные (п = 1);
многомерные (п = 2, 3 ... n);
- по количеству измерительных функций: однофункuиональные (т
= 1 ); многофункциональные (т = 2, 3 ... т);
по
количеству
преобразований
энергии
вещества:
одноступенчатые; многоступенчатые;
по
наличию
компенсационной
обратной
связи:
компенсационные; некомпенсационные;
- по виду модуляции выходного сигнала: амплитудные; частотные
и фазовые; непрерывные; импульсные;
- по технологии изготовления: элементные; интегральные;
по восприятию пространственных величин: точечные;
пространственные;
- по взаимодействию с источниками информации: контактные;
бесконтактные (дистанционного действия);
- по виду измерительных сигналов: аналоговые; цифровые.
по динамическому характеру сигналов преобразования:
дискретные (дискретное представление в виде импульсной
163
последовательности);
непрерывные
(представлены
в
виде
непрерывного процесса);[60]
Индуктивные. Активируются наличием металла в зоне
срабатывания. Другие названия – датчик приближения, датчик
положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный
выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. По-английски
пишут “proximity sensor”. Фактически это - датчик металла.
Оптические. Активируются наличием светового потока. Другие
названия - фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический
выключатель.
Емкостные. Активируются при наличии практически любого
предмета или вещества в поле активности.
Механические. Обычный пассивный выключатель.
Тензорные. Активируются при механическом воздействии,
которое меняет электрические свойства первичного преобразователя.
Виды выходов датчиков по полярности
У всех дискретных датчиков может быть три вида выходов в
зависимости от вида выходного элемента:
А) Релейный выход. Реле коммутирует необходимое напряжение
либо один из проводов питания рис.113. При этом обеспечивается
полная гальваническая развязка от схемы питания датчика, что
является основным достоинством такой схемы. Независимо от
напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с
любым напряжением.
Рис. 113 Принцип действия выхода релейного датчика [62]
Б) Транзисторный PNP датчик рис.114. На выходе – транзистор
PNP, то есть коммутируется “плюсовой” провод. К “минусу” нагрузка
подключена постоянно.
164
Рис. 114 Принцип действия выхода PNP датчика
В) Транзисторный NPN датчик рис.115. На выходе – транзистор
NPN, то есть коммутируется “минусовой”, или нулевой провод. К
“плюсу” нагрузка подключена постоянно.
Рис.115 Принцип действия выхода NPN датчика
ВАЖНО!!!
Промышленные
датчики
как
элементы
промышленной
автоматики
сопровождаются
следующими
документами, разрешающими их применение:
- техническими условиями ТУ;
- сертификатом соответствия ГОСТ-Р;
- они должны быть внесены в государственный реестр средств
измерений;
- разрешение на применение от федеральной службы;
- паспорт с отметкой текущей поверки метрологической службы
с указанием интервала поверки.
165
4.1. Датчики температуры
Целью данного параграфа является обзор датчиков температуры
промышленной автоматики. Обзор не претендует на полный анализ
существующих решений, но обращает внимание на разнообразие
применяемых принципов преобразования, используемых в датчиках, и
одновременно разнообразие применяемых интерфейсов – проводных и
беспроводных. Что позволяет разработчику систем автоматики
выбрать датчик для конкретного применения на основе разнообразных
критериев: стоимости; быстродействия; помехоустойчивости;
применяемого канала связи и других требований.
Однако все датчики температуры можно разделить на две
большие группы – аналоговые и цифровые. Аналоговые обычно
преобразуют измеряемую величину в электрический токовый сигнал 420 мА. Цифровые в своей основе имеют сигнальный микропроцессор,
который выполняет цифровую обработку аналогового сигнала, и
предоставляет пользователю измеряемую величину в виде цифрового
кода. Причем микропроцессор предоставляет возможность выполнять
целый ряд сервисных функций: архивирования данных; активирование
датчика в определенное время; активирование вигнала «АВАРИЯ» по
уровню измеряемой величины и другие.
Аналоговые датчики температуры
Аналоговые датчики температуры имеют встроенный преобразователь, обеспечивающий в диапазоне измерения выходной токовый
аналоговый сигнал 4-20 мА. Применяются с внешними или встроенными источниками питания – обычно +24 В. Аналоговые датчики температуры можно разделить по принципу работы:
- термопарные;
- резистивные;
- транзисторные.
Термопарные датчики температуры
166
Термопара - пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры рис.116.
В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:
- ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
- ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
- ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
- ТЖК – железо-константановые (тип J);
- ТМКн – медь-константановые (тип T);
- ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
- ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
- ТХКн – хромель-константановые (тип E);
- ТХК – хромель-копелевые (тип L);
- ТМК – медь-копелевые (тип M);
- ТСС – сильх-силиновые (тип I);
- ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).
Рис. 116. Внешний вид датчика температуры на базе термопары [63]
Принцип действия датчиков основан на эффекте Зеебека или термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо
проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки разнородных проводников находятся при разных температурах, разность потенциалов
между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС.
У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных
167
проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1,
мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур: Т1-Т2.
Преимущества датчиков на основе термопар:
- высокая точность измерения значений температуры (вплоть до
±0,01 °С);
- большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до
+2500 °C:
- простота конструкции;
- низкая стоимость;
- надёжность.
В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут
иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и
двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус
колбы, так и незаземленными. Схемы таких конструкций показаны на
рис.117.
Рис. 117. Типы спаев в термопаре [64]
Буквами обозначены варианты сваев:
- И – один спай, изолированный от корпуса;
- Н – один спай соединённый с корпусом;
- ИИ – два спая изолированных друг от друга и от корпуса спая;
- 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
- ИН – два спая, один из которых заземлён;
- НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.
Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что
повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений
в режиме реального времени.
168
Для термопар типа К применяется схема с микросхемой усилителя AD8495, которая показана на рис.118. Схема применяется для усиления сигнала с термопары.
Рис.118 Пример тракта измерения на базе термопары с усилителем AD8495[65]
В качестве примера подключения термопары к микроконтроллеру на рис. 119 показана схема, использующая микросхему MAX6675.
[67]
Рис. 119. Схема подключения термопары к микроконтроллеру с помощью
миеросхемы MAX6675
Микросхемы MAX6675 и MAX31855KASA+ предназначены для
получения температуры с термопар K типа. Микросхемы подключаются к микроконтроллеру при помощи SPI интерфейса по трем проводам (обеспечивается только режим чтение).
169
Резистивные датчики температуры
Принцип работы резистивных температурных датчиков (РТД) основан на свойстве металлов к изменению своего электрического сопротивления при изменении температуры. Сопротивление отрезка провода прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально
площади поперечного сечения:
где R – сопротивление отрезка провода, р – коэффициент электрической проницаемости материала провода, L- длина, а – площадь
поперечного сечения проводника.
Датчики РТД изготавливают двух видов: проволочные или тонкопленочные.
Проволочные датчики наматывают очень тонким платиновым
или медным проводом на катушку до получения сопротивления равным 100 Ом. Затем катушка вставляется в керамическую оправку для
предотвращения замыканий на корпус и обеспечения вибро устойчивости.
Тонкопленочные датчики изготавливаются методом осаждения
тонкого слоя платины или ее сплавов на керамическое основание и следующей подгонки сопротивления резистора к требуемому значению.
После этого элементы датчика для обеспечения влаго устойчивости покрываются стеклом или эпоксидной смолой. Преимуществом тонкопленочных датчиков по сравнению с проволочными является то, что
по этой технологии можно получить более высокоомные датчики при
значительно меньших габаритах. Это ведет к увеличению разрешения
на градус и, соответственно, минимизирует ошибки, вызываемые сопротивлением подводящих проводов. Например, выпускаются датчики, имеющие сопротивление 1000 Ом при 0 °С. Тонкопленочные
датчики восприимчивы к деформации, и имеют максимальный температурный коэффициент 0,00385 Ом/ (Ом ·°C).
Промышленные датчики могут выпускаться в корпусах с погружным измерительным элементом (в трубу), с накладным измерительным
элементом (на трубу) и встроенным измерительным элементом в герметичный корпус, как показано на рис.120.
170
Рис.120 Аналоговый температурный датчик с накладным, встроенным
и погружным измерительным элементом 4-20 мА
На рис.121 показана схема подключения таких датчиков к
аналоговому входу ПЛК с использованием внешнего источника
питания. Один источник питания +24 В может использоваться для
подключения к ПЛК нескольких датчиков с выходом 4-20 мА.
Рис.121 Схема подключения аналоговых датчиков к ПЛК с
использованием внешнего источника питания +24 В
Транзисторные датчики температуры
Полупроводниковые датчики температуры предназначены для
измерения температуры в диапазоне от -55° до 150°С. В этот диапазон
попадает огромное количество задач, как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Благодаря высоким характеристикам, простоте
применения и низкой стоимости полупроводниковые датчики температуры оказываются очень привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики. [66]
Физический принцип работы полупроводникового термометра
основан на зависимости от температуры напряжения на p-n переходе,
смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем
171
коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, или транзисторы, включенные по схеме диода рис.122.
Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока
через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение
напряжения на датчике.
Рис.122 Принцип действия транзисторного аналогового
датчика температуры
Схемы, использующие одиночный p-n переход, отличаются низкой точностью и большим разбросом параметров, связанным с особенностями изготовления и работы полупроводниковых приборов. Поэтому промышленность выпускает множество типов специализированных датчиков, имеющих в своей основе вышеописанный принцип, но
дополнительно оснащенных цепями, устраняющими негативные особенности.
Для устранения всех отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода, используется специальная схема, содержащая в
своем составе два чувствительных элемента (транзистора) с различными характеристиками. Выходной сигнал формируется как разность
падений напряжения на каждом чувствительном элементе. Дальнейшее повышение точности измерения осуществляется калибровкой датчика с помощью внешних цепей.
Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от
±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность
лучше, чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. Как правило, в диапазоне от -25° до +100°С точность в полтора раза выше, чем в диапазоне измерений от -40°С до +125°С. Большинство аналоговых датчиков температуры, часто называемых инте172
гральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода. Третий вывод обычно используется для целей калибровки. Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, пропорциональное температуре. Величина изменения напряжения различна и, например, составляет 10мВ/градус. Для точного определения значения температуры необходимо знать падение напряжения при каком-либо ее
фиксированном значении. Обычно в качестве такового используется
значение начала диапазона измерений либо 0°С. В таблице 6 перечислены некоторые из моделей интегральных датчиков ряда производителей.
Таблица 6. Примеры моделей аналоговых датчиков температуры
Модель
Диапазон измерений
Точность
Температурный коэффициент
LM35
от -55°С до
+150°С
±2°С
10 мВ/°С
National
Semiconductor
LM135
от -50°С до
+150°С
±1.5°С
10 мВ/°С
National
Semiconductor
LM335
от -40°С до
+100°С
±2°С
10 мВ/°С
National
Semiconductor
TC1047
от -40°С до
+125°С
±2°С
10 мВ/°С
Microchip
TMP37
от -40°С до
+125°С
±2°С
20 мВ/°С
Analog Devices
Производитель
Цифровой датчик температуры
Цифровой датчик температуры фирмы Dallas 18B20 (внешний
вид покзан на рис.123) обладает следующими возможностями:
1) Использует интерфейсную шину данных 1-Wire для
взаимодействия с управляющей системой;
2) Обладает
уникальным
64-битным
последовательным
идентификационным кодом, расположенным во внутренней ROMпамяти и предназначенным для многоточечных систем, где
необходимо адресовать конкретный датчик;
173
3) Напряжение питания составляет от +3 В – до +5,5В, что
позволяет использовать его не только в +5-вольтовых системах, но и в
+3,3 В;
4) Диапазон измеряемой температуры составляет от -55…до +125
градусов цельсия;
5) Точность в ±0,5 градусов С, это верно только для диапазона от
-10…до +85 градусов С;
6) Разрешение преобразования определяется пользователем и
составляет 9…12 бит;
7) Имеет внутренние регистры триггеров верхнего и нижнего
порогов срабатывания с вырабатыванием сигнала тревоги для систем,
использующих термостатическую логику работы.
Рис. 123 Внешний вид цифрового датчика температуры Dallas 18B20
На рис.124 показана схема подключения цифрового датчика
температуры к UART микроконтроллера, с использованием
интерфейса 1-Wire Bus. Некоторые другие модели цифровых датчиков
приведены в таблице 7.
Рис. 124 Схема подключения датчика температуры
Dallas 18B20 к микроконтроллеру через UART
174
Таблица 7. Примеры некоторых моделей датчиков температуры с цифровым выходом
Модель
Диапазон
Точность
Разрешение
Интерфейс
Производитель
LM75
от -55°С
до +125°С
±3°С
9 бит
I2C
National
Semiconductor
LM76
от -55°С
до +150°С
±1.5°С
13 бит
I2C
National
Semiconductor
DS18B20
от -55°С
до +125°С
±2°С
9-12
бит
1-Wire
MAXIM
DS1621
от -55°С
до +125°С
±1°С
9 бит
I2C
MAXIM
DS1722
от -55°С
до +120°С
±2°С
12 бит
SPI
Dallas
Semiconduction
MCP9800
от -55°С
до +125°С
±3°С
12 бит
I2C
Microchip
MSP9808
от -40°С
до +125°С
±1°С
12 бит
I2C
Microchip
ADT7320
от -40°С
до +150°С
±0.25°С
16 бит
SPI
Analog Devices
Пирометры
Пирометр или инфракрасный термометр или термодетектор, или
даталоггер температуры - измерители отличаются тем, что для
процесса измерения температуры необходимого объекта или среды,
нет необходимости в соприкосновении датчика с объектом измерения.
Благодаря этому, устройства такого типа могут работать с очень
большими температурными показателями, а также с различными
агрессивными и жесткими средами. В основе его работы лежит
принцип определения температуры по тепловому электромагнитному
излучению практически любого объекта, например, как показано на
рис. 125. Лазерная указка в приборе применяется для
позиционирования точки измерения.
175
Рис. 125 Пример работы пирометра [68]
Подобные измерители успешно выполняют работу в энергетике,
металлургии, машиностроении, пищевой промышленности и так далее.
Пирометр проводит контроль уровня температуры там, где другие
датчики применить невозможно:
- это объекты, изготовленные из материалов с низкой
теплопроводностью (к примеру, при измерении температуры
контактным прибором, зонд должен пробиться через защиту оболочки,
что по причине низкой ее теплопроводности либо затруднено, либо
невозможно);
- это высокотемпературные процессы;
- это движущиеся элементы какой-то системы;
- это объекты под электрическим напряжением;
- это труднодоступные места для изменений;
- это агрессивные среды.
По сути пирометр определяет температурный уровень объекта
путем измерения величины электромагнитной энергии, который
выделяет объект в инфокрасном диапазоне. Существует несколько
видов пирометров. Их можно разделить по основной используемой
методике работы:
- инфракрасные (радиометры), использующие радиационный метод
для ограниченного инфракрасного волнового диапазона; для точного
наведения на цель они снабжены лазерным указателем;
- оптические пирометры, работающие не менее, чем в двух диапазонах:
инфракрасного излучения и спектра видимого света.
Оптические пирометры в свою очередь делятся на:
- яркостные, основанные на эталонном сравнении излучения предмета
с величиной излучения нити, сквозь которую пропускается электроток.
176
Значение силы тока и служит показателем измеряемой температуры
поверхности объекта;
- цветовой (или мультиспектральный), работающий по принципу
сравнения энергетических яркостей тела в различных областях
спектра, - используются как минимум два детектирующих участка.
По способу прицеливания: инструменты с оптическим или
лазерным прицелом.
По используемому коэффициенту излучения: переменный
коэффициент или фиксированный.
Примером стационарного пирометра является прибор OPTCTLT02
рис.126 производитель фирма Optris[69]
- тип: стационарный инфракрасный датчик температуры с внешним
блоком электроники;
- корпус: М12x1. Диапазон измерения: -50...+600 °C. Спектральный
диапазон: 8...14 мкм;
- оптическое разрешение: 2:1. Выходной сигнал: 4...20/0...20 мA;
0...5/0...10 В, термопары J/K + температура датчика/сигнализация;
- интерфейс: опция - USB, RS232, RS485.
- разрешение: 0,1 °C;
- температурный диапазон эксплуатации: -20...+130 °C;
- материал корпуса: нержавеющая сталь;
- питание: +8...+36 V DC;
Рис. 126 Внешний вид Стационарного пирометра OPTCTLT02 фирмы Optris
Тепловизор работает на том же принципе, что пирометр. Теплови́зор
(тепло + лат. vīsio «зрение; видение») -устройство для наблюдения за
распределением
температуры
исследуемой
поверхности.
Распределение температуры отображается на дисплее как цветная
картинка, где разным температурам соответствуют разные цвета.
177
Применяется как прибор для определения утечек тепла, прибор
ночного видения для поиска цели в военном применении, в медицине,
в службах МЧС.
Датчики температуры с интерфейсом RS-485
Датчики температуры фирмы ОВЕН [70] с цифровым интерфейсом
RS-485 предназначены для измерения температуры и непрерывного
преобразования температуры твердых, жидких, газообразных и
сыпучих веществ в цифровой сигнал RS-485, используют протокол
Modbus RT.
Датчики температуры с цифровым интерфейсом RS-485 ДТС-RS
изготавливаются на базе термометров сопротивления ДТСхх5 (50М,
100М, 100П и Pt100) и имеют в своем составе высокоточный
нормирующий преобразователь RS-485.
Термометры сопротивления ДТС-RS с RS-485 наиболее актуальны
при применении в распределенных АСУ ТП, с большим количеством
точек измерения и протяженными линиями связи, обмен данными в
которых осуществляется с помощью промышленного цифрового
интерфейса RS-485. Датчики температуры с RS-485 напрямую
подключаются к контроллерам и шлюзам, не требуя задействования
аналоговых входов контроллеров и модулей ввода.
Применение датчиков температуры с цифровым интерфейсом RS485 позволяет сделать линию связи более протяженной и более
надежной (по сравнению с датчиками температуры в исполнении
«сенсор» и выходом 4…20 мА).
Преимущества датчиков температуры ОВЕН с RS-485:
- передают данные об измеренной температуре по линии
промышленного интерфейса RS-485 (применяется в построении АСУ
ТП повсеместно);
- не занимают аналоговые входы микроконтроллера;
- удешевляют и упрощают монтаж датчиков в распределенных
системах за счет высвобождения аналоговых входов;
- упрощают добавление нового датчика в функционирующую АСУ ТП;
- увеличивают помехоустойчивость линии связи;
- увеличивают длину линии связи с ПЛК до 1200 метров.
178
Аналоговый датчик давления
Датчик преобразователь давления фирмы ОВЕН ПД-100 для общепромышленных применений и обладает сертификатом и разрешением на применение в промышленной автоматике. Заказчик может выбрать датчик с точностью измерения 0,5 %. Датчик имеет стандартный
выходной сигнал 4 – 20 mа.
Датчик давления ПД-100 используют для измерения избыточного давления, мановакууметрического давления, абсолютного давления, а также он рассчитан на низкие диапазоны давлений. Для работы
датчика требуется внешний источник питания +24 В. Схема двухпроводного подключения датчика давления к микроконтроллеру или ПЛК
показана на рис.127. Схема подключения аналогична схеме подключения аналоговых температурных датчиков. Rн – резистор нагрузки имитирующий точки подключения к аналоговому входу ПЛК.
Рис.127 Схема подключения датчика температуры ПД-100
к микроконтроллеру
Для контроля и измерения низких значений давления величиной
от 1 кПа в промышленности, лабораториях, а также на различном оборудовании, машинах и механизмах используют специальные датчики
(преобразователи) низкого давления. Их особенностью является небольшой интервал рабочего давления, что позволяет производить измерения с повышенной точностью. Практически все они имеют за-
179
щиту от высокого давления, влияния температуры, электрического перенапряжения и прочих негативных факторов, сказывающихся на точности измерения.
Датчик низкого давления может быть установлен на медицинском, лабораторном и исследовательском оборудовании, в системах
кондиционирования воздуха, устройствах обеспечения технологии
«чистых комнат» при производстве интегральных микросхем, чипов,
на многих других устройствах. Многие датчики низкого давления универсальны и могут использоваться не только для мониторинга давления и измерения дифференциального давления неагрессивных газов,
но и для вакуумных измерений. [71]
Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент - приемник давления,
схемы вторичной обработки сигнала, различных над конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с
объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от
других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный,
ионизационный, пьезоэлектрический и другие.
Тензометрический метод основан на принципе изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных к упругому
элементу, который деформируется под действием давления.
Пьезорезистивный метод основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению
удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением.
Ёмкостный метод основан на работе ёмкостной ячейки. Ёмкостный метод основан на зависимости изменения электрической ёмкости
между обкладками конденсатора и измерительной мембраны от подаваемого давления.
180
Резонансный метод основан на явлении изменения резонансной
частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его
силой или давлением.
Индуктивный метод основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта.
В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые
промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по
своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.
Ионизационный метод использует принцип регистрации потока
ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа
оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов.
Датчик абсолютного давления
Датчики абсолютного давления измеряют относительно вакуума
(-101,325 кПа). Обеспечивается такое измерение наличием специальной камеры, из которой при изготовлении прибора откачивается воздух. Эта камера располагается с одной стороны сенсора, а с другой на
него воздействует давление измеряемой среды. Электронный блок
производит расчет и выводит полученное значение на дисплей или передает с помощью выходных сигналов.
Датчик избыточного давления
Данные приборы измеряют давление, превышающее атмосферное. Их сенсор с одной стороны испытывает давление измеряемой
среды, а с другой на него давит атмосферный воздух. Сенсором служит
монокристаллическая кремниевая мембрана, на которой расположены
181
пьезорезисторы. Для защиты сенсора от воздействия измеряемой и
окружающих сред, в отдельных спецификациях предусмотрены разделительные мембраны и заполняющая жидкость. При этом есть возможность выбрать тип заполняющей жидкости и материалы мембраны. В
руководстве по эксплуатации прописаны все варианты изготовления, в
том числе электронного блока и корпуса приборов с учетом условий
эксплуатации.
Датчик дифференциального давления
Принцип действия приборов этого типа заключается в измерении
разности давлений между двумя полостями сенсора – плюсовой и минусовой. С помощью применения сужающих устройств, можно измерять расход среды. Расположенное на трубопроводе сужающее устройство, создает препятствие потоку жидкости или газа. Перед зауженным
участком трубы давление потока возрастает, а после него – снижается.
Чем больше будет разность показаний на входе и выходе, тем выше
будет расход. Такие приборы также известны, как датчики разности
или перепада давления.
Датчик гидростатического давления
Датчики гидростатического давления иногда имеют наименование уровнемеры, поскольку они способны производить учет объема
жидкости в емкости. Измерение проводится при помощи давления
столба жидкости на плюсовую мембрану. Имеется дополнительная опция – исполнение с радиатором между корпусом датчика и разделительной мембраной для работы при температуре до 200°С. При спецзаказе делается внешняя защитная обработка, если окружающая среда
обладает высокой коррозионной активностью. [72]
4.2. Датчик индуктивный
Индуктивный датчик - это устройство, реагирующее только на
металл. Принцип действия таких устройств основан на изменении амплитуды колебаний генератора электромагнитного поля при внесении
182
в чувствительную зону металлического, магнитного, ферро-магнитного или аморфного материала определенных размеров. При подаче
питания на датчик в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону
материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды
колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется от расстояния между
устройством и контролируемым предметом. Триггер преобразует аналоговый сигнал в логический, устанавливая уровень переключения и
величину гистерезиса. Индуктивный датчик является дискретным.
В основе работы индуктивного датчика лежит генератор с катушкой индуктивности. Когда в электромагнитном поле катушки индуктивности (Рис.128) появляется металл, это электромагнитное поле
резко меняется, что влияет на работу схемы. Схема, содержащая компаратор, выдаёт сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла
– нет сигнала.
Рис.126 Принцип действия индуктивного датчика [73]
Электромагнитная система является чувствительным элементом
датчика. Электромагнитная система является частью генератора. Она
представляет собой катушку индуктивности, помещенную в
магнитопровод. Чаще всего это круглая ферритовая чашка. Чашки в
зависимости от габаритов датчика могут иметь диаметр от 3,3 мм до
150 мм.
С внешней стороны ферритовый сердечник закрыт
диэлектрическим колпачком. Его торцевая часть является
183
чувствительной поверхностью. Область перед чувствительной
поверхностью является зоной чувствительности датчика. Там
сконцентрировано магнитное поле. Оно распространяется примерно на
половину диаметра датчика.
Генератор - это та часть электронной схемы датчика, которая
вырабатывает электрические колебания. Катушка индуктивности и
конденсатор (устройство для накопления заряда и энергии
электрического поля) образуют колебательный контур. Генератор
вырабатывает незатухающие синусоидальные колебания. При
попадании металлического объекта в зону чувствительности датчика в
нём образуются вихревые токи. Они создают встречный магнитный
поток, демпфирующий колебания контура. При этом, происходит
затухание электромагнитных колебаний, уменьшается их амплитуда.
Чем ближе металлический объект к чувствительной поверхности
датчика и чем больше его размер, тем сильнее затухание.
Демодулятор
или
детектор,
преобразует
изменение
высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного
напряжения. Пороговое устройство сравнивает переданное
демодулятором напряжение с заранее установленным порогом
срабатывания.
При достижении порога формируется логический сигнал "0 или
1" (т. е. "выключение / или включение"). Таким образом, пороговое
устройство
преобразует
аналоговый
сигнал
детектора
в
«цифровой»выходной, его ещё называют дискретным.
В качестве порогового устройства используются как
транзисторные, так и микросхемные варианты компараторов и
триггеров Шмитта. Особенностью порогового устройства является то,
что пороги переключения из "0" в "1" и из "1" в "0" не совпадают. Это
делается преднамеренно для повышения помехоустойчивости датчика.
Данное свойство называют гистерезисом.
Выходной усилитель увеличивает мощность выходного сигнала
до необходимого значения для передачи последующим устройствам.
Выходной усилитель часто называют выходным ключом, так как он
оперирует логическими значениями 0 и 1. На рис.129 показана схема
подключения индуктивного датчика RL к ПЛК.
184
Рис.129 Схема подключения индуктивного датчика RL к
дискретному входу ПЛК [73]
4.2.1. Бесконтактные индуктивные датчики положения
В основе большинства индуктивных датчиков лежит принцип
преобразования амплитуды колебаний контура в дискретный сигнал,
подаваемый на выходной ключевой усилитель. В результате в зависимости от степени воздействия контролируемого объекта на сенсор
(расстояния между объектом и сенсором) на выходе датчика можно получить только два типа сигнала: включено - выключено. Этого достаточно для ситуаций, когда необходимо определить наличие или отсутствие объекта, определить количество объектов, провести их сортировку, выбраковку, оперативно отключить.
Однако на производстве иногда возникает необходимость определить не только присутствие объекта в зоне чувствительности датчика, но также определить вектор его движения, скорость, расстояние
до него, характер поверхности. Дискретные датчики для этого не предназначены.
Использование датчиков с аналоговой схемой в выходном каскаде, и индуктивных преобразователей перемещения (ИПП) эти задачи
позволяет решать. Постоянно снимаемый с чувствительной поверхности сигнал несёт информацию о пространственно-временных изменениях, происходящих с контролируемым объектом. После прохождения
через детектор и усилитель из сигнала можно выделить информационную составляющую и подать её на специальное устройство или прибор
для наглядного отображения.
При выборе аналогового датчика учитывают такие важные технические характеристики как рабочий зазор, линейная зона рабочего
зазора и линейность. [74]
185
На рис.130 показан индуктивный преобразователь перемещения
ISAB I17A-32P-5-P, который предназначен для преобразования бесконтактного воздействия объекта в аналоговый электрический сигнал
для управления исполнительными устройствами. Приближение металлического объекта к чувствительной поверхности датчика вызывает
плавное уменьшение выходного тока датчика.
Характеристика датчика имеет линейный участок, в пределах которого изменение выходного сигнала пропорционально перемещению
объекта.
Рис.130 Индуктивный преобразователь перемещения ISAB I17A-32P-5-P
Индуктивный датчик контроля скорости
Датчики контроля минимальной скорости предназначены
для контроля аварийного снижения скорости вращения или движения
различных устройств: барабанов, конвейеров, мельниц, ленточных и
ковшовых транспортеров. Может использоваться для контроля аварийного проскальзывания ленты на транспортере. Управляющим объектом могут быть зубья шестерен, лопасти, металлические выступы.
Датчик контроля минимальной скорости является бесконтактным индуктивным выключателем со встроенной схемой контроля
частоты импульсов воздействия управляющего объекта на этот датчик.
Вращающийся объект, который необходимо контролировать воздействует на чувствительную поверхность датчика, либо соединенный с
ним металлический объект, с частотой пропорциональной частоте вращения. Схема контроля сравнивает частоту воздействия с установленной пороговой частотой. При снижении частоты воздействия ниже
установленной датчик отключает нагрузку, подключенную к нор-
186
мально разомкнутому контакту (NO), и включает нагрузку, подключенную к нормально замкнутому контакту (NC). Необходимое значение минимальной частоты устанавливается с помощью подстроечного
резистора. Датчик обеспечивает задержку при первоначальном включении, необходимую для разгона механизма после подачи питания и
достижения заданной частоты следования импульсов воздействия. Величина задержки либо постоянная и равна tвкл.=9 +2c, либо настраивается подстроечным резистором в диапазоне 5...30с.
4.3. Датчики оптические
Оптические датчики предназначены для бесконтактного
определения наличия/отсутствия объекта в контролируемом пространстве. Используются для автоматизации любых промышленных процессов, в робототехнике, системах контроля, обработки и монтажа.
Оптический датчик может быть использован для обнаружения
объектов на расстоянии от 0 до нескольких десятков (сотен) метров.
Регистрация любых объектов и большая дальность действия отличает
фотодатчик от подобного типа устройств. Оптический датчик состоит
из источника света (излучателя) и приемника оптического излучения,
которые могут располагаться в одном корпусе (моноблочные датчики)
или в разных корпусах (двухблочные датчики). [75]
Источник света датчика создает оптическое излучение в заданном пространстве, приемник реагирует на отраженный от объекта световой поток или на его прерывание. Оптические датчики выпускаются
следующих типов рис.131:
- барьерные (тип Т);
- ретро-рефлекторные (тип R);
- диффузионные (тип D).
Тип Т - барьерный или разнесенная оптика рис.131. Излучатель и
приемник датчика оптического расположены в разных корпусах и
должны быть размещены на одной оси. Световой поток излучателя
направлен на приемник. Приемник срабатывает при прерывании оптического луча объектом контроля. Назначение: обнаружение непрозрачных и зеркальных объектов. Особенности:
187
Рис.131 Применение оптических датчиков трех типов [75]
- дальность действия до 150 метров;
- высокая надежность и помехозащищенность делают возможной
эксплуатацию датчиков на открытых пространствах и в условиях загрязнения.
Датчики барьерного типа успешно применяются для контроля за
производственными и упаковочными линиями, для измерения уровня
заполнения прозрачных емкостей, в системах прохода и зонах повышенного риска.
Тип R - рефлекторный (с отражением от свето-возвращателя)
рис.131. Излучатель и приемник датчика расположены в одном корпусе. Свет излучателя отражается от рефлектора (светоотражателя, катафота) и попадает в приемник. Датчик срабатывает при прерывании
луча объектом контроля. Назначение: обнаружение непрозрачных и
полупрозрачных объектов. Особенности: дальность действия достигает 8 метров. Оптические датчики рефлекторного типа активно применяются на конвейере для подсчёта изделий.
Тип D - диффузионные (с отражением от объекта) рис.131. Излучатель и приемник датчика расположены в одном корпусе. Приемник
188
воспринимает свет излучателя, диффузно отраженный от контролируемого объекта. Датчик срабатывает при наличии контролируемого
предмета в зоне действия датчика.
Особенности: дальность действия зависит от отражательных
свойств объекта. При использовании стандартной мишени дальность
действия датчика достигает 2 метров. Дальность действия для объектов
с иными отражательными способностями рассчитывается с использованием поправочных коэффициентов.
Оптические датчики метки
Оптические датчики метки предназначены для обнаружения контрастных и полиграфических меток, нанесенных на однотонную поверхность. Оптические датчики метки (контраста) относятся к датчикам диффузного типа, излучатель и приёмник, встроены в корпус датчика. Луч света от излучателя датчика отражается от объекта, и возвращается в приемник. Когда метка контрастна с поверхностью, на которую она нанесена, датчик обнаруживает метку.
Датчики метки излучают: белый, красный, желтый, зеленый и голубой цвета. Форма метки может быть любой - круглой, овальной,
квадратной, треугольной, вплоть до линии и точки. Оптические датчики метки используются в автоматических системах управления объектами с цветной меткой, а также объектами малой формы, контрастными по отношению к фону. Позволяют вести подсчет объектов с меткой или объектов-меток, сортировать, позиционировать их, осуществлять контроль качества.
Оптические датчики метки применяются в автоматических установках в упаковочной, печатной, текстильной, пищевой, парфюмерной, химической, фармацевтической промышленностях (для обнаружения присутствия наклейки/марки на изделии, наличия крышки на
бутылке, сортировки изделий по цветовому признаку и др.). Помимо
нанесенных меток датчик способен определять канавки и сквозные отверстия в поверхностях, которые обладают отражательными свойствами, а также объекты, минимальным размером 2 мм. Датчик имеет
два режима, режим настройки и рабочий режим.
В режиме настройки происходит полуавтоматическое измерение
уровней отражённого света от контролируемых меток и отдельно от
189
поверхности, на которой располагаются метки (от фона). Затем производится автоматическое вычисление порога обнаружения метки (обучение).
В рабочем режиме при перемещении контролируемой метки относительно чувствительной поверхности датчика на его нагрузке образуется импульс напряжения, длительность которого пропорционален
размеру метки в направлении перемещения.
4.4. Датчики емкостные
Емкостные датчики используются в системах управления технологическими процессами. Датчики применяют для обнаружения, подсчета и позиционирования металлических и неметаллических объектов, а также для контроля уровня жидкости и сыпучих веществ в резервуарах. По сравнению с индуктивными датчиками емкостные бесконтактные выключатели обладают преимуществами:
- регистрируют электропроводящие и неэлектропроводящие материалы в твердом, в порошкообразном или жидком состоянии: стекло, керамику, пластмассу, древесину, бумагу, картон, масло, воду, химические вещества;
- работают через неметаллические материалы (например, пластмассу
или стекло) при контроле уровня наполнения резервуара.
Принцип действия емкостных датчиков следующий. Между датчиком и окружающей средой существует электростатическое поле. Датчик работает на определение изменения емкости поля в этой цепи.
Между окружающей средой и датчиком существует электростатическое поле, при изменении емкости в данном поле (при попадании в
поле любого объекта) происходит срабатывание датчика. [76]
Датчик имеет чувствительную поверхность, образованную двумя
электродами конденсатора, включенного в цепь обратной связи высокочастотного генератора рис.132. Приближение объекта из металла
или диэлектрика к чувствительной поверхности увеличивает емкость
между электродами конденсатора и вызывает увеличение амплитуды
колебаний генератора. При достижении амплитудой генератора порогового значения, схемой управления формируется выходной сигнал
электронного ключа датчика, который используется для коммутации
электрических цепей и сигнализации.
190
Рис.130 Применение емкостных датчиков [76]
Датчик настроен на номинальный зазор при срабатывании от металлической пластины. При использовании объекта из диэлектрических
материалов рабочий зазор изменится и будет зависеть от диэлектри
ческой проницаемости материала объекта воздействия. В случае необходимости можно подстроить чувствительность датчика на требуемый
зазор.
Датчики уровня
С помощью емкостных датчиков можно контролировать уровень
как сыпучих, так и жидких веществ. Типовые варианты применения
емкостных датчиков уровня:
1. Контроль уровня без контакта со средой.
В таком случае, между датчиком и измеряемой средой используют
защитную диэлектрическую перегородку, например, на контролируемом уровне вырезают окно (люк), в которое устанавливают перегородку из диэлектрика (стекло, оргстекло, фторопласт). Датчик устанавливают напротив перегородки. Толщина перегородки должна быть
191
значительно меньше расстояния срабатывания датчика. Если резервуар изготовлен из диэлектрика, то контроль уровня материала емкостным датчиком возможен через стенку самого резервуара. Для контроля
уровня таким способом можно применить, например, датчик CSN
EC8A5-43P-20-LZS4. [77]
2. Контроль уровня в контакте со средой.
При таком применении чувствительная поверхность датчика контактирует со средой. Для данного способа разработана специальная серия датчиков, встраиваемых в резервуар, с выносной (штырьевой) чувствительной поверхностью. Датчик закрепляют на стенке или крышке
резервуара, либо на трубопроводе так, чтобы чувствительный элемент
был погружен в контролируемую среду. Таким образом можно контролировать наличие жидкости в процессах, где ее отсутствие может вызвать аварийную ситуацию. Примеры датчиков, работающих в контакте со средой: CSN E47S8-31P-12-LZ, CSN EF46B8-31P-8-LZ-H-P1.
[77]
Для непрерывного измерения уровня жидкостей разработана
группа емкостных датчиков уровня с аналоговым сигналом 4...20мА.
Чувствительный элемент датчика погружают в контролируемую среду,
ток на выходе датчика меняется пропорционально изменению уровня
жидкости. Например, ВТИЮ.3124. [77]
Бесконтактные датчики уровня
К бесконтактныем методам измерения уровня относятся следующие:
- метод зондирования звуком;
- метод зондирования электромагнитным излучением;
- метод зондирования радиационным излучением.
Непрерывное измерение уровня по радарному принципу основано
на теории распространения электромагнитных волн, как показано на
рис.133. Излучаемый сигнал отражается от поверхности измеряемой
среды и с небольшой временной задержкой принимается антенной. Используе-мый радарный принцип называется FMCW (непрерывное частотно-модулированное излучение).
192
Рис.133 Радарный принцип измерения уровня [78]
При радарном FMCW измерении используется высокочастотный
сигнал, частота излучения которого во время измерения линейно возрастает. Излучаемый сигнал отражается от поверхности измеряемой
среды и принимается с небольшой временной задержкой t.
Время задержки рассчитывается по формуле t=2d/c, где d - это дистанция до поверхности продукта, а c - это скорость света в газе над
поверхностью среды. На основании частоты посланных и принятых
сигналов рассчитывается разница Δf, используемая при дальнейшей
обработке сигнала. Разница частот прямо пропорциональна дистанции.
Большая разница между частотами соответствует большей дистанции,
и наоборот. Разница частот Δf трансформируется в частотный спектр с
помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ), на основании которого затем рассчитывается дистанция. Уровень рассчитывается как
разница между высотой резервуара и полученной дистанцией.[78]
Ультразвуковые уровнемеры используются для непрерывного измерения уровня жидкостей и сыпучих веществ практически во всех отраслях промышленности. Принцип измерения следующий. Короткие
ультразвуковые импульсы в диапазоне от 18 до 70 кГц излучаются сенсором в направлении измеряемой среды, отражаются от её поверхности и снова улавливаются сенсором. Импульсы распространяются со
скоростью звука, при этом время между моментом излучения и приёма
сигнала зависит от уровня заполнения резервуара. Чтобы компенсировать влияние времени прохождения акустического сигнала, встроен-
193
ный температурный датчик определяет температуру в резервуаре. Благодаря простому вводу габаритных размеров ёмкости и измеренной дистанции рассчитывается сигнал, пропорциональный уровню.
Ультразвуковые уровнемеры подходят для измерения дождевой и
сточной воды, для жидкостей с низким или высоким уровнем загрязнения, с содержанием твёрдых частиц или шлама. При работе с сыпучими веществами к измерительному прибору предъявляются другие
требования, чем при работе с жидкостями. Ведь поверхность измеряемого продукта при этом неровная и часто представляет собой насыпной конус. Многие вещества вызывают интенсивное образование
пыли. Кроме того, многие резервуары для сыпучих веществ намного
выше, чем ёмкости для жидкостей.
Принцип измерения рефлекс-радарного TDR уровнемера основан
на технологии рефлектометрии интервала времени (TDR). При данном
способе измерений электромагнитные импульсы малой мощности посылаются по стержневому или кабельному волноводу каждую наносекунду. Эти импульсы движутся со скоростью света. Достигнув поверхности измеряемого продукта, импульсы отражаются, а интенсивность
отражения зависит от диэлектрической постоянной продукта εr (например, от поверхности воды отражается до 80% от уровня первоначального импульса). Прибор измеряет время между моментами излучения
сигнала и получения отражённого сигнала: Половина этого времени
соответствует расстоянию между точкой отсчёта в приборе (уплотнительная поверхность фланца) и поверхностью измеряемой среды. Это
временное значение преобразуется в выходной токовый сигнал 4...20
мА и/или дискретный сигнал. Пыль, пена, испарения, неспокойная поверхность, кипящие жидкости, изменения давления, температуры и
плотности не влияют на работу прибора.
4.5. Датчики магнитные
Магнито чувствительные датчики по принципу действия можно разделить на две группы: герконовые; и использующие эффект Холла.
Герконовые магнито чувствительные датчики имеют в своем составе
магнито управляемый контакт (геркон), который изменяет состояние
194
контактов при воздействии управляющего магнитного поля. Приближение магнитного поля (например, постоянного магнита) приводит к
изменению электрического сигнала рис.134.
Рис.134 Внешний вид герконового датчика [79]
Наиболее распространенное применение герконовых датчиков контроль положения. Это идеальное решение для мониторинга сборочных процессов:
- деталь зажата/не зажата;
- вентиль/клапан открыт/закрыт;
- деталь вставлена/извлечена;
- механизм выдвинут/задвинут.
Преимущества герконовых магниточувствительных бесконтактных
выключателей:
- простота конструкции;
- возможность работы при переменном и постоянном напряжении от
0,05 до 250 В (до 5000В для специальных исполнений);
- низкое сопротивление контактов (не более 0,15 Ом у современных
приборов);
- независимость характеристик от температуры (температурный диапазон от -60°С до +155°С для специальных исполнений).
Датчики на эффекте Холла не подвержены механическому износу
благодаря наличию электронного выходного ключа. Срабатывание
датчика происходит при изменении напряженности магнитного поля,
вызванного, например, перемещением постоянного магнита, расположенного на подвижной части механизма. Преимущества магниточувствительных бесконтактных выключателей на эффекте Холла:
- практически неограниченный ресурс из-за отсутствия механических
контактов;
- большая частота коммутации (до 4 кГц и более).
195
4.6. Датчик радиации
RadSens – модульный arduino дозиметр на счетчике Гейгера-Мюллера и интерфейсом I2C. [80] Модуль RadSens - это универсальный дозиметр-радиометр на основе популярного газоразрядного счетчика
Гейгера-Мюллера СБМ 20-1. Внешний вид модуля показан на рис.135.
Рис.135 RadSens arduino дозиметр на счетчике Гейгера-Мюллера и интерфейсом I2C [80]
Датчик радиации может работать как в автономном режиме, так и
в составе системы микроконтроллера Ардуино, STM или в составе других устройств. В автономном режиме при измерении радиационного
фона, он отображает уровень радиации миганием светодиода. При повышении радиации, частота мигания пропорционально будет увеличиваться и наоборот.
Логическая часть схемы дозиметра, основана на базе микроконтроллера STM32. Передача полученных с счетчика Гейгера данных, осуществляется по интерфейсу I2C. Устройство поддерживает изменение адреса I2C и выключение генератора высокого напряжения
(400 В) для снижения энергопотребления. Также, при необходимости,
имеется возможность точной подстройки чувствительности счетчика.
В качестве исходящего пакета по I2C, датчик формирует 3 значения:
- интенсивность излучения (мкР/ч) c алгоритмом сильного усреднения,
для точного измерения излучения за большой промежуток времени
(500 с);
- интенсивность излучения (мкР/ч) c алгоритмом регистрации локальных источников и загрязнений с динамическим диапазоном времени
расчета;
196
- количество зарегистрированных импульсов с момента последнего запроса по шине I2C.
Твердотельные датчики излучения
На настоящий момент твердотельные датчики излучения делят на
две группы. Первая использует прямое поглощение энергии радиоактивных частиц с помощью PIN-диодов. Вторая группа отличается повышенной чувствительностью и работает по двухступенчатому принципу. В таких детекторах сначала происходит поглощение радиации
особыми материалами – сцинтилляторами, которые преобразуют ее в
видимое излучение, а уже этот оптический сигнал фиксируется чувствительным элементом.
Компания First Sensor предлагает детекторы обоих типов. [81], например, Датчики X10-γ выпускаются в двух исполнениях: только детектирующий PIN-диод и фотодиод со слоем сцинтиллятора (каптоновая
пленка с алюминиевым покрытием).
Версия датчика X10-γ со сцинтиллятором имеет более высокую
чувствительность к излучению с энергией более 10 кэВ (рис.136). Как
было показано выше, именно диапазон 10…1000 кэВ и является целевым для детекторов радиации.
Рис.136 Чувствительность твердотельных датчиков излучения [81]
Для бюджетных датчиков радиации используют одиночные PINдиоды и их диодные сборки. Примером такого недорогого детектора
радиации является сенсор X100-7.
197
Датчики X100-7 имеют два исполнения: с заливкой эпоксидным
компаундом и с алюминиевым кожухом. В обоих случаях датчики выпускаются в корпусах для монтажа в отверстия или для поверхностного монтажа. Типовая схема включения для детекторов показана на
рис.137.
Рис.137 Типовая схема включения детектора
В предложенной схеме PIN-диод работает при обратном смещении, а наличие излучения определяется по сверхмалым изменениям обратного тока. К сожалению, кроме полезного сигнала, диод имеет темновой ток, который требует компенсации. Величина детектируемого
изменения тока очень мала, а сопротивление диода достаточно велико
(десятки МОм). В итоге для получения качественного прибора, разработчики вынуждены применять двухкаскадную схему со следующими
жесткими ограничениями:
- выбирать усилители с большим входным сопротивлением, минимальным током смещения, малым температурным дрейфом,
низким уровнем шумов;
- обеспечивать максимальное соответствие входных сопротивлений в первом звене усилителя, чтобы минимизировать температурную погрешность при изменении тока смещения усилителя;
- обеспечить конструктивную минимизацию токов утечки за счет
правильной разводки и использования конденсаторов и рези198
сторов с малыми утечками.
Детектор излучения MOD501495 с цифровым выходом показан
на рис. 138. В его состав включена двухкаскадная схема усиления.
MOD501495 фиксирует радиационное излучение и выдает результаты
измерения в виде счетных импульсов. При этом схема включения
MOD501495 оказывается максимально простой. Модуль имеет всего
четыре вывода и требует для нормальной работы лишь несколько конденсаторов. [81]
Рис.138 Внешний вид и схема включения MOD501495
Датчики и модули First Sensor отличаются достаточно высокой точностью. Кроме того, они имеют весьма компактные размеры. Например,
для X100-7 габариты составляют 16,5 x 14,5 x 1,38 мм. Размеры
MOD501495 немногим больше: 17x16x19 мм. Ток потребления для
сенсоров обычно не превышает 10…15 мА, что допустимо при использовании современных аккумуляторов. Таким образом, детекторы от
First Sensor вполне могут применяться в портативных приборах регистрации радиоактивного излучения.
4.7. Датчики газоанализаторы
Газоанализа́тор - измерительный прибор, анализатор для определения качественного или количественного состава смесей газов. Самыми
востребованными типами датчиков газоанализаторов являются:
- термокаталитический;
- термокондуктивный;
- полупроводниковый;
- электрохимический;
- гальванический;
- инфракрасный (оптический);
- интерферометрический;
199
- фотоионизационный ;
- пиролитический;
- фотометрический.
Рассмотрим принципы их работы.
Термокаталитический
Термокаталитический тип датчика, основан на вычислении количества тепла, выделяемого при сгорании горючего газа или паров в катализаторе. Керамический принцип является разновидностью термокаталитического, однако в отличие от последнего использует другой тип
катализатора – мелкодисперсный (керамический).
Датчик состоит из двух чувствительных элементов – рабочего и
компенсирующего рис.139. Рабочий элемент представляет собой спираль из драгоценного металла (как правило, платины) и катализатора,
чувствительного к горючим газам. Воздушная смесь, содержащая горючий газ, вступает в реакцию с катализатором, увеличивая температуру элемента, и, как следствие, приводит к изменению электрического
сопротивления спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа. Компенсирующий элемент состоит из платиновой спирали и
стекла, которое не обладает чувствительностью к горючим газам, и
предназначен для компенсации окружающих условий.
Рис.139 Принцип действия термокаталитического газоанализатора [82]
Преимущества термокаталического датчика: линейность выходной характеристики, быстрый отклик, устойчивость к изменениям в
температуре и влажности окружающей среды, а также долговечность.
Применение: измерение до взрывоопасных концентраций (ДВК) горючих газов и паров в диапазоне от 0 до 100% НКПР.
200
Термокондуктивный
Принцип работы термокондуктивного датчика основан на
измерении разницы в теплопроводности. Как в случае с
термокаталитическим датчиком, сенсор состоит из рабочего и
компенсирующего элемента рис.140. Контакт с газом происходит на
рабочем элементе, а компенсирующий элемент изолирован. При
попадании целевого газа на рабочий элемент происходит изменение в
теплоотдаче, связанное с теплопроводностью и приводящее к росту
температуры элемента. Это, в свою очередь, приводит к изменению
сопротивления платиновой спирали.[82]
Рис.140 Принцип действия термокондуктивного газоанализатора [82]
Преимущества термокондуктивного газоанализатора: линейная
характеристика, стабильность показаний, долговечность, возможность
измерения негорючих газов (аргона, азота и углекислого газа), а также
возможность измерений в бескислородной среде. Применение измерение высоких концентраций горючих газов и паров.
Полупроводниковый
В данном типе датчиков используется полупроводник с
металлоксидным напылением, сопротивление которого меняется при
контакте с газом. Датчик состоит из нагревательной спирали и
проводника, нанесенного на трубку из глинозёма, а по краям трубки
находятся контакты из драгоценного металла, предназначенные для
измерения сопротивления рис.141. При попадании газа на поверхность
201
датчика он окисляется, что приводит к уменьшению электрического
сопротивления, которое преобразуется в концентрацию.
Рис.141 Принцип действия полупроводникового газоанализатора [82]
Преимущества
полупроводникового
газоанализатора:
чувствительность к сверхнизким концентрациям, которые сложно
фиксировать другими типами датчиков, долговременная стабильность,
устойчивость к отравлению, а также селективность. Применение измерение ПДК широкого спектра токсичных и горючих газов.
Электрохимический
В основе данного принципа измерения лежит процесс электролиза.
Датчик состоит из трех электродов - рабочего (газопроницаемой
пленки с нанесенным катализатором из драгоценного металла),
референсного и интегрирующего, - которые размещены в пластиковом
корпусе с электролитом рис.142. В датчике используется
потенциостатическая цепь, которая обеспечивает постоянное
напряжение между рабочим и референсным электродами. Ток,
возникающий в ходе химических реакций на рабочем и
интегрирующем
электродах,
пропорционален
концентрации
измеряемого газа.
202
Рис.142 Принцип действия электрохимического газоанализатора [82]
Гальванический
Принципиальная схема датчика гальванического типа повторяет
простой аккумулятор: датчик состоит из катода, изготовленного из
драгоценного металла, анода (проволоки), которые помещены в
электролит, а также разделительной мембраны, прикрепленной к
внешней стороне катода рис.143.
Рис.143 принцип действия гальванического газоанализатора [82]
Кислород, проходя через разделительную мембрану, на катоде
восстанавливается, а на аноде - окисляется. Возникающий
электрический ток конвертируется в напряжение и в таком виде
203
подается на выход, при этом напряжение пропорционально
концентрации кислорода. Преимущества: простота, долговечность в
сравнении с электрохимическим датчиком, не требует внешнего
питания, линейная выходная характеристика, быстрый отклик и
отсутствие зависимости от колебаний температуры/влажности.
Инфракрасный
Данный принцип измерения основан на известном факте о том, что
многие газы поглощают инфракрасные лучи и каждый из этих газов
имеет определенный спектр поглощения. Сенсор состоит из источника
ИК-света и датчика, между которыми установлены оптический фильтр
и измерительная ячейка рис.144. Поступая в измерительную ячейку,
газ поглощает некоторое количество инфракрасного света, а датчик
при этом фиксирует снижение интенсивности поступающего ИК-света
и на базе известной зависимости (калибровочной кривой) генерирует
выходной сигнал. Несмотря на то, что зависимость не линейная, она
хороша известна производителям датчиков.[82]
Рис.144 Принцип действия инфракрасного газоанализатора [82]
Преимущества: быстрый отклик, повторяемость, стабильность при
изменении окружающих условий, отсутствие эффектов старения и
отравления. Применение: измерение довзывоопасных концентраций
(ДВК) горючих газов и паров в диапазоне от 0 до 100% НКПР, а также
концентрации в диапазоне от 0 до 100% объема.
204
Интерферометрический
Принцип интерферометрии основан на измерении коэффициента
рефракции газа. Архитектурно интерферометрический сенсор состоит
из источника света и оптической системы из зеркал, линз, призмы и
светочувствительного датчика рис.145. Свет от источника разделяется
плоскопараллельным зеркалом на два луча (А и В) и отражается
призмой. Луч А движется по круговому маршруту через камеру D,
наполненную измеряемым газом, а луч В – через камеру E с
референсным газом. После этого лучи А и В встречаются в точке С
зеркала и, проходя через систему зеркал и линз, формируют на
светочувствительном датчике картину интерференции. Данная
картина сдвигается в пропорции к разнице в коэффициенте рефракции
между измеряемым и референсным газами. Датчик измеряет сдвиг,
чтобы измерить коэффициент рефракции, и преобразует его в
концентрацию газа или количество тепла.[82]
Рис.145 Принцип работы интерферометрического газоанализатора [82]
Преимущества: низкая погрешность измерений, долговременная
стабильность, высокая линейность и быстрый отклик, отсутствие
влияния изменений в температуре и давлении (за счет механизма
коррекции). Применение: измерение концентраций горючих газов,
углекислого газа и элегаза, а также калорийности природного газа.
205
Фотоионизационный
В фотоионизационных датчиках рис.146 измеряемый газ
ионизируется с помощью ультрафиолетового света, а это, в свою
очередь, приводит к возникновению электрического тока. Когда газ
попадает в ионизационную камеру, он подвергается воздействию УФсвета, под воздействием которого газ начинает терять электроны и
генерировать катионы (положительные ионы). Электроны и катионы,
в свою очередь, притягиваются катодом и анодом, возбуждая
электрический ток, который пропорционален значению концентрации.
Для ионизации требуются фотоны с энергией выше энергии данного
конкретного газа, поэтому в ФИД, как правило, используют УФ-лампы
с энергией 10,6 эВ (изготовлены из фторида магния и наполнены
криптоном) или 11,7 эВ (изготовлены из фторида лития и наполнены
аргоном).[82]
Рис.146 Принцип работы фотоинизационного газоанализатора [82]
Преимущества: чувствительность к низким концентрациям, широкий
спектр измеряемых веществ. Применение: измерение крайне малых
концентраций и летучих органических соединений.
Пиролитический
В основе этого принципа лежит процесс пиролиза измеряемого
газа с образованием оксида, частицы которого измеряются датчиком.
Пиролитический сенсор состоит из нагревателя, в центре которого
206
находится кварцевая трубка с нагревательным элементом, и датчика
частиц, содержащего две камеры – рабочую и компенсационную рис.
147. Измеряемый газ (например, TEOS или NF3) под воздействием
температуры окисляется и попадает в рабочую камеру датчика частиц
с источником α-частиц, который используется для ионизации воздуха
и возбуждения электрического тока. Как только частицы газа попадают
в камеру, они начинают поглощать ионы, приводя к снижению тока
ионизации. Это снижение выходного сигнала пропорционально
концентрации измеряемого газа. Компенсационная камера позволяет
компенсировать флуктуации температуры, влажности и давления
окружающей среды.[82]
Рис. 147 Пиролитический принцип работы газоанализатора [82]
Преимущества:
стабильность
показаний
(благодаря
использованию источника америция-241 с периодом полураспада
около 400 лет), быстрый отклик, линейность выходного сигнала и
устойчивость к изменениям в окружающих условиях. Применение:
измерение ПДК высокотоксичных газов.
4.8. Датчики расхода
Расходоме́р - прибор, измеряющий объёмный расход или массовый
расход вещества, то есть количество вещества (объём, масса), проходящее через данное сечение потока, например, сечение трубопровода в
единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство
207
(счётчик) и служит для одновременного измерения количества вещества, то его называют счётчиком-расходомером. Расходомеры по принципу работы можно разделить на следующие группы: лазерные; ультразвуковые; электромагнитные; вихревые; перепада давления.
Лазерные расходомеры
Маленькие частички, которые неизбежно содержатся в природных и
промышленных газах, проходят через два лазерных луча, направленных на поток от источника. Свет лазера рассеивается, когда частичка
проходит через первый лазерный луч. Рассеянный лазерный луч поступает на фотодетектор, который в результате генерирует электрический
импульсный сигнал. Если та же самая частица пересекает второй лазерный луч, то рассеянный лазерный свет поступает на второй фотодетектор, который генерирует второй импульсный электрический сигнал. Измеряя интервал времени между двумя этими импульсами,
можно вычислить скорость газа по формуле V = D / T, где D — расстояние между двумя лазерными лучами, Т - время между двумя импульсами. Зная скорость потока, можно определить расход (Q = S * V, где
S - площадь поперечного сечения потока, V - средняя скорость потока).
Основанные на лазерах расходомеры измеряют скорость частиц параметр, который не зависит от теплопроводности, вида газа или его
состава. Лазерная технология позволяет получать очень точные данные, причём даже в тех случаях, когда другие методы применять не
удаётся или они дают большу́ю погрешность: при высоких температурах, малых расходах, высоких давлениях, высокой влажности, вибрациях трубопроводов и акустическом шуме. [83]
Оптические расходометры способны измерять скорости потока от значений 0,1 м/с до более чем 100 м/с.
Ультразвуковые
Ультразвуковые расходомеры измеряют разницу во времени прохождения ультразвуковой волны по направлению и против направления потока жидкости. Такой принцип измерений обеспечивает высокую точность (± 1 %). При этом он хорошо работает для чистого потока
208
или потока с незначительным содержанием взвешенных частиц. Времяимпульсные расходомеры применяются для измерения расхода очищенной, морской, сточной воды, нефти, в том числе сырой, технологических жидкостей, масел, химических веществ и любой однородной
жидкости.
Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении разницы во времени прохождения сигнала рис.148. При этом два
ультразвуковых сенсора, расположенные по диагонали напротив друг
друга, функционируют попеременно как излучатель и приёмник. Таким образом, акустический сигнал, поочерёдно генерируемый обоими
сенсорами, ускоряется, когда направлен по потоку, и замедляется, когда направлен против потока. Разница во времени, возникающая вследствие прохождения сигнала по измерительному каналу в обоих направлениях, прямо пропорциональна средней скорости потока, на основании которой можно затем рассчитать объёмный расход. А использование нескольких акустических каналов позволяет компенсировать искажения профиля потока.
Рис.148 Принцип работы ультразвукового расходоиера [84]
Электромагнитный расходомер
Принцип электромагнитного измерения расхода основан на законе индукции Фарадея. В соответствии с данным законом, напряжение создаётся, когда проводящая жидкость проходит через магнитное
поле электромагнитного расходомера. Это напряжение пропорционально скорости потока среды рис.149.
Индуцированное напряжение измеряется либо двумя электродами, находящимися в контакте со средой, либо ёмкостными электродами, не контактирующими со средой, и передаётся в преобразователь
сигналов. Преобразователь сигналов усиливает сигнал и преобразует
209
его в стандартный токовый сигнал (4-20 мА), а также в частотно-импульсный сигнал (например, один импульс на каждый кубический
метр измеряемой среды, прошедшей через измерительную трубу).
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. При движении жидкости в магнитном поле возникает ЭДС, как в
проводнике, движущемся в магнитном поле. Эта ЭДС пропорциональна скорости потока, и по скорости потока можно определить расход.
Рис.149 Принцип работы электромагнитного расходомера [84]
Вихревые расходомеры
Вихревые расходомеры измеряют частоту колебаний, которые возникают в потоке жидкости или газа, когда они обтекают препятствия.
При обтекании препятствий образуется вихрь рис.150, от которого
приборы и получили свое название.
Рис.150 Принцип работы вихревых расходомеров [84]
210
Преимущества: отсутствие движущихся частей. Недостатки: механические препятствия в сечении расходомера; малый динамический
диапазон; температурная чувствительность; неустойчивость характеристик при осадках на теле обтекания; влияние вибраций на результаты измерений.
Расходомеры переменного перепада давления
Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом последнего.
Измерение расхода напорными трубками (рис.151, а) основано на измерении динамического напора потока вещества. В минусовой трубке
1 имеется только статическое давление потока, а в плюсовой 2 к статическому напору добавляется динамический напор. По скорости движения при известном сечении S трубы определяется расход вещества как:
vS, м3/с. Дифманометром ДМ измеряется динамический напор, но
шкала может быть проградуирована в единицах расхода.
Более точными и, поэтому, чаще всего применяемыми на практике
являются расходомеры на основе сужающих устройств типов диафрагмы (рис.151 б) и сопла (рис.151 в). На диафрагме поток сжимается
и под действием сил инерции продолжает сжиматься на некотором расстоянии после диафрагмы. Движущей силой потока, определяющей
скорость движения вещества через диафрагму, является перепад давлений. В самом узком сечении потока давление минимальное, а перед
диафрагмой давление - максимальное. Перепад давления измеряется
дифманометром.
Рис.151, а, б, в Расходомеры перепада давления [84]
211
Достоинства расходомеров перепада давления:
- метод применяется для измерения расход практически любых
сред: жидкостей, газа, пара;
- отсутствие движущихся частей;
- измерение расхода в условиях высокого давления (до 40 МПа);
- измерение расхода в условиях высоких и низких температур.
(–200 до +1000 °С).
Недостатки:
- небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений;
- значительные потери давления на гидравлическом сопротивлении и связанные с этим дополнительные затраты энергии;
- узкий динамический диапазон (1:3);
- небольшой меж поверочный интервал (стандартный меж поверочный интервал расходомера составляет – 1 год).
4.9. Датчики биометрические
Биометрические датчики - это датчики, которые позволяют оценить физиологические и биологические параметры тела человека. К
ним можно отнести: сканер отпечатка пальцев; датчик пульса человека; датчик кожно-гальванической реакции; датчик сокращения
мышц; датчик сердечного ритма; датчик спирта; датчик BDS.
Сканер отпечатков пальцев
Сканирование отпечатков пальцев с помощью Arduino может произведено с помощью датчика GT511C1R рис.152. Он выполняет чтение
и идентификацию отпечатков пальцев с помощью оптического датчика
и 32-разрядного процессора. Он может хранить до 20 изображений отпечатков пальцев и способен распознавать отпечатки пальцев на 360º.
Вы можете загружать изображения отпечатков пальцев с устройства и
читать, и записывать образцы отпечатков пальцев и базу данных.
212
Рис.152 Сканер отпечатков пальцев GT511C1R [85]
Емкосной сканер
Емкостные сканеры отпечатка пальца изготавливают на кремниевой пластине, на которой создается область микроконденсаторов. Они
расположены равномерно в квадратной или прямоугольной матрице.
Способы емкостного сканирования основаны на заряде и разряде конденсаторов в зависимости от расстояния до кожи пальца в каждой отдельной точке поля и считывании соответствующего значения.
Рассмотрим один из сканеров отпечатков пальцев, построенный по принципу емкостного сканера - R301 компании Grow
Technology рис.153. Технические характеристики модуля [86]:
- напряжение питания +4,2 - +6 В;
- ток потребления - 40 Ма;
- пиковый ток потребления - 100 мА;
- интерфейс - UART, USB;
- скорость передачи в бодах - 9600*n, n=1~12, по умолчанию 57600 bps;
- время сканирования отпечатка пальца - до 0,2 сек;
- размер шаблона отпечатка - 810 байт;
- коэффициент ложного пропуска FAR (False Acceptance Rate) - менее
0,001 %;
- коэффициент ложного отказа в доступе FRR (False Rejection Rate) менее 0,1 %;
- время среднего поиска - менее 0,05 сек;
- диапазон рабочих температур - -10-+50 градусов Цельсия;
- режимы сравнения - 1:1, 1: N;
- емкость памяти библиотеки отпечатков - 1700.
213
Рис.153 Внешний вид сканера R301 компании Grow Technology [86]
Датчик отпечатков пальцев R301 предназначен для сканирования отпечатка пальца, его обработки, хранения в собственной памяти
библиотеки сохраненных отпечатков пальцев и поиска на совпадение
нового отпечатка пальца с библиотекой сохраненных отпечатков пальцев по запросу. Сам модуль состоит из двух основных частей: полупроводниковый емкостной сканер отпечатков и цифровой сигнальный
процессор, обрабатывающий данные, получаемые со сканера и выполняющий функции по хранению, обработке и поиску в библиотеке отпечатков пальцев.
Сканер отпечатков имеет достаточно низкий профиль, что вписывается в небольшие размеры самого модуля и упрощает процесс
встраивания в какую-либо систему. Сама библиотека отпечатков пальцев хранится во flash памяти, подключенной по SPI к цифровому сигнальному процессору. Кроме этого на этой стороне модуля расположены кварцевый резонатор на 24 МГц, стабилизатор напряжения на 3,3
вольта XC620 и резисторы, и конденсаторы, необходимые для работы
схемы.
Датчик пульса человека
Этот датчик измеряет сердечный ритм рис.154. Он требует только
одного аналогового вывода данных и линий питания. Этот модуль
имеет оптический датчик сердечного ритма с усилением и схемой для
снижения шума, обеспечивая быстрые и надежные показания пульса.
Чтобы измерить частоту сердечных сокращений, вам просто нужно закрепить датчик на мочке уха или кончике пальца. Датчик имеет три
вывода: VCC - 5 В; GND - земля; S - аналоговый выход.
214
Рис.154 Внешний вид датчика пульса человека Grow Technology [87]
Это аналоговый датчик, работающий на основе метода фотоплетизмографии - изменении оптической плотности объема крови в области, на
которой проводится измерение (например, палец руки или мочка уха),
вследствие изменения кровотока по сосудам в зависимости от фазы
сердечного цикла. Датчик содержит источник светового излучения и
фотоприемник, напряжение на котором изменяется в зависимости от
объема крови во время сердечных пульсаций. Это график (фотоплетизмограмма или ППГ-диаграмма). Датчик пульса усиливает аналоговый
сигнал и нормализует относительно точки среднего значения напряжения питания датчика. Датчик пульса реагирует на относительные изменения интенсивности света. Если количество света, падающего на датчик, остается постоянным, величина сигнала будет оставаться вблизи
середины диапазона АЦП. Если регистрируется большая интенсивность изучения, то кривая сигнала идет вверх, если меньше интенсивность, то, наоборот, кривая идет в низ. [88]
Модуль кожно-гальванической реакции
Этот модуль позволяет измерять кожно-гальваническую реакцию
путем измерения электрической проводимости кожи рис.155. Кожная
проводимость изменяется в зависимости от количества пота на коже.
Потные железы контролируются симпатической нервной системой, которая может быть вызвана сильными эмоциями. Таким образом, сильные эмоции приведут к большему потоотделению на коже, что приведет к изменениям электропроводности кожи. Поскольку электрические
215
свойства кожи изменяются с эмоциями, этот датчик используется в составе детектора лжи (полиграфы) для обнаружения изменений в физиологическом состоянии человека.
Рис.155 Внешний вид датчика кожно-гальванической реакции Grow Technology [88]
Проводимость кожи - так называемая "быстрая", "фазическая" составляющая, характеризующая фазу ответного реагирования центральной
нервной системы на ситуационный раздражитель (вопрос-стимул), которая протекает в течении от 2-3 до 7-8 секунд (в зависимости от типа
реактивности человека). В программном обеспечении проводимость
кожи (ПК) представлена в графическом виде hbc/156 с частотой измерения показателя не менее 16 раз в секунду. [89]
Рис.156 Проводимость кожи, представленная в графическом виде [89]
Показания ПК принято интерпретировать таким образом: положительная часть амплитуды как степень значимости, а также как величина реакции на новизну; отрицательная часть амплитуды как степень функционального резерва для проведения процедуры исследования.
216
Датчик сокращения мышц Myoware
Этот датчик позволяет контролировать активность мышц человека.
Сенсор Myoware рис.157 измеряет электрическую активность мышцы,
давая выходное напряжение от 0 до +5 В. Это позволяет контролировать различные предметы, сокращая и расслабляя мышцы. Сенсор позволяет прикреплять биомедицинские сенсорные площадки для считывания активности.
Рис.157 Внешний вид датчика сокращения мышц Grow Technology [90]
Датчик спирта MQ-3
Датчик спирта MQ-3 можно использовать для определения концентрации алкоголя в дыхании рис.158. Это идеальный датчик для алкотестера. Датчик прост в использовании: его выходное напряжение изменяется в зависимости от концентрации алкоголя. MQ-3 относиться к
полупроводниковым приборам. Принцип работы датчика основан на
изменении сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2
при контакте с молекулами определяемого газа.
Чувствительный элемент датчика состоит из керамической трубки
с покрытием Al2O3 и нанесенного на неё чувствительного слоя диоксида олова. Внутри трубки проходит нагревательный элемент, который
нагревает чувствительный слой до температуры, при которой он начинает реагировать на определяемый газ. Чувствительность к разным газам достигается варьированием состава примесей в чувствительном
слое. [91] Схема подключения датчика к микроконтроллеру показана
на рис.159.
217
Рис.158 Внешний вид датчика спирта MQ-3
Рис.159 Схема датчика MQ-3[91]
Контакты подключения трёхпроводных шлейфов:
- 1 группа - Сигнальный (S) - Выходной сигнал сенсора. Подключите
к аналоговому входу микроконтроллера. Питание (V) - Питание датчика от рабочего напряжения микроконтроллера. Земля (G) – к GND
микроконтроллера.
- 2 группа
Сигнальный (E) - Управление питанием нагревателя. Подключается к
цифровому пину микроконтроллера. Питание (H) - питание нагревателя соединяется с пином 5V. Земля (G) - соединяется с пином GND
микроконтроллера.
218
Датчики BDS
Технология BDS (Bio-Dynamic Signature - биодинамическая подпись) основана на применении изменяемых (динамических) электрофизиологических характеристик живого организма в качестве идентификационных признаков. Для целей биометрической идентификации в
технологии BDS, главным образом, используется сердцебиение. (Разработчики технологии отмечают, что учитываются также электрические сигналы нервной системы. [92]
Специалисты компании IDesia разработали две миниатюрные аналоговые (ASIC) микросхемы датчика - BDS Sensor и BDS ProSensor.
Устройство регистрации электрофизиологических сигналов состоит из
двух основных функциональных частей - группы контактов (резистивного датчика), которые выведены на корпус устройства, и собственно
микросхемы рис.160.
В микросхему датчика входит усилитель электрофизиологических
сигналов, ряд фильтров, АЦП и блок ввода/вывода на основе интерфейса UART. В микросхеме BDS ProSensor присутствует и блок обработки данных.
Рис.160 Функциональная схема микросхемы BDS ProSensor [92]
Технология биометрической идентификации найдет широкое применение в портативных электронных устройствах, таких как карты памяти, мобильные телефоны, ноутбуки, КПК и т. д.
Одной из перспективных областей применения BDS-датчиков являются смарт-карты. BDS-датчик располагается непосредственно на
карте и интегрируется с ее микросхемой (рис.161). Подобное решение
219
позволяет значительно повысить степень защиты карты от подделки и
несанкционированного использования.
Рис.161 Образец смарт-карты с интегрированным BDS-датчиком и ее функциональная
схема
220
Глава 5. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Микропроцессорные системы в своем составе имеют большое
количество дополнительного оборудования, которое обеспечивает
функции ввода вывода данных, интерфейс с пользователем, сетевое
взаимодействие и управление различными исполнительными
устройствами. К исполнительным устройствам можно отнести
электродвигатели различного принципа действия и различной
мощности,
шаговые
двигатели,
линейные
двигатели,
электромагнитные клапаны,
и другие устройства. Рассмотрим
некоторые из них.
5.1. Преобразователи частоты
Частотный асинхронный преобразователь применяется для
преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного
тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой
от 1 Гц до 800 Гц.
Преобразователи частоты предназначены для управления
скоростью вращения вала асинхронных двигателей в составе приводов
для работы в промышленных установках: станках; обрабатывающих
центрах; вентиляционных установках; лифтах; насосов; транспортных
платформах. Применение частотного преобразователя позволяет
снизить энергопотребление асинхронного электродвигателя до 35 %.
Исполнение частотных преобразователей возможно: встроенное
в электродвигатель или вынесенное. Частотные преобразователи
разделяются и подбираются по мощности управляемого устройства.
Они могут быть однофазными и трехфазными. Функциональные
возможности частотного преобразователя:
- автоматическая оптимизация энергопотребления;
- управление скоростью вращения вала электродвигателя;
- обеспечение защитных функций;
- обеспечение мягкого пуска электродвигателей;
- программная гибкость управления электродвигателем;
221
обеспечение
аппаратной
диагностики
частотного
преобразователя.
Работа частотных преобразователей основана на принципе
управления контроллером широтно импульной модуляции силовыми
транзисторами, обеспечивающими подключение питания обмоток
электродвигателя. Этот принцип показан на рис.162. За счет изменения
скважности импульсов питания, меняется средний уровень
электропитания обмоток электродвигателя. За счет этого
обеспечивается плавная регулировка электропитания и регулировка
скоростью вращения вала.
Рис. 162 Режим ШИМ – основа работы частотного преобразователя
На схеме рис.163 показана типовая электрическая схема
подключения
частотного
преобразователя
к
трехфазному
асинхронному двигателю М1 и входному вводу электропитания и
ПЛК. В качестве управляющего микропроцессора через вход RS-485
подключен программируемый логический контроллер (ПЛК). Пульт
управления
применяется
для
локального
управления
электродвигателем в режиме наладки.
222
Рис. 163 Схема подключения электродвигателя М1 к частотному
Преобразователю и ПЛК
В случае с насосным оборудованием чаще всего требуется
защитить трубопровод от гидроударов во время запуска насоса, а сам
электропривод - от преждевременного выхода из строя и работы в
аварийном режиме. Немаловажное значение имеет оптимизация
расхода электроэнергии и поддержание постоянного давления в
системе водоснабжения» рис.164.
Рис. 164 Пример применения частотного преобразователя для управления насосом с целью поддержания давления в трубопроводе [93]
223
Для решения этих задач требуется обеспечить плавный пуск
насосов и плавное же изменение частоты вращения электродвигателя.
Причем диапазон значений должен быть достаточно широк: во время
пиковой нагрузки электропривод работает на номинальных оборотах,
обеспечивая необходимый расход воды. При малом разборе
поддерживается в рабочем состоянии, потребляя тот минимум
электроэнергии, который необходим в данный момент.
5.2. Устройства плавного пуска
Если в задаче управления отсутствует необходимость
регулировать скорость вращения вала электродвигателя, то в этом
случае применяются устройства обеспечивающие комфортный режим
пуска и останова электродвигателя. Устройства плавного пуска (УПП)
или мягкие пускатели ( или софстартеры) обеспечивают:
- плавный разгон вала двигателя;
- плавный останов вала двигателя;
- уменьшение пускового тока;
- согласование крутящего момента с моментом нагрузки;
Как результат - увеличение срока работоспособности
электродвигателя. Во время пуска крутящий момент за доли секунды
часто достигает 150 - 200 % от номинального, что может привести к
выходу из строя механической части привода. При этом пусковой ток
может быть в 6-8 раз больше номинального, из-за этого в местной
электрической сети возникает падение напряжения. Падение
напряжения может создавать проблемы для других нагрузок сети, а
если падение напряжения слишком велико, то может не запуститься и
сам двигатель. Применение устройств плавного пуска обеспечивает
ограничение скорости нарастания и максимального значения
пускового тока в течение заданного времени (после применения УПП
значение пускового тока уменьшается до 3-4 номинальных). В
электронных устройствах плавного пуска ограничение тока
достигается путём плавного нарастания напряжения на обмотках
224
электродвигателя. Это позволяет во время пуска удерживать
параметры электродвигателя (ток, напряжение и т. д.) в безопасных
пределах, что снижает вероятность перегрева обмоток и устраняет
рывки в механической части привода, а также вероятность
возникновения гидравлических ударов в трубах и задвижках в момент
пуска и остановки.
Устройства плавного пуска обладают следующими видами
защит:
- от перегрузки;
- от короткого замыкания;
- от обрыва и дисбаланса фаз;
- от неправильной последовательности подключения фаз;
- от от понижения или повышения напряжения;
- от перегрева.
На рис.165 показан пример схемы подключения устройства
плавного пуска к асинхронному трех фазному электродвигателю
Рис.165 Пример схемы подключения устройства плавного пуска [94]
225
Принцип действия устройств плавного пуска.[95] Все устройства
плавного пуска представляют собой тиристорные регуляторы
действующего
значения
напряжения,
отличаются
схемой
регулирования, алгоритмами его изменения в зависимости от нагрузки
на двигатель, сервисными функциями.
Современное поколение УПП используют фазовые методы
управления и потому способны запускать электроприводы, с
тяжелыми пусковыми режимами. Такие УПП позволяют производить
запуски чаще и имеют встроенный режим энергосбережения и
коррекции коэффициента мощности. Фазовые софтстартеры более
экономичны, просты в обслуживании и не требуют постоянного
контроля человека.
Однофазное регулирование показано на рис.166. Для этой схемы
регулирования применяется одна пара встречно параллельных
тиристоров. Такая схема применяется только там, где требуется
смягчить пусковые удары в механической нагрузке в диапазоне
мощностей до 11 кВт, а плавное торможение, длительный пуск и
ограничение пускового тока не требуется. Однофазное УПП не может
аварийно остановить трехфазный двигатель, максимум - выдать
аварийный сигнал.
Рис. 166 Схема плавного пуска с однофазным регулированием [95]
Двухфазное регулирование показано на рис.167. Двухфазное
УПП выпускаются для двигателей мощностью до 250 кВт и более,
применяются в случаях, когда необходимо при запуске не ограничение
тока до гарантированной величины, а, как и для однофазных УПП,
смягчение механических ударов. Многие модели снабжены
226
внутренними байпасными контакторами, что удешевляет стоимость
решения по запуску одного двигателя или нескольких параллельно
подключенных.
Рис. 167 Схема плавного пуска с двухфазным регулированием [95]
Трехфазное регулирование показано на рис.168.
Рис. 168 Схема плавного пуска с трехфазным регулированием [95]
Это самое технически совершенное решение, является наиболее функциональным, обеспечивающим наилучшие результаты плавного пуска, позволяющее не переключатся на обходной контактор, оставаясь в цепи регулирования постоянно, исключая механические коммутации, а следственно
полностью отсутствует искрение контактов, что играет большую роль на
взрывоопасных производствах. Есть возможность применить динамическое
227
торможение и подхват обратного хода мотора. Трехфазное регулирование
позволяет, при применении определенных алгоритмов оптимизировать работу двигателя, улучшая его энергетические характеристики.
Таким образом, применение устройств плавного пуска в системах с
электродвигателем дает большое количество преимуществ, позволяет организовать эффективный пуск двигателя и уменьшить количество выходов из
строя таких систем.
5.3. Драйверы для электродвигателей постоянного тока
В цифровых устройствах применяется большое количество
разнообразных устройств для перемещения управляемого объекта. Для
их управления разработаны микросхемы, которые называются
драйверами управления. Их классификация показана на рис.169.
Рис. 169 Классификация микросхем управления электродвигателями
Драйверы электродвигателей постоянного тока обычно работают
на основе принципа широтно - импульсной модуляции. Пример схемы
управления показан на рис.170. Меняя длительность импульса
управления на базе транзистора VT1, меняя скважность импульса
управления,
можно
изменять
средний
уровень
питания
электродвигателя М, и за счет этого изменять скорость вращения его
вала.
228
Рис. 170 Схемы драйверов управления двигателем постоянного тока
Для изменения направления вращением вала электродвигателя
выпускаются микросхемы, например ТА7291А фирмы Toshiba
рис.171.При этом вход 6 используется для задания направления
вращения вала, а вход 5 для управления скоростью вращения вала.
Рис.171 Схема подключения к МК драйвера фирмы Toshiba для управления
двигателем постоянного тока, с изменением направления вращения вала [96]
На рис.172 показана схема двухканального драйвера управления
двигателями постоянного тока L293. Программное управление
осуществляется от микроконтроллера. По входам EN1 и EN2 подаются
сигналы разрешения работы двигателям. А по входам IN1A, IN2A,
IN1B, IN2B подаются сигналы определяющие направление и скорость
вращения вала двигателя М1 и М2.
229
Рис. 172 Схема двухканального драйвера L293 управления двигателем постоянного тока, с изменением направления вращения вала [96]
5.4. Драйверы шаговых электродвигателей
Шаговый двигатель - электромотор, где импульсное питание
током приводит к перемещению роторной части на заданный угловой
градус. Относится к классу бесколлеркторных электродвигателей
постоянного тока рис.173.
Рис.173 шаговые электродвигатели [97]
Классифицируются шаговые электродвигатели по конструкции
ротора, по типу обмоток статора, по типу управления. В зависимости
от вида агрегата его конструктивные особенности могут отличаться, но
общий принцип действия почти неизменный. Так, если на статоре
предусмотрены четыре обмотки, расположенные под 90-градусным
углом, то как только на первую обмотку подается напряжение, ротор
перемещается на указанный выше угловой градус. При поступлении
напряжения на вторую, третью и четвертую обмотку вал продолжает
вращаться до прохождения полного круга. Далее процесс повторяется
сначала.
230
Для подачи потенциала на обмотки ШД необходимо устройство
управления, способное выдать один или группу импульсов на обмотки
в конкретной последовательности. В роли таких элементов выступают
полупроводниковые устройства и драйвера на базе микропроцессоров
рис.174,175,176.
Всего выделяется шесть основных схем соединения:
- биполярный;
- биполярный с отводом из центральной части обмотки;
- униполярный с четырьмя фазами и подключением пары
обмоток;
- четырехфазный униполярный с параллельным подключением;
четырехфазный
униполярный
с
последовательным
соединением.
Рис.174 Схема подключения униполярного шагового двигателя с помощью
драйвера ULN2003A
Рис.175 Драйвер биполярного шагового двигателя без реверса на микросхеме L293D[97]
231
Рис.176 Драйвер биполярного шагового двигателя с реверсом на
микросхеме FAN8082[97]
Можно выделить несколько способов управления шаговым
двигателем. Каждый из вариантов имеет ряд особенностей в вопросе
подачи сигналов на полюса.
К главным методам управления относится:
- Волновой. Особенность состоит в подаче возбуждения к одной
обмотке. Именно к ней и подтягиваются роторные полюса. При этом
ШД не способен выдержать большую нагрузку, так как выдает лишь
часть момента;
- Полношаговый. Суть такого управления в одновременном
возбуждении двух фаз, что гарантирует наибольший момент при
параллельной схеме подключения. Если соединить обмотки
последовательно, будет создаваться максимальный ток и напряжение;
- Полушаговый. Комбинация двух рассмотренных выше
режимов. При реализации такой схемы в шаговом моторе происходит
поочередная подача напряжения. Сначала оно направляется в одну
катушку, а потом сразу в обе. Как результат, гарантируется лучшая
фиксация на наибольших скоростях и максимальным числом шагов.
Конструктивно драйвер состоит из контроллера и силовой части.
Первая составляющая создана на базе микропроцессора и может
программироваться, а вторая представляет собой полупроводниковый
усилитель мощности, цель которого состоит в преобразовании
подаваемых на фазы токовых импульсов.
Драйверы условно делятся на три категории (по типу доставки
тока):
232
- Постоянного напряжения. Подает высокий потенциал по
очереди на каждую из обмоток. Суммарный ток зависит от
сопротивления последних, а на больших оборотах - от индуктивности.
Такие драйверы имеют низкую эффективность и могут применяться
только на небольших скоростях.
- Двухуровневые. Сначала подается напряжение, благодаря
которому ток в обмотке поднимается до нужной величины, после чего
источник потенциала выключается, а ток поддерживается источником
низкого напряжения. Такие драйверы имеют более высокую
эффективность и уменьшают нагрев моторов. Работают в режиме
полного и половины шага.
- ШИМ-типа. Пользуются наибольшим спросом, благодаря
надежности и удобству управления. Их особенность состоит в подаче
на обмотку ШИМ-сигнала высокого напряжения, отсекаемого
небольшим током. Такие драйверы отличаются интеллектуальностью
и возможностью программирования.
Драйверы шаговых двигателей бывают аналоговыми,
цифровыми и с энкодером.
Аналоговые
отличаются
высокой
надежностью
и
эффективностью, благодаря сравнительно небольшому потреблению
тока. Задача таких устройств состоит в попеременной подаче импульса
в разные обмотки статора с учетом заранее заданной программы. При
этом обеспечивается определенный угол и направление вращения.
Например, драйвер CW-230. Предназначен для управления
биполярным шаговым двигателем на две фазы с максимальным током
до 3 А. Мотор может управляться в режиме до 1/64 шага. Управление
силовым узлом осуществляется с помощью трех сигналов, подаваемых
на дифференциальные входы. Достоинства: низкая цена, изоляция
входных сигналов, защита от ошибочного подключения, КЗ и высокого
напряжения.
Драйвер QJ предназначен для управления биполярным ШД с
двумя фазами и предельным током до 4,5 А. Доступно управление в
режиме до 1/256 шага. Для управления применяется три сигнала,
которые подают на входы PUL, DIF и ENA. Благодаря такой
особенности, можно подключиться к LPT-порту компьютера и
успешно работать с программой ЧПУ станков. Достоинства: полный
233
набор защит, автоматическое снижение тока, изолированные входные
сигналы, доступная стоимость.
Цифровые более современные модели, работающие на базе
цифрового управляющего сигнала. В основе применение 32разрядного процессор. ШД, работающие с таким драйвером, выделяют
низкий уровень вибрации, минимальный нагрев, небольшой уровень
шума.
Преимущества цифровых драйверов управления ШД:
- автоматическая настройка;
- высокая производительность;
- защита от перегруза;
- больший набор функций;
- максимальное деление по шагам.
Драйвер 2DM542 - 2-фазное устройство, в основе которого лежит
32-битный процессор. Отличается привычным способом изменения
тока, гарантирует высокий уровень производительности, оптимальный
момент вращения, повышенное ускорение и стабильность. Благодаря
улучшенным алгоритмам, гарантируется стабильность к изменениям
нагрузки, оптимальное ускорение и необходимый момент вращения.
DM Как и рассмотренная выше модель, этот цифровой драйвер имеет
2-фазное исполнение и построен на 32-битном CPU. Его применение
позволяет добиться большей плавности работы мотора, улучшить его
производительность и момент вращения, добиться оптимального
ускорения и стабильности к изменениям нагрузки. В модели
предусмотрены встроенные устройства для самостоятельного
тестирования и автонастройки.
Драйвер Leadshine DM-805-AI рис.177. Особенность драйвера
состоит в высокой степени плавности системы с гарантией
оптимального момента вращения и стабильности работы устройства.
Благодаря встроенной технологии самостоятельного тестирования и
автоматической настройки, драйвер эффективно взаимодействует с
разными типами моторов. При этом двигатель работает плавно, не
перегревается и почти не шумит. Для удобства поддерживается
несколько рабочих режимов, имеется три встроенных потенциометра,
позволяющие установить параметры разгона, скорости и торможения.
Драйвер применяется для агрегатов типа NEMA-17-34 различных
модификаций.
234
Рис.177 Внешний вид драйвера Leadshine DM-805-AI
5.5. Электромагнитные клапаны
Электромагнитный клапан (ЭК) - электромеханическое
устройство, предназначенное для регулирования потоков всех типов
жидкостей и газов. Он состоит из корпуса, соленоида с сердечником,
на котором установлен диск или поршень, регулирующий поток. Они
делятся на запорные и регулирующие. Запорные применяются для
режима включить или выключить. Регулирующие применяются для
регулирования потока жидкости, с помощью сервопривода на основе
шаговых двигателей или двигателей постоянного тока.
По типу питающего напряжения катушки соленоида ЭК делятся
на клапаны переменного тока, высокого напряжения и постоянного
тока, низкого напряжения.
И, наконец, по типу функционирования клапаны делятся:
одноходовые рис.178 (нормально закрытые или нормально открытые),
трехходовые рис.179. Одноходовые клапаны применяются для
отсечения потока вещества или газа в трубопроводе. Трехходовые
клапаны первого типа применяются для перенаправления потоков из
одного контура в другой (например, в системе отопления). Это
позволяет поддерживать температуру рабочей среды постоянной без
изменения параметров работы источника тепла. Устройства второго
типа используются для смешения двух потоков, имеющих разную
температуру.
Привод, позволяющий плавно изменять положение запорного
устройства обычно имеет концевые выключатели, срабатывание
235
которых показвывает крайние его положения:полностью открытый
или полностью закрытый.
Рис.178 Внешний вид одноходового нормально открытого электромагнитного клапана
Рис.179 Внешний вид трехходового электромагнитного клапана с электроприводом[98]
Рис.180 Пример схемы подключения электромагнитного клапана к ПЛК[99]
236
Присоединение
электромагнитных
клапанов
к
программируемому логическому контроллеру обычно производят с
использованием релейных выходов ПЛК. При этом, взависимости от
типа питания электромагнитных клапанов, выбирается мощность
коммутирующего релейного выхода ПЛК. Пример подключения
электромагнитного клапана к ПЛК показан на рис. 180.
На рис.181 показан пример схемы соединений блока БУОК-1
СВТ667.1 с электромеханическим приводом клапана. Клапан с
электроприводом позволяет изменять положение заслонки клапана и
за счет этого изменять пропускную способность. БУОК-1 как вариант
программируемого логического контроллера.
Рис.181 Пример схемы соединений блока БУОК-1 СВТ667.11.ХХХ
электромеханическим приводом клапана [100]
с
5.6. Линейные двигатели
Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен
давно,
поскольку
прототипом
ЛД
является
простейшая
электромагнитная система. Основная задача ЛД – перемещение
объекта на определенное растояние по линейной траектории. Такая
система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной
обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку
сердечник сместится в ту или иную сторону рис.175.
237
Рис.182 Принцип работы линейного двигателя[101]
Например, привод головок жесткого диска используется для
перемещения коромысла на различные треки магнитной пластины
(если быть точнее, то на разные цилиндры, так как передвигаются все
головки вместе). Привод головок - это очень важная часть жесткого
диска, поскольку передвижение от трека к треку является
единственным движением, которое требуется для доступа к различной
информации. Выбор читающей/пишущей головки выполняется
электрически, и чтобы прочесть определенный сектор, надо вывести
головки на нужный трек, включить определенную головку и просто
дождаться, когда он пролетит под головкой
К настоящему времени известны несколько типов линейных
двигателей: асинхронный, постоянного тока, синхронный на
постоянных магнитах (вентильный), шаговый. Перспективны два
основных принципиально различных типа линейных вентильных
двигателей: линейный вентильный двигатель с ферромагнитным
якорем и линейный вентильный двигатель с немагнитным якорем.
Причем, не имеет значения якорь или индуктор движется, хотя
предпочтительным в настоящее время является передвижение обмоток
(якоря), нежели магнитов (индуктора).
Линейные двигатели с ферромагнитным якорем получили
значительное развитие и сейчас производители таких двигателей
могут предложит ЛД с тяговыми усилиями от 200 Н до 20 кН, что
перекрывает значительный диапазон задач даже тяжелого
станкостроения. Область применения этих двигателей постепенно
расширяется и включает уже любое станочное оборудование,
требующее быстрых и стабильно точных перемещений, например
установки для лазерной резки и многофункциональные станки, в
частности, для твердого точения и шлифования. В таких станках,
238
выпускаемых в мире несколькими фирмами, при точении используют
высокую динамику линейных двигателей, а при шлифовании обеспечиваемую ими высокую точность перемещений. Отсутствие
износа и возможность выполнения этими двигателями частых быстрых
и коротких ходов особенно востребованы в шлифовальных станках,
поскольку шарико-винтовые передачи нередко не выдерживают такого
темпа и выходят из строя.
На рис.183 показан внешний вид такого двигателя. Индуктор
выполнен в виде разомкнутой полосы постоянных магнитов. Якорь
выполнен в едином корпусе и состоит из многофазной системы
обмоток и ферромагнитной пластины, замыкающей поток индуктора.
Якорь закреплен на транспортной пластине, которая может совершать
возвратно-поступательные движения по линейным направляющим
качения. На рис.183 не виден датчик перемещения, который
установлен на исполнительном органе. Через гибкий кабель-канал к
якорю и к датчику подведены кабели соответственно питания обмоток
и обратной связи (сигналов датчика линейного перемещения).
Рис.183 Принцип работы линейного двигателя с ферромагнитным якорем[102]
Такая конструкция линейного вентильного двигателя явилась
следствием
прямого
развертывания
синхронной
машины
вращательного движения с постоянными магнитами в плоскость.
Требования сокращения потерь в преобразовании энергии и
увеличения номинальных скоростей и ускорений привели к появлению
и активной разработке линейных вентильных двигателей с
немагнитным якорем. На рис.184 представлен пример такого двигателя
239
(Trilogy systems, США). В отличии от предыдущего двигателя, якорь
двигателя с немагнитным якорем не содержит магнитопровдящих
частей (из-за этого он так и назван) и выполнен в виде системы
многофазных обмоток. Индуктор выполнен в виде двух стальных
пластин, с установленными на них постоянными магнитами и
скрепленными в единый блок, который в сечении напоминает букву U.
Поэтому в англоязычных источниках можем встретить другое
название таких двигателей - U-образные линейные двигатели.
Рис.177 Принцип работы линейного двигателя с немагнитным якорем [102]
240
Глава 6. МИКРОСХЕМЫ ДАТЧИКОВ И СЕНСОРОВ
В УСТРОЙСТВАХ
Известными производителями микросхем-датчиков, являются
фирмы Honeywell, Analog Devices, Dallas Semiconductor, Philips Semiconductor, Motorola, Maxim, IFM Electronic, Microchip Technology.
Прецизионный электронный термометр, рис.185, имеет чувствительность 10 мВ/град и работает в диапазоне температур 0-100 °С. Шкала
прибора линейна. Потенциометром R2 устанавливают нулевое значение на шкале прибора при помещении датчика в тающий лед, потенциометром R7 - 100 % отклонение стрелки прибора при помещении
датчика в кипящую при температуре 100 °С воду
Рис.185 Схема электронного термометра на диапазон температур 0-100 °С[103]
Дифференциальный электронный термометр (рис. 186) измеряет
разность температур двух датчиков DA1 и DA2. Чувствительность
прибора составляет 10 мВ на градус.
Рис.186 Схема дифференциального электронного термометра на диапазон
температур 0-100 °С[103]
Микросхемы-датчики серии AXDL фирмы Analog Devices - одно, двух- или трехосевые акселерометры выполнены в LCC корпусе
5x5x2 мм рис.187. Они способны измерять ускорения в динамическом
241
диапазоне ±2 g с разрешением до 1 mg (что соответствует углу наклона
менее 0,1°).
Рис.187 Эквивалентная схема и цоколевка одноосевого акселерометра ADXL103E[104]
Одноосевой акселерометр ADXL103E (рис.187) способен различать изменения ускорения на уровне одного mg и работает в диапазоне
ускорений до ±1,7 g. Выходной сигнал микросхемы пропорционален
ускорению, крутизна преобразования составляет 1 Big. Напряжение
питания микросхемы - 5 Ву потребляемый ток - менее 0,7 мА [104].
Двухосевой акселерометр ADXL203E (рис. 188) имеет такие же характеристики. Емкость конденсаторов Сх и Су, определяющих частотные характеристики эксплуатации микросхемы, может иметь номинал
от 0,002 до 4,7 мкФ.
Рис.181 Эквивалентная схема и цоколевка двухосевого акселерометра ADXL311
Микросхема ADXL311 - маломощный двухосевой акселерометр с потенциальными аналоговыми выходами имеет динамический диапазон
измерения ускорения ±2 g. ADXL311 (рис.181) может измерять как
динамическое ускорение (например, вибрационное), так и статиче-
242
ское (например, гравитационное). При напряжении питания +3 В может отслеживать изменения ускорения менее 2 mg. Напряжение питания микросхемы от +2,7В до +5,25 В, потребляемый ток - менее 0,4
мА.
Магниточувствительная микросхема TLE4905L (рис.189) содержит в своем составе датчик Холла, усилитель, устройство сравнения,
выходной ключевой элемент. Если к корпусу микросхемы поднести
магнит (постоянный электромагнит), то уровень выходного сигнала переключится. В качестве нагрузки микросхемы можно использовать резисторы, обмотку реле, светоизлучающий или иной индикатор. Ток
нагрузки не должен превышать 50 мА. Напряжение питания микросхемы - от 6 до 24 В.
Рис.189 Типовое включение магниточувствительной микросхемы TLE4905L[105]
Фирма Atmel Grenoble выпустила на рынок микросхему считывания отпечатков пальцев FDC4A14. Принцип ее действия основан на
определении рисунка температур поверхности кожи пальца. Для работы микросхемы не требуется ни источника света, ни призмы, ни видеосистемы. FDC4A14 имеет правильную линейную форму, что позволяет легко встраивать эту схему во всевозможные миниатюрные считывающие системы. Микросхема выпускается в двух типах корпусов
DIP и COB - Chip-on-Board Package (рис.190). FDC4A14 имеет малый
размер считывающей поверхности - 0,4x14 мм. Считывание рисунка
происходит во время движения пальца по поверхности сенсора. Максимальная скорость движения пальца не должна превышать 53,4 см/с.
Разрешающая способность схемы - 500 dpi.
243
Рис.190 Микросхема FDC4A14
FDC4A14 получает некоторое, задаваемое программно число
изображений в секунду, аналого-цифровой преобразователь посылает
цифровой кадр, адаптированный для параллельного порта, USB-контроллера, либо непосредственно микропроцессора. Не требуется ни
схем захвата кадров, ни схем логического сопряжения. Этот факт делает FDC4A14 легко встраиваемой в любые системы идентификации и
верификации.
Функциональная схема FDC4A14 показана на рис.191. Схема разделена на две части: сенсор и преобразователь данных. Столбцы сенсорных датчиков объединены в массивы размерностью 280+1, где каждый элемент посылает электрический сигнал на один из двух усилителей (по одному на линейку), одновременно производится выборка по
двум линиям (четной и нечетной), далее сигнал поступает в АЦП и регистр, выходы которого выведены на внешние выводы. Таким образом,
за один такт может быть прочитано две точки.
Рис.191 Функциональная схема микросхемы
244
FDC4A14 [106]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В учебном пособии рассмотрены некоторые аспекты, затрагивающие технологии разработки локальных и распределенных систем автоматического управления, в том числе систем искусственного интеллекта, которые являются неотемлемой частью технологического прогресса человеческого общества и способствуют изменению производственных отношений людей в социуме.
Приводятся структура и характеристики программируемых логических контроллеров, их классификация. Классические схемы подключения датчиков и исполнительных устройств к ПЛК. Особенности применения их в локальных и распределенных системах автоматики. Законы регулирования, применяемые в устройствах управления (регуляторах) для достижения желаемого качества управления объектом или
технологическим процессом.
В учебном пособии рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и представлением функциональных и принципиальных схем
автоматики. Даны основные принципы работы сред программирования
ПЛК и структура современных СКАДА систем. Дается ретроспектива
датчиков и исполнительных устройств, которые применяются в составе систем автоматики. Последний раздел пособия посвящен микросхемам, применяемым в датчиках и исполнительных устройствах.
Учебное пособие является информационной поддержкой лекционного курса «Основы теории управления», который преподается на
кафедре вычислительной техники и систем управления ВлГУ.
245
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Э. Парр. Программируемые контроллеры: руководство для
инженера. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 516 с. ISBN 9785-94774-340-1
2. Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные
языки и приемы прикладного проектирования/ Под ред. проф.
В. П. Дьяконова. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 256 c.ISBN 5-98003-0794
3. Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим
процессом, экспериментом, оборудованием. - М: Горячая Линия-Телеком, 2009. - 608 с. ISBN 978-5-9912-0060-8
4. Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры.
Практическое руководство для начинающего инженера. /И. Г. Минаев,
В. В. Самойленко - Ставрополь: АГРУС, 2009. - 100 с. ISBN 978-59596-0609-1
5. Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры в
автоматизированных системах управления / И. Г. Минаев, В. М. Шарапов, В. В. Самойленко, Д. Г. Ушкур. 2-е изд., перераб, и доп. - Ставрополь: АГРУС, 2010. - 128 с. ISBN 978-5-9596-0670-1
6. Минаев И.Г. Свободно программируемые устройства в автоматизированных системах управления / И.Г. Минаев, В.В. Самойленко,
Д.Г. Ушкур, И.В. Федоренко - Ставрополь: АГРУС. 2016. - 168 с. ISBN
978-5-9596-1222-1
7. ГОСТ Р МЭК 61131-1-2016 Контроллеры программируемые.
Часть 1. Общая информация. Дата введения 2017-04-01.
8. https://owenshop.ru/?utm_source=yandex&utm_medium=cpc&ut
m_campaign=cid%7C33318084%7Csearch&utm_content=gid%7C364161
1177%7Caid%7C6853670479%7C20212959879_&utm_term=autotargetin
g&pm_source=none&pm_block=premium&pm_position=2&yclid=59838
4608967174640
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/IP
10. Туляков, В. С.Микропроцессорные системы: учеб. пособие
[Электронный ре-сурс] / В. С. Туляков ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и
Н. Г. Столетовых. – Владимир: Изд-во ВлГУ, 2020. – 219 с. – ISBN 9785-9984-1103-8.
11. https://www.compel.ru/lib/126485
246
12. https://www.compel.ru/lib/96415
13. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., перераб, и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 816 с. –
ISBN 978-5-9775-0162-0.
14. http://lazysmart.ru/osnovy-avtomatiki/tipy-diskretny-h-vy-hodovplk.
15. https://termodat.ru/pdf/vihoditermodat.pdf.
16. https://gostexpert.ru/gost/gost-61131-2-2012.
17. https://controlengrussia.com/apparatnye-sredstva/analogovyjvvod-vyvod-plc.
18. http://electrik.info/main/school/847-analogovye-datchiki.html
19. https://labofbiznes.ru/ops1_10.html/
20. https://sovet-ingenera.com/elektrika/rozetkvykl/beskontaktnyjvyklyuchatel.html//
21. https://yandex.ru/images/search?from=tabbar&text=%D1%81%D
0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B
D%D1%8B%D0%B9%20%D0%B2%D1%8B%D1%85%D0%BE%D0%
B4%20%D0%9F%D0%9B%D0%9A&pos=0&img_url=https%3A%2F%2
Fwww.axwap.com%2Fkipia%2Finstruktsii%2Ftermodat12k5%2Fpic14.png&rpt=simage/
22. https://studfile.net/preview/951033/page:10/
23. http://mc-plc.ru/plk/yazik-releynih-diagramm-ld.htm
24. http://electrik.info/main/automation/1298-yazyk-releynyhdiagramm-ld-i-ego-primenenie.htm
25. http://electrik.info/main/automation/1320-yazyk-funkcionalnyhblokovyh-diagramm-fbd-i-ego-primenenie.
26. http://www.codesys.ru/docs/st_c.pdf
27. https://p4b.su/forums?m=posts&q=31927
28. https://sm1820.github.io/beremiz/iec_guide/sfc_guide.html
29. https://future2day.ru/chto-takoe-skada-sistema-i-chto-sobojpredstavlyaet/
30. https://www.bookasutp.ru/Chapter9_2.aspx30
31. https://www.bookasutp.ru/Chapter9_2.aspx31
32. https://www.bookasutp.ru/Chapter9_2.aspx32
33. https://www.bookasutp.ru/Chapter9_2_4.aspx
34. http://www.kip-guide.ru/
35. https://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводной_модем
247
36. https://yandex.ru/images/search?from=tabbar&text=gsm%20модем%20siemens%20mc35i%20цена&pos=5&img_url=https%3A%2F%2
Fmedia2.24aul.ru%2Fimgs%2F5142b78b4ffdaa1ad8cd9c39%2F&rpt=sim
age
37. http://docs.cntd.ru/document/9055766
38. https://studref.com/362911/tehnika/shemy
39. https://studref.com/362911/tehnika/shemy_avtomatizatsii
40. https://www.ec74.ru/images/shemu/Screenshot_5111.png
41. https://studfile.net/preview/5685678/page:12/
42. http://opiobjektid.tptlive.ee/Automatiseerimine/132.html
43. http://www.lenze.org.ua/pdf/faq/actech/pid.pdf
44. https://www.bookasutp.ru/References.aspx
45. http://docs.cntd.ru/document/gost-r-mek-60870-5-103-2005
46. https://www.bookasutp.ru/Chapter2_3.aspx
47. https://www.bookasutp.ru/Chapter2_4.aspx
48. http://micpic.ru/articles/128-opisanie-interfejsa-1-wire.html
49. http://www.maxim-ic.com/1-Wire.cfm
50. https://www.bookasutp.ru/Chapter2_5.aspx
51. https://microtechnics.ru/protokol-can/
52. https://www.bookasutp.ru/Chapter2_6.aspx
53. https://exd.ru/index.php?id=2641
54. https://www.bookasutp.ru/Chapter2_7.aspx
55. https://zen.yandex.ru/media/isup/lorawan-teoriia-i-praktika5bc597858359c800abc8009f
56. https://itechinfo.ru/content/технология-lora
57. https://asp24.ru/obzory/internet-veschey-lora-ustroystva-otmikrotik/
58. https://mining-cryptocurrency.ru/internet-of-things
59. https://controlengrussia.com/internet-veshhej/klyuchevy-htehnologij/
60. Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. А 458 Датчики (перспективные направления развития): Учеб. пособие / Под ре д.
проф. М. П. Цапенко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - 176 с. ISBN
5-7782-0300-4
61. Денисенко В.В. HART-протокол: общие сведения и принципы
построения сетей на его основе // Современные технологии автомати
248
Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. А 458 Датчики (перспективные направления развития): Учеб. пособие / Под ре д. проф. М.
П. Цапенко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - 176 с. ISBN 5-77820300-4
62. http://lazysmart.ru/osnovy-avtomatiki/tipy-diskretny-h-vy-hodovplk/
63. https://osensorax.ru/klimat/datchik-temperatury
64. https://asutpp-ru.turbopages.org/asutpp.ru/s/termopary.html
65. https://termopara.org/spravka/izmerenie-temperatury-spomoshchyu-termopary
66. https://mcucpu.ru/index.php/pdevices/datchiki/108poluprovodnik
ovye
67. https://zen.yandex.ru/media/id/5dd530f0581d0c4e11f522fc/podkl
iuchaem-termopary-k-mikrokontrolleru-s-pomosciu-max6675-imax31855kasa-5df7e9264e057700b00e8edf
68. https://club.dns-shop.ru/blog/t-256-drugie-instrumentyi/26699kak-vyibrat-pirometr-2020/
69. https://sensor365.ru/datchiki-temperaturypromyshlennye/beskontaktnye-datchiki-temperatury-pirometry/optctlt02pirometr-stacionarnyj/
70. https://owen.ru/product/dtsxx5m_rs
71. https://poltraf.ru/davlenie/datchiki_davleniya/nikogo/?yclid=1831
8823903581724624
72. https://emis-kip.ru/ru/prod/datchik-gidrostaticheskogo-davleniya/
73. https://samelectricru.turbopages.org/samelectric.ru/s/promyshlennoe-2/induktivny-e-datchikiraznovidnosti-primenenie-shemyvklyucheniya.html?utm_source=turbo_turbo
74. https://teko-com.ru/katalog/induktivnye-preobrazovateliperemeshhenija/
75. https://teko-com.ru/katalog/opticheskie-datchiki
76. https://teko-com.ru/katalog/emkostnye-datchiki/
77. https://teko-com.ru/katalog/datchiki-urovnja/
78. https://ru.wikipedia.org/wiki/Уровнемер
79. https://yandex.ru/images/search?text=герконовые%20дат
чи-ки&stype=image&lr=192&source=wiz
249
80. https://o.yadex.ru/card/23199474640564224/?yclid=1831828849
8035548396&utm_source=yandex_direct&utm_medium=cpc&utm_campaign=460.objavlenija.smartbanner_57321197_place-rsya_geo-rusr225_type-smartbanner-retargeting-inside&utm_content=4391963107_9989881502_card_rus-r225
81. https://www.terraelectronica.ru/news/4681
82. https://rikenkeiki.ru/for-clients/useful/printsip-raboty-datchikovv-gazoanalizatore
83. https://ru.wikipedia.org/wiki/Расходомер
84. https://mirmarine.net/elektromekhanik/sudovaya-avtomatika/982datchiki-raskhoda-i-schjotchiki-kolichestva-veshchestva
85. http://digitrode.ru/articles/1523-biometricheskie-datchikisovmestimye-s-arduino.html
86. https://cxem.net/guard/3-86.php
87. https://cxem.net/guard/3-86.php
88. https://3d-diy.ru/wiki/arduino-datchiki/datchik-pulsa/
89. http://www.polygraph-rubicon.com/datchiki-kgr.htm
90. https://cxem.net/guard/3-86.php
91. http://wiki.aperka.ru/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D
1%83%D0%BA%D1%82%D1%8B:mq3
92. https://kit-e.ru/rfid/biometricheskaya-identifikacziya-poelektrofiziologicheskim-harakteristikam-kratkij-obzor-tehnologii-bds/
93. https://www.elec.ru/articles/12-vazhnyh-voprosov-o-vyborepreobrazovatelya-chas
94. https://yandex.ru/images/search?pos=21&img_url=http%3A%2F
%2Fwww.irbisprivod.ru%2Fdocments%2Fimages%2F%25D1%2581%25D1%2585%25
D0%25B5%25D0%25BC%25D0%25B0.jpg&text=софтстартеры%20схемы%20подключения&lr=192&rpt=simage&source=wiz
95. https://ies-drives.ru/equipment/pd.php
96. Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып.
2/С.М.Рюмик. - М.: Додека-21,2011. -400с.: ил.+CD. - (Серия «Программируемые системы»). -ISBN 978-5-94120-270-6.
97. https://zen.yandex.ru/media/elektrikexpert/shagovye-dvigateli-tipy-ustroistvo-i-princip-raboty-podkliuchenie-i-upravlenie5f68a15a94e9b0682f8cf17e
250
98. https://yandex.ru/images/search?from=tabbar&text=%D1%82%D
1%80%D0%B5%D1%85%D1%85%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%B
2%D0%BE%D0%B9%20%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D0%BF%D0%
B0%D0%BD
99. https://yandex.ru/images/search?pos=1&img_url=https%3A%2F
%2Fwww.division.center%2Fsites%2Fdefault%2Ffiles%2Fproduct_image
%2F2017-02%
100. https://szsa.spb.ru/index.php
101. https://avtika.ru/lineynyy-dvigatel-chto-eto-takoe/
102. http://www.servotechnica.spb.ru/magazine/dim001.html
103. http://nauchebe.net/2014/06/analogovye-mikrosxemydatchikov-i-sensorov-v-ustrojstvax-na-mikrosxemax/]
104. http://nauchebe.net/2014/06/analogovye-mikrosxemydatchikov-i-sensorov-v-ustrojstvax-na-mikrosxemax/
105. Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых
микросхемах. — СПб.: Наука и Тех-ника, 2013. —352 с.
106. http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200103/4.ht
251
Учебное электронное издание
ТУЛЯКОВ Валерий Станиславович
ЭЛЕМЕНТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Издается в авторской редакции
Системные требования: Intel от 1,3 ГГц ; Windows XP/7/8/10; Adobe Reader;
дисковод DVD-ROM.
Тираж 40 экз.
Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
Изд-во ВлГУ
rio.vlgu@yandex.ru
Институт информационных технологий и радиоэлектроники
tulyakov801@yandex.ru
252
