Согласование и передача сигналов в АСУ ТП.

Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.

Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любое электронное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядом друг с другом, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода и кабели выступают в качестве антенны для шумов и возмущений. Многие проблемы, связанные электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей и за-земления. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивость к наводкам и шумам.

Передача сигнала напряжением.

Одним из способов передачи сигнала напряжением является организация трехпроводной системы (рис.7). По одному проводу течет постоянный ток для питания датчика, по другому поступают сигналы от датчика к согласующим и обрабатывающим устройствам, а третий провод является общим для обоих контуров. По двум проводам течет постоянный ток; по сигнальному проводу ток не течет, следовательно, нет падения напряжения. Преимущество этого решения в том, что изменения сопротивления сигнального провода, например из-за колебаний температуры, не сказываются на сигнале: по этому проводу не протекает ток и, следовательно, на нем нет падения напряжения. Чувствительность к внешним помехам остается, однако, неизменной.

Рис. 7. Подключение датчика в трехпроводной цепи

Передача сигнала током.

Для передачи сигнала на значительное расстояние лучше использовать не напряжение, а ток, потому что он остается постоянным по длине кабеля, а напряжение падает из-за сопротивления кабеля. На конце кабеля токовый сигнал можно преобразовать в напряжение с помощью высокоточного шунтирующего резистора (рис. 8).

Рис.8. Передача аналогового сигнала по токовой петле.

При передаче токовых сигналов выходное напряжение датчика преобразуется операционным усилителем в ток. Приемник — операционный усилитель на конце цепи — в идеале должен иметь нулевой входной импеданс. Преобразователь напряжения в ток — стандартный элемент цепи. Сигнал передается по витой паре, длина которой может достигать нескольких сот метров. Шунтирующий резистор для преобразования тока в напряжение в диапазоне до 10 В должен иметь величину порядка 500 Ом. В действительности, импеданс определяется шунтом и обычно имеет порядок нескольких сотен Ом. Для тока 20 мА при сопротивлении шунта 250 Ом падение напряжения будет составлять 5 В. Если источник сигнала, т. е. преобразователь напряжения в ток, имеет высокий выходной импеданс, тогда любая помеха при передаче приведет к небольшому, обычно допустимому падению напряжения на шунте.

Передача оптических сигналов.

Передача сигналов по оптоволоконному кабелю стала обычной практикой во многих измерительных и коммуникационных приложениях. Оптическая передача информации требует весьма сложного и, соответственно, дорогостоящего цифрового коммуникационного оборудования. С помощью светодиодов (light-emitting diode -LED) цифровые электрические сигналы преобразуются в световые импульсы, которые затем передаются по оптическому волокну. На приемном конце световые импульсы снова преобразуются в электрические сигналы с помощью оптоэлектронных датчиков.

Оптический сигнал невосприимчив к магнитным и электрическим помехам и обеспечивает абсолютную изоляцию. Этот способ передачи предпочтителен для больших расстояний (>1 км), а также в сложных условиях, например, вблизи электродвигателей и преобразователей частоты. Применение оптических сигналов в технических системах обусловлено в большей степени их помехоустойчивостью, чем высокой пропускной способностью. Сигнал от датчика может передаваться в устройство обработки данных либо в цифровом, либо в аналоговом виде. На практике чаще используется цифровая передача данных. Для выполнения этого желательно датчик совмещать с АЦП. Передача данных в цифровом коде имеет ряд достоинств, самым главным из них является высокая помехозащищенность. Однако мы рассмотрим способы передачи аналоговых сигналов, используемые тогда, когда цифровые методы применяться не могут. В зависимости от типа соединений они могут быть разделены на двух-, четырех- и шестипроводные способы передачи.

Практическая задача: Рассчитать основные характеристики апериодического (инерционного) звена, такие как: передаточная функция, комплексная частотная характеристика (КЧХ), амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ). Привести примеры данного типа элементарного динамического звена.

Передаточная функция:

,где k - коэффициент усиления звена;T — постоянная времени, характеризующая инерционность звена. Чем больше постоянная времени звена, тем дольше длится переходный процесс.t–время запаздывания

Переходная характеристика: