Аналоговые датчики. Структурная схема трехуровневой АСУТП

Структурная схема трехуровневой АСУТП

Структурная схема АСУТП представлена на рисунке и состоит из трех уровней.

Верхний уровень включает в себя персональный компьютер и SCADA-систему. SCADA-система – это система диспетчерского управления и сбора данных, необходимая для визуализации и диспетчеризации технологического процесса. SCADA-система – это специальное программного обеспечение, обеспечивающее решение задачи ввода и вывода информации в системе АСУТП, отслеживание аварийных и предаварийных ситуаций, представление на пульт оператора графической информации о процессе, поддержании отчетов о выполнении технологического процесса.

К среднему уровню относится микропроцессорный контроллер, предназначен для получения в реальном времени информации с датчика, для ее сравнения, преобразования и обмена с автоматизированным рабочим местом оператора, а также для передачи управляющих сигналов на исполнительный механизм.

Датчик и исполнительный механизм подключаются к контроллеру с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Нижний уровень состоит из исполнительного механизма и датчиков.

Датчик используется для преобразования физических параметров технологического процесса в электрические сигналы с технологического объекта управления и поступающие на многофункциональный, микропроцессорный контроллер;

Исполнительный механизм преобразует и передает воздействие с микропроцессорного контроллера на технологический объект управления.

АРМ₁, АРМ₂, … АРМ_N – автоматизированное рабочее место; ПЛК – программируемый логический контроллер; ИУ₁, ИУ₂, … ИУ_N – исполнительное устройство; ТОУ – технологический объект управления,SCADA₁, SCADA ₂, … SCADA_N –SCADA - система

Рисунок 5.1 - Обобщенная структурная схема трехуровневой АСУТП на

базе ПЛК

Аналоговые датчики.

Аналоговые измерительные датчики-первичные преобразователи. Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия этих датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

Аналоговые сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно необходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряжений интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен быть смещен, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с минимальным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется согласованием сигнала.

При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обусловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием среды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного характера. Этот шум может исказить исходный сигнал. Одно из возможных решений — преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерительный сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же частоту, что и исходный сигнал.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

3. 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: