Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Цифровые вторичные измерительные приборы и преобразователи
Общие сведения
Последние десятилетия характеризуются широким внедрением цифровых микропроцессорных вторичных приборов и преобразова телей в практику теплотехнических измерений. В значительной мере это определяется распространением в энергетике, химической, металлургической и других отраслях промышленности микропро цессорных систем управления таких, как ПТК «Квинт», «Телеперм», «Теплоник», «Саргон» и др. Появились распределенные информаци онные системы сбора информации о потреблении энергии, воды, газа и других энергоносителей. К таким системам предъявляются повышенные требования по помехозащищенности, надежности, защите от несанкционированного доступа. Измерительные каналы от первичных средств измерения до удаленных показывающих и регистрирующих приборов включают много дополнительных уст ройств передачи и преобразования информации, которые оказывают то или иное влияние на ее качество. К числу таких устройств, вхо дящих во вторичные цифровые измерительные устройства и системы, относят аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, мультиплексоры, блоки цифровой индикации, дисплеи, модемы, адаптеры, проводные и беспроводные линии связи и другие элементы.
Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналого выми обладают следующими преимуществами: автоматическим процессом измерения, малыми габаритами, удобством включения в цифровые информационные и управляющие системы, использова нием универсальной элементной базы, индикацией сигналов в циф ровой форме и пр. Элементы цифровых измерительных приборов работают в импульсном режиме, характеризуемым наличием двух состояний, резко отличающихся уровнем напряжений, что обеспечи-
вает их различимость и высокую помехоустойчивость приборов. Последнее имеет место при использовании кабелей с задан ными характеристиками, гаран тирующими сохранение четкой различимости уровней квантова ния, что исключает возможность потери информации.
Рис. 8.1. Дискретизация но времени и квантование по уровню непрерывной измеряемой величины
Преобразование аналоговой ин формации в цифровой код Хд(t) сопровождается временной дис кретизацией непрерывной вели чины X(t) и ее квантованием по уровню. Эти операции иллюст-
рирует график, представленный на рис. 8.1. При временной дискре тизации непрерывная величина заменяется совокупностью мгновен ных значений, остающихся постоянными в течение шага дискрети зации . Процесс квантования заключается в замене непрерывной измеряемой величины ступенчатой с фиксированными уровнями.
Оба преобразования связаны с появлением погрешностей кванто вания и дискретизации. Первая погрешность связана с измерением нестационарных величин. Она не превысит половины шага кванто вания µ при замене в момент измерения величины X(t) ближайшим дискретным значением. Однако, как видно из графика на рис. 8.1, в пределах шага дискретизации эта погрешность может значительно превышать /2, если частота дискретизации сигнала не согласована с частотами изменения измеряемого сигнала. В соответствии с тео ремой Котельникова аналоговый сигнал в области рабочих частот 0 ––fгр может быть восстановлен, если частота дискретизации вдвое превышает fгр Погрешность квантования определяется шагом кван тования µ, зависящим от разрядности аналого-цифрового преобра зователя. При замене в момент измерения непрерывной величины одним из ближайших соседних дискретных значений измеряемая величина может иметь любое значение в пределах половины шага квантования µ. В связи с этим погрешность преобразования счи тают случайной, распределенной равномерно в интервале ± /2
С = /().
Структура цифровых измерительных приборов и преобразователей
Подобно аналоговым вторичные цифровые приборы могут быть показывающими, показывающими и регистрирующими. В обоих случаях они могут выполнять дополнительные функции по сигнали зации отклонений измеряемой величины, ее регулированию, преоб разованию в токовый или цифровой выходные сигналы. К числу показывающих цифровых приборов относятся устройства многока нальной сигнализации УМС, которые осуществляют циклический контроль температуры в 16 точках. Приборы работают с платиновыми и медными термопреобразователями сопротивления. На дисплее прибора высвечиваются номер контролируемой точки и значение измеряемой температуры в цифровой форме, результаты сравнения измеряемых температур с уставками трехпозиционной сигнализации: «Мало», «Норма», «Много». УМС также преобразуют значение изме ряемой температуры в унифицированный токовый сигнал 0...5 мА, производя линеаризацию градуировочной характеристики термо преобразователей. Диапазоны измерения составляют 0...200 °С и 0...800 °С, последний диапазон используется при работе с термо преобразователями градуировок 50П и 100П. Основная приведенная погрешность по показаниям и преобразованию составляет ±0,5%, по сигнализации ±0,6%. Время цикла автоматического опроса не превышает 60 с, возможен опрос в неавтоматическом режиме.
Структурная схема УМС представлена на рис. 8.2. Термопреобразо ватели сопротивления ТС подключены к прибору по трехпроводной схеме и питаются стабилизированным током. Коммутатор поочеред но подключает термопреобразователи к измерительному усилителю ИУ и аналого-цифровому преобразователю АЦП. На дисплее при бора высвечивается цифровое значение температуры ЦИ и техноло гическая информация ТИ о срабатывании устройства сигнализации УСг. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП создает на выходе прибора унифицированные токовые сигналы 0...5 мА, пропорцио нальные значениям каждой из измеряемых температур.
Структура микропроцессорных цифровых регистрирующих при боров существенно сложнее структуры рассмотренного прибора. Это связано с их более широкими функциональными возможностями. Так, «Метран-900», структурная схема которого представлена на рис. 8.3, состоит из двух блоков: коммутации и цифровой регистра-
Рис. 8.3. Структурная схема цифрового прибора «Метран-900»
ции. К блоку коммутации может подключаться до 12 первичных преобразователей: термопреобразователей сопротивления и термо электрических, с унифицированным выходным сигналом и сигналом взаимной индуктивности. На рис. 8.3 показаны варианты подключе ния термопреобразователей сопротивления по четырехпроводной и
трехпроводной схемам. Термопары подключаются к коммутатору термоэлектродными проводами к клеммам, соответствующим гра дуировке термопар. Введение поправки на изменение температуры свободных концов производится с помощью специализированной микросхемы, которая обеспечивает введение температурной компен сации в диапазоне изменения температуры свободных концов от -55 до 125 °С с погрешностью от ±0,3 до ±2 °С в зависимости от типа термопары и температуры свободных концов. Скорректированный сигнал термопар усиливается.
Для коммутации входных сигналов используется мультиплексор (Ком), который осуществляет поочередное подключение сигналов первичных преобразователей к шестнадцатиразрядному аналого-циф ровому преобразователю. Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на сигнальный процессор с тактовой частотой 16 МГц, создаваемой внутренним импульсным генератором. К процессору подключено внешнее постоянное запоминающее устройство ПЗУ и микросхема MRS, обеспечивающая передачу информации по интерфейсу RS-485 на регистратор. Блок коммутации по каждому каналу имеет цифро вой фильтр, в блоке производятся такие операции как линеаризация сигналов, их масштабирование, извлечение квадратного корня и др. Настройка каналов коммутатора производится с помощью пере носного пульта управления, подключаемого к специальному разъему. Блок коммутации может использоваться как самостоятельное уст ройство для преобразования аналоговых сигналов первичных пре образователей в цифровой код. Регистратор может находиться на расстоянии до 1500 м от блока коммутации, размещаемого вблизи первичных преобразователей. Такая техническая реализация «Метран-900» обеспечивает существенное снижение расхода про водов, поскольку от коммутатора к регистратору идет только одна витая пара.
Регистратор «Метран-900» высвечивает информацию на жид кокристаллическом дисплее (рис. 8.4, а), производит ее запись и хранение в энергонезависимой памяти в течение 33 суток, выво дит данные за требуемый интервал времени на дисплей (рис. 8.4, б), имеет для печати вывод в интерфейсе RS-232 или RS-485, выдает сигнал аварийной сигнализации. Периодичность регистрации может назначаться оператором в пределах от 5 до 48 с. Предел приведен ной погрешности «Метран-900» при измерении токового сигнала составляет ±0,1; ±0,2%, сигнала взаимной индуктивности ±1%, сопротивления термопреобразователя ±0,1 %, сигнала термопары в зависимости от диапазона измерения от ± 1 СС (-270...400 °С) до±5 °С(0...2500°С).
Рис. 8.4. Изображения на экране регистратора «Метран-900» в режиме индикации текущих значений (а) и в режиме хронологии изменений вели чины в течение часа (б)
В «Технографах 160» результаты измерений представляются и регистрируются на диаграмме в аналоговом или цифровом виде. Эти приборы, так же как и «Метран-900», могут ра ботать с термопреобразователями сопротивления и термоэлектриче скими преобразователями с унифицированными сигналами по по стоянному току и напряжению. «Технограф 160» имеет 12 измери тельных каналов. Эти приборы обеспечивают:
индикацию измеряемой величины на цифровом табло;
аналоговую и цифровую регистрацию измеряемого параметра на диаграммной ленте в циклическом режиме;
Гис. 8.5. структурная схема регистратора «Технограф 160»
преобразование входного сигнала в цифровой код для обмена по интерфейсу RS-232;
сигнализацию о выходе измеряемой величины за пределы заданных значений;
извлечение корня квадратного и суммирование при измерении расхода по перепаду давления на сужающем устройстве.
Термопреобразователь сопротивления, через который протекает стабилизированный ток до 5 мА, подключен к вторичному прибору по четырехпроводной схеме (рис. 8.5). Подключение термопар про изводится термоэлектродными удлиняющими проводами. Коммута тор на герконовых реле Ком с частотой 1 Гц подает сигналы на нор мирующий усилитель УНор, который обеспечивает на выходе сиг нал 1 В на диапазон измерения. После аналого-цифрового преобра зователя АЦП двойного интегрирования цифровой сигнал поступает на микропроцессор МП. Его интерфейс включает блок цифровой индикации БЦИ, цифроаналоговый преобразователь ЦАП с блоком аналоговой и цифровой регистрации БР, модем RS-232 и устройство сигнализации отклонений УСг типа «сухой контакт». Управление работой всех элементов и ее синхронизацию выполняет блок импульсного управления, не показанный на схеме. Предел основной приведенной погрешности по показаниям и цифровой регистрации составляет ± 0,25 %, по аналоговой регистрации и сигнализации ±0,5 %. Цикл измерения по всем каналам не превышает 12 с, цикл регистрации устанавливается с помощью клавиатуры от 10 до 600 с.
В микропроцессорных системах управления технологическими процессами и промышленными объектами большое место занимают распределенные системы сбора данных, в которых территориально
распределенные устройства преобразуют аналоговую информацию о параметрах технологических процессов: температуре, давлении, расходе, уровне, составе газов и растворов в цифровой код. К числу таких преобразователей относится рассмотренный коммутатор «Метран-300».
Широкие возможности для сбора и обработки информации пред ставляют устройства серии ADAM-5000 фирмы ADVANTECH. Эти устройства входят в распределенную систему преобразователей на базе интерфейсов Ethernet или RS-485 и осуществляют ввод и вывод ана логовых и дискретных сигналов, их первичное преобразование. По команде от удаленной вычислительной машины информация передается в ее адрес с использованием упомянутых интерфейсов. Скорость передачи информации достигает 115 кбод. В корпусе одного устройства находятся процессор, кросс-плата и модули вво да-вывода, число которых может составлять 4 или 8. В последнем случае общее число каналов ввода-вывода может достигать 128, максимальная длина линии без повторителя равна 100 м. В состав модулей ввода-вывода входят модули для подключения ТС с диапа зоном измерения от -100 до 600 °С; ТЭП с диапазоном измерения от -100 до 1800 °С и аналоговых сигналов. Погрешность преобразо вания не превышает 0,1 %, частота выборки составляет 10 Гц. Для построения распределенных систем сбора данных той же фирмой выпускаются компактные модули ADAM-4000. Эти модули имеют встроенный микропроцессор и 16-разрядный АЦП, прием и пере дача цифровых сигналов осуществляется по интерфейсу RS-485. Модули серии ADAM 6000 имеют встроенную web-страницу, что позволяет их интегрировать в сеть Internet.
Основные элементы цифровых измерительных приборов
Не только цифровые, но и многие вторичные аналоговые при боры и преобразователи, особенно микропроцессорные, имеют на выходе помимо токового выходного сигнала и цифровой, что обу словливает появление в их структуре элементов, присущих цифро вым измерительным приборам. Эти элементы реализуются в виде серий микросхем, характеризуемых общими как технологическими и схемотехническими решениями, так и уровнями электрических сигналов и напряжений питания. Основными характеристиками таких элементов являются:
• быстродействие, определяемое временем задержки распро странения сигнала и максимальной рабочей частотой;
коэффициенты объединения по входу и выходу, характеризую щие максимальное число однотипных логических элементов, кото рые подключаются ко входу или выходу устройства;
входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня;
выходное напряжение высокого и низкого уровней;
напряжение питания.
В настоящее время существуют разнообразные по структуре информационные и управляющие системы. Рассматриваемые элемен ты используются не только во вторичных приборах, но и могут вхо дить в состав многофункциональных плат ввода-вывода, относящихся к устройствам связи с технологическими объектами (УСО), выпол няться в виде автономных устройств ввода аналоговых и дискретных сигналов, входить в состав специализированных контроллеров.
Важный момент работы цифровых приборов и систем с источни ками первичной информации — гальваническое разделение измери тельных каналов, исключающее возникновение погрешностей из-за образования паразитных контуров.
Коммутатор представляет собой устройство с одним выходом и несколькими информационными и управляющими входами. Ком мутаторы (переключатели, мультиплексоры) применяются в анало говых и цифровых многоточечных измерительных приборах, в УСО при последовательном вводе и выводе информации в ЭВМ. Комму таторы бывают электромеханическими и электронными. Важными характеристиками этих устройств является скорость коммутации и величина сопротивления при замыкании и разрыве цепи. Недоста ток электромеханических переключателей — низкая скорость ком мутации, а достоинство — бесконечно большое сопротивление, имеющее место при разрыве цепи.
Электронные коммутаторы (мультиплексоры) имеют высокую скорость коммутации, но конечное сопротивление в состоянии раз рыва. Мультиплексоры могут работать в режиме мультиплексирова ния данных, когда их выход последовательно повторяет состояние их информативных входов. Этот режим задается цифровым кодом на управляющих входах. Мультиплексоры могут иметь несколько дифференциальных входов, имеющих инструментальные усилители с устанавливаемыми коэффициентами усиления, например 0,5; 1; 2; 10; 50; 200 и 1000, что позволяет на вход одного АЦП коммутиро вать сигналы от термопар, термопреобразователей сопротивления и преобразователей с токовым выходным сигналом. Может преду сматриваться схема компенсации температуры холодного спая. Час тота коммутации аналоговых сигналов составляет 1...100 Гц, импульсных — достигает десятков кГц.
Дешифратор (декодер), включающий интегральные логические элементы, представляет собой цифровое электронное устройство, которое различным кодовым комбинациям на его т входах ставит в соответствие n-элементный двоичный код на его выходе. Если чис ло выходов составляет 2т, то дешифратор является полным, если меньше, то неполным. Дешифраторы используются в блоках цифро вой индикации, цепях логического управления исполнительными устройствами, автоматических защитах. В качестве примера на рис. 8.6, а приведена схема дешифратора, входящего в блок цифро вой индикации. Эти блоки присутствуют во всех цифровых прибо рах. Для представления цифр от 0 до 9 используется четырехразряд ный двоичный код, который подается на информационные входы х0, x1, x2, х3. В табл. 8.1 приведены двоичные коды сигналов, соответст вующие упомянутым цифрам.
Рис. 8.6. Схема блока цифровой индикации:
а — дешифратор; б — сегментный цифровой индикатор
Обычно стилизованные изображения всех десятичных цифр в светодиодных индикаторах содержат семь светящихся сегментов, представленных на рис. 8.6, б. Для управления светодиодами дешиф ратор должен иметь семь выходов, обеспечивающих включение соот ветствующих сегментов светодиодов. Дешифратор работает, если на входе U присутствует сигнал высокого уровня, при сигнале низкого уровня все выходы дешифратора обнуляются, независимо от сигна лов на его информационных входах.
|
Входные и выходные коды сигналов |
Таблица 8.1 |
||||||||||
|
Цифра |
Входы |
Выходы (сегменты) |
|||||||||
|
X0 |
X1 |
X2 |
X3 |
А |
В |
C |
D |
Е |
F |
G |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
3 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
4 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
7 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
8 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Таким образом, дешифраторы преобразуют двоичные сигналы на его информативных входах в активные уровни выходных сигналов. Столбцы состояний выходов от А до G в табл. 8.1 при реализации цифр от 0 до 9 определяются так называемыми булевыми уравне ниями, включающими логические преобразования кодов на входах х0 – x3. Так, сегмент А должен светиться при подаче на вход двоич ных кодов, соответствующих цифрам 0, 2, 3, 5, 7, 8, 9.
Цифроаналоговые преобразователи предназначены для пре образования двоичного кода в аналоговый сигнал по напряжению или току. Эти преобразователи стоят во всех вторичных цифровых приборах, имеющих токовый выходной сигнал. Зависимость, свя зывающая напряжение на выходе преобразователя Uвых, диапазон его изменения Uд и разрядность п с входным кодом, называется характеристикой преобразования U вых / Uд = δU Сумма (2к * ак), где сумма от (к=0) до (n-1), а δU = 1/(2n - 1).
Рис. 8.7. Схема четырехразрядного ЦАП
Для четырехразрядного ЦАП ивых=ид*(а0 + 2а1 + 4а2 + 8а3) / 15 и меняется ступенчато от 0 до Uд при а0 = а1 = а2 = а3 = 1. На рис. 8.7 представлена схема ЦАП, реализующего рассмотрен ную характеристику преобразо вания. ЦАП выполнен на основе транзисторных ключей S0, S1, S2, S3 и аналогового сумматора на операционном усилителе с бес конечно большим коэффициен-
том усиления. К основным характеристикам ЦАП относятся разре шающая способность δU, время установления tуст , погрешность не линейности и др. За tуст выходной сигнал с момента поступления на вход ЦАП двоичного сигнала войдет в зону заданного значения с учетом допускаемой погрешности. Погрешность нелинейности опре деляется максимальным отклонением выходного сигнала от прямой в пределах всего диапазона преобразования.
Счетчики относятся к так называемым последовательностным цифровым устройствам, тогда как рассмотренные устройства — к комбинационным. Отличие состоит в том, что в комбинационных устройствах при пассивных уровнях входных сигналов выходные возвращаются в исходное состояние, тогда как последовательностные устройства хранят предыдущее состояние. В связи с этим в их состав помимо логических элементов входят элементы памяти. Счетчики обеспечивают хранение двоичного кода числа и выпол няют микрооперации счета, которые заключаются в изменении зна чения числа на ±1. В суммирующих счетчиках число возрастает на 1, а в вычитающих уменьшается на 1. Если в счетчике выполня ются обе операции, то он является реверсивным. В синхронных счетчиках изменение состояния его выходов происходит при посту плении на его вход импульса синхронизации. У асинхронных счет чиков изменения состояния могут происходить с некоторой задерж кой по отношению к сигналу на информационном входе.
Основным параметром счетчика является модуль счета Кс, кото рый определяет максимальное число сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Двоичный счетчик (Кс = 2) с п разрядами
может посчитать 2n сигналов, отобразив их в диапазоне чисел от 0 до (2n - 1). После сигнала с номером 2n происходит сброс счетчика.
В приборах с цифровой индикацией используется двоично-деся тичный счетчик с Кс =10. Выходные состояния этого счетчика пред ставляются в виде двоично-десятичных кодов цифр от 0 до 9. К такому счетчику подключается дешифратор, управляющий свето диодным сегментным цифровым индикатором, показывающим чис ло подсчитанных импульсов. Во вторичных приборах счетчики используются для суммирования импульсов при определении коли чества газа, пара, воды. В этом случае показания счетчика импуль сов умножаются на цену импульса в тоннах, литрах, м3 и т.п. Пока зания дисплеев цифровых приборов обычно даются в единицах измеряемых величин.
Аналого-цифровые преобразователи предназначены для пред ставления уровня аналогового сигнала на входе в виде двоичного сигнала на выходе. Все АЦП разделяются на два типа: последова тельного и параллельного преобразования. К АЦП последовательно го преобразования, характеризуемого невысоким быстродействием, относятся АЦП с последовательным счетом, с поразрядным уравно вешиванием и интегрирующие. Структурная схема АЦП последова тельного счета представлена на рис. 8.8.
Рис. 8.8. Структурная схема АЦП последовательного счета
Преобразуемый аналоговый сигнал UBX в течение продолжитель ности интервала считывания, несколько меньшего времени дискре тизации, поступает на вход операционного усилителя У, выполняю щего функцию компаратора. На инвертирующий вход последнего поступает выходной сигнал цифроаналогового преобразователя, на цифровые входы которого подается двоичный сигнал счетчика СИ. На вход последнего поступают управляющие импульсы «Сброс» и «Пуск», а также тактовые импульсы с частотой fТ. По команде «Пуск» запускается счетчик числа импульсов СИ, его двоичный выходной сигнал, поступающий на вход ЦАП, вызывает ступенчатое нарастание сигнала на выходе последнего. Как только этот сигнал
сравняется с Uвх срабатывает компаратор, завершая преобразование.
Выходной код счетчика является выходным двоичным сигналом преобразователя.
К АЦП последовательного преобразования относятся АЦП с двойным интегрированием. В них входной сигнал интегрируется в течение фиксированного времени, полученное значение Uc будет
тем больше, чем больше величина входного напряжения. После завершения интервала интегрирования входного сигнала на вход интегратора подается опорный сигнал встречной полярности и одновременно с ним включается счетчик импульсов от внутреннего генератора импульсов. Счет прекращается, когда Uc снизится до нуля.
Очевидно, что чем больше Uc, тем больше интервал времени интег рирования опорного напряжения и тем больше будут показания счетчика. АЦП двойного интегрирования характеризуются высокой помехозащищенностью, но имеют низкое быстродействие.
Микропроцессорные платы АЦП имеют функцию автоматическо го сканирования входных каналов, при этом последовательность и частота опроса, программируемый коэффициент усиления для каж дого канала заносятся в специальную память платы, уменьшая за грузку процессора.
К основным характеристикам АЦП относятся число разрядов (разрядность), быстродействие tпр , нелинейность и др. Разрядность определяет разрешающую способность и характеризуется количест вом разрядов кода, которое может выработать АЦП при максималь ном значении входного сигнала. Так, у десятиразрядного АЦП при максимальном входном напряжении 10 В шаг квантования не будет превышать 10/210 =10/1024, или 10 мВ и 0,1 %. Наиболее распро страненными являются 12- и 16-разрядные АЦП. К шестнадцатираз рядным АЦП можно непосредственно подключать все основные типы первичных преобразователей. При поступлении сигнала на вход АЦП за tпр на его выходе устанавливается цифровой код. Этот показатель меняется в широких пределах от 0,1 до 100 мкс. Нелинейность АЦП характеризует погрешность реализации уровней квантования, она составляет 0,2...0,05 %.
Платы многофункциональных адаптеров ввода-вывода УСО мик ропроцессоров включают мультиплексоры, АЦП, ЦАП, обеспечи вают ввод до 32 аналоговых сигналов с общим проводом и до 16 дифференциальных. Диапазон входных сигналов при 12-разряд ном АЦП составляет 0,01... 10 В, погрешность преобразования не превышает ±0,01 %, при этом входное сопротивление достигает
10 МОм и более, а частота выборки 1...300 кГц. Двенадцатиразряд ный ЦАП обеспечивает выходной сигнал 0...5; 0...10 В при макси мальном токе до 5 мА, интегральная и дифференциальная погрешно сти не превышают ±0,01 %, а время установления выходного сигнала находится в пределах 0,5 мкс. Помимо аналоговых сигналов платы обеспечивают ввод и вывод дискретных и импульсных сигналов.
С распространением распределенных систем управления и контро ля, к числу элементов которых относится «Метран-900», выпускаются микропроцессорные модули удаленного ввода-вывода, в которых ана логично коммутатору «Метран-900», производится первичная обра ботка информации, передающаяся затем по интерфейсу RS-485/232 вторичному измерительному или регулирующему устройству.
Микропроцессоры. В настоящее время производятся разнооб разные типы микропроцессоров, использующихся в персональных компьютерах, управляющих контроллерах, устройствах обработки аналоговой информации, в бытовых приборах. Если в последних применяются 4—8-разрядные контроллеры, в измерительных прибо рах — 16-разрядные, то в персональных компьютерах — 32- и даже 64-разрядные. На рис. 8.9 представлена схема микропроцессорного устройства, которое помимо своей центральной части — микропро цессора (МП) включает постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и устройство ввода и вывода данных (УВВ). В ПЗУ хранятся управляющие про граммы, исходные данные, необходимые для обработки информа ции и полученные результаты. В ОЗУ информация помещается в процессе ее обработки. УВВ обеспечивают связь микропроцессора с внешними устройствами, которые представляют собой последо вательные и параллельные порты, к которым подключаются кла виатура, мышь, принтер,
дисплей и другие устройства ввода и вывода данных. МП, ПЗУ, ОЗУ и УВВ соединяются между собой наборами провод ников, называемых шинами.
Рис. 8.9. Схема микропроцессорного уст ройства
Все операции в МП иниции руются импульсами синхрони зации от генератора тактовых импульсов, их частота характе ризует быстродействие МП. У современных МП значение так товой частоты составляет 10...200 МГц и выше.
Способы передачи цифровой информации
Передача цифровой информации производится по различным сетям: Internet, Ethernet, Profibus-DP, DeviceNet, Interbus, и др. Каж дая из сетей имеет свои особенности, назначение и реализуется на определенном типе кабелей. Увеличение их длины ведет к сниже нию амплитуды сигнала и скорости передачи информации. Для под ключения к сети устройства должны иметь платы с соответствую щим цифровым стандартом. Для каждого типа интерфейса и вида кабеля определяется число подключаемых устройств, длина кабеля и снижение скорости передачи. Для увеличения числа подключае мых устройств и длины линии используются повторители. Особен ность передачи информации в промышленных системах управления состоит в том, что полевые устройства: первичные средства измере ния и управления работают в реальном масштабе времени. В связи с этим применение высокоскоростных шин на полевом уровне тре бует дополнительных затрат на согласующие элементы.
HART-протокол как способ передачи цифровой информации раз работан фирмой Rosemount и занимает промежуточное положение между токовым и чисто цифровым сигналами. В нем осуществля ется цифровое усовершенствование токовой петли 4...20 мА за счет использования частотной модуляции токового выходного сигнала измерительных преобразователей. На сигнал 4...20 мА накладыва ются импульсы переменного тока, причем один период с частотой 1200 Гц соответствует логической единице, а 2200 Гц — логическому нулю (рис. 8.10). Среднее значение наложенных синусоид равно нулю и не влияет на токовый сигнал. Скорость передачи данных невысока и составляет 1,2 кбит/с (1,2 бод), время обновления данных 2—3 раза в секунду, сопротивление нагрузки 230 ...1100 Ом, к одной цепи может подключаться до 15 устройств.
Интерфейс RS-232 является наиболее простым среди RS-интер-фейсов. В нем источник и приемник сигналов имеют заземленную точку. Информация передается в виде двухполярных сигналов, еди нице соответствует -3...-15 В, а нулю от 3...15 В. Недостаток этого способа передачи сигнала — низкая помехозащищенность, что при водит к ограничению длины линии связи до 15 м. Скорость пере дачи составляет несколько десятков кбод, линия связи соединяет источник сигнала с одним приемником.
Интерфейс RS-485, получивший широкое распространение, ори ентирован на симметричные дифференциальные линии связи, что обеспечивает возможность использования линий длиной до 1200 м, при скорости передачи в зависимости от длины линии от 100 до 104 кбод, импульсы сигнала составляют ±1,5 В. Для увеличения длины
Рис. 8.10. Передача цифровой информации по HART протоколу
линии и числа подключаемых устройств используются специальные повторители. В качестве линий связи применяется витая экраниро ванная пара с подключением на каждый сегмент без повторителя 32 устройств. Возможно использование оптического кабеля.
В системах с территориально-распределенными средствами изме рения для передачи информации используются радиоканалы. Радио модемы, работающие на частотах 1000...2500 МГц, позволяют пере дать информацию на расстояние до 5 км.
Распространение микропроцессорных (интеллектуальных) пер вичных средств измерения и исполнительных механизмов с их ши рокими функциональными возможностями привело к созданию от крытых распределенных систем управления, включающих высоко скоростную полевую шину (Fildbus), объединяющую устройства нижнего уровня. Такое техническое решение позволяет сократить длину линий связи, повысить скорость обмена данными. Представи телем такой системы является PROFIBUS (Германия). Основой пе редающей среды в ней служит RS-485.
Контрольные вопросы