6.3. Устройства ввода-вывода

Устройства (модули) ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром. В идеальном случае было бы желательно иметь в процессоре значения измеренных сигналов в любой момент времени. Однако поскольку количество каналов ввода-вывода в некоторых системах может достигать тысяч, а измерительные каналы всегда имеют ограниченную пропускную способность, измеренные значения поступают в процессор в дискретные моменты времени.

Существует несколько уровней и способов опроса множества каналов ввода. Современный модуль ввода имеет свой собственный микроконтроллер, который выполняет циклический опрос всех своих каналов и помещает полученные данные в буфер. Если по алгоритму работы системы автоматизации используются только несколько каналов модуля, то неиспользуемые каналы можно замаскировать (исключить их из процедуры опроса), если это требуется для увеличения быстродействия системы. При поступлении в модуль команды считывания значений со входов собранные данные передаются из буфера модуля в ПЛК, где помещаются в буфер OPC сервера или в определенную область ОЗУ.

Опрос модулей может выполняться циклически с одинаковой частотой для всех модулей, или с разной частотой. Второй вариант позволяет уменьшить загруженность шины, по которой выполняется обмен данными между модулями ввода и процессорным модулем.

Циклический опрос всех модулей с заранее заданной частотой сильно загружает шину, по которой модули ввода связываются с процессором. Это особенно очевидно, если процессор сканирует входы для обнаружения сигнала от аварийного датчика, который может сработать один раз в 10 лет, или если вводятся данные от датчика температуры в условиях, когда температура постоянна. В подобных случаях более эффективны многомастерные шины (например, CAN или Profibus), которые позволяют использовать режим подписки, при котором процессор модуля ввода, в котором произошло изменение состояния входа, является инициатором обмена данными.

Наибольшее распространение в промышленной автоматизации нашли одномастерные шины и циклический опрос (поллинг - от "polling") модулей ввода в силу своей простоты и сравнительно низкой стоимости.

Модули ввода и вывода в промышленной автоматизации имеют гальваническую изоляцию между входными (выходными) зажимами и шиной контроллера. Напряжение изоляции составляет от 2500 В (реже от 500 В) до 4000 В.

Иногда требуется выполнить одновременный опрос входов всех модулей ввода или вывести данные одновременно в каналы всех модулей вывода. Для решения этой проблемы используют широковещательные команды, которые воспринимаются всеми модулями одновременно и они выполняют ввод или вывод данных в свои буферные регистры в одно и то же время. После этого обычным циклическим опросом данные по очереди вводятся в процессорный модуль.

Модули ввода соединяются с процессором последовательной или параллельной шиной. В магистрально-модульных системах используются параллельные шины ISA, PCI, Compact PCI, PCI Express, PC/104, SpeedBus, VME и др., в модульных ПЛК - частнофирменные (нестандартные) последовательные и параллельные шины. В контроллерах с распределенными (удаленными) модулями ввода-вывода наиболее распространены последовательные шины на основе интерфейсов RS-485 и CAN.

Преимуществом параллельной шины является высокая пропускная способность, позволяющая выполнять сканирование модулей ввода с высокой частотой и использовать модули аналогового ввода с тактовой частотой АЦП до 100 кГц. Однако небольшая длина параллельной шины, ограниченная рассинхронизацией отдельных бит в передаваемом слове, не позволяет подключить к одному контроллеру более 32 модулей. Контроллеры с последовательной шиной имеют противоположные свойства. Кроме того, они позволяют организовать распределенные системы сбора данных и управления, преимущества которых обсуждались в разделе "Архитектура автоматизированной системы".

Большинство параллельных и последовательных шин контроллеров являются одномастерными, поскольку многомастерные шины существенно сложнее и дороже.

Обмен данными с модулем выполняется по адресу, который обычно записывается в ПЗУ модуля. Иногда адресом является номер слота, в который вставляется модуль или положение микропереключателя.

Цепи входов и выходов модулей ввода должны иметь гальваническую изоляцию, назначение которой подробно описано в разделе "Защита от помех". Гальваническая изоляция может быть поканальная, когда каждый канал изолирован от остальных, или групповая. Обычно используется групповая изоляция. В удаленных модулях распределенных ПЛК может быть использована индивидуальная гальваническая изоляция интерфейса RS-485 каждого модуля или групповая изоляция интерфейсов нескольких модулей с помощью одного модуля развязывающего повторителя интерфейсов. Для передачи напряжения питания в изолированную часть модуля используются DC-DC преобразователи, построенные с применением развязывающих миниатюрных трансформаторов.

Современные модули ввода-вывода могут выполнять кроме функций ввода некоторую обработку вводимой информации и дополнительные функции: компенсацию температуры холодного спая термопар, линеаризацию нелинейных датчиков, диагностику обрыва датчика, автоматическую калибровку, ПИД-регулирование, управление движением. Перенос части функций контроллера в модули ввода-вывода является современной тенденцией, направленной на увеличение степени распараллеливания задач управления, обеспечение независимости локальных модулей (которые по своим функциям приближаются к ПЛК) и уменьшение потока информации между параллельно работающими процессорами в модулях ввода-вывода. По такому принципу построены, в частности, модули RealLab! фирмы Reallab!.

6.3.1. Ввод аналоговых сигналов

Разнообразие физических явлений порождает разнообразие датчиков, для каждого из которых существует соответствующее устройство ввода. Для унификации (сокращения числа типов) модулей ввода используют устройства нормирования сигналов, которые преобразуют измеряемую физическую величину в стандартный электрический сигнал, соответствующий ГОСТ 26.011-80 и ГОСТ Р 51841-2001. Фактически в промышленной автоматизации используются следующие стандартные диапазоны аналоговых сигналов: 0...10 В, 0... ±10 В, 1...5 В и 4...20 мА, 0...20 мА. ГОСТ Р 51841-2001 не рекомендует применять диапазон 0...20 мА в новых разработках [ГОСТ]. Входное сопротивление потенциальных входов должно быть не менее 10 кОм для диапазона 0...10 В и 0... ±10 В, не менее 5 кОм для диапазона 1...5 В и не более 300 Ом для диапазона 4...20 мА.

Применение стандарта позволяет изготовить всего один тип универсального устройства ввода со стандартными диапазонами для всех типов датчиков со стандартными выходными сигналами. Однако для таких датчиков, как термопары [ГОСТ], термопреобразователи сопротивления [ГОСТ], [ГОСТ 20420-75, ГОСТ 21616-91] в силу их широкой распространенности нормирующие преобразователи встраивают в сами модули ввода. Поэтому кроме универсальных модулей ввода получили распространение специализированные модули ввода сигналов термопар, термопреобразователей сопротивления и тензорезисторов.

Структура модулей ввода

Рассмотрим типовую структуру модулей ввода аналоговых сигналов на примере серии RealLab! фирмы RealLab! [Денисенко]. На рис. 6.4 приведена структура модуля NL-4RTD серии (RealLab!), однако она является типовой и на ее примере можно рассмотреть базовые принципы построения современных модулей ввода аналоговых сигналов.

Основной частью модуля ввода является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обычно используют один АЦП для ввода нескольких (обычно 8 или 16) аналоговых сигналов. Для подключения источников сигнала к АЦП используется аналоговый коммутатор на МОП-транзисторах. Ввод нескольких сигналов выполняется последовательно во времени. В случаях, когда необходим одновременный ввод, используют модули, в которых каждый канал имеет свой АЦП.

В модулях ввода обычно используют дифференциальные входы, которые позволяют выполнить более помехозащищенный канал передачи аналогового сигнала по сравнению с одиночными (не дифференциальными) входами. Некоторые модули (например, NL-8AI ) позволяют программно задавать конфигурацию входов: дифференциальные или одиночные.

Входные цепи устройств ввода принято защищать от статического электричества, от повышенного напряжения, от изменения полярности. Для защиты используют специальные микросхемы защиты, в которых активным элементом является МОП-транзисторный ключ. При повышении напряжения выше допустимого ключ запирается, предохраняя чувствительные входы от повышенного напряжения. Измерительные цепи строят таким образом, чтобы сопротивление открытого МОП ключа не вносило погрешность в результат измерения. Для этого ключ используют либо для передачи потенциала, когда ток, протекающий через открытый ключ, пренебрежимо мал, либо для передачи тока, когда информация переносится в форме тока и поэтому падение напряжения на ключе не вносит погрешность в передаваемый сигнал.

Модули ввода могут иметь программно переключаемые диапазоны входных сигналов. Например, модуль NL-8TI фирмы RealLab! имеет входные диапазоны ±15 мВ, ±50 мВ, ±100 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±2,5 В, ±20 мА. Диапазоны измерений обычно задаются для всех входов одинаковыми. Модули NL серии RealLab! позволяют для каждого входа задавать свой диапазон измерений.

Современная элементная база позволяет строить недорогие модули аналогового ввода с погрешностью измерений ±0,05%, что еще 10 лет назад можно было реализовать только в стационарных и дорогих вольтметрах.

Для коммутации входных ключей модуля используется программа, исполняемая микроконтроллером. Эта процедура достаточно проста и для ее выполнения можно использовать микроконтроллер, входящий в состав некоторых АЦП (именно такой АЦП использован на рис. 6.4). Это позволяет уменьшить количество каналов гальванической развязки между аналоговыми входами и портом RS-485.

Микропроцессор типового модуля ввода выполняет следующие функции:

• реализует протокол обмена с ПЛК;
• исполняет команды, посылаемые ПЛК в модуль;
• реализует выполнение функций автоматической калибровки, диагностики обрыва или к. з. в цепи датчика;
• преобразует форматы вводимых данных (инженерный формат - в единицах измеряемой величины, шестнадцатеричный формат, проценты от диапазона измерений);
• устанавливает скорость обмена с ПЛК (для ПЛК с распределенными модулями ввода-вывода);
• выполняет цифровую фильтрацию входного сигнала (в модулях RealLab! эта операция выполняется контроллером, встроенным в АЦП).

В постоянной памяти ЭППЗУ модуля хранятся калибровочные коэффициенты, адрес модуля, программа, таблицы линеаризации нелинейных характеристик термопар и термопреобразователей сопротивления. Сторожевой таймер выполняет перезагрузку (сброс) микроконтроллера в случае его зависания.

В модуле ввода на рис. 6.4 имеются каналы вывода дискретных сигналов. Это позволяет реализовать на одном модуле ПИД-регулятор с широтно-импульсным (ШИМ) управлением исполнительным устройством.

Питание внутренних узлов модуля выполняется от внутреннего стабилизатора напряжения, который позволяет подавать внешнее напряжение питания в широком диапазоне, обычно от 10 до 30 В. Большой диапазон напряжений питания очень полезен в распределенных системах, когда модули ввода могут находиться на значительном расстоянии друг от друга и поэтому падение напряжения на сопротивлении проводов питания достигает 10...20 В.

Цепи питания модулей защищаются от неправильной полярности напряжения питания и от превышения напряжения питания над допустимым значением. Защита выполняется диодами, стабилитронами, позисторами и плавкими предохранителями.

Для интерфейса RS-485 используется защита от статического электричества, от электромагнитных импульсов, от короткого замыкания и перегрева выходного каскада. Дополнительно в модулях RealLab! сделана защита на позисторах и стабилитронах от повышенного напряжения в линиях связи.

Команды управления модулем

Для чтения данных со входов модуля, изменения входного диапазона, частоты обмена и выполнения других функций процессор ПЛК посылает в модули команды. Команды могут иметь текстовый формат (так сделано в протоколе DCON и Modbus ASCII) или шестнадцатеричный (как, например, в протоколе Modbus RTU).

Приведем пример нескольких команд в текстовом формате.

Команда чтения данных из модуля аналогового ввода имеет вид текстовой строки

#AA[CHK](cr), где AA - адрес (от 00 до FF). Например, если модуль имеет адрес 04, то команда будет иметь вид #04. Ответ на эту команду последует в виде восьми числе, соответствующих сигналам на восьми входах модуля ввода, например >+1.2345+0.3456+0.0001+2.5000+1.2345+0.3456+0.0001+2.5000, где ">" - символ начала ответа.

Для чтения данных из канала с номером N можно использовать команду #AAN, например, #042, ответ на которую может быть получен в виде одного значения напряжения на входе модуля >+1.2345.

Для выполнения автокалибровки подается команда $AA0, где AA - адрес модуля.

Полный список команд для модулей RealLab! (их около 50 для каждого модуля) можно найти в документации на сайте Reallab!.

6.3.2. Модули ввода тока и напряжения

Потенциальный вход

а)	б)
Рис. 6.5. Потенциальный одиночный (а) и дифференциальный (б) вход

Потенциальные входы модулей ввода (рис. 6.5) используются для измерения напряжений. Идеальный потенциальный вход имеет бесконечно большое сопротивление и нулевую емкость, поскольку при подключении к измеряемой цепи он не должен влиять на ее динамические или статические характеристики. В реальных условиях внутреннее сопротивление источника сигнала и сопротивление открытого ключа образуют делитель напряжения с входным сопротивлением на постоянном токе и емкостью в динамическом режиме (см. рис. 6.5-а). Поэтому полное входное сопротивление модуля ввода вносит методическую мультипликативную погрешность в результат измерения, которую всегда нужно оценивать, исходя из паспортных данных модуля. Типовыми значениями входных параметров являются , , , поэтому для обеспечения методической погрешности величиной 0,01% сопротивление источника сигнала должно быть не более . Однако, поскольку указанная погрешность не зависит от напряжения источника сигнала, ее можно скомпенсировать в контролере или модуле ввода.

Сопротивления и емкость, показанные на рис. 6.5-а, образуют фильтр низкой частоты первого порядка с постоянной времени 1,2 мкс при , , (считаем, что ), который вносит также динамическую погрешность в результат измерения. Динамическая погрешность зависит от формы входного сигнала и может быть оценена по методике, изложенной в разделе "Измерительные каналы".

а)	б)
Рис. 6.6. Токовый вход на основе одиночного (а) и дифференциального (б) потенциального входа

Для модулей с дифференциальными входами (рис. 6.5-б) оценка методической погрешности делается аналогично.

Для уменьшения погрешности следует увеличивать входные сопротивления и уменьшать емкости . Однако в схеме с дифференциальным включением увеличение и снижение ведет к росту емкостной наводки (см. раздел "Защита от помех"), а также к увеличению синфазной помехи, вызванной входными токами операционного усилителя и атмосферным электричеством. Синфазная помеха может стать настолько большой, что напряжения на входах операционного усилителя выйдут за границы динамического диапазона. Поэтому при работе с дифференциальными входами следует соблюдать правила выполнения сигнального заземления, изложенные в разделе "Защита от помех". Вывод на рис. 6.4, рис. 6.5 следует соединять с экраном кабеля источника сигнала или не соединять ни с чем.

Токовый вход

Токовые входы модулей ввода используются для ввода величины тока, например, стандартного сигнала 4...20 мА. Преобразование тока в напряжение выполняется с помощью резистора величиной 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом, максимальное падение напряжения на котором составляет, соответственно, 2,5 В, 5 В или 10 В. Для ввода в контроллер полученного напряжения используется модуль с дифференциальным или одиночным входом (рис. 6.6). Измерительные резисторы могут быть установлены снаружи модуля ввода (на его входных клеммах) или внутри.

Измерительные резисторы могут быть прецизионными, тогда для получения точных измерений достаточно откалибровать модуль только в режиме ввода напряжений. При использовании резисторов низкой точности их погрешность можно скомпенсировать путем калибровки модуля совместно с измерительным резистором, в режиме измерения тока. Однако для этого необходимо выполнить калибровку каждого канала отдельно. Если модуль не позволяет выполнять индивидуальную калибровку каждого канала, то формулу для внесения поправок и ее коэффициенты можно сохранить в ОРС сервере или флэш-памяти ПЛК.

При использовании диапазона токов 0...20 мА ток преобразуется в напряжение по формуле , для диапазона 4...20 мА - по формуле (рис. 6.7). При этом току 4 мА соответствует выходной сигнал, равный нулю. Смещение уровня нуля на 4 мА необходимо для обеспечения возможности диагностирования обрыва в цепи датчика, см. раздел "Аппаратное резервирование".

Термопары являются самым распространенным средством измерения температуры в промышленности и лабораториях [Олейник]. Это связано с их широким температурным диапазоном (от -270 °С до +2500 °С), обычно удовлетворительной точностью, низкой ценой, взаимозаменяемостью и высокой надежностью.

Понимание принципа действия термопары крайне важно для ее корректного применения. Термопара представляет собой два провода из различных металлов, соединенных на одном конце ("рабочий конец", "горячий спай") и предназначенных для измерения температуры (рис. 6.8). Вторые концы термопары ("свободные концы", "холодный спай") соединены со средством измерения напряжения с помощью проводов из металла одного типа, например, меди.

а)	б)
Рис. 6.8. Измерение сигнала термопары без компенсации температуры холодного спая (а) и с компенсацией (б)

Между двумя несоединенными выводами термопары возникает э. д. с, (рис. 6.8-а), величина которой зависит от температуры горячего спая:

.

(6.1)

Для случая, когда температура холодного спая (свободных концов) равна 0°С (), зависимость (6.1), а также обратная зависимость представлены в ГОСТ Р 8.585-2001 [ГОСТ] и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или полинома.

Для случая, когда температура свободных концов не равна нулю (), они являются источником э. д. с. , величина которой также зависит от температуры: . Поэтому напряжение на входе измерителя напряжения термопары будет равно (см. рис. 6.8-б)

.

(6.2)

Обратим внимание, что для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же градуировочная таблица (полином). Это становится возможным благодаря "правилу промежуточных проводов", согласно которому если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, константан и железо соединены через медь, как на рис. 6.8), то промежуточный металл не влияет на результирующую э. д. с., если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, свободные концы термопары, соединенные с измерителем напряжения медными проводами (рис. 6.8-а), можно рассматривать как второй контакт между константаном и железом.

Измерение температуры с помощью термопары выполняется косвенным методом: сначала измеряется напряжение между свободными концами термопары и их температура . Затем путем решения уравнения (6.2) относительно находится измеряемая температура. Чтобы исключить необходимость решения нелинейного уравнения (6.2), обычно используется табулированная функция, обратная , т.е. , приведенная в ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется "компенсацией температуры холодного спая".

В модулях ввода сигналов термопар (например, в модуле NL-8TI серии RealLab! указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически. Пользователю нужно только задать тип термопары (см. табл. 6.31) и подключить ее к модулю ввода. Температура свободных концов ("холодного спая") измеряется встроенным в модуль датчиком температуры (рис. 6.8-б), в качестве которого чаще всего используется терморезистор.

Очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между свободными концами термопары и датчиком их температуры. С этой целью для точных измерений используют медную или алюминиевую пластину, к которой через диэлектрическую прокладку прикрепляются свободные концы термопары и датчик температуры. Конструктив выполняется таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт пластины с датчиком и термопарными проводами, а также изотермичность поверхности.

Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. Для этой цели можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами.

Зависимость напряжения между свободными концами термопары от температуры при условии, что температура холодных концов стабилизирована на уровне 0°С, в стандартах NIST* и ГОСТ Р описывается полиномом вида [ГОСТ, Temperature]:

,

(6.3)

где - коэффициенты полинома; - степень полинома. Для обеспечения необходимой точности аппроксимации весь температурный диапазон разбивается на 1...3 поддиапазона, для каждого из которых используется отдельный полином вида (6.3).

Обратная зависимость описывается аналогичным выражением

.

(6.4)

Погрешность такой аппроксимации составляет от ±0,02°С до ±0,05°С.

В таблице 3 приведены типы термопар, их маркировка, классы допуска и допустимые отклонения от номинальной статической характеристики преобразования.

Примечание.

1. Пределы отклонений (технологический разброс) указаны как отклонения от номинальной нелинейной характеристики (6.4).

2. В таблице приведены значения отклонений для классов допуска 2 и 3. Термопары класса 1 и 2 имеют меньшие отклонения (допуск), см. в ГОСТ Р 8.585-2001.

Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Сварка проводов термопары, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температурой плавления припоя. Термопары, изготовленные сваркой, выдерживают более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинального вида вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металл, а также изменения структуры материала. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым спаем имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности, поверхности полупроводниковых приборов [Milanovi - Miyazaki]. В [Dashevsky] описана термопара с диаметром рабочего конца 1 мкм, которая имеет постоянную времени 1 мкс.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Погрешность измерений

Основная проблема построения измерительного канала на базе термопары связана с ее малым выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), которое гораздо меньше помех, наведенных на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к модулю ввода. Модуль ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы снизить длину проводов, по которым передается аналоговый сигнал. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в модулях ввода используют режекторный фильтр. Подавление помехи нормального вида (т. е. когда источник помехи включен последовательно с источником сигнала) с частотой 50 Гц, например, в модулях NL-8TI фирмы RealLab!, составляет 120 дБ, помехи общего вида (когда источник помехи включен между закороченными входами и землей) - 140 дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к емкостным наводкам.

Точность термопары зависит от химического состава материала. Внешние факторы, такие как давление, коррозия, радиация могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.

Погрешность измерений с помощью термопар складывается из следующих составляющих:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары (см. табл. 6.31). Зависит от чистоты материалов и точности их процентного содержания в материалах электродов;
• случайная погрешность измерения температуры холодного спая;
• погрешность, вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;
• систематическая погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;
• систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);
• динамическая погрешность;
• погрешность, вызванная внешними помехами;
• погрешность аналого-цифрового канала.

Погрешность измерения температуры холодного спая, погрешность линеаризации, погрешность аналого-цифрового канала и динамическая погрешность относятся к инструментальным погрешностям и указываются в паспорте на модуль ввода. Другие погрешности необходимо учитывать отдельно, в зависимость от типа использованных термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т. п.

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры сопротивления) являются вторыми по распространенности средствами измерения температуры после термопар. Принцип их действия основан на зависимости электрического сопротивления металла (по ГОСТ 6651-94 [ГОСТ] используется медь, платина и никель) или полупроводника от температуры.

Достоинством металлических датчиков является высокая линейность и взаимозаменяемость, т.е. возможность замены вышедшего из строя датчика на аналогичный без повторной калибровки системы. Взаимозаменяемость достигается благодаря малому технологическому разбросу сопротивлений датчиков (разброс сопротивлений составляет от ±0,15 °С при температуре 0 °С для медных датчиков класса "А" до ±0,5 °С для датчиков класса "С" по ГОСТ 6651-94). Разброс сопротивлений увеличивается с ростом температуры, см. табл. 6.32. Медные датчики используются для измерения температуры в диапазоне от -200 °С до +200 °С, платиновые - в диапазоне от -260 °С до +850 °С, никелевые - от -60 °С до +180 °С [ГОСТ].

Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые - высокую стабильность (неизменность показаний с течением времени), медные - низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление при 100°С и отношение , где - сопротивление при 0 °С. Медные датчики изготавливаются с и , платиновые - с и , никелевые - с . Эти параметры, а также класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление указывается в форме "ТСМ50" (Термопреобразователь Сопротивления Медный, 50 Ом), "ТСП100" (Термопреобразователь Сопротивления Платиновый, 100 Ом) и т. п.

Примечание: *Для единичного производства допускается изготовление термопреобразователей ТСП с диапазоном от -260 до +1100° С.

Зависимость сопротивления от температуры в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной (рис. 6.9):

,

(6.5)

где - сопротивление при температуре °С, - температурный коэффициент сопротивления. Из этого уравнения можно получить связь между и :

.

(6.6)

В широком диапазоне температур линейная зависимость дает слишком большую погрешность (рис. 6.9-б), поэтому ГОСТ 6651 [ГОСТ] устанавливает для термопреобразователей сопротивления табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры [ГОСТ]. Это позволяет исключить систематическую составляющую погрешности нелинейности из результата измерений. Процедура исключения погрешность нелинейности обычно выполняется в микроконтроллере модуля ввода (рис. 6.4).

После исключения систематической составляющей погрешности нелинейности остается случайная составляющая, обусловленная технологическим разбросом сопротивления датчика при 0 °С и разбросом его температурного коэффициента сопротивления. Эта погрешность вносит основной вклад в результат измерения температуры. Она нормируется для трех классов допуска: А, B и С (табл. 6.32) [ГОСТ].

Источником погрешности измерений с помощью термопреобразователей сопротивления является также электротермический эффект, который проявляется при соединении никелевых или медных термопреобразователей с медными проводами. Обычно он не превышает 20 мкВ. Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение двух измерений при противоположных направлениях тока или измерения на переменном токе [Low].

Датчик температуры, основанный на зависимости сопротивления от температуры, состоит из термочувствительного элемента и защитной оболочки. Чувствительный элемент (сенсор) может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой (безиндуктивная намотка сдвоенным проводом) или проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.

При использовании крупных датчиков для измерения температуры тел с малой теплоемкостью появляется методическая погрешность, вызванная перераспределением количества теплоты между объектом измерений и датчиком (погрешность термического шунтирования). Для уменьшения этой погрешности следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.

Для датчиков с малыми геометрическим размерами существенную роль играет величина измерительного тока (здесь общепринятый символ "ex" происходит от "excitation" - "возбуждение"). Мощность , выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением , преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика. Для уменьшения эффекта саморазогрева следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнала к шуму и увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Лучшие результаты дает измерение с помощью импульса, длительность которого выбирается из условия минимизации энергии, поступающей в резистор за время измерения.

В отличие от металлических термопреобразователей, полупроводниковые терморезисторы, как правило, требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинством являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.

Для измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления необходимо измерять величину омического сопротивления датчика. В системах промышленной автоматизации используются три варианта схем измерений: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Двухпроводная схема измерений

Двухпроводная схема измерений (рис. 6.10) использует косвенный метод измерений, при котором измеряется напряжение на сопротивлении , вызванное протекающим калиброванным током возбуждения . Реже задается калиброванное напряжение и измеряется ток . Возможен также вариант, когда одновременно измеряются как ток, так и напряжение при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях величину сопротивления рассчитывают по формуле

.

(6.7)

В связи с тем, что сопротивление металлических датчиков мало, большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов (рис. 6.10-а). Поэтому двухпроводная схема измерений используется, когда сопротивления малы, например, не превышают 0,1% от сопротивления датчика , т.е. для медного датчика ТСМ50 с =50 Ом сопротивление проводов должно быть не более 0,05 Ом. При использовании проводов сечением 0,35 кв. мм с погонным сопротивлением 0,049 Ом/м длина пары проводников для этого случая не должна превышать 0,5 м.

Поскольку рассматриваемая погрешность является систематической, ее можно исключить из результата измерений несколькими способами. Если измерения выполняются при заранее известном сопротивлении проводов , то величину измеренного сопротивления нужно уменьшить на . Для более точного исключения этой погрешности нужно учесть зависимость сопротивления от температуры, если известна температура провода.

Относительную погрешность измерения сопротивления по двухпроводной схеме можно получить из выражения (6.7), с учетом погрешности, вызванной нескомпенсированной составляющей сопротивления проводов :

,

(6.8)

где - погрешность измерения напряжения; - погрешность задания тока. Здесь использовано квадратичное суммирование погрешностей, поскольку все они являются случайными. В случае, когда сопротивление проводов не вычитается из результата измерения, = и эта погрешность должна учитываться алгебраически, см. раздел "Измерительные каналы".

Четырехпроводная схема измерений

Принцип действия четырехпроводной схемы (рис. 6.10-б) основан на измерении напряжения не на выводах источника тока, как на рис. 6.10-а), а на выводах непосредственно сопротивления . При этом падение напряжения на сопротивлении проводов не влияет на результат измерения.

Методическая погрешность в рассматриваемой схеме отсутствует и относительная погрешность измерения сопротивления определяется только инструментальной погрешностью измерения напряжения и задания тока:

.

(6.9)

Расстояние от модуля ввода до датчика при четырехпроводной схеме измерений ограничивается только уровнем помех, который растет пропорционально длине проводов.

Трехпроводная схема измерений

Желание снизить стоимость кабеля в системах автоматизации при невысоких требований к точности привело к появлению трехпроводной схемы измерений. В модулях ввода используются три варианта трехпроводных схем измерения сопротивлений, которые отличаются погрешностью и конструкцией измерительного модуля.

С появлением интегральных АЦП с двумя встроенными цифроуправляемыми источниками тока появилась возможность реализовать трехпроводную схему измерений, показанную на рис. 6.11-а.

Предположим сначала, что токи источников тока равны: == и равны сопротивления проводов: , а погрешность измерителя напряжения равна нулю. Тогда напряжение между выводами измерителя напряжения на рис. 6.11-а будет равно

.

(6.10)

Учитывая идентичность токов и сопротивлений, получим

,

(6.11)

т.е. падение напряжения на проводах взаимно компенсируются благодаря идентичности измерительных токов и сопротивлений проводов.

Предположим теперь, что токи заданы со случайной погрешностью , т.е. , и сопротивления проводов также имеют технологический разброс , , а погрешность измерителя напряжения равна . Тогда выражение (6.10) примет вид

.

(6.12)

Пренебрегая выражениями вида по сравнению с и с , получим:

.

(6.13)

Используя правило квадратичного суммирования случайных погрешностей, получим выражение для среднеквадратической погрешности измерения напряжения:

,

(6.14)

т.е.

.

(6.15)

Относительную погрешность измерений с помощью трехпроводной схемы, показанной на рис. 6.11-а) можно рассчитать по формуле (6.9), используя (6.14).

Как следует из (6.14) и (6.9), погрешность пропорциональна сопротивлению (длине) длине провода и дисбалансу токов источников измерительного тока. Заметим, что обе эти составляющие отсутствуют в ранее рассмотренной четырехпроводной схеме измерений.

Второй вариант трехпроводной схемы измерений показан на рис. 6.11-б). Компенсация падений напряжения на проводах в ней осуществляется благодаря применению второго измерителя напряжения . Зная величину и предполагая, что сопротивления (сопротивление не вносит погрешность, т.к. ток через него равен нулю), получим:

.

(6.16)

В этой схеме присутствуют те же источники погрешности, что и в предыдущей, поскольку используется тот же принцип компенсации погрешностей, если учесть, что вместо погрешности задания тока вносится погрешность его измерения.

Третьим вариантом трехпроводной схемы измерения сопротивлений является мост Уитстона (рис. 6.12). В отличие от предыдущих схем, в которых использован косвенный метод измерения сопротивлений, мост используется для прямого измерения методом сличения с эталоном. В процессе измерений мост служит индикатором равенства напряжений левого и правого плеча моста:

, .

(6.17)

До появления микропроцессорных измерительных средств процесс измерения сопротивлений с помощью моста выполнялся следующим образом. В качестве использовался магазин эталонных сопротивлений, которые переключались вручную или специальным механическим приводом до тех пор, пока не наступало состояние равновесия моста, когда =0, или . В состоянии равновесия, как следует из (6.17),

.

(6.18)

Зная и , из (6.18) можно найти искомое значение . Важно, что результат измерения не зависит от напряжения , в том числе его стабильности и величины помех в цепях питания моста.

Если мост уравновешен при условии , то, как следует из (6.18), , при этом сопротивление проводов не влияет на результат измерения.

В модулях аналогового ввода описанный метод измерения в принципе возможен с помощью цифроуправляемого эталонного резистора [Денисенко, Денисенко], однако экономически эффективнее использовать рассмотренные выше схемы с источниками тока.

Современные модули ввода сигналов термопреобразователей сопротивления используют все три схемы измерения сопротивлений: двухпроводную, трехпроводную и четырехпроводную. Например, модуль NL-4RTD фирмы RealLab! имеет 6 источников тока , (рис. 6.4) и 4 дифференциальных потенциальных входа (). Это позволяет подключить к нему 4 датчика по двухпроводной схеме или 4 датчика по 4-х проводной схеме, или 3 датчика по трехпроводной схеме измерений, показанной на рис. 6.11-а).

Погрешность измерений

Погрешность измерений температуры с помощью термопреобразователей сопротивления состоит из следующих составляющих:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений и температурных коэффициентов датчиков;
• систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом, когда к платиновому или никелевому датчику подключают обычные медные провода, и их соединения имеют разную температуру. Термоэдс возникает также в контактах меди и свинцово-оловянного припоя (величина термоэдс составляет 1...3 мкВ/°С);
• тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;
• тепловой и фликкер-шум измеряемого систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);
• тепловой и фликкер-шум измеряемого динамическая погрешность;
• саморазогрев датчика;
• погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов от модуля до датчика;
• погрешность измерительного модуля ввода.

Погрешность модуля ввода нормируется при условии, что сопротивление провода от модуля до датчика равно нулю. Поэтому эту составляющую погрешности можно рассчитать, см. (6.14) и сложить с погрешностью модуля, но лучше откалибровать модуль с подключенными к нему проводами нужной длины.

О правилах суммирований погрешностей см. раздел "Измерительные каналы".

Тензорезисторы [ГОСТ 20420-75, ГОСТ 21616-91] используются для измерения деформации в твердых телах. На их основе строят датчики веса, давления, силы, перемещения, момента, ускорения, вибрации, натяжения, крутящего момента, остаточных напряжений в механических конструкциях и деталях машин после их обработки и т.д. Принцип действия тензорезистора основан на изменении электрического сопротивления твердого тела при его деформации приложенной силой.

Сопротивление твердого тела длиной с площадью поперечного сечения определяется формулой , где - удельное сопротивление. При приложении к телу растягивающей силы (рис. 6.13) происходит деформация: увеличивается длина тела на и уменьшается площадь поперечного сечения на . У большинства тел изменяется также удельное сопротивление на величину . В случае, когда эти приращения малы, путем логарифмирования и последующего дифференцирования обеих частей формулы для получим

.

(6.19)

Поскольку площадь поперечного сечения проводника пропорциональна его характерному поперечному размеру (в случае круглого сечения , для прямоугольного сечения площадь , если ), то при в обоих случаях можно получить соотношение . Поэтому

=,

(6.20)

где - коэффициент Пуассона, для металлов равный ; - относительное удлинение (относительная деформация) тела. Величина является безразмерной, однако, поскольку она измеряется тысячными и миллионными долями, для удобства оперирования числами используют безразмерные единицы измерения, такие как мм/м, мкм/м, а в зарубежной литературе чаще всего применяется единица микрострейн или микрос, равная .

У металлов удельное сопротивление меняется слабо, поэтому

,

(6.21)

т.е. относительное изменение сопротивления линейно зависит от относительного изменения длины.

Чувствительность тензорезистора к изменению его длины характеризуется коэффициентом относительной тензочувствительности ("Gauge Factor"):

=,

(6.22)

или, используя (6.20), получим

.

(6.23)

Коэффициент тензочувствительности для большинства металлических тензодатчиков примерно равен 2, для платины =6,1, для некоторых специальных сплавов он может доходить до 10.

Для измерения силы с помощью тензорезисторов используют закон Гука, согласно которому при упругой деформации механическое напряжение пропорционально относительной деформации :

где - модуль упругости.

Напряжением называется физическая величина, численно равная упругой силе, приходящейся на единицу площади поперечного сечения тела (рис. 6.13):

Используя приведенные выше соотношения, можно выразить величину силы через относительное изменение сопротивления тензорезистора в виде

.

(6.24)

Подставляя вместо его значение из (6.22), получим

.

(6.25)

Таким образом, измерение силы с помощью тензорезистора сводится к измерению его сопротивления или напряжения на выходе измерительного моста, которое зависит от сопротивления (см.[Wang])).

Датчики на основе тензорезисторов

Конструктивно металлический датчик на основе тензорезистора (тензодатчик) состоит из очень тонкого провода или, более часто, металлической фольги, сформированной в виде змейки (рис. 6.14) и нанесенной на подложку (носитель), которая непосредственно приклеивается к испытываемому телу. Типовая длина тензодатчиков колеблется от 0,2 мм до 10 см.

Змеевидная структура датчика обеспечивает большое относительное изменение длины фольги вдоль датчика и очень малое изменение при растяжении датчика в поперечном направлении. Поэтому коэффициент Пуассона в такой структуре минимален.

Серийные тензодатчики имеют сопротивление от 30 Ом до 3 кОм при типовых значениях 120 Ом, 350 Ом и 1 кОм. Материалом для тензорезисторов служит константан (45% Ni, 55% Cu), платина и ее сплавы, нихром (80% Ni, 20% Cr), манганин (84% Cu, 12% Mn, 4% Ni), никель и др.

Для точной передачи растяжения образца через подложку на металлический проводник очень важно правильно прикрепить датчик к испытываемому образцу. Для этого лучше всего пользоваться информацией, предоставляемой изготовителем тензодатчика.

Длина чувствительного элемента тензодатчика и длина его подложки изменяются в зависимости от температуры. Поэтому, несмотря на специальные меры, принимаемые при изготовлении тензодатчиков их производителями, существует проблема снижения температурной чувствительности. Температурная чувствительность определяется двумя физическими явлениями: зависимостью омического сопротивления материала тензорезистора от температуры и паразитным тензорезистивным эффектом, который возникает вследствие несогласованности температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор.

Измерения с помощью тензодатчиков

Измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления. Например, относительное изменение сопротивления, вызываемое относительным растяжением 0,0005 при тензорезистивном коэффициенте, равном 2, составит 0,1%, что для тензодатчика сопротивлением 120 Ом эквивалентно сопротивлению всего лишь 0,12 Ом. Чтобы измерять столь малое изменение сопротивления и скомпенсировать температурную погрешность, тензодатчики практически всегда используют в мостовой схеме (мост Уитстона, рис. 6.15), подключенной к источнику напряжения или тока (источнику питания моста).

Общепринятого стандарта для питания моста не существует. Типовыми являются напряжения 3В и 10В. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 мА до 30 мА для датчиков с сопротивлением от 1 кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим, чтобы увеличить отношение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, чтобы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика. Особые требования предъявляются к точности и стабильности напряжения питания моста, если не используется шестипроводная схема подключения датчика (см. рис. 6.22).

Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчетному значению, соответствующему этому сопротивлению.

В связи с малостью сигнала от тензодатчика во многих случаях целесообразно применять фильтр, ослабляющий помехи с частотой 50 Гц. Например, в модуле ввода сигналов тензодатчика NL-2SG фирмы RealLab! использован sinc-фильтр 3-го порядка, подавляющий помеху с частотой 50 Гц на 120 дБ.

Выходное напряжение измерительного моста (рис. 6.15) равно

.

(6.26)

При условии баланса моста () его выходное напряжение равно . Малейшая разбалансировка вследствие изменения сопротивления тензодатчика приводит к появлению напряжения на выходе.

Обозначим абсолютное изменение сопротивления тензодатчика через . Тогда, как следует из (6.22), , где - сопротивление тензорезистора в ненапряженном состоянии.

Если сбалансировать мост таким образом, чтобы при отсутствии растяжения тензодатчика и , то из (6.26) получим , или, окончательно,

.

(6.27)

Таким образом, зная напряжение на выходе моста, из формулы (6.27) мы можем найти относительное удлинение тензодатчика и из (6.24) - силу .

Поскольку относительное удлинение зависит также от температуры, для компенсации температурной составляющей используют два тензочувствительных элемента, расположенных на общей подложке перпендикулярно друг другу (рис. 6.16). При этом температурные удлинения обоих элементов одинаковы, а удлинения вследствие воздействия деформирующей силы будут разные. Используя эти элементы в разных плечах измерительного моста (рис. 6.17), можно частично скомпенсировать температурную погрешность.

Компенсация температурной погрешности, выполняемая изготовителем тензодатчиков, обычно не позволяет получить ошибку менее 10 микрострейн на градус. Однако, используя полиномиальную аппроксимация температурной зависимости сопротивления для ее программной компенсации, можно снизить температурную погрешность до 1 микрострейна на градус.

В полумостовой схеме (рис. 6.17) можно использовать также два тензодатчика с нескомпенсированной температурной погрешностью, если один из них работает на растяжение, второй - на сжатие, например, если измеряется механическое напряжение изгибаемой балки. Таким образом можно повысить чувствительность схемы измерения в 2 раза и одновременно скомпенсировать температурную погрешность (рис. 6.18).

Дальнейшего повышения чувствительности схемы измерений можно достичь, если использовать четыре тензодатчика, два из которых работают на растяжение, и два - на сжатие (рис. 6.19).

В схеме на рис. 6.18 относительное выходное напряжение моста равно , а с учетом начального смещения напряжения вследствие дисбаланса моста получим . Если ввести обозначение , то для измерительной цепи, показанной на рис. 6.18, относительное растяжение тензодатчика в зависимости от относительного приращения напряжения на выходе моста будет равно . Зная и пользуясь законом Гука в форме (6.24), можно найти искомую силу .

Для других схем включения тензодатчиков аналогичные формулы приведены на рис. 6.19 - рис. 6.21.

Рис. 6.18. Включение двух датчиков для компенсации температурной погрешности;	Рис. 6.19. Использование четырех тензодатчиков для повышения чувствительности схемы измерения и компенсации температурной погрешности;

Рис. 6.20. Схема с четырьмя тензодатчиками, два из которых расположены перпендикулярно направлению силы	Рис. 6.21. То же, что и на рис. 6.20, но с иным размещением датчиков в плечах моста

Начальная балансировка моста может быть выполнена как аппаратно (с помощью резисторов), так программно. Однако эти методы имеют принципиальные различия.

Если мост не сбалансирован с помощью резисторов, то на его выходе присутствует напряжение дисбаланса , которое складывается с полезным сигналом , т. е. . Если верхняя граница диапазона измерения напряжения (напряжение насыщения усилителя) равна , то коэффициент усиления не может быть больше, чем , т.е. максимально возможный коэффициент усиления сигнала на выходе несбалансированного моста ограничивается напряжением дисбаланса: . Например, при типовом значении и =25 мВ коэффициент усиления сигнала не может быть больше 100. Однако практически необходимое усиление достигает 2000 (см. описание прибора SCXI-1121 фирмы "National Instruments").

Таким образом, несмотря на возможность компенсации смещения программным способом, этот метод ограничивает возможность увеличения чувствительности измерительной системы. Им можно пользоваться для компенсации только небольших напряжений дисбаланса моста.

Влияние сопротивления соединительных проводов

В предыдущих измерительных цепях не были учтены сопротивления подводящих проводов. Однако при использовании низкоомных датчиков они могут достигать единиц и десятков Ом, что вносит значительную погрешность в результат измерения.

Рис. 6.22. Шестипроводное подключение измерительного моста

Для решения этой проблемы весь измерительный мост обычно располагают рядом с датчиком, а сигналы с выхода моста измеряют модулями с высокоомным (потенциальным) входом. Для исключения погрешности, вызванной падением напряжения на проводах, передающих к мосту напряжение питания , используют шестипроводное подключение моста (рис. 6.22). В этой цепи напряжение питания моста не задается, а измеряется. Поэтому падение напряжения на проводах питания не вносит погрешность в величину , которая используется в расчетных формулах.

Если сопротивления проводов невозможно сделать достаточно малыми, их измеряют и учитывают в дальнейших расчетах с целью исключения вносимой ими погрешности. На рис. 6.23 - рис. 6.25 приведены соответствующие формулы, которые могут быть реализованы программно в микропроцессоре модуля ввода сигналов тензодатчиков или в компьютере.

Составляющие погрешности измерения

При использовании тензорезисторов большинство источников погрешностей аналогичны тем, что возникают при использовании терморезисторов. Основными компонентами погрешностей являются следующие:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений тензорезисторов;
• систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом;
• тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;
• температурная погрешность, вызванная разогревом датчика протекающим током;
• погрешность, связанная с разностью температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор;
• погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов и точности измерения их сопротивления;
• внешние наводки;
• сопротивление контактов;
• "ползучесть" сопротивления длительно нагруженного тензорезистора;
• погрешность измерительного модуля ввода.

Вследствие очень малой чувствительности тензорезисторов особую роль играют наведенные помехи. Для их уменьшения используют не витые пары, а плетеные четыре провода, в которых попарно параллельно соединяют провода, проходящие во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это устраняет индуктивность обычной витой пары, которая представляет собой катушку индуктивности, если смотреть на витую пару с торца [Noise].

Модули аналогового вывода предназначены для вывода из компьютера или контроллера информации в аналоговой форме. Аналоговые сигналы на выходе модулей вывода могут быть представлены в виде стандартных сигналов тока (0...20 мА и 4...20 мА) или напряжения (0...5 В, ±10 В). Модули аналогового вывода используются в основном для управления исполнительными устройствами с аналоговым управляющим входом, но могут быть использованы также в измерительных системах, для электрофизических исследований или построения испытательных стендов.

Структуру типового модуля вывода аналоговых сигналов рассмотрим на примере модуля NL-4AO (рис. 6.26) фирмы Reallab!.

Информация в модуль вывода поступает из управляющего контроллера или компьютера обычно через интерфейс RS-485, в некоторых модулях вывода используют другие последовательные или параллельные интерфейсы. Типичным для средств промышленной автоматики является гальваническая изоляция аналоговой выходной части модуля от цифровой части, включающей микропроцессор. Модуль управляется командами, посылаемыми с помощью стандартного протокола Modbus RTU или DCON.

Для правильного применения модулей аналогового вывода надо знать схему выходного каскада (рис. 6.26). Вывод напряжений осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и операционного усилителя (ОУ). Благодаря глубокой обратной связи выходное сопротивление ОУ на постоянном токе составляет сотые доли ома, что позволяет с высокой точностью считать его идеальным источником напряжения. Для защиты модуля от перегрузки по выходу используются ОУ с защитой, выполненной на том же полупроводниковом кристалле, что и сам ОУ.

Вследствие частотной зависимости коэффициента усиления модуль выходного сопротивления каскада на ОУ зависит от частоты:

,

(6.28)

где - частота, на которой ищется выходное сопротивление; - выходное сопротивление ОУ без обратной связи; - частота единичного усиления ОУ, обычно равная 1 МГц; - коэффициент усиления ОУ на постоянном токе (на нулевой частоте). Приведенное выражение справедливо с погрешностью около 10% при , где - граничная частота ОУ без обратной связи по уровню 0,702. Например, при типовых значениях , ; получим Ом на постоянном токе, но Ом на частоте 1 КГц и Ом на частоте 10 КГц.

Частотную зависимость выходного сопротивления следует учитывать при расчете уровня наведенных помех, а также методической погрешности модуля вывода, обусловленной влиянием сопротивления нагрузки на величину выходного напряжения.

Для вывода аналогового сигнала в форме тока используются источники тока на основе ОУ с обратной связью (см. каскады с выходами на рис. 6.26). Принцип их действия основан на том, что ОУ с отрицательной обратной связью имеет нулевое напряжение между его входами благодаря высокому коэффициенту усиления. Поэтому все входное напряжение оказывается приложенным к сопротивлению (рис. 6.26, верхний по схеме каскад) и выходной ток равен входному напряжению, деленному на . Для того, чтобы ток, протекающий через , был точно равен выходному току, в качестве транзистора на рис. 6.26 используют биполярный транзистор с изолированным затвором или пару из биполярного и МОП-транзистора.

Выходное сопротивление источника тока можно найти, используя простейшую модель МОП-транзистора, учитывающую его выходное сопротивление:

,

(6.29)

где - дифференциальное выходное сопротивление и крутизна МОП-транзистора; остальные параметры имеют тот же смысл и порядок типовых величин, что и в формуле (6.28). Для типовых значений этих параметров и при получим , т. е. выходное сопротивление фактически определяется сопротивлением утечек печатной платы. Однако на частоте и далее падает с ростом частоты.

Таким образом, источник тока с достаточно высокой степенью точности и для всех частот можно считать "идеальным" и его выходное сопротивление можно не учитывать при использовании типовой нагрузки 250 Ом в стандартной "токовой петле" 4-20 мА.

Для питания транзистора в источниках тока, построенных по рассмотренной схеме, требуется дополнительный источник питания , который обычно располагается вне модуля вывода, рис. 6.27, см. также раздел "интерфейс "токовая петля"".

Стабилитрон на рис. 6.27 служит для предохранения МОП-транзистора от внешних напряжений неправильной полярности и превышения напряжения над допустимым значением.

Недостатком приведенных каскадов является невозможность изменения направления тока на противоположное, что связано с применением транзисторов одного типа проводимости или с одним типом канала. Более сложные двуполярные схемы в модулях вывода для промышленной автоматики не применяются.

Погрешность модуля вывода складывается из следующих основных составляющих:

• погрешности дискретности цифро-аналогового преобразователя;
• стабильности источника опорного напряжения;
• внутреннего шума модуля;
• ненулевого выходного сопротивления.

Погрешность типового модуля вывода (на примере модуля NL-4AO фирмы RealLab! составляет 0,1% от верхней границы диапазона (±10 В для потенциального выхода и 0...20 мА для токового), разрядность - 12 бит, дискретность изменения выходной величины - 5 мВ для напряжения и 5 мкА для тока, т.е. 0,05% от ширины диапазона. Управляется модуль стандартными командами Modbus RTU или командами в ASCII кодах по протоколу DCON.

В системах автоматизации очень распространены двоичные сигналы, которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, датчиков заполнения емкостей, датчиков сбегания ленты на конвейере, датчиков приближения и т. п. Такие сигналы не совсем правильно называются "дискретными", но этот термин прочно вошел в практику.

Модули ввода дискретных сигналов в промышленной автоматизации имеют несколько различных типов входов:

• вход типа "сухой контакт";
• дискретный вход для логических сигналов в форме напряжения;
• вход дискретных сигналов 110...220 В.

"Сухим" контактом в системах автоматизации называют источник информации, не имеющий встроенного источника энергии, например, контакты реле или дискретные выходы типа "отрытый коллектор". Для передачи информации о состоянии такого контакта необходим внешний источник тока или напряжения.

Структура модуля вода дискретных сигналов представлена на рис. 6.28. Микроконтроллер модуля ввода выполняет периодическое сканирование входов или по запросу ПЛК. Микроконтроллер выполняет также устранение эффекта "дребезга" "сухих" контактов. Команды опроса входов, установления адреса, скорости обмена, формата данных и др. посылаются в модуль через последовательный интерфейс, обычно RS-485.

Для правильного применения модулей дискретного ввода необходимо знать структуру и характеристики входных каскадов (рис. 6.29, рис. 6.30).

Дискретные входы гальванически развязаны от остальной части модуля ввода. Развязка выполняется, как правило, с помощью оптронов с двумя излучающими диодами, включенными встречно. Это обеспечивает возможность подключения ко входам дискретных сигналов любой полярности. Гальваническая изоляция может быть поканальной или групповой. Чаще используется групповая изоляция, поскольку при этом почти вдвое уменьшается количество входных клемм модуля.

Конденсатор используется во входных каскадах модулей (рис. 6.29, рис. 6.30) для фильтрации высокочастотных помех. Значение граничной частот выбирается в результате компромисса между быстродействием модуля и возможностью ложного срабатывания при воздействии высокочастотных помех. Типовое значение граничной частоты и скорости опроса входов лежит в районе 1 кГц. Для увеличения помехоустойчивости используют также триггеры Шмидта на выходе сигналов оптронов.

Уровень логической единицы дискретных сигналов составляет обычно от 3В до 30В, уровень логического нуля - от 0 до 2 В. Для ввода сигналов от источников типа "сухой контакт" используют источник напряжения , как показано на рис. 6.30. Аналогично подключают дискретные выходы типа "открытый коллектор". Источник может быть как встроенным в модуль дискретного ввода (как, например, в модуле NL-16DI фирмы RealLab!), так и внешним.

Ввод высокого постоянного напряжения выполняется по схеме рис. 6.29, однако для снижения мощности, рассеиваемой на токозадающем резисторе, используют оптроны с малым управляющим током и резистор с большим сопротивлением и большим пробивным напряжением.

Рис. 6.29. Структурная схема входных каскадов каналов дискретного ввода	Рис. 6.30. Структурная схема входных каскадов для источников сигнала типа "сухой контакт"

Ввод дискретных сигналов 220 В

Ввод сигналов высокого (220В) переменного напряжения осуществляется аналогично рассмотренному выше (рис. 6.31), однако вместо токозадающего резистора для включения оптрона используют конденсатор, чтобы снизить активную рассеиваемую мощность. Резистор сопротивлением 750 кОм на рис. 6.31 служит для разряда конденсатора при отключенных входах, что является стандартным требованием электробезопасности. Резистор сопротивлением 1 кОм ограничивает бросок тока во момент коммутации входа, назначение других элементов - такое же, как в цепи на рис. 6.29, рис. 6.30.

Каскады для ввода высокого напряжения могут быть с общим проводом или независимые.

Для отображения состояния дискретных входов (включено/выключено) используют светодиоды, которые включают либо до оптрона, либо после него.

6.3.8. Вывод дискретных сигналов

Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено/выключено исполнительных устройств. Устройства вывода отличаются большим многообразием. Знание структуры выходных каскадов необходимо для правильного их применения.

Выходные каскады со стандартными ТТЛ или КМОП логическими уровнями в промышленной автоматизации используются редко. Это связано с тем, что нагрузкой дискретных выходов являются не логические входы электронных устройств, а чаще всего электромеханические реле, пускатели, шаговые двигатели и др. Дискретные выходы обычно строятся на основе мощных биполярных транзисторов с открытым коллектором или полевых транзисторов (обычно МОП) с открытым стоком (рис. 6.32). С точки зрения схемотехники применения эти каскады эквивалентны, поэтому мы будем их называть "каскады ОК". Каскады с ОК обеспечивает большую гибкость, позволяя получить необходимые для нагрузки ток или напряжения с помощью внешнего источника питания. Кроме того, каскад ОК с помощью внешних резисторов и источников напряжения позволяет получить стандартные КМОП или ТТЛ уровни (рис. 6.32).

Рис. 6.32. Структурная схема выходных каскадов типа ОК для вывода дискретных сигналов		Рис. 6.33. Подключение индуктивной нагрузки к дискретному выходу

Наилучшим решением для построения дискретных выходов являются микросхемы интеллектуальных ключей, которые содержат в себе не только мощный транзистор с открытым стоком, но и цепи его защиты от перегрузки по току, напряжению, короткого замыкания, переполюсовки и перегрева, а также электростатических разрядов. При перегреве выходного каскада или превышения тока нагрузки интеллектуальный ключ выключается.

Рис. 6.34. Структурная схема выходных каскадов для втекающих токов		Рис. 6.35. Структурная схема выходных каскадов для вытекающих токов

Наиболее широко распространены выходные каскады ОК модулей вывода двух типов: для втекающего тока (рис. 6.34) и вытекающего (рис. 6.35). Различие между ними состоит в том, какой вывод является общим для нескольких нагрузок: заземленный или соединенный с шиной питания.

Каскады с открытым коллектором (стоком) удобны тем, что позволяют использовать внешний источник питания с напряжением, отличным от напряжения питания модулей вывода (рис. 6.34, рис. 6.35). Кроме того, в этих схемах вместо источника питания можно использовать тот же источник, что и для питания модулей вывода ().

Для управления нагрузками, питающимися большим током или от источника напряжения 110...220 В используют выходные каскады с электромагнитными или твердотельными (полупроводниковыми) реле, тиристорами, симисторами.

Основным достоинством электромагнитных реле является очень низкое падение напряжения на замкнутых контактах, что исключает необходимость их охлаждения. Недостатком является ограниченное количество срабатываний (порядка ). Полупроводниковые реле, наоборот, имеют относительно большое сопротивление в открытом состоянии и требуют отвода тепла, но могут выполнить до переключений. Кроме того, полупроводниковые реле обладают более высокой надежностью и не имеют эффекта "дребезга контактов".

При использовании реле для коммутации индуктивной нагрузки возникает большая э. д. с. самоиндукции, которая вызывает пробой воздушного зазора при размыкании контактов и их искрение. Это приводит к быстрому износу контактов и появлению электромагнитных помех. Проблема решается с помощью диода, включенного параллельно катушке индуктивности при коммутации в цепи постоянного напряжения (рис. 6.36) и RC-цепочкой - в цепи переменного (рис. 6.37). Контакты реле желательно защищать предохранителями.

Рис. 6.36. Релейный выход. Применение диода для устранения искрения контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки		Рис. 6.37. Релейный выход. Применение RC цепочки для предотвращения искрения контактов при коммутации индуктивной нагрузки

При использовании твердотельных реле или тиристоров в высоковольтных цепях с длинными кабельными линиями используют защиту на варисторах (рис. 6.38), TVS диодах и газовых разрядниках.

6.3.9. Ввод частоты, периода и счет импульсов

Функции счетчика, частотомера и измерителя периода следования импульсов обычно совмещаются в одном и том же модуле ввода. Такие модули могут быть использованы для решения следующих задач:

• измерение скорости вращения вала двигателя с целью ее стабилизации или изменения по заданному закону;
• подсчет количества продукции на конвейере;
• измерение частоты периодического сигнала;
• работа с датчиками, имеющими импульсный выход (например, энкодеры - датчики угла поворота, электросчетчики или анемометры);
• автоматическое дозирование счетной продукции;
• подсчет движения продукции на складе.

Структуру типового модуля ввода рассмотрим на примере счетчика-частотомера NL-2C, фирмы RealLab!, см. рис. 6.39. Он содержит два 32-разрядных счетчика-частотомера. Каждый счетчик имеет изолированные и неизолированные входы. Изолированные входы выполнены с помощью оптрона и являются пассивными со стороны источника сигнала. Неизолированные входы имеют программно регулируемые уровни логического нуля и единицы. Это позволяет уменьшить вероятность ошибочного срабатывания модуля в условиях помех. Для регулировки уровней использованы два 8-разрядных цифроуправляемых потенциометра. Для подавления помех служит также цифровой фильтр с перестраиваемыми параметрами, выполненный на микроконтроллере, входящем в состав модуля.

На рис. 6.39 использованы следующие обозначения: Gate - входы разрешения счета; In - счетные входы с программируемыми логическими уровнями; - дискретные выходы; INIT* - вывод для выполнения начальных установок модуля; Data+, Data- - выводы интерфейса RS-485.

Для расширения функциональных возможностей каждый счетный вход модуля имеет вход разрешения счета (Gate) и источник тока для питания "сухих" контактов. Модуль имеет также четыре изолированных дискретных выхода с общей "землей".

Счетчик содержит четыре микроконтроллера. Они выполняют следующие функции:

• исполняют команды, посылаемые из управляющего компьютера;
• выполняют алгоритм цифровой фильтрации;
• выполняют подсчет количества импульсов;
• реализуют протокол обмена через интерфейс RS-485.

В состав модуля входит сторожевой таймер, вырабатывающий сигнал сброса, если микроконтроллер перестает вырабатывать сигнал "ОК" (это периодический сигнал, подтверждающий, что микроконтроллер не "завис"). Второй сторожевой таймер внутри микроконтроллера переводит выходы модуля в безопасные состояния ("Safe Value"), если из управляющего компьютера перестает приходить сигнал "Host ОК".

Схема питания модулей содержит вторичный импульсный источник питания, преобразующий поступающее извне напряжение в диапазоне от +10 до +30В в напряжение +5 В для питания электрической цепи внутри модуля. Модуль содержит также изолирующий преобразователь напряжения для питания каскадов вывода дискретных сигналов.

Модуль измеряет частоту в диапазоне от 10 Гц до 300 кГц с погрешностью где - измеряемая частота в Гц; - время счета импульсов (1 с или 0,1 с.).

Внешние управляющие команды посылаются в модуль через порт RS-485. Используются всего 54 команды, подробно описанные в руководстве по эксплуатации модуля.

6.3.10. Модули управления движением

Контроллеры с модулями управления движением используются в роботах, металло- и деревообрабатывающих станках, сборочных линиях, типографских машинах, в оборудовании для обработки пищи, для дозирования и упаковки, для автоматической сварки и лазерной резки, для обработки полупроводниковых пластин и т. п.

В силу специфики задачи контроллеры для управления движением занимают отдельное место на рынке ПЛК, поскольку отличаются как параметрами модулей ввода-вывода, так и специализированным программным обеспечением. Основными отличиями от модулей общего применения являются повышенные требования к быстродействию и особый состав каналов ввода-вывода, оптимизированный для задач управления движением с целью минимизации стоимости.

Типовой системой управления движением является электропривод [Следящие], который является частным случаем системы автоматического регулирования с обратной или прямой связью. В состав электропривода входит электродвигатель, датчики положения исполнительного механизма, контроллер и сервоусилитель.

Рис. 6.39. Структурная схема модуля ввода частотных сигналов NL-2С (подробнее см. NL-2C)

В электроприводах используют асинхронные и синхронные двигатели переменного тока, постоянного тока, шаговые, линейные двигатели, а также гидро- и пневмоцилиндры с насосами.

Электропривод строится обычно с двумя контурами обратной связи. Внутренний контур с сигналом от датчика скорости (тахометра или инкрементного энкодера) используется для управления скоростью двигателя и часто реализуется внутри сервоусилителя. Внешний контур с обратной связью от оси двигателя или от его нагрузки используется для управления позицией исполнительного механизма и вращающим моментом. Обратная связь от нагрузки позволяет повысить точность реализации траектории движения и использовать нежесткие механические связи, однако усложняет настройку замкнутой системы.

Сигнал обратной связи внешнего контура поступает от датчиков положения, в качестве которых используют энкодеры, резольверы, потенциометры, датчики Холла и тахометры. Энкодеры делятся на абсолютные и инкрементные. Инкрементные энкодеры определяют изменение положения механизма, а абсолютные определяют его абсолютное положение. Резольверы выполняют ту же функцию, что и энкодеры, но имеют аналоговый выходной сигнал, поскольку построены на основе вращающегося трансформатора и выдают синусоидальный и косинусоидальный сигналы, которые позволяют вычислить положение вала двигателя. Недостатком резольвера является низкое быстродействие и необходимость использования АЦП.

Сигналы обратной связи поступают в контроллер, который должен иметь модули для ввода сигналов от перечисленных выше датчиков. В контроллер поступают также сигналы от концевых датчиков, установленных в крайних положениях исполнительного механизма. Управляющее воздействие из контроллера поступает на двигатель через сервоусилитель. Усилители имеют мощные выходные каскады с радиаторами, поэтому изготавливаются отдельно от контроллера. На их входы могут поступать аналоговые сигналы ±10 В, цифровые или ШИМ-сигналы. Усилители делятся на усилители скорости, усилители момента, усилители с синусоидальным входным сигналом, усилители с импульсным входом, а также гидравлические. Обычно они имеют встроенную защиту от перенапряжения, низкого напряжения, перегрева, к. з., превышения тока, потери фазы. Выбирая усилитель с нужными характеристиками, можно выполнять управление оборудованием любой мощности, от микрозондов для тестирования полупроводниковых пластин до мощных металлообрабатывающих центров.

ПЛК могут иметь вход для джойстика или кнопок, которые позволяют управлять движением вручную.

Основным параметром модулей ввода-вывода для управления движением является количество одновременно управляемых осей координат. Ось координат в подавляющем большинстве случаев ассоциируется с одним двигателем. Однако несколько двигателей могут работать на общую нагрузку, например, два двигателя могут вращать общий вал с двух его концов или совместно осуществлять плоско-параллельное перемещение одной балки. В этом случае несколько двигателей соответствуют одной оси координат.

В общем случае ось координат определяется как линейная комбинация трех координатных осей, соответствующих трем двигателям, поэтому она не соответствует ни одному конкретному двигателю отдельно.

Поскольку движение в трехмерном пространстве можно разложить на три одномерных, для построения любой траектории достаточно трех координатных осей. Однако в металлообработке часто приходится поворачивать столик с закрепленной деталью или шпиндель с закрепленным инструментом, для описания чего вводятся дополнительные оси координат. Наиболее мощные контроллеры управления движением могут синхронно управлять сотней координатных осей.

Модули ввода-вывода для управления движением оптимизированы для ввода сигналов энкодеров, резольверов, тахометров, потенциометров и концевых выключателей, а также для вывода сигналов управления сервоусилителями. Основные параметры типовых модулей для управления движением приведены ниже.

Модули ввода могут иметь следующие входы:

• дифференциальные или одиночные входы счетчиков разрядностью 16/24/32 бит для сигналов энкодера;
• дискретные входы;
• входы прерываний процессора;
• аналоговые входы для сигналов от резольвера и потенциометра.

Типовые модули вывода могут содержать :

• аналоговые каналы вывода с разрядностью 12, 14 или 16 бит для управления сервоусилителями;
• дискретные выходы (обычно с открытым коллектором);
• цифровые выходы;
• импульсные выходы для шаговых двигателей.

Основными параметрами модулей ввода-вывода являются:

• время обновления данных;
• разрядность и количество АЦП-ЦАП;
• количество дискретных и импульсных входов/выходов;
• емкость памяти в шагах;
• тип и возможности программного обеспечения;
• типы коммуникационных интерфейсов (RS-232/422, RS-485, USB, Ethernet, PCI, VME, ISA и др.).

Сигнал от инкрементного энкодера может поступать в некоторых случаях со скоростью до 20 Мбит/с, что требует быстродействующих счетчиков импульсов. В некоторых модулях используются процессоры цифровой обработки сигналов и специализированные микросхемы (ASIC).

В системах управления движением специализированными являются не только модули, но и программное обеспечение. Приведем примеры некоторых встроенных функций, которые выполняются контроллерами для управления движением:

• плавный пуск;
• перемещение: непрерывное, абсолютное, относительное, синхронное, в контрольную точку (для калибровки и синхронизации);
• синхронизация координат в режиме контрольных точек;
• реализация заданной траектории движения в пространстве;
• интерполяция: линейная, круговая, сплайнами;
• возврат в начальное положение;
• ручной режим управления;
• управление зависимостью скорости от времени: трапецеидальная, S-образная (трапеция с закруглениями вместо углов);
• автонастройка контуров регулирования;
• отладка программы без реального привода;
• подавление резонансных явлений (вибраций);
• автоматическое распознавание двигателя;
• синхронизация работы нескольких приводов (в том числе при работе двигателей на общий вал);
• управление силой или давлением;
• защита (от непреднамеренного запуска, при сбоях в оборудовании, при срабатывании концевых выключателей);
• самодиагностика;
• мониторинг текущего состояния;
• аварийная сигнализация;
• аварийный останов;
• функция таймера.

Системы управления движением воспринимают информацию от программ автоматизированного проектирования (САПР) и чаще используются с компьютерами, чем с ПЛК. Для работы от компьютера под ОС Windows используются буферы FIFO на входе и выходе модуля, чтобы исключить неконтролируемые задержки ОС.

• 1 Архитектура системы
• 2 Промышленные сети и интерфейсы
• 3 Защита от помех
• 4 Измерительные каналы
• 5 ПИД-регуляторы
• 6 Контроллеры
  • 6.1 Программируемые логические контроллеры
  • 6.2 Компьютер в системах автоматизации
  • 6.3 Устройства ввода-вывода
  • 6.4 Заключение
• 7 Автоматизация опасных объектов
• 8 Аппаратное резервирование
• 9 Программное обеспечение
• Литература

© НИЛ АП, ООО, 1989-2024