Микропроцессорная техника систем автоматизации
ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ: ВВОД, ПЕРЕРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
жүктеу/скачать 4,68 Mb.
|
mikroprocessornaya-tehnika-sistem-avtomatizacii
ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ: ВВОД, ПЕРЕРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ,ВЫВОД СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯОбработка аналоговых сигналов в процессе ввода в контроллерДля ввода аналогового сигнала в контроллер и его последующей обработки, он должен быть оцифрован, то есть преобразован в цифровой код. Процесс обработки сигнала от аналогового дат- чика до использования в контроллере схематически показан на рис. 106. Рис. 106. Схема обработки аналогового сигнала при вводе в контроллер Сигналы от датчиков доводятся до нормированного уровня (4–20 мА, 0–10 В) нормирующими преобразователями (НП) и проходят этап аналоговой фильтрации. Аналоговые фильтры по- зволяют устранить высокочастотные шумы, которые могут быть вызваны, например, электромагнитными помехами при передаче сигнала по кабелю. Необходимо отметить, что сигнал должен быть отфильтрован от высокочастотных шумов до цифровой обработки в контролле- ре. Это является необходимым условием правильного выбора пе- риода дискретизации при вводе сигнала. Дело в том, что измеряемый аналоговый сигнал, например, сигнал аналогового датчика температуры – термосопротивления или термопары, представляет собой смесь полезного сигнала и шумов. Значение полезного сигнала однозначно обусловлено значением измеряе- мой величины: так, в случае, когда аналоговым датчиком является металлический термометр сопротивления, зависимость сопротив- ления его чувствительного элемента от температуры выражается известной формулой R R 1 AT BT 2 , 0 ºC T 850 ºC, где RT T 0 – сопротивление чувствительного элемента при температуре T ºC, Ом; R0 – сопротивление при 0 ºC, Ом; A 3,9083 103 ºC1 , B 5, 775 107 ºC2 – коэффициенты, зна- чения которых определены опытным путем и стандартизированы. Шумы в датчиках, называемые также стохастическими по- грешностями, являются случайными процессами, то есть колеба- ния значений сигнала шума имеют случайный характер, являются в достаточной степени непредсказуемыми и могут меняться очень быстро. В итоге при изменении аналогового сигнала, существует общее правило, определяющее частоту, с которой нужно выполнять изме- рения – частоту опроса датчика, частоту выборки: частота выборки сигнала определяется из условия fизм 2 fmax , где fmax – это макси- мальная частота изменения сигнала. В качестве, пожалуй, самого наглядного бытового примера можно привести пример, когда аналоговые звуковые сигналы – музы- ка и другие аудиозаписи – преобразуются и хранятся в компьютерах в виде цифровых музыкальных файлов. Так как человеческое ухо способно различать на слух звуковые колебания частотой от 20 Гц до 20 кГц, то для качественного преобразования звука в цифровой формат используются частоты выборки 44,1 кГц (соответствует формату Audio CD), 48 кГц, 96 кГц (цифровой формат DVD-audio) и более. При более низкой частоте выборки ухудшается качество оциф- ровки сигнала. Так, например, в современной цифровой телефонии используется частота выборки 8 кГц, так как ее достаточно для бо- лее-менее удовлетворительного качества передачи человеческого голоса. В то же время чрезмерно большая частота выборки хотя и улучшит качество оцифровки аналогового сигнала, но при этом будет, зачастую, неоправданно загружать контроллер. Отфильтрованные сигналы от датчиков поступают на аналого- вый мультиплексор, основное назначение которого – последова- тельное подключение сигналов от N датчиков к устройству выборки-хранения (УВХ) и аналого-цифровому преобразователю (АЦП) для дальнейшей обработки. Такая схема позволяет сущест- венно снизить общую стоимость системы ввода за счет применения только одного УВХ и АЦП на все каналы аналогового ввода. УВХ запоминает мгновенное значение сигнала в момент подключения датчика и удерживает его постоянным на своем выходе на время преобразования в АЦП. В контроллере введенный цифровой сигнал проверяется на фи- зическую достоверность и, при необходимости, проходит этап цифровой (программной) фильтрации. Происхождение входного сигнала можно представить так, как показано на рис. 107. Первичный сигнал от датчика на месте пре- образуется электронным устройством в определенный стандартный сигнал, а совокупность датчика и этого устройства называется ин- формационным преобразователем. После этого стандартизирован- ный сигнал, несущий информацию об измеряемой переменной объекта управления, может быть подан на обычную аналоговую входную плату. В мире принято использовать два вида стандартных электриче- ских аналоговых сигналов: − постоянное напряжение от 0 до 10 В; − постоянный ток от 4 до 20 мА или от 0 до 20 мА. Рис. 107. Организация ввода аналоговых сигналов в ПЛК При этом минимально возможному измеряемому значению фи- зической величины с датчика соответствует низшее значение стан- дартного сигнала (0 В, 0 или 4 мА), а максимальному измеряемому значению – максимальное значение стандартного сигнала (10 В или 20 мА). Например, пусть датчик температуры имеет допустимый диапазон измерения от –50 ºС до +100 ºС. Тогда, при стандартном выходном сигнале в виде постоянного напряжения температуре – 50 ºС будет соответствовать напряжение на выходе датчика 0 В (отсутствие напряжения), а при температуре +100 ºС на выходе по- лучим напряжение 10 В. Однако стандартные аналоговые сигналы являются сигналами низкого уровня и могут значительно искажаться в результате наво- док от различных источников электромагнитного поля, дополни- тельных сопротивлений в измерительных цепях и т. д. Кроме того, если выбран стандартный сигнал в виде постоянного напряжения, то обрыв провода от датчика не рассматривается как аварийная си- туация, а может быть понят управляющим устройством как мини- мальное значение измеряемой величины. Сигнал, представленный электрическим током, менее подвер- жен влиянию шумов, чем сигнал, представленный напряжением, поэтому обычно выбирается подключение датчика в виде токово- го контура (рис. 108), причем токовый сигнал на приемной стороне преобразуется в напряжение при помощи балластного резистора. Токовый контур можно использовать с несколькими приемными устройствами (это могут быть, например, измерительный прибор, регистратор или вход ПЛК), соединенными последовательно. Рис. 108. Подключение датчика в виде токового контура 4–20 мА Самый распространенный стандарт представляет аналоговый сигнал в виде тока с диапазоном изменения 4–20 мА, где 4 мА со- ответствует минимальному уровню сигнала, а 20 мА – максималь- ному. Сигнал 4–20 мА часто с помощью балластного резистора величиной 250 Ом преобразуется в сигнал 1–5 В. «Нулевой» сигнал 4 мА (называемый смешением) предназначен для двух целей. Во-первых, он используется, как зашита от повре- ждений преобразователя или кабельного шнура. Если происходит отказ преобразователя или обрыв шнура или же в линии связи воз- никает короткое замыкание, то ток через балластный резистор бу- дет равен нулю, что соответствует «отрицательному» сигналу 0 В на приемной стороне. Это может быть очень легко обнаружено и использовано как аварийный сигнал «неисправность преобразо- вателя». жүктеу/скачать 4,68 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|