Элементы автоматических устройств

КУРС ЛЕКЦИЙ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 1 Введение Курс «Элементы автоматических устройств» является одним из важнейших. Его влияние на студента очень велико. Дисциплина «Элементы автоматических устройств» занимает важное место в учебном процессе. Современные энергетические системы относятся к наиболее сложным большим автоматизированным системам, созданным человеком. Задачи производства, распределения электроэнергии, надежность электроснабжения решаются комплексом автоматических устройств, функционирующих на основе переработки и использования информации о состоянии электроэнергетических управляемых объектов, также о возмущающих воздействиях на них и о состоянии процесса производства, передачи и распределения электроэнергии в целом. Несмотря на большое их разнообразие они функционируют на общих принципах как информационные технические средства. В курсе основное внимание уделено функциональным элементам устройств автоматического и автоматизированного управления в электроэнергетике, их характеристикам: предъявляемым к ним требования; устройствам переработки и преобразования информации; программируемым логическим контроллерам. Задача курса заключается в том, чтобы дать общие понятия и представления о системах управления, автоматизации, которые нас окружают в повседневной жизни и как они работают. Основы построения АСУ Автоматизированная система (АС) — это система, состоящая из человека и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций. Причем, информационная технология предусматривает применение средств вычислительной техники для сбора, обработки, хранения и использования данных. Таким образом, автоматизированные системы управления (АСУ) предусматривают широкое применение электронных вычислительных машин. Автоматическая система – это система, в которой управление осуществляется без непосредственного участия человека и сознательно направленное на выполнение алгоритма управления. При постановке какой-либо задачи из окружающего мира выделяется множество взаимосвязанных элементов, которые объединяются общим решением работы, и предназначаются для выполнения общих для всех элементов целей. При этом каждый элемент в отдельности или их частные комбинации выполняет свои частные цели. Это объединение элементов выполняет какиелибо преобразования тех или иных общих форм существования материи из одних видов в другие. Система – совокупность элементов, связанных между собой общими режимами работ для достижения общих целей преобразования видов материи при некотором отличии целей и свойств всей системы от целей и свойств отдельных еѐ элементов или частичных комбинаций. Управление – воздействие на объект для реализации заранее принятых целей, оно осуществляется на основании анализа получаемой информации об объекте и окружающей его внешней среде. Алгоритм управления – целенаправленное воздействие на управляемые объекты (системы). Управляемая система – система, являющаяся объектом управления, управление осуществляется для того, чтобы обеспечить надлежащее функционирование управляемой системы. Управляющая система – система, осуществляющая функции управления. Система управления – это термин, употребляемый иногда взамен термина "управляющая система". Однако чаще всего более строго он трактуется как система, объединяющая две подчиненные системы: управляющую и управляемую. В дальнейшем этот термин будет использоваться именно в этом смысле (например, станок с ЧПУ, электронный блок). 2 Архитектура и группы АСУТП АСУ – человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и переработку информации, необходимой оптимизации управления устройств технологических процессов или информационных потоков. АСУ технологического процесса (АСУТП) – АСУ для выработки и реализации управляемых воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием качества управления. В таких системах обеспечивается реализация законов управления и как следствие эффективное ведение технологического процесса. При этом качество выпускаемой продукции не зависит от квалификации обслуживающего персонала. Достигается высокий уровень качества, обеспечивается высокий уровень загрузки оборудования и должен обеспечиваться минимум приведенных затрат. 1. АСУТП обеспечивающая стабилизацию заданного или оптимального технологического режима, т.е. таких технологических параметров, на которые действующие возмущения оказывают существенное влияние. 2. АСУТП обрабатывающие с установленной точностью заданные или непрерывно выдаваемые изменения технологических процессов. (Системы следящего управления.) 3. АСУТП самостоятельно вырабатывающие наилучший технологический режим и обеспечивающие его поддержание автоматически, вырабатывающие наилучшую траекторию ведения процесса. Многие АСУ имеют взаимные связи с узлами других АС и все системы АСУ имеют иерархическую структуру в которой можно проследить ход управляющего воздействия от центрального органа управления к управляемому органу. (Иерархия автоматизированной системы определяет порядок подчинения взаимосвязанных подсистем с общей системой управления.) Иерархия ТОУ-технич. объект управления АСУТП К АСУТПУ 1 АСУТПУ 2 АСУТП-1 АСУТП-2 АСУТП-3 АСУТП-5 ТОУ 1 ТОУ 2 ТОУ 3 ТОУ 5 Рис. 1. Архитектура АСУ ТП Более высокий уровень автоматизированных АСУ это комплексные АСУТП. Как правило, комплексные АСУТП имеют взаимные связи с узловыми АС, а так же дополняются узлами и автоматизированными системами переработки информации, образующими систему управления предприятием. Каждым видом оборудования осуществляет управление автоматизированная система АСУТП 1-го уровня. Автоматизированные системы 1-го уровня могут быть связаны между собой и вырабатывают управляющее воздействие на оборудование в зависимости от взаимодействия оборудования. Основный принцип, по которому строится АСУ это объектная ориентация, т.е. комплекс средств объединяется в один модуль или объект, который выполняет свои функции строго при определенном воздействии. Это воздействие может быть сигналом от управляющей системы более высокого уровня. 3 Подсистемы АСУ разделяются по функциональному и структурному принципу. Если функции системы ограничены одним механизмом, то эта система называется локальной. Если механизмы, управляющие локальными системами тесно связаны между собой, то их взаимная координация осуществляется узловой АСУТП. Объединение локальных систем осуществляется по территориальным или функциональному признакам. В последние годы при разработке АСУТП рамки иерархий сокращается, в связи с применением прямого цифрового управления. Происходит замена структурной иерархии арифметической. Таким образом, АСУ представляет собой комплекс средств технического, информационного, математического и программного обеспечения. Классификация автоматических систем управления Большое разнообразие, используемых в технике систем АУ требует применение различных признаков классификации таких систем. Рассмотрим классификации: 1. По характеру алгоритма функционирования: 1.1 Система стабилизации. Они поддерживают требуемое значение управляемой величины с заданной точностью. В этих системах задающих воздействие x(t)=const. Стабилизация выходной величины ОУ осуществляет автоматический регулятор. 1.2 Системы программного управления. Они предназначаются для изменения управляемой величины по определенному предписанию программе, которое составляется заранее на основании требований технического процесса. Сама программа задается при помощи задатчика и представляет собой последовательность команд в соответствии с алгоритмом функционирования ОУ. 1.3 Следящие автоматические системы. Они предназначаются для изменения управляемой величины по закону, заранее неизвестной функции времени. В таких системах применяется своя терминология: ・ входная величина – ведущая ・ выходная – ведомая ・ окончание процесса – отработка и т.д. 2. По способности АСУ к самоприспосабливаемости. АСУ в составе которых имеются дополнительное автоматическое управление, изменяющее алгоритм функционирования основного АРУ, таким образом, чтобы система в целом осуществляла ЗАФ, называется самоприспосабливающимся. Такие системы обладают свойством адаптации, т.е. свойством автоматического приспособления к непредвиденным изменениям параметров объекта регулирующих устройств и внешней среды. 2.1 Системы экстремального управления. Они обеспечивают отыскание и поддержания таких регулирующих воздействий на ОУ, при которых управляемая величина достигает наибольшего или наименьшего значения. Они действуют по принципу "поиска", т.е. обязательно с подачей поисковых сигналов. По получению отклика на сигнал поиска определяется знак и значение dy/du или dy/dt и затем определяется экстремум 2.2 Системы с перестраивающимися устройствами. Эти системы, у которых параметры или их структура автоматики изменяется в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий или переменных параметров объекта. 2.3 Аналитические самонастраивающиеся системы. Это системы, у которых их перестройка осуществляется на основе аналитического определения их динамических характеристик. В состав этих систем обязательно входит вычислительные машины. 3 По характеру управления во времени. 3.1. Непрерывные АСУ. 3.2. Дискретные АСУ (импульсные системы, релейные и позиционные системы) 4. По математическому описанию. 4 4.1 Линейные АСУ. 4.2 Нелинейные АСУ. 5 По числу управляемых величин. 5.1 Одномерные системы. 5.2 Многомерные системы. 6 По принципу действия. 6.1 Системы прямого действия. Это системы в которых чувствительный элемент (датчик) действует непосредственно на управляемый орган. 6.2 Системы непрямого действия. Это системы у которых после чувствительного элемента установлены усилители и сервоприводы. 7 По виду зависимости между управляемой величиной и нагрузкой на ОУ. 7.1 Системы статического регулирования. Статическая система – это система, в которой при возмущающем или задающем воздействии, стремящемся к постоянной величине, отклонение управляемой величины также стремится к постоянной величине зависящей от этого воздействия. Для реализации такой системы используют статический регулятор. Такие системы функционируют с некоторым отклонением – статической ошибкой или статизмом системы. 7.2 Система астатического регулирования. Астатическая система – это система, в которой при возмущении или задании отклонения управляемой величины в установившемся режиме, при постоянном значении, возмущения или задания равно нулю. Функционирует такая система при помощи астатических регуляторов, значения коэффициента астатизма равны нулю. Структурная схема автоматической системы управления производством и распределением электроэнергии При автоматическом управлении процессом производства воздействия на управляемые объекты (УО), направленные на выполнение алгоритма управления, осуществляет автоматическая управляющая система (АУС) (рис. 2). Роль человека (оператора Оп) сводится к предопределению порядка действия, наладке, включению, наблюдению за правильностью работы управляющей системы [1]. Воздействия Ху, оказываемые управляющей системой на управляемые объекты, называют управляющими воздействиями. От управляемых объектов на управляющую систему поступают контрольные воздействия. Такие воздействия являются внутренними. Автоматическая управляющая система и управляемые объекты подвергаются внешним воздействиям. Воздействия Xпр на вход управляющей системы, например со стороны человека, могут быть названы входными программными воздействиями. Воздействия Z внешней среды на управляемые объекты и управляющую систему, непредвиденные (случайные), мешающие выполнению алгоритмов управления и функционирования, представляют собой возмущающие воздействия. Назначение автоматической управляющей системы – обеспечить технически правильное и экономически целесообразное протекание процесса производства при наличии возмущающих воздействий. Основными задачами автоматического управления являются: управление отдельными производственными операциями и отдельными управляемыми объектами, координирование производственных операций в сложном процессе производства и распределения электроэнергии, обеспечение технической и экономической оптимизации процесса производства и распределения электроэнергии [2]. Для осуществления автоматического управления необходим комплекс автоматических управляющих устройств. Под автоматическим управляющим устройством (АУУ) понимается устройство, управляющее без непосредственного участия человека отдельной операцией или отдельным управляемым объектом процесса производства, например устройства АУУ1 и АУУп управляющие объектами УО1 и УОп соответственно. Автоматические управляющие устройства 5 следует рассматривать, как составные части автоматической управляющей системы. Автоматическая управляющая система обеспечивает необходимое взаимодействие управляемых объектов в сложном процессе производства и распределения электроэнергии. Рис. 2. Структурная схема автоматической системы управления производством и распределением электроэнергии УO- управляемые объекты; Оп – оператор; УОИ – устройство отображения информации; АУС – автоматическая управляющая система; Ху – воздействия; УВК - управляющий вычислительный комплекс; АУУ - автоматическое управляющее устройство; Y1 – Yn – входные величины; ПИПY , ПИПZ - первичные измерительные преобразователи; XcY , XcZ сигналы от ПИП; Z1 – Zn - возмущающие воздействия На управляющую систему возлагается и задача определения наилучшего (оптимального) в техническом и экономическом отношениях протекания процесса производства и распределения электроэнергии. Поэтому автоматическая управляющая система в целом осуществляется на основе управляющего вычислительного комплекса (УВК), управляющего автоматизированными объектами, т.е. управляемыми объектами вместе с их управляющими устройствами. Выходные управляющие воздействия УВК являются программными Xпрi воздействиями автоматических управляющих устройств, например входное воздействие Xпр1устройства АУУ1 [1]. Для функционирования автоматического управляющего устройства необходима измерительная информация только об управляемом объекте. Для функционирования автоматической управляющей системы в целом, для вырабатывания программной информации для автоматических управляющих устройств необходима информация о протекании процесса производства и распределения электроэнергии в целом. Поэтому в автоматическую управляющую систему входят автоматические информационные устройства (АИУ) (см. рис. 2). Передаваемая ими информация вводится в управляющий вычислительный комплекс (УВК) или через устройства отображения информации (УОИ) доводится до сознания человека (оператора). Взаимодействующая совокупность автоматических информационных устройств (АИУ), входящих 6 в автоматическую управляющую систему (АУС), может быть названа автоматической информационной системой (АИС). Информация об управляемых объектах, состояние которых характеризуется их выходными величинами Y1 - Yn и определяется возмущающими воздействиями Z1 – Zn , поступает в автоматические устройства АУУ, АИУ в виде сигналов XcY , XcZ от первичных измерительных преобразователей ПИПY , ПИПZ управляемых объектов. Возмущающие воздействия Z1 на автоматическую управляющую систему АУС являются источниками помех, искажающих сигналы. Поэтому на входе и выходе автоматических устройств всегда имеет место смесь сигналов и помех. Главной задачей технических устройств автоматической управляющей системы является достаточно точное обеспечение требуемого соответствия между входным и выходным сигналами при наличии помех. Названная главная задача определяет специфику технических устройств автоматического управления. Если для технических устройств, являющихся управляемыми объектами, первостепенное значение имеет энергетическая сторона происходящих в них процессов, то для технических устройств автоматического управления первостепенное значение имеет информационная сторона процессов. При прохождении сигналов через автоматические устройства может меняться форма или физическая природа сигналов, но должна сохраняться информация. Управляющие воздействия Xy на объекты должны соответствовать информации об их состояниях и программной информации [3]. Классификация технических средств автоматики Классификация технических средств автоматизации не является чем-то, уж слишком, сложным и нагруженным. Однако, в целом технологические средства автоматизации имеют достаточно разветвленную структуру классификации. Попробуем разобраться с ней. Современные средства автоматизации делятся на две группы: коммутированные и некоммутированные (программированные) технические средства автоматизации: 1) Коммутированные средства автоматизации • Регуляторы • Релейные схемы 2) Программированные средства автоматизации • ADSP процессоры ADSP процессоры – средство автоматизации, которое используются для сложного математического анализа процессов в системе. Эти процессоры имеют быстродействующие модули ввода/вывода, которые с высокой частотой могут передавать данные на центральный процессор, который с помощью сложного математического аппарата анализирует работу системы. Пример – системы вибродиагностики, которые используют для анализа ряды Фурье, спектральный анализ и счетчик импульсов. Как правило, такие процессоры исполняются в виде отдельной PCI платы, которая монтируется в соответствующий слот компьютера и использует ЦП для математической обработки. • ПЛК (программируемый логический контроллер) ПЛК – самые распространенные средства автоматизации. Имеют собственный блок питания, центральный процессор, оперативную память, сетевую карту, модули ввода/вывода. Преимущество – высокая надежность работы системы, адаптация к промышленным условиям. Кроме того используются программы, которые выполняются циклически и имеют так называемый Watch Dog, который используется для предотвращения зависания программы. Также программа выполняется последовательно и не имеет параллельных связей и этапов обработки, которые могли бы привести к негативным последствиям. • ПКК (Программируемые компьютерные контроллеры) ПКК – компьютер с платами ввода/вывода, сетевыми картами, которые служат для ввода/вывода информации. • ПАК ПАК (программированные автоматизированные контроллеры) – ПЛК+ПКК. Имеют распределенную сетевую структуру для обработки данных (несколько ПЛК и ПКК).  Специализированные контроллеры 7 Специализированные контроллеры – не являются свободно программируемыми средствами автоматизации, а используют стандартные программы, в которых можно изменить только некоторые коэффициенты (параметры ПИД-регулятора, время хода исполнительного механизма, задержки и т.д.). Такие контроллеры ориентированы на заранее известную систему регулирования (вентиляция, отопление, ГВС). В начале нового тысячелетия эти технические средства автоматизации получили большое распространение. Особенностью ADSP и ПКК является использование стандартных языков программирования: C, C++, Assembler, Pascal , — так как они созданы на базе ПК. Эта особенность средств автоматизации является одновременно и достоинством и недостатком. Преимущество в том, что с помощью стандартных языков программирования можно написать более сложный и гибкий алгоритм. Недостаток – для работы с ними необходимо создавать драйверы и использовать язык программирования, который является более сложным. Преимуществом ПЛК и ПАК является использование инженерных языков программирования, которые стандартизованы IEC 61131-3 . Эти языки рассчитаны не на программиста, а на инженера-электрика. Принцип преобразования информации Принципы управления основаны на принципе преобразования информации. Преобразователи – устройства, использующиеся в преобразовании величин одной физической природы в другую и обратно. Датчики – устройства, вырабатывающие дискретный сигнал в зависимости от кода технологического процесса или воздействия на них информации. Информация и способы еѐ преобразования Информация должна обладать следующими свойствами: 1. Информация должна быть понятной в соответствии с принятой системой кодирования или еѐ представлении. 2. Каналы передачи информации должны быть помехозащищенными и не допускать проникновение ложной информации. 3. Информация должна быть удобной для еѐ обработки. 4. Информация должна быть удобной для еѐ хранения. Для передачи информации используются каналы связи, которые могут быть искусственными, естественными, смешанными. Каналы связи Искусственный(2 проводника) Смешанный Естественный(ВЧ сигнал ЛЭП 110 кВ) Рис. 3. Каналы связи По-подробнее о каналах связи мы будем говорить чуть позже. Получение информации о технологическом объекте управления Функционирование АС неразрывно связано с переработкой потока технологической информации. В процессе управления оператор передает управляющему устройству исходную информацию, а объект управления преобразовывает еѐ в текущую информацию. Управляющее устройство информирует оператора о принятых решениях и передает управляющему объекту воздействие. Структурная схема АСУТП: 8 h1 h2 h3 х1 х2 х3 УУ 1 7 2 6 3 4 y1 y2 y3 5 Рис. 4. Структурная схема АСУТП УУ – управляющее устройство; 1 – блок внешней информации; 2 – процессор; 3 – устройство связи с объектом; 4 – объект управления; 5 – датчики технологических параметров; 6 – блок текущей информации; 7 – пульт управления; x1. x2, x3 – внешние параметры технологического процесса; h1, h2, h3; y1. y2, y3 – информация о ходе технологического процесса. Характерной особенностью современных АСУТП является высокая производительность обработки информации при неограниченном объеме памяти. Эта особенность базируется на применении средств вычислительной технологии, в данной схеме это процессор. Наиболее широко используются программные контроллеры, которые являются мини ЭВМ с объемом памяти, с набором входных устройств приема информации и набором выходных устройств, вырабатывающих управляющие воздействия. Применение этих устройств позволяет сделать автоматизированную систему гибкой, универсальной, т.е. вычислительная система не привязывается к конкретному технологическому процессу.( Перестройка технологии производства сводится к очистке памяти управляющей программы и ввода с носителя новых данных. Даже для самых громоздких не превышает 10 сек. Информационная функция автоматизированных систем заключается в сборе технологической информации, преобразование этой информации и хранение информации в состоянии технологического объекта.) Целью управляющей функции АСУТП является выработка решений и осуществление управляющих воздействий. В исполнении задачи информационной и управляющей функции принимает участие процессор 2. Он совмещает переработку, хранение и выработку управляющей информации, передаваемой в виде управляющего воздействия по каналам устройств связи. В блок внешней информации 1 управляющего устройства входит внешнее и оперативное запоминающее устройство. Для длительного хранения вводится априорная информация об объекте и технологические инструкции. Априорная информация вводится с пульта управления 7. Априорный - не опирающийся на знание фактов, чисто умозрительный. (Априорная информация является неизменной в процессе функционирования АСУТП в заданном режиме.) Текущая информация о технологическом процессе принимается с помощью технологических датчиков 5 и вводится в блок текущей информации 6. Основным узлом управляющего устройства (УУ) является процессор, имеющий логические и арифметические блоки, в которых априорная, исходная и текущая информация преобразуются в управляющие команды. Эти команды передаются на реагирующие органы технологической установки. Это могут быть магнитные пускатели, контакторы, электромагнитные задвижки и прочее (Исполнительные устройства). На выходе управляющего устройства могут устанавливаться устройства связи с объектом, предназначенные для преобразования управляющих команд в управляющие воздействия достаточной мощности для срабатывания реагирующих элементов. Сложность элементов внутренне структуры АСУ находится в тесной связи с характером технологического процесса. Если процесс можно рассматривать детерминированным (неизменным во времени и пространстве), то модель этого процесса достаточного просто описывается с помощью простых алгоритмов, но если процессы являются совокупностью 9 случайных факторов подлежащих учету тем сложнее математическая модель процесса и, соответственно, внутренняя структура АСУ. Во внешней структуре АСУ выделяют системы различных уровней или подсистем, отвечающих конкретным целям и задачам. Существует прямая связь, когда оператор вводит в управляющее устройство априорную или исходную информацию, содержащую информацию о цели и программе функционирования технологического агрегата. К этой информации относятся различные постоянные и числа определяющие режим. Исходная информация содержит сведения, касающиеся данного вида продукции и исходная информация физически может быть представлена только на каком-либо магнитном носителе. Эта информация с одного носителя на другой в виде импульсов тока и напряжения. Сам процесс переноса информации в пространстве называется передачей информаций по каналам связи. Обратная связь – это та, которая служит для информирования оператора о ходе, механического процесса и о принятых управляющих решениях. Обратная связь может быть постоянной или периодической по запросу. Большее значение имеет форма представления информации (способ кодирования). Большинство датчиков оперируют сигналами представляющими импульсы тока или потенциальные уровни напряжения. Для информации не переб. операт реакции используются приборы аналогового типа. Для информации, на основании которой принимается операторной воздействие целесообразно использовать еѐ цифровое преобразование, согласующееся с цифровым вычислительным устройством. При управлении от управляющих вычислительных машин необходимо согласовать выходы управляющего устройства и входы исполнительных органов. Преобразование технологической информации Материальным носителем технологической информации является сигнал, который помимо информации несет некоторую энергию. Сигналом может быть любой физический процесс (изменение тока, напряжения). Классификация сигналов По физической природе носителя информации: 1. электрические; 2. электромагнитные; 3. оптические; 4. акустические и др.; По способу задания сигнала: 1. регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией; 2. нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей. В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют: А) аналоговые (непрерывные), описываемые непрерывной функцией (сигнал в виде непрерывно изменяющегося потенциала напряжения или тока); Б) дискретные, описываемые функцией отсчѐтов, взятых в определѐнные моменты времени; В) квантованные по уровню; Г) цифровые (дискретные сигналы, квантованные по уровню). Непрерывный сигнал (аналоговый): х f(t) х t f(t)Рис. 5 х3 х2 х1 10 f(t) х t Квантовый сигнал, характеризуется уровнем и длительностью. f(t) х3 х2 хх1 х0 Дискретный сигнал: хх3 х2 х1 х0 х f(t) t F(t) Δt f(t) t Рис. 6 F(t) t t Δt Рис. 7 t Аналоговые и дискретные сигналы К аналоговым относят непрерывные и дискретно-непрерывные сигналы. Непрерывный сигнал можно представить в виде непрерывной функции информационного параметра X(t). Рис. 8 Дискретно-непрерывный сигнал также состоит из истинных значений информационного параметра Х, но определенных через интервал Т дискретизации по времени. Они называются выборками и обозначаются как Х(nT) Рис. 9 Как в том, так и в другом случае определяющим признаком аналогового сигнала является бесконечное множество возможных значений информационного параметра. Характерными аналоговыми сигналами являются непрерывно изменяющийся постоянный ток и изменяющийся по амплитуде, фазе и частоте переменный ток. К дискретным относят непрерывно-дискретный и дискретный сигналы. Непрерывно-дискретный сигнал получают в результате дискретизации непрерывной функции информационного параметра X по уровню. В результате она заменяется отдельными 11 значениями, различающимися на интервал дискретизации ∆Х. Переход с одного уровня на другой происходит скачкообразно, когда значение функции находится в середине интервала дискретизации ∆Х. Обозначается сигнал как X(t). Рис. 10 Дискретный сигнал содержит набор значений информационного параметра X, полученных в результате его дискретизации как по уровню ∆Х, так и по времени через интервал Т. Рис. 11 Как следует из рисунка, характерной особенностью дискретного сигнала (в том числе и непрерывно-дискретного) является скачкообразное изменение информационного параметра. При этом образуется ограниченное количество его значений, называемое дискретным (счетным) множеством. Обозначается дискретный сигнал как Х(пТ). В общем случае сигнал состоит из элементов. Их называют импульсами или единичными сигналами. Импульсы могут различаться между собой по следующим информационным признакам:  амплитудный — импульсы отличаются значениями постоянного или амплитудой переменного тока; обычно используют импульсы с двумя значениями: максимальным Umax — 1 и минимальным (в частности, нулевым) — 0 Рис. 12  полярный — импульсы различаются направлением (знаком) постоянного тока, т. е. могут иметь два значения: 1 и —1 12  Рис. 12  временной — импульсы отличаются продолжительностью;  Рис. 13  фазовый — момент появления (фаза у) импульсов различен относительно периодически повторяющегося момента времени Т (опорного сигнала) (рис. В.9, г); Рис. 14 • частотный — число импульсов различно в пределах периодически повторяющихся интервалов времени ∆T Рис. 15 Характерными дискретными сигналами являются указанные импульсы только с двумя значениями информационного признака. Характерными аналоговыми сигналами являются непрерывно изменяющийся постоянный ток и изменяющийся по амплитуде Um (рис. ж), фазе или частоте (рис. е), переменный ток. Рис. 16 13 Преобразование сигнала Сигналы текущей информации, выработанные датчиками (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) должны обеспечивать необходимую простоту и высокую достоверность преобразования. Может оказаться так, что природа и параметры полученного сигнала не пригодны для передачи его по каналам связи (например как нам передать звуковой или акустический сигнал на большое расстояние).. В этом случае необходимо преобразование сигнала т.е звукового в электрический). При этом смысл сообщения полученного при считывании не должен изменится. При преобразовании сигнала существует два аспекта: 1.преобразование природы сигнала (например, преобразование звукового или акустического сигнала в электрический). 2.формы и параметров сигнала (т.е. его характеристик). Это происходит с помощью модуляции или квантования. Квантование – разбиение диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов (преобразование непрерывного сигнала в дискретный). Устанавливается однозначное соответствие между отдельными видами сигналов и состояниями управляющего объекта. Как правило, это кодирование "состояние-сигнал", перекодирование "сигнал-сигнал", декодирование "сигнал-состояние". Квантование сигналов сводится к замене текущих значений непрерывного сигнала к конечному. Различают квантование по уровню (т.е. по величине) и квантование по времени (дискретизация). а) квантование по уровню б) квантование по времени (дискретизация) Рис. 17. Квантование сигнала Непрерывный (аналоговый) сигнал f(t) в результате квантования заменяется ступенчатой функцией (Пси) Ψ(t) при разности уровней Δy. Δy – разрешающая способность сигнала или шаг квантования. Пока сигнал не изменился на величину Δy, преобразователь повторяет предыдущее значение. Только после достижения сигналом нового уровня преобразователь переключает новое значение. Шаг квантования определяется требуемой точностью измерения и обеспечивается разрешающей способностью преобразователя. Чем выше требуемая точность, тем меньше шаг квантования. Шаг квантования зависит от допустимой относительной погрешности измерения (дельта) δ: y     f max (t )  f min (t ) Число уровней квантования: f (t )  f min (t ) n  max y Квантование непрерывного сигнала по уровню позволяет ограничить конечным числом бесконечное множество измерений. В этом случае система в большей степени защищена от помех, амплитуда которых должна быть меньше шага квантования по уровню. Аналогично делается квантование по времени. Измеряется величина аналогово сингала через равный промежуток времени и получается ступенчатая функция Ψ(t). Δt - шаг дискретизации 14 Первичные измерительные преобразователи (датчики) Первичные измерительные преобразователи – это датчики технологических параметров. С помощью датчиков осуществляется получение информации о состоянии объекта. Датчик вырабатывает сигнал, несущий измерительную информацию в форме удобной для использования АСУТП. Все датчики подчиняющиеся измерительному кадастру. Кадастр содержит свыше 2000 измерительных величин и охватывает все отрасли промышленности, включая и энергетику. Он объединяет физические величины, которые определяют состояние технологических объектов. К ним относятся величины пространства (перемещение, смещение), времени, механических величин (давление, упругости), электрические, магнитные, акустические и световые. Измерительный преобразователь – это устройство предназначенное для выработки сигнала, обработки и хранения. Преобразователь не доступен для пользователя, т.е. сигнал на выходе не индицируется. Различают измерительные преобразователи с естественными выходом сигнала и унифицированным. К естественным относятся: 1. термоэлектрические преобразователи; 2. термометры сопротивления; 3. дифференциально-транзисторные датчики. Такие преобразователи применяются в локальных устройствах контроля и автоматизации. Измерительные преобразователи с унифицированным выходом имеют на входе сигнал, предусмотренный кадастром, а на выходе должны быть сигналы постоянного тока 0-5 мА, 0-20мА, или напряжением от 0 до 10 В на постоянном токе, от 0 до 2 В на переменном токе; частота от 0 до 10 МГц на пост. токе или частота от 4 до 8 кГц на перем. токе. Структуры измерительных систем Название Прямое однократное преобразования Последовательное прямое преобразование Дифференциальная Статистическая характеристика Структура хвх δ1 хвых К1 К1 – коэффициент передачи или усиления преобразователя; δ1 – погрешность элемента. К1 хвх хвх δ1 Кn К1 δ1 К2 δ2 δn хвых хвых х вых  К1  х вх n х вых   К i  х вх i 1 х вых  К1  К 2  х вх - элемент сравнения при суммировании хвх Схема с обратной связью или компенсационная схема К1 К2 δ1 хвых δ2 х вых  К1  х вх 1 К1  К 2 Сигнал обратной связи чаще всего отрицательный, но может быть и положительным 15 Классификация датчиков Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства. Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам: 1. В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др. В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%. 2. По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др. Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: - электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; - электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; - они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений. 3. По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р. Различают три класса датчиков: - аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины; - цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово; - бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте. Требования, предъявляемые к датчикам: - однозначная зависимость выходной величины от входной; - стабильность характеристик во времени; - высокая чувствительность; - малые размеры и масса; 16 - отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр; - работа при различных условиях эксплуатации; - различные варианты монтажа. Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током. Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины L, площади сечения S или удельного сопротивления p: R= pL/S Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещѐнности фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные. Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей. Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на Рис.18. Контактный переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные резистивный датчик датчики могут быть одно предельными и многопредельными. Последние измерения используют для измерения величин, изменяющихся в значительных температуры пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются. Недостаток контактных датчиков — сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики. Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать. На рис. на корпус 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса защищается, и по металлу перемещается щетка 3. Добавочная щетка 4 скользит по токосъемному кольцу 5. Обе щетки Рис.19. Устройство изолированы от приводного валика 6. В качестве материала провода реостатного датчика для реостатных преобразователей применяют манганин, константан или фехраль. В ответственных случаях используют платиноиридиевую проволоку (90% Pt + 10% 17 Ir). Диаметр проволоки равен 0,03 мм. Это позволяет изготавливать малогабаритные высокоомные преобразователи (весом 10-12 г при размерах 1×2 см) Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром. Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п. Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики Iн = f(х), где Iн - ток в нагрузке. Выходной величиной такого датчика является падение напряжения Uвых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта Uвых = f(х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным. Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов — обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д. Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, Рис.20. Структура тензорезистора заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий. Термометрические датчики (терморезисторы) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами: 1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления». 2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, Рис.21. Устройство терморезистора вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности 18 окружающей среды, плотности газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления. Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель. По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы). Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества. Датчики – генераторы. Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков – они генерируют электрический сигнал). Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков. Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости. Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения). Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры. Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики. Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур - 50…+150 0C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов. 19 Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды. Термоиндикаторы – это особые вещества, Рис.22. Биметаллическая пластина изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок. Термопреобразователи сопротивления Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры (рассмотрен ранее). Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до 1100 0С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры. Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0C составляет (2…8)*10–2(0C)–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ меди и марганца. Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0С. Термоэлектрические преобразователи (термопары) Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т1 –Т0 между спаем и концами термопары. Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Рис.23. Устройство термопары Концы, которые находятся в окружающей среде, и 20 которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Ет будет зависеть только от температуры T1 рабочего конца. Uвых = Eт = С(Т1 – Т0), где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0С. Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надѐжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур. Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов. Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта. Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической Рис.24. Принцип устройства пирометра лампы). Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0С. Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают. Кварцевые термопреобразователи Для измерения температур от – 80 до 250 0С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах. Пьезоэлектрические датчики Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе. 21 Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д. Оптические (фотоэлектрические) датчики Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением. Рис.25. Схема устройства Датчики дискретного типа изменяют выходное пьезоэлектрического датчика состояние на противоположное при достижении заданного давления: значения освещенности. p — измеряемое давление; 1 — Фотоэлектрические датчики могут быть применены пьезопластины; 2 — гайка из практически во всех отраслях промышленности. Датчики диэлектрика; 3 — электрический дискретного действия используются как своеобразные вывод; 4 — корпус (служащий бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, вторым выводом); 5 — изолятор; позиционирования и других задач на любой 6 — металлический электрод. технологической линии. Оптический бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только. Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах. По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4 группы: Рис.26. Фотоэлектрические датчики 1) пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода. 2) отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями. Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода. 22 3) отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода. 4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у "отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д. По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д. Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения. Микроволновые датчики На смену кнопочно - релейным пультам приходят микропроцессорные автоматические системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) высочайшей производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться. Элементная база автоматизированных систем управления Элементная база технических средств строится на элементах промышленной электроники с высокой степенью интеграции. (пример: транзистор, диод, тиристор, оптрон идр.) Диод используется как неуправляемые выпрямители, (как коммутаторные) и могут выполнять защиту от перенапряжения. Обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. P-N Тиристор используется как ключевой, управляющий элемент в преобразовательных устройствах, регулирует величину тока, протекающего через него. Транзистор используются для усиления, используется как ключевой элемент для управления исполнительным устройством, как правило, устройство постоянного тока. Обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Например, при подаче малого напряжения(сигнала) на базу в цепи Э-К отсутствует протекание тока. При подаче на базу напряжения высокого уровня в цепи Э-К возникает ток . Оптроны (оптико-электрические) электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод (1)) и фотоприѐмника(2) (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов) Они связанны оптическим каналом и как правило объединѐнных в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по 23 оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал. Выполняют гальваническую развязку (т.е. без электрического контакта) цепей преобразования сигналов и датчиков. Применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами. P-N переход Имеется монокристалл (кремний, германий) в котором существует область, в которой преобладают носители заряда электроны и область где дырки. По закону диффузии эл-ны из nобласти перемещаются в р-область, а дырки из р-обл. в n-обл. В тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. В этой области возникает эл. поле, которое препятствует проникновению эл-ов в р-обл, дырок в n-обл. Наступает стабильное состояние p-n перехода. Прямая проводимость Внешнее эл. поле и поле p-n перехода направлены в противоположные стороны. Эл. поле p-n перехода окажется в значительной степени ослабленным. И т.о. в цепи ИП-ПП возникает ток. Обратная проводимость Эл. поле источника и p-n перехода совпадают. (расширение запирающего слоя). Суммарное поле будет еще больше препятствовать передвижению зарядов через p-n переход. Ток не пойдет. Рис.27. P-N переход Интегральная микросхема (ИМС). Это микро элементные изделия, выполняющие функции преобразования, обработки или накапливания информации. ИМС имеет высокую плотность упаковки эл. соединительных элементов, которые с точки зрения эксплуатации соединены в единое целое. Термин интегральная означает сумму (интеграл) большого числа простых элементов. Рис.28. Пример ИМС Любая ИМС имеет внутренние и внешние элементы. 24 Внешние элементы необходимы для питания микросхем, изменения внутренних и внешних связей и изменения режима работы микросхем. Кристалл, с помощью которого выполняется ИМС, представляет собой пластину из полупроводникового материала на котором сформированы элементы, межэлементные соединения и контактные площадки. К контактным площадкам микросваркой присоединяются проводники, которые являются выводами доступными пользователю. Большинство микропроцессорных схем заключаются в пластмассовый или нержавеющий корпус. Микросхемы: 1. цифровые 2. аналоговые. Цифровой сигнал – сигнал в цифровом коде. Аналоговый – сигнал в виде непрерывно изменяющегося потенциала напряжения или тока. Он описывается непрерывной функцией времени. Количество элементов микропроцессорной схемы определяет еѐ сложность и характеризуется степенью интеграции – k. k  lg n n – число элементов в микросхеме. К первой степени интеграции относятся ИМС с числом элементов до 10; ко 2-ой до 100; к 3-ей до 1000; к 4-ой до 10000 и более. Цифровые ИМС Для цифровых ИМС комплексную меру сложности определяет число логических элементов. Под логическим элементом понимают устройство, выполняющее простейшие операции булевой алгебры, как правило, эти операции выполняются в двоичном коде («0» и «1»). Переменные х и функции от них y могут принимать только два фиксированных значения 0 или 1, которым соответствуют определенные уровни напряжения и тока. В электроники было принято следующее: Сигнал 0 не более 0,4 в и сигнал 1 не менее 2,4 В. Рис.29. Уровни напряжения «0» и «1» Уровни напряжения зависят от нагрузки на выходе, поэтому, как правило, микросхема нормируются величиной входов других элементов, присоединенных к входу, как правило, нагрузочная способность не более 10. (Пример на схеме). Если нагрузочная способность большая – это микросхемы с более мощными источниками. Степень интеграции таких элементов, как правило, 1 или 2. У более сложных функциональных узлов (счетчики, регистраторы, дешифраторы: степень интеграции k=2;3). Более сложные устройства (запоминающие, арифметические и логические устройства (АЛУ), микропроцессорные) k=4 и более. Цифровые ИМС выпускаются сериями и объединяются по функциональному признаку в группы, логические элементы, счетчики и прочее. ИМС одной серии имеют одинаковые напряжения питания, одинаковые уровни 0 и 1 и конструктивно аналогичны. Сложные логические функции выполняются с использованием простых элементов, которые связываются в единый комплекс устройства. Базовые логические элементы выполняют простейшими логические операции: и-не, или-не. По принципу действия логические элементы делятся: 1. ДТЛ – диодно-транзисторная логика; 25 2. РТЛ – резистивно-транзисторная логика; 3. ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика; 4. ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика. 5. КМДП В последнее время широко используется элементы КМДП (комплементарный) структур, на которой используется элементы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. Также широко используются элементы на биполярных транзисторах. Давайте в качестве примера рассмотрим логический элемент на базе ТТЛ Двоичная система счисления Двоичное счисление имеет в своей основе только две цифры: 0 и 1. Все числа записывают с помощью этих двух цифр. Основание двоичной системы счисления равно двум. Пример четырехразрядного двоичного числа: 0 0 1 1 Для преобразования из двоичной системы в десятичную используют следующую таблицу степеней основания 2: 23 22 21 20 0 0 1 1 или 8 4 2 1 0 0 1 1 Например Нужно перевести число00112 в десятичную систему. Для перевода в десятичное записывается сумма по разрядам следующим образом (начиная со старшего разряда): 0 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20 = 310, таким образом 00112=310 Двоичная система счисления применяется в компьютерной технике. Бит — это наименьшая единица информации. Слово «бит», по-английски bit, происходит от «binary digit», что значит «двоичная цифра». Бит может быть единицей или нулѐм, ведь в двоичной системе счисления имеются только две цифры: 0 и 1. Двоичное счисление относится к позиционным системам счисления. Это значит, что значение двоичного числа связано с позициями цифр в нѐм. Пример: двоичные числа 1101 и 1011 составлены из одинакового количества единиц и нулей, но позиции их различны, значит и числа различны. Для четырех разрядов максимальное десятичное число -15: 0 0 0 1 (110) 0 0 1 0 (210) 0 0 1 1 (310) 0 1 0 0 (410) 0 1 0 1 (510) 0 1 1 0 (610) 0 1 1 1 (710) 1 0 0 0 (810) 1 0 0 1 (910) 1 0 1 0 (1010) 1 0 1 1 (1110) 1 1 0 0 (1210) 1 1 0 1 (1310) 1 1 1 0 (1410) 1 1 1 1 (1510) В двоичной системе счисления арифметические операции выполняются по тем же правилам, что и в десятичной системе счисления, т.к. они обе являются позиционными (наряду с восьмеричной, шестнадцатеричной и др.). Сложение Сложение одноразрядных двоичных чисел выполняется по следующим правилам: 0+0=0 26 1+0=1 0+1=1 1 + 1 = 10 В последнем случае, при сложении двух единиц, происходит переполнение младшего разряда, и единица переносится в старший разряд. Переполнение возникает в случае, если сумма равна основанию системы счисления (в данном случае это число 2) или больше его (для двоичной системы счисления это не актуально). Сложим для примера два любых двоичных числа: 1101 (1310) + 101 (510) -----10010 (1810) Вычитание Вычитание одноразрядных двоичных чисел выполняется по следующим правилам: 0-0=0 1-0=1 0 - 1 = (заем из старшего разряда) 1 1-1=0 Пример: 1110 (1410) - 101 (510) ------1001 (910) Умножение Умножение одноразрядных двоичных чисел выполняется по следующим правилам: 0*0=0 1*0=0 0*1=0 1*1=1 Пример: 1110 * 10 -----+ 0000 1110 -----11100 Деление Деление выполняется так же как в десятичной системе счисления: 1110 | 10 |---10 | 111 -----11 10 -----10 10 -----0 27 Умножение посредством сдвига (влево): Сдвиг - простыми словами это перенос числа влево (в сторону старшего разряда). При этом в младший разряд записывается 0. Пример: имеем число 00112 (это у нас 310) 0 0 1 1 Сдвигаем его влево и получаем такое число: 0 1 1 0 Это уже число 610 Что произошло при сдвиге? Произошло обычное УМНОЖЕНИЕ на 2! Было 3 - стало 6 Давайте сдвинем это число еще раз: Имеем: 0 1 1 0 Сдвигаем его влево и получаем: 1 1 0 0 Если перевести это число в десятичную систему, то получим число 1210. Если это число снова подвергнуть сдвигу, то результатом будет переполнение. Булева алгебра. Простейшие логические функции и логические элементы 1. Логическое отрицание (или инверсия). Записывается эта функция так: y  x . Данная функция реализуется логическим элементом, который называется инвертором или же элементом НЕ. Рис.30 Каждый логический элемент характеризуется таблицей состояний на входе и выходе, которую называют таблицей истинности. Таблица истинности для элемента НЕ изображена на рисунке. 2. Дизъюнкция или логическим сложением. y = x1 + x2. Элемент, реализующий функцию дизъюнкции, называется ИЛИ. Рис.31 3. Конъюнкция, или логическое умножение. Элемент, реализующий функцию конъюнкции, называется И. y = x1 * x2 Рис.32 28 4. Элемент Пирса. Этот элемент, реализующий функцию отрицания дизъюнкции, называется 2 ИЛИ-НЕ. y  x1  x2 Рис.33 5. Элемент Шеффера. Этот элемент, реализующий функцию отрицания конъюнкции, называется 2И-НЕ y  x1* x2 Рис.34 Схема базового логического элемента типа ТТЛ y  x1 x 2 - функция 2И-НЕ Рис.35. Схема базового логического элемента типа ТТЛ В этой схеме 3 каскада: 1. Входной каскад реализующий операцию «И» состоит из многоэмиттерного транзистора VT1 и резистора R1. Ко всем входам многоэмиттерного транзистора подключены демпфирующие диоды VD1 и VD2. Они ограничивают влияние импульсных помех отрицательной полярности. 2. 2-й каскад, Фазоинверсный каскад (Фазораспределительный) состоит из транзистора VT2 и резисторов R2 и R4. Он управляет выходными транзисторами с помощью противофазных изменений напряжения на коллекторе и эмиттере VT2. 3. 3-й каскад представляет собой выходной 2-х канальный усилитель состоит из транзисторов VT3 и VT4, смещающего диода VD3 и резистора R3. Рассмотрим работу данной схемы: При совпадении на входах напряжений или сигналов высоких уровней (т.е. 1-ца) многоэмиттерный транзистор переключается в инверсный режим. (коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном). Эмиттерный переход 29 транзистора VT1 окажется закрытым. При этом ток протекающий через R1 и коллекторный переход транзистора VT1, откроет транзистор VT2. Падение напряжения на R4 будет достаточным для открытия транзистора VT4. После быстрого разряда паразитной емкости Сп через коллектор насыщенного транзистора VT4 на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю. При этом транзистор VT3 закрыт, т.к. напряжение прикладываемое последовательно включенным переходом базы и диода VD3 не достаточно для его открывания. Если хоть на один из входов подать напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0 или соединить его с землей, то многоэмиттерный транзистор VT1 переходит в режим насыщения, эмиттерный переход транзистора VT1 откроется и зашунтирует базовый переход транзистора VT2. Вследствие чего закроются транзисторы VT2 и VT4 и откроется транзистор VT3. Он (VT3) работает в режиме эмиттерного повторителя и передает на выход сигнал высокого напряжения соответствующий логической 1-це. Повторитель создает в нагрузке ток в 50-100 раз превышающий Uвх значение. Это обеспечивает так же быстрый разряд паразитной емкости Сп. Т. О. в логическом элементе выполняется функция 2и-не. Транзистор VT1 называется многоэммитерным. Количество эмиттеров определяет количество входов, участвующих в операциях и. Для ИМС типа ТТЛ 0 и 1 считаются соответственно при напряжении источника 5 В. Схема базового логического элемента типа КМDП Рис.36. Схема базового логического элемента типа КМDП КМDП(комплементарный) – на металлическую подложку напыляют п/п, которые выполняют функцию транзисторного перехода. КМDП транзистор является идеальным переключателем. Здесь показана схема КМДП-элемента, реализующего операцию 2И-НЕ. Транзисторы VT1 и VT2 с каналом p-типа соединены параллельно, а n-канальные транзисторы VT3 и VT4 – последовательно. Подложки и стоки VT1 и VT2 соединены с положительным зажимом источника питания. Если на оба входа X1 и X2 подано напряжение высокого уровня, то оба n-канальных транзистора (VT3 и VT4) открыты, а оба p-канальных (VT1 и VT2) закрыты, то есть выход соединѐн с землѐй. Если хотя бы на один из входов подать напряжение низкого уровня, то транзисторы VT3 и VT4 закрыты, а транзисторы VT1 и VT2 открыты. Таким образом, выход будет соединѐн с напряжением питания и отсоединѐн от земли. Достоинства схемы: Логический 0 не отличается от 0, а логическая 1 соответствует Uип и они выпускаются на U=3,5,15 В. Выходное сопротивление достигает десятков и более МОм, соответственно у него неограниченная нагрузочная способность, очень малое энергопотребление и высокое быстродействие. Под быстродействием понимают время установления сигнала на выходе при изменении его на входе. 30 Примеры графического изображения микросхем х1 & у=х1·х2 х2 х1 1 у=х1+х2 х2 х1 х2 х3 х4 & 1 2И-НЕ 2ИЛИ-НЕ у=х1·х2· х3·х4 2И-ИЛИ-НЕ & Рис.37 Работу любой микросхемы можно описать либо уравнением булевой алгебры, либо таблицей истинности в которой приводятся все возможные комбинации входных сигналов и соответствующие им значения функции выхода. 2И-НЕ y  x1 x 2 х1 х2 y 1 1 1 1 1 1 1 2ИЛИ-НЕ х1 х2 у 1 1 1 1 1 Аналоговые ИМС К ним относят операционные усилители, стабилизаторы напряжения, стабилизаторы тока, перемножители сигналов, компараторы, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Особенности аналоговых ИМС по сравнению с цифровыми: 1. большое число параметров, требуемых для их правильного использования. 2. аналоговые микросхемы чувствительны к изменению внешних параметров питания и нагрузки. Они более сложны, более дорогие и чаще всего требуют питания двух напряжений 2-х полярностей + и – Uип (имеют дифференциальный характер). Операционные усилители и схемы их включения Операционный усилитель применяется для выполнения различных аналоговых операций усиления, фильтрации или арифметические операции с аналоговым сигналом, как правило, это усилитель постоянного тока с обратной связью, сигнал на выходе определяется параметрами обратной связи. ОУ являются усилителями постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления. Их широкое применение в электронных схемах обусловлено следующим: 31 - дает возможность при проектировании работы электронных устройств заложить жесткие функциональные зависимости между входными и выходными сигналами; - облегчает монтаж электронных схем; - увеличивает надежность работы электронных устройств; - уменьшает габариты и массу этих электронных устройств. Рис.38. Варианты условных графических изображений (УГО) операционных усилителей ОУ имеют два входа: прямой и инверсный При подаче какого-либо сигнала на прямой вход фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного. При подаче сигнала на инверсный вход фаза выходного сигнала по отношению к фазе входного имеет 180 º, т.е. выходной сигнал находится в противофазе с входным. Если во входных цепях ОУ включены раздельные элементы, такие как конденсаторы (емкость) или трансформаторы, то ОУ могут быть использованы в качестве усилителей и преобразователей переменного тока в зависимости от схемы включения. Существуют следующие схемы операционных усилителей: 1 схема – инверсное включение операционного усилителя Рис.39 Данная схема является наиболее распространенной схемой включения ОУ. Резистор R2 в цепи обратной связи служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. При подаче входного напряжения (Uвх) через резистор R1 протекает входной ток i1. (для аналоговых схем, входное напряжение ОУ имеет дифференциальный характер, т.е. фактически это разность напряжений на неинвертирующем (+) и инвертирующем (-) входах усилителя.) Неинвертирующий вход чаще всего заземляют. Чтобы получить передаточную характеристику, применим правила Кирхгофа (Алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура). Входная цепь: i1 =Uвх/R1, выходная цепь: i2 = - Uвых / R2 Т.к. ОУ - идеальный (Rвх - очень большое Rвх>>0): i1 = - i2, отсюда Uвх/R1=Uвых/R2. Коэффициент усиления К ус = - Uвых/Uвх= - R2/R1. Тогда выходное напряжение будет равно U вых  U вх  К Знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. (выходное напряжение находится в противофазе с входным сигналом. ) 32 2 схема – инвертирующий сумматор Рис.40 Эта схема позволяет осуществить суммирование нескольких напряжений с минимальной погрешностью. Каждое из суммируемых напряжений подается на отдельный вход. Напряжение на выходе схемы равно сумме нескольких входных напряжений, умноженных на соответствующие коэффициенты усиления. Uвых  Uвх1  К1  Uвх2  К 2 R K1  2 R1 R K2  2 R3 Сопротивление Rs минимизирует входное смещение и рассчитывается по формуле 1 RS  1  1  1 R1 R3 R2 3 схема – дифференциальное включение или дифференциальный усилитель. Рис.41 Данная схема предназначена для получения разности двух напряжений При одновременной подаче сигналов на оба входа, напряжение на выходе пропорционально разности напряжения входных сигналов. (Значение сопротивлений схемы выбираются таким образом, чтобы обеспечить требуемое усиление. Напряжение на выходе усилителя равно алгебраической разности двух входных напряжений, помноженных на соответствующие коэффициенты усиления. Uвых  Uвх2  К 2  Uвх1  К1 R K1  2 R1 R  R2  R4 K2   1 R3  R4  R1 33 Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Преобразование аналогового сигнала в цифровой и обратно применяется в измерительной технике (осциллографы, вольтметры, генераторы, в бытовой технике, TV, компьютерная техника, телефония мед. техника). ЦАП являются элементами аналогово-цифрового преобразователя. ЦАП N(ti) A(ti) В ЦАП входным сигналом является цифровой код в различных системах исчисления. Выходным является соответствующее значение аналоговой величины в виде например постоянного тока на некотором временном интервале. Комплексно связь между входной цифровой величиной N(ti) и еѐ аналога А(ti) характеризует алгоритм преобразования. Аналоговая величина определяется: A(t i )  N(t i )  A  A ΔA – аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода; δА – погрешность преобразования. Процесс цифро-аналогового преобразования состоит в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода. Слагаемые берутся для разрядов, имеем единичное значение. Выходное напряжение определяется:   U вых  U э  В1  21  В2  22  ...  Вn  2n Uэ – эталонное напряжение; В1, В2, …,Вn – коэффициент двоичных разрядов, принимающих нулевое или единичное значение. Разряд - это структурный элемент представления чисел в позиционных системах счисления. Разряд является рабочим местом цифры в числе. Пример ЦАП: R R Uэ R 2R 2n-1R Резистивная матрица с эталонными резисторами N(t) ЭК-эл-й ключ Uвых Рис.42 На вход ЦАП подается двоичный код: 01001. при этом срабатывает соответствующий электронный ключ, который соответствует данному коду. При этом цепочка замыкается. Эталонное напряжение проходит через соответствующие резисторы. Происходит его падение до некой величины и на выходе устанавливается U вых, соответствующее двоичному коду. ЭК – блок электронных ключей. Источники питания для ЦАП является источник эталонного напряжения. 34 Погрешность ЦАП зависит от погрешности эталонного напряжения и от устойчивости характеристик эталонной матрицы. Чем больше элементов резистивной матрицы, тем большая точность преобразования. Аналого - цифровой преобразователь АЦП Устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Комплексная связь между аналоговой величиной A(ti) и соответствующей цифровой N(ti) и определяется алгоритмом:  A( t i )  N( t i )     N( t i )  A  ΔА – шаг квантования; δN(ti) – погрешность преобразования на i-том шаге. Схемное решение и состав АЦП определяется методом преобразования. Наибольшее распространение получили три схемы: 1. последовательного счета; 2. поразрядного кодирования; 3. параллельного кодирования. Метод последовательного счета Метод последовательного счета основан на уравновешивании входных величин суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов. Преобразователи, реализующие этот метод имеют несколько разновидностей преобразования аналогового сигнала в цифровой код: Схема последовательного счета с обратной связью. Uвх fт СС СТ G UЦАП код ЦАП Рис.43 С началом работы преобразователя на вход счетчика СТ поступают импульсы тактовой частоты fт (частота синхронизирующих импульсов синхронной электронной схемы) от генератора G, благодаря чему растет код на входе ЦАПа, в результате повышается напряжение UЦАП на входе. Это напряжение поступает на схему сравнения СС, которая представляет собой компаратор и сравнивается сигнал с ЦАПа со входным напряжением. Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала. И на выходе выдает логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе. При равенстве UЦАПа=Uвх компаратор срабатывает, и работа счетчика прекращается. На выходе счетчика устанавливается код, являющийся цифровым эквивалентом входного сигнала. При неравенстве начинается переходный процесс пока Uвх не будет равно UЦАП. Таким образом, АЦП следит за входным сигналом и отслеживает его. Погрешность в этой схеме зависит от погрешности ЦАП, от ошибки компаратора при сравнение Uвх и UЦАП. 35 Недостатки: малое быстродействие. Метод поразрядного кодирования Метод поразрядного кодирования предусматривает несколько эталонов пропорциональных степени числа 2, при этом производится сравнение эталонной и аналоговой величины. Начиная с эталона старшего сигнала, при параллельном методе входная величина сравнивается одновременно со всеми эталонами. ЦАП код T1 T2 … Tn Uвх СС пуск Схема УПР Рис.44 Код результата преобразования формируется в n разрядном регистре (логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними) состоящем из группы триггеров (элемент, обладающий двумя устойчивыми состояниями 0 и 1). По команде «пуск» схема управления, в качестве которой используется сдвигающий регистр, последовательно приводит триггеры, начиная со старшего разряда, в единичное (1) состояние. При этом на вход ЦАП последовательно поступают единицы соответствующих разрядов от триггеров. Например, на входе ЦАП сравнивается при помощи компаратора с аналогичным кодом. В первом такте работы к компаратору подается Uвх и Uцап, соответствующее 1-му разряду. Если Uвх  Uцап, на выходе компаратора появляется сигнал и триггер старшего разряда сохраняет единичное состояние. В результате преобразование Uвх уравновешивается суммой эталонных напряжений. n U вх   a i u эi i 1 а - коэффициенты равные 0 или 1 в разрядах выходного кода. Достоинства: большое быстродействие по сравнению с предыдущей схемой. Но применяется крайне редко. Схема, реализующая параллельный метод преобразования Uэ S n (2 -1)R n (2 -2)R T СС1 R 1 DC R S T 2 код СС2 R СС3 R 2R S T 4 (2n -1)R установка "0" R Uвх Рис.45 В данной схеме представлено: резистивный делитель, компараторы, RS-триггеры 36 Входящая аналоговая величина Uвх сравнивается при помощи компаратора с эталонными уровнями напряжения, резистивного делителя. При равенстве входного сигнала и сигнала эталонного результата делителя компаратор СС переводит RC триггер в соответствующее единое состояние 0 или 1. В результате на индикаторе DС собирается код входного сигнала. Далее дешифратор преобразовывает информацию двоичного кода в двоично восьмеричный код. Устройства хранения и переработки информации Это запоминающие устройства, предназначенные для записи, хранения, считывания информации в двоичном коде. Память любой вычислительной системы имеет иерархическую структуру, состоящую из запоминающих устройств различного быстродействия, емкости и аппаратной реализации. Регистровая память реализуется в качестве интегральной микросхемы или центрального процесса. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или RAM (Random Access Memory оперативная память) - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Микросхемы памяти строятся на основе матриц, столбцы и строки которых являются адресами. На пересечении столбца и строки находится одна или несколько ячеек памяти. Диод или конденс. 1 2 3 4 5 ячейка памяти ABCDF Рис.46 В ОЗУ ячейка памяти представляет собой триггер или конденсатор, заряженный до уровня 0 или 1. Иногда ячейки строятся на основе диодов, а также биполярных или полевых транзисторах. В современных вычислительных устройствах, оперативная память выполнена по технологии динамической памяти (Dynamic RAM, DRAM). Динамическое ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных. Содержащиеся в оперативной памяти данные доступны только тогда, когда на модули памяти подаѐтся напряжение, то есть, компьютер включен. Пропадание на модулях памяти питания, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному пропаданию содержимого ОЗУ. Объем оперативной памяти может быть наращен за счет дополнительных элементов в виде отдельных интегральных микросхем. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Запоминающее устройство только с возможностью считывания данных называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) (ROM (Read-Only Memory - постоянная память)). (так называемый, жесткий диск или винчестер на Вашем компьютере). ПЗУ предоставляют возможность постоянного (долговременного) хранения программ и данных, поскольку информация в ПЗУ сохраняется даже при выключении питания. Для изготовления ПЗУ наиболее удачной оказывается МОП-технология, обеспечивающая чрезвычайно плотное размещение элементов ПЗУ. ПЗУ используются как элементы оперативной памяти, но чаще используются в качестве носителя для текстовых, программных продуктов. ПЗУ делят на однократно или многократно программированные устройства. 37 В однократно программируемом ПЗУ при изготовлении или настройке происходят необратимые изменения в ячейках. Например, объединяют базы транзистора с землей или шиной питания, иногда пережигают перемычки с землей или питанием нужных элементов, поэтому при каждом считывании обращении из ПЗУ выделяется одна и та же информация. Многократно программируемые ПЗУ допускают определенное число циклов при перезаписи. Сохраняют информацию при отключении питания в течении длительного времени (десятки тысяч часов) принцип их действия основан на заряде конденсатора ячейки памяти при программировании. За счет высокого качества изоляции этот заряд может сохраняться очень долго. Считывание информации производится специальным МОП-транзистором (МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделѐнных слоем оксида кремния SiO2. В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник), с плавающим затвором, который имеет малое потребление и не разряжает конденсаторы при считывании. Стирание информации производится ультрафиолетовыми лучами через специальное окно, которое за счет ионизации промежутков конденсатора снимает накопленный заряд. Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) или внешняя память. Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер. Внешняя память реализуется на гибких, жестких, лазерных дисках. - Гибкие магнитные диски (так называемые дискеты). «Гибкие» потому что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Поверхность диска покрыта специальным магнитным слоем. - Накопители на жестких магнитных дисках. Они представляют собой несколько алюминиевых дисков с магнитным покрытием, заключенных в единый корпус с электродвигателем, магнитными головками и устройством позиционирования. К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка, которая перемещается по радиусу диска с внешней стороны к центру. Во время работы дисковода диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации. Благодаря хорошей защищенности от пыли, влаги и других внешних воздействий достигают высокой плотности записи, в отличии от дискет. - Оптические (лазерные) диски. CD – Compact Disk. Изготовляют из пластика с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация записывается отдельными секторами мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и представляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании информации выступы отражают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как «1», впадины поглощают луч и, воспринимаются как «0». Это бесконтактный способ считывания информации. Срок хранения 50-100 лет. Бывают однократно записываемые лазерные диски: (CDR, Compact Disc-Recordable), многократно (CD-RW Compact Disc-ReWritable). DVD – Digital Video Disk. Имеет те же размеры, что и CD, но больший объем за счет более плотной структуры рабочей поверхности. - Флэш-память. Является более современным типом электронно-перепрограммируемого ПЗУ. Стирание и записывание происходит блоками. Они используются для хранения изображений в цифровых камерах и для других целей. Флэш-память уже сегодня вытесняет диски СD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc). Основной технической проблемой в данный момент является то, что флэш-память изнашивается после 100 000 операций стирания, а диски могут служить годами независимо от того, сколько раз они перезаписывались. Краткое описание различных типов памяти: 38 Объем и организация памяти Основная характеристика запоминающих устройств это объем и организация памяти. Объем элементарных ячеек памяти, измеряется в битах. Бит- это 1 ячейка памяти. Бит - это минимальная единица измерения количества информации, равная одному разряду в двоичной системе счисления. Бит может принимать только 2 взаимоисключающих состояния (0 и 1). Бит очень маленькая единица измерения информации, в которой можно зафиксировать только 2 значения, поэтому биты группируют. В настоящее время практически все запоминающие устройства в качестве минимально адресуемого элемента используют 1 Байт - это первый вид группировки (1Б = 8б двоичных разрядов (бит)) Поэтому емкость памяти обычно определяется в байтах, килобайтах (1Кбайт=2 10=1024 байт), мегабайтах (1Мбайт = 220 байт), гигабайтах (1Гбайт = 230 байт), терабайт (1Тбайт = 240 байт). За одно обращение к запоминающему устройству производится считывание или запись некоторой единицы данных, называемой машинным словом. (это следующий вид группировки битов) Это упорядоченное множество двоичных разрядов, используемое для хранения команд программы и обрабатываемых данных. Разряд - является рабочим местом цифры в числе. Величина машинного слова равна разрядности регистров процессора или разрядности шины данных). Разряды в слове обычно нумеруются, справа налево, начиная с 0. Например: Рис.47 Пример машинного слова (из 2 байтов = 16 бит). Размер машинного слова – 16 разрядов, то есть можно записать 216 =65536 состояний. Машинное слово — машиннозависимая и платформозависимая величина, измеряемая в битах или байтах (тритах или трайтах), равная разрядности регистров процессора и/или разрядности шины данных (обычно некоторая степень двойки). На ранних компьютерах размер 39 слова совпадал также с минимальным размером адресуемой информации (разрядностью данных, расположенных по одному адресу); на современных компьютерах минимальным адресуемым блоком информации обычно является байт, а слово состоит из нескольких байтов. Машинное слово определяет следующие характеристики аппаратной платформы: - разрядность данных, обрабатываемых процессором; - разрядность адресуемых данных (разрядность шины данных); - максимальное значение беззнакового целого типа, напрямую поддерживаемого процессором: если результат арифметической операции превосходит это значение, то происходит переполнение; - максимальный объѐм оперативной памяти, напрямую адресуемой процессором. Длина (размер) слова определяется организацией (или архитектурой) памяти. Этих архитектур около 30. Организация памяти- это практически объем запоминающего устройства в словах. Например машинное слово из 16 бит возьмем, 16 четырехразрядных слов (16 слов х 4 разряда = 64 бита).← требуемый объем ЗУ. Используя два двоичных разряда можно закодировать четыре различные комбинации: 00 01 10 11, три двоичных разряда — восемь: 000 001 010 011 100 101 110 111, и так далее. При увеличении разрядности позиционного двоичного кода на 1, количество различных комбинаций в позиционном двоичном коде удваивается. Разрядность соответствует количеству выводов данных интегральных микросхем. Каждое слово занимает в элементе памяти занимает 256 бит, а общее количество 16 кбайт. Разделяют следующие функции запоминающего устройства: 1. Регисторные функции - временное хранение данных и операций над ними (ОЗУ). 2. Долговременное хранение данных, это константы, коды букв, программы запуска системы. (ПЗУ) 3. Хранение промежуточных результатов и временное хранение программ (Ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ)). 4. Долговременное хранение результатов, банков данных, набора программ и библиотек. (Внешнее запоминающее устройство на носителях). Устройства переработки и преобразования информации Арифметические, логические, операции сдвига, инверсия, пересылки информации, операции преобразования кода. Эти операции реализуются программно, а физически они выполняются с помощью соответствующих устройств. Основным элементом является триггер. Триггер - это элемент, обладающий двумя устойчивыми состояниями, которые устанавливаются при подаче соответствующей комбинации сигналов на управляющие входы триггера и сохраняющиеся в течение заданного времени после окончания действия этих сигналов. (логическое устройство способное хранить 1 бит данных). Различают их по способу записи информации, по способу синхронизации, по способу организации логических связей. RS триггер (асинхронный триггер). RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние. Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние. Имеет 2 выхода Q (прямой) и Q (инверсный). Триггер может строится на двух элементах: 2и-не; 2или-не. Схема простейшего RS триггера на схемах "2И-НЕ". Входы R и S инверсные (активный уровень'0'): 40 (1) S Таблица истинности логического элемента "2И-НЕ" D1 & Q (0) [1] Q (1) [0] х1 1 1 (0) х2 1 1 y 1 1 1 & [1] R (1) [1] D2 Рис.48 Рассмотрим работу схемы RS триггера: Пусть на входы R и S подаются "1". Если на выходе Q элемента D1 присутствует логический "0", то по логике работы элемента D2 независимо от сигнала на втором входе, на выходе Q появится логическая единица ("1"). Эта единица подтвердит логический ноль ("0") на выходе Q. Если на выходе Q элемента D1 первоначально присутствует логическая единица, то на выходе Q элемента D2 появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. Подадим на вход S - "0". Согласно таблице истинности элемента D1 на выходе Q появится "1". Это приведѐт к появлению на инверсном выходе Q - "0". Сигнал 0 можно снять с S входа при этом состояние триггера не изменится. То есть мы записали в триггер логическую единицу. Точно так же можно записать в триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. (т.е. ту же операцию произвести со входом R) Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Если S=1 и R=0, то Q=1, . Если R=S=0, то состояние выходных сигналов сохраняется, поэтому RS-триггер можно использовать для запоминания иформации. Если R=S=1, то оба выходных сигнала равны нулю; однако, тогда состояние выходных сигналов не будет определено, если в какой-либо момент оба входных сигнала одновременно станут равными нулю. Поэтому комбинация R=S=1 является запрещенной комбинацией. Таблица истинности RS триггера будет выглядеть следующим образом: R S Q Q 1 1 Решение Режим хранения информации R=S=0 Режим установки единицы S=1 1 1 1 1 1 1 Режим записи нуля R=1 1 1 R=S=1 1 1 запрещенная 1 1 1 комбинация Состояние, при котором на оба входа R и S одновременно поданы логические единицы, является запрещѐнным так как вводит схему в режим генерации. Аналогично работает RS триггер на элементе 2 ИЛИ-НЕ. Условное графическое обозначение RS - триггера: 41 Рис.49 D триггер: D-триггер (от английского DELAY- задерживать) называют информационным триггером, также триггером задержки. D - триггер бывает только синхронным. Что значит синхронные? Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии сигнала входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С. Он может управляться (переключаться) как уровнем тактирующего импульса, так и его фронтом. Для триггера типа D, состояние в интервале времени между сигналом на входной линии и следующим состоянием триггера формируется проще, чем для любого другого типа. D & & Q & & Q С Рис.50 Имеет 2 входа: D – информационный вход; C - вход синхронизации (для синхронизирующего импульса). Данный D-триггер реализован на 4 элементах 2И-НЕ. Работает при 0 сигнале на вход C. Состояние триггера определяется предшествующим состоянием входа Q и не изменяется во времени. Когда на вход C поступает 1, триггер переходит в состояние определенное сигналом на входе D. При С=0 изменение входного сигнала не сказывается на состоянии триггера. И только при С=1 триггер принимает состояние, определяемое входным сигналом. Диаграмма работы и таблица состояния: Рис.51 42 По синхроимпульсу D-триггер принимает то состояние, которое имеет входная линия, согласно управляющей таблице состояний. Т.е. передача информации с входа D на выход Q осуществляется во время действия синхронизирующего импульса. Схемное обозначение D - триггера: Рис.52 Компаратор – это устройство, которое предназначено для сравнения двух и более входных сигналов и формирования выходного сигнала в зависимости от результата сравнения. Компараторы могут быть построены на основе операционных усилителей без обратных связей, а также на основе специализированных микросхем. Питание таких компараторов может быть как однополярное, так и двухполярное. В зависимости от этого выходной сигнал компаратора также может быть однополярным или двухполярным. Компараторы могут иметь открытый или закрытый выходы. Открытый выход позволяет подключать к компаратору внешнюю нагрузку или какое-то исполнительное устройство. Кроме этого открытый выход позволяет согласовать по напряжению выходной сигнал компаратора и уровень входного сигнала, следующего за компаратором логического устройства. Компараторы могут иметь стробирующий вход, при наличии сигнала на данном входе компаратор может сравнивать или не сравнивать входные сигналы, а также иметь на входе Z-состояние. Z-состояние реализуется на ключах из полевых транзисторов и моделирует как бы разрыв выходной цепи. Часто с помощью компараторов сравнивают неизвестный сигнал с известным напряжением. Такое напряжение называется опорным (Uоп). Данное напряжение может быть положительным, отрицательным или равным нулю . В случае, когда Uоп=0, данный компаратор называют индикатором нуля, т.к. он реагирует на переход входного сигнала через нуль. Рис.53 Компаратор Шифратор, (называемый так же кодером) - устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. Пусть в шифраторе имеется m входов, последовательно пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2, 3, ..., m - 1), и n выходов. Подача сигнала на один из входов приводит к появлению на выходах n- разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа. n N Рис.54 43 Шифратор – это устройство, выполняющее операцию преобразования n – разрядного слова в N - разрядное слово. Количество входов – n, количество выходов – N. n(…)→N(…) Дешифратор (или декодер) - устройство, осуществляющие обратное преобразование (обратного преобразования двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа). В дешифраторе использованы все комбинации входящего двоичного кода. Дешифратор n-разрядного двоичного числа имеет 2n выходов. Он получает на вход закодированный двоичный сигнал и выдает его на один из n своих выходов. Количество комбинаций: N = 2n Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (пультах управления). Используется в совокупности с индикаторами. Применяется в телевизорах. Преобразуют двоичные коды в последовательность импульсов 0110 => "1" на 6 выходе 1110 => "1" на 7 и "0" на 6 Рис.55 Mультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется управляющим сигналом. Рис.56. Обобщенная схема мультиплексора Входные логические сигналы Xi поступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаются адресные сигналы Ak (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y. Применяется при вводе информации от различных источников данных. Например Мультиплексор можно представить в виде устройства коммутирующего между собой сигнал от камер видеонаблюдения. Основная задача мультиплексора это деление экрана монитора на ячейки под определенные каналы, то есть, подключив, к примеру, 4 видеокамеры к мультиплексору, вы сможете их наблюдать на одном мониторе одновременно. 44 Используется в системах автоматики и телемеханики. Обеспечивает подключение датчиков к одному каналу передачи информации. Демультиплексор производит обратную операцию переключения сигнала с одного информационного входа распределения на один из информационных выходов. Шина данных — часть системной шины, предназначенная для передачи данных между компонентами компьютера (контроллера). ШД (шины данных) терм 1 терм 2 Рис.57 В компьютерной технике принято различать выводы устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем устройствам (шина адреса) — кому эти данные предназначены. Основной характеристикой шины данных является еѐ ширина в битах. Ширина шины данных определяет количество информации, которое можно передать за один такт. Регистр - последовательное или параллельное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. (это устройство для записи и хранения данных). Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, обычно D, число которых соответствует числу разрядов в слове. Могут выполнять операции сдвига, операции преобразования данных из параллельной формы в последующую и наоборот. Операция сдвига (битовый сдвиг) - изменение позиции битов в слове на одну и ту же величину. Рис.58 Разрядность регистра определяется количеством триггеров. Регистр хранения на асинхронных RS триггерах: & D1 S T1 Q1 R & S Tn Qn Dn R С R Рис.59. Регистр D – входы состояния, С – синхронизирующий вход, R – вход для обнуления регистра. 45 Вход R позволяет установить регистр хранения в нулевое состояние, при этом все триггеры от T1 до Tn переходят в 0 состояние. При подаче 1 на вход записи C данные переходят через элементы 2 И-НЕ и устанавливают соответствующие триггеры в 1. Если на входе D любого разряда 0, то состояние соответствующего триггера не изменяется. После снятия 1 с входа C в регистр записывается слово, которое хранится до зануления. Регистр сдвига – это устройство, осуществляющее сдвиг данных в ту или иную сторону под действием тактовых импульсов. Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) - генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Q1 Qn Q2 вх D D D D С С С R R R R C Рис.60. Регистр сдвига C - тактовый сигнал сдвига; D - информационный вход, R - асинхронизационный сигнал установки 0 Запись информации осуществляется с младшего разряда под действием коротких тактовых импульсов на вход C. Информация перемещается слева направо в последующий регистр. Быстродействие осуществляется частотой тактовых сигналов. Регистр имеет выходы Q, с любого из которых можно снимать параллельно код. Наоборот, принимая в регистр параллельный код от Q входов информация может быть преобразована в последовательный код в последнем разряде регистра. Параллельный код представляет собой разряды (16, 32, 64), в которых собирается информационное слово (0, 1). Последовательный код представляет собой последовательность импульсов следующих друг за другом от младшего разряда к старшему с синхронной тактовой частотой. Регистр сдвига используется широко в модемной связи. Счетчики – это устройства, выполняющее подсчет импульсов и запоминание этого числа в определенном коде. Счет может быть как в прямом, так и в обратном направлении. Схема нереверсивного двойного счетчика на D триггерах. такт D D D С С С R R R R Q1 Q2 Qn Рис.61. Счетчики 46 Диаграмма работы: С Q1 t t Q2 Q3 t t Рис.62. Диаграмма работы счетчика C - Тактовый сигнал Счет осуществляется следующим образом: на входе R производится зануление всех разрядов. При поступлении на вход импульсов тактовой частоты состояния триггеров в разрядах будет изменяться с частотой вдвое меньшей предыдущего разряда. 47 Программируемый логический контроллер (ПЛК) ПЛК — устройство, осуществляющее управление во многих областях промышленности и не только. В зависимости от решаемой задачи промышленные контроллеры могут применяться на транспорте, для управления климатом, управления электродвигателями, при автоматизации технологических процессов, позволяют измерять и регулировать температуру, влажность, давление, ток, напряжение, время и т.д. Рис.63. Структурная схема контроллера Контроллер содержит в себе центральный процессор (ЦП). Вычислительный процесс процессора организован между входными данными внешних устройств (или исполнительных механизмов) и выходными данными исполнительных сигнальных и управляющих устройств. Среди внешних устройств могут быть: кнопки, датчики, устройства дискретного сигнала и др. Среди исполнительных и сигнальных устройств – сигнальные индикаторы, катушки управления. ЦП объединяет в себе АЛУ ,Ю блок управления и специальные устройства. АЛУ (Арифметическое логическое устройство) - блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными. АЛУ (арифметическое логическое устройство)- 8-ми разрядное, выполняет семь операций: 1. Сложение байт 2. Логические операции (и, или, или логическое сравнение если) 3. Инкримент (увеличение на единицу) 4. Фекримент (уменьшение на единицу) 5. Инверсия (с 1 на 0 и наоборот) 6. Сдвиг влево и вправо 7.Десятичная коррекция Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа Специальные устройства – устройства, поддерживающие работу процессора. Это регистры, счетчики команд, кэш память и др. Регистры - ячейки памяти, которые служат для кратковременного хранения и преобразования данных и команд. На физическом уровне регистр – совокупность триггеров, способных хранить один двоичный разряд и связанных между собой общей системой управления 48 Счетчик команд – регистр управляющего устройства компьютера содержимое, которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Счетчик команд служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти Кэш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Кэш-память может быть встроена сразу в процессор или размещаться на материнской плате Сопроцессор – вспомогательный процессор, предназначенный для выполнения математических и логических действий. Использование сопроцессора позволяет ускорить процесс обработки информации компьютером Все компоненты контроллера соединены шинами. Физически шины представляют собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шина данных (ШД) производит считывание данных со входа. ШД (шину данных) поддерживает ША и ШУ шина управления. ША дает точный адрес откуда взять и куда положить информацию ШУ передается управляющий сигнал. ШД (шины данных) терм 1 терм 2 Рис.64 ПЗУ является программоподдерживающим устройством. В ОЗУ хранятся данные о состоянии на входах. Входные модули служат для приема сигнала от входных логических элементов. Это могут быть кнопки управления, тумблеры, конечные выключатели, датчики, контакты исполнительных реле, устройства дискретного сигнала. Выходные модули преобразуют полученную информацию от ЦП и управляют исполнительными устройствами. Это могут быть промежуточные реле, усилители, пускатели, сигнальные индикаторы, катушки управления, ЭМ и т.п. При использовании этих элементов применяется гальваническая развязка входных цепей и их фильтрация от внешних помех. Входные модули применяются на 24 входа и представляют собой устройства, вставляемые в прейд командоконтролера. Несколько типов выходных модулей: на 8 или 24 выхода. У каждого модуля своя коммутирующая способность и свое направление в зависимости от исполнения на транзисторах, симисторах, тиристорах или электромагнитном реле. Индикация состояния выхода выполняется с помощью светодиодов по каждому выходному каналу. В некоторых используются совмещенные модули входов и выходов. ЦП определяет практически все основные параметры контролера. Процессор выполняет операции считывания и обработки команд, следит за порядком выполнения программы, управляет процессами считывания и записи памяти, распределяет информацию в выходные модули. Элементом процессора являются однобитовые (работают с одним видом информации) и многобитовые буферы памяти. Рабочий цикл любого процессора состоит из 3-х этапов: 1. Загрузка в память состояния спрашиваемых входных модулей; 2. Последовательная обработка состояний в соответствии с программой и запоминание промежуточных результатов; 3. Передача результатов вычислений в выходные модули. Работа программируемого контроля происходит циклически с повторением рабочих циклов без дополнительных условий запуска. Рис.65 49 Элементы памяти определяют возможности и характеристики контролера. 2 вида памяти: 1. Служебная; 2. Рабочая; 1- для хранения программы и управления работой контроллера (недоступна для пользователя); 2- для хранения программ и информации пользователя. По месту нахождения памяти: 1. внутренняя ПЗУ- ROM; 2. внешняя ОЗУ- RAM; 1для обеспечения автономной работы К-ра (ПЗУ); 2для обеспечения отладки программ, а также для их хранения (ОЗУ). Существуют контроллеры с тремя видами ПЗУ: 1. Программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM); 2. С однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние матрицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначают как ППЗУ или PROM); 3. Перепрограммируемые (репрограммируемые), с возможностью многократного электрического перепрограммирования, с ультрафиолетовым (обозначают как РПЗУУФ или EPROM) или электромагнитным (обозначают как РПЗУЭС или EEPROM, или E2PROM) стиранием информации. Для обеспечения возможности объединения по выходу при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тремя состояниями или открытые коллекторные выходы. Языки программирования контроллеров Для программирования ПЛК используются стандартизированные языки МЭК (стандарт МЭК 61131-3): Существует всего пять языков программирования контроллеров: - LD (LAD, ladder diagram, по немецки: KOP, kontakt plan, по-русски: РКС, релейноконтакторная схема, контактный план, лестничная диаграмма); - FBD (functional block diagram, диаграмма функциональных блоков); - IL (instruction list, STL, statement list, язык инструкций; очень похож на ассемблер, но очень своеобразен); - SFC (series functional charts, последовательные функциональные диаграммы, язык графов); - ST (легкий вариант паскаля). Язык релейно-контактной логики Самый распространенный это: язык релейно-контактной логики LD (Ladder Diagram) или (релейно контактных схем (РКС). РКС был разработан для широкого использования контроллеров специалистами автоматизации в форме привычной для них. Программа на языке релейной логики имеет наглядный и понятный инженерам-электрикам графический интерфейс, представляющий логические операции, как электрическую цепь с замкнутыми и разомкнутыми контактами. Протекание или отсутствие тока в этой цепи соответствует результату логической операции (true — если ток течет; false — если ток не течет). 50 Язык РRC отображает 5 категорий логического уравнения: Условное обозначение Название Математическая запись а) оперант – в виде замыкающего контакта X1 б) функция – в виде нагрузки релейной цепи Y в) инверсия – в виде размыкающего контакта X1 U г) логическое умножение – последовательное соединение X1 X2 U X1  X 2 U д) логическое сложение – параллельное соединение X1 U X1  X 2 X2 Элементы в языке РКС можно сопоставить с элементами в электрических цепях. Условное Условное обозначение в Назначение эл-та обозначение в Назначение в эл. цепи языке РКС эл. цепи Проверка вкл-ого −||− Замыкающий контакт состояния контакта Проверка выкл-ого Размыкающий −||− состояния контакта контакт Начало ветвления Соединение (узел) Конец ветвления Соединение Обмотка исполнит. Возбуждение выходной механизма или реле −( )− функции (Обычно называется катушка) Как правило к контроллеру прилагается программное обеспечение, с помощь которого выполняется его программирование. Программатор аппаратно-программное устройство, предназначенное для записи/считывания информации или программы в ПЗУ контроллера. Разберем пример программирования на языке РКС. Исходным документом для программирования является принципиальная электросхема: Математическая запись y=(x1+x3) x 2 Рис.66 51 Данная схема применима к схеме запуска и останова эл. двигателя. Рис.67. Схема запуска и останова эл. двигателя. Как правило, схема вычерчивается с некоторыми ограничениями функциональных возможностей контроллера, а также с ограничением функциональных возможностей программатора, в котором все цепи выстраиваются в горизонтальной линии с пересечениями, ветвлениями и исполнительными элементами. Для программирования используется программатор с графическим дисплеем. Будут использоваться следующие команды: 1 RDX1 – необходимо запросить состояние оперант X1; 2 ORX3 – логическое сложение (или); 3 AND NX2 – логическое умножение (и); 4 WRY – записать или послать на выход результат логической операции. Рассмотрим работу контроллера по этой программе. 1-я команда RDX1 – запрос состояния операнта Х1. Рис.68 Rб – буферный регистр, состояние которого определяется состоянием входа, в команде RD; R0 – однобитовый регистр. В Rб считывается состояние Х1 и далее пересылается в R0. 52 2-я команда ORX3 Рис.69 При выполнении ORX3 в Rб считывается значение входа X3, которое из Rб пересылается в АЛУ. Из R0 значение X1 пересылается в АЛУ, где реализуется функция «или» (логического сложения) и результат пересылается обратно в R0. 3-я команда AND X2 Рис.70 С входа X2 считывается состояние в Rб, а в R0 (X1+X3) (предыдущая операция). На вход АЛУ подается два сигнала x 2 и (X1+X3), которые логически умножаются и результат пересылается в R0. 4-я команда WRY Рис.71 По команде WRY осуществляется запись содержимого регистра R0 в выходной модуль. 53 Язык функциональных блоковых диаграмм FBD (англ. Function Block Diagram) — графический язык программирования стандарта МЭК 61131-3. Программа образуется из списка цепей, выполняемых последовательно сверху вниз. Цепи могут иметь метки. Инструкция перехода на метку позволяет изменять последовательность выполнения цепей для программирования условий и циклов. При программировании используются наборы библиотечных блоков, а так же собственные блоки, написанные на языке FBD или других языках МЭК 61131-3. Блок (элемент) — это подпрограмма, функция или функциональный блок (Например: логические элементы И, ИЛИ, НЕ, триггеры, таймеры, счѐтчики, блоки обработки аналогового сигнала, математические операции и др.). Рис.72 Каждый функциональный блок графически представляет собой прямоугольник. Внутри него показана функция, которую он выполняет.. Выход функционального блока может быть соединен связью с другими блоками. Каждая связь является переменной. Один или несколько функциональных блоков, соединенных в цепь, образуют программу на языке FBD. Результат вычисления цепи записывается во внутреннюю переменную либо подается на выход ПЛК. Разберем пример работы программы на языке FBD. Воспользуемся примером автоматической системы управления наружным освещением. Автоматическая система управления наружным освещением. Алгоритм работы системы управления: 1) Включение и отключение системы осуществляется кнопкой с фиксацией. 2) Лампа горит, если освещенность ниже заданного уровня (освещенность измеряется в люксах "лк"). Коммутационная программа выглядит следующим образом: Рис.73 54 В коммутационной программе использованы блоки (функции), приведенные в таблице. 1 I1 – блок дискретного входа ПЛК (список Co). Управляет включением/выключением системы (кнопка) (0 – выключена, 1 – включена). 2 Al2 - .блок аналогового входа ПЛК. В него подключается датчик освещенности. 3 B002 – блок аналогового порогового выключателя (т.е. датчик освещенности) (список SF). При настройке устанавливаются параметры: порог включения (On=200лк, т.е. 2,00 В) и выключения (Off=100лк, т.е. 1,00 В). 4 B001 – блок логической функция И (список GF). 5 Q1 – блок выхода программируемого контроллера (список Co). Управляет лампой освещения. Точка около входа функции обозначает инверсию (логическая операция НЕ) данного сигнала. Работа программы: 1) Логический 0 на входе I1 устанавливает 0 на выходе B001 (функция И) и 0 на выходе контроллера Q1. Кнопка не нажата - система не работает. 2) При установке 1 на входе I1 система включается (т. е. нажали кнопку). Сигнал на выходе B001 (и Q1) является инвертированным сигналом аналогового порогового выключателя. При высокой освещенности пороговый выключатель включен (1 на выходе B002) и 0 на выходах B001 и Q1 (лампа освещения отключена). При низкой освещенности выход порогового выключателя равен 0, на выходах B001 и Q1 – 1, освещение включено. Рис.74 55 Каналы связи (КС) КС называется совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации в виде сигналов различной природы на расстояние линии связи. ЛС – это физическая среда передачи данных. ЛС – предусматривают наличие передатчика, линии, приемника. Может представлять собой кабель (набор проводов, изолированных и защищѐнных оболочкой). Кабель имеет физические разъѐмы. Кроме кабеля физической средой передачи данных может быть земная атмосфера или космическая пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. В зависимости от среды передачи данных линии связи можно разделить на три группы: 1) Проводные (воздушные) линии связи — это провода без изолирующих и экранирующих оплѐток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Они проводят телефонные и телеграфные сигналы. Скоростные свойства и помехозащищѐнность низкие. При отсутствии других каналов связи по ним передаются и компьютерные данные; 2) Радиоканалы земной и спутниковой связи — образуются с помощью передатчика и приѐмника радиоволн. Может использоваться для организации сетей в пределах больших помещений типа ангаров или павильонов, там, где использование обычных линий связи затруднено или нецелесообразно. 3) Кабельные — состоят из проводников, заключѐнных в несколько слоѐв изоляции. В компьютерных сетях используют три основных типа кабеля: а) Витая пара - скрученные пары медных проводников (UTP-Unshielded twisted pair); Рис.75 Представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом. Витая пара — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лѐгкости в монтаже, является самым распространѐнным решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей. Кабель витой пары подключается к сетевым устройствам при помощи разъѐма 8P8C (который ошибочно называют RJ45). б) Коаксиальный кабель; 56 Рис.76 Электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана. Обычно служит для передачи высокочастотных сигналов. Изобретѐн и запатентован в 1880 году британским физиком Оливером Хевисайдом. в) Волоконно-оптических линий связи. (Оптоволокно). Рис.77 Нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Одна ЛС может быть использована для образования многих КС. В этом случае к одному передатчику подключается несколько источников сообщения. На приемной стороне производится разделение сигналов и передача их в соответствующую измерительную систему. Число каналов, размещаемых в одной линии, определяется полосой пропускания линии, полосой несущих частот, спектром сигналов и уровнем помех в линии. Структура ЛС 1. Радиальная КП КП КП ПУ КП КП КП Рис.78 57 ПУ- пункт управления КП- контролируемый пункт 2. Магистральная (менее продуктивная) частота обработки информации высокая. ПУ КП КП КП КП Рис.79 3. Радиально- магистральная (древовидная) КП КП КП КП ПУ КП КП КП КП КП КП Рис.80 Дорогая. Применяется, когда объекты производства рассредоточены по территории промышленного предприятия. В зависимости от конструкции ЛС и КС принимаются решения и о структуре системы управления. Допускается использование занятых телефонных пар для передачи информации, путем подключения телефонной аппаратуры или создания искусственных цепей на занятых линиях. В качестве ЛС может использоваться ЛЭП, путем передачи сигналов с помощью частотного умножения или разделения. Проводные ЛС Являются самым дешевым способом передачи информации. Для передачи телемеханической информации используются телефонные кабели, причем сети телемеханические и телефонные выполняются совмещенными, чтобы при использовании выделенных телефонных пар взаимное влияние было сведено к min, токи и напряжение в кабелях ограничиваются. Параметры линии связи для передачи информации (при импульсной передаче…) 1 импульсный f [имп/сек] Параметры ~150Гц 1-2 имп/сек До 11 имп/сек 12-50 имп/сек U max, B 80 80 80 60 I max, мА 20 50 50 30 Для надежной передачи информации по линиям связи необходимо согласование параметров линии с входными и выходными параметрами приемников и передатчиков информации. Согласование параметров линии осуществляется на основании первичных и вторичных параметров линии. Первичные параметры (параметры, характеризующие распространение сигналов, зависящие от конструкции той или иной линии): Любая ЛС представляет собой четырехполюсник с распределенными первичными параметрами. Если первичные параметры однородны по всей длине, то такой четырехполюсник является симметричным, что предполагает равенство сопротивлений любого проводника четырехполюсника относительно земли, а также равенство входных сопротивлений четырехполюсника с обеих сторон 58 Рис.81 1. Активное сопротивление линии R  R0  RT  R f R0 - активное сопротивление постоянному току, которое зависит от типа проводника, его длины и сечения. L 2500 R0    R0   2 S d  Ом  мм 2   L - длина проводника; S - площадь  -удельное сопротивление материала    м   поперечного сечения. Активное сопротивление ЛС также зависит от температуры и в некоторой степени от частоты, поэтому в соотношении (1) учтены температурный RT и частотный R f факторы, т.е. R=R(ρ, t, f). При ненормальных условиях (t отличается от 200С) R t  R 0 1  t  20 2. Индуктивность линии - (коэффициент пропорциональности между током, в замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность) Ф  LI a   L  4 ln    k   10 4 Гн nr   a – расстояние между центрами проводов (мм) r – радиус проводов (мм) μ – магнитная проницаемость μcu0,99 μal11,5 μ стали140 k – коэффициент учитывающий поверхностный эффект a При повышенной частоте L  4 ln 10  4 r Первое слагаемое выражения (2) – конструктивная индуктивность (внешняя), второе слагаемое – внутренняя индуктивность (с увеличение частоты эта составляющая уменьшается). Для кабельных цепей 0,7-0,8 мГн/км Для воздушных намного больше 2 мГн/км – медные, 9 мГн/км – стальные. 3. Емкость линии – (коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением (разностью потенциалов)).Характеристика, показывающая способность проводника накапливать электрический заряд. 59 C  0  10 10 36 ln a r  0 – относительная диэлектрическая проницаемость  воздуха=1 Для кабельных цепей емкость намного больше, чем для воздушных, т.к. расстояние между проводниками очень мало и имеется изоляция между проводами. 4. Проводимость линии - (способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.) G  G0    f  10 9 См/км (сименс/км) G0 - проводимость изоляции для постоянного тока (зависит от погодных условий); η – коэффициент диэлектрических потерь изоляторов на которые подвешиваются провода; f - частота. G=C tg – проводимость для КЛ tg  - угол диэлектрических потерь. =2 - угловая частота Вторичные параметры (определяются первичными и зависят от сигнала): 1. Волновое сопротивление - характеристика среды распространения волнового возмущения. Волновое сопротивление – относительная величина характеризующая степень затухания эл. магн. волны в конце линии при частоте . Это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения. U U U Z в  m  п  0 [Ом] Um-амплитуда напряжения в линии, Im-амплитуда тока в линии Im Iп I0 Zв  R  jL G  jC При f30 кГц: Zв  L / C 2. Постоянная распространения – изменение мощности ЭМ волны при ее распространении     j  R  jLa  jC   -коэффициент затухания Нп/км;  - коэффициент фазы рад/км. Искусственные цепи для передачи информации Это совершенные средства, позволяющие осуществить многократное использование выделенной линии связи. Это достигается или распределением передачи во времени, или путем уплотнения, или искусственными цепями (ИЦ) Образование ИЦ оправдано в тех случаях, когда передача информации и телефонная связь осуществляется одновременно. Современные средства передачи информации часто бывают многоканальными, т.е. предназначенными для передачи нескольких сигналов. В этом случае все сигналы передаются по общей линии связи путем уплотнения, или мультиплексирования, а затем разделяются на принимающей стороне. Основными методами уплотнения и выделения сигнала являются: 1. Частотный Для уплотнения различным сигналам назначаются непересекающиеся участки частотной шкалы. Например, для передачи двух сигналов используются сигналы-носители с разными частотами (показаны на рисунке жирной и обыкновенной линией): 60 Рис.82 тогда в простейшем случает возможны амплитудный и фазовый методы модуляции для собственно передачи дискретного сигнала. для выделения нужного сигнала на приемной стороне полученный сигнал разделяется частотными фильтрами, что позволяет "направить" разночастотные сигналы -носители разным получателям. 2. Временной. Для уплотнения разные сигналы передаются только в определенные отрезки времени. Для синхронизации сигналов на передающей и принимающей стороне устанавливаются распределители, отсчитывающие время, отведенное под каждый сигнал. 3. Кодовый Для уплотнения каждому сигналу присваивается адрес получателя, указываемый специальным кодом. При выделении сигнала на принимающей стороне декодирующее устройство направляет сигналы согласно их адресам. Рассмотрим пример, когда передача информации и телефонная связь осуществляется одновременно. Схема с дифференциальным трансформатором Рис.83 ПУ – передающее устройство; КП – контролирующее устройство; Р – реле. ДТ – это трансформатор с коэффициентом трансформации Ктр=1. Служит для гальванической развязки цепей. В данном случае ДТ нужен для того, чтобы найти среднюю точку в которой сигнал разделяется. Уплотнение канала создается путем включения на обоих концах линии ДТ, которые подключаются к передающему устройству ПУ и принимающему ПрУ. При равенстве сопротивления линейных проводов КС, в обоих половинах обмоток ДТ протекают равные токи, которые разветвляются на соответствующие направления противоположно. ЭДС в первичных обмотках ДТ наводиться не будет, т.к. полуобмотки сегментированы, следовательно, помеха для 61 телефонной связи отсутствует. Передача информации по данной ИЦ осуществляется импульсами, хотя возможна передача информации током. На данном принципе работает модемная связь. Схема обладает повышенной чувствительностью к нарушению симметрии сопротивления обмоток ДТ, а так же неравенству сопротивления проводов и изоляции относительно земли. Это может вызвать взаимные помехи. Для устранения этих помех применяются фильтры для срезания высших гармоник (это сигналы тока или напряжения, имеющие не желаемую базовую частоту). Другой недостаток – это незащищенность от блуждающих токов (токи, возникающие в земле при еѐ использовании в качестве токопроводящей среды. Основными источниками блуждающих токов в земле для подземных металлических сооружений являются электрифицированные железные дороги (магистральные и пригородные), трамваи, промышленный, карьерный и рудничный транспорт. Тяговая подстанция получает ток от энергосистемы и через питающую линию ток поступает в контактный провод, из которого через токоприемник он проводится к электродвигателю. Затем, пройдя через колеса, ток по рельсам возвращается на тяговую подстанцию.). Минимально допустимое сопротивление изоляции для этой схемы должно составлять 1.5 мОм/км. В качестве проводника возможно использование другой линии вместо «земли» ,а «землю» исключить. Рис.84 При наличии двух проводных каналов можно создать ИЦ по принципу «провод - провод» такие схемы называются - фантомные. В обоих схемах образуется дополнительный третий канал, для которого линия 1 служит прямым, а линия 2 обратным проводом. При полной симметрии помех не возникает. Схема 1 создает дополнительный канал для передачи информации на токе, схема два на постоянном токе. ДТ ДТ ДТ ДТ 1 ТФ ТФ КС Р + ДТ ДТ ДТ ДТ i 2 i 1. 2. Рис.85 62 Схема совместной передачи на постоянном и переменном токе Является наиболее простым способом многократного использования 2х проводной ВЛС. Рис.86 По двухпроводной линии протекают сигналы переменного и постоянного тока одновременно. Цепи L1’ – C' – L1’’ и L2’ – C' – L2’’являются фильтрами переменной составляющей. (Индуктивные катушки L большую часть сигнала не пропускают в цепь постоянного тока). Цепи C1’ – C1’’ и C2’ – C2’’ являются фильтрами постоянной составляющей (Разделительные конденсаторы С1 и С2 закрывают путь сигналам постоянного тока). Таким образом образуется две независимые друг от друга электрические цепи для передачи сигналов постоянного и переменного тока, по одной ВЛС. Частотные каналы связи (ЧКС) К ЧКС относятся каналы связи с частотой больше 50 Гц, в которых используется частотное разделение информации. Принцип частотного разделения предусматривает использование для различных КС различной несущей частоты. Для разделения информационных каналов используется принцип модуляции. Модуляция - процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала) Модуляция- разложение сложных сигналов на более простые. Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Способы модуляции 1. Амплитудная модуляция t   0   m  cos wt Рис.87 частота – const; амплитуда Xm– var. 63 В процессе амплитудной модуляции амплитуда Xm несущего колебания X(t) = Xm cos(ωt+φ) перестает быть постоянной и изменяется по закону передаваемого сообщения. Амплитуда U(t) несущего колебания может быть связана с передаваемым сообщением соотношением: X(t) = X0 + kA e(t) где X0 - амплитуда несущего колебания в отсутствии сообщения (немодулированное колебание); e(t) - функция, зависящая от времени, соответствующая передаваемому сообщению (ее называют модулирующим сигналом); kA - коэффициент пропорциональности, отражающий степень влияния модулирующего сигнала на величину изменения амплитуды результирующего сигнала (модулированного колебания). 2. Частотная модуляция Рис.88 амплитуда Хm – const; частота  – var. Если при амплитудной модуляции частота ω0 и начальная фаза φ несущего колебания сохраняются неизменными, а по закону передаваемого сообщения e(t) изменяется амплитуда Xm, то при угловой модуляции амплитуда Xm сохраняется постоянной, а изменяться может частота либо начальная фаза несущего колебания. Поскольку частота и начальная фаза являются составляющими обобщенного угла несущего колебания [ω(t)+φ(t)], то такую модуляцию называют угловой. В зависимости от того, какой из параметров обобщенного угла, частота ω(t) или начальная фаза φ(е), несет информацию о передаваемом сообщении e(t), различают частотную либо фазовую модуляцию. При частотной модуляции амплитуда несущего колебания Xm сохраняется постоянной, а частота несущего колебания ω(t) определяется модулирующим сигналом e(t) в соответствии с выражением: ω(t) = ω0 + kЧМ e(t) где kЧМ - коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение ΔωЧМ частоты ω(t) от своего номинального значения ω0, равное ΔωЧМ = ω(t) - ω0, и величину модулирующего напряжения e(t), вызывающего это отклонение. 3. Фазовая модуляция ХdМ Δφ – разность фаз t Рис.89 4. Амплитудно – импульсная модуляция ХАИМ t Рис.90 Ширина импульсов и интервал между ними одинаковы. 64 5. Частотно – импульсная модуляция ХЧИМ t Рис.91 Импульсы очень короткие. 6. Время- импульсная модуляция ХВИМ Т Т Рис.92 Т Т Т Рис.93 Т t 7. Счетно- импульсная модуляция ХСИМ 8. Кодо – импульсная модуляция ХКИМ t несуществующие импульсы t Рис.94 График, поясняющий преобразование непрерывной величины в дискретную (а) , и примеры сигналов (б) 65 Кодовые системы ТИ начинают получать широкое применение в последние годы, что определяется в первую очередь успехами преобразовательной техники. Преимущество таких систем заключается в том, что использованная в них кодо-импульсная модуляция КИМ позволяет обеспечить практически любую необходимую точность. В ряде случаев применение КИМ позволяет отказаться от независимых каналов связи для ТИ и осуществлять передачу кодовых комбинаций ТИ с помощью устройства телесигнализации. Принцип действия этих систем заключается в следующем. Непрерывная функция времени, которую представляет собой измеряемая физическая величина (параметр), квантуется по амплитуде или времени и каждое ее дискретное значение передается определенной кодовой комбинацией в произвольном коде (рис.). Так, при квантовании по времени осуществляется измерение функции F (t) в заданное время, например при t2. В канал связи посылается значение х1 функции F (t), соответствующее значению t2. На рис. показаны условные комбинации двоичного кода, соответствующие значениям функции х0 - x6. Для передачи информации используют следующие частоты: 1. Подтональный диапазон f  300 Гц (для передачи дискретных каналов к исполнительным устройствам) 2. Тональный диапазон F=3003400 Гц (для передачи телефонной информации; называется диапазон телефонирования) 3. Надтональный диапазон F=35006000 Гц (для обмена импульсной информацией) Виды каналов связи * Стальные телефонные линии могут быть использованы на частотах от 3 до 25 кГц. При более высоких f сигнал в стальных проводах резко затухает, что ограничивает длину линий связи. * Наибольшей пропускной способностью обладают коаксиальные. Они работают на f= от 60 до 12000 кГц. Однако стоимость этих кабелей очень высока. *Для передачи свыше 6000 кГц используют высокочастотные каналы, по которым передается информация от вычислительной техники. ВЧ связь по ЛЭП При развитии энергосетей встал вопрос о передаче диспетчерской информации от одного энергоузла к другому. Использование для этих целей телефонных и телеграфных линий, прокладываемых параллельно ЛЭП, считалось нерациональным, поэтому уже в начале 20-го века в сетях постоянного тока в США применялась передача телеграфных сигналов непосредственно по проводам ЛЭП. Позже, с развитием средств радиосвязи, подобная методика стала применима и для сетей переменного тока. Передача диспетчерской информации по проводам линий электропередач широко применяется, как один из основных видов связи. *В качестве КС можно использовать воздушные ЛЭП. ВЛ Lз Rз Lз КДС Cз Rз Cз ВЧЗ ФП ВК ВПС ВПС Рис.95 66 На обоих концах ВЛ устанавливается одинаковая аппаратура ВЧ обработки ВЛ. ВПС – высокочастотные посты связи, предусматривающий преобразование информации в высокочастотном колебании с заданной частотой и обратное преобразование; ФП – фильтр присоединения, фильтрующий частоты отличные от несущей; КДС- конденсатор связи; ВЧЗ – высокочастотный загродитель; ВК – высокочастотный кабель. Для высокочастотной связи используется диапазон частот от 20 кГц до 1000 кГц, применение частот менее 20 кГц ограничивается высоким уровнем помех, связанных с коронированием проводов, разрядами на поверхности изоляторов, коммутационными помехами. Наиболее широкое распространение получило присоединение ВЧ аппаратуры к ВЛ по схеме «фаза- земля», хотя используют еще схему «фаза-фаза». Основными элементами являются ВЧЗ и КДС. КДС выполняется на полное напряжение −12 ВЛ. Емкость КДС составляет Скдс  22006800 пФ (10 .Ф) Эта емкость представляет наибольшую сопротивляемость тока с частотой 50 Гц. ВЧЗ представляет собой RLC фильтр (фильтр-пробка), настроенный в резонанс с несущей частотой ВЧ канала. ВЧ заградитель имеет большое сопротивление для сигналов ВЧ и малое сопротивление для тока промышленной частоты (50 Гц). Конденсатор связи, наоборот, имеет малое сопротивление для ВЧ сигналов и большое сопротивление для промышленной частоты. К конденсатору связи подключается фильтр присоединения, обеспечивающий согласование по ВЧ и некоторые другие вспомогательные функции. От фильтра присоединения, который находится на ОРУ, прокладывается ВЧ кабель до релейного щита, где установлена ВЧ защита. Подобная система позволяет передавать как голосовую информацию, так и данные телеметрии и телеуправления. PLC связь Еще один вид канала связи, наиболее современный и перспективный, это PLC связь. (Power line Сommunication). Данная технология использует в качестве КС кабельные линии (КЛ) силовых электросетей. В ней используются более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Основой технологии PLC является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных, каждый из которых передается по отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал. Частотное разделение: Рис.96 Использование до 1536 так называемых поднесущих частот в диапазоне 3—33 МГц не оказывает влияния на передачу по проводам обычной электроэнергии, поскольку составляет существенную разницу в сравнении со стандартными 50 или 60 Гц электрических сетей. 67 Передача и прием данных осуществляется с помощью PLC-модема. Упрощенная блок-схема PLC-модема Рис.97 МК - интегральная схема, преобразующая сигналы; Тх, Rx, CTS, RTS - сигналы PLC-модемы адаптированы для каналов связи с нестабильными характеристиками и ориентированы на высокоскоростную передачу больших объемов цифровых данных с предельной скоростью до 200 Мбит/с на расстояния до 1,5 км. Недостатки: - Чувствительность к импульсным помехам. - Затухания функции на определенных частотах. Следствие – потеря данных. 68 Системы телеуправления (ТУ) и телесигнализации (ТС) ПУ перед. устройство приемн. устройство исп. орган ТАБЛО приемн. устройство перед. устройство ППУ ДП ТС С Рис.98 Объект ТУ – это управление объектами посредством технических средств и КС на расстоянии. ТС – информационная связь объекта управления с пультом управления. Системы ТУ и ТС взаимосвязаны, отдельно не используются. ТУ ТУ ТУ ТС ППУ – первичное преобразующее устройство; ДП – диспетчерский пункт; ПУ – пульт управления. Т.к. ПУ и ТС неразрывно связаны между собой в них используются одинаковые методы и средства преобразования информации, ее передачи и объединения в единую систему. Наиболее распространенным является частотновременное и кодоимпульсное распределение сигнала. В основе систем ТУ и ТС лежат следующие принципы: 1. Временное разделение сигналов, когда каждый сигнал поступает в канал связи в строго определенный промежуток времени. 2. Циклическая передача, когда для надежности за один цикл может передаваться не более одной команды 3. Двухступенчатый выбор объекта, когда в начале выбирается объект, от него поступает запрос, после чего вырабатывается команда на исполнение. 69 Частотные системы ТУ и ТС X1 М1 F1 ПФ1 ПФ1 Д1 ВП1 ПФ2 Д2 ВП2 ПФn Дn ВПn Г1 X2 М2 ПФ2 КС F2 Г2 Xn Мn Fn ПФn Гn Рис.99 Х1,Х2,…,Хn- управляющее воздействие, в виде сигнала постоянного или переменного тока, который может передаваться с кнопок, ключей, реле и т. д. М1,М2,…,Мn- модулятор преобразующий сигнал Х в модулируемый сигнал заданной частоты Г1,Г2,…,Гn- генераторы фиксирования частоты Д1,Д2,…,Дn - демодулятор, преобразующий модулируемый сигнал в сигнал постоянного или переменного тока. ВП1,ВП2,…,ВПn- исполнительное устройство ПФ1,ПФ2,…,ПФn- полосовой фильтр.( фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в некоторой полосе частот.) КС - канал связи Ширина выделяемого для каждого канала диапазона частоты определяется нестабильностью работы генератора и чувствительностью полосового фильтра ПФ (пропускает сигналы в определенном диапазоне частот). ПФ Х1 F t М t КС t Д t ПФ Рис.100 70 Системы с частотным разделением является наиболее простыми. Они применяются для управления удаленными объектами электроснабжения, а также тепло и водоснабжение. Достоинство: один канал применяется для передачи нескольких переменных. Для получения сигнала о выполнении команды или об изменении состояния объекта необходимо наличие двух систем. Одна для ТУ другая для ТС. Так для управления 5-ю объектами генераторы ТУ должны быть настроены 5 частот (f1 по f5), а генераторы ТС должны быть настроены другие 5 частот (f6 по f10). Это существенно повышает информационный поток в линии связи. Для его снижения используют 2-х частотный код с последовательной посылкой частот. Структурная схема 1 Ф1 Г2 F1 Гn F2 Fn У 1k ТС ТУ У ЛС Ш 2 Ф2 2k ДШ Г1 nk HL1 n Ф1 Фn ВИУ У ДШ HL2 У Ш Ф2 HLn Фn ВИУ Рис.101 ЛС – линия связи; Г-генератор; У- усилители; Ф- фильтры; Ш- шифраторы; ДШ- дешифраторы; ВИУ- выходные исполнительные устройства. При поступлении сигнала от органа управления (1k,2n,…,nk), Ш выделяет одну из несущих частот, которая формирует сигнал на выходе шифратора, далее сигнал усиливается (У) и отправляется в ЛС. В конце линии сигнал воспринимается У, калибруется (усиливается или ослабляется до заданного значения несущей частоты) и подается на пакет фильтра, где отфильтровывается и поступает на ДШ, после которых сигнал отправляется на ВИУ. Через ответную реакцию объекта управления сигнал проходит обратный процесс передачи информации через Ш, У, ЛС, У, Ф, ДШ, подается на внутреннюю индикацию. 71 Системы телеизмерения ТИ - получение информации о значении измерительных параметров контролируемых или управляемых объектов. ТИ может осуществляться по 2 принципам. 1. По вызову, когда по команде с пульта управления на контролируемый объект посылается вызывающий сигнал и на контрольном пункте передающее устройство выдает требуемую информацию. Такой способ передачи позволяет использовать одну ЛС для поочередного наблюдения за многими объектами или параметрами. 2. По выбору. Когда ТИ производится путем поочередного подключения к устройствам пульта управления соответствующих приемников при постоянном подключении передающих устройств. Такой принцип требует большого количества КС и используется реже. Бывают:  Текущее ТИ  Интегральное ТИ  Ведется при ведении режима тепла или электричества  Применяется при определении расходов различных электрических носителей. Структура средств измерения z1 x z2 z3 y g1, g2, … gn Рис.102 x – измеряемый сигнал; y – измеренный сигнал; z1zn – внешние факторы; g1+gn – внутренние факторы Различают системы измерения прямого и уравновешенного (состояния) преобразования. Уравновешенные системы позволяют изменить параметры системы в соответствии с изменением внутренних и внешних факторов. Измерительные системы могут быть разомкнутыми или замкнутыми. Разомкнутые системы (последовательная схема) X Y ИП1 ИП2 ИПn Y Рис.103 ИП – измерительный преобразователь Параллельная система измерения. Y1 ИП X Y2 ИП Y Y3 ИП Рис.104 72 Скомпенсированная система измерения. ΔX К КПП X Y X1 β КОП Рис.105 К – коэффициент прямого преобразователя;  - коэффициент обратного преобразователя; Y – сигнал на выходе. Y = ХК Х1=Y Х=Х-Х1 Y  К  Х  1  К   Структурная система ТИ А А' 1 2 С1 С2 КС А" 4 5 Рис.106 1-первичный преобразователь; 2-преобразователь типа «параметр-сигнал» (вторичный параметр); 4-приемник; 5-выходной прибор; А- измеряемый параметр; А'- электрический сигнал, в котором преобразуется измеряемая величина с помощью первичного преобразования; С1- сигнал вторичного преобразователя; С2- сигнал с помехами КС; А"- переданная электрическая величина измеряемой вне. На крупных промышленных предприятиях механических, химических, нефтехимических, требуются измерения большого числа различных параметров. Как правило, ТИ этих параметров производится с помощью единой многоканальной системы с одним прямым и одним передающим устройством. Унифицированным параметром для передачи информации служит либо постоянное напряжение, либо постоянный ток с нормированными пределами измерения. Измерения могут производиться дискретно или непрерывно. Одной из основных характеристик системы ТИ является погрешность, которая характеризует отличие показаний воспроизводящего прибора от фактических значений параметра. 73 А //  А 100% А Характеризует разность (max отличие) выходящего параметра А11 от фактического параметра А. Самый точный прибор КT-0.15 Типы систем ТИ: 1. Токовые системы (несущий сигнал ток) 2. Системы напряжения (несущий сигнал напряжение) 3. Частотные системы (несущий сигнал частота) 4. Временные системы (несущий сигнал время) 5. Цифровые системы (несущий сигнал в виде цифрового кода) 1,2 – плохо защищены от помех, поэтому сейчас используются 3,4,5. Они характеризуются преобразованием информации в соответствующие коды.  Частотно- импульсные системы (ЧИС) В импульсной системе перенос сигнала осуществляется импульсами, на которые накладывается информация об измеряемой величине с помощью различных способов импульсной модуляции. Ux 1с 1 2 4 3 5 7 8 U 6 Рис.107 1-датчик постоянного тока, преобразующий параметры в величину постоянного тока; 2-преобразователь постоянного тока в переменный ток; 3-усилитель переменного тока; 4-выпрямитель; 5- преобразователь постоянного тока в частоту импульсов; 6-устройство обратной связи; 7-приемник импульсной информации; 8-выходнойприбор. Структура систем автоматического управления Примеры АСУ, используемых в промышленности. 1. Разомкнутая система U УУ X ОУ У Рис.108 УУ- управляющее устройство ОУ- объект управления 2. Разомкнутая с замкнутой цепью воздействия. υ УУ U X ОУ У Рис.109 υ – воздействие является параметрическим показателем, с помощью которого технологический процесс либо ведется, либо корректируется. 74 3. Замкнутая система υ УУ U ОУ X У y Рис.110 Наиболее распространена λ(t) U(t) ε(t) AP μ(t) ν(t) x(t) РО y(t) Рис.111 AP- автоматическое регулирующее устройство PO- регулируемый объект λ(t) - параметрический показатель регулирования технологического процесса υ(t)- внешнее воздействие на ход ТП U(t)- измеряемый показатель μ(t)- регулирующий показатель ε(t)- контролируемый показатель х(t)- регулирующее воздействие Все динамические системы делятся на следующие типы: 1. Безинерционные - для них значение выходного сигнала зависит только от входного сигнала в тот же момент времени. 2. Инерционные - действуют с некоторым запаздыванием Т, которое необходимо учитывать при управлении ТП. 3. Детерминированные - характеризуются однозначным соответствием входных и выходных сигналов. 4. Вероятностные - противоположные по значимости- результат работы этих систем является величиной случайной, зависящей от некоторого сочетания случайных параметров 5. Одномерные- входящие и выходящие сигналы являются скалярными 6. Многомерные- входящие и выходящие сигналы являются векторными. 7. Стационарные- характеризуются постоянством закона преобразования в течении времени. 75 Стандартные интерфейсы и протоколы обмена данными программ и устройств Рассмотрим, как передаѐтся информация по сети. Каждое устройство работающее в сети имеет стандартный протокол обмена информацией, который предусматривает строгую последовательность и форму адресов и данных на информационных шинах или на шине последовательного порта. Протокол обмена информацией - это набор правил, определяющих взаимодействие абонентов сети и описывающих способ выполнения определѐнного класса функций. Говоря простым языком, протокол - совокупность правил, по которым компьютеры и электронные устройства взаимодействуют между собой. Есть ещѐ одно понятие, которое также будет часто употребляться - интерфейс. Интерфейс - это средства и правила взаимодействия компонент системы между собой. совокупность возможностей, способов и методов взаимодействия двух систем (любых, а не обязательно являющиеся вычислительными или информационными), устройств или программ для обмена информацией между ними, определѐнная их характеристиками, характеристиками соединения, сигналов обмена и т. п. В случае, если одна из взаимодействующих систем — человек, чаще говорят лишь о второй системе, то есть об интерфейсе той системы, с которой человек взаимодействует. Рис.112 По рисунку видно, что средства, которые обеспечивают взаимодействие модулей разных уровней в рамках одной системы (например, B1 и B2), называются интерфейсом, а средства, обеспечивающие взаимодействие компонент одного уровня разных систем (например, A1 и B1), называются протоколом. Необходимость протоколов объясняется тем, что в сети могут взаимодействовать устройства и компьютеры с самыми разными операционными системами и самыми разными аппаратными устройствами. Чтобы все подключенные к сети устройства могли понимать друг друга, необходимы общие наборы правил. Такими наборами правил и являются протоколы. Для разного рода взаимодействий используются разные правила, а значит, и разные протоколы. Чтобы обмен информации состоялся необходима управляющая программа - драйвер, которая пишется под конкретный протокол обмена. Все известные стандартные протоколы обмена обладают разными скоростными, объектными и распределенными параметрами. Классификация сетевых протоколов Наиболее распространѐнной системой классификации сетевых протоколов является так называемая модель OSI, в соответствии с которой протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению — от физического (формирование и распознавание электрических или других 76 сигналов) до прикладного (интерфейс программирования приложений для передачи информации приложениями). 1) физический уровень - определяются физические (механические, электрические, оптические) характеристики линий связи; 2) канальный уровень - определяются правила использования физического уровня узлами сети; 3) сетевой уровень - отвечает за адресацию и доставку сообщений; 4) транспортный уровень - контролирует очередность прохождения компонентов сообщения; 5) задача сеансового уровня - координация связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях; 6) уровень представления - служит для преобразования данных из внутреннего формата компьютера в формат передачи; 7) прикладной уровень - является пограничным между прикладной программой и другими уровнями - обеспечивает удобный интерфейс связи сетевых программ пользователя. Основные протоколы, используемые в Интернете. Протокол TCP/IP. (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - Протокол Управления Передачей/Интернет протокол) На данном протоколеоснован весь Интернет. Если быть точными, TCP/IP - это не один, а два протокола:  Протокол TCP является транспортным протоколом, который обеспечивает гарантированную передачу данных по сети.  Протокол IP является адресным протоколом, который отвечает за адресацию всей сети. Именно благодаря использованию протокола IP, каждый компьютер (устройство) в сети имеет свой индивидуальный IP-адрес. По этим адресам и осуществляется передача данных. Широко используемые в Интернете URL-адреса Uniform Resource Locator (www.yandex.ru, www.mail.ru и т.п.) являются лишь словесными обозначениями IP-адресов. За сопоставление словесных URL-адресов и числовых IP-адресов отвечает специальная служба DNS. Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) - протокол межсетевых управляющих сообщений. С помощью этого протокола компьютеры и устройства в сети обмениваются друг с другом управляющей информацией. К примеру, этот протокол используется для передачи сообщений об ошибках, проверки доступности узла и т.д. Протокол FTP (File Transfer Protocol) — протокол передачи файлов. Служит для обмена файлами между компьютерами. Например, вам нужно передать файл на сервер или, наоборот, скачать файл с сервера. Для этого вам нужно подключиться к файловому серверу (он же FTPсервер) и выполнить необходимую вам операцию скачивания или закачки. Подключение к FTPсерверу обычно осуществляется с помощью FTP-клиента. Простейший FTP-клиент входит в состав практически любой операционной системы. Кстати, просматривать FTP-сервера могут и обычные браузеры. Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) — протокол обмена гипертекстовой информацией, то есть документами HTML. Вы наверное слышали, что HTML является базовым языком создания web-страниц. Так вот, протокол HTTP предназначен для их передачи в сети. Таким образом, протокол HTTP используется Web-серверами. Соответственно браузеры, используемые для блуждания по Интернету, являются НТТР-клиентами. Протоколы POP и SMTP. Протокол POP (Post Office Protocol) — протокол почтового отделения. Этот протокол используется для получения электронной почты с почтовых серверов. А для передачи электронной почты служит протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол передачи сообщений электронной почты. Протокол IMAP. Для чтения почты существует и другой протокол — IMAP. Его отличие от протокола POP состоит в том, что пользователь читает сообщения электронной почты, не загружая их на свой компьютер. Все сообщения хранятся на сервере. При удалении сообщения оно удаляется с сервера. Протокол SLIP (Serial Line Internet Protocol) — протокол подключения к сети Интернет по последовательной линии. Используется для установления связи с удаленными узлами через 77 низкоскоростные последовательные интерфейсы. В настоящее время вытеснен протоколом РРР и практически не используется. Протокол РРР (Point-to-Point Protocol) — обеспечивает управление конфигурацией, обнаружение ошибок и повышенную безопасность при передаче данных на более высоком уровне, чем протокол SLIP. Поэтому при настройке сервера рекомендуется использовать именно этот протокол. Протокол RIP (Routing Information Protocol) — используется для маршрутизации пакетов в компьютерных сетях. Для маршрутизации также используется протокол OSPF (Open Shortest Path First), который являетcя более эффективным, чем RIP. Еще хотел сказать об одном протоколе (даже правильнее сказать о технологии), которая сейчас очень распространена. Ethernet - семейство технологий "пакетной" передачи данных для компьютерных сетей. На физическом уровне Ethernet определяет проводные соединения и электрические сигналы. На канальном уровне Ethernet определяет - формат кадров и протоколы управления доступом к среде. Протоколы передачи в промышленности и АСУ Для организации взаимодействия между элементами автоматизации в промышленных сетях передачи данных широко применяется коммуникационный протокол Modbus. Существуют три основные реализации протокола Modbus, две для передачи данных по последовательным линиям связи, как медным EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA/TIA-485-A (RS-485), так и оптическим и радио: Modbus RTU и Modbus ASCII, и для передачи данных по сетям Ethernet поверх TCP/IP: Modbus TCP. Рис.113 В Европе широкое распространение получила открытая промышленная сеть PROFIBUS (PROcess FIeld BUS). Изначально, прототип этой сети был разработан компанией Siemens для своих промышленных контроллеров. PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. Сеть PROFIBUS основывается на нескольких стандартах и протоколах, использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). 78 Рис.114 Сеть PROFIBUS можно ассоциировать с тремя уровнями модели OSI: физический, канальный и уровень приложений. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Модулированный цифровой сигнал, позволяет получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку. Питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. Протокол МЭК 61850 Область применения стандарта МЭК 61850 - системы связи внутри подстанции. Это набор стандартов, в который входят стандарт по одноранговой связи и связи клиент-сервер, стандарт по структуре и конфигурации подстанции, стандарт по методике испытаний, стандарт экологических требований, стандарт проекта. Рис.115. Архитектура МЭК 61850 Согласно 61850 устройства РЗА объединены шиной, по которой сами устройства обмениваются данными между собой и передают эти данные на верхний уровень. Такая архитектура удобна тем, что применение технологической шины значительно уменьшает количество медных проводов, что упрощает настройку, проектирование и эксплуатацию системы. Данные от терминалов релейной защиты по станционной шине могут передаваться на верхний уровень оператору, кроме того, у контролирующих органов, имеющих соответствующий уровень доступа, есть возможность получать оперативные данные с любой подстанции и с любого 79 терминала РЗА. Эта информация позволяет контролировать деятельность подчиненных служб, что повышает надежность энергетических объектов в целом. Возможность такого гибкого конфигурирования информационных потоков появилась, благодаря той части стандарта, которая посвящена передаче данных. Основными протоколами передачи данных, согласно стандарту МЭК-61850, являются протоколы MMS и GOOSE. MMS используется для передачи данных от терминалов РЗА в SCADA систему для дальнейшей визуализации, а GOOSE — для обмена данными между терминалами. Важной особенностью протоколов является гарантированная доставка сообщений, а скорость передачи данных у ММS и GOOSE выше, чем у других протоколов передачи данных, таких как, например, Modbus. Взаимозаменяемость отдельных компонентов системы достигается за счет стандартизации протоколов передачи данных, а также за счет жестких требований по совместимости оборудования. Системы, построенные на 61850, проще обслуживать из-за уменьшения количества кабельных линий связи, что положительно сказывается на надежности системы в целом. Архитектура системы интуитивно понятна, в результате разработчики и интеграторы тратят меньше времени на понимание архитектуры конкретного объекта и, как следствие, значительно снижается стоимость проектирования и интеграции. Обслуживание таких систем по сравнению со стандартными в целом проще, хоть и предъявляет несколько иные требования к опыту персонала. К недостаткам можно отнести повышенную сложность и новизну стандарта. У разработчиков и интеграторов мало опыта построения подобных систем, но этот недостаток, очевидно, временный. Существует много преимуществ, которые могут быть реализованы на основе МЭК61850 для автоматизированных подстанций. Среди них следует выделить: − взаимодействие между интеллектуальными электронными устройствами (IEDs) различных производителей; − упрощенное построение системы и ввод в эксплуатацию с учетом средств конфигурирования и описания особенностей устройств; − снижение цены инсталляции путем замены проводных соединений между устройствами (IEDs) на посылку GOOSE сообщений; − снижение стоимости на проектировании системы, ввод в эксплуатацию, техническое и эксплуатационное обслуживание; - простота расширения системы автоматизации при еѐ развитии. MЭК 61850 реализует своѐ функционирование над ранее принятыми сетевыми протоколами, что обеспечивает намного большую функциональность по сравнению с прошлыми протоколами обмена информацией. Таким образом, МЭК 61850 вносит кардинальное улучшения процесса автоматизации подстанций, выражающиеся в упрощении и снижении стоимости проектирования, построение инсталляций, ввода в эксплуатацию и технического обслуживания электроэнергетических систем. Именно поэтому, количество подстанций по всему миру, построенных на основе 61850, увеличивается. 80 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Овчаренко Н.И. Автоматика энергосистем : учеб.: рек. Мин. обр. РФ/ Н. И. Овчаренко; под ред. А. Ф. Дьякова. - 3-е изд., испр. - М.: Изд-во Моск. энергет. ин-та, 2009. - 476 с. 2. Булкин А.Е. Автоматическое регулирование энергоустановок : учеб. пособие : рек. Мин. обр. РФ/ А. Е. Булкин. - М.: Изд-во Моск. энергет. ин-та, 2009. - 508 с. 3. Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств энергосистем: в 2 кн.: учеб. для вузов / Н. И. Овчаренко. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1995 – 254 с. 4. Шнеерсон, Э.М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 549 с. 5. Страусс, К. Системы автоматики и коммуникации в сетях электроснабжения: практическое руководство / К. Страусс [пер. с англ.] - М.: Группа ИДТ, 2007. - 250 с. 6. Красногорцев И.Л., Сенигов П.Н. Средства автоматизации и управления. Руководство по выполнению базовых экспериментов. САУ.001 РБЭ (929.2)  Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2009.  163 с. 7. Кузовкин В. А. Электротехника и электроника / В. А. Кузовкин, В. В. Филатов.- М.: Издательство Юрайт, 2016.- 431с. 8. Федоров Ю.Н. Порядок создания, модернизации и сопровождения АСУТП.-М.: ИнфраИнженерия, 2011.-576с. 81