3.5. Системы дистанционной передачи и устройства связи с объектом

Состав средств связи, преобразования и передачи информа­ции по каналам связи зависит от структуры системы автоматиза­ции технологического процесса и оборудования.

Технически это реализуется с помощью передающих преобра­зователей (ПП), каналов (линий) связи (JIC), систем дистанци­онной передачи (СДП), устройств связи с объектом (УСО) и ус­ловиями согласования между собой.

Носителем данных (параметров), полученных в результате из­мерений, является сигнал измерительной информации или просто сигнал — это материальное свидетельство о каком-либо событии, явлении, состоянии объекта, а также команды управления, опове­щения, отображения состояния объекта.

Формирование, передача, преобразование сигнала — это процесс изменения во времени и пространстве некоторой физической величины, характеризующей состояние объекта или информационной системы.

Различают сигналы: электрические, пневматические, гидрав­лические, оптические, механические и другие. Особое назначение в измерительной технике, в системах контроля и управления имеют электрические сигналы.

Сигналы могут быть непрерывными и дискретными. Непре­рывный сигнал воспроизводит мгновенные значения физической величины. Дискретный сигнал фор­мируется процессом квантования. Квантованием (дискретизацией) на­зывается замена бесконечного боль­шого числа возможных значений непрерывной величины рядом дис­кретных рациональных значений. Процесс квантования непрерывной величины X по времени /, представ­лен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Процесс квантования непрерывной величины

Осуществив процесс квантова­ния, можно кодировать и переда­

вать информацию с использованием кода, что обеспечивает боль­шую надежность при передаче информации на большие расстоя­ния и использования ее в цифровых системах контроля и управления.

В последнее время многие автоматизированные системы управ­ления (АСУ) строятся на основе использования программно-техни­ческих комплексов (ПТК) и промышленных компьютеров, воспри­нимающих и выдающих, соответственно, входные и выходные сиг­налы. Обмен информацией в этих системах осуществляется через интерфейсные структуры, которые состоят из совокупности унифи­цированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритма взаимодействия различных функциональных блоков в автоматизированных системах обработки информации и управления, предписанных стандартом и направлен­ных на обеспечение информационной и конструкционной совмес­тимости блоков системы.

Как правило/ АСУ имеет два интерфейса: внутренний, обслу­живающий управляющую ЭВМ, и интерфейс «Ввод-вывод», об­служивающий все устройства связи канала «Ввод-вывод». Оба этих интерфейса согласованы между собой, и это согласование реализуется через внутренний интерфейс компьютера.

Рассмотрим измерительные системы, архитектура которых оп­ределяется следующей схемой: передающий преобразователь (ПП) — линия связи (JIC) — устройство связи с объектом (УСО).

Передающий преобразователь или передающий измерительный преобразователь (ПП) — это измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измери­тельной информации, функционирующей в комплекте с другими средствами измерений, входящими в состав СДП или УСО.

Вход ПП находится под воздействием какого-либо сигнала, пропорционального измеряемой физической величине, вырабаты­ваемого первичным измерительным преобразователем (ПИП), т. е. датчиком, чувствительный элемент которого находится в не­посредственном контакте со средой, физический параметр кото­рой измеряется. Иногда в качестве ПП может быть использован ПИП, если его выходной сигнал отвечает требованиям, совпа­дающим с условиями передачи по линиям связи (JIC) и по входу приемного устройства или УСО.

Современные ПИП часто выполняются как единое конструк­тивное целое с ПП, т. е. как модуль, такие технические средства измерений находят широкое применение в микропроцессорной технике.

Ряд ПИП (или модулей) имеют выходные сигналы, отвечаю­щие требованиям ГСП, которые могут быть восприняты ПТК

АСУТП. Однако непосредственно их включить в управляющую систему не всегда возможно. Это можно осуществить лишь через УСО, так как только они обладают функцией гальванической развязки между источниками измерительного сигнала и другими элементами системы.

Таким образом, системы дистанционной передачи (СДП) — это комплекс технических средств, соединенных между собой ли­ниями связи (JIC) и обеспечивающих передачу сигналов измери­тельной информации от места ее формирования к устройствам измерения, контроля и управления, удаленных на расстояние до 2... 5 км.

Передающие устройства (ПП) и системы дистанционной пе­редачи (СДП) подразделяются на две большие группы: с унифи­цированными сигналами, отвечающими требованиям ГСП, и с ^унифицированными естественными сигналами, которые ис­пользуются в том виде, в котором они получены с помощью из­мерительного преобразователя физической величины, не подверг­шись дальнейшему преобразованию.

гт

Выходной сигнал

Измеряема] физическа* величина

|Измерител] ¹ ныи блок

Рис.3.4.Принципиапьная схема унифицированного электросилового преобразова­теля (пояснения в тексте)

Измеряемая физическая величина воздействует на чувстви­тельный элемент измерительного устройства и преобразуется в усилие Р, пропорциональное значению физической величины. Это усилие через рычажную систему 1 электросилового преобра­зователя уравновешивается усилием Р_ос, создаваемым магнито­электрическим устройством обратной связи. При изменении из-

Широкое применение получили унифицированные преобразо­ватели, функционирующие на принципе силовой компенсации. Принципиальная упрощенная схема унифицированного электро­силового преобразователя приведена на рис. 3.4.

меряемой физической величины и, следовательно, усилия Р про­исходит незначительное (несколько микронов) перемещение рычажной системы 7 и связанного с ней управляющего флажка 4 индикатора рассогласования 5 дифференциально-трансформатор­ного типа, который преобразует это перемещение в управляю­щий сигнал в виде напряжения переменного тока. Управляющий сигнал поступает на нормирующий электронный усилитель 6. После усиления и выпрямления выходной сигнал в виде посто­янного тока поступает в линию дистанционной передачи и одно­временно в последовательно соединенные с ней обмотки рамок 7 магнитоэлектрического устройства 8 электросилового преобразо­вателя, где он преобразуется в пропорциональное механическое усилие обратной связи Р_ос, уравновешивающее посредством ры­чажной системы 7 измеряемое усилие Р.

Таким образом, мерой усилия Р является сила постоянного тока, необходимая для создания уравновешивающего усилия об­ратной связи Р_ос Пределы изменения выходного сигнала посто­янного тока 0—5 или 4—20 мА, что обеспечивается использова­нием соответствующих типов электронных усилителей. Преобра­зователь настраивается на заданный диапазон измерения с помощью плавного изменения передаточного отношения рычаж­ной системы 7, которое производится перемещением сухаря 2. Точная установка начального значения выходного сигнала преоб­разователя (нуля прибора) производится при помощи пружины 3 корректора нуля.

Некоторое применение получили приборы и устройства час- тотно-ферродинамической системы, в которых используются уни­фицированные сигналы в виде синусоидального напряжения про­мышленной частоты, изменяющегося по амплитуде, которая яв­ляется функцией передаваемой величины. «В приборах и устройствах этой системы для получения унифицированных сиг­налов обычно используется промежуточное преобразование вход­ной величины в линейное перемещение или угол поворота, вос­принимаемые ферродинамическими или струнными преобразова­телями и преобразуемые ими в унифицированный сигнал.

На использовании ферродинамического преобразователя в ка­честве датчика угловых перемещений в унифицированный элек­трический сигнал переменного тока основано функционирование ферродинамической системы дистанционной передачи, заключаю­щееся в компенсации ЭДС, получаемой от датчика передающего устройства, ЭДС ферродинамического преобразователя (рис. 3.5).

Ферродинамическая система (рис. 3.5) состоит из первичного преобразователя (датчика) 1 измерительного устройства, линий связи 5 и элементов приемного устройства: преобразователя 2,

Jkgfe^¹ //

i I i t \1~7 ±PC_X\ ¹ ^

L

⁵ ' .

Ei

Рис. 3.5. Принципиальная электрическая схема ферродинамической системы дистанционной передачи (пояснения в тексте)

электронного усилителя 4 и реверсивного электродвигателя 3. Рамки дифференциальных преобразователей 1 и 2 соединены по­следовательно так, что развиваемые ими ЭДС направлены на­встречу друг другу, поэтому на вход электронного усилителя 4 подается разность ЭДС с обоих датчиков, т. е. АЕ=Е_Х-Е_г.

Если АЕ = 0, система находится в равновесии. Если положе­ние рамки преобразователя 1 под воздействием измеряемого па­раметра изменится на угол а,, изменится также ЭДС и станет равной Е_у Равновесие системы будет нарушено, и на вход усили­теля 4 будет подана ЭДС АЕ, которая после усиления поступает на электродвигатель 3. При вращении электродвигатель переме­щает рамку преобразователя вторичного прибора до наступления момента равенства углов а, и а₂ и, следовательно, равенства ЭДС Е_х и Е_г

Ферродинамическая система дистанционной передачи хорошо зарекомендавйла себя благодаря надежности, простоте и удобству эксплуатации, универсальности, высоким метрологическим харак­теристикам и может передавать сигналы на расстояние до 5 км.

Для формирования унифицированных сигналов постоянного тока находят широкое применение тензорезисторные преобразова­тели «Сапфир». Принцип их действия основан на использовании тензорезисторного эффекта в монокристаллической гетеро-эпи- таксиальной пленке кремния, выращенной на сапфирной мем­бране (КНС-структуре). Под действием измеряемой физической величины происходит деформация сапфировой мембраны, и в кремниевых тензорезисторах возникают механические напряже­ния, их сопротивления изменяются, что вызывает появление на выходе электрического сигнала, который с помощью нормирую­щего усилителя приводится к унифицированному виду Он-5, 0+20 и 4-5-20 мА.

Чувствительный элемент преобра­зователя «Сапфир» представляет со­бой тензомодуль мембранного или мембранно-рычажного типа, который размещается внутри полости измери­тельного блока первичного преобра­зователя, заполняемой полиметилси- локсановой жидкостью. Конструкция унифицированного тензорезисторно- го преобразователя приведена на рис. 3.6.

Он состоит из основания /, на котором укреплен тензомодуль 2 мембранного типа с нанесенными на него в виде монокристаллической пленки чувствительными элементами 3. Изменение сопротивле­ния тензорезисторов, пропорциональное изменению измеряемой физической величины, воздействующей на прогиб мембраны, преобразуется с помощью встроенного электронного устройства в токовый выходной сигнал.

Достоинствами тензорезисторных преобразователей являются быстродействие, повышенная виброустойчивость, малые габарит­ные размеры и масса.

В системах дистанционной передачи с естественными сигнала­ми, сигнал измерительной информации, подаваемый в линию связи от передающего преобразователя, не приводится к унифицирован­ному (нормализованному) виду. При этом использование естествен­ных сигналов менее удобно, чем унифицированных, однако преоб­разователи и системы дистанционной передачи с естественными сигналами широко применяются. Это можно объяснить тем, что они были разработаны до создания и внедрения системы ГСП. На­пример, в ряде случаев, при выполнении локальных задач по изме­рению температуры, давления, уровня и т. п. они проще и дешевле преобразователей и систем с унифицированными сигналами, так как к ним не предъявляются жесткие требования функционирова­ния в едином комплексе с другими устройствами и приборами.

Измеряемая физическая величина

Рис. 3.6. Унифицированный тензорезисторный преобразова­тель «Сапфир» (пояснения в тексте)

Широкое распространение имеет дифференциально-трансформа- торная система, нашедшая применение для непрерывного измере­ния давления, расхода, уровня, разряжения и других параметров, контролируемых при ведении технологических процессов. Уст­ройства этой системы могут быть совместимы с устройствами электрической аналоговой ветви ГСП. Схема дифференциаль­но-трансформаторной системы дистанционной передачи пред­ставлена на рис. 3.7.