Обработка сигналов

Датчики и преобразователи информации и устройства вывода управляющих воздействий

Вычислительные сети для сбора данных и управления

Сбор и обработка информации и управление

При использовании ЭВМ в АСУТП большое значение имеет комплекс технических средств для сбора информации и управления. При этом возможны различные типы структур системы:

централизованная с единой ЭВМ, обслуживающем одновременно несколько управляемых процессов или пользователей, или распределенная в виде сети небольших ЭВМ, каждая из которых предназначена для обслуживания отдельного процесса или пользователя. Рассмотрим эти структуры подробнее.

Эти сети предназначены для решения широкого круга задач: управления технологическими процессами (реальными или модельными), обслуживания терминалов в лабораториях и на пультах управления, регистрации и хранения данных, полученных при анализах и исследованиях, связи с аналоговыми ЭВМ для осуществления гибридных вычислений и т. д.

Для полноты картины полезно ознакомиться с основными типами измерительных устройств, наиболее распространенных в управлении технологическими процессами. В зависимости от типа устройства получаемый с него сигнал может быть цифровым кодом, давлением воздуха, током или разностью потенциалов. Поскольку цифровые ЭВМ обычно могут принимать лишь цифровой код или напряжение, токовые и пневматические сигналы должны быть соответствующим образом преобразованы, т. е. необходимы дополнительные преобразователи давление —напряжение и ток —напряжение (в последнем случае это просто прецизионный резистор).

Сложной проблемой при сборе информации и управлении является обработка сигналов, получаемых от датчиков или посылаемых в исполнительные цепи регулирующих органов. Цель этой обработки — повышение точности, снижение уровня помех, более эффективное использование аппаратуры и каналов связи. Обычно обработка сигналов включает уплотнение

Рис. 1. Два способа мультиплексирования и усиления низковольтных сигналов.

а —усиление с последующим мультиплексированием; б—мультиплексирование с последующим усилением.

(мультиплексирование), усиление, подавление помех, выбор способа передачи и т. д. Рассмотрим эти виды обработки сигналов подробнее.

Если на значительном удалении от ЭВМ производится одновременно несколько однотипных измерений, то наиболее рациональным использованием аппаратуры будет передача данных по каналу с уплотнением. В качестве примера рассмотрим группу из 10 термопар, дающих информацию о температуре некоторого процесса в виде сигнала напряжения до 10 мВ. Очевидно, что нет никакой необходимости использовать 10 отдельных каналов связи и занимать 10 входов АЦП для этих сигналов. Кроме того, такие низкоуровневые сигналы будут сильно зашумлены при передаче, не говоря уже о малой точности в АЦП; поэтому понятно, что следует ввести в цепь обработки дополнительный усилитель На рис. 1 показаны два возможных схемных решения. В первом случае (схема а) предлагается усиливать приблизительно до 5 В каждый из передаваемых сигналов отдельно с помощью большого числа дорогостоящих усилителей с высокими коэффициентами усиления, а затем уже передавать по каналу с уплотнением усиленные сигналы. Уровень помех, вносимых аппаратурой передачи, при этом снижается, правда, за счет стоимости усилителей. Во втором случае (схема б) сначала осуществляется мультиплексирование, а затем уже усиление. Это, конечно, более эффективно, хотя здесь и требуется коммутатор с малым уровнем помех. Для понижения уровня помех в релейных схемах используются специальные, особо надежные контакты. Обе рассмотренные схемы успешно применяются; пример практического использования схемы б дается ниже.

Подавление помех, осуществляемое до или после ввода сигнала в ЭВМ, также является важным этапом обработки. В реальных производственных условиях возможны наводки в сигналах измерительной информации высокочастотных помех, таких, как, например, 50 Гц из силовых цепей. В сигналах измерительной информации реальных технологических процессов высокие частоты встречаются довольно редко, поэтому за счет фильтров (обычно достаточно простых фильтров нижних частот) помехи такого рода удается убрать. Наряду с фильтрами нижних частот применяются также фильтры верхних частот, подавляющие низкие частоты, и полосовые фильтры, пропускающие сигналы в некотором фиксированном диапазоне частот.

Последним из вопросов, относящихся к обработке сигналов, является выбор способа передачи сигнала. Передачу можно осуществить: сигналами напряжения, особенно на небольших расстояниях (до 100 м), когда потери напряжения и сопротивление линий связи не вызывают искажения сигнала; токовыми сигна­лами на больших расстояниях, однако для них требуются специальные передающие устройства и преобразователи ток —напряжение на приемном конце; цифровыми сигналами, которые наиболее просто передаются и являются естественным способом кодирования в том случае, когда исходный сигнал дискретный; сигналы напряжения могут передаваться в цифровом виде путем преобразования аналог —цифра на передающем конце и обратного преобразования на приемном. Цифровые сигналы от­личаются значительной помехозащищенностью и могут передаваться на большие расстояния по обычным телефонным кабелям.

Следует подчеркнуть, что выбор того или иного способа передачи сигнала зависит от требований, возникающих в конкретных задачах, уровня помех и расстояния, на которое нужно осуществлять передачу.

Типы управления от ЭВМ:

Обычно управление с использованием ЭВМ осуществляется двумя способами — супервизорным и непосредственным цифровым управлением (НЦУ). При супервизорном управлении (рис. 2. а) уставка локального регулятора изменяется в соответствии с определяемой алгоритмом управления величиной управляющего воздействия. Режим непосредственного цифрового управления предполагает выполнение ЭВМ всех действий по управлению, в том числе сбор измерительной информации, сравнение с уставками, выдачу управляющего воздействия регулирующим органа (рис. 2.,6). В рассматриваемом примере регулирования расхода в режиме непосредственного цифрового управления измерение величины расхода осуществляется ЭВМ

Рис. 2. Супервизорное (а) и непосредственное цифровое управление (б) расходом жидкости.

в дискретные моменты времени и управляющие воздействия выдаются в виде изменения положения заслонки. Интервал времени опроса и времени выдачи управляющих воздействий t нужно выбирать таким образом, чтобы не ухудшить качества управления при слишком большом t и не получить чрезмерной нагрузки на ресурсы ЭВМ при слишком малом t. И супервизорное, и непосредственное цифровое управление широко распространены на практике; как тот, так и другой способ могут быть применены для реализации современных методов управления. В большинстве технологических процессов динамические характеристики локальных регуляторов (цифровых или аналоговых) недостаточны для управления объектами с реальными постоянными времени, поэтому требуются более сложные схемы управления, например каскадные, последовательно изменяющие уставки в нескольких ступенях локальных регуляторов.

Дата добавления: 2014-01-11