Общие положения. Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте, имеют аналоговый или дискретный вид

Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид (напряжение, сопротивление, давление). При этом часто требуется, чтобы и управляющее воздействие было представлено в аналоговой форме, поскольку многие исполнительные механизмы имеют только аналоговые входные сигналы. В то же время обработка экспериментальной информации осуществляется на УВМ. Чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом и цифровом видах, в современной АСУ ТП используют устройства ввода/вывода информации (УВВИ).

На УВВИ возлагаются следующие функции:

1. Нормализация аналогового сигнала, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входных сигналов АЦП.

2. Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения.

3. Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.

По направлению прохождения данных модули УВВИ можно разделить на три типа:

– устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков;

– устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;

– двунаправленные.

Всю номенклатуру операционных модулей УВВИ УСО по обобщенному схемно-функциональному принципу можно разделить на следующие группы:

– преобразователи «аналог – код» и «код – аналог»;

– устройства обмена цифровой информацией с преобразователем формата или без него;

– дешифраторы адресов и коммутаторы линий связи;

– буферные запоминающие устройства (ЗУ) с функциями счета или без них;

– устройства локального управления обмена информации (локальные контроллеры);

– устройство коммутации усиления и преобразования аналоговых сигналов.

К устройствам первой группы относят следующие основные типы преобразователей:

· аналого-цифровой преобразователь (АЦП): «напряжение – код» и «ток – код» постоянных и переменных напряжений;

· цифроаналоговый преобразователь (ЦАП): «код – напряжение» и «код – ток»;

· «перемещение – код» и «код – перемещение»;

· «пневматический сигнал – код» и «код – пневматический сигнал»;

· «частота – код» и «код – частота».

Данные операционные модули УВВИ как подсистемы связи с объектами строятся обычно на основе стандартных логических и запоминающих элементов и выполняют функции автоматического обмена цифровой информацией между ЭВМ, с одной стороны, и датчиками и исполнительными механизмами, с другой.

По характеру обрабатываемого сигнала УВВИ можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговые УВВИ (аналого-цифровые преобразователи АЦП, цифроаналоговые преобразователи ЦАП и др.) должны обладать большой точностью, линейностью и большим напряжением изоляции.

Дискретные УВВИ обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, выключателей контроля наличия напряжения в сети и т.д., а выходные дискретные УВВИ формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УВВИ удовлетворяют тем же требованиям, что и аналоговые, но, кроме того, обладают минимальным временем переключения, а выходные могут обеспечивать коммутацию более высоких токов и напряжений.

Среди модулей УВВИ существуют также устройства, работающие только с цифровой информацией. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для сетевого взаимодействия (например, повторители для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS -232/ RS -485).

Помимо перечисленных выше функций, ряд УВВИ может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе АЦП, ЦАП, дискретного ввода-вывода, микропроцессора и интерфейсов передачи данных. Так, при решении задач автоматизации контроля и управления техническими системами возникает необходимость сбора и обработки информации, представленной в виде аналоговых электрических сигналов, источником которых служат первичные преобразователи (датчики), или формирования аналоговых управляющих воздействий для исполнительных механизмов. Решение такого рода задач основано на использовании аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. Требования, предъявленные к выбору средств аналогового ввода-вывода, обусловлены, с одной стороны, характеристиками объекта контроля (количество и частотный спектр измеряемых параметров), а с другой стороны – необходимостью обеспечить совместимость (информационную, электрическую, конструктивную) с управляющей ЭВМ. В настоящее время применяют два варианта подключения аналоговых устройств к ЭВМ.

- непосредственно к системной магистрали ЭВМ;

- с использованием промежуточного контроллера с выходом на стандартный интерфейс.

Блоки АЦП и ЦАП реализуют режим работы с автоматическим переключением каналов, а также предоставляет возможность производить как внешний (программный), так и внутренний (автоматический) запуск через заданный интервал времени. При этом центральный процессор контроллера является активной стороной и имеет возможность в произвольные моменты времени выполнять операции чтения данных из любого порта или записи данных в порт. Каждый из портов предназначен для обмена информацией строго определённого назначения и формата. Более того, один и тот же порт может использоваться для данных различного типа в зависимости от выполняемой операция (чтение или запись).

В реальных системах модули УВВИ могут быть конструктивно законченными устройствами, которые выполнены в виде модулей и устанавливаются в специализированных платах с клеммными соединителями или стандартными DIN -рельсами. Модули УВВИ могут не присутствовать в виде самостоятельных устройств, а входить в состав датчиков (в этом случае датчики называют интеллектуальными) или промышленных компьютеров. УВВИ могут быть выполнены также в виде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в стандартные ISA или PCI слоты компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой вид. При этом с портами ввода-вывода контроллера связаны функциональные блоки контроллера: АЦП, ЦАП, таймер и коммутатор каналов. Коммутатор каналов обеспечивает возможность подключения к АЦП нескольких источников аналоговых сигналов. Таймер предназначен для настройки АЦП на требуемую частоту опроса, поддерживая режим автоматического запуска через заданный промежуток времени.

Цифро-аналоговые (ЦАП, DAC – " Digital-to-Analog Converter ") и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC – " Analog-to-Digital Converter ") применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, с реальным миром. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы. В качестве ЦАП и АЦП обычно применяются специализированные микросхемы, выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами. Эти микросхемы относятся к аналого-цифровым. Практическое применение ЦАП и АЦП требует расчета аналоговых цепей, учета многочисленных погрешностей преобразования (как статических, так и динамических), знания характеристик и особенностей аналоговых микросхем (в первую очередь, операционных усилителей) и многого другого.

Дата добавления: 2014-12-16