10613

Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером. Датчики. Исполнительные устройства. Бинарные и цифровые датчики

Реферат

Информатика, кибернетика и программирование

Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером. Датчики. Исполнительные устройства. Бинарные и цифровые датчики. Обработка сигналов. Дискретизация сигналов. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов. Обработка измерительной информации. Аналог...

Русский

2013-03-29

195.59 KB

67 чел.

Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером. Датчики. Исполнительные устройства. Бинарные и цифровые датчики.

Обработка сигналов. Дискретизация сигналов. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов. Обработка измерительной информации. Аналоговая фильтрация. Цифровая фильтрацияОбщая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютера показана на рис. 2.4. Хотя на практике используются разнообразные датчики, исполнительные механизмы и согласующие устройства, основная структура интерфейса всегда одна и та же

Рис.2.4 Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютером

То, что эта структура выглядит очень просто, вовсе не означает, что ее можно легко реализовать. Один из законов Мерфи гласит: "Если вам кажется, что все идет хорошо, скорее всего, вы чего-то не заметили".

Датчики

Для большинства физических величин существует множество различных измерительных технологий, характеризуемых зависимостью между вырабатываемым сигналом и измеряемой величиной. Измерительное устройство или датчик состоит из двух частей — измерительной головки и преобразователя. Термин "датчик" иногда ошибочно употребляют вместо "измерительной головки"; в этой книге под датчиком всегда понимается полное устройство, включающее измерительную головку и преобразователь.

Результат измерения — это "реакция измерительной головки датчика", которая на выходе преобразователя представляет собой электрическую величину, распространяющуюся дальше по проводнику. Следовательно, выходной сигнал измерительного устройства (датчика) есть выходной сигнал преобразователя. В большинстве управляющих систем этот выходной сигнал обычно — и предпочтительно — электрический, однако довольно часто встречаются и пневматические датчики. Главное достоинство электрических датчиков — это гибкость и разнообразие способов обработки сигнала. Следует отметить, что электрический сигнал можно передавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии. Пневматические датчики, по сравнению с электрическими, обычно дешевле, меньше по размерам, проще и нечувствительны к возмущениям. Более того, в условиях взрыво- и пожароопасной среды пневматические датчики более безопасны, чем электрические

Различают три класса датчиков:

  1.  аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;
  2.  цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
  3.  бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1).
  4.  

Исполнительные устройства (механизмы)

Исполнительное устройство или механизм преобразует электрическую энергию в механическую или в физическую величину для воздействия на управляемый процесс. Электродвигатели, управляющие "суставами" промышленного робота, и есть исполнительные механизмы. В химических процессах оконечными управляющими элементами могут быть клапаны, задающие расход реагентов. Следует подчеркнуть, что исполнительные устройства обычно лишь опосредованно влияют на переменные физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, координаты или химическую концентрацию, а исполнительные устройства управляют подводом тепла, движением или потоками исходных реагентов. И уже от динамики физической системы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.

В составе исполнительного устройства можно выделить две части: во-первых, преобразователь и/или усилитель, во-вторых, силовой преобразователь и/или исполнительный механизм..

Любой измерительный сигнал искажается возмущениями и шумом как в процессе формирования, так и передачи. Одна из основных проблем передачи сигнала — уменьшение влияния шума. Источники шума должны быть изолированы, или, в крайнем случае, их влияние должно быть снижено до минимально возможного уровня. Искажение сигналов или сообщений шумом является не только проблемой организации интерфейса "процесс-компьютер", но проявляется при любых типах передачи информации. Регуляторы обычно проектируются в расчете на наличие возмущений и шумов.

Передача измерительных сигналов

Аналоговые сигналы, вырабатываемые измерительными устройствами, обычно необходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряжений интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен быть смещен, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с минимальным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется согласованием сигнала. Она рассматривается в этой и следующей главах.

При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обусловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием среды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного характера. Этот шум может исказить исходный сигнал. Одно из возможных решений — преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность (ширина) которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерительный сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же частоту, что и исходный сигнал. Последовательность импульсов может передаваться либо по электрическому, либо по волоконно-оптическому кабелю.

Характеристики датчиков

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения — это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании, - статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свойства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками. Они существенно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, который применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быстродействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

Погрешность и точность

Точность определяет разницу между измеренной и действительной  величиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показанию. Разрешение — это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намни чаще, чем точность, указывается в технических описаниях. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного комплекса. Погрешность (ошибка) измерения определяется как разница между измеренной и действительной величинами. Поскольку действительна величина неизвестна, в произвольном случае оценку точности можно сделать на основе эталонных измерений или углубленного анализа данных.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделирован как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические) Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением условий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каждом измерении. Типичная систематическая ошибка — это смещение показании или сдвиг. В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках. Случайные ошибки, напротив, могут иметь самое разное происхождение. В большинстве случаев — это влияние окружающей среды (температуры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений характеризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка, среднеквадратичная ошибка или стандартное отклонение и разброс либо погрешность

Динамические характеристики датчиков

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, которые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис. 4.5). Параметры, описывающие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нарастания, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойствах (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров.

  1.  Время прохождения зоны нечувствительности— время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.
  2.  Запаздываниевремя, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.
  3.  Время нарастания— время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нарастания — величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженная на установившееся значение. Иногда используются другие определения.  Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

Время достижения первого максимума— время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

  1.  Время переходного процесса, время установления— время, начиная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины (например, + 5 %).
  2.  Относительное перерегулирование— разность между максимальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).
  3.  Статическая ошибка— отклонение выходной величины датчика от истинного значения или смещение. Может быть устранена калибровкой датчика.

В реальных условиях некоторые требования к датчикам всегда противоречат друг другу, поэтому все параметры нельзя минимизировать одновременно.

Рис.2.5 Динамическая реакция датчика

Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение. Важными статическими параметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и воспроизводимость результата.

  1.  Чувствительность датчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине
  2.  Разрешение— это наименьшее изменение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.
  3.  Линейность не описывается аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показывает зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Близость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максимальное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.
  4.  Статическое   усиление   или  усиление   по   постоянному  токуэто коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Большой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измерительного устройства.

Дрейф определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует нулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выработка ресурса, нелинейность и т. д.)

Влияние нелинейности

Многие датчики обладают свойством нелинейности. Например, если датчик достигает верхнего предела рабочего диапазона, проявляется эффект насыщения, т. е. выходной сигнал ограничен, даже если входная величина возрастает. Примеры нелинейностей:

  1.  нелинейная деформация пружин;
  2.  кулоновское трение;
  3.  магнитное насыщение в сердечниках трансформаторов;
  4.  характеристики расходомеров (например, измерения в открытом канале харак-

Особые проблемы связаны с люфтом в зубчатых передачах и других механизмах, имеющих свободный ход, а также с магнитным насыщением. Выходной сигнал датчиков, для которых характерны такие явления, — это многозначная функция входной величины, зависящая от направления ее изменения.

Характеристики импедансов

Объединение одного или нескольких элементов может существенно повлиять на поведение каждого из них по сравнению с автономным использованием. Например, тяжелый акселерометр может увеличить нагрузку настолько, что это изменит измеряемое ускорение и даст неверный результат. Аналогично, подключение вольтметра изменяет токи и напряжения в цепи, а термопара может исказить измеряемую температуру. Все это называется эффектом нагрузки. Такие ошибки могут превосходить все другие типы ошибок измерения; их следует предусматривать при соединении различных датчиков и устройств передачи/преобразования информации.

Понятие "импеданс", т. е. полное сопротивление, имеет фундаментальное значение в электрических системах. Устройство с высоким входным импедансом потребляет меньший ток при заданном напряжении и, соответственно, меньшую мощность. Устройство с низким входным импедансом потребляет больший ток при данном напряжении. Поскольку оно отбирает большую мощность у предшествующего в цепи устройства, это может вызвать ошибки нагрузки. Напряжение, генерируемое устройством с высоким  выходным импедансом {output impedance), чрезвычайно чувствительно к эффекту нагрузки. Напротив, низкий выходной импеданс позволяет уменьшить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Для выходных сигналов в виде силы тока картина прямо противоположная: высокий выходной импеданс делает выходной сигнал менее подверженным влиянию токов нагрузки. Поэтому во многих случаях требуется применение специальных согласующих электронных устройств для усиления сигналов и приведения в соответствие импедансов. В случае сигналов в виде напряжений применяются усилители с высоким входным импедансом и низким выходным импедансом. Процедура называется согласованием  импедансов и должна тщательно выполняться на каждом этапе.

Бинарные и цифровые датчики

В системах управления последовательностью событий (глава 7) в основном применяются сигналы типа "включено/выключено", вырабатываемые бинарными датчиками. В любом производственном процессе приходится контролировать тысячи условий типа "включено/выключено".

Бинарные датчики используются для определения положения при механических перемещениях, для подсчета элементов в дискретных потоках (например, числа бутылок на выходе линии розлива), для контроля достижения предельных значений уровня или давления или крайних положений подвижных частей.

Бинарные и цифровые датчики бывают как простыми, состоящими только из выключателя, так и очень сложными. Некоторые типовые датчики в действительности представляют собой полнофункциональный микрокомпьютер, встроенный в автономное устройство и вырабатывающий либо сигналы типа "включено/выключено", либо кодированные цифровые данные. Ниже описаны некоторые типы датчиков с бинарным выходом — положения, пороговые и датчики уровня.

Цифровые и информационно-цифровые датчики

Цифровые датчики генерируют дискретные выходные сигналы, например импульсные последовательности или представленные в определенном коде цифровые данные, которые непосредственно могут быть считаны процессором. В зависимости от типа датчика выходной сигнал либо сразу формируется в цифровом виде (например, от датчика положения вала), либо должен обрабатываться цепями электронной логики, которые обычно составляют с ним одно целое. Измерительная головка цифрового датчика такая же, как и у аналогового. Существуют интегрированные цифровые датчики, которые включают микропроцессоры для выполнения числовых преобразований и согласования сигнала и вырабатывают цифровой или аналоговый выходной сигнал.

Если выходной сигнал датчика представляет собой последовательность импульсов, то они обычно суммируются счетчиком. В другом варианте — можно измерять интервал между импульсами. Затем результат в виде цифрового слова передается на дальнейшую обработку. При измерении энергии информация обычно кодируется импульсами — каждый импульс соответствует определенному количеству энергии.

Информационно-цифровые датчики {Fieldbus sensor) дополнительно обеспечивают передачу информации через шины локального управления {Fieldbus), которые представляют собой специальный тип двухсторонних цифровых коммуникаций. Датчики данного типа — это обычные датчики температуры, давления, расхода и т. д., которые дополнительно имеют микропроцессор для обработки данных, преобразования их в цифровой вид (например, в 12-разрядный код) и поддержки внешних коммуникаций. По шине можно передавать не только результаты измерений, но и идентификационную информацию датчика. Иногда такие датчики поддерживают режим удаленного тестирования и калибровки

Аналоговые датчики

Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входной порт компьютера. Поскольку характеристики выходного сигнала датчика и последующего каскада довольно часто отличаются друг от друга, то для передачи сигнала между ними должна использоваться некоторая согласующая цепь. Термин "согласующая цепь" является довольно общим и может обозначать любой набор электронных компонентов между измерительной головкой датчика и обрабатывающим устройством.

Большинство датчиков с преобразователем, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении измеряются следующие физические величины:

  1.  электрические и магнитные характеристики;
  2.  параметры движения;
  3.  сила, момент и давление;
  4.  температура;
  5.  уровень заполнения емкости;
  6.  расход;
  7.  плотность, вязкость и консистенция;
  8.  концентрация (газа, жидкости, растворенных и взвешенных веществ);
  9.  химическая или биохимическая активность.

Ниже представлен краткий обзор аналоговых датчиков, обычно используемых в системах управления. Измерение электрических величин — тока, напряжения, сопротивления, магнитного поля, излучения и мощности — краеугольный камень измерительных технологий. Для большинства типов измерений серийно выпускаются измерительные головки, датчики, включающие согласующие цепи и даже интегрированные устройства со встроенными аналогово-цифровыми преобразователями и средствами передачи данных.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43057. Разработка предложений по созданию логистической системы 319.93 KB
  Выбор и обоснование типа автотранспортного средства.1 Поставщики № поставщика Поставщик 51 Полтава 54 Карловка полтавса 61 Донецк 67 Красноармейск донец 83 ВолодарскВолынский житомир 85 Черняхов житомир 87 Городница житомио 114 Городище луганс 200 Монастыриска тернопол 350 Курджиново краснодар Порты отправления: Ейск Херсон Керчь. т Стоимость транспортировки 1т за 1км: С1км = 05 ден. Общая характеристика проектной ситуации Транспортная характеристика груза Стекло в ящиках витринное: Твердый прозрачный хрупкий материал получаемый...
43058. Разработка информационной системы по учёту продукции сети аптек 1001.5 KB
  Результаты дипломной работы – программное средство, с помощью которого можно вести учет продукции, оно является Windows – приложением и имеет удобный интерфейс. Программное средство даёт возможность просматривать данные, добавлять новые данные, изменять и удалять существующие данные, а также осуществлять поиск по таблицам.
43059. Проект электродинамического громкоговорителя 601 KB
  Для этого по графику зависимости (xm) (рис.2) находим минимальное допустимое, при заданной амплитуде смещения xm, значение ширины свободного воздушного зазора bз, от размера которого зависит скорость теплообмена и допустимая удельная мощность, которая рассеивается единицей поверхности. Величину Руд находим по графику зависимости Руд() (рис.3).
43060. МЕНЕДЖМЕНТ ПРОФЕСІЙНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ 197.5 KB
  5 Методичні вказівки з виконання курсової роботи в межах курсу Менеджмент професійної діяльності для студентів спеціальностей напрямку підготовки 8. В процесі виконання курсової роботи керівником проектування здійснюються індивідуальні і групові консультації. Методичні вказівки З виконаннЯ курсової роботи 4.
43061. Основи менеджменту. Методичні вказівки 263 KB
  У роботі передбачається що студент уважно розгляне зовнішні і внутрішні чинники що впливають на діяльність організації і з урахуванням особливостей моменту буде використовувати розглянуті теоретичні положення. Загальний аналіз діяльності конкретної організації. Опис організації і її продукту. Бачення майбутнього організації.
43062. Модернизация привода главного движения универсального токарно-винторезного станка модели 1М63 2.8 MB
  Станок универсальный токарно-винторезный модели 1М63 предназначен для выполнения самых разнообразных токарных работ, в том числе точения конусов и нарезания резьб метрической, дюймовой, модульной и питчевой.
43063. Расчет аппарата гашения извести в производстве известкового молока на ОАО «АВИСМА» 319 KB
  Гашение извести протекает по реакции: CO H2O = COH2 1593 ккал. Вместе с тем следует избегать и переохлаждения гасящейся извести так как оно может значительно замедлить процесс гашения извести. С ростом температуры выделившийся гидрат окиси кальция выпадает в осадок и обволакивает поверхность кусков негашеной извести.
43064. Детали машин, расчет основных показателей 1.52 MB
  Выбор электродвигателя и кинематический расчет привода. Расчет клиноременной передачи. Расчет двухступенчатого цилиндрического редуктора. Предварительный расчет валов. Конструктивные размеры корпуса редуктора Определение реакций в подшипниках...