ГлавнаяКарта сайтаПечатьE-mail
КонтрАвт
Увлекая к успеху
Поиск продукции КонтрАвт
Поиск по сайту
Подписка
формаКаталог по почте
Оформите подписку и получайте по почте Каталог продукции и буклеты о Новинках


Роль и место преобразователя в структуре современной системы автоматизации технологических процессов


Роль и место преобразователя в структуре современной системы автоматизации технологических процессов

Современные распределенные и многофункциональные системы контроля и управления при всем их многообразии, условно принято разбивать на уровни, где доминирующим критерием выделения определенного уровня является его функциональность.

К настоящему времени выработана четырёхуровневая структура, которой придерживаются практически все производители систем автоматизации технологических процессов. Пример такой иерархической структуры представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Пример четырехуровневой структуры системы контроля и управления

4. Расчет и анализ финансово-экономических показателей, сервис, администрирование

3. Оперативный технологический контроль и управление

2. Управление. Контроллеры, в том числе Программируемые логические

1. Технологический процесс. Объект автоматизации. Датчики и исполнительные устройства

Традиционно, такую структуру представляют в виде пирамиды, подчеркивая то обстоятельство, что базисом любой автоматизации является технологический процесс с его многообразием параметров. Собственно измерение технологических параметров и управление ими в соответствии с требованиями технологических регламентов является основной задачей автоматизации.

На первом уровне находятся все первичные датчики и органы управления, необходимые для измерения и для изменения параметров. Состав датчиков и органов управления, их характеристики определяются прежде всего требованиями технологического процесса, поэтому для разных технологических процессов они различны.

На втором уровне выполняются следующие функции:

  • Измерение и получение данных о параметрах и состояниях процесса и оборудования
  • Анализ данных
  • Управление процессом (локальное или координированное или взаимосвязанное), доведение управляющих воздействий до исполнительных устройств
  • Представление информации о процессе и об оборудовании, включая сигнализацию, в том числе и аварийную, накопление и сохранение
    информации
  • Обмен информацией со смежными системами и верхним уровнем

На втором уровне находятся различные контрольно-измерительные приборы, регуляторы, программируемые контроллеры. Несмотря на разнообразие технологических процессов, технические средства на втором уровне в значительной степени унифицированы.

Таким образом, между первым и вторым уровнями происходит интенсивный обмен данными: измеренные данные о параметрах и состояниях
процесса и оборудования передаются в одном направлении и сигналы управления — в обратном.

Обобщенно перечисленные выше функции обеспечивают СБОР и ПЕРЕДАЧУ ДАННЫХ о параметрах и состояниях процесса и технологических переменных.

СБОР И ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ упрощенно показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. КРУГОВОРОТ информации в системе контроля и управления

Самый простой подход к СБОРУ И ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ заключается в том, чтобы передавать сигналы непосредственно с датчиков на первом
уровне к вторичным измерительным и управляющим приборам на втором уровне. Но такой подход часто оказывается не самым лучшим по двум причинам.

 Во-первых, как правило, большинство датчиков и исполнительных механизмов, расположенных на технологической установке, удалены на значительные расстояния от вторичных средств контроля и управления.

Именно удаленность датчиков от вторичных приборов во многих случаях является причиной наведения помех на длинных кабельных линиях, которые, как антенны, собирают «весь электромагнитный мусор» и искажают передаваемую информацию. Кроме того, стоимость длинных кабельных линий может составлять значительную долю стоимости всей системы.

Во-вторых, разнообразие типов сигналов от первичных датчиков вступает в противоречие с принципом унификации сигналов на втором
уровне средств контроля и управления.

Поэтому часто более предпочтительным решением является введение между первичным датчиком и вторичным прибором преобразователя
сигнала в унифицированный сигнал – ток 4-20 мА. Преобразователь находится в непосредственной близости к первичному преобразователю
и относится к первому уровню. В силу своего положения в структуре системы автоматизации преобразователи работают на «два фронта» и, соответственно, выполняют два основных набора функций.

Со стороны первичного датчика преобразователь:

  •  реализует метод измерения электрического параметра с первичного датчика;
  • усиливает слабые сигналы;
  • линеаризует нелинейную характеристику первичного датчика;
  • осуществляет термокомпенсацию «холодных» спаев термопар;
  • осуществляет преобразование в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА.

 Со стороны вторичных средств измерения и управления:

  • ослабляет влияние электромагнитных помех;
  • ослабляет погрешности, связанные с влиянием сопротивления соединительных линий и с влиянием нестабильности источника питания;
  • позволяет экономить финансовые ресурсы за счет снижения стоимости соединительных линий;
  • позволяет унифицировать сигналы, используемые для передачи данных и обрабатываемые вторичными средствами измерения.

Почему токовый сигнал 4-20 мА

Основные причины того, почему для передачи сигнала используется унифицированный токовый сигнал, мы рассматривали в нашей Методичке №1 (стр. 9-12), вышедшей в начале 2005 г.

Кратко перечислим их:

  • 4-20 мА – унифицированный токовый сигнал (УТС). Используется во всем мире, поддерживается всеми производителями средств автоматизации
  • Преобразователь – генератор тока. Поэтому мало влияние сопротивления соединительных проводов, входных сопротивлений, напряжения питания, наводок
  • Унифицированный токовый сигнал можно передавать по недорогим проводам, в отличие от сигнала от термопары, для передачи которого требуется дорогой термокомпенсационный провод. При этом может происходить экономия на стоимости соединительных линий. Более подробно об экономических аспектах использования нормирующих преобразователей мы рассказываем в этом номере Методички
  • Обрыв линии передачи токового сигнала 4-20 мА однозначно и легко определяется по нулевому току в цепи

Классификация нормирующих преобразователей

Согласно ГОСТ 13384-93 преобразователи измерительные классифицируются в зависимости от эксплуатационной законченности, по защищенности от воздействия окружающей среды, по степени защищенности от электрических помех, по числу и виду преобразуемых входных сигналов, по зависимости выходного сигнала от входного сигнала, по наличию или отсутствию гальванической связи между входными и выходными цепями, а также и по некоторым другим показателям. Тот же ГОСТ 13384-93 устанавливает целый ряд требований :

  • к нормируемым метрологическим характеристикам;
  • к входным и выходным сигналам;
  • к сопротивлениям входных и выходных цепей;
  • к электропитанию;
  • к электрической прочности и сопротивлению изоляции

и целый ряд других требований к техническим характеристикам преобразователей, которые призваны обеспечить высокое качество преобразователей при их производстве, повторяемость технических характеристик и взаимозаменяемость преобразователей при эксплуатации.

Остановимся на рассмотрении наиболее важных технических характеристик, которые, на наш взгляд, могут предопределять выбор и эксплуатационные свойства преобразователей.

 К числу таких важнейших характеристик можно отнести:

  • класс точности или предел допустимой основной погрешности;
  • предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной отклонением напряжения питания от номинального;
  • предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной отклонением нагрузочных сопротивлений от номинальных;
  • предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха.

Класс точности или предел допускаемой основной погрешности в первую очередь характеризует преобразователь как Измерительный прибор. Наименьшими погрешностями обладают преобразователи с классами точности 0,05, 0,1, 0,15, 0,2 и 0,25. Если преобразователи с классом точности 0,05 обычно применяются для высокоточных, аналитических или лабораторных задач, то для промышленного применения, как правило, используются преобразователи с классами точности от 0,1 до 0,25. При прочих равных условиях преобразователи с классами точности 0,1 в состоянии «покрыть» практически все задачи промышленной автоматизации и они с успехом могут применяться как с целью замены находящихся в эксплуатации преобразователей (ремонт, модернизация, реконструкция действующих производств), так и для вновь создаваемых автоматизированных систем контроля и управления.

Пределы допускаемых дополнительных погрешностей, вызванных отклонением напряжения питания и отклонением нагрузочных сопротивлений от номинальных значений, также важны для преобразователей, но, как было показано выше, в токовой петле этим дополнительным погрешностям «мало шансов проявиться», конечно если преобразователь спроектирован на высоком современном уровне и конечный пользователь будет его использовать в условиях и режимах эксплуатации, не выходящих за пределы, установленные в спецификации на преобразователь.

Предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха – весьма важная техническая характеристика преобразователя, которая характеризует его термостабильность. Особенно она важна для преобразователя, встраиваемого в головку датчика температуры, где рабочая температура изменяется от минус 40 до +80 °С. Можно считать, что преобразователь обладает высокой термостабильностью, если предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха, не превышает 0,025 % на 10 °С изменения окружающей температуры. Чем меньше этот показатель — тем лучше.

Подводя итог, надо отметить, что для решения большинства производственных задач наиболее оптимальным будет выбор преобразователя с классом точности 0,1 и дополнительной погрешностью измерения не превышающей 0,025 % на 10 °С изменения температуры окружающей среды.

Программируемые нормирующие преобразователи сигигналов ПСТ-а-Pro / ПНТ-а-Pro

В 2006 году НПФ КонтрАвт начинает выпуск программируемых нормирующих преобразователей сигналов термопреобразователей в токовый сигнал 4-20 мА ПСТ-а-Pro и ПНТ-а-Pro. Эти преобразователи являются развитием известной серии преобразователей ПСТ и ПНТ. Они также конструктивно размещаются в стандартные карболитовые головки термопреобразователей, но, тем не менее, значительно от них отличаются. Это связано с тем, что новые преобразователи реализованы на базе микропроцессорных технологий, что позволило создать приборы с программируемым выбором типов первичных термопреобразователей, выбором диапазонов преобразования, а также повысить точность линеаризации для всех доступных типов и диапазонов преобразования. Программирование производится встроенными средствами и не требует никаких дополнительных устройств, сам процесс программирования элементарно прост.

В данной статье мы представим с технические и функциональные возможности новых программируемых преобразователей ПСТ-а-Pro и ПНТ-а-Pro.

Преимущества программируемых нормирующих преобразователей сигигналов ПСТ-а-Pro / ПНТ-а-Pro

Токовый сигнал

Высокая точность преобразования и чувствительность преобразователей ПНТ-a-Pro и ПСТ-a-Pro позволяет усилить даже слабый сигнал от термопреобразователей и преобразовать его в токовый, который наименее подвержен помехам при передаче на расстояния 1000 и более метров. Подробнее о преимуществах токового сигнала см. в Методичке №1 за 2005 год.

Большой выбор типов НСНСХ и диапазонов преобразования

Программные нормирующие преобразователи напряжения ПНТ-a-Pro могут осуществлять преобразования сигналов от 12 типов термопар плюс напряжение, в 3-х – 8-ми диапазонах для каждого типа термопары.

Программные нормирующие преобразователи сопротивления ПСТ-a-Pro могут осуществлять преобразования сигналов от 10 типов термосопротивлений плюс сопротивление, в каждом типе от 7-ми до 13-ти диапазонов.

Монтаж в головку термопреобразователя

Программные нормирующие преобразователи ПНТ-a-Pro и ПСТ‑a‑Pro монтируются в стандартные четырехклеммные головки типа М10-20 ДТ (карболитовые) для работы с неудаленными термопреобразователями. Это сокращает до минимума длину линий передачи сигнала от чувствительного элемента до прибора.

Программный выбор типа НСНСХ

Поскольку программные нормирующие преобразователи ПНТ‑а‑Pro и ПСТ-а-Pro монтируются непосредственно в головку термопреобразователя, программирование (выбор типа НСХ и диапазона преобразования) можно осуществлять в течение нескольких секунд прямо на месте монтажа термопреобразоватля. Кнопочный интерфейс задания типа термопреобразователя и диапазона преобразования не требует знания градуировочных характеристик и принципов измерения температур. Надо только уметь считать до 14 и отличать красное свечение от зеленого.

Программная линеаризация НСНСХ термопреобразователя

В нормирующих преобразователях ПНТ и ПСТ с фиксированными типом термопреобразователя и диапазоном преобразования используются
аппаратные способы преобразования сигналов. Программируемые преобразователи ПНТ-а-Pro и ПСТ-а-Pro преобразуют входной сигнал в цифровое выражение при помощи АЦП и после этого обрабатывают измеренное значение математическими методами.

В ПНТ применяется линейная функция линеаризации НСХ. Для этого подбираются такие параметры преобразования, чтобы минимизировать
погрешность преобразования температуры в измерительном диапазоне, относительно НСХ термопары.

В преобразователях ПСТ используется квадратичная функция коррекции нелинейности НСХ термосопротивления. Это позволило добиться нелинейности преобразования не хуже 0,05 %.

В отличие от ПНТ и ПСТ, в программируемых преобразователях ПНТ-a-Pro и ПСТ-a-Pro для коррекции нелинейности применяется интерполяция полиноминальной функцией 5-го порядка с разбиением всего измеряемого диапазона на несколько частей (до 4). Поэтому достигнута погрешность линеаризации не больше 0,01%.

Кроме того, преобразователи ПНТ-a-Pro и ПСТ-a-Pro осуществляют цифровую фильтрацию входного сигнала, увеличивая тем самым помехоустойчивость системы.

Высокие точность и термостабильность

Высокая точность преобразования обеспечивает приведенную погрешность преобразования не более 0,1% для ПНТ-а-Pro и 0,25% для ПСТ-a-Pro. ПНТ-a-Pro и ПСТ-a-Pro обладают высокой термостабильностью: предел дополнительной погрешности – не более 0,0025% на градус изменения окружающей среды.

Компенсация температуры холодного спая

ПНТ-a-Pro и ПСТ-a-Pro, также, как и ПНТ и ПСТ, производят компенсацию температуры холодного спая непосредственно в головке термопреобразователя.

Экономия

В случае использования ПНТ-a-Pro отпадает необходимость в использовании термокомпенсационного кабеля. Т.к. передача токового
сигнала может осуществляться по обычным проводам, стоимость которых значительно меньше. Подробнее об экономических аспектах выбора нормирующих преобразователей см. в данном номере методички.

Самодиагностика

Программные нормирующие преобразователи ПНТ-a-Pro и ПСТ‑а‑Pro осуществляют непрерывную проверку достоверности данных:
обрыв линии, выход параметра за пределы допустимого диапазона. В случае обнаружения ошибки преобразователь останавливает свою работу, устанавливая на выходе соответствующий сигнал аварии.

Программирование ПСТ-a-Pro и ПНТ-a-Pro

Для задания типа НСХ термопреобразователя сопротивления (для ПСТ-а-Pro) или типа НСХ термоэлектрического преобразователя (для ПНТ-а-Pro) используются кнопка и светодиод, расположенные на лицевой поверхности прибора.

Для задания типа НСХ прибор включается с нажатой кнопкой, светодиод при этом загорается красным цветом. Кнопка удерживается, пока не погаснет светодиод. После этого кратковременными нажатиями на кнопку выбирается тип термодатчика (согласно таблицам соответствия, приведенным в документации, на нашем сайте и на стр. 17 этого номера). Каждое нажатие сопровождается кратковременным свечением красного светодиода.

Выбор диапазона осуществляется аналогичным способом. После включения прибора нажимается и удерживается копка до тех пор, пока светодиод горит зеленым светом. После того, как погаснет светодиод кратковременными нажатиями задается диапазон преобразования (число нажатий должно быть равно номеру диапазона согласно таблицам, приведенным в документации и на нашем сайте). Чрез 5 с после последнего нажатия выбор типа преобразования считается законченным, кнопка блокируется, НП автоматически переходит в рабочий режим. Окончание режима подтверждается кратковременным миганием красный-зеленый-красный-зеленый.

Выбранные тип и диапазоны преобразования можно проконтролировать. Для этого нужно кратковременно нажать кнопку число импульсов сначала красного, затем зеленого цвета сигнализируют соответственно тип термопреобразователя и диапазон преобразования.

Некоторые экономические аспекты, которые необходимо учитывать при выборе преобразователя

В предыдущих разделах уже упоминалось о том, что применение преобразователей при измерении температуры, позволяет обеспечить инвестиционную экономию на соединительных проводах. Рассмотрим данный аспект более подробно.

В качестве примеров возьмем подключение к вторичному прибору различных датчиков температуры. Возможные варианты таких подключений представлены на рисунке 3:

1) подключение термопары (ТП) с помощью термокомпенсационного провода типа ПТВВГ ХК 2х1,5;
2) подключение термопары (ТП) с использованием преобразователя измерительного типа ПНТ и кабеля типа КММ 2х0,35 в токовой цепи 4…20 мА;
3) подключение термосопротивления (ТС) с помощью кабеля МКЭШ 5х0,35 при четырехпроводной схеме;
4) подключение термосопротивления (ТС) с использованием преобразователя измерительного типа ПСТ и кабеля типа КММ 2х0,35 в токовой цепи 4…20 мА.

Рисунок 3. Различные варианты подключения датчиков температуры к вторичному прибору

Для указанных на рис. 3 схем были сделаны оценки затрат по передаче измерительных сигналов от датчиков до вторичных приборов с учетом длины соединительных проводов. Результаты таких расчетов представлены на рис. 4, 5, 6 и 7.

Расчеты были выполнены на основании следующих исходных данных:

  1. Для подключения термопары к вторичному прибору был выбран термокомпенсационный провод типа ПТВВГ ХК 2х1,5. Цена такого провода на отечественном рынке зависит от объема закупок и колеблется от 66 рублей за погонный метр при покупке бухтами более 500 метров до 146 рублей за погонный метр при покупке мерными кусками. Для расчета принята некоторая усредненная цена, равная 100 рублей за погонный метр.
  2. Для подключения термометра сопротивления к вторичному прибору был выбран кабель типа МКЭШ 5х0,35. Цена такого кабеля на отечественном рынке в среднем составляет 12 рублей за погонный метр и практически не зависит от объема закупки;
  3. Для подключения преобразователей типа ПНТ и ПСТ к вторичному прибору был выбран кабель типа КММ 2х0,35. Цена такого кабеля на отечественном рынке в среднем составляет 6 рублей за погонный метр и практически не зависит от объема закупки;         
  4. Для примера в качестве преобразователей температурных датчиков были выбраны преобразователи типа ПНТ и ПСТ, серийно выпускаемые НПФ КонтрАвт. Их цена в соответствии с утвержденным прайс-листом составляет 650 рублей за штуку.

Рисунок 4. Зависимость цены инсталляции при подключении термопары для различных схем подключения в зависимости от длины линии связи

Рисунок 5. Зависимость цены инсталляции при подключении термометра сопротивления для различных схем подключения в зависимости от длины линии связи

Расчет цены инсталляции каждого варианта схемы подключения выполнялся по следующей формуле:
Ци= Цпм х Lс + Цп (5),
где
Ци— цена варианта схемы подключения;
Цпм— цена погонного метра провода или кабеля от вторичного прибора до датчика или преобразователя, который в рассматриваемых примерах устанавливается непосредственно в головке датчика;
Lс— длина линии связи;
Цп— цена преобразователя.

Анализ результатов, представленных на рисунках 4, 5, показывает, что существенная экономия средств в случае применения преобразователей типа ПНТ вместо термокомпенсационного провода при подключении термопары может быть получена при удалении датчика от вторичного прибора на расстояние 8-12 метров. Значительный экономический эффект начинает проявляться при длине линии связи 20 и более метров.

В случае подключения к вторичному прибору термометра сопротивления, экономический эффект от применения преобразователя, встраиваемого в головку датчика, начинает проявляться начиная с длины линии связи 120 метров. Следует заметить, что с целью уменьшения влияния наводимых на длинных линиях связи помех, прокладка линий связи такой длины налагает определенные требования по заземлению экранов подключаемых кабелей, местам их прокладки и пересечениям с другими, иногда и силовыми, кабелями. В случае же применения преобразователя, встроенного в головку датчика, как правило, проблем с помехами не возникает на длинах линий связи до 170…300 метров, на таких расстояниях, кроме того, начинает проявляться и существенная экономия на кабельной продукции.

Использование программируемых нормирующих преобразователей ПСТ-a-Pro и ПНТ-a-Pro дает несколько другие показатели экономической
эффективности. В этом случае экономические показатели несколько хуже (выше стоимость), что, впрочем, компенсируется
значительно более высокой точностью измерения, высокой помехоустойчивостью, универсальностью.

Экономия на кабельной продукции с применением преобразователей токовой петли 4…20 мА повышает инвестиционную привлекательность
любого проекта автоматизации технологических процессов.

 

 

 

 




Copyright © 2003-2016 КонтрАвт
Телефон: +7 (831) 260-13-08 (многоканальный)
Почта: sales@contravt.ru



Powered by TreeGraph (Graphit Ltd.)