Transcript Системы реального времени

Информация о курсе
Системы реального времени
Специальность 230102,
профиль Автоматизированные системы обработки
информации и управления.
Семестр 6
Лекций – 9
Экзамен.
X
содержа
ние
1 /192
Меню
•
•
•
•
•
Начать изучение раздела
Содержание раздела
Глоссарий
Тест
Завершение раздела
2/192
Введение в СРВ
Системы реального времени (real-time system)
– любая система, в которой существенную роль играет время
генерации выходного сигнала.
Изменения в
физическом
процессе
X
содержа
ние
Входной
сигнал
СРВ
Выходной
сигнал
3/192
Введение в СРВ
Время реакции системы
Входной сигнал
(получение)
Временная
задержка
Время
реакции
X
содержа
ние
Выходной сигнал
(выдача)
Системная
характеристика
4/192
Введение в СРВ
Классификация систем в зависимости от времени их
реакции
Авт. системы контроля
Авт. испытательные комплексы
Системы торговых аппаратов
СУ физ. процессами с применением
ЭВМ
Системы
X
Время
реакци
и
содержа
ние
мсек
СРВ
сек
Диалоговые
ч, дн
Пакетной
обработки
5/192
Введение в СРВ
Режим РВ (real time processing)
– режим обработки данных, при котором обеспечивается
взаимодействие вычислительной системы с внешними по
отношению к ней процессами в темпе, соизмеримом со скоростью
протекания этих процессов.
Скорость
Внешние по
отношению к ВС
процессы
Вычислительная
система
Соизмеримы
X
содержа
ние
6/192
Введение в СРВ
СРВ (по Дональду Гиллиесу)
– такая система, корректность функционирования которой
определяется не только корректностью выполнения вычислений,
но и временем, в которое получен требуемый результат.
Если требования по времени не выполняются,
то считается, что произошёл отказ системы.
Гарантия
выполнения требований
по времени
Предсказуемое
поведение
системы
Время
реакции
X
содержа
ние
7/192
Введение в СРВ
Режимы реального времени
Настоящий, «жёсткий» режим РВ (hard real time)
Запаздывание –полностью ошибочная ситуация
Режим «Квази РВ» (soft real time)
Запаздывание – потеря производительности
 уровень безопасности
 коррекция поведения
X
содержа
ние
8/192
Введение в СРВ
СРВ ≠
интерактивная система (on-line)
Пример: заказ билетов
быстродействующая система
Пример: контроль уровня грунтовых вод
X
содержа
ние
9/104
Введение в СРВ
Виды исходных требований ко времени реакции
ТЗ на
систему
Время
реакции
системы
X
содержа
ние
Исходные
требования
Логика
функционирования
системы
10/104
Введение в СРВ
Влияния
АЧМС
Время
реакции
системы
Быстродействие
СРВ
↑
X
содержа
ние
Субъективные
факторы
Скорость
протекания
процессов
на объекте
контроля и
управления
↑
11/192
Введение в СРВ
Оценка быстродействия системы
Оценка
быстродействия
системы
стационарные процессы
Теорема
Котельникова
Частота дискретизации ≥ 2 × граничная частота их спектра
X
содержа
ние
12/192
Введение в СРВ
Системы квази-реального времени
Широкополосные
переходные
процессы
Быстродействующие
АЦП с
буферной памятью
Запись
реализации
сигнала
Анализ
Регистрация
До
следующего
переходного
процесса
X
содержа
ние
13/192
Введение в СРВ
Виды систем реального времени
Системы
«жёсткого» РВ
«мягкого» РВ
Система,
где
неспособность
обеспечить
реакцию на какие-либо события в заданное
время
является
отказом
и
ведёт
к
невозможности
решения
поставленной
задачи.
Точного определения не существует. Будем
относить все системы РВ, не попадающие в
категорию «жёстких».
Те СРВ, в которых способность реагировать
в крайние сроки действительно
требуется, но отказ выполнения не приводит
к отказу системы в целом.
Время реакции: 100 мкс ÷ 1 мс.
Проблема
критериев
успешности
(нормальности)
функционирования
системы:
максимальная задержка в выполнении
какой-либо операции,
средняя
своевременность обработки
событий, и т.п.
Эти критерии влияют на то, какой
алгоритм планирования задач является
оптимальным.
X
содержа
ние
14/192
Введение в СРВ
Ядра и операционные системы РВ
1. Когда-то ОС не было.
2. Вскоре после их появления возникло направление ОС РВ.
3. Все ОС РВ являются многозадачными ОС.
Задачи делят между собой ресурсы вычислительной системы,
в т.ч. и процессорное время.
X
содержа
ние
15/192
Введение в СРВ
Различия между ядром и ОС по функциональным
возможностям
Набор
функциональных
возможностей
Ядро
(Kernel)
ОС
Базовые функции
Планирование
Синхронизация задач
Межзадачная коммуникация
Управление памятью
X
содержа
ние
+
Файловая система
Сетевая поддержка
Интерфейс с оператором
и др. ср-ва высокого уровня
16/192
Введение в СРВ
ОС РВ
ОС РВ – система, которая может быть использована для
построения систем жесткого реального времени.
X
содержа
ние
17/192
Введение в СРВ
Отличия ОС общего назначения от ОС РВ
• ОС общего назначения ориентированы на оптимальное
распределение ресурсов компьютера между пользователями и
задачами, а в ОСРВ главная задача - успеть среагировать на
события, происходящие на объекте.
• применение ОС РВ всегда связано с аппаратурой, с объектом,
с событиями, происходящими на объекте.
• применение ОСРВ всегда конкретно.
• четкое разграничение систем разработки и систем
исполнения.
X
содержа
ние
18/192
Введение в СРВ
Система исполнения ОС РВ
Система исполнения ОСРВ - это набор инструментов,
обеспечивающих функционирование приложения реального
времени:
ядро,
драйверы,
исполняемые модули.
X
содержа
ние
19/192
Введение в СРВ
Система разработки
Система разработки – набор средств, обеспечивающих создание и
отладку приложения реального времени:
компиляторы,
отладчики,
всевозможный вспомогательный инструментарий.
Могут содержать:
средства удаленной отладки,
средства профилирования,
средства эмуляции целевого процессора,
специальные средства отладки
взаимодействующих задач,
средства моделирования.
X
содержа
ние
20/192
Введение в СРВ
Время переключения контекста
В ОС РВ заложен параллелизм.
Все ОСРВ являются многозадачными.
Время переключения контекста – время, которое система
затрачивает на передачу управления от процесса к
процессу.
Это второй параметр ОСРВ.
X
содержа
ние
21/192
Введение в СРВ
Различия ОС по внутренней архитектуре
монолитные ОС,
ОС на основе микроядра,
объектно-ориентированные ОС.
X
содержа
ние
22/192
Введение в СРВ
ОС РВ с монолитной архитектурой
Задача 2
Задача 1
Задача N
Задача 3
Интерфейс прикладного
программирования
Операционная система
Драйверы
Аппаратные средства
X
содержа
ние
23/192
Введение в СРВ
ОС РВ на основе микроядра
Задача 1
Задача N
Задача 2
Интерфейс прикладного программирования
…
Менед
жер
файло
в
Менед
жер
памяти
Микроядро
Аппаратные средства
X
содержа
ние
24/192
Введение в СРВ
Объектно-ориентированная ОС РВ
Программа
1
Программа
2
Пот
ок 2
Пот
ок 1
…
Пот
ок
Менедж
ер
приложе
ний
Сеть
Менедже
р
программ
Менед
жер
памяти
Менед
жер
задач
Ввод
вывод
п
а
м
я
т
и
Аппаратные средства
X
содержа
ние
25/192
Введение в СРВ
Задачи, процессы, потоки
Задача (в многозадачных ОС РВ) – набор операций (машинных
инструкций), предназначенный для выполнения логически
законченной функции системы.
Две разновидности задач: процессы и потоки.
Процесс – отдельно загружаемый программный модуль (файл),
который, как правило, во время исполнения имеет в памяти свои
независимые области для кода и данных.
В отличие от этого потоки могут пользоваться общими участками
кода и данных в рамках единого программного продукта.
X
содержа
ние
26/192
Введение в СРВ
Преимущества потоков
1. Экономия ресурсов внешней и внутренней памяти.
2. Эффективная организация межзадачного обмена сообщениями.
3. Малое время переключения между потоками, по сравнению с
процессами.
4. Простое использование программ-отладчиков.
X
содержа
ние
27/192
Введение в СРВ
Недостатки потоков
1. Не могут подгружаться динамически. Малая гибкость
разрабатываемых модулей.
2. Возможно внесение потоком неверных данных в область
другого потока.
X
содержа
ние
28/192
Проверка знаний
Самотестирование
Самотестирование предназначено для самостоятельного контроля
знаний, полученных в ходе прохождения модулей и разделов.
Кроме того, самотестирование готовит Вас к прохождению
контрольного тестирования в конце курса. Поэтому, несмотря на
то, что результаты самотестирования не учитываются системой,
отнеситесь к прохождению задач самотестирования максимально
ответственно. Если Вы дали неправильный ответ или
сомневаетесь в выборе правильного ответа - перечитайте
материалы соответствующего модуля или раздела, и Вы
обязательно найдете ответ на вопрос, вызывающий у Вас
затруднение.
•
X
ПЕРЕЧЕНЬ И ТЕМАТИКА ВОПРОСОВ!!!
содержа
ние
32/192
Тест
Тест
Тест
Щелкните кнопку
Тест для редактирования этого теста
33
Меню
•
•
•
•
•
Начать изучение раздела
Содержание раздела
Глоссарий
Тест
Завершение раздела
34/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Средства сопряжения аналоговых устройств с ЭВМ
При решении задач автоматизации контроля и управления
техническими системами возникает необходимость сбора и
обработки информации, представленной в виде аналоговых
электрических сигналов. Источником информации при этом
являются первичные преобразователи (датчики). При этом часто
требуется, чтобы и управляющие воздействия были представлены
в аналоговой форме. Решение такого рода задач основано на
использовании специальных устройств сопряжения аналоговых
источников и приемников информации с управляющей ЭВМ:
аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП)
преобразователей.
X
содержа
ние
35/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Классификация АЦПпо методам преобразования
X
содержа
ние
36/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Классификация АЦП по быстродействию
X
•
АЦП постоянного тока;
•
АЦП среднего быстродействия;
•
скоростные АЦП;
•
сверхскоростные АЦП.
содержа
ние
37/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Классификация АЦП по точности
• АЦП низкой точности;
• АЦП средней точности;
• АЦП высокой точности.
X
содержа
ние
38/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Соотношение быстродействия и точности АЦП
X
содержа
ние
39/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
АЦП постоянного тока
для преобразования медленно меняющихся сигналовдатчиков
мостового типа, термопар, температурных датчиков
сопротивления, измерения напряжения постоянного тока
Класс:
последовательные (интегрирующие [преобразователи
напряжение/частота]), а также последовательные
(интегрирующие [многотактные])
X
содержа
ние
40/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
АЦП среднего быстродействия
Для построения высокоточных низкоскоростных систем сбора
данных, систем управления двигателями постоянного тока
Класс: последовательные (последовательного приближения,
интегрирующие [сигма дельта])
X
содержа
ние
41/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Скоростные АЦП
Для приборов ультразвуковой диагностики, проводных и
беспроводных систем коммуникаций, испытательного
оборудования систем связи, а также недорогих цифровых
осциллографов
Класс: последовательно параллельные (многоступенчатые
[конвейерные])
X
содержа
ние
42/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Сверхскоростные АЦП
Для радиолокационных систем, цифровых осциллографов,
широкополосных цифровых приемников, в том числе
многоканальных приемников базовых станций сотовой телефонии
Класс:
последовательно параллельные (многоступенчатые
[конвейерные]),а также
параллельные
X
содержа
ние
43/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Характеристика аналого-цифрового преобразования
Вход – аналоговый сигнал U:
- диапазон изменения Umin, Umax;
- частотный спектр;
Выход – параллельный двоичный код
X:
- разрядность n (8, 10, 12, 16);
n 1
Х=
i2

•
i0
•
Разрядность влияет на точность
•
•
r-цена одного разряда кода [Вольт/ед.вых.кода]
Характеристики преобразования:
X
содержа
ние
•
разрешающая способность r=(Umax-Umin)/2n,
характеризующая величину изменения
входного напряжения, приводящую к
изменению значения кода Х на единицу.
метод преобразования: последовательных
приближений, поразрядного кодирования,
параллельного преобразования,
интегральный, с динамической
компенсацией и т.д.;
время преобразования τ;
погрешность преобразования:
систематическая, усиления, интегральная и
дифференциальная нелинейность;
функция преобразования (передаточная
характеристика) Х=f(U)
44/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Характеристика аналого-цифрового преобразования
[] – взять целую часть
Xmin=f(Umin)=0
Xmax=f(Umax)= 2n-1
X
содержа
ние
45/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Дискретизация
Дискретизация - это процесс перевода аналогового сигнала в
дискретный сигнал.
X
содержа
ние
46/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Квантование
Квантование по уровню - представление величины отсчётов
цифровыми сигналами.
X
содержа
ние
47/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Параллельные АЦП (АЦП прямого преобразования)
•
•
•
•
•
Быстры.
Имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов).
Очень большой размер.
Высокая входная ёмкость.
Могут выдавать кратковременные ошибки на выходе.
Используются для видео или других высокочастотных сигналов.
X
содержа
ние
48/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Метод параллельного или мгновенного преобразования
Используется m = 2n-1 компараторов (для
8-ми разрядного АЦП 255);
m+1 компараторов
Сигналы на входе компараторов смещены
по уровню на величину разрешающей
способности r.
Сигнал на выходе компаратора = 1 при
значении опорного сигнала меньше, чем
входного.
Особенности:
высокое быстродействие;
время преобразования постоянно и не
зависит от разрядности АЦП;
высокая стоимость
X
содержа
ние
49/152
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
• 39 слайд!!!!!!
X
содержа
ние
50/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Метод последовательного счета
Состав устройства:
ГТИ – генератор тактовых импульсов;
Кл – ключевая схема (пропускает или не
пропускает сигналы от ГТИ в зависимости
от значения на выходе триггера ТгУ);
ТгУ – триггер управления ключевой
схемой Кл;
Счетчик – формирует код
преобразованного напряжения;
Компаратор – производит сравнение двух
аналоговых сигналов: выход = 1, если
напряжения совпадают, в противном
случае 0;
ГЛИН – генератор линейно
изменяющегося напряжения;
Запуск – схема, формирующая импульс,
когда нужно запустить АЦП на измерение.
Исходное положение: счетчик сброшен в
0, выход ТгУ = 0, выход компаратора = 0,
ключевая схема закрыта.
X
содержа
ние
51/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Метод последовательного счета
V1=fгти*t1
T1= U вх
tgПри
 сильном увеличении Uвх уменьшается точность
измерения.
По сигналу запуска запускается ГЛИН, срабатывает
триггер, открывается ключ. Пока ключ открыт, счетчик
воспринимает импульсы от ГТИ.
Цикл работы продолжается, пока значение Uглин и
Uвх не станут равны друг другу. Тогда на выходе
компаратора появляется 1, сбрасывается триггер и
закрывается ключевая схема.
Результат преобразования представлен значением
N, сформированным счетчиком импульсов:
N = fгти*t
, где fгти – частота ГТИ, t – время
преобразования. В этом случае
N = fгти*(Uвх/tgφ).
Таким
образом
N
пропорционально
U,
а
коэффициент
пропорциональности
может
быть
установлен путем выбора частоты генерации тактовых
импульсов и скорости нарастания напряжения на выходе
ГЛИН.
Особенность преобразователя:
•
время преобразования (t) не постоянно и зависит
от уровня Uвх.
•
формируемый код в точности соответствует
значению Uвх в момент готовности.
Для АЦП, последовательность счета ГЛИН часто
заменяется ЦАП, который подключается к счетчику.
X
содержа
ние
52/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Метод поразрядного кодирования (последовательная
аппроксимация)
Состав устройства:
Компаратор – производит сравнение двух
аналоговых сигналов: выход = 1, если
напряжения совпадают, в противном случае
0;
ГТИ – генератор тактовых импульсов;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
Блок управления – формирует результат
преобразования и сигнал готовности.
Алгоритм и диаграмма метода представлены
на рисунках.
Особенности:
время преобразования постоянно при
установленной разрядности и не зависит от
Uвх (количество тактов всегда равно n);
высокая чувствительность к скорости
изменения входного напряжения.
X
содержа
ние
53/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Метод поразрядного кодирования (последовательная
аппроксимация)
X
содержа
ние
54/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Интегрирующие АЦП
Нарастание пилоообразного сигнала до уровня входного сигнала.
Счётчик работает во время нарастания.
Считывание значения происходит со счётчика, подаётся на вход
АЦП.
• Прост.
• Низкая чувствительность.
• Чувствительны к внешним факторам.
X
содержа
ние
55/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Одно- и многотактные интегрирующие АЦП
Типичная разрядность от 10 до 18 двоичных разрядов.
Возможность построения преобразователей,
нечувствительных к периодическим помехам
(например, помеха от сетевого питания)
благодаря точному интегрированию
входного сигнала за фиксированный временной интервал.
Низкая скорость преобразования.
Используются в измерительных приборах высокой точности.
X
содержа
ние
56/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
• 42 слайд!!!!!!!!!!!
X
содержа
ние
57/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Конвейерные АЦП
Два или более шага-поддиапазона: грубое преобразование,
преобразование и объединение с грубым.
• Быстры.
• Имеют высокое разрешение.
• Небольшой размер.
X
содержа
ние
58/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Организация подключения АЦП к ЭВМ
к последовательному порту ЭВМ (АЦП должен иметь
соответствующий блок сопряжения);
к параллельному порту ЭВМ (также нужен блок сопряжения);
непосредственно к магистрали ЭВМ (АЦП реализуется в виде
встраиваемого контроллера, обеспечивающего взаимодействие с
магистралью);
в состав магистральных модульных систем (стандарт КАМАК и
т.п.).
X
содержа
ние
59/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Схема ”последних данных”
АЦП осуществляет непрерывное преобразование поступающих на
вход сигналов с максимальной дискретностью. ЦП производит
считывание из регистра результата. Моменты чтения не
регламентируются и не синхронизируются.
Есть вероятность повторного считывания одних и тех же данных,
часть данных может быть потеряна из-за ошибок набегания.
Схема очень проста, но используется лишь при отсутствии
жестких требований по своевременности получения данных.
X
содержа
ние
60/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Схема “запуск - готовность”
Соответствует принципам условной передачи данных. АЦП
запускается на преобразование специальной командой от ЦП.
Затем ЦП проверяет готовность результата, анализируя
специальный признак в коде состояния АЦП. Минимальный
интервал между запуском и готовностью равен времени
преобразования.
Способ наиболее распространен, но не самый эффективный с
точки зрения эффективной загрузки процессора.
X
содержа
ние
61/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Схема “по прерыванию”
ЦП запускает АЦП один на преобразование. По готовности
результата АЦП формирует сигнал прерывания. ЦП обрабатывает
поступившее прерывание, затем либо повторно запускает АЦП,
либо АЦП запускает сам себя через установленный интервал
времени.
Эффективность данного способа может быть повышена при
использовании механизма прямого доступа к памяти.
X
содержа
ние
62/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Параметры ЦАП
В настоящее время ассортимент выпускаемых микросхем ЦАП
довольно широк. Поскольку все они обладают различными
характеристиками, необходимо понимать физический смысл
параметров ЦАП, приводимых в технической документации и
справочниках.
X
содержа
ние
63/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Статические параметры ЦАП
Допустим, что на все входы ЦАП
одновременно подается параллельный
двоичный код, значения которого меняются от
минимального до максимального с шагом,
равным 1. Этот входной код преобразуется в
дискретные значения выходной аналоговой
величины. Совокупность значений выходного
сигнала ЦАП 𝑥𝑖 в зависимости от значений
входного кода 𝛼𝑖 называется характеристикой
преобразования (ХП). В системе координат
код - выходная аналоговая величина ХП можно представить либо в виде прямой под
некоторым углом к оси абсцисс, либо в виде
ступенчатой функции (рис. 5.33).
Характерными точками ХП являются ее
начальная и конечная точки. За начальное
(конечное) значение входного кода
принимают значение, при котором
номинальное значение выходной аналоговой
величины является минимальным xmin
(максимальных
X
xmax )
содержа
ние
64/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Диапазон изменения выходного сигнала
Интервал значений выходной аналоговой величины от начальной
до конечной точки называется диапазоном изменения выходного
сигнала, а разность между ее максимальным и минимальным
значениями – амплитудой изменения или полной шкалой
преобразователя
X
содержа
ние
65/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Ступень квантования
Напомним, что значение дискретного изменения выходной
аналоговой величины при изменении значения входного кода на
единицу, называется ступенью или шагом квантования. Для
номинальной характеристики ЦАП все ступени квантования равны
и определяются следующим выражением:
𝑥𝑚𝑎𝑥 − 𝑥𝑚𝑖𝑛
ℎ=
,
𝑏−1
где xmin и xmax - номинальные значения выходной аналоговой
величины в начальной и конечной точках ХП, а b — число
возможных значений входного кода.
X
содержа
ние
66/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Разрешающая способность
Из этого выражения видно, что номинальное значение ступени
квантования, представляющее наименьшее изменение выходной
аналоговой величины, является разрешающей способностью
ЦАП. Разрешающая способность определяет число дискретных
значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его
предел преобразования. Чем больше число дискретных значений,
тем выше разрешающая способность ЦАП. Двоичный n-разрядный
ЦАП имеет 2𝑛 дискретных значений, а его разрешающая
способность равна 1/2𝑛 . Разрешающая способность ЦАП
выражается либо в процентах, либо в долях от полной шкалы,
либо в единицах выходной аналоговой величины. Например, если
12-ти разрядный ЦАП имеет 10 В полную шкалу, его
разрешающая способность будет равна 0,0245% полной шкалы
преобразователя или 2,45 мВ.
X
содержа
ние
67/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Младший значащий разряд
Дискретность изменения выходного сигнала определяется числом
разрядов ЦАП, но при этом возможны отклонения конкретных значений
аналоговой величины от их номинальных значений. Эти отклонения не
зависят однозначно от числа разрядов ЦАП, а определяются точностью
изготовления элементов микросхем. Именно поэтому разрешающая
способность не может служить однозначной оценкой точности
преобразователя. Для реального преобразователя ступени квантования в
разных точках ХП отличаются друг от друга, поэтому на практике
подсчитывают среднее значение ступеней квантования, которое
называется младшим значащим разрядом (МЗР) и является единицей
измерения выходной аналоговой величины. Степень совпадения реальной
ХП с номинальной определяет точность преобразователя, которая
количественно выражается соответствующими параметрами:
нелинейностью, дифференциальной нелинейностью, смещением
начальной точки ХП, отклонением аналоговой величины от номинального
значения в конечной точке ХП и т.д.
X
содержа
ние
68/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Нелинейность
Нелинейность, или, как ее часто называют, интегральная нелинейность
или погрешность линейности, △л (𝛼) характеризуется отклонением
значений реальной ХП от номинальной( рис. 5.34).При этом значение
△л (𝛼) зависит от способа линеаризации, которая может осуществляться по
следующим критериям:
a) По экстремальному критерию: линеаризующая прямая проводится там,
где выражение △л (𝛼) принимает минимальное значение(критерий
Чебышева) (рис 5.34(а)), т.е.,когда выполняется условие 𝑚𝑖𝑛[△л (𝛼) ].
б) по интегральному критерию: линеаризующая прямая проводится там,
где выражение
𝛼𝑚𝑎𝑥
△л
𝛼𝑚𝑖𝑛
(𝛼) 𝑑𝛼 ,
в котором 𝛼 min и 𝛼 mах — границы диапазона входного сигнала, принимают
минимальное значение (критерий Лебега), т.е., когда выполняется
𝛼𝑚𝑎𝑥
условие 𝑚𝑖𝑛
△л (𝛼)𝑑𝛼
𝛼𝑚𝑖𝑛
в) по критерию граничных точек (рис. 5.34(6)), когда линеаризующая
пря- Ni мая (1) проходит через начальную и конечную точки реальной ХП
(2).
X
содержа
ние
69/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Линеаризация
На рис. 5.34 проиллюстрированы
два способа линеаризации, из
которых следует, что способ
линеаризации по критерию
Чебышева позволяет уменьшить
погрешность вдвое по сравнению с
методом линеаризации по граРис. 5.34. Способы линеаризации ХП ЦАП. 1 — линеаризующая прямая, 2 —
ничным точкам. В технической
реальная
документации, как правило,
приводится значение
нелинейности в точке ХП, где она
где ∆х: - максимальное отклонение ХП от
по абсолютной величине
линеаризующей прямой, хк и хн- значение
максимальна. Нелинейность Д;
аналоговой величины в конечной и
выражается в долях МЗР или в
процентах от значения аналоговой
начальной точках ХП. Преобразователь
величины в конечной точке ХП или
считается линейным, если величина его
в процентах от полной шкалы:
нелинейности не превышает половины МЗР.
х100%
X
содержа
ние
70/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Дифференциальная нелинейность
Дифференциальная нелинейность определяется отклонением
действительных ступеней квантования от их среднего значения,
т.е. от МЗР. Дифференциальная нелинейность идеального ЦАП
равна 0. Это означает, что при изменении входного сигнала на
единицу, его выходной сигнал меняет свое значение на величину
МЗР. Для ЦАП обычно указывается значение дифференциальной
нелинейности для точки, где это значение по абсолютной величине максимально. Дифференциальная нелинейность ∆лд также
выражается в долях МЗР или в процентах от значения аналоговой
величины в конечной точке ХП или в процентах от полной шкалы.
Допустимым значением дифференциальной нелинейности
считается ±1/2 МЗР.
X
содержа
ние
71/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Монотонность
Дифференциальная нелинейность
имеет прямую связь с
монотонностью ХП. Под
монотонностью понимается
постоянство знака приращения
выходной величины при
последовательном изменении
значения входного кода. Если
дифференциальная нелинейность в
некоторой точке по абсолютной
величине превышает величину МЗР,
это означает, что приращение
выходной аналоговой величины в
этой точке может иметь
противоположное предыдущей
точке направление или быть
больше двойной номинальной
ступени квантования (рис. 5.35).
Таким образом, условие
монотонности ХП имеет вид:
-1МЗР< ∆лд<+1МЗР.
X
содержа
ние
Рис. 5.35. Дифференциальная
нелинейность и немонотонность ХП ЦАП.
72/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Коэффициент преобразования
Коэффициент преобразования — это
отношение приращения выходного
сигнала к приращению входного
сигнала для линейной ХП.
Коэффициент преобразования
определяет угол наклона прямой,
аппроксимирующей реальную ХП. По
числовому значению и размерности
коэффициент преобразования
совпадает со средним значением
ступени квантования. Отклонение
реальной ХП от номинальной из-за
различия коэффициентов преобразования оценивают в конечной точке ХП, и
называют максимальным отклонением
выходной величины или абсолютной
погрешностью полной шкалы ∆пш (рис.
5.36). Эта погрешность может
появиться из-за погрешностей
опорного напряжения, разброса
значений номиналов резисторов
многозвенного резистивного делителя,
нестабильности коэффициента
усиления усилителя и т.д.
X
содержа
ние
преобразования ЦАП с отклонениями в
начальной и конечной точках.
73/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Напряжение смещения
Возможно также отклонение ХП от номинальной в виде
параллельного сдвига. Параллельный сдвиг характеристики
оценивают относительно начала координат и называют
напряжением смещения нуля или погрешностью нуля выходной
аналоговой величины. Это отклонение ХП, также как и ∆пш, может
быть устранено внешними регулирующими устройствами.
Приведенные параметры характеризуют точность ЦАП в
определенных неизменных условиях эксплуатации. Для описания
поведения ЦАП в условиях переменных внешних факторов
используют параметры, характеризующие стабильность
микросхем в этих условиях. К ним относятся температурные
коэффициенты вышеописанных параметров и коэффициенты
влияния на них нестабильности источников напряжения питания.
X
содержа
ние
74/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Допустимое напряжение на выходе
Допустимое напряжение на выходе — это интервал значений
напряжения, в пределах которого изменение выходного тока не
превышает заданного значения. Аналогично этому вводится
понятие допустимого диапазона тока на выходе.
Информация на выходе ЦАП считается достоверной только после
окончания всех переходных процессов. Длительность переходных
процессов определяет быстродействие ЦАП. Параметры,
характеризующие быстродействие, называются динамическими
параметрами ЦАП.
X
содержа
ние
75/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Время установления выходного сигнала ЦАП
Время установления выходного
сигнала ЦАП определяется как
интервал времени, в течение
которого выходной аналоговый
сигнал при смене кодовой
комбинации на его входах достигает
своего установившегося значения с
некоторой допустимой погрешностью,
равной, как правило, ± МЗР. В зависимости от типа ЦАП это может быть
время установления выходного тока
или время установления выходного
напряжения. В большинстве случаев
в справочниках приводится время
установления при скачкообразном
изменении входного кода от
минимального до максимального
значения или наоборот. На рис. 5.37
время установления выходного
сигнала обозначено tv
X
содержа
ние
76/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Время задержки распространения выходного сигнала
Время задержки
распространения
выходного сигнала —
время от момента
достижения входным
уровнем половины
амплитуды до момента
достижения выходной
аналоговой величиной
половины установившегося
значения (время t2 на рис.
5.37)
X
содержа
ние
77/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Время нарастания выходного сигнала
Время нарастания
выходного сигнала —
время, за которое
выходная аналоговая
величина изменяется от 0,1
до 0,9 установившегося
значения (время t3 на рис.
5.37).
X
содержа
ние
78/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Статические параметры АЦП
Разрешающая способность АЦП - минимальная величина
изменения аналогового напряжения на входе АЦП, вызывающая
изменение выходного кода на 1 МЗР. Этот параметр может
задаваться в процентах от полного диапазона, в милливольтах
для заданного изменения входного сигнала, или просто числом
разрядов преобразователя.
Разрядность АЦП— округленный до целого числа двоичный
логарифм номинального числа значений выходного кода:
n = log2 b, где b - число значений выходного кода.
Зависимость между значениями входного аналогового
напряжения и выходного кода называется характеристикой
преобразования АЦП (ХП).
X
содержа
ние
79/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Статические параметры АЦП
Под напряжением межкодового перехода понимается такое
входное аналоговое напряжение, статистические вероятности
преобразования которого в заданное и предшествующее
заданному значению выходного кода равны. Разность значений
напряжений заданного и следующего за ним межкодового
переходов определяет шаг квантования ХП. Несоответствие
номинальной и действительной характеристик преобразования
определяет точностные параметры АЦП: напряжение смещения
нуля, отклонение коэффициента преобразования от номинального
значения, нелинейность, дифференциальную нелинейность,
монотонность ХП.
Действительное значение входного напряжения в точке ХП,
соответствующей номинальному нулевому значению этого
напряжения, определяет напряжение смещения нуля. Физически
это напряжение показывает параллельный сдвиг ХП вдоль
вертикальной оси.
X
содержа
ние
80/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Статические параметры АЦП
Отклонение коэффициента преобразования от номинального
значения показывает изменение наклона прямой, проведенной
через начальную и конечную точки реальной ХП, от наклона
номинальной ХП.
Нелинейность АЦП — отклонение реального значения входного
напряжения, соответствующего заданной точке ХП, от значения,
определяемого по линеаризованной ХП в той же точке. Этот
параметр характеризует отклонение центров ступенек
действительной ХП от прямой линии, аппроксимирующей
номинальную ХП. Методики определения нелинейности
различаются способом проведения прямой, аппроксимирующей
номинальную ХП. Эта прямая может проводиться через середины
ступенек, соответствующих кодам ООО...001 и 111...110
действительной ХП, но чаще аппроксимирующая прямая строится
методом наименьших квадратов.
X
содержа
ние
81/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Статические параметры АЦП
Дифференциальная нелинейность АЦП — отклонение реальных значений
шагов квантования ХГТ от их номинального значения (МЗР).
Под монотонностью ХП АЦП понимают наличие всех кодовых комбинаций
на его выходе при подаче на его вход монотонно изменяющегося сигнала,
при этом знак наклона ХП изменяться не должен.
Полная шкала входного сигнала — максимальное значение входного
сигнала, при котором обеспечивается устойчивое считывание выходных
значений.
Погрешность опрокидывания — разность между значениями выходных
кодов, соответствующих одинаковым амплитудам входных сигналов
разного знака.
Точность преобразования - максимальная разность между фактическим
входным напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного
кода при заданном полном диапазоне. Если это значение указывается в
вольтах, оно означает абсолютную точность. Однако чаще для
определения точности используется величина МЗР. В этом случае речь
идет об относительной точности.
X
содержа
ние
82/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
Быстродействие АЦП характеризуется рядом динамических
параметров: временем преобразования, апертурным временем,
апертурной неопределенностью, монотонностью характеристики
преобразования при максимально допустимой скорости
изменения входного сигнала, соотношением сигнал/ шум. Для
оценки быстродействия каждого конкретного вида АЦП необходимо выбирать разные динамические параметры. АЦП может
работать с устройством выборки и хранения (УВХ) на входе или
без него, поэтому необходимо учитывать два режима работы
преобразователя:
1. входной сигнал меняется скачкообразно и сохраняется
постоянным в течение времени преобразования,
2. входной сигнал меняется непрерывно в течение всего цикла
преобразования.
X
содержа
ние
83/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
В общем случае время преобразования - это время от момента
начала изменения сигнала на входе АЦП до появления на выходе
устойчивого кода. В первом режиме работы АЦП динамические
параметры однозначно определяются временем преобразования,
которое зависит от времени задержки запуска и времени цикла
кодирования. Время задержки запуска — минимальное время с
момента подачи скачкообразного сигнала на аналоговый вход
АЦП до момента подачи сигнала запуска АЦП, при котором
выходной код должен отличаться от номинального не более чем
на значение статической погрешности.
Время цикла кодирования — время, в течение которого
осуществляется непосредственное преобразование
установившегося значения входного сигнала. Время
преобразования АЦП, имеющих команду внешнего запуска, равно
минимальному времени между импульсом запуска и моментом
появления на выходе АЦП заданного значения кода.
X
содержа
ние
84/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
Максимальная частота преобразования — частота дискретизации
входного сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не
выходит за заданные пределы. Выбранным параметром может
быть монотонность или нелинейность.
X
содержа
ние
85/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
Во втором режиме работы динамические параметры АЦП наряду с
временем преобразования характеризуются апертурным
временем, апертурной неопределенностью, монотонностью ХП
при максимально допустимой скорости изменения входного
сигнала, соотношением сигнал/шум. Под апертурным временем
понимается время, в течение которого сохраняется
неопределенность между значением выборки и временем, к
которому оно относится. Для исключения влияния апертурного
времени на точностные параметры АЦП изменение сигнала на
аналоговом входе за время, равное апертурному, должно быть
гораздо меньше значения МЗР. Апертурное время может иметь
разные значения в различных точках ХП. Апертурная
неопределенность — случайное изменение апертурного времени
в конкретной точке ХП. Влияние апертурной неопределенности
заключается в появлении различных кодовых комбинаций при
кодировании быстроизменяющегося сигнала одной величины.
X
содержа
ние
86/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
Монотонность ХП при максимально допустимой скорости
изменения входного сигнала определяется такой скоростью
изменения входного сигнала, при которой эта характеристика
АЦП еще монотонна. Вместо монотонности ХП выбранным
параметром может являться допустимая нелинейность или
дифференциальная нелинейность. Факторами, ограничивающими
максимальную скорость изменения сигнала на входе АЦП,
являются апертурная неопределенность, апертурное время,
разброс апертурного времени по ХП, полоса пропускания
компараторов и т.д.
X
содержа
ние
87/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
Очень важным параметром, имеющим значительное влияние на
динамические параметры АЦП, является входная емкость.
Входная емкость — это эквивалентная емкость на аналоговом
входе АЦП, для некоторых типов АЦП (например, параллельных)
она достигает сотен пикофарад и даже более. Поэтому входная
емкость влияет на полосу пропускания АЦП, на разброс
апертурного времени по ХП, и, как следствие, на точностные
параметры АЦП. Влияние входной емкости на полосу пропускания
можно моделировать ЯС-фильтром нижних частот, подключенным
на вход АЦП. Полоса пропускания будет ограничиваться по
уровню —3 дБ произведением R0Cвx, где Ro — выходное
сопротивление источника сигнала в диапазоне рабочих частот,
Свх — входная емкость АЦП, приведенная ко входу.
X
содержа
ние
88/192
Аналого-цифровые преобразователи
и цифроаналоговые преобразователи
Динамические параметры АЦП
Соотношение сигнал/шум является динамическим параметром
АЦП, позволяющим интегрально оценить вносимые
преобразователем искажения. Соотношение сигнал/шум
реального АЦП находится как отношение среднего квадратичного
значения напряжения гармоник восстановленного сигнала к
среднему квадратичному значению полного напряжения
восстановленного сигнала.
X
содержа
ние
89/192
Проверка знаний
Самотестирование
Самотестирование предназначено для самостоятельного контроля
знаний, полученных в ходе прохождения модулей и разделов.
Кроме того, самотестирование готовит Вас к прохождению
контрольного тестирования в конце курса. Поэтому, несмотря на
то, что результаты самотестирования не учитываются системой,
отнеситесь к прохождению задач самотестирования максимально
ответственно. Если Вы дали неправильный ответ или
сомневаетесь в выборе правильного ответа - перечитайте
материалы соответствующего модуля или раздела, и Вы
обязательно найдете ответ на вопрос, вызывающий у Вас
затруднение.
X
содержа
ние
93/192
Тест
Тест
Щелкните кнопку
Тест для редактирования этого теста
94
Меню
•
•
•
•
•
Начать изучение раздела
Содержание раздела
Глоссарий
Тест
Завершение раздела
95/192
Датчик
Датчик
Для измерения, сигнализации,
устройствами или процессами.
Контролируемая
величина
концентрация, частота, скорость,
электрический ток и т. п.).
регулирования,
управления
(давление,
температура,
перемещение, напряжение,
Выходной
сигнал
—
электрический,
оптический,
пневматический —
удобный для измерения, передачи,
преобразования, хранения и регистрации информации о
состоянии объекта измерений.
X
содержа
ние
96/192
Датчик
Классификация датчиков по виду входной величины
X
•
датчики механических перемещений (линейных и угловых),
•
пневматические,
•
электрические,
•
расходомеры,
•
датчики скорости,
•
ускорения,
•
усилия,
•
температуры,
•
давления.
содержа
ние
97/192
Датчик
Классификация датчиков по виду выходной величины
• Неэлектрические
• электрические:
датчики постоянного тока
датчики амплитуды переменного тока
датчики частоты переменного тока
датчики сопротивления
X
содержа
ние
98/192
Датчик
Классификация датчиков по принципу действия
• генераторные
• параметрические (датчики-модуляторы)
X
содержа
ние
99/192
Датчик
Классификация датчиков по принципу
физического действия
• омические,
• реостатные,
• фотоэлектрические (оптико-электронные),
• индуктивные,
• емкостные и д.р.
X
содержа
ние
100/192
Датчик
Классификация датчиков по виду
вырабатываемого сигнала
• аналоговые,
• цифровые,
• бинарные (двоичные).
X
содержа
ние
101/104
Датчик
Требования, предъявляемые к датчикам
• однозначность;
• стабильность;
• чувствительность;
• габариты;
• отсутствие обратного воздействия;
• различные условия эксплуатации;
• многовариантность монтажа.
X
содержа
ние
102/192
Датчик
Параметрические датчики
Входная величина
Изменение электрического параметра
Передача возможна с энергонесущим сигналом
Характеризует реакцию датчика на ток или напряжение
X
содержа
ние
103/192
Датчик
Омические (резистивные) датчики
•
Принцип основан на:
R= pl/S
Выделяют:
•
контактные,
X
•
потенциометрические (реостатные),
•
тензорезисторные,
•
терморезисторные,
•
фоторезисторные
содержа
ние
104/192
Датчик
Контактные датчики
Простейшие резистивные.
Контроль
усилия,
перемещения,
температуры,
размеров объектов,
их формы и т. д.
Питание
на постоянном токе,
на переменном токе.
В зависимости от пределов
измерения:
однопредельные,
многопредельные.
X
содержа
ние
Относят:
путевые выключатели,
концевые выключатели,
контактные
термометры,
т.н. электродные
датчики.
+:
простота.
-:
сложность
осуществления
непрерывного контроля,
ограниченный срок
службы
контактной системы.
105/192
Датчик
Реостатные датчики
Резистор с изменяющимся активным сопротивлением.
Контроль
перемещения (углового или линейного).
Используется в:
в механических измерительных приборах
(в поплавковых измерителях уровня жидкостей,
различных манометрах и т. п.)
Простой реостат почти не используется
вследствие значительной нелинейности его статической
характеристики.
X
содержа
ние
106/192
Датчик
Тензорезисторы
Для измерения механических напряжений, небольших
деформаций, вибрации.
Принцип:
тензоэффекте,
Описание: изменение активного сопротивления проводниковых
и полупроводниковых материалов под воздействием
приложенных к ним усилий.
X
содержа
ние
107/192
Датчик
Терморезисторы
Принцип: R(t).
Способы использования:
1) Температура терморезистора определяется окружающей
средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал,
что не вызывает нагрева терморезистора.
2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева
постоянным по величине током и условиями охлаждения.
Описание преобразования: измеряемая величина сначала
преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое
затем преобразуется в изменение сопротивления.
Изготовляют: из чистых металлов и из полупроводников.
Свойства: высокий температурный коэффициент сопротивления,
линейная зависимость сопротивления от температуры, хорошая
воспроизводимость
свойств,
инертность
к
воздействиям
окружающей среды.
X
содержа
ние
108/192
Датчик
Индуктивные датчики
Для бесконтактного получения информации о перемещениях
рабочих деталей машин, механизмов, роботов и т.п. И
преобразования этой информации в электрический сигнал.
Принцип:
изменение индуктивности обмотки на магнитопроводе в
зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода.
Простейшая реализация:
катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный
элемент которого (якорь) перемещается под действием
измеряемой величины.
X
содержа
ние
109/192
Датчик
Преимущества и недостатки индуктивных датчиков
Преимущества:
устойчив к механическим воздействиям,
отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов,
отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания,
высокая частота переключений до 3000 Hz.
Недостатки:
сравнительно малая чувствительность,
зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего
напряжения,
значительное обратное воздействие датчика на измеряемую
величину
(за счет притяжения якоря к сердечнику).
X
содержа
ние
110/192
Датчик
Емкостные датчики
Принцип: зависимости электрической емкости конденсатора от
размеров, взаимного расположения его обкладок и от
диэлектрической проницаемости среды между ними.
+:
простота,
высокая чувствительность,
малая инерционность.
–:
влияние внешних электрических полей,
относительная сложность измерительных устройств.
Для:измерения угловых перемещений,очень малых линейных
перемещений,вибраций,скорости движения и т. д., а также для
воспроизведения заданных функций (гармонических,
пилообразных, прямоугольных и т. п.).
X
содержа
ние
111/192
Датчик
Индукционные датчики
Преобразование:преобразование измеряемой
неэлектрической величины в ЭДС индукции.
Принцип: на законе электромагнитной индукции
Тахогенераторы постоянного и переменного тока
используются как:
датчики угловой скорости
датчики скорости (частоты вращения).
X
содержа
ние
112/192
Датчик
Температурные датчики
Измерения температуры – наиболее распространенные.
Широкий диапазон измеряемых температур,
разнообразие условий использования средств
измерений и требований к ним определяют
многообразие применяемых средств измерения
температуры.
Основные классы данных датчиков для
промышленного применения
•
кремниевые датчики температуры,
•
биметаллические датчики,
•
жидкостные и газовые термометры,
•
термоиндикаторы,
•
термисторы,
•
термопары,
•
термопреобразователи сопротивления,
•
инфракрасные датчики.
X
содержа
ние
113/192
Датчик
Кремниевые датчики температуры
Принцип:зависимость сопротивления полупроводникового
кремния от температуры.
Диапазон измеряемых температур -50…+150 C.
Применяются в основном для измерения температуры внутри
электронных приборов.
X
содержа
ние
114/192
Датчик
Биметаллические датчики
Принцип основан на различных температурных коэффициентах
расширения металлов.
Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 C.
Для: измерения температуры поверхности
твердых тел, температуры жидкостей.
Применение:
автомобильная промышленность,
системы отопления, системы нагрева воды.
X
содержа
ние
115/192
Датчик
Термоиндикаторы
Это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием
температуры.
Изменение цвета может быть:
обратимым;
необратимым.
Производятся в виде пленок.
X
содержа
ние
116/192
Датчик
Термопреобразователи сопротивления
Принцип: R(t C)
Платиновые терморезисторы: от –260 до 1100 С.
«+»: стабильность и воспроизводимость характеристик.
Медные терморезисторы: 180 С; широкое распространение,
т.к.
«+»: имеют линейную зависимость R(t C).
«–»: ее удельное сопротивление и легкая
окисляемость.
Никелевые терморезисторы: 0…30 С.
«+»: дёшевы.
Полупроводниковые датчики температуры: от –100 до 200 С
«+»: высокий температурный коэффициент
сопротивления,
высокая стабильность характеристик во времени.
X
содержа
ние
117/192
Датчик
Инфракрасные датчики (пирометры)
Принцип:
энергия излучения нагретых тел.
Пирометры: радиационные (20…2500 С),
яркостные
(500…4000 С),
цветовые
(800… С).
Применяются:
в труднодоступных местах,
движущихся объектов,
при высоких температурах.
X
содержа
ние
118/192
Датчик
Кварцевые термопреобразователи
от – 80 до 250 С
Принцип: зависимость от ориентации среза
частоты преобразователя и линейности функции преобразования
Применяются: в цифровых термометрах.
X
содержа
ние
119/192
Датчик
Пьезоэлектрические датчики
Принцип: пьезоэлектрический эффект (пьезоэффекта).
При сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях
появляется
электрический заряд, величина которого пропорциональна
действующей силе
Пьезоэффект обратим.
Обратный пьезоэффект используется для возбуждения и
приема
акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.
Применяются для измерения:
сил,
давления,
вибрации,
температуры и т.д.
X
содержа
ние
120/192
Датчик
Оптические (фотоэлектрические) датчики
Виды:
аналоговые датчики,
дискретные датчики.
Применяются практически во всех отраслях промышленности.
«+»:
большое расстояние срабатывание.
Состоит из двух функциональных узлов:
приемника,
излучателя.
Исполнение: в одном или различных корпусах.
X
содержа
ние
121/192
Датчик
Фотоэлектрические датчики. Методы
обнаружения объекта
4 группы методов обнаружения объекта фотоэлектрическими
датчиками:
1) пересечение луча
2) отражение от рефлектора
3) отражение от объекта
4) фиксированное отражение от объекта
X
содержа
ние
122/192
Датчик
Фотодатчики. Назначения
По своему назначению фотодатчики делятся на две
основные группы:
датчики общего применения,
специальные датчики.
Задача датчика: обнаружить объект на расстоянии.
Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м
(в зависимости от выбранного типа датчика и метода
обнаружения).
X
содержа
ние
123/192
Датчик
Микроволновые датчики
Преимущества:
высочайшая производительность и надежность,
оснащаются цифровыми интерфейсами связи.
Однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее
работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов
датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться.
Недостатки:
неудобства при монтаже датчиков
затрудняет использование этих приборов в условиях пыли.
выходные сигналы некоторых приборов слабы.
К ложным срабатываниям приводит:
налипание,
пыль,
прикосновение потока продукта при его поступлении в бункер.
Позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных типов.
Итог: радиолокационные датчики
контроля скорости,
датчиков движения и др.
Основаны на взаимодействии контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 1010 Гц.
X
содержа
ние
124/192
Датчик
Отличительные особенности микроволновых датчиков
бесконтактны;
контроль объекта в целом;
малое энергопотребление;
помехоустойчивость;
направленность;
разовая настройка;
надежность, безопасность.
X
содержа
ние
125/192
Датчик
Принцип действия микроволновых датчиков
Принцип: эффект Допплера
Движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на выходе
микроволнового приемо-передающего модуля.
Уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта.
Датчики движения могут использоваться для сигнализации о
нештатных ситуациях.
X
содержа
ние
126/192
Датчик
Схемы включения датчиков
Для датчиков с аналоговым выходом широко используют:
мостовые,
дифференциальные,
компенсационные схемы включения датчиков.
X
содержа
ние
127/192
Датчик
Описания схем включения датчиков
Мостовые схемы
совместно с датчиками,
основаны на изменении сопротивлений.
Дифференциальная схема
состоит из двух смежных контуров,
изменение параметров датчика пропорционально
показаниям измерительного прибора.
Компенсационная схема
Для измерений малых ЭДС. Измеряемая ЭДС
уравновешивается равным и противоположным по знаку
падением напряжения.
X
содержа
ние
128/192
Датчик
Калибровка датчиков
Заключается в установлении зависимости между показаниями
прибора и размером измеряемой(входной) величины.
Это процесс (совокупность операций) подстройки показаний
выходной величины или индикации измерительного инструмента
до достижения согласования между эталонной величиной на
входе
и результатом на выходе (с учётом оговоренной точности).
Межкалибровочным интервалом называют календарный
промежуток времени, по истечении которого средство измерения
должно быть направлено на калибровку независимо от его
технического состояния.
Аналогично этому понятие межповерочного интервала.
Различают три вида межкалибровочных (межповерочных)
интервалов
X
содержа
ние
129/192
Датчик
Виды межкалибровочных (межповерочных) интервалов
первый
— на основе нормативных документов,
второй
— в соответствии с конкретными
условиями эксплуатации,
третий
— для ответственных измерительных операций.
Общее для всех видов межповерочных (межкалибровочных)
интервалов:
учет показателей метрологической безотказности
средств измерений, например, средней наработки на
метрологический отказ.
Определяется в процессе испытаний СИ.
В результате рассчитывают время достижения
наименьшего заданного значения вероятности отказа.
Это время и служит основой для установления межповерочного
(межкалибровочного) интервала.
X
содержа
ние
130/192
Датчик
Ошибка калибровки
Погрешность, допущенная производителем при проведении калибровки
датчика на заводе.
 a  a1 - a 
b  -
X

s 2 - s1

-разница между начальным сдвигом
и реальным значением
-ошибка при определении наклона
s 2 - s1
содержа
ние
131/192
Датчик
Гистерезис
Разность значений выходного сигнала для одного и того же
входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании.
Типичные причины:
трение,
структурные изменения материалов.
X
содержа
ние
132/192
Датчик
Нелинейность
Определяется для датчиков, передаточную функцию которых
возможно аппроксимировать прямой линией:
S = a + b * s.
Способы линеаризации:
проведение прямой через конечные точки передаточной
функции,
метод наименьших квадратов,
метод независимой линеаризации.
X
содержа
ние
133/192
Датчик
Насыщение
Каждый датчик имеет свой предел рабочих характеристик.
Датчик вошёл в зону нелинейности или в зону насыщения, если
его выходной сигнал перестаёт отвечать линейной зависимости
при определённом уровне внешнего воздействия.
X
содержа
ние
134/192
Датчик
Воспроизводимость
Способность датчика при соблюдении
выдавать идентичные результаты.
одинаковых
условий
Определяется: по максимальной разности выходных значений
датчика, полученных в двух циклах калибровки.
Причины плохой воспроизводимости результатов:
тепловой шум,
поверхностные разряды,
пластичность материалов.
X
содержа
ние
135/192
Датчик
Мёртвая зона
Нечувствительность датчика в определённом диапазоне входных
сигналов.
X
содержа
ние
136/192
Датчик
Разрешающая способность
Характеризует минимальное изменение измеряемой величины,
которое может чувствовать датчик.
Это величина изменения входного сигнала, приводящая к
появлению минимальной ступеньки на выходном сигнале датчика
при определённых условиях.
Определяется либо как средняя, либо как наихудшая величина.
Если на выходном сигнале не удаётся определить различимых
ступеней, то датчик обладает бесконечно большим разрешением.
Термин «бесконечное разрешение» ошибочен.
X
содержа
ние
137/192
Датчик
Специальные характеристики
Для некоторых датчиков необходимо указывать специальные
характеристики входных сигналов. Например, для детекторов
освещенности такой характеристикой является его
чувствительность в пределах ограниченной оптической полосы.
Следовательно, для таких датчиков необходимо определять
спектральные характеристики
X
содержа
ние
138/192
Датчик
Выходной импеданс
Выходной импеданс 𝑍𝑜𝑢𝑡 является характеристикой, указывающей
насколько легко датчик согласовывается с электронной схемой.
Сопротивление, соответствующее выходному импедансу датчика,
подключаются параллельно сопротивлению, характеризующему
входной импеданс электронной схемы 𝑍𝑖𝑛 , (потенциальное
соединение) или последовательно с ним (токовое соединение).
X
содержа
ние
139/192
Датчик
Сигнал возбуждения
Электрический сигнал, необходимый активному датчику для
работы.
Описывается: интервалом напряжений и/или тока.
X
содержа
ние
140/192
Датчик
Динамические характеристики
В стационарных условиях датчик полностью описывается
своей передаточной функцией, диапазоном
измеряемых значений, калибровочными коэффициентами и т.д.
Однако на практике выходной сигнал датчика не всегда
достаточно точно отслеживает изменение внешнего
сигнала. Причины: инерционность самого датчика и особенности
его соединения с источником внешних воздействий, не
позволяющая сигналам распространяться с бесконечно большой
скоростью.
Динамические характеристики- параметры датчика,
зависящие от времени.
X
содержа
ние
141/192
Датчик
Динамические характеристики
Динамические погрешности – погрешность датчика из-за ограниченности его
быстродействия. Отличие между статическими и динамическими
погрешностями - последние всегда зависят от времени. Если датчик входит
в состав измерительного комплекса, обладающего определенными
динамическими характеристиками, внесение дополнительных динамических
погрешностей может привести, в лучшем случае, к задержке отображения
реального значения внешнего воздействия, а, в худшем случае, - к
возникновению колебаний.
Время разогрева — время между подачей на
датчик электрического напряжения или сигнала возбуждения и моментом,
когда датчик начинает работать, обеспечивая требуемую точность измерений.
Многие датчики обладают несущественным временем разогрева. Однако
некоторые детекторы, особенно работающие в устройствах с контролируемой
температурой (термостатах), для своего разогрева требуют секунды, а то и
минуты.
В теории автоматического управления (ТАУ) принято описывать взаимосвязь
между входами и выходами устройства в виде линейных дифференциальных
уравнений с постоянными коэффициентами. Очевидно, что при решении таких
уравнений можно определить динамические характеристики устройства.
В зависимости от конструкций датчиков, уравнения, описывающие их, могут
иметь разный порядок.
X
содержа
ние
142/192
Датчик
Динамические характеристики
Датчики нулевого порядка - имеют линейную передаточную
функцию и могут быть описаны следующей зависимостью от
времени:
S(t)=a + bs(t).
Коэффициент а называется смещением, b— статической
чувствительностью. Из вида уравнения видно, что оно описывает
датчики в состав которых не входят
энергонакопительные элементы, такие как конденсаторы или
массы. Датчики нулевого порядка относятся к устройствам
мгновенного действия. Иными словами, у таких датчиков
нет необходимости определять динамические характеристики.
𝑑𝑆(𝑡)
𝑏1
+ 𝑏0 𝑆 𝑡 = 𝑠(𝑡)
𝑑𝑡
X
содержа
ние
143/192
Датчик
Динамические характеристики
Датчики первого порядка - содержат один энергонакопительный
элемент и характеризуется уравнением вида:
Типичный пример датчика первого порядка - датчик температуры,
в котором роль энергонакопительного элемента играет
теплоемкость. Для описания датчиков первого порядка
существует несколько способов.
Частотная характеристика - наиболее часто используемый способ
описания инерционности датчиков - показывающая насколько
быстро датчик может среагировать на изменение внешнего
воздействия.
X
содержа
ние
144/192
Датчик
Динамические характеристики
Для отображения
относительного уменьшения
выходного сигнала при
увеличении частоты
применяется амплитудночастотная характеристика.
Для описания динамических
характеристик датчиков
часто используется
граничная
частота,соответствующая 3дБ снижению выходного
сигнала, показывающая на
какой частоте происходит
30% уменьшение выходного
нап
ряжения или тока.
X
содержа
ние
Частотные характеристики:
А - частотная характеристика датчика
первого порядка,
Б - частотная характеристика датчика с
ограничениями по верхней и нижней
частоте среза, где 𝜏𝑢 и 𝜏𝑙 -соответствующие
постоянные времени
145/192
Датчик
Динамические характеристики
Быстродействие датчика – скорость его реакции, выражаемая в
единицах внешнего воздействия на единицу времени. Способ
описания: АЧХ или быстродействие, зависит от типа
датчика, области применения и предпочтений разработчика.
Другой способ описания быстродействия заключается в
определении времени, требуемого для достижения выходным
сигналом датчика уровня 90% от стационарного или
максимального значения при подаче на его вход ступенчатого
внешнего воздействия.
X
содержа
ние
146/192
Датчик
Динамические характеристики
Постоянная времени - мера инерционности датчика. Широко
используется для датчиков первого порядка. В терминах
электрических величин она равна произведению емкости на
сопротивление: 𝜏= CR. В тепловых терминах под С и R
понимаются теплоемкость и тепловое сопротивление.
Как правило, постоянная времени довольно легко измеряется.
Временная зависимость системы первого порядка имеет вид:
𝑆 = 𝑆𝑚 (1-𝑒 −𝑡/𝜏 )
где 𝑆𝑚 — установившееся значение выходного сигнала, t — время, а e —
основание натурального логарифма. Заменяя t на 𝜏, получаем:
𝑆
1
= 1 − = 0.6321
𝑆𝑚
𝑒
X
содержа
ние
147/192
Датчик
Динамические характеристики
Т.е. по истечении времени, равного постоянной времени,
выходной сигнал датчика достигает уровня, составляющего
приблизительно 63% от установившегося
значения. Аналогично можно показать, что по истечении
времени, равного двум постоянным времени, уровень выходного
сигнала составит 86.5%, а после трех постоянных времени - 95%.
X
содержа
ние
148/192
Датчик
Частота среза
Частота среза – наименьшая или наибольшая частота внешних
воздействий, которую датчик может воспринять без искажений.
Верхняя частота среза показывает насколько быстро датчик
реагирует на внешнее воздействие, а нижняя частота среза - с
каким самым медленным сигналом он может работать. На
практике для установления связи между постоянной времени
датчика первого порядка и его частотой среза 𝑓𝑐 , как верхней так
и нижней, используют простую формулу:
0.159
𝑓𝑐 ≈
𝜏
X
содержа
ние
149/192
Датчик
Фазовый сдвиг
Фазовый сдвиг - на определенной частоте показывает насколько
выходной сигнал отстает от внешнего воздействия. Сдвиг
измеряется либо в градусах, либо в радианах и обычно
указывается для датчиков, работающих с периодическими
сигналами. Если датчик входит в состав измерительной системы с
обратными связями, всегда необходимо знать его фазовые
характеристики. Фазовый сдвиг датчика может снизить запас по
фазе всей системы в целом и привести к возникновению
нестабильности.
Датчики второго порядка описывают поведение датчиков с двумя
энергонакопительными элементами (и описываются
дифференциальными уравнениями второго порядка):
X
содержа
ние
150/192
Датчик
Резонансная частота
Резонансная (собственная) частота – частота датчика второго
порядка выражается в герцах или радианах в секунду. На
собственной частоте происходит значительное увеличение
выходного сигнала датчика. Обычно производители указывают
значение собственной частоты датчика и его коэффициент
затухания (демпфирования). От резонансной частоты зависят
механические, тепловые и электрические свойства детекторов.
Обычно рабочий частотный диапазон датчиков выбирается либо
значительно ниже собственной частоты (по крайней мере на
60%), либо выше ее. Однако для некоторых типов датчиков
резонансная частота является рабочей. Например, детекторы
разрушения стекла, используемые в охранных системах,
настраиваются на узкую полосу частот в зоне частоты резонанса,
характерную для акустического спектра, производимого
разбивающимся стеклом.
X
содержа
ние
151/192
Датчик
Демпфирование
Демпфирование - это
значительное снижение или
подавление колебаний в датчиках
второго и более высоких
порядков. Когда выходной сигнал
устанавливается достаточно
быстро и не выходит за пределы
стационарного значения, говорят,
что система обладает
критическим затуханием, а ее
коэффициент демпфирования
равен 1. Когда коэффициент
затухания меньше 1, и выходной
сигнал превышает установившееся
значение, говорят, что система
недодемфирована. А когда
коэффициент затухания больше 1,
и сигнал устанавливается гораздо
медленнее, чем в системе с
критическим затуханием, говорят,
что система передемпфирована.
X
содержа
ние
Для колебательного выходного сигнала
коэффициент
затухания или демпфирования опреде
ляется абсолютным
значением отношения большей
амплитуды к меньшей пары
последовательно взятых полуволн
колебаний относительно установившегося
значения, т.е. можно записать:
коэффициент демпфирования =F/A = A/B
= B/C=….
152/192
Датчик
Факторы окружающей среды
•
•
•
•
X
условия хранения
дрейф
температура окружающей среды
погрешность саморазогрева
содержа
ние
153/192
Датчик
Условия хранения
Условия хранения - совокупность предельных значений
факторов окружающей среды, воздействующих на датчик в
течение определенного промежутка времени, при которых не
происходит существенного изменения его рабочих
характеристик и обеспечивается поддержание
его работоспособности.
X
содержа
ние
154/192
Датчик
Краткосрочная и долгосрочная
стабильность (дрейф)
Долгосрочная стабильность зависит от процессов старения,
которые изменяют электрические, механические, химические и
термические свойства материалов датчика. Может измеряться
достаточно длительными интервалами времени: месяцами и
годами. Долгосрочная стабильность является важной
характеристикой для датчиков, используемых для прецизионных
измерений. Cкорость старения определяется условиями хранения
и эксплуатации, а также тем, насколько хорошо элементы
датчиков изолированы от окружающей среды, и какие материалы
использовались для их изготовления.
X
содержа
ние
155/192
Датчик
Температура окружающей среды
Температура окружающей среды влияет на рабочие
характеристики датчиков, поэтому всегда должна приниматься во
внимание.
Рабочий диапазон температур - интервал окружающих
температур, задаваемых верхним и нижним предельными
значениями (например, -20...+100°С), внутри которого датчик
работает с заданной точностью.
Для снижения температурных погрешностей в состав самих
датчиков или в схемы преобразователей сигналов часто
встраиваются специальные компенсационные элементы.
Самый простой способ определения допусков по температуре
заключается в установлении интервалов внутри рабочего
диапазона температур, для каждого из которых указывается
индивидуальная погрешность.
X
содержа
ние
156/192
Датчик
Погрешность саморазогрева
Погрешность саморазогрева - появляется в датчиках,
нагревающихся от сигнала возбуждения настолько, что это
начинает влиять на его точностные х
арактеристики.
X
содержа
ние
157/192
Датчик
Надёжность
Способность датчика выполнять требуемые функции при
соблюдении определенных условии в течение заданного
промежутка времени.
Вероятность того, что устройство будет функционировать без
поломок в течение указанного интервала времени или заданного
количества циклов.
X
содержа
ние
158/192
Датчик
Статистическая оценка
Δ=s’-s
Статистическая погрешность измерений – степень достоверности полученных результатов.
Группа А: погрешности, оцениваемые статистическими методами.
Группа Б: погрешности, оцениваемые другими методами
Статистическая ошибка типа А обычно определяется по стандартному отклонению 𝑠𝑖 ,
равному положительному квадратному корню из статистически определенной дисперсии
Σ𝑠𝑖2 , деленной на число измерений 𝑣𝑖 . Для отдельных компонентов
стандартная статистическая ошибка 𝑢𝑖 обычно равна 𝑠𝑖 .
Для определения статистической ошибки типа Б обычно используют всю
доступную информацию, включающую:
•
все данные, полученные в предыдущих измерениях,
•
знания, полученные из анализа характеристик и
поведения аналогичных датчиков, использования подобных материалов и
инструментов,
•
спецификации, выданные производителем,
•
данные, полученные в процессе калибровки,
•
статистические данные, полученные из справочников и другой литературы.
Статистическая ошибка
2
2
2
2
c
1
2
i
n
u 
X
содержа
ние
u  u  ...  u  ...  u ,
159/192
Проверка знаний
Самотестирование
Самотестирование предназначено для самостоятельного контроля
знаний, полученных в ходе прохождения модулей и разделов.
Кроме того, самотестирование готовит Вас к прохождению
контрольного тестирования в конце курса. Поэтому, несмотря на
то, что результаты самотестирования не учитываются системой,
отнеситесь к прохождению задач самотестирования максимально
ответственно. Если Вы дали неправильный ответ или
сомневаетесь в выборе правильного ответа - перечитайте
материалы соответствующего модуля или раздела, и Вы
обязательно найдете ответ на вопрос, вызывающий у Вас
затруднение.
•
X
ПЕРЕЧЕНЬ И ТЕМАТИКА ВОПРОСОВ!!!
содержа
ние
164/192
Тест
Тест
Щелкните кнопку
Тест для редактирования этого теста
165
Меню
•
•
•
•
•
Начать изучение раздела
Содержание раздела
Глоссарий
Тест
Завершение раздела
166/192
Программируемые логические
контроллеры
Программируемые логические контроллеры
-микропроцессорное устройство, предназначенное
для управления технологическими процессами в
промышленности
и
другими
сложными
технологическими объектами
1. Сбор сигналов с датчиков;
2. Обработка сигналов согласно прикладному
алгоритму управления;
3. Выдача управляющих воздействий на
исполнительные устройства.
X
содержа
ние
167/192
Программируемые логические
контроллеры
Время сканирования
В нормальном режиме работы контроллер непрерывно выполняет
этот цикл с частотой от 50 раз в секунду. Время, затрачиваемое
контроллером на выполнение полного цикла, часто называют
временем (или периодом) сканирования; в большинстве
современных ПЛК сканирование может настраиваться
пользователем в диапазоне от 20 до 30000 миллисекунд. Для
быстрых технологических процессов, где критична скорость
реакции системы и требуется оперативное регулирование, время
сканирования может составлять 20 мс, однако для большинства
непрерывных процессов период 100 мс считается вполне
приемлемым.
X
содержа
ние
168/192
Программируемые логические
контроллеры
Технические характеристики контроллеров
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
X
Возможность полного резервирования.
Количество и тип поддерживаемых коммуникационных
интерфейсов.
Быстродействие.
Объем оперативной памяти.
Надежность.
Наличие специализированных средств разработки и поддержка
различных языков программирования.
Возможность изменения алгоритмов управления без остановки
работы контроллера.
Возможность локального ввода/вывода.
Вес, габаритные размеры, вид монтажа
Условия эксплуатации.
содержа
ние
169/192
Программируемые логические
контроллеры
Аппаратно контроллеры
Аппаратно контроллеры имеют модульную архитектуру и могут
состоять из следующих компонентов:
1. Базовая панель (Baseplate). Она служит для размещения на
ней других модулей системы, устанавливаемых в специально
отведенные позиции (слоты). Внутри базовой панели проходят
две шины: одна - для подачи питания на электронные модули,
другая - для пересылки данных и информационного обмена
между модулями,
2. Модуль центрального вычислительного устройства (CPU). Это
мозг системы. Собственно в нем и происходит математическая
обработка данных. Для связи с другими устройствами CPU
часто оснащается сетевым интерфейсом, поддерживающим тот
или иной коммуникационный стандарт.
X
содержа
ние
170/192
Программируемые логические
контроллеры
Аппаратно контроллеры
3. Дополнительные коммуникационные
модули. Необходимы для добавления
сетевых интерфейсов,
неподдерживаемых напрямую самим
CPU. Коммуникационные модули
существенно расширяют
возможности ПЛК по сетевому
взаимодействию. C их помощью к
контроллеру подключают узлы
распределенного ввода/вывода,
интеллектуальные полевые приборы
и станции операторского уровня.
4.
X
Блок питания. Нужен для запитки
системы от 220 V. Однако многие
ПЛК не имеют стандартного блока
питания и запитываются от
внешнего.
содержа
ние
Рис.1. Контроллер РСУ с коммуникациями
Profibus и Ethernet.
Иногда на базовую панель, помимо указанных выше, допускается
устанавливать модули ввода/вывода полевых сигналов, которые
образуют так называемый локальный ввод/вывод . Однако для
большинства РСУ (DCS) характерно использование именно
распределенного(удаленного) ввода/вывода
171/192
Программируемые логические
контроллеры
Резервированный контроллер
Отличительной особенностью
контроллеров, применяемых в
DCS, является возможность их
резервирования.
Резервирование нужно для
повышения отказоустойчивости
системы и заключается, как
правило, в дублировании
аппаратных модулей системы.
Резервируемые модули
работают параллельно и
выполняют одни и те же
функции. При этом один
модуль находится в активном
состоянии, а другой, являясь
резервом, – в режиме
“standby”. В случае отказа
активного модуля, система
автоматически переключается
на резерв (это называется
“горячий резерв”).
X
содержа
ние
Рис. 2. Резервированный контроллер с коммуникациями
Profibus и Ethernet.
172/192
Программируемые логические
контроллеры
Резервированный контроллер
Обратите внимание,
контроллеры связаны
шиной синхронизации, по
которой они мониторят
состояние друг друга. Это
решение позволяет
разнести резервированные
модули на значительное
расстояние друг от друга
(например, расположить их
в разных шкафах или даже
аппаратных).
Рис. 2. Резервированный контроллер с коммуникациями
Profibus и Ethernet.
X
содержа
ние
173/192
Программируемые логические
контроллеры
Резервированный контроллер
Допустим, в данный момент активен
левый контроллер, правый – находится
в резерве. При этом, даже находясь в
резерве, правый контроллер
располагает всеми процессными
данными и выполняет те же самые
математические операции, что и левый.
Контроллеры синхронизированы.
Предположим, случается отказ левого
контроллера, а именно модуля CPU.
Управление автоматически передается
резервному контроллеру, и теперь он
становится главным. Здесь очень
большое значение имеют время,
которое система тратит на
переключение на резерв (обычно
меньше 0.5 с) и отсутствие возмущений
(удара). Теперь система работает на
резерве. Как только инженер заменит
отказавший модуль CPU на исправный,
система автоматически передаст ему
управление и возвратится в исходное
состояние.
X
содержа
ние
Рис. 2. Резервированный контроллер с
коммуникациями Profibus и Ethernet.
174/192
Программируемые логические
контроллеры
Резервированный контроллер
На рис. 3 изображен
резервированный контроллер
S7-400H производства
Siemens. Данный контроллер
входит в состав РСУ Simatic
PCS7.
Рис. 3. Резервированный контроллер S7-400H.
X
содержа
ние
175/192
Программируемые логические
контроллеры
Резервированный контроллер
Несколько другое техническое
решение показано на примере
резервированного контроллера
FCP270 производства Foxboro
(рис. 4). Данный контроллер
входит в состав системы
управления Foxboro IA Series.
На базовой панели
инсталлировано два
процессорных модуля,
работающих как
резервированная пара, и
коммуникационный модуль для
сопряжения с оптическими
сетями стандарта Ethernet.
Взаимодействие между модулями
происходит по внутренней шине
(тоже резервированной),
спрятанной непосредственно в
базовую панель (ее не видно на
рисунке).
X
содержа
ние
Рис. 4. Резервированный контроллер FCP270.
176/192
Программируемые логические
контроллеры
Контроллер AC800M
Контроллер AC800M
производства ABB (часть РСУ
Extended Automation System
800xA).
Это не резервированный
вариант. Контроллер состоит
из двух коммуникационных
модулей, одного СPU и
одного локального модуля
ввода/вывода. Кроме этого, к
контроллеру можно
подключить до 64 внешних
модулей ввода/вывода.
X
содержа
ние
Рис. 5. Контроллер AC800M.
177/192
Программируемые логические
контроллеры
Выбор контроллера
При построении РСУ важно выбрать контроллер,
удовлетворяющий всем техническим условиям и требованиям
конкретного производства. Подбирая оптимальную
конфигурацию, инженеры оперируют определенными
техническими характеристиками промышленных контроллеров.
Наиболее значимые перечислены ниже:
1. Возможность полного резервирования. Для задач, где
отказоустойчивость критична (химия, нефтехимия, металлургия и
т.д.), применение резервированных конфигураций вполне
оправдано, тогда как для других менее ответственных
производств резервирование зачастую оказывается избыточным
решением.
2. Количество и тип поддерживаемых коммуникационных
интерфейсов. Это определяет гибкость и масштабируемость
системы управления в целом. Современные контроллеры
способны поддерживать до 10 стандартов передачи данных
одновременно, что во многом определяет их универсальность.
X
содержа
ние
178/192
Программируемые логические
контроллеры
Выбор контроллера
3. Быстродействие. Измеряется, как правило, в количестве
выполняемых в секунду элементарных операций (до 200 млн.).
Иногда быстродействие измеряется количеством обрабатываемых
за секунду функциональных блоков. Быстродействие зависит от
типа центрального процессора (популярные производители Intel, AMD, Motorola, Texas Instruments и т.д.)
4. Объем оперативной памяти. Во время работы контроллера в
его оперативную память загружены запрограммированные
пользователем алгоритмы автоматизированного управления,
операционная система, библиотечные модули и т.д. Очевидно,
чем больше оперативной памяти, тем сложнее и объемнее
алгоритмы контроллер может выполнять, тем больше простора
для творчества у программиста. Варьируется от 256 килобайт до
32 мегабайт.
5. Надежность. Наработка на отказ до 10-12 лет.
X
содержа
ние
179/192
Программируемые логические
контроллеры
Выбор контроллера
6. Наличие специализированных средств разработки и поддержка
различных языков программирования. Очевидно, что
существование специализированный среды разработки
прикладных программ – это стандарт для современного
контроллера АСУ ТП. Для удобства программиста реализуется
поддержка сразу нескольких языков как визуального, так и
текстового (процедурного) программирования (FBD, SFC, IL, LAD,
ST;).
7. Возможность изменения алгоритмов управления на “лету”
(online changes), т.е. без остановки работы контроллера. Для
большинства контроллеров, применяемых в РСУ, поддержка online
changes жизненно необходима, так как позволяет тонко
настраивать систему или расширять ее функционал прямо на
работающем производстве.
X
содержа
ние
180/192
Программируемые логические
контроллеры
Выбор контроллера
8. Возможность локального ввода/вывода. Как видно из рис. 4
контроллер Foxboro FCP270 рассчитан на работу только с
удаленной подсистемой ввода/вывода, подключаемой к нему по
оптическим каналам. Simatic S7-400 может спокойно работать как
с локальными модулями ввода/вывода (свободные слоты на
базовой панели есть), так и удаленными узлами.
9. Вес, габаритные размеры, вид монтажа (на DIN-рейку, на
монтажную панель или в стойку 19”). Важно учитывать при
проектировании и сборке системных шкафов.
10. Условия эксплуатации (температура, влажность,
механические нагрузки). Большинство промышленных
контроллеров могут работать в нечеловеческих условиях от 0 до
65 °С и при влажности до 95-98%.
X
содержа
ние
181/192
Программируемые логические
контроллеры
Пример: Система ЭТРАН
В ОАО "РЖД" создана вычислительная система, включающая в себя целый ряд информационных
систем, обеспечивающих технологический и финансовый мониторинги. Функционирует
полная модель перевозочного процесса железнодорожного транспорта страны в режиме реального
времени - внедренные в промышленную эксплуатацию и доказавшие свою эффективность
конкретные информационные технологии - ЭТРАН ("Автоматизированная система
централизованной подготовки и оформления перевозочных документов"), АСУ "Грузовой
экспресс" , АСУ ЦУМР и другие, объединенные и объединяемые в единую систему СИРИУС.
Система ЭТРАН включает следующие подсистемы:
- Ведение конвенционных запрещений и ограничений (КЗО);
- Оформление заявки на перевозку;
- Оформление перевозочных документов при отправлении;
- Оформление перевозочных документов по прибытию;
- Взаимодействие с системой АКС ФТО (автоматизированной комплексной системой фирменного
транспортного обслуживания);
- Взаимодействие с системой ЕК ИОДВ (единый комплекс интегрированной обработки дорожной
ведомости);
- Взаимодействие с системой ЕК АСУФР (единый комплекс автоматизированной системы
управления финансами и ресурсами);
- Взаимодействие с АРМ СПВ (обработки информации на пограничных передаточных станциях со
странами СНГ);
- Оформление паспорта клиента;
- Администрирование;
- Другие.
X
содержа
ние
182/192
Программируемые
логические контроллеры
Пример: Система "Грузовой Экспресс"
Система "Грузовой Экспресс" создана для повышения
эффективности управления перевозками грузов
железнодорожным транспортом через морские порты и
пограничные переходы путем оперативного регулирования
(разрешения/запрещения) погрузки и регулирования
продвижения грузов в адрес определенных припортовых станций
и пограничных переходов.
В ее составе разработана автоматизированная информационная
система внешнеторговых перевозок (АИС ВТП) с целью
обеспечения руководящего аппарата ОАО "РЖД" , ЦД и ЦУП
оперативной информацией о погрузке и наличии в процессе
перевозки на железных дорогах внешнеторговых грузов для
принятия эффективных и своевременных мер по управлению
перевозками в международном сообщении.
X
содержа
ние
183/192
Программируемые логические
контроллеры
ЦУМР (местной работы)
1) своевременное и достоверное информационное обеспечение
сменно-суточного и текущего планирования, контроля и анализа
местной работы;
2) автоматизация процессов сменно-суточного и текущего
планирования местной работы, в том числе создание
автоматизированных комплексов планирующих задач;
3) автоматизация функций контроля: хода развоза местного груза
по станциям отделения, хода грузовой работы на станциях, в том
числе в сравнении с действующими сменно-суточным и текущим
планами.
4) автоматизация учета местной работы отделения, подготовки и
ведения отчетной документации, оценки выполнения норм
сменно-суточного и текущего планирования грузовой и местной
работы, анализа результатов работы.
X
содержа
ние
184/192
Программируемые логические
контроллеры
Пример:
"Бастион-Состав" – система регистрации и контроля ЖДТ
X
содержа
ние
185/192
Программируемые логические
контроллеры
Средство разработки:SCADA
-инструментальная программа для разработки программного обеспечения
систем управления технологическими процессами в реальном времени и
сбора данных.
Основные задачи, решаемые SCADA-системами:
обмен данными с УСО,
обработка информации в РВ,
отображение информации на экране,
ведение БД РВ с технологической информацией.
сигнализация и управление тревожными сообщениями,
подготовка и генерирование отчетов,
осуществление сетевого взаимодействия,
обеспечение связи с внешними приложениями.
Позволяет разрабатывать АСУ ТП:
в клиент-серверной,
в распределенной архитектуре.
X
содержа
ние
186/192
Проверка знаний
Самотестирование
Самотестирование предназначено для самостоятельного контроля
знаний, полученных в ходе прохождения модулей и разделов.
Кроме того, самотестирование готовит Вас к прохождению
контрольного тестирования в конце курса. Поэтому, несмотря на
то, что результаты самотестирования не учитываются системой,
отнеситесь к прохождению задач самотестирования максимально
ответственно. Если Вы дали неправильный ответ или
сомневаетесь в выборе правильного ответа - перечитайте
материалы соответствующего модуля или раздела, и Вы
обязательно найдете ответ на вопрос, вызывающий у Вас
затруднение.
•
X
ПЕРЕЧЕНЬ И ТЕМАТИКА ВОПРОСОВ!!!
содержа
ние
189/192
Тест
Щелкните кнопку
Тест для редактирования этого теста
190
Проверка знаний
Итоговое тестирование
В ходе изучения разделов и модулей курса Вы получали новые
знания. Задания для самотестирования позволяли Вам проверять
усвоение новых знаний и определять в них пробелы. Теперь Вам
предстоит пройти последний, очень важный этап - контрольное
тестирование.
Вам необходимо за один подход ответить на все
предложенные вопросы. Для ответа на каждый вопрос у Вас
будет только одна попытка, о верности или ошибочности ответа
сообщаться не будет.
По окончании тестирования система подведет итог и определит
процент правильных ответов.
Контрольное тестирование состоит из 22 вопросов.
Контрольное тестирование будет считаться пройденным
успешно при уровне правильных ответов в 70%. Желаем Вам
удачи.
191/192
Итоговое тестирование
Тест
В ходе изучения разделов и модулей курса Вы получали новые
знания. Задания для самотестирования позволяли Вам проверять
усвоение новых знаний и определять в них пробелы. Теперь Вам
предстоит пройти последний, очень важный этап - контрольное
тестирование.
Вам необходимо за один подход ответить на все
предложенные вопросы. Для ответа на каждый вопрос у Вас
будет только одна попытка, о верности или ошибочности ответа
сообщаться не будет.
По окончании тестирования система подведет итог и определит
процент правильных ответов.
Контрольное тестирование состоит из 22 вопросов.
Контрольное тестирование будет считаться пройденным
успешно при уровне правильных ответов в 70%. Желаем Вам
удачи.
Щелкните кнопку
X
содержа
ние
Тест для редактирования этого теста
Повтор
192