Проблемы, связанные с заземлением в контрольно-измерительных системд. можно обобщить в следующих правилах.

• Необходимо четко определить пути протекания тока. Токи, текущие от силовд оборудования, должны возвращаться к тем же устройствам. Проводники, присд диненные к электрическим элементам, могут называться "землей", но в дейста( тельности функционировать как замкнутый контур и вызывать искажение напря жения или пиковые возмущения из-за импеданса кабелей. Следует применят-провода соответствующего сечения как для силовых цепей, так и для цепей зазем ления.

• Цифровые и аналоговые цепи должны заземляться раздельно. Когда цифрова, система изменяет свое логическое состояние, на "цифровом заземлении" мощ появляться значительные всплески напряжения. Поскольку аналоговые цепи обычно очень чувствительны к возмущениям, то раздельное заземление снижает влияние резистивной связи.

4.5.5. Выбор носителя сигнала: напряжение или ток

Выбор носителя сигнала для передачи измерительных данных от датчика к компьютеру зависит от нескольких факторов. Наиболее существенное соображение, которое следует принимать во внимание, - сигнал должен быть по возможности малочувствительным к электрическим возмущениям.

Передача сигнала напряжением

Каждый кабель обладает определенным погонным сопротивлением. Если входной импеданс последнего элемента в цепи - устройства обработки сигнала - не бесконечность, то по кабелю будет протекать ток и в результате произойдет падение напряжения. Если изменяется амплитуда сигнала, то некоторый ток потечет между проводами из-за распределенных емкостей Следовательно, разумно всегда считаться с некоторым падением напряжения линии передачи. Требование, чтобы устройства обработки имели высокий вхо ной импеданс, приводит к тому, что они очень чувствительны к помехам. -" вательно, напряжение не слишком пригодно для передачи данных в случз когда могут быть заметные помехи.

Одним из способов передачи сигнала напряжением является организация тР провод1-1ой системы (рис. 4.27). По одному проводу течет постоянный ток для ния датчика, по другому поступают сигналы от датчика к согласующим и тывающим устройствам, а третий провод является общим для обоих кон . Преимущество этого решения в том, что изменения сопротивления сигнач провода, например из-за колебаний температуры, не сказываются на сигна. этому проводу не протекает ток и, следовательно, на нем нет падения напря* Чувствительность к внешним помехам остается, однако, неизменной.

Главная причина популярности напряжения для передачи сигналов - э" ной стороны, присущая этому методу простота, а с другой - широкая достуч устройств для усиления, фильтрации и других видов обработки. Например-необходимо, чтобы один и тот же сигнал поступил на вход нескольких схеМ, точно соединить эти схемы параллельно (с учетом входного импеданса). J

это, напряжение не очень часто используется в промышленных системах, по-7 сигналы в них должны передаваться на большие расстояния и влияние ис-

скольку

очников помех может стать значительным.

усшитель с высоким входным импедансом

сигнальный провод

постоянный ток

у* измерительный резистор

источник постоянного тока

общее замыкание

Рис. 4.27. Подключение датчика в трехпроводной цепи

По двум проводам течет постоянный ток; по сигнальному проводу ток не течет, следовательно, нет падения напряжения

Наиболее важные уровни сигналов напряжения стандартизованы (стандарт IEC 381):

от +1 до -1-5 В от О до -Н5В от О до -1-10 В от -10 до -ЫОВ

Передача сигнала током

eif "РДачи сигнала на значительное расстояние лучше использовать не напрядает" "°™У то он остается постоянным по длине кабеля, а напряжение па-"ать в "Ротивления кабеля. На конце кабеля токовый сигнал можно преобразо-

При "*™ помощью высокоточного шунтирующего резистора (рис. 4.28). "пераци" " сигналов выходное напряжение датчика преобразуется enи im усилителем в ток. Приемник - операционный усилитель на конце "едацс Q ""- должен иметь нулевой входной импеданс. В действительности, им--20 ma""*" "У"™ обычно имеет порядок нескольких сотен Ом. Для Если сопротивлении шунта 250 Ом падение напряжения будет составлять ""одиой""" сигнала, т. е. преобразователь напряжения в ток, имеет высокий " Чопус-т ""Дпс, тогда любая помеха при передаче приведет к небольшому, обыч-

"ковГ*" падению напряжения на шунте. ,°<To3jjjj «гналы, как правило, используются на низких частотах до 10 Гц. При "*-.т. е оке и идеальной изоляции сопротивление кабеля не влияет на сиг-"ичинатока на входе приемника - обрабатывающей схемы - такая же.

как на выходе источника сигнала. При переменном токе влияние емкостного

фекта становится заметным и часть тока будет теряться по длине кабеля,

УХОД,

либо в обратный провод, либо в заземленный экран. Международный станда I ЕС 381 рекомендует для передачи сигналов диапазон токов 4-20 мА. Минимад 11ый уровень сигнала определен как 4 мА, чтобы можно было обнаружить разрц цепи (О мА).

преобразователь напряжения в ток

Рис. 4.28. Передача аналогового сигнала по токовой петле

Преобразователь напряжения в ток - стандартный элемент цепи. Сигнал передается по витой паре, длина которой может достигать нескольких сот метров. Шунтирующий резистор для преобразования тока в напряжение в диапазоне от 0-2 до 10 В должен иметь величину порядка 500 Ом

Питание и датчика, и преобразователя и передача выходного сигнала могут осуществляться по одной и той же паре проводов. Это можно сделать при условии, что ток, потребляемый датчиком и преобразователем, не меняется, тогда любое изменение тока в цепи, очевидно, отражает работу датчика. Напротив, как было сказано рацее, передача сигнала напряжением требует трех кабелей.

Подводя итоги, можно сказать, что измерительная система, использующая ток для передачи сигнала и датчик, гальванически изолированный от выходного сигнала, имеет несколько преимуществ:

- удовлетворительно работает на протяженных коммуникациях;

- допускает простую процедуру проверки, поскольку величина тока О мА означа ет, что датчик отключен или линия разомкнута;

- обеспечивает хорошую защиту от помех;

- для системы достаточно только два провода, что позволяет снизить затраты-

4.5.6. Передача оптических сигналов

Передача сигналов по оптоволоконному кабелю стала обычной практикой во мно гих измерительных и коммуникационных приложениях. Оптическая передача иН формации требует весьма сложного и, соответственно, дорогостоящего цифрово" коммуникационного оборудования. С помощью светодиодов (light-emitting diode LED) цифровые электрические сигналы преобразуются в световые импульсы, котО рые затем передаются по оптическому волокну. На приемном конце световые Ш

сы снова преобразуются в электрические сигналы с помощью оптоэлектронных

,.гчиК0В-

Оптический сигнал невосприимчив к магнитным и электрическим помехам и печивает абсолютную изоляцию. Этот способ передачи предпочтителен для /" ц1их расстояний (>1 км), а также в сложных условиях, например вблизи элект-°° игателей и преобразователей частоты. Применение оптических сигналов в тех-°ских системах обусловлено в большей степени их помехоустойчивостью, чем ысокой пропускной способностью. Более подробно оптические системы связи рассмотрены в разделе 9.3.8.

4.6. Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы

Очень часто для управления достаточно исполнительных механизмов, имеющих только два рабочих состояния. Эти механизмы называются двухпозиционными или бинарными. Они похожи на электрический выключатель: включен - есть ток, выключен - тока нет. К двухпозиционным исполнительным механизмам, в частности, относятся магнитные клапаны, электромагнитные реле и электронные твердотельные выключатели. Для управления такими механизмами достаточно одного-двух бит, которые легко можно получить на выходе управляющего компьютера. Управляющий сигнал можно усиливать простым переключателем, а не сложным линейным усилителем.

Бинарные исполнительные механизмы бывают с одним (monostable) и двумя (bistable) устойчивыми состояниями. Исполнительный механизм с одним устойчивым состоянием, которому соответствует отключение питания, управляется только одним сигналом. Дистанционный контактор электродвигателя обычно является устройством такого типа. Пока на контактор приходит управляющий сигнал, двигатель получает питание, но как только сигнал пропадает, питание выключается.

Устройство с двумя устойчивыми состояниями сохраняет свое текущее состояние до тех пор, пока не получит новый управляющий сигнал, изменяющий его. Можно сказать, что исполнительный механизм "помнит" свое последнее положение. Например, чтобы привести в движение цилиндр, управляемый магнитным клапаном с дву-ц-*"°ивыми положениями, необходимы один сигнал для открытия и другой сиг-для закрытия. Исполнительные механизмы с двумя устойчивыми состояниями Равляются импульсными, а не аналоговыми сигналами.

i. Управляемые выключатели

Напп" °°™ выходного сигнала компьютера обычно очень мал: уровень Го" J""™ "мощного" выходного сигнала лежит между -i-2 В и -i-5 В, а "маломощно-Рав - Максимальный ток зависит от присоединенной нагрузки, но, как fAKain ° " Обычный выходной порт компьютера выдает мощность по-

еха означает, что для управления большинством исполнительных

МЫр сигнал компьютера нужно усилить. Для этого используются управляе-

Выключатели.

Глава 4. ВхоХВД выход фттесал

---"" Про,

Наиболее распространенным электрически изо/г-Олированным выключате стемах управления всегда было электромеханичесэеское реле. Реле - наде* ключатель, который может работать как на перемеяенном, так и на постояи Ток, протекающий по обмотке реле, создает магни"ИИТное поле, пepeмeщaI(oщgg*"

( вухпозиционные) исполнительные механизмы

из одного положения в другое. Таким образом, рабоазмыкаются и замыкаются трические контакты, которые сами по себе могутгт пропускать токи, значит большие, чем требуется для управления собственяятно реле. Типичный ток обГ реле составляет около 0.5 А при напряжении 12 В, ,8, поэтому реле нельзя vnn.°* непосредственно с выхода компьютера; требуетсягя промежуточный выключат средней мощности, например транзисторный уситснлитель, который устанавтива ся между выходом компьютера и реле. При проект ктировании систем с реле всег необходимо помнить о проблемах энергоснабженипия, поэтому при снято1м питанг реле должно принимать безопасное положение. - Другими словами, отключеи питания релейной системы не должно приводитнтгь к нежелательному поведени; присоединенной нагрузки.

Существуют различные типы реле в широком д диапазоне мощностей от ми.щц. вольтных поляризованных реле до киловаттных когнтакторов. Маломощные поляризованные реле для коммутаций сигналов небольшоной мощности существуют в испо.т нении на платах расширения компьютера. Реле длзи1я больших мощностей слишкоу велики для этого и устанавливаются отдельно, чанххе всего в закрытых стойка.х.Ло полнительным преимуществом реле является то, чтТго их работа хорошо знакома .монтажникам и обслуживающему персоналу.

Среди недостатков реле следует отметить их ооотносительно низкое быстродей ствие - переключение требует порядка несколькихнх миллисекунд, вмести микросе кунд для электронных устройств. У реле, так же как 5с и у механических выключате.» бывает так называемое дребезжание контактов (раз;з,«дел 4.3.1), которое мож;ет вызват: помехи, что в свою очередь влияет на измерительнуЕЗю аппаратуру и электронику да пьютера.

Твердотельные полупроводниковые приборы О (solid-state semiconductor) прт няются для переключений больших мощностей, гопоскольку лишены """и,. статков реле. Твердотельный выключатель имеет уг-правляющий вход, присое ный к устройству управления. Твердотельные s силовые выключатели- приводиться в действие непосредственно выходным>и сигналами цепей цифР гики, поэтому их довольно просто использовать в ксэ:омпьютерном управлени

Различные типы управляемых выключателей ис пользуются для омму лых и средних мощностей. Интегральные схемы с транзисторным вых .ют использовать до напряжений порядка 80 В и токов ДО 1 -5 А; такие "jbioTf ся выходным сигналом компьютера. Когда уровень выходного цepe}« превышает 2.4 В, ток, управляемый электронным вь=1ключателем, прот jt полнительный механизм, а когда уровень сигнала ниже 0.4 Ь, тран 35""

ток не течет. В такой конфигурации транзистор рабсз-отает как простои нас

ся усилитель. „„,,ияться "

Для больших мощностей конструкция выключа~*теля может If.ciof роговых транзисторах (discrete power transistors) и ;ли полевых МОП-тра (полевой транзистор со структурой металл-оксиид-полупроводник, Semiconductor Field-Effect Transistor - MOSFET). Тггакие цепи могут пропу

.gjHHapH

ивать разность потенциалов более 100 В. Из-за наличия внутренне-, jO А " "для при прохождении тока транзистор рассеивает некоторую энергию, (осопрот"" избежать перегрева, их нужно монтировать с учетом требований охлаждения- у большими мощностями (> 100 Вт) между выходом компьютера

При У"Р выключателем не должно быть прямых электрических связей, в про-и выключатель является источником помех, которые могут повлиять на

тивном с.. jppjg rQYO, при пробое выключателя высокое напряжение, работу jg jjjj питания привода, может повредить компьютер через прямую "Р" ескую связь. Чтобы избежать указанных проблем, необходима гальваничес-звязка например схема с использованием оптической передачи сигнала управ-тдая включающая светодиод и фототранзистор, расположенные вблизи друг друга ,1 исключающие прямой электрический контакт.

Важный класс полупроводниковых выключателей - тиристоры. Типичными представителями этого класса являются симметричный триодный тиристор, или си-мистор (TRIode АС semiconductor - Triacs), и однооперационный триоидный тиристор, или однооперационный тринистор (Silicon-Controlled Rectifier - SCR). Другое название этих полупроводниковых приборов - управляемые твердотельные выпря-.мители (solid-state controlled rectifiers).

После того как тиристор, включенный управляющим импульсом, "поджигается", он будет оставаться включенным до тех пор, пока через него течет ток. Другими словами, в отличие от силового или полевого транзистора тиристор не выключается, когда исчезает управляющий сигнал. Тиристор не отключается даже если приложенное напряжение падает до нуля. Отключение происходит только в том случае, если управляющее напряжение меняет знак - вынужденная коммутация. Тиристоры 1аще всего используются для отключения переменных токов, потому что изменение Риод по™ через одинаковые промежутки времени, по крайней мере один раз за пе-CTRPUU погасить тиристор при отсутствии управляющего импульса - есте-

коммутация. .у f ш у

чли потевые" управлять значительно большими мощностями, чем силовые

Ристора прак-ги проводящем состоянии внутреннее сопротивление ти-"-а миниы " равно нулю, соответственно, падение напряжения и выделение имальны, и ими можно пренебречь.

4 5 2

• • Отключение индуктивных нагрузок

--слиоткл---

"""атель "f/"о-иительноеустройство с индуктивностью - например,

«оя,

, Или J - "J l\LXtLJLl\J\..l OClIljjyiiVlCp, ЭЛСКТ"

пробп соленоида - с помощью обычного выключателя, то могут

емы. Напряжение на индукторе исполнительного устройства равно

г di dt

Где/

WaTn""T"iHocTi я тать biCTpo исполнительного устройства. Если ток отключается

"ачитет, ,„° ""Ржение на индуктивности в процессе отключения может "Ь1м (рис. 4.29).