книги из ГПНТБ / Основы автоматизации для металлургов

код, чаще всего код Грея. Измеренные цифровые значения обычно

от точности кодовой схемы и расположения считывающего уст­ ройства. Точность лимитируется разрешающей способностью, обу­ словленной минимальной ценой деления кодового диска. Число делений по всему периметру (360°) обычно составляет 27 —21 0 (128—1024), максимум 21 3 = 8292. Скорость преобразования зависит от скорости регулировки и, если принять во внимание способ при­ менения преобразователя, не является основным показателем. Важным показателем является длительность преобразования, яв­ ляющаяся интервалом времени, в течение которого осуществляется один цикл измерений и получается один результат — одно значение измеренной величины. Это время приходится на осуществление считывания и получение информации с аналого-цифрового пре­ образователя. Длительность преобразования следует отличать от периода повторения при автоматически повторяемых измерениях. Период повторения должен быть всегда более длительным, чем время преобразования.

Аналого-цифровые компенсационные преобразователи

Основными узлами преобразователя являются два органа (блока, элемента), осуществляющие противоположные преобразо­ вания (рис. 13, а) . Прямое преобразование осуществляет аналогоцифровой преобразователь, преобразующий аналоговую величину в цифровую. Органом обратной связи служит цифро-аналоговый преобразователь. Он совершает обратное преобразование циф­ ровой величины в аналоговую, которая в блоке сравнения сравни­ вается с первоначальной аналоговой величиной. Принцип этого

пока цифровой выход не будет соответствовать аналоговому входу. При этом разность между входным сигналом и сигналом обратной связи снизится до величины, при которой аналого-цифровое пре­

на блок управления и коммутации, который последовательно воз­ буждает катушки реле Ri—Ro. Затем по положению контактов определяют цифровое значение измеряемой величины в двоичной системе (замкнутый контакт — 1, разомкнутый — 0). Компенсаци­ онное напряжение формируется по положению контактов этих же реле. Цифро-аналоговый преобразователь состоит из источников напряжений, полученных по эталонному напряжению с помощью омических делителей, значения которых соответствуют отдельным

весовым коэффициентам использованного двоичного кода. В за­ висимости от положения контактов реле отдельные источники на­ пряжения подсоединяются ко входу сумматора. Суммированные напряжения создают компенсационное напряжение.

Работу преобразователя можно объяснить на примере измере­ ния напряжения, равного 21 в. В начале измерения все контакты

UM-Uк

блок упрабления и переключения

„!"-/2д

к сумматору напряжение 16 в (самый высокий двоичный разряд). Разность напряжений на выходе блока сравнения вновь оказыва­ ется положительной, поэтому блок управления, вновь возбуждает реле Из, которое подсоединит к сумматору источник напряжение 8 е. Компенсационное напряжение равно тогда 24 в. Разность нап­ ряжений получается отрицательной, блок управления в этом слу­ чае рассоединяет контур катушки реле Rs и возбуждает следую­ щую катушку реле R2- Контакт г2 присоединяет к сумматору напряжение 4 в. Разность напряжений на выходе блока сравнения положительная, контур реле остается включенным и возбуждается

52

дешифратора это значение переводится в десятичный код, а ре­ зультат появляется на цифровом индикаторе.

В действительности конструкция компенсационных аналогоцифровых преобразователей намного сложнее. Старые преобразо­ ватели были электромеханическими, при их изготовлении исполь­

лого-цифровые преобразователи, отличающиеся большой скоростью преобразования, высокой надежностью и длительным сроком службы. По сравнению с другими типами преобразователей ана­ лого-цифровые преобразователи отличаются высокой точностью

Эти преобразователи работают по принципу косвенного преоб­ разования. Входная величина преобразуется в соответствующие

интервалы времени, которые затем измеряются с помощью счет­ чика импульсов. Принцип работы преобразователя показан на рис. 14.

В устройство сравнения преобразователя (компаратор) пода­ ются три напряжения: измеряемое і/ м , » постоянное опорное напря­ жение Un и напряжение пилообразного колебания с линейной ча­ стью, имеющей постоянный угол наклона. Когда напряжение пило­ образного колебания достигнет значения опорного напряжения (точка пересечения Л), компаратор посылает импульс, который от­ крывает клапан, и счетчик начинает отсчет импульсов от генера­ тора. Когда напряжение пилообразного колебания достигнет зна­ чения измеряемого напряжения (точка пересечения В ) , компара­ тор вновь посылает импульс, который клапан закрывает. В точке пересечения С количество импульсов можно считать со счетчика. Это количество импульсов пропорционально времени Л^, а тем са­ мым и разности напряжений UML — UR. Когда UR = 0, показания

счетчика прямо пропорциональны напряжению, измеренному в те­ чение времени t\. По истечении определенного времени, достаточ­ ного для считывания, показания счетчика сбрасываются и он уста­ навливается на нуль, цикл повторяется и замеряется напряжение в течение времени t2 и т. д.

Эти аналого-цифровые преобразователи по сравнению с ком­ пенсационными преобразователями являются более простыми и де­ шевыми, но они менее точны и имеют большую длительность пре­ образования.

Цифро-аналоговый преобразователь цифровых данных в напряжение

Прямое преобразование цифровых данных осуществляется пе­ реключением сопротивлений или источников напряжения. Преобра­ зователь с переключением источников был применен в системе об­ ратной связи аналого-цифрового компенсационного преобразова­ теля. Схема цифро-аналогового преобразователя с переключением источников приведена на рис. 15. Если предположить, что коэффи­ циент усиления усилителя постоянного тока достаточно велик (он достигает 108 ), то для выходного напряжения UBBLX справедливо выражение

Значение сопротивления Rz изменяют при помощи реле 0—5 в за­ висимости от значения входной цифровой величины. Если на входе имеется цифровой десятичный код 38, то в дешифраторе он преоб­ разуется в двоичную систему и станет 100 110. На выходе из де­ шифратора единичному значению соответствует, например, напря­ жение 12 в, а нулевому значению соответствует нулевое напряже­ ние. Единичные сигналы включат размыкающие контакты соответ­ ствующих реле (5, 2, 1). Результирующее сопротивление Rz будет равно 380 ком. Выходное напряжение можно рассчитать по фор­ муле (25). Значение UBX можно выбирать в зависимости от типа усилителя. В данном случае

54

Защитное сопротивление Я3ящ служит для того, чтобы не зако­ ротить выход и вход усилителя при нулевом цифровом входе. Для расчета сопротивления Rz значением защитного сопротивления

# з а щ = Ю ом пренебрегаем.

Аналогобый выход

Ußx'const R0

Si !

и1 0!

Рис. 15. Цифро - аналоговый преобразователь с переключением сопротивлений

Среди других типов цифро-аналоговых преобразователей ука­ жем шаговые двигатели, которые осуществляют преобразование цифровой величины в угол поворота, а также цифро-аналоговые

J

5

_J

д а н н ы х в н а п р я ж е н и е

компенсационные преобразователи, у которых в систему обратной связи включен аналого-цифровой преобразователь — это преоб­ разователь, аналогичный аналого-цифровому компенсационному

55

преобразователю. Блок-схема такого преобразователя, преобразую­ щего цифровые данные в напряжение, а затем в угол поворота, приведена на рис. 16.

4. СИСТЕМЫ СБОРА ИНФОРМАЦИИ

Ранее мы в общих чертах описали и расклассифицировали си­ стемы сбора информации. Ниже рассмотрим этот вопрос более подробно.

К самым старым системам относится децентрализованная си­ стема сбора информации человеком без использования технических средств. Эта система характеризуется прежде всего значительным запаздыванием получения информации о событии по сравнению с моментом возникновения события. Регулирование при этом осу­

Более совершенной системой является централизованный сбор информации при помощи диспетчерской телефонной сети, докумен­ тов и частично датчиков, который позволяет оперативно устранять некоторые неполадки в ходе производственного процесса. Но при этом отсутствует информация о комплексном состоянии производ­ ства. Хотя при этом также используются вычислительные центры, но деятельность этих центров ограничивается лишь вопросами пла­ нирования и оценки.

Эти системы гораздо чаще используются для управления про­ изводством, а не для регулирования технологических процессов. Хотя централизованный сбор информации и позволяет следить за технологическим процессом в целом, его нельзя использовать для

щему персоналу наблюдение за показаниями этих приборов и ре­ гистрацию этих показаний.

Отдельные данные необходимо записывать в документы, кото­ рые нужны в текущий момент или для дальнейшей обработки. Для этого обычно требуется специальный работник, причем нет гаран­ тии, что данные, за которыми ведется наблюдение, записываются точно в назначенное время, не исключены и ошибки при считыва­ нии данных. Период между регистрацией показаний первого и по­ следнего прибора настолько велик, что часто даже нельзя провести точную оценку взаимосвязи отдельных параметров, особенно при быстро протекающих процессах.

Записи регистрирующих приборов обрабатываются в специаль­ ных вычислительных отделах, где они, например, планиметрируются. При сильных колебаниях измеряемых величин и малых ско­ ростях движения диаграммной бумаги зарегистрированную запись нельзя точно планиметрировать. Полученные при этом результаты из-за большой потери времени уже не могут быть использованы непосредственно для управления производством, поэтому их ис-

56

пользуют лишь для дополнительной оценки процесса, например для составления теплового или материального баланса, или они проходят дальнейшую обработку для нужд экономистов, работни­ ков плановых органов, отделов подготовки производства, для про­ верки на моделях и т. д.

При автоматизации металлургических агрегатов необходимо определить основные связи и зависимости между отдельными па­ раметрами и их влияние на ход процесса. Необходимо получить об исследуемой проблеме возможно большее количество информа­ ции, чтобы и сделанные выводы были возможно более точными. Поэтому нужно повысить точность отсчета данных на измеритель­ ных приборах (использовать цифровую измерительную технику) и обеспечить быстрое считывание нескольких десятков и сотен дан­ ных таким образом, чтобы они удовлетворяли современным требо­ ваниям.

Выполнение этой задачи обеспечивается системой централизо­ ванного сбора информации при помощи специально сконструиро­

информации на перфоленте, перфокартах или магнитной ленте, что позволит производить машинную обработку данных (системы «oîf line»), и на системы с ЭВМ, непосредственно связанной с ка­ налами информации (системы «on line»).

Наиболее часто применяемая система сбора информации «off line» включает в себя оборудование для непрерывного автоматиче­ ского сбора и регистрации информации и оборудование для перио­ дического полуавтоматического или ручного сбора информации с ее автоматической регистрацией.

Непрерывный автоматизированный сбор информации необхо­ дим для контроля использования производственного оборудования, количества производимой продукции и ее качества, а также для контроля стабильности параметров технологического процесса. Эта первичная информация формируется датчиками и лишь в некото­ рых случаях ее дополняет человек.

Периодический полуавтоматический сбор информации охваты­ вает информацию, которую раньше вручную записывали в доку­ ментах. Регистрация информации осуществляется чаще всего на перфоленту и перфокарты или она печатается печатающим уст­ ройством.

Кроме того, в этих системах используется некоторое оборудова­ ние из диспетчерских систем, например световые табло, диспетчер­ ская телефонная сеть, промышленное телевидение и др.

Приборы, которыми оснащены полуавтоматические и ручные системы, образуют сеть абонентских телетайпных установок, обе­ спечивающих перфорирование и дистанционную передачу инфор­ мации. При этом информация регистрируется на перфокартах, пер­ фоленте, магнитофонной ленте или записывается в специальные

57

документы, пригодные ДЛИ машинной обработки. Например, опти­ ческий датчик ЛЕО Л Е К Т О Р считывает данные с документа, раз­ деленного на столбцы. В документе пером чертятся наклонные ли­ нии так, чтобы они образовывали весовой код (каждому столбцу

на отдельных участках по сбору информации. Это оборудование используют большей частью в системах для решения финансовых и административно-хозяйственных задач (для расчета зарплаты,

и регистрировать параметры технологического процесса. Эти функ­ ции выполняют центральные измерительные станции, которые в большинстве случаев работают в системе «off line», а также уп­ равляющие ЭВМ, оснащенные средствами для сбора информации и работающие в системе «on line». В первоначальный период уп­

используют измерительную станцию, а потом на втором этапе уп­ равляющую ЭВМ. Вопрос о целесообразности этого очень слож­ ный и требует отдельного решения в каждом конкретном случае.

При решении вопросов управления технологическими процес­ сами в металлургии измерительная станция еще долго не потеряет своего значения, поэтому она заслуживает более подробного опи­ сания.

Описание центральной измерительной станции

Развитие методов автоматического получения, сбора и контроля информации и регистрации ее в цифровой форме послужило основ­ ной предпосылкой изобретения цифрового вольтметра, являюще­ гося по существу аналого-цифровым преобразователем. Цифровой вольтметр имеет следующие преимущества: прямое изображение (индикация) результатов измерений в цифровой форме, большая скорость работы (до 10 000 считываемых значений в секунду), вы­ сокая точность (до 0,001%), высокая разрешающая способность, полностью автоматическая работа, высокое полное входное напря­ жение (импеданс). Такой вольтметр создает очень небольшую на­ грузку на выходе датчика информации. Интегрирующий цифровой вольтметр, кроме того, позволяет очень точно осуществлять изме­ рения даже в тех случаях, когда имеется высокий уровень помех.

58

Это преимущество является очень важным в тех случаях, когда нужно производить измерения в среде с очень высоким индуциру­ емым напряжением помех, например на электростанциях, в стале­ плавильных цехах и др.

В состав простой измерительной станции входят аналого-циф­ ровой преобразователь (цифровой вольтметр), соединенный с ре-

Рас. П. Блок - схема центральной измерительной станции

гистрирующим устройством (печатающим, перфорирующим устрой­ ством или устройством для записи на магнитную ленту и др.), а также входной переключатель, который в самом простом случае позволяет последовательно подсоединить к аналого-цифровому преобразователю несколько измеряемых напряжений. Большинство измерительных станций можно разделить на три основные системы: входную, собственно цифровую измерительную и выходную (рис. 17). Ниже приводится описание узлов, из которых состоит каждая система, и общие принципы их построения.

Входная система измерительной станции

В зависимости от конструкции измерительная станция может иметь несколько десятков и даже несколько сотен входов. Входная система состоит из целого ряда аналоговых входов, к которым под­ водится напряжение постоянного тока, подаваемое от термоэле­ ментов, датчиков давления и др. Кроме аналоговых входов, кото­ рые составляют большинство, есть и другие входы, где входной сигнал считывается с датчиков прямо в цифровой форме. Эти дат­ чики, в основу которых положен непосредственно цифровой способ измерений, применяются в тех случаях, когда выходной сигнал

59

дятся с помощью клавиатуры, кольце- Рис. is. п у л ь т ручного ввода вых переключателей или другим спо­ собом. Пульты должны быть снаб­ жены защитой от вмешательства посторонних лиц. Для этого

обычно используют выключатели, которые можно включить только при помощи особого ключа.

Многие типы датчиков, подсоединяемых к входным каналам, требуют, кроме того, использования специальных устройств для обеспечения их работы. Например, термопары требуют точного поддержания температуры холодного спая; тензометрические дат­ чики требуют применения мостовой схемы с изменяемой чувстви­ тельностью и с компенсацией; потенциометры и другие датчики требуют подачи опорного напряжения и т. д. Все эти дополнитель­

обеспечивается переключателем входных каналов. Интервал между отдельными измерениями выбирают в зависимости от характера процесса. Он может быть от нескольких секунд до нескольких ча­ сов. На современных измерительных станциях интервал между двумя измерениями лимитируется скоростью записи. Скоростные станции обычно имеют буферное запоминающее устройство, по­ этому регистрация может осуществляться более медленно в ин­ тервалах между запрограммированными измерениями. Собственно измерения протекают быстро, и при большой частоте опроса можно считать, что измерения в начале и в конце цикла опроса будут проведены.практически одновременно.

Наиболее пригодными коммутационными элементами для этих переключателей являются реле. Чаще других применяют вибра­ ционные реле, так как они имеют большую рабочую скорость, про­ изводят мало шума и мало чувствительны к влиянию загрязнения окружающего воздуха. Хороший релейный переключатель входов

60