|
|
|
SISTEME DE INTERFATA
1. Introducere
Initial, calculatorul de proces s-a nascut prin adaugarea la un calculator universal a unui sistem de interfata cu procesul, numit de multe ori si cuplor de proces. Acesta are sarcina adaptarii intr-o forma convenabila a informatiilor provenind din proces, precum si transmiterea catre proces a comenzilor elaborate de catre calculator in forma acceptata de acesta.
1.1. Structura generala a unui sistem de conducerea proceselor
Pornind de la consideratiile enuntate mai sus, conducerea numerica directa reprezinta metoda de conducere prin care echipamentul de conducere comanda direct elementele de executie cu care este prevazut procesul. Comenzile catre proces sunt elaborate in urma prelucrarii abaterii fata de marimea de referinta a valorii unei marimi de calitate ce se doreste a se pastra riguros constanta, sau pein urmarirea unui anumit profil al marimii de calitate. In aceste structuri, echipamentul de conducere inlocuieste regulatoarele conventionale asa cum se vede in figura 1.
Figura 1.1
Un echipament de conducere se poate privi ca fiind grefat pe pe o structura in care locul central este ocupat de un sisyem clasic cu microprocesor, avand particularitati legate de varianta constructiva ce trebuie sa satisfaca conditiile de functionare in mediul industrial. In acest sens, in figura 1.2 se da o structura generala a unui calculator de proces.
Sistemul de interfata cu procesul industrial condus reprezinta elementul caracteristic din structura calculatoarelor de proces. El are rolul de adaptare a informatiilor din si spre proces, avand in general forma analogica, in inforatii in forma numerica cu care calculatorul poate opera.
a) Pornind de la fluxurile de informatii ce strabat sistemul de interfata, poate fi considerat ca avand in compunere sistemul intrarilor (SI) si sistemul iesirilor (SO).
Figura 1.2
Sistemul intrarilor primeste doua tipri de informatii din proces :
analogice - informatii ce vor fi convertite intr-o forma numerica adecvata prelucrarii;
numerice - informatii in majoritate binare indicand o stare din doua posibile, sau intrari sub forma de tren de impulsuri.
Natura semnalelor face ca sistemul intrarilor sa poata fi impartit in doua subsisteme si anume : subsistemul intrarilor analogice (SIA) si subsistemul intrarilor numerice (SIN).
Similar, sistemul iesirilor prin natura semnalelor ce le emite poate fi impartit in doua componente : subsistemull iesirilor numerice (SON) si subsistemul iesirilor analogice (SOA).
Plecand de la faptul ca orice placheta de interfata trebuie sa fie adaptata configuratiei magistralei interne a sistemului de conducere la care este cuplata, unul dintre elementele primare ale proiectarii sistemului de interfata este dat de configuratia magistralei sistemului de calcul.
b) Magistrala esterna - pentru realizarea conectarii cu dispozitivele de intrare/iesire (deci si cu sistemul de interfata), se pune problema prelungirii magistralei unitatii centrale spre modulele componente ale sistemului. Aceasta necesitate rezida si din faptul ca realizarea unui echipament de conducere necesita executarea mai multor module ce se introduc in unul sau mai multe sertare, si din necesitatea de asigurare a interschimbabilitatii modelelor componente.
Functie de puterea de calcul, sunt posibile doua variante de realizare a echipamentelor de conducere:
structuri monoprocesor, cu magistrala similara tipului de microprocesor cu care ste echipata unitatea centrala (microprocesoare de 8, 16, 32 biti);
structuri multiprocesor - mai multe module pot avea functia de master.
1.2. Structura sistemul de interfata
Sistemul de interfata cu procesul condus (SIP) este destinat adaptarii corespunzatoare a semnalelor purtatoare de informatie si comanda intre sistemul de conducere si procesul industrial condus. In general, marimile masurate sunt fie marimi analogice a caror semnificatie poate fi temperatura, presiune, nivel, debit, densitate, frecventa si amplitudinea vibratiilor, viteza etc, fie marimi numerice cu semnificatia atingerii limitatoarelor de cursa, starea unor contacte etc.
Aceste marimi sunt furnizate la intrarea sistemului de interfata sub forma de semnale electrice ce pot fi clasificate astfel :
continue : de curent, in gama 2-10, 4-20 mA;
de tensiune, in gamele : 0-100V, ±10V, 0-20mV;
discontinue : impulsuri de frecventa fixa, modulate in amplitudine;
indicand starea unor elemente;
indicand valoarea numerica a unor marimi: in forma binara, in forma binar codificat zecimal, in forma zecimala;
semnale cvasinumerice : numar de impulsuri intr-o secunda, frecventa unui tren de impulsuri, perioada unui tren de impulsuri
de tip curent in gama 2-10, 4-20mA;
de tensiune in gama ±10V;
cu doua stari (pornit/oprit);
propriuzise (marimi de referinta);
Pornind de la diversitatea ipurilor de semnale ce terbuies transformate intr-o forma adecvata prelcrarii de catre sistemul de conducere, adica in forma numarica, precum si de tipul semnalelor de comanda in care trebuiesc convertite comenzile elaborate sub forma numerica d sistemul de conducere, o structura a sistemului de interfata este cea prezentata in figura 1.3.
Subsistemul intrarilor analogice (SIA) transforma semnalele de masura in marimi numerice reprezentate pe 8, 10, 12, 16 biti. Subsistemul iesirilor analogice (SOA) primeste la intrare marimi numerice pe carele transforma in semnale de tensiune sau curent prin care comanda elementele de executie.
Figura 1.3
Pe langa aceste functii, sistemul de interfata are rolul de a asigura si protectie galvanica intre echipamentul de conducere si procesul industrial condus.
2. Subsistemul intrarilor analogice
Subsistemul intrarilor analogice constituie partea sistemului de interfata ce permite obtinerea informatiilor cantitative despre procesul condus, reprezentate intr-o forma ce asigura compatibilitatea cu sistemul de calcul. Chiar daca este posibila manipularea datelor pur analogice in scopul inregistrarii si al inchiderii buclei de reglare, nu este posibila memorarea si interpretarea acestora.
Bineinteles ca in toate cazurile se au in vedere semnale electrice, intrucat un astfel de semnal poate fi digitizat in scopul prelucrarii cu un calculator numeric. In cazul in care iesirea traductorului nu este un semnal de natura electrica (hidraulica sau pneumatica de exemplu), acesta va fi transformat intr-un semnal electric utilizand un convertor presiune-curent.
2.1. Analiza performantelor SIA
Se incearca in acest paragraf sa se analizeze principalele caracteristici ce determina performantele subsistemului intrarilor analogice. Principalii parametrii ce caracterizeaza lantul intrarilor analogoce sunt :
rejectia erorilor de mod comun;
stabilitatea cu temperatura;
rezolutia;
precizia elementelor componente ale subsistemului;
durata conversiei.
Rejectia erorilor de mod comun. Erorile de mod comun apar datorita diferentei de potentia intre masa traductorului si masa punctului de conectare la SIA. Notand VS valoarea in tensiune a semnalului la iesirea traductorului, Vg valoarea diferentei de potential intre masa traductorului si masa SIA si cu Vin valoarea diferentei de potential la intrarea SIA, se obtine conform cu figura 2.1:
Vin = VS + Vg
Figura 2.1
Intrucat la distante de ordinul sutelor de metri (distante uzuale in industrie) diferenta de potential Vg este de ordinul a 200-300V, amplificate de curentii de circulatie, la intrarea SIA semnalul Vin este mult amplificat fata de VS. Din acest motiv se va utiliza modul de intrare diferentiala (figura 2.2), mod de intrare ce elimina o parte din erorile de mod comun, fiind posibile erori datorate impedantelor neuniforme ale liniilor, abaterilor caracteristicii amplificatorului operational.
Figura 2.2
Tinand cont de faptul ca rezistenta liniei este de ordinul sutelor de ohmi, impedanta de intrare in SIA de ordinul megohmilor sau zecilor de megohmi, iar rezistenta de izolatie fata de masa de ordinul sutelor de meghomi, se poate construi un model cu parametrii concentrati ai circuitului din figura 2.2, model ce este reprezentat in figura 2.3.
Figura 2.3
Pentru a determina influenta tensiunii de mod comun Vg asupra tensiunii de intrare Vin se poate folosi principiul superpozitiei neutralizand sursa de semnal. Schema echivalenta este prezentata in figura 2.4.
Se obtine astfel : Vin = Iin * Rin
Figura 2.4
Dupa determinarea curentului Iin datorat sursei Vg prin rezistent de intrare se poate calcula contributia tensiunii de mod comun la intrarea SIA, obtinand:
x
Tinand cont de valorile date mai sus se poate considera ca termenii R1*Rg2/Rin si R2*Rg1/Rin sunt aproximativ zero. Cu aceste precizari se obtine:
x
Considerand R1=300 ohm, R2 = 100 ohm, aratand astfel nesimetria linilor, pentru Rg1 = Rg2 = 100 Mohm si Vg = 200 V se obtine :
x
Daca in schimb nesimetria liniiloe este nesemnificativa, eroarea diferentiala determinata de Vin este neglijabila.
Coeficientul de rejectie al tensiunilor de mod comun (CMRR) se defineste ca raportul dintre tensiunea de mod comun si tensiunea produsa de aceasta la intrarea SIA (Vg/Vin). Pentru modelul simplificat prezentat mai sus se obtine:
Daca se considera Rg1 = Rg2 = Rg si R1, R2 neglijabile fata de Rg1 si Rg2 se obtine :
Valoarea CMRR in decibeli este :
x
Modelul prezentat mai sus este un model de curent continuu, iar daca se tine cont de capacitatile parazite intre liniile de semnal si masa Zg = 1/ωC, atunci CMRR are expresia:
x
in care ω este pulsatia semnaluli parazit indus in canalul de transmisie.
O metoda eficienta pentru rejectia erorilor de mod comun pe liniile de semnal este cea de torsadare a conductoarelor si ecranarea acestora in vederea reducerii tensiunilor induse. Ecranul se leaga la masa la extremitatea dinspre sursa de semnal, extremitatea dinspre SIA ramanand flotanta. Dupa tratarea primara pot aparea noi erori datorita tensiunilor de mod comun, erori datorate interactiunii dintre elemente. Aceste erori cresc pe masura ce neadaptarea de impedanta intre elementele componente creste.
Stabilitatea cu temperatura - se refera la influentele schimbarilor de temperatura asupra caracteristicilor elementelor din lantul intrarilor analogice. Modificarea "offset-ului" cu temperatura este specificata in mV/°C sau in parti pe milion (ppm), din gama completa, pe grad Celsius. In general, aceste influente sunt dintre cele mai putin controlabile, parametrii circuitelor ce compun sistemul intrarilor fiind diferite de la lot la lot.
Eroarea de liniaritate integrala este definita ca deviatia fata de valoarea analogica ideala a LSB (gama completa/2n) intre doua stari adiacente reprezentate prin codurile lor pentru gama completa a convertorului.
Monotonicitatea se refera la corespondenta intre semanlul analogic de intrare si valoarea binara a iesirii convertorului. Se spune ca un lant de intrari analogice este nemonotonic daca la cresterea tensiunii analogice de intrare codul de iesire al convertorului analog-numeric nu se modifica sau chiar evolueaza in sens contrar.
Rezolutia - discontinuitatile datorate schimbarilor incrementale sunt inerenteoricarui sistem discret. Daca marimea analogica este prin natura sa capabila de variatii continue, aceasta se reflecta intr-o variatie cuantificata a codului numeric. Limita inferioara a marimii analogice ce determina variatia de 1 bit (LSB) este dependenta de gama semnalului analogic si de numarul de biti ai convertoruluiexceptand alte erori. Incertitudinea este de ±1/2 din marimea analogica asociata schimbarii cu un bit al codului numeric. Un convertor A/N ideal de n biti determina 2n valori discrete ale ensiunii de intrare pe toata gama. Valorile numerice sunt separate printr-un ecart care este dat de gama completa/2n, in care gama completa este diferenta intre valoarea maxima si valoarea minima a tensiunii analogice de intrare. Valoarea relativa exprimata ca 1/2n se numeste rezolutie, sau simplu n biti.
Precizia elementelor SIA este determinata atat de precizia multiplexoarelor analogice, amplificatoarelor, elementului de esantionare si retinere si de cea a convertorului A/N. Pentru convertor, cele doua elemente care influenteaza precizia sunt eroarea de offset si cea de gama (gain). Un lant de intrare ideal trebuie sa produca valoarea numerica 0 pentru intrare analogica zero (cod unipolar). Orice valoare analogoca ce produce codul numeric zero este numita si offset sau valoare e zero.. situatia este exemplificata in figura 2.5 pentru un convertor de 3 biti.
Figura 2.5
Eroarea de offset este dependenta de tipul convertorului. Pentru convertoare realizate utilizand un convertor N/A, sistemul omparator poate duce la un offset aditionl, pe cand la convertoarele realizate prin integrare se adauga offsetul circuitelor analogice de conditionare, cu toate ca tehniile auto-zero pot fi destul de eficiente datorita buclei de reactie. Eroarea de gama, sau factorul de scala, este determinata de faptul ca valoarea numerica la capat de scala difera de cea dorita.
Eroarea de gama se poate defini ca diferenta intre valoarea pentru gama completa si cea reala in conditii de offset nul. Aceasta eroare poate fi exprimata si in procente din toata scala. In figura 2.6 se exemplifica eroarea de gama a unui convertor de 3 biti. Pentru ajustare se actioneaza astfel incat ultimul bit al convertorului la gama completa sa oscileze.
Figura 2.6
Liniaritatea - este exprimata prin deviatia maxima a functiei de transfer a convertorului A/N fata de dreapta ce trece prin punctul de zero si punctul de gama maxima. Este in general exprimata in biti pe toata gama, sau ca liniaritate diferentiala.
Eroarea de liniaritate diferentiala se defineste ca diferenta dintre valorile semnalului analogic ce corespunde la doua coduri adiacente. In figura este prezentat un exemplu in care avem un converot pe 3 biti. Cele 8 valori ale codului numeric se obtin la tensiuni proportionale cu numerele : 0, 1, 1.75, 2.75, 4.25, 5.25, 6, 7 (figura 2.7).
Figura 2.7
Cea mai mare eroare de liniaritate diferentiala se obtine intre tensiunile 2.75 si 4.25 si corespunde schimbarii codului de la 011 la 100, modificare ce corespunde pentru 1.5LSB fata de cazul ideal de 1LSB. Daca liniaritatea diferentiala este mai mare de ±1LSB, convertorul este nemonotonic, monotonicitatea putandu-se realiza doar daca eroarea diferentiala este mai mica de ±1LSB.
Durata conversiei se defineste ca timpul scurs intre momentul emiterii comenzii de acizitie si momentul stabilirii informatiei numerice in bufferul de iesire al convertorului. Functie de structura hardware a sistemului de interfata, daca nu se utilizeaza multiplexoareanalogice, acest timp este format din timpul de esantionare plus timpul de conversie propriu-zisa. Utilizarea multiplexoarelor analogice determina o crestere corespunzatoare a timpului de conversie cu timpul de multiplexare asociat. De asemenea, timpul de achizitie creste odata cu precizia, motiv pentru care este necesar compromisul intre precizie si viteza. Durata conversiei poate fi masurata si ca frecventa maxima de achizitie care este de fapt inversul timpului de conversie.
