Контроллеры и датчики

Контроллеры С самого начала важно отметить: далеко не каждое применение требует сложного контроллера.

Например, клапан и привод в режиме on/off могут управляться напрямую от thermostat. Другой пример - работа защитных ограничителей верхнего предела, у которых есть «щёлкающее» срабатывание для закрытия клапанов или отключения подачи топлива.

Однако когда требования к управлению становятся сложнее, необходим контроллер, соответствующий этим требованиям.

Контроллер принимает сигнал, определяет требуемое действие и затем посылает сигнал приводу, заставляя его перемещаться.

В эпоху микросхем, интегральных схем и компьютеров функции, выполняемые контроллером, могут быть чрезвычайно сложными.

Тем не менее, поскольку в предыдущих модулях уже проводилась аналогия между человеческим мозгом и контроллерами/компьютерами, известный девиз IBM можно перефразировать:

Computer - Fast, accurate and stupid

Human being - Slow, slovenly and brilliant

Итог таков: контроллер сам по себе не решит все проблемы. Его необходимо правильно подобрать и выполнить commissioning, что будет рассмотрено далее.

Хотя сегодня большинство контроллеров являются электронными, цифровыми и основанными на микропроцессорах, коммерчески также доступны пневматические контроллеры. Они могут использоваться в опасных зонах, где риск взрыва исключает применение электрических/электронных средств. Электрооборудование можно сделать intrinsically safe, explosion-proof или flameproof, однако это обычно заметно увеличивает стоимость.

Как уже отмечалось, функции контроллера могут быть очень сложными, и подробный перечень этих функций, а также объяснение их работы, выходит за рамки данной публикации.

Основные варианты, которые требуется учитывать, следующие:

Single loop controller

Управляет одним клапаном/приводом по сигналу от одного датчика.

Multi-loop controller

Может управлять более чем одним клапаном/приводом по сигналам от более чем одного датчика.

Single input/output

Может принимать только один сигнал от датчика и выдавать только один сигнал на привод.

Multi-input/output (multi-channel)

Может принимать несколько сигналов и выдавать несколько сигналов.

Real time

Может включать часы времени для переключения в заранее заданные моменты.

Elapsed time

Может выполнять переключение через заранее установленный промежуток времени до или после включения либо отключения других элементов установки.

Ramp and dwell

Если взять в качестве примера температуру, то это способность повышать температуру управляемой среды в течение заданного времени, а затем удерживать её на установленном уровне. Такие контроллеры часто включают серию ramps и dwells.

Figure 6.7.1 показывает типичный электронный single loop controller. Он имеет действие P + I + D (рассмотрено в Modules 5.2 и 5.4) и рассчитан на питание 110 или 230 volt.

Figure 6.7.2 показывает пневматический single loop controller с действием P.

Можно выбирать различные модели для регулирования температуры или давления.

Single loop controller, способный выполнять функции ramp and dwell, может иметь типичную последовательность, показанную на Figure 6.7.3. Здесь представлена серия функций ramp (изменение температуры) и dwell (поддержание температуры), выполняемых в течение определённого времени.

Одним из терминов, часто встречающихся в литературе по управлению, является 'Programmable Logic Controller (PLC)'. В batch process контроллер должен запускать последовательность действий, например включать или выключать клапаны или насосы. В некоторых случаях вся последовательность построена по времени, но часто отдельные шаги инициируются достижением и удержанием определённого условия в течение некоторого времени, например определённой температуры или заполнения сосуда. Такие последовательности можно управлять с помощью PLC - устройства на основе микрокомпьютера, использующего стандартные интерфейсы датчиков и приводов для управления процессом.

Другим типом сложного контроллера является plant room controller, который может использоваться для управления котлом, насосом, отопительным регулирующим клапаном, клапаном HWS и обеспечивать ряд дополнительных функций.

Датчики В этом разделе тема измерения температуры рассматривается шире. Существует большой выбор датчиков и преобразователей для измерения давления, уровня, влажности и других физических величин. Датчик - это часть системы управления, которая воспринимает изменение регулируемой переменной.

Датчик может быть такого типа, при котором изменение температуры вызывает изменение напряжения или, например, изменение сопротивления.

Сигнал от датчика может быть очень малым, что требует локального преобразования и усиления сигнала для его корректного считывания. Например, небольшое изменение сопротивления датчика при изменении температуры может быть преобразовано в электрическое напряжение или ток для дальнейшей передачи на контроллер.

Сама система передачи сигнала является потенциальным источником ошибок.

Проводка обладает электрическим сопротивлением (измеряемым в ohms), а также подвержена электрическим помехам (noise). В аналогичной пневматической системе в трубопроводе также могут возникать микроподтечки.

Термин 'thermostat' обычно используется для обозначения температурного датчика с переключением on/off.

'Transducer' - ещё один распространённый термин; он означает устройство, преобразующее одну физическую характеристику в другую, например температуру в напряжение (millivolts).

Пример transducer - устройство, преобразующее изменение температуры в изменение электрического сопротивления.

В пневматических устройствах часто встречается слово 'transmitter'. Это по сути ещё одно обозначение transducer или датчика, но обычно с дополнительной обработкой сигнала.

При этом собственно измерительный элемент обычно всё же называют sensor, и наиболее распространённые типы будут рассмотрены далее.

Filled system sensors В пневматических контроллерах применяются датчики filled system. Figure 6.7.4 иллюстрирует принцип такой системы.

При изменении температуры рабочая жидкость расширяется или сжимается, заставляя Bourdon tube стремиться выпрямиться. Иногда вместо Bourdon tube используется bellows.

В прошлом в качестве заполнения часто применялась ртуть. При нагреве она расширяется, заставляя Bourdon tube раскручиваться; при охлаждении она сжимается и заставляет трубку закручиваться сильнее. Это движение используется для приведения в действие рычагов внутри пневматического контроллера, позволяя ему выполнять свои функции. В версии для измерения давления используется просто импульсная трубка давления, подключённая к Bourdon tube. Примечание: по соображениям охраны труда и безопасности ртуть теперь используется гораздо реже. Вместо неё часто применяют инертный газ, например nitrogen.

Resistance temperature detectors (RTDs)

RTDs (Figure 6.7.5) используют тот факт, что электрическое сопротивление некоторых металлов изменяется при изменении температуры. Они работают как электрические преобразователи, преобразуя изменение температуры в изменение электрического сопротивления. Платина, медь и никель - три металла, удовлетворяющие требованиям к RTD; Figure 6.7.6 показывает связь между сопротивлением и температурой.

Resistance temperature detector задаётся сопротивлением при 0°C и изменением сопротивления в диапазоне от 0°C до 100°C. Наиболее широко используемыми RTD для типовых применений, рассматриваемых в этих модулях, являются платиновые RTD. Они имеют сопротивление 100 ohms при 0°C и часто называются Pt100 sensors. Они могут использоваться в диапазоне температур от -200°C до +800°C с высокой точностью (±0.5%) в интервале от 0°C до 100°C.

Как видно из Figure 6.7.6, рост сопротивления с температурой почти линеен. У Pt100 изменение сопротивления сравнительно невелико, поэтому оно требует аккуратного измерения. Сопротивление соединительных кабелей должно быть правильно скомпенсировано.

Thermistors Thermistors используют полупроводниковые материалы, у которых сопротивление сильно меняется с ростом температуры, но нелинейно. Сопротивление уменьшается при росте температуры (negative coefficient thermistor), как показано на Figure 6.7.7.

Можно изготовить и positive coefficient thermistors, где сопротивление растёт с ростом температуры (Figure 6.7.8), но из-за формы их характеристики они обычно непригодны для измерения температуры.

Thermistors проще и дешевле, чем RTDs, но не обеспечивают такой же высокой точности и повторяемости. Их высокое сопротивление означает, что сопротивление соединительного кабеля менее важно.

Thermocouples Если два разных металла соединить в двух точках и подать тепло на один спай, как показано на Figure 6.7.9, по цепи потечёт электрический ток. Thermocouples вырабатывают напряжение, соответствующее разности температур между измерительным спаем (hot) и reference junction (cold).

Температура cold reference junction должна быть точно известна, если сама thermocouple должна обеспечивать точное измерение.

Традиционно холодный спай помещали в тающий лёд (0°C), но сейчас температуру cold junction измеряют с помощью thermistor или RTD, и на основе этого корректируют показываемую температуру, обычно температуру измерительного спая. Это называется cold junction compensation.

Любая пара различных металлов может быть использована для изготовления thermocouple. Однако за годы сформировался ряд стандартных типов с документированной зависимостью напряжения от температуры. Эти типы обозначаются буквами, например Type J, K, T и др.

Наиболее широко используемая thermocouple общего назначения - Type K.

В этом типе используются Chrome (90% nickel, 10% chromium) и Alumel (94% nickel, 3% manganese, 2% aluminium и 1% silicon), и такой датчик может применяться в диапазоне от 0°C до 1 260°C. Figure 6.7.10 показывает чувствительность thermocouples Type K, и из рисунка видно, что выходное напряжение линейно по всему диапазону.

Удлинительные провода используются для соединения measuring junction с reference junction в корпусе прибора. Эти extension tails могут быть изготовлены из того же материала, что и провода самой thermocouple, либо представлять собой compensating cable из меди и медно-никелевого сплава. Оба extension tails должны быть выполнены из одного и того же материала.

Thermocouples выпускаются в широком диапазоне размеров и форм. Они недороги, прочны и достаточно точны при широком температурном диапазоне. Однако температуру reference junction необходимо удерживать постоянной, иначе отклонения придётся компенсировать. Низкие значения напряжения на спае означают, что необходимо использовать специальные экранированные кабели и аккуратный монтаж, чтобы предотвратить искажение сигналов электрическими помехами или 'noise'.

Example 6.7.1 Представим двух людей, person A и person B, стоящих на противоположных холмах, у каждого из которых есть флаг и флагшток. Цель состоит в том, чтобы person A передал person B информацию, подняв свой флаг на определённую высоту. Person A поднимает свой флаг на половину высоты флагштока. Person B видит это и тоже поднимает свой флаг наполовину. По мере того как person A поднимает или опускает свой флаг, person B делает то же самое. Это аналогично аналоговой системе.

Example 6.7.2 Теперь предположим, что у person A нет флагштока, а вместо этого есть две таблички: одна с цифрой ‘0’, другая с цифрой ‘1’, и он снова хочет, чтобы person B поднял флаг на половину высоты, то есть на 50% своего флагштока. Двоичное число для 50 равно 110010, поэтому person A показывает таблички по две за раз в соответствующем порядке. Person B считывает эти таблички, интерпретирует их как 50 и поднимает свой флаг ровно наполовину. Это аналогично цифровой системе.

Из этого видно, что цифровая система точнее, так как информация представляет собой либо ‘1’, либо ‘0’, а положение можно определить точно. В аналоговом примере точность ниже, потому что person B не может определить, находится ли флаг person A ровно на 50%. Это может быть 49% или 51%. Именно по этой причине, а также из-за роста степени интеграции микропроцессорных схем, digital signals получают всё большее распространение.

Digital addressing Digital addressing позволяет контроллеру передавать информацию по одному набору проводов, к которому подключено несколько приёмников, и при этом при необходимости взаимодействовать только с одним из них. Это достигается назначением каждому приёмнику адреса, который контроллер должен передать первым.

Чтобы пояснить это, рассмотрим предыдущий цифровой пример, но теперь предположим, что на третьем холме находится ещё и person C. И person B, и person C видят person A, поэтому person A сначала должен указать, кому именно адресована передача.

Это делается с помощью первой таблички. Если на первой табличке ‘0’, то все последующие данные предназначены person B, который соответственно регулирует свой флаг. Если же на первой табличке ‘1’, то все последующие данные предназначены person C. Таким образом, у person B цифровой адрес ‘0’, а у person C - ‘1’; каждый из них понимает, что первое увиденное число относится к адресу, а не к самому сообщению. HART®, PROFIBUS® and Foundation™ Fieldbus.

Что такое PROFIBUS®? PROFIBUS® - это открытый стандарт fieldbus для широкого спектра применений в дискретной и технологической автоматизации, независимый от конкретного производителя. Независимость от производителя и прозрачность обеспечиваются международными стандартами EN 50170, EN 50254 и IEC 61158.

Он обеспечивает связь между устройствами различных производителей без специальной подстройки интерфейсов. PROFIBUS® может использоваться как для высокоскоростных критичных по времени применений, так и для сложных задач обмена данными. PROFIBUS® предлагает функционально различающиеся коммуникационные протоколы DP и FMS. В зависимости от применения могут использоваться технологии передачи RS-485, IEC 1158-2 или fibre optics.

Стандарт определяет технические характеристики последовательной системы Fieldbus®, с помощью которой можно объединять распределённые цифровые программируемые контроллеры от полевого уровня до ячеечного уровня. PROFIBUS® является multi-master system и тем самым допускает совместную работу нескольких систем автоматизации, инжиниринга или визуализации с их распределённой периферией на одной шине.

На уровне sensor/actuator сигналы бинарных датчиков и исполнительных устройств передаются по sensor/actuator bus. Данные передаются исключительно циклически.

На field level распределённая периферия - например модули I/O, measuring transducers, приводы, клапаны и operator terminals - связывается с системами автоматизации через эффективную систему связи в реальном времени. Как и данные процесса, при необходимости циклически могут передаваться сигналы тревоги, параметры и диагностические данные.

На cell level программируемые контроллеры, такие как PLC и IPC, могут связываться между собой. Поток информации на этом уровне требует передачи крупных пакетов данных и большого числа мощных функций связи, включая плавную интеграцию в корпоративные коммуникационные системы, такие как Intranet и Internet через TCP/IP и Ethernet.

Что такое Foundation™ Fieldbus? Foundation™ Fieldbus - это полностью цифровая, последовательная, двусторонняя система связи, выполняющая роль Local Area Network (LAN) для приборов и устройств управления на предприятии/заводе. Среда Fieldbus® образует базовый уровень цифровых сетей в иерархии сетей предприятия. Foundation™ Fieldbus применяется как в process automation, так и в manufacturing automation и имеет встроенную возможность распределять управляющее приложение по сети.

В отличие от proprietary network protocols, Foundation™ Fieldbus не принадлежит какой-либо одной компании и не регулируется одной страной или одним органом стандартизации. Технологией управляет Foundation™ Fieldbus - некоммерческая организация, объединяющая более 100 ведущих мировых поставщиков систем управления, приборов и конечных пользователей.

Хотя Foundation™ Fieldbus сохраняет многие полезные свойства аналоговой системы 4-20 mA, такие как стандартизованный физический интерфейс к проводу, питание устройств по одной линии и варианты intrinsic safety, она также предлагает множество дополнительных преимуществ.

Взаимозаменяемость устройств Foundation™ Fieldbus обеспечивает interoperability; одно устройство Fieldbus® может быть заменено аналогичным устройством с дополнительной функциональностью от другого поставщика в той же сети Fieldbus® при сохранении заданного режима работы. Это позволяет пользователям свободно 'mix and match' field devices и host systems от различных поставщиков. Отдельные устройства Fieldbus® также могут передавать и принимать многопараметрическую информацию и напрямую взаимодействовать друг с другом по общей сети Fieldbus®, что позволяет добавлять новые устройства без прерывания работы.

Расширенные данные процесса С Foundation™ Fieldbus в систему управления предприятием можно передавать несколько переменных от каждого устройства для анализа тенденций, оптимизации процессов и формирования отчётов. Доступ к точным данным высокого разрешения позволяет тонко настраивать процессы для повышения производительности, уменьшения простоев и улучшения показателей предприятия.

Общий обзор процесса Современные устройства Fieldbus® с мощными коммуникационными возможностями на базе микропроцессоров позволяют быстрее и надёжнее распознавать ошибки процесса. В результате операторы предприятия получают уведомления о ненормальных условиях или необходимости превентивного технического обслуживания, что даёт возможность принимать проактивные решения. Снижение эффективности работы устраняется быстрее, позволяя увеличить выпуск продукции при одновременном снижении затрат на сырьё и уменьшении нормативных проблем.

Повышение безопасности на предприятии Технология Fieldbus помогает производственным предприятиям соответствовать жёстким требованиям безопасности. Она может предупреждать операторов о потенциально опасных условиях на более ранней стадии, позволяя предпринять корректирующие действия и сократить число незапланированных остановов. Расширенные диагностические возможности предприятия также позволяют реже заходить в опасные зоны, тем самым снижая риск для персонала.

Упрощение предиктивного технического обслуживания Расширенные диагностические возможности устройств позволяют отслеживать скрыто развивающиеся состояния, такие как износ клапана или загрязнение transmitter. Персонал предприятия получает возможность выполнять предиктивное техническое обслуживание, не дожидаясь планового останова, тем самым сокращая или полностью избегая простоев.

Снижение затрат на проводку и техническое обслуживание Использование существующей проводки и multi-drop connections обеспечивает существенную экономию на монтаже сети. Это включает снижение затрат на intrinsically safe barriers и кабельную продукцию, особенно в местах, где проводка уже проложена.

Дополнительная экономия достигается за счёт сокращения времени на строительство и пуск, а также за счёт упрощения программирования функций управления и логики с использованием software control blocks, встроенных в устройства Fieldbus®.