Основные расчётные соотношения для оценки системных параметров ИС

Технология ввода собранных данных в управляющий компьютер

Типовая структура одного измерительного канала показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема измерительного канала

 

Состояние объекта управления характеризуется физической величиной x (t), воспринимается измерительным преобразователем (ИП). Выходной сигнал ИП u (t) нормируется при помощи устройства нормирования сигнала (УНС). Функция УНС состоит в электрическом согласовании выходного сигнала ИП с последующими устройствами. В состав УНС, как правило, входят мостовые схемы, измерительный усилитель, линеаризатор, образцовые меры, масштабирующие блоки, фильтры и др. Через ключевой элемент (Кн) нормированный сигнал v (t) поступает на устройство выборки-хранения (УВХ), а затем, на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В момент времени t_i (по сигналу управления (УПР)) УВХ осуществляет быструю выборку аналогового сигнала и запоминание её значения на время преобразования АЦП устраняя тем самым апертурную погрешность АЦП, На выходе АЦП формируется цифровой код Z[ i ], эквивалентный напряжению v (t_i) в момент времени t_i, который поступает в ЭВМ для использования в вычислительном алгоритме.

 

Оценка системных параметров многоканальных измерительных систем

 

При последовательном сборе информации широко применяются многоканальные измерительные системы (ИС), выполненные по классической схеме «датчики (измерительные преобразователи) + коммутатор + АЦП + ЭВМ ». Структурная схема такой ИС представлена на рис. 2. Эта схема является наиболее распространенной, и 90% схем сбора данных строятся по этой структуре.

Рисунок 2 - Структурная схема многоканальной измерительной системы. (Здесь Кн_I, Кн_II – аналоговые коммутаторы первой и второй ступеней).

 

На рисунке 2 показан случай, когда часть ИП подключены напрямую к коммутатору без использования УНС, в предположении, что уровни сигналов соответствуют норме.

Наиболее часто в ИС реализуют циклический или программно-управляемый опрос датчиков.

 

Основные расчётные соотношения для оценки системных параметров ИС

 

Пусть имеются n однотипных каналов измерения. Максимальная частота в спектре сигналов датчиков равна f _max. Пусть e – требуемая приведённая погрешность измерения. Требуется определить разрядность m и быстродействие АЦП, а так же необходимую скорость ввода данных в ПЭВМ. Расчётные соотношения получим исходя из предположения квазистатического режима измерений, т.е. исключая из рассмотрения динамические погрешности.

На первом этапе расчета распределим результирующую погрешность e_å между устройствами ИС. Пусть e _Д, e _K, e _УВХ, e _АЦП – погрешности соответственно датчика, коммутатора, УВХ и АЦП. Значения указанных погрешностей, как правило, выбираются из паспортных или справочных данных. Основную долю в погрешность преобразования АЦП вносит погрешность квантования. Поэтому для m -разрядных АЦП в дальнейшем будем полагать e _АЦП ≈ ½ m.

Допустим, что погрешности устройств между собой не коррелируются. Это означает, что устройства электрически или каким-то другим образом не влияют друг на друга. Выполнение такого условия обеспечивается малым выходным сопротивлением выхода предыдущего устройства и большим входным сопротивлением последующего, хорошей электрической развязкой устройств по питанию, экранировкой устройств и т. д.

Для исключения потери информации при прохождении сигнала по каналу должно выполняться условие:

e _Д > e _K > e _УВХ > e _АЦП. (1.0)

При этом суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выра­жением:

e_S = (e² _Д +e² _K +e² _УВХ +e² _АЦП)^½.(1.1)

Причем должно соблюдаться условие e_S < e. Необходимая разрядность АЦП определится выражением:

m ≥ int log₂(1/ e_АЦП). (1.2)

На втором этапе определим временные параметры устройств ИС. В боль­шинстве случаев опрос датчиков происходит циклически последовательно со вре­менем цикла Т_Ц. Согласно теореме Котельникова интервал дискретизации D t сиг­нала не должен превышать:

D t ≤ 1/(2 f _max).(1.3)

Общее время цикла должно быть Т_Ц ≤ D t. Так как число датчиков равно п, длительность измерения по одному каналу D t_изм не должна превышать значения:

D t_изм ≤ Т_Ц /n = D t / n = 1/(2 nf _max). (1.4)

Длительность D t_изм включает длительности переключения коммутатора D t_K, длительности выборки УВХ D t_B, длительности ана­лого-цифрового преобразования D t_АЦП и длительности ввода информации в ЭВМ D t_ВВ:

D t_изм = D t_K + D t_B + D t_АЦП + D t_ВВ. (1.5)

Под длительностью выборки здесь понимается время заряда запоминающей емкости (время установления) УВХ. Таким образом, суммарное быстродействие канала должно быть следующее:

D t_K + D t_B + D t_АЦП + D t_ВВ ≤ 1/(2 nf _max). (1.6)

При достаточном быстродействии АЦП или использовании АЦП в составе микроконтроллера УВХ можно исключить.

Оценим предельную частоту f_П измерительного сигнала, который АЦП способен правильно преобразовать без применения УВХ. Пусть измерительный сигнал представляет собой гармонические колебания и_х = U_m sin2p f t. За время преобразования D t_АЦП сигнал успевает измениться на величину:

D u_x = (du_x / dt) D t_АЦП = 2p U_mf cos2p ft D t_АЦП. (1.7)

 

Максимально возможное приращение сигнала равно:

| D u_{x max} | =2p U_m f_П D t_АЦП (1.8)

Отсюда приведенная апертурная погрешность АЦП равна:

e_a = D u_{x max} /U_m =2p f_П D t_АЦП. (1.9)

Для правильной оцифровки сигнала необходимо, чтобы приращение сигнала не превышало шага квантования АЦП (веса младшего разряда) D U, что соответ­ствует условию e_a ≤ e _АЦП. С учетом (1.9) и выражения для e _АЦП получим, что АЦП без УВХ может обеспечить преобразование сигналов с верхней частотой не более:

f _max < f_П = 1/p D t_АЦП 2 ^{m +1}. (1.10)

Можно, напротив, оценить требуемое время преобразования АЦП, если зада­ны погрешность и максимальная частота сигнала:

D t_АЦП ≤ e _АЦП /2p f _max. (1.11)

Ограничения (1.10), (1.11) являются достаточно строгими и практически ис­ключают возможность использования АЦП без УВХ. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим численный пример. Пусть: D t_АЦП = 10 мкс; m = 10. Из формулы (1.10) получим:

f _max ≤ f_П = 15,6 Гц.

На третьем этапе осуществляется выбор элементной базы или стандартных устройств автоматизации и вычислительных устройств или ЭВМ, которые удов­летворяют полученным выше оценкам по точности и быстродействию.

 

Пример.

Рассмотрим пример оценки системных параметров ИС. Пусть требуется раз­работать 10-канальную ИС, обеспечивающую приведенную погрешность измере­ния 0,8%. Датчики (п = 10) имеют одинаковые полосу пропускания f _max = 1 кГц и погрешность преобразования e _Д = 0,5%.

Распределение (декомпозиция) погрешностей. Пусть погрешности выбранных (из справочников или каталогов фирм) аналогового коммутатора и УВХ равны e _К = 0,3%; e _УВХ = 0,3%. Тогда на долю АЦП согласно (1.1) допускается погрешность:

e _АЦП ≤ (e²_S –e² _Д –e² _K –e² _УВХ)^½. (1.12)

Подставив в (1.12) числовые значения, получим e _АЦП ≤ 0,26%. Определяем со­гласно (1.2) разрядность АЦП. Получим т ≥ 9.

Определение временных (динамических) параметров. Вычисляем длитель­ность измерения по одному каналу:

D t_изм ≤ 0,5 nf _max = 50 мкс.

Пусть длительности коммутации и выборки равны соответственно 2 мкс и 1 мкс. Тогда на долю АЦП и ПЭВМ согласно (1.5) остается временной ресурс

D t_АЦП + D t_BB < 50 – 3 = 47 мкс.

По каталогам фирм или справочникам выбираем подходящий аналого-цифровой преобразователь.

Пусть разрядность и время преобразования выбранного АЦП равны соответственно m = 10, D t_АЦП = 30 мкс. Следовательно, длительность ввода информации в ПЭВМ не должна превышать

D t_BB < 47 – 30 = 17 мкс.

Необходимая скорость передачи данных через входной интерфейс ЭВМ составит

с_ВВ ≥ 1/ D t_BB = 59 кслов/с.

Для уменьшения объёма потока данных обычно анализируют характер изменения измеренного значения и если он не превышает заранее установленной величины, то передача не производится. Передаются только те данные, которые характеризуют существенное (заранее определённое) изменение. Если скорость вывода будет недостаточной, а объём передаваемых данных будет значительным, то необходимо использовать буферную память.

На практике обычно датчики или измерительные каналы имеют различные полосы пропускания f ₁, f ₂,..., f_n, что делает последовательный циклический опрос невыгодным. Необходимо чаще опрашивать те датчики, которые имеют более высокую полосу пропускания (то есть чаще опрашивать те датчики, которые регистрируют более быстрые процессы, т.е. более информативны). Очевидно, что частота опроса i -го канала должна быть пропорциональна коэффициенту k_i = f_i / f_kmin, где f_kmin – канал, имеющий минимальную полосу пропускания. Этого можно добить­ся программно-управляемым опросом входного коммутатора.

Полученные оценки системных параметров ИС являются приближенными.

 

Задание

Разработать информационно-измерительную систему контроля и управления технологических параметров.

1. Система должна:

· производить автоматический контроль и поддержание в заданном диапазоне параметров среды: температура, давление, расход;

· для регулирования расхода и/или давления использовать релейный регулятор (+12 В) с контролем положения при помощи концевых выключателей (+12В).

· для регулирования температуры использовать регулятор с тиристорным управлением и воздушным (вентилляторным) охлаждением (+12 В).

· выдавать по запросу оператора на экран ПК (программа Гипертерминал) номер измеряемого параметра его величину и разницу между измеряемым параметром и величиной уставки;

· выдавать на местный пульт управления (дисплей ЖКИ) с помощью кнопок вперёд/назад - номер измеряемого параметра, его величину и разницу между измеряемым параметром и величиной уставки;

· осуществлять ввод с клавиатуры ПК уставок для измеряемых параметров;

· выдавать предупредительные и аварийные световые и звуковые сигналы (+12 В) при выходе величины контролируемого параметра за заданные пределы (уставки) на экран ПК и/или местный пульт управления;

 

 

2. Отчет должен содержать:

· Цель работы.

· Задание. Должны быть приведены основные параметры и диапазоны измерения системы.

· Должно быть дано обоснование для применения и дано описание используемых датчиков и исполнительных механизмов и их основные характеристики.

· Структурную схему и краткое описание установки.

· Выбор и обоснование элементов принципиальных схем.

· Принципиальные схемы основных узлов, включая источник питания и их описание.

· Расчёт потребления электрической мощности.

· Блок-схема (алгоритм) программы для МК.

· Выводы.

· Список использованных в тексте сокращений.

· Список использованной литературы.

· Приложение. Спецификация элементов. Общая принципиальная схема (формат А3).

· Листинги программ с комментариями.

 

1. Оформление

 

1. Пояснительная записка к Курсовому проекту выполняется в рамке по ГОСТ.

1) Весь описательный текст делается шрифтом Times New Roman 14, интервал 1,5, выравнивание по ширине, переносы разрешить, абзацный отступ 1 см, отступы от краёв рамки 1 см.

2) Текст программы выполнять шрифтом Courier New 12, интервал 1, выравнивание по левому краю, переносы запретить.

 

2. По схемам

1) Обязательно должна быть приведена структурная схема установки Э1 (пример рисунок 2)

2) Обязательно должна быть приведена функциональная схема установки Э2 (пример рисунок 3).

3) Обязательно должна быть приведена принципиальная электрическая схема установки Э3

4) Обязательно должна быть приведена схема электрических подключений Э5.

5) Обязательно должен быть приведён перечень использованных элементов ПЭ3.

 

3. По описанию принципиальной схемы

1) Должны быть приведены расчёты номиналов элементов для преобразователей напряжений и фильтров низкой частоты.

2) Должен быть приведён расчёт потребляемой электрической мощности.

3) Должно быть дано описание аварийной и предупредительной сигнализации.

ДА – датчик аналоговый, ДД – датчик дискретный, БНАС – блок нормирования аналогового сигнала, БНДС блок нормирования дискретного сигнала, БК – блок коммутации, БОиУ обработки и – блок управления, ЧМИ – человеко-машинный интерфейс, БИС – блок индикации и сигнализации, ИМ – исполнительный механизм, БИ – блок интерфейсов, ПК – персональный компьютер

Рисунок 2 - Пример структурной схемы.

 

Рисунок 3 - Пример функциональной схемы.