Informatica Industriala

Informatica Industriala

Cursul 4Interfete de proces

Interfete de proces reprezintă conexiunea dintre sistemul de calcul şi dispozitivele de

automatizare distribuite în procesul controlat Functii indeplinite:

adaptarea semnalelor de intrare la specificaţiile tehnologiei digitale utilizate (în mod uzual TTL sau CMOS); aceasta presupune adaptare de impedanţă, amplificare, filtrare, eşantionare şi diverse tipuri de conversii

generarea semnalelor de ieşire conform specificaţiilor date de dispozitivele de automatizare către care se îndreaptă; şi această funcţie presupune adaptare de impedanţă şi de putere, amplificare şi conversii

izolarea galvanică a semnalelor de intrare şi de ieşire, cu scopul de a proteja sistemul de calcul (partea inteligentă) de eventuale defecţiuni apărute în partea de proces şi care ar putea să distrugă componentele digitale (ex.: conectarea accidentală a unor tensiuni ridicate pe semnalele de intrare sau de ieşire, scurtcircuite, etc.)

memorarea temporară a datelor sincronizarea fluxului de date de intrare şi de ieşire cu viteza de lucru

a procesorului

Factori de care depinde structura unei interfete

numărul de semnale recepţionate şi transmise natura semnalelor:

digitale sau analogice, de tensiune sau de curent, cu codificare pe nivel, în frecvenţă sau în lăţime de

impuls, etc. domeniul de frecvenţă al semnalelor precizia de prelucrare a semnalelor tipul de magistrală la care se conectează interfaţa

Moduri de transfer utilizate intr-o interfata

prin program – unitatea centrală controlează direct transferul de date, pe baza unei rutine de transfer

prin întreruperi – fiecare nou transfer este iniţiat prin activarea unui semnal de întrerupere; transferul propriu-zis se realizează de unitatea centrală printr-o rutină de întrerupere

prin acces direct la memorie – un circuit specializat, controlorul de acces direct la memorie, dirijează transferul între memorie şi interfaţă

prin procesor de intrare/ieşire – un procesor specializat, conţinut în interfaţă, se ocupă de transferul de efectuarea transferului

Schema de principiu a unei interfete de proces

Componente: registre (porturi) de ieşire (RE)- pentru memorarea semnalelor de ieşire registre (porturi) de intrare (RI) – pentru citirea semnalelor de intrare circuite de adaptare (CA) – adaptează semnalele de intrare şi de ieşire circuit de decodificare (Dec) – pentru selecţia registrelor de intrare şi de

ieşire

AdreseDateComenzi

Dec Selecţie RE

CA

RISelecţie

Magistrala sistem

CA CA CA CA CA

Tipuri de interfete Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale

prin releu prin optocuplor prin tiristor comanda motor pas-cu-pas comanda motor de c.c.

Interfeţe de intrare pentru semnale digitale prin releu prin optocuplor

Interfeţe de ieşire pentru semnale analogice circuite de conversie

Interfeţe de intrare pentru semnale analogice circuite de conversie

Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale

circuit de ieşire digitală prin releu functionare caracteristici:

asigură o izolare galvanică foarte bună pot fi comutate tensiuni şi curenţi mari componentele mecanice ale releului limitează frecvenţa semnalului

de ieşire (max. 1Hz) comutările frecvente provoacă uzura prematură a releului

K

Circuit de forţă

Consumator

Circuit TTL R1

R2

D1

T1

V


circuit de ieşire digitală prin optocuplor functionare caracteristici:

asigură o izolare galvanică bună frecvenţa maximă a semnalului este mult mai mare (10KHz- 1MHz) comutările repetate nu afectează circuitul (număr nelimitat de

cicluri) puterea transmisă este mică

Ieşire TTL Optocuplor

V1 V2

R2 R1 R3Comandă

T


circuit de ieşire digitală prin tiristor caracteristici:

nu asigură izolarea galvanică a circuitului de comandă de circuitul de forţă

există pericolul străpungerii tiristorului, ceea ce permite trecerea tensiunii din circuitul de forţă în partea de control

consumatorul (elementul de acţionare) poate fi comandat în impulsuri

Circuit TTLR1

R2

T1

V V

t

t

Ur

Ur

R

Uc

Uc

T2


circuit de ieşire pentru comanda motoarelor pas-cu-pas unipolare – curentul circula intr-un sens bipolare – curentul circula in 2 sensuri

L1

L2

L3

L4

L1 L2 L3 L4

R1

R2

R3

R4

V

C1

C2

C3

C4

IeşiriTTL

Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale comanda circuitului pentru motoarelor pas-cu-pas -

unipolare

C1

C2

C3

C4

varianta a. varianta b.


Comanda unui motor pas-cu-pas bipolar

L1

L2

V

C1

C2

T1

T2

T3

T4


circuit de ieşire pentru comanda motoarelor de curent continuu

V

C1

C2

T1

T2

T3

T4 M

turaţia

t

C1

C2

Interfeţe de intrare pentru semnale digitale

circuit de intrare digitală prin releu functionare caracteristici:

izolare galvanică foarte bună frecvenţa de comutare este limitată superior (aprox. 1 Hz) număr limitat de cicluri de comutare, datorită uzurii

componentelor mecanice

R2 Intrare TTL

Circuit de forţăR1

DC

K

VV

Interfeţe de intrare pentru semnale digitale

circuit de intrare digitală prin optocuplor functionare caracteristici:

izolare galvanică bună dimensiuni reduse frecvenţe de comutare relativ mari (1kHz- 100KHz) număr nelimitat de cicluri de comutare

Intrare TTL

Optocuplor

V

R2 R1

Vi

C

Interfeţe de ieşire pentru semnale analogice

Canal analogic de iesire registrul – memorează valoarea digitală a semnalului analogic CD/A – convertor digital-analog – converteşte un semnal digital într-o

valoare analogică FTJ – filtru trece jos – realizează filtrarea semnalului de ieşire, atenuând

trecerile bruşte între valorile de ieşire discrete amplificator – adaptează semnalul analogic de ieşire conform unui anumit

standard de transmisie (tensiune, curent, impedanţă), sau conform cu specificaţiile dispozitivului de acţionare

dispozitiv de acţionare – element de automatizare menit să influenţeze evoluţia unui proces

adaptor – transformă semnalul analogic într-o comandă către elementul de execuţie

element de execuţie – dispozitiv care acţionează asupra unui parametru de intrare în proces (ex.: robinete, valve, motor electric, etc.)

Magistralasistem

Registru

CD/A FTJAmplif. Elem.

exec.

AdaptorDisp. de execuţie

Interfaţă de ieşire analogică

Circuite de conversie digital-analogice

varianta 1 Caracteristicile circuitului de conversie:

precizia de conversie este puternic influenţată de precizia sursei de referinţă şi de precizia rezistenţelor din reţea; o abatere de 1% a rezistenţei R7 are un efect echivalent cu aportul ramurii corespunzătoare bitului D0

conversia este continuă în timp şi discretă ca valori de ieşire

10kΩ

1mA

D7

128*10kΩ1/128mA

D0

-

+

REref

10V

I=Σ Di*Ii

Ue

2*10kΩ

1/2mA

D6


varianta 2 Caracteristici:

schema este mai puţin sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor; este mult mai uşor să se realizeze rezistenţe de aceeaşi valoare

datorită nivelelor multiple de comutare apar căderi de tensiune care modifică valoarea tensiunii selectate (fiecare comutator induce o cădere de tensiune)

D0 D1D2 D3

Uref

15/16Uref

14/16Uref

1/16Uref

Ue

Ue = n * (Uref/16) = = (D0+D1*2+D2*4+D3*8)* (Uref/16)

-

+


Varianta 3 Ue = - R* Σ Ii = = -R * ( Uref/ 2R+ Uref/4R+ ..+ Uref/2n+1R) =

= -Uref *( D0/2 + D1/4 + .. +Dn/2n+1)

Caracteristici: precizia conversiei este mai puţin

sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor

sursa de referinţă este permanent încărcată cu aceeaşi sarcină, indiferent de poziţia comutatoarelor, ceea ce reduce variaţia tensiunii de referinţă şi implicit creşte precizia conversiei

tehnologic este mult mai uşor de realizat o reţea de rezistenţe care au doar 2 valori

Uref

R

R

2R

2R

2R

2R

1

0

I0

I1

In

D0

D1

Dn

R

Ue

Convertoare cu modulaţie în lăţime de impuls

dezavantaje ale convertoarelor analogice: tehnologia de realizare este complexă (combinaţie de tehnologie analogică

şi digitală), schema este mai greu de integrat pe scară largă şi implicit preţul circuitului este mai ridicat

precizia de conversie este influenţată de precizia referinţei de tensiune şi de precizia componentelor

pentru controlul convertorului sunt necesare mai multe linii digitale de date Conversia prin modulaţie în lăţime de impuls (eng. PWM –

Pulse Width Modulation) tehnologie pur digitala pentru a obtine un efect similar cu cel

produs de un semnal analogic o singura iesire digitala este echivalenta cu un semnal

analogic solutia: modularea in latime de impuls in functie de valoarea

iesirii

PWM

implementare: numarator reprogramabil si cu autoinitializare

t

T

55%

T

80%

Interfeţe de intrare pentru semnale analogice

traductorul – dispozitiv conectat în proces şi care transformă variaţia unei mărimi fizice în variaţia unui semnal electric; traductorul se compune dintr-o parte de senzor şi un adaptor de semnal

amplificatorul – are rolul de a adapta semnalul de intrare la domeniul admis al convertorului analog-digital; în anumite cazuri este necesară izolarea galvanică a semnalului de intrare de restul circuitului

multiplexorul analogic (MUX) – permite comutarea mai multor intrări analogice la un singur convertor analog-digital

filtrul trece jos (FTJ) – are rolul de a limita frecvenţa semnalului de intrare; se consideră că acele componente de semnal care depăşesc o anumită limită de frecvenţă sunt generate de zgomote şi în consecinţă trebuie eliminate

circuitul de eşantionare/reţinere (eng. S/H – Sample and hold) – are rolul de a preleva eşantioane din semnalul de intrare şi de a menţine constantă valoarea eşantionată pe toată durata ciclului de conversie

convertorul analog-digital (CAD) – converteşte un semnal analogic într-o valoare digitală registrul de intrare (RI) – memorează valoarea convertită pentru a fi citită de procesor

Traductor

MUX

FTJ S/H CAD

Interfaţa de intrare analogicăMagistrala

sistem

RIAmp.

S

Selecţie MUX

Circuite de amplificare • Pentru amplificatorul inversor:

(Ue – Uref)/R2 = (Uref – Ui)/R1Ue= - R2/R1*( Ui – (1+R1/R2)*Uref)Ui= Ui_off +ΔUi ;

- Uref se regleaza astfe incat sa se elimine tensiunea de offset de la intrare (Ui_off = (1+R1/R2)*Uref)

Ue= -R1/R2* ΔUi => R1/R2 = factorul de amplificare

-

+

UiUe

R1

V-Uref

+

-

Ui

Ue

R1

R2

a. circuit inversor b. circuit neinversor

+

-Ue

Ui

c. circuit repetor

R2

V+

Amplificatoare de intrare pentru amplificatorul neinversor:

Ui = Ue* R1/(R1+R2)Ue = (1 + R2/R1)* Ui

comparatie intre cele 3 variante: Circuitul inversor:

amplificare controlabila prin R1 si R2, eliminarea offesetului prin Uref impedanta de intrare este dependenta de rezistente

Circuit neinversor: iesirea este de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrare amplificarea este supraunitara impedanta de intrare este foarte mare

Circuitul repetor: amplificare unitara (egala cu 1) impedanta foarte mare nu elimina offsetul

Circuit de intrare pentru semnale analogice

Izolarea galvanica a semnalului de intrare: greu de realizat (cu optocuploare, cu transformatoare de

semnal sau cu amplificatoare cu optocuploare incorporate) precizia masurarii scade

Modulul de filtrare: pentru eliminarea zgomotelor – filtru trece jos pentru taierea frecventelor mai mari de jumatoate din

frecventa semnalului de esantionare – filtru anti-aliasingTeşantioanre

t

Tsinus

Tsinus fals

Circuite de intrare pentru semnale analogice Modulul de esantionare-retinere (eng. sample-and-hold)

Semnal eşantionat

Semnalul iniţial

Ui

Ue

CLK

AO1AO2

C

Convertoare analog-digitale Convertor cu aproximări

succesive - Caracteristici: conversia nu este continuă; ea se

realizează în cicluri, care au un număr de paşi dependent de numărul de biţi pe care se face conversia

viteză medie de conversie (1-100 μs), precizie şi rezoluţie moderată (10-12 biţi) preţ relativ mic sunt cele mai utilizate convertoare

analog-digitale

Bloc de control

Registru de aproximări succesive

Convertor D/A

RI

Start conversie Sfârşit conversie

Date

Ui -+

Comparator

Uconv

0 1 0 1 0 1 0 0 = 5416

255

128 96 64 32

Ui

Uconv

Convertor A/D cu comparatoare – convertoare “flash”

Caracteristici: viteză de conversie foarte mare conversie continuă în timp este mai dificil de integrat,

datorită comparatoarelor analogice

numărul comparatoarelor creşte exponenţial cu numărul de biţi pe care se face conversia (ex.: pentru 8 biţi sunt necesare 256 de comparatoare)

precizia şi rezoluţia de conversie este limitată (uzual conversia se face doar pe 8 biţi)

UrefUi

R255

R254

R254

R0

255/256*Uref

254/256*Uref

-+

D7D6D5

D0

Codificator prioritar

-+

-+

-+ 1

253

254

255

1/256*Uref

Convertor cu dublă pantă Caracteristici:

rezoluţie foarte mare (12-16 biţi); rezoluţia este dată de numărul de biţi ai numărătorului, nefiind limitată superior

precizie mare, deoarece procesul de conversie nu este influenţat de precizia componentelor analogice sau de variaţia tensiunii de alimentare

timp de conversie relativ mare

Ui

Stop

Start

CLK

C

Comandă

P1 P2

G

Comp. Numărător

Data

t1 t2 t3

UcondensatorU3

U2

U1

Comandă

Convertor sigma-delta Caracteristici:

integrabilitate foarte bună (număr mic de componente analogice)

se pot aplica filtre digitale pe semnalul binar generat

frecvenţă mare de eşantionare rezoluţie bună imunitate la zgomote se recomandă pentru tehnicile

digitale de prelucrare a semnalelor

Σ

∫

Convertorpe un bit

y(kT)x(t)

xd(t)

conversie A/D (modulaţie)

conversie D/A (demodulaţie)

∫ FTJy(kT) x(t)

Figura 3.33 Principiul conversiei sigma-delta

x(t)

y(kT)

xd(t)

Figura 3.34 Diagrama de conversie sigma-delta

t

t

x(t)

y(kT)

Probleme privind conversia analog-digitală

frecvenţa de eşantionare cuantizarea valorii parametrului de intrare eroarea de conversie:

eroarea de digitizare – datorită cuantizării valorilor eroarea de neliniaritate – proporţionalitatea nu este menţinută pe toată plaja

de valori eroarea de offset – dreapta de conversie nu trece prin punctul de origine,

adică la o tensiune de intrare 0 valoarea convertită este diferită de 0 sau invers

eroarea de comutare – apare la comutarea de la o valoare cu mulţi biţi de 1 la o valoare cu un număr mai mic de biţi de 1 (ex.: 00001111 00010000); pentru o valoare mai mare de intrare valoarea digitală este mai mică

Eroarea de conversie

Ui

Eroare de offset

Vd

Eroare de digitizare

Eroare de neliniaritate 10000111

Eroare de comutare

Ui

Vd

Informatica Industriala

Documents

Transcript of Informatica Industriala