Вибір і опис технічного забезпечення первинних пристроїв

Технічне забезпечення АСУ

Технічне забезпечення ЕОМ

ЕОМ сукупність електронно - обчислювальних засобів, з'єднаних необхідним чином, здатних отримувати, запам'ятовувати, перетворювати і видавати інформацію з допомогою обчислювальних і логічних операцій за певним алгоритмом або програмі.

Історично найбільшого поширення (в силу своїх переваг) отримали цифрові ЕОМ, які оперують з дискретної (цифровий) інформацією. Тому при використанні терміна "ЕОМ" зазвичай мають на увазі клас цифрових ЕОМ як найбільш важливий.

Основу ЕОМ становлять їх технічні засоби (ТЗ), під якими розуміється фізичне устаткування, що бере участь в автоматизованій обробці даних.
Відомо, що для виконання автоматизованої обробки даних до складу ЕОМ містять ряд центральних і периферійних пристроїв, кожне з яких виконує цілком закінчені функції, тобто є функціонально закінченої частиною технічного засобу.

До центральних відносять, як правило, наступні основні пристрої: арифметико - логічне (АЛП), центрального управління (ЦУУ) і пульт управління та сигналізації (ПУіС), що утворюють в сукупності процесор, а також основну (оперативну) пам'ять, реалізовану у вигляді оперативного запам'ятовуючого пристрої (ОЗУ). Схемотехнічні центральні пристрої зазвичай являють собою більш-менш однорідні повторюються структури і реалізуються в основному на електронних елементах (мікросхемах, транзисторах і т.п.) у вигляді певних конструктивів (електронних вузлів).
До периферійних належать зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ЗЗП), що представляють собою накопичувачі інформації, що працюють на різних фізичних принципах, наприклад з використанням магнітних, оптичних, паперових та інших носіїв інформації, а також пристрої введення (ПВВ) і виводу (ПВ) інформації. Номенклатура периферійних пристроїв, що використовуються у складі сучасних ЕОМ, досить широка: накопичувачі, дисплеї, які друкують пристрої, клавіатури, сканери, і т.п. Значна частина периферійних пристроїв разом з електронними схемами містить електромеханічні та механічні вузли, досить складні в конструктивному відношенні.
У сукупності з програмним забезпеченням, процедурами, документацією, обслуговуючим персоналом та іншими компонентами сучасні технічні засоби ЕОМ дозволяють створювати потужні обчислювальні системи різного призначення: автоматизованої обробки даних, управління, автоматизації проектування і виробництва, навчання та ін. Сфери застосування ЕОМ безупинно розширюються. Сучасні ЕОМ використовуються практично у всіх галузях народного господарства.

Різноманіття сфер застосування і видів ЕОМ породжує і велику кількість ознак, за якими здійснюється класифікація ЕОМ.

Найбільш доцільна укрупнена класифікація по обмеженому числу ознак, оскільки тільки така класифікація дозволяє виділяти основні відмінні ознаки ЕОМ різних класів, груп, видів і категорій.

За принципом дії розрізняють цифрові, аналогові, аналогово-цифрові ЕОМ. Цифрові ЕОМ оперують з сигналами, представленими в цифровій формі, аналогові використовують аналогові сигнали, аналогово - цифрові комбінацію цих принципів. Природно, що основним відмінною ознакою даних ЕОМ є вид елементної бази.

За призначенням підрозділяють ЕОМ загального призначення, спеціалізовані, персональні. Керуючі та контрольні.

ЕОМ загального призначення (універсальні) орієнтовані на виконання широкого кола завдань (математичних, інженерних та економічних), що виконуються з будь-якого алгоритму. У зв'язку з цим ЕОМ загального призначення мають, як правило, архітектуру, що дозволяє підключати різноманітні периферійні пристрої. Змінюючи їх кількість і технічні параметри, можна забезпечити різноманітність видів систем обробки даних і режимів взаємодії з користувачем. У силу зазначених обставин такі ЕОМ повинні мати високу продуктивність обчислень при низькій вартості. Забезпечення мінімальних габаритних розмірів, маси та енергоспоживання при проектуванні є особливо критичним.

Спеціалізовані ЕОМ призначені для вирішення вузького кола спеціальних завдань найбільш ефективним способом. Як правило, такі ЕОМ мають менше електронного обладнання, містять певні обмеження на обробку інформації, а значить, в більшості випадків простіше і дешевше універсальних.
Персональні ЕОМ призначені для експлуатації їх користувачем самостійно, без допомоги професійного програміста. До них в даний час відносять ЕОМ, що володіють повним набором відповідних ознак:

1. Розвиненим людино-машинним інтерфейсом, що забезпечує просте управління ЕОМ непрофесійним користувачем;

2. Великим числом готових програмних засобів прикладного характеру, що усувається користувача від необхідності розробляти програми самостійно;

3. Наявністю малогабаритних накопичувачів інформації значною ємності на змінних носіях, що забезпечують взаємозамінність та експлуатацію нових програмних засобів;

4. Малими габаритними розмірами і масою, що дозволяють встановлювати ЕОМ на будь-якому робочому місці, а також малим енергоспоживанням;

5. Низькою вартістю і широкою доступністю;

6. Ергономічністю конструкції, привабливістю форми, кольору і т.д.

Керуючі ЕОМ використовуються для управління різними об'єктами і технологічними процесами. Характерна особливість цих ЕОМ полягає в отриманні інформації про дійсний стан керованого об'єкта від датчиків, встановлених безпосередньо на об'єкті. При цьому важливе значення для керуючих ЕОМ має висока надійність функціонування.

Контрольні ЕОМ застосовуються при побудові контрольно-вимірювальної апаратури.

По області застосування розрізняють загальнотехнічні, професійні, побутові та інші ЕОМ.

Якщо загальнотехнічні ЕОМ застосовуються для вирішення загально-технічних, наукових, інженерних і економічних завдань, то професійні ЕОМ орієнтовані на застосування фахівцями у конкретних галузях і науковими співробітниками. Професійні ЕОМ зазвичай відрізняються великою обчислювальною потужністю і оснащується комплектом продуктивного периферійного обладнання. Побутові ЕОМ використовуються в повсякденному житті людей, наприклад для управління побутовою технікою, для ігор і т.д.

По сукупності технічних характеристик (продуктивності, об'єму пам'яті, принципу реалізації, характеру застосування, вартості, габаритними розмірами, і ін.) розрізняють високопродуктивні, зверхвисокопродуктивні, середні, малі (міні -) і мікроЕОМ.

Високопродуктивні ЕОМ призначені для вирішення завдань комплексного проектування і використання в системах управління вищої ланки. Вони умовно характеризуються продуктивністю понад 1 млн. оп/с, мають граничний обсяг оперативної пам'яті і розширену конфігурацію підсистеми вводу - виводу. Взаємодія користувачів з ЕОМ здійснюється, як правило, за допомогою індивідуальних засобів спілкування людини з машиною (терміналів). Високопродуктивні ЕОМ мають звичайно значні габаритні розміри складових їх технічних засобів, через що їх іноді називають великими.

Зверхвисокопродуктивні моделі ЕОМ отримали за кордоном назву суперЕОМ, що в першу чергу означає широкі можливості, що надаються користувачеві, а також здатність системи проводити за складністю обробку даних. Такі ЕОМ, що мають високі технічні характеристики (продуктивність сотні мільйонів і навіть мільярдів операцій у секунду), застосовуються при вирішенні теоретичних завдань, що вимагають значних обчислювальних ресурсів (наприклад, для тривимірної обробки даних геофізичної розвідки нафти, моделюванні процесів атомної і молекулярної фізики та ін). При створенні таких ЕОМ застосовується особливо швидкодіюча елементна база (замовлені і матричні БІС і НВІС), а також досить складні у технічному відношенні конструкції.

Середні ЕОМ мають продуктивність нижче 1 млн. оп/с, розвинену конфігурацію вводу-виводу і служать для застосування в системах обробки інформації колективного користування, галузевих системах автоматизованого проектування та системах управління.

До малих (міні - ЕОМ) відносять ЕОМ з продуктивністю процесора порядку сотень тисяч операцій в секунду, обмеженим об'ємом оперативної пам'яті, спрощеної організацією вводу-виводу. Такі ЕОМ застосовуються для обслуговування невеликого числа абонентів, рішення інформаційних і обчислювальних завдань в системах проектування та управління нижньої ланки, зокрема для включення до складу керуючого або контрольно-вимірювального комплексу.

МікроЕОМ - це звичайно ЕОМ з малою ємністю оперативної пам'яті, низькою розрядністю і познаковим введенням - виводом. Вони використовуються у складі керуючого або вимірювального комплексу (вбудовані мікроЕОМ). Дані ЕОМ мають відносно прості конструкції (типові многоплатние, однопалатні і рідше однокристальних мікроЕОМ) і низьку вартість. На основі мікроЕОМ іноді реалізуються і персональні ЕОМ.

ЕОМ які використовуються для рішення задач збирання інформації від датчика в реальному часі використовують АЦП, ЦАП тощо.

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) - це пристрої, які приймають вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.

Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, однак це завдання вдається розв’язати тільки досить рідко через складність таких перетворювачів. Тому зараз найраціональнішим вважається спосіб перетворення різних за фізичною природою величин спочатку в функціонально пов'язані з ними електричні, а потім уже за допомогою перетворювачів напруга - код - в цифрові. Саме ці перетворювачі і мають на увазі, коли говорять про АЦП.

Розглянемо докладніше місце АЦП при виконанні операції дискретизації. Для достатньо вузькосмугових сигналів операцію дискретизації можна виконувати за допомогою самих АЦП і суміщати таким чином з операцією квантування. Основною закономірністю такої дискретизації є те, що за рахунок скінченного часу одного перетворення та невизначеності моменту його закінчення, який, у загальному випадку, залежить від параметрів вхідного сигналу, не вдається отримати однозначної відповідності між значеннями відліків та моментами часу, до яких їх потрібно віднести. В результаті при роботі із сигналами, які змінюються в часі, виникають специфічні похибки, динамічні за своєю природою, для оцінки яких вводять поняття апертурної невизначеності, яка переважно характеризується апертурним часом.

Апертурним часом називають час, протягом якого зберігається невизначеність між значенням вибірки та часом, до якого вона відноситься. Ефект апертурної невизначеності проявляється або як похибка миттєвого значення сигналу при заданих моментах вимірювання, або як похибка моменту часу, в який проводиться вимірювання при заданому миттєвому значенні сигналу. При рівномірній дискретизації наслідком апертурної невизначеності є виникнення амплітудних похибок, які називаються апертурними та чисельно рівні приростові сигналу протягом апертурного часу.

Зараз відома велика кількість методів перетворення напруга - код. Ці методи суттєво відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення та складністю апаратної реалізації.

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) - призначений для перетворення числа, визначеного, як правило, у виді двійкового коду, у напругу чи струм, які пропорційні значенню цифрового коду. Схемотехніка цифро-аналогових перетворювачів дуже різноманітна.

Цифро-аналогових перетворювачів класифікуються за наступними ознаками:

• За видом вихідного сигналу: з сумовим виходом та виходом у виді напруги

• За типом цифрового інтерфейсу: з послідовним уведенням та з паралельним уведенням вхідного коду

• За кількістю ЦАП на кристалі: одноканальні та багатоканальні

• За швидкодією: помірної та високої швидкодії

Основні типи електронних ЦАП:

1. Широтно - імпульсний модулятор найпростіший тип ЦАП. Стабільне джерело струму чи напруги періодично вмикається на час, пропорційний перетворюваному цифровому коду, далі отримана імпульсна послідовність фільтрується аналоговим фільтром низьких частот. Такий спосіб часто використовується для керування швидкістю електромоторів, а також стає популярним в Hi - Fi аудіотехніці.

2. ЦАП передискретизації, такі, як дельта - сигма ЦАП, основані на змінюваній густоті імпульсів. Передискретизація дозволяє використовувати ЦАП з меншою розрядністю для досягнення більшої розрядності кінцевого перетворення; часто дельта-сигма ЦАП будується на основі найпростішого однобітового ЦАП, який є практично лінійним. Більшість ЦАП більшої розрядності (більше 16 біт) побудовані на цьому принципі внаслідок його високої лінійності і низької вартості. Швидкодія дельта-сигма ЦАП сягає сотень тисяч відліків в секунду, розрядність – до 24 біт. Для генерації сигналу з модульованою густотою імпульсів можна використати простий дельта-сигма модулятор першого порядку чи більш високого порядку як MASH (англ. Multi stage noise SHaping). Зі збільшенням частоти передискретизації знижуються вимоги до вихідного фільтра низьких частот і поліпшується приглушення шуму квантування.

3. ЦАП зважування, в якому кожному біту перетворюваного двійкового коду відповідає резистор чи джерело струму, підключене до спільної точки додавання. Сила струму джерела (провідність резистора) пропорційна вазі біта, якому він відповідає. Таким чином, всі ненульові біти коду додаються з вагою. Метод зважування - один з найшвидших, але йому властива низька точність через необхідність наявності набору множини різних прецизійних джерел чи резисторів. Через цю причину ЦАП зважування мають розрядність не більше восьми біт.

4. Ланцюгова R-2R схема є варіацією ЦАП зважування. В R - 2R ЦАП зважені значення створюються в спеціальній схемі, яка складається з резисторів опорами R і 2R. Це дозволяє суттєво збільшити точність порівняно зі звичайним ЦАП зважування, оскільки порівняно просто виготовити набір прецизійних елементів з однаковими параметрами. Недоліком методу є більш низька швидкість внаслідок паразитної ємності.

5. Сегментний ЦАП містить по одному джерелу струму чи резистору на кожне можливе значення вихідного сигналу. Так, наприклад, восьмибітовий ЦАП цього типу містить 255 сегментів, а 16-бітовий – 65535. Теоретично, сегментні ЦАП мають найбільшу швидкодію, оскільки для перетворення достатньо замкнути один ключ, який відповідає вхідному коду.

6. Гібридні ЦАП використовують комбінацію перерахованих вище способів. Більшість мікросхем ЦАП належать до цього типу, вибір конкретного набору способів є компромісом між швидкодією, точністю і вартістю ЦАП.

Вибір і опис технічного забезпечення первинних пристроїв

Датчики (в літературі часто вживається вираз вимірювальний перетворювач) - це пристрої, призначені для отримання інформації про стан об'єкта, вони можуть надавати комп’ютеру інформацію про його розташування, оточення тощо. Програми на комп’ютері можуть отримувати доступ до відомостей із датчиків, а далі зберігати або використовувати ці відомості, щоб полегшити користувачеві виконання щоденних завдань чи підвищити зручність роботи на комп’ютері.

В автоматизованих системах управління з їх допомогою здійснюється зворотний зв'язок системи регулювання з об'єктом. Автоматизація різних технологічних процесів, ефективне управління різними агрегатами, машинами, механізмами вимагають численних вимірів різноманітних фізичних величин. Таким чином це елемент вимірювального, сигнального, регулюючого або керуючого пристрою, що перетворить контрольовану величину (температуру, тиск, частоту, силу світла, електрична напруга, струм і т.д.) в сигнал, зручний для вимірювання, передачі, зберігання, обробки, реєстрації, а іноді і для впливу їм на керовані процеси.

При класифікації датчиків як основи часто використовується принцип їх дії, який, у свою чергу, може базуватися на фізичних або хімічних явищах і властивості. Основні види:

Датчики температури - мабуть, один із найпоширеніших типів датчиків. Температуру необхідно вимірювати скрізь: у сталеплавильній печі, хімічному реакторі або у квартирі, в системі опалення. Використовувані в промисловості датчики температури можна розділити за типом вимірювання на контактні й безконтактні датчики температури.

Безконтактні датчики використовують принцип вимірювання потужності інфрачервоного випромінювання, що йде від кожного об'єкта, чи то розплавлений метал, чи шматок льоду. Інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі 3 - 14 мкм від вимірюваного об'єкта потрапляє на чутливий елемент безконтактного датчика температури й перетвориться в електричний сигнал, що потім підсилюється, нормується, а в нових моделях датчиків і оцифровується для передачі мережею. Безконтактні датчики температури застосовують там, де утруднений доступ до вимірюваних деталей, а також необхідна мобільність і мала інерційність вимірів. Крім того, безконтактні датчики температури незамінні там, де необхідно вимірювати високі температури - від 1500 до 30000С. До особливого виду ІЧ - датчиків температури можна віднести ІЧ-камери, які дають змогу одержати картину розподілу температури на поверхні вимірюваного об'єкта. Сучасні технології дають змогу створити недорогі камери без охолоджуваних і рухливих частин. Наприклад, прилад ThermoView Ti30 виробництва Raytek, що відтворює зображення в ІЧ-спектрі з роздільною здатністю 160 х 160 крапок і точністю 2% при температурі в діапазоні від 0 до 2500С. Прилад має власну пам'ять зображень і USB - порт для передачі файлів у комп'ютер.

Цікаві також моделі безконтактних датчиків температури, розроблені для вимірювання температури прозорих об'єктів – скла й пластикової плівки, датчики для роботи в запиленому або задимленому середовищі, датчики для вимірювання температури харчових продуктів у холодильних камерах.

Контактні датчики температури - це, насамперед, термопари й термоопори. Основною перевагою цього типу датчиків є висока точність вимірювання і їхня відносна дешевизна. Найбільше застосування одержали термопари хромель-копель (тип L) і хромель-алюмель (тип J). Ці типи термопар забезпечують високу точність і стабільність вимірів у широкому діапазоні температур. Вимірювання температури термоопором ґрунтується на тому, що такі матеріали, як напівпровідники й метали змінюють свій електричний опір зі зміною температури. Напівпровідникові термоопори (зазвичай, їх називають термісторами), мають середню точність і стабільність показів, однак такі датчики досить дешеві й застосовуються там, де відсутня необхідність у високій точності вимірів. Термоопори ж із металевим чутливим елементом забезпечують високу точність і стабільність вимірів. Як метали для термоопорів використовують платину, мідь, рідше нікель.

Принцип вимірювання кремнієвими датчиками температури ґрунтується на тому, що кремній як напівпровідник значною мірою змінює свій опір з температурою. Оскільки кремній також застосовується для виробництва інтегральних мікросхем, то такі датчики температури можуть мати схеми посилення й обробки сигналу, схеми цифрових інтерфейсів, що дає змогу прямо під'єднати датчик до комп'ютера або мікропроцесора.

Датчики тиску, датчики складу газу, датчики швидкості потоку й витрати газу. Прилади для вимірювання тиску застосовують майже у всіх галузях промисловості, особливо в машинобудуванні, хімічній, харчовій промисловості й енергетиці. Датчики тиску можна розділити на наступні кілька груп за типом вимірюваного тиску.

Датчики абсолютного тиску. Точкою відліку для них слугує нульовий тиск, тобто вакуум. Такі датчики застосовують переважно у хімічній, харчовій промисловості, у фармацевтиці - там, де параметри технологічного процесу залежать від абсолютного значення тиску. Вимірюваний абсолютний тиск звичайно не перевищує значення 50–60 бар.

Датчики відносного тиску. Покази цих датчиків відлічуються від значення зовнішнього атмосферного тиску. Це найпоширеніший тип датчиків тиску. Датчики відносного тиску вимірюють тиск у системах водопостачання, різних трубопроводах і ємностях.

Датчики диференціального тиску. Датчики мають два входи, і результатом вимірів є різниця тисків між цими входами. Ця різниця може бути як позитивною, так і негативною, однак деякі моделі датчиків диференціального тиску вимірюють тільки однобічні зміни диференціального тиску. Датчики диференціального тиску застосовуються для контролю забруднення фільтрів при фільтрації газів або рідин. Їх використовують як датчики рівня рідини при вимірюванні рівня гідростатичним методом. За допомогою датчиків диференціального тиску вимірюють витрати рідини.

Датчики тиску поділяють за типом використовуваного чутливого елемента. Цей поділ ставить істотні вимоги до галузей застосування датчиків тиску.

Одним з перших типів датчика тиску був датчик із чутливим елементом ємнісного типу. Такі датчики застосовують, наприклад, у приладах для вимірювання кров'яного тиску. Датчики тиску з ємнісним чутливим елементом мають високу точність вимірів, широкий діапазон і довготермінову стабільність. Наприклад, датчики тиску серії 3015 виробництва компанії Rosemount мають точність виміру 0,15%, довготермінову стабільність 0,125% протягом п'яти років експлуатації й діапазон 100:1.

Іншим типом датчиків є датчик тиску із чутливим елементом у вигляді мембрани із закріпленими на ній тензодатчиками. Як правило, мембрана виготовляється з нержавіючої сталі або іншого стійкого металу. Тензодатчики звичайно роблять металевими – з манганіну, константану або кремнію.

Недавно стали використовувати датчики тиску з мембраною з кераміки, з п'єзорезистивними датчиками. Датчики з такою мембраною мають більшу довготермінову стабільність показів і високу стійкість до перевантажень за тиском. Розвиток електроніки дає змогу в більшій мірі застосовувати мікропроцесорні технології в системах обробки сигналів датчиків тиску, реалізуючи цифрові інтерфейси виводу інформації з датчиків або їхнє переналаштування за діапазоном. Датчики тиску PF2057 виробництва IFM Electronic мають керамічну фронтальну мембрану, що дає змогу використовувати їх для вимірювання тиску в'язких середовищ і суспензій, а також у харчовій промисловості. Крім струмового виходу 4 - 20 мА датчик має граничний транзисторний вихід, світлодіодний дисплей і має змогу переналаштовуватися за діапазоном в 4 рази.

Датчики складу газів застосовують у хімічному виробництві для контролю за ходом технологічного процесу, а також для моніторингу стану атмосфери й забезпечення безпеки у виробничих цехах і житлових приміщеннях. Датчики, що визначають наявність і концентрацію вибухонебезпечних газів, таких як метан, пропан, водень, ацетилен, зазвичай, використовують каталітичний принцип. У таких пристроях поверхня чутливого елемента покрита тонким шаром каталізатора, роль якого може виконувати, наприклад, платина, палладій або діоксид олова. Газ, що потрапляє на шар каталізатора, окисляється киснем повітря й викликає додаткове нагрівання цього шару. Зміна температури призводить до появи електричного сигналу, що підсилюється електронною схемою.

Датчики для визначення концентрацій токсичних газів, таких, наприклад, як аміак або сірководень, використовують електрохімічний принцип вимірювання. Газ надходить у ємність, де під дією електричного струму відбувається хімічна реакція. Вибираючи матеріал електродів і розділової мембрани у вимірювальній ємності, а також силу струму, можна домогтися того, що в реакцію буде вступати тільки певний газ, концентрацію якого необхідно виміряти.

Третім типом датчиків газу можна назвати ІЧ - датчики газу. Принцип вимірювання ґрунтується на поглинанні газами певних довжин хвиль ІЧ - діапазону. Той або інший газ поглинає лише певні довжини хвиль і коефіцієнт поглинання пропорційний концентрації газу. ІЧ-датчики газу мають низку переваг: довготермінова стабільність, відсутність чутливості до інших газів, висока точність. Незважаючи на те, що цей тип датчиків був розроблений давно, його широке застосування стримувалося високою вартістю устаткування. З появою нових приймачів і випромінювачів ІЧ - діапазону вартість таких приладів наближається до вартості звичайних датчиків газу.