Контроль над технологическим процессом подразумевает, что его параметры измеряются, измеренные значения передаются на регистрацию на самописцы или в систему сбора данных, формируются сигналы сигнализации в тех случаях, когда параметры принимают недопустимые значения, фиксируются прочие особенности протекания процесса.
Рисунок 1. Внешний вид контроллера температуры МЕТАКОН-1205, расположение органов индикации и управления на передней панели
Широкое внедрение микропроцессоров во все сферы электроники существенно повлияло и на принцип построения контрольно-измерительных приборов. Даже простейшие приборы стали настолько функционально насыщенными, что даже трудно говорить о каком-то определенном их предназначении. Это касается и наименования прибора. Если в былые времена прибор назывался, например, измерителем, то этим все было сказано. То же самое относилось к нормирующим преобразователям, сигнализаторам, модулям ввода-вывода, регуляторам. В настоящее время даже самые простые приборы совмещают в себе все эти функции, и главное, реализуют их с гораздо большей точностью, достоверностью, воспроизводимостью, эффективностью и т.п. И что немаловажно, рост совокупной функциональности приборов сопровождается относительным (в расчете «на функцию») снижением стоимости.
Чтобы обойти трудность, связанную с наименованием таких многофункциональных устройств с очень широким спектром применений, будем их назвать конфигурируемыми контроллерами температуры (технологических параметров или процессов). Тем самым мы хотим подчеркнуть, что эти устройства не имеют одного четко определенного функционала, соответственно, и узкой области применения. Такие контроллеры температуры разработаны так, что функциональное их назначение определяет пользователь путем, так называемой процедуры КОНФИГУРИРОВАНИЯ. Еще ее называют терминами НАСТРОЙКА, ПРОГРАММИРОВАНИЕ и т.п. Однако мы для нее придерживаемся термина КОНФИГУРИРОВАНИЕ потому, что она определяет именно конфигурацию (то есть взаиморасположение, взаимоотношение) функциональных блоков и характеристик контроллера температуры из числа возможных вариантов, наперед заданных производителем. Термин программирование, по-видимому, больше применим к программируемым контроллерам температуры. Их функционал полностью определяется той программой (отсюда и программирование), которую напишет пользователь. Программирование более «свободно», чем конфигурирование, однако конфигурирование (в отличие от программирования) проще и дешевле, поэтому доступно практически каждому пользователю.
Здесь невольно вспоминаются сотовые телефоны, которыми мы все пользуемся. Все мы занимаемся их конфигурированием, но практически никто (кроме их разработчиков) не программирует. Кто-нибудь на это жалуется?
Как ни парадоксально, рост функциональности и универсальности конфигурируемых контроллеров температуры порождает у пользователя определенные трудности – трудности выбора. Поясним это. Три обстоятельства, а именно:
А) набор функций широк, но у всех контроллеров температуры он разный,
Б) набор функций задан производителем (т.е. наперед предопределен видом контроллера температуры) и не может быть свободно запрограммирован пользователем,
В) обобщенное название КОНТРОЛЛЕР ничего не говорит о функциональности, создает проблему выбора конфигурируемого контроллера температуры. Перед пользователем неизбежно встает вопрос: «Какой конкретно контроллер подходит для решения моих задач?»
Цель данной статьи как раз заключается в том, чтобы описать задачи, решение которых с помощью описанного здесь конфигурируемого контролера температуры является оптимальным. Речь идет о контроллере температуры МЕТАКОН-1205 (Рисунок 1), выпускаемым НПФ "КонтрАвт". Следует отметить, что НПФ «КонтрАвт» выпускает популярные контроллеры температуры (технических параметров или процессов) серии МЕТАКОН-5х2 (1,2, 3 и 6 канальные) уже много лет, так что описываемый в данной статье контроллер температуры МЕТАКОН-1205 является современным развитием этой серии.
Типовые задачи контроллеров температуры
Одноканальный контроллер температуры МЕТАКОН-1205 разрабатывался для оптимального решения следующих типов задач:
Задача 1
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
Это простейшее применение контроллера температуры в качестве Измерительного индикатора. Однако при наличии интерфейса RS-485 он может применяться уже в качестве Модуля аналогового ввода с индикатором в распределенных системах сборах данных и управления.
Задача 2
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
трансляция измеренного сигнала в токовый унифицированный сигнал (для модификаций с токовым выходом);
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
В этой задаче подчеркивается применение контроллера температуры в качестве Нормирующего преобразователя с гальваническим разделением вход-выход. При этом он остается и Измерительным индикатором, и Модулем аналогового ввода с индикатором. Нормированный унифицированный сигнал предается на другие элементы системы управления: регистраторы, контроллеры, регуляторы.
Задача 3
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
сигнализация при выполнении заданных условий на величину технологического параметра;
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
Полноценный контроль над технологическим процессом в автоматическом режиме предполагает, что, кроме измерения и отображения результатов измерения, осуществляется сигнализация о том, что измеренный технологический параметр вышел за установленные границы. В этом случае, контроллер температуры становится Сигнализатором с двумя дублированными выходами (реле и транзистор с открытым коллектором). Состояние сигнализатора может передаваться по сети RS-485 в систему сбора данных и управления.
Задача 4
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
трансляция измеренного сигнала в токовый унифицированный сигнал (для модификаций с токовым выходом);
-
сигнализация при выполнении заданных условий на величину технологического параметра;
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
В задаче 4 объединены все четыре предназначения контроллера: Измерительный индикатор, Нормирующий преобразователь, Сигнализатор, Модуль аналогового ввода с сигнализацией.
Задача 5
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
двухпозиционное (on/off) регулирование;
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
В Задаче 5 контроллер температуры выполняет управляющую функцию и становится двухпозиционным Регулятором. В тех случаях, когда не предъявляются повышенные требования к точности поддержания технологических параметров, двухпозиционное регулирование является оптимальным с точки зрения простоты реализации и стоимости решения. В этом случае контроллер температуры является не просто Модулем ввода, а функциональным Модулем ввода-вывода с функцией регулятора, в котором не только осуществляется ввод и вывод сигналов, но и реализуется определенный алгоритм управления. Важно то, что этот алгоритм выполняет сам контроллер температуры, а не управляющая система верхнего уровня. Это, с одной стороны, снижает вычислительную нагрузку на верхний уровень и сокращает поток данных по сети RS-485, с другой, повышает надежность системы, так как управление будет выполняться даже в том случае, если связь по шине RS-485 будет прервана.
Задача 6
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
двухпозиционное (on/off) регулирование;
-
трансляция измеренного сигнала в токовый унифицированный сигнал (для модификаций с токовым выходом);
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
Дополнение функций Регулятора функциями Нормирующего преобразователя температуры позволяет передавать с помощью аналогового сигнала на регистрирующие устройства (самописцы, контроллеры) информацию для записи о качестве протекания технологического процесса.
Задача 7
-
измерение и индикация технологического параметра;
-
пропорциональное (П) регулирование с токовым выходным сигналом управления (для модификаций с токовым выходом);
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
Токовый выход контроллера температуры может быть настроен для выполнения функций Пропорционального (П) Регулятора с аналоговым выходом. Аналоговый сигнал П-регулятора может управлять клапанами и задвижками с электропозиционерами, бесконтактными коммутаторами с фазо-импульсным управлением мощностью, электроприводами с частотным управлением и т.п.
Задача 8
-
измерение и индикация технологических параметров;
-
пропорциональное (П) регулирование с токовым выходным сигналом управления (для модификаций с токовым выходом);
-
сигнализация при выполнении заданных условий на величину технологического параметра;
-
обмен данными по сети RS-485 (для модификаций с RS-485).
В Задаче 8 совмещены функции П-регулятора и Сигнализатора.
Функциональная схема контроллера температуры
Перечисленные выше задачи решает конфигурируемый контроллер температуры, функциональная схема которого приведена на Рисунке 2.
Рисунок 2. Функциональная схема контроллера температуры МЕТАКОН-1205
Конструктивно контроллер температуры МЕТАКОН-1205 предназначен для щитового монтажа, передняя панель имеет размеры 48х96 мм, монтажная глубина 120 мм.
Внешние подключения проводятся разъемными клеммными соединителями. Это облегчает монтаж, обслуживание и замену приборов. Внешний вид прибора и передней панели, расположение органов индикации и управления приведено на Рисунке 1 (см.выше).
Обработка аналогового сигнала
Контроллер температуры имеет один универсальный аналоговый вход, который позволяет подключать термометры сопротивления (5 наиболее распространенных типов), термоэлектрические преобразователи (термопары) (12 наиболее распространенных типов), а также унифицированные сигналы тока и напряжения от датчиков давления, температуры, расхода, уровня, пирометрии. Измеренные сигналы подвергаются цифровой низкочастотной фильтрации с целью понижения влияния сильных электромагнитных помех в условиях промышленного производства. Нелинейные Номинальные статические характеристики (НСХ) термопреобразователей линеаризуются, поэтому результат измерения отображается в единицах температуры. По сети RS-485 передаются непосредственно значения температуры, это разгружает вычислительную нагрузку на системы верхнего уровня. Аналогично, проводится масштабирование унифицированных сигналов, поэтому результат отображается в единицах измерения физической величины. Например, если датчик давления в диапазоне 0…8 атм. выдает сигнал 4…20 мА, то контроллер измеряет сигнал 4…20 мА и осуществляет его преобразование (масштабирование) в давление 0…8 атм. Прибор может использоваться для измерения расхода с применением стандартных сужающих устройств. Для этого в нем реализована функция извлечения квадратного корня из входного сигнала. Разрядность (то есть число знаков после запятой) устанавливается пользователем.
Следует обратить внимание на то, что по сети RS-485 измеренное значение также передается в единицах измерения технологического параметра, что избавляет от необходимости проводить преобразования в системах верхнего уровня
Функции компараторов контроллера температуры
Компаратор может выполнять 8 разновидностей функций (Рисунок 3). Каждая функция характеризуется определенной зависимостью выходного сигнала от соотношения измеренного сигнала и уставок, а также способом задания порогов срабатывания компараторов.
Рисунок 3. Контроллер температуры МЕТАКОН-1205. Функции компараторов
Компаратор имеет дублированный выход – синхронно работают электромагнитное реле (250В, 3А) и n-p-n транзистор с открытым коллектором (60В, 150 мА). Кроме того, к компаратору может быть подключен токовый выход, который в этом случае работает как активный логический выход (15-24 В, 20мА).
Отложенная сигнализация
В контроллере имеется возможность задать так называемый режим отложенной сигнализации, когда отменяется первое включение компаратора, даже если условия для этого возникли. На Рисунке 4 показан пример, в котором режим отложенной сигнализации используется в момент разогрева печи до рабочего уровня, когда сигнализация «ВЫХОД ЗА ДОПУСТИМЫЙ ИНТЕРВАЛ» (функции 7, 8) не должна срабатывать.
Рисунок 4. Контроллер температуры МЕТАКОН-1205. Пример применения режима отложенной сигнализации на стадии разогрева и блокировки компаратора на стадии охлаждения
Внешняя блокировка компаратора
Для логического управления работой компараторов контроллер температуры имеет 2 дискретных входа. Один дискретный вход позволяет блокировать работу компаратора и переводить выходы компаратора в состояние ВЫКЛЮЧЕНО, независимо от соотношения уровней входного сигнала и уставок. На Рисунке 4 приведен пример блокировки сигнализации «ВЫХОД ЗА ДОПУСТИМЫЙ ИНТЕРВАЛ» (функции 7, 8) на стадии охлаждения печи.
Внешнее управление уставками компаратора
Второй дискретный вход используется для переключения внешним сигналом текущих уставок компаратора на предуставки, предварительно заданные пользователем. Возможность такого переключения позволяет менять уставки «одним движением» переключателя на пульте управления, исключает ошибки при смене уставок с помощью кнопочной панели прибора, делает процедуру смены уставок очень быстрой. Смена уставок возможна также автоматически по сигналам других устройств автоматики, например, реле времени, счетчиков, релейных датчиков и т.п. На Рисунке 5 приведен пример смены уставки регулятора температуры в автоклаве по сигналу релейного датчика давления при достижении заданного уровня давления (функции 3, 4).
Рисунок 5. Контроллер температуры МЕТАКОН-1205. Пример смены уставки регулятора температуры в автоклаве по сигналу релейного датчика давления при достижении заданного уровня давления
Защита от ложных срабатываний
Автоматический контроль над процессом осуществляется с помощью сигнализации. Она с одной стороны должна фиксировать ситуации, когда технологический процесс выходит за установленные границы, но в то же время и не должна вносить непредусмотренные возмущения в управление процессом. Такие возмущения могут возникать, если процесс имеет большую случайную составляющую или подвержен случайным импульсным помехам. В контроллере температуры предусмотрен ряд мер, которые позволяют решать эту проблему оптимальным образом. Рассмотрим примеры.
Случай 1. Аналоговый сигнал подвержен кратковременным импульсным помехам (например, под воздействием сварки, коммутационных помех при включении/выключении мощных потребителей, грозовые разряды и проч.). Для компаратора задана функция 3 (или 4). Предполагается, что компаратор сработает при достижении температуры определенного уровня, после чего процесс нагрева останавливается. На Рисунке 6,а приведен вид сигнала и результат работы сигнализации.
Рисунок 6. Контроллер температуры МЕТАКОН-1205. Работа сигнализатора в условиях сильных импульсных помех
Как видим, кратковременный импульс вызвал ложное срабатывание компаратора (точнее, компаратор-то сработал так, как ему предписано, но нам хочется другой реакции), и процесс нагрева остановился преждевременно. Работа сигнализации в этом случае явно нарушает правильную работу системы. В контроллере температуры предусмотрены три способа борьбы с подобными ситуациями. Во-первых, при первичной обработке измеренного сигнала применен так называемый медианный фильтр, который просто «выбрасывает» из рассмотрения кратковременные импульсы. Во-вторых, цифровая низкочастотная фильтрация также сглаживает кратковременные помехи. Совокупное действие этих двух фильтров приводит к тому, что на компаратор приходит сигнал без этого импульса. Третий способ, заключается в том, что для компаратора можно установить Время подтверждения D для срабатывания. Компаратор изменит свое состояние только в том случае, если условия срабатывания без перерыва выполняются дольше, чем Время подтверждения D. В нашем случае достаточно задать время подтверждения 3-5 секунд, чтобы ложное срабатывание компаратора от импульсной помехи не произошло. В то же время такое малое время подтверждения не влияет на общий ход управления процессом. «Правильная» работа контроллера показана на Рисунке 6,б.
Случай 2. Аналоговый сигнал постоянно подвержен действию случайных помех, и измеренный сигнал имеет вид, показанный на Рисунке 7. Для компаратора задана функция 3 (или 4). Если задана малая величина зоны гистерезиса (Рисунок 7,а), то компаратор постоянно срабатывает, что, вероятнее всего, нарушает нормальную работу системы. Но если задать величину зону гистерезиса больше, чем размах колебаний измеренного сигнала, то срабатывание компаратора станет устойчивым и работа системы нормализуется (Рисунок 7,б).
Рисунок 7. Контроллер температуры МЕТАКОН-1205. Влияние величины зоны гистерезиса на работу компаратора в условиях сильных помех
Функция логгера контроллера температуры
В контроллере температуры МЕТАКОН-1205 реализована функция логгера. Прибор фиксирует минимальное и максимальное значения измеренного сигнала за период с момента последнего сброса (Рисунок 8). Эти значения доступны для просмотра с панели прибора, а также по сети RS-485.
Рисунок 8. Контроллер температуры МЕТАКОН-1205. Логгер фиксирует минимальное и максимальное значение параметра процесса после сброса
Функциональная сигнализация контроллера температуры
Кроме контроля над технологическим процессом, которая осуществляется в контроллере параметрической сигнализацией с помощью компараторов, важно иметь возможность контролировать работу как самого контроллера температуры, так и его связи с ближайшими элементами системы. Для этого применяется функциональная сигнализация. Она обнаруживает и при необходимости формирует выходной сигнал в следующих аварийных ситуациях:
- обрыв линий связи входных аналоговых сигналов;
- выход входных аналоговых сигналов за допустимые пределы;
- сбой в работе и данных в памяти контроллера.
Поведение контроллера температуры в таких ситуациях можно задать: установить уровни выходных аналоговых и дискретных сигналов, логику работы дискретного выхода, время подтверждения аварийных ситуаций.
Счетчик моточасов
Контроллер температуры фиксирует суммарное время нахождения во включенном состоянии, то есть выполняет функции счетчика моточасов. Это позволяет оценивать время наработки как самого контроллера, так и оборудования на котором он установлен (естественно, при условии, что питание контроллера температуры и оборудования включается одновременно).
Встроенный источник 24В
В контроллере температуры имеется встроенный источник стабилизированного напряжения 24В, который можно использовать для питания датчиков, реле, индикаторов. Наличие такого источника упрощает систему и снижает ее стоимость, особенно, когда речь идет о простых системах.
Обмен данными по сети RS-485
В сети RS-485 выполняет роль ведомого устройства (SLAVE). Набор параметров, которые доступны для чтения и записи по сети RS-485, составляет так называемую регистровую модель контроллера температуры. В регистровую модель входят, например, измеренное значения, значения уставок, состояние дискретных входов, функции компараторов, состояние выхода компаратора и многие другие параметры. Параметры регистровой модели можно не только считывать, но и устанавливать. Это значит, что по сети можно не только собирать данные о процессе и работе контроллера температуры, но и управлять его работой.
Система конфигурирования контроллера температуры
Режимы работа контроллера температуры и выполняемые функции задаются определенными параметрами. Изменяя значения параметров, пользователь задает нужный ему функционал контроллера температуры. Это процедура, как отмечалась выше, называется КОНФИГУРИРОВАНИЕМ.
Все параметры для удобства сгруппированы в меню. Для удобства для доступа к меню в контроллере используется специальная кнопка МЕНЮ. С помощью кнопки МЕНЮ выбирается необходимое меню, а выбор параметров в пределах меню осуществляется с помощью кнопки ПАРАМЕТР, их изменение – с помощью кнопок Ñ и D. В контроллере практически исключено двойное применение кнопок. Пользователь избавлен от необходимости выполнять таинственные действия типа «удерживая кнопки А и В, 3 раза нажмите кнопку С».
Важнейшим является ОПЕРАТИВНОЕ МЕНЮ – меню, которое доступно оператору в непосредственной работе. В контроллере температуры МЕТАКОН-1205 в состав ОПАРЕТИВНОГО МЕНЮ можно отобрать только те параметры, которые действительно необходимы для данного применения. Среди них можно указать параметр, который постоянно отображается на цифровом дисплее (не обязательно измеренный параметр). Для другого применения можно задать другой состав ОПЕРАТИВНОГО МЕНЮ. При этом можно задать режим доступа к параметрам ОПЕРАТИВНОГО МЕНЮ. Варианта два: можно только просматривать, можно просматривать и изменять.
Удобные разъемные клеммные соединители контролллера температуры
Подключение контроллера температуры МЕТАКОН-1205 к внешним цепям осуществляется удобными разъемными винтовыми клеммными соединителями (Рисунок 9). Их использование сокращает время снятия-установки прибора для проведения метрологической поверки или ремонта, но самое главное - исключает ошибки при повторном подключении соединительных линий.
Рисунок 9. Разъемные клеммные соединители для подключение контроллера температуры МЕТАКОН-1205
