Цифровая «токовая петля»

Цифровая «токовая петля» используется обычно в версии «0...20 mА», так как она реализуется гораздо проще, чем «4...20 mА» (рис. 14.4). Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 14.4 при стандартном значении напряжения питания = 24 V и падении напряжения на входе приемника 0,8 V для получения тока 20 mА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 kW. Сопротивление кабеля сечением 0,35 mm² и длиной 1 km равно 97 W, что составит всего 10 % от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3 % от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Рисунок 14.4 – Принцип реализации цифровой «токовой петли»

Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно (рис. 14.5). Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

«Токовая петля» нашла свое «второе рождение» в протоколе HART – широко используемом промышленном стандарте для усовершенствованной токовой петли 4 – 20 mА.

Рисунок 14.5 – Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам

Вопросы для самопроверки

1. Что такое «токовая петля», каковы ее преимущества?

2. Укажите недостатки «токовой петли».

Регуляторы

Простейшие и самые распространенные автоматические управляющие устройства (АУУ) в качестве алгоритма работы используют ПИД-закон управления и носят общепринятое название ПИД-регуляторы. ПИД-регуляторы физически могут быть реализованы на основе аналоговых электронных элементов, с использованием микропроцессорных устройств, на основе пневматических либо гидравлических устройств автоматики, пневмоники либо чисто программными методами. Так, например, широко известный пакет программ GENESIS32, предназначенный для автоматизации технологических процессов, может реализовать программным методом несколько тысяч ПИД-регуляторов.

Регуляторы, реализующие более сложные законы управления, рассматриваются в курсах «Теория автоматического управления», «Автоматизация типовых производственных процессов», «Пакеты прикладных программ» и др.

ПИД-регуляторы

ПИД-регулятор был изобретен в 1910 году; позже, в 1942 г., Зиглер и Никольс разработали методику его настройки, а после появления микропроцессоров в 80-х годах развитие ПИД-регуляторов происходит нарастающими темпами. Количество патентов по этой теме, содержащихся в патентной базе данных в январе 2011 г. составило 284 шт.

ПИД-регулятор относится к наиболее распространенному типу регуляторов. Около 90...95 % регуляторов, находящихся в настоящее время в эксплуатации, используют ПИД алгоритм. Причиной столь высокой популярности является простота построения и промышленного использования, ясность функционирования, пригодность для решения большинства практических задач и низкая стоимость.

ПИД-регулятор использует пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования. ПИД-регулятор, воплощенный в виде технического устройства, называют ПИД-контроллером. ПИД-контроллер обычно имеет дополнительные сервисные свойства автоматической настройки, сигнализации, самодиагностики, программирования, безударного переключения режимов, дистанционного управления, возможностью работы в промышленной сети и т д.

После появления дешевых микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей в ПИД-регуляторах используется автоматическая настройка параметров, адаптивные алгоритмы, методы нечеткой логики, генетические алгоритмы. Усложнились структуры регуляторов: появились регуляторы с двумя степенями свободы, с применением принципов разомкнутого управления в сочетании с обратной связью, со встроенной моделью процесса.

Ниже рассмотрен регулятор для медленных, одномерных и устойчивых процессов, которые наиболее распространены в системах промышленной автоматизации.