Проектування промислового контролера за рівнем води

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів

Вступ

1. Аналіз літератури і вимог технічного завдання

1.1 Аналіз вимог технічного завдання

1.2 Аналіз призначення та загальні характеристики промислових контролерів

1.3 Аналіз конструкції програмованого логічного контролера ОВЕН ПЛК

2. Розробка структурної схеми пристрою

2.1 Розробка функціональної схеми контролера

2.2 Розробка структурної схеми контролера

3. Аналіз схеми електричної принципової

3.1 Аналіз схемотехнічної побудови модулів вводу-виводу програмованого контролера

3.2 Опис схеми електричної принципової

4. Розробка програми для мікроконтролера

4.1 Розробка алгоритму роботи пристрою

4.2 Можливості обміну інформацією між контролерами і комп'ютером

5. Розробка системи керування рівнем води

5.1 Розробка системи керування рівнем води з одним проточним баком

5.2 Стійкість автоматичної системи

5.2.1 Основні критерії для дослідження стійкості лінійної системи керування

5.2.2 Оцінка стійкості розімкнутої за кореннями характеристичного рівняння

5.2.3 Оцінка стійкості замкнутої системи за допомогою критерію Гурвіца

5.2.4 Оцінка стійкості замкнутої системи за допомогою критерію стійкості Найквіста

5.2.5 Оцінка стійкості замкнутої системи за допомогою критерію стійкості Михайлова

5.3 Якість автоматичної системи

5.3.1 Основні критерії для дослідження якості лінійної системи керування

5.3.2 Розрахунок прямих показників якості замкнутої системи

5.3.3 Розрахунок частотних показників якості замкнутої системи

6. Безпека життя та діяльності людини

6.1 Системний підхід до охорони праці

6.2 Охорона праці під час монтажу та налагодження радіоелектронного обладнання

6.2.1 Охорона праці під час монтажу радіоелектронного обладнання

6.2.2 Охорона праці під час налагодження радіоелектронного обладнання

Висновки

Перелік посилань

Додаток



ВСТУП

Перші контролери з'явилися на рубежі 60-х і 70-х років в автомобільній промисловості, де використовувалися для автоматизації складальних ліній. У той час комп'ютери коштували надзвичайно дорого, тому контролери будувалися на жорсткій логіці (програмувались апаратно), що було набагато дешевше. Однак перенастроювання з однієї технологічної лінії на іншу вимагала фактично виготовлення нового контролера. Тому з'явилися контролери, алгоритм роботи яких міг бути змінений трохи простіше ? за допомогою схеми з'єднань реле. Такі контролери отримали назву програмованих логічних контролерів (ПЛК), і цей термін зберігся до теперішнього часу. Нижче терміни «контролер» і «ПЛК» будуть вживатися як синоніми.

Трохи пізніше з'явилися ПЛК, які можна було програмувати на машинно-орієнтованій мові, що було простіше конструктивно, але вимагало участі спеціально навченого програміста для внесення навіть незначних змін до алгоритму управління. З цього моменту почалася боротьба за спрощення процесу програмування ПЛК, яка призвела спочатку до мов високого рівня, потім ? спеціалізованих мов візуального програмування, схожих на мову релейної логіки. В даний час цей процес завершився створенням міжнародного стандарту IEC (МЕК) 1131-3 [Bertocco], який пізніше був перейменований в МЕК 61131-3 [IEC]. Стандарт МЕК 61131-3 підтримує п'ять мов технологічного програмування, що виключає необхідність залучення професійних програмістів при побудові систем з контролерами, залишаючи для них вирішення нестандартних завдань.

Жорсткі обмеження на вартість і величезна різноманітність цілей автоматизації призвели до неможливості створення універсального промислового контролера, як це сталося з офісними комп'ютерами. Область автоматизації висуває безліч завдань, відповідно до яких розвивається і ринок, що містить сотні несхожих один на одного контролерів, що розрізняються за десятками параметрів. Кожен виробник випускає кілька типів ПЛК різної потужності і вартості, щоб збільшити прибуток за рахунок сегментування ринку.

Вибір оптимального для конкретного завдання контролера ґрунтується зазвичай на відповідності функціональних характеристик контролера розв'язуваній задачі за умови мінімальної його вартості. Враховуються також інші важливі характеристики (температурний діапазон, надійність, бренд виробника, сертифікати і т. п.).

Незважаючи на величезну різноманітність контролерів, у їхньому розвитку помітні такі загальні тенденції:

- зменшення габаритів;

- розширення функціональних можливостей;

- збільшення кількості підтримуваних інтерфейсів і мереж;

- використання ідеології «відкритих систем»;

- використання мов програмування стандарту МЕК 61131-3;

- зниження ціни.

Ще однією тенденцією є поява у контролерах ознак комп'ютера (наявність миші, клавіатури, монітора, операційної системи (ОС) Windows, можливості підключення жорсткого диска), а в комп'ютерах ? ознак контролера (розширений температурний діапазон, електронний диск, захист від пилу і вологи, кріплення на DIN-рейку, наявність сторожового таймера, збільшена кількість комунікаційних портів, використання ОС жорсткого реального часу, функції самотестування та діагностики, контроль цілісності прикладної програми). З'явилися комп'ютери в конструктивах для жорстких умов експлуатації. Апаратні відмінності між комп'ютером і контролером поступово зникають. Основними відмітними ознаками контролера залишаються його призначення та наявність технологічної мови програмування.

Таким чином, тема випускної роботи бакалавра є актуальною.

Метою роботи є розробка компонента лабораторного макета «Промислова автоматика» ? промислового контролера для використання в навчальному процесі при вивченні таких дисциплін як «Технологія автоматичного управління» і «Програмно-технічні комплекси».



1. АНАЛІЗ ЛІТЕРАТУРИ І ВИМОГ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ

1.1 Аналіз вимог технічного завдання

Об'єктом розробки є компонент лабораторного макета «Промислова автоматика» ? промисловий контролер.

Основне призначення цього пристрою:

- управління технічними засобами промислової автоматизації за заздалегідь визначеною програмою;

- збір та аналіз інформації з первинних датчиків;

- вимірювання та порівняння параметрів;

- логічна обробка сигналів за заданими алгоритмами і видача керуючих впливів (команд) на виконавчі механізми.

Передача даних здійснюється через інтерфейс RS-232 за протоколом ModBus.

Напруга живлення пристрою - 12 В. Струм споживання ? не більше 1 А.

Кліматичне виконання пристрою ? ПХЛ 4.4 (помірний холодний клімат, в закритому приміщенні зі штучним регулюванням кліматичних умов (вентиляція, опалення)).

Конструкція пристрою повинна передбачати монтаж його на DIN-рейку.

1.2 Аналіз призначення та загальні характеристики промислових контролерів

1.2.1 Класифікація промислових контролерів

Для класифікації величезного розмаїття існуючих у цей час контролерів розглянемо їх суттєві відмінності.

Основним показником ПЛК є кількість каналів вводу-виводу. За цією ознакою ПЛК діляться на наступні групи:

- нано-ПЛК (менше 16 каналів);

- мікро-ПЛК (більше 16, до 100 каналів);

- середні (більше 100, до 500 каналів);

- великі (більше 500 каналів).

По розташуванню модулів вводу-виводу ПЛК бувають:

- моноблочними ? у яких пристрій вводу-виводу не може бути видалений з контролера або замінений на інший. Конструктивно контролер є єдиним цілим з пристроями вводу-виводу (наприклад, одноплатний контролер). Моноблочний контролер може мати, наприклад, 16 каналів дискретного вводу і 8 каналів релейного виводу;

- модульні ? складаються із загальної корзини (шасі), в якій розташовуються модуль центрального процесора і змінні модулі вводу-виводу. Склад модулів вибирається користувачем в залежності від розв'язуваної задачі. Типова кількість слотів для змінних модулів ? від 8 до 32;

- розподілені (з віддаленими модулями вводу-виводу) ? в яких модулі вводу-виводу виконані в окремих корпусах, з'єднуються з модулем контролера по мережі (зазвичай на основі інтерфейсу RS-232) і можуть бути розташовані на відстані до 1,2 км від процесорного модуля.

Часто перераховані конструктивні типи контролерів комбінуються, наприклад, моноблочний контролер може мати кілька змінних плат; моноблочний і модульний контролери можуть бути доповнені віддаленими модулями вводу-виводу, щоб збільшити загальну кількість каналів.

Багато контролерів мають набір змінних процесорних плат різної продуктивності. Це дозволяє розширити коло потенційних користувачів системи без зміни її конструктиву.

За конструктивним виконанням і способом кріплення контролери діляться на:

- панельні (для монтажу на панель чи дверцята шафи);

- для монтажу на DIN-рейку всередині шафи;

- для кріплення на стіні;

- стоєчні ? для монтажу в стійці;

- безкорпусні (зазвичай одноплатні) для застосування у спеціалізованих конструктивах виробників обладнання (OEM ? «Original Equipment Manufact urer»).

За областтю застосування контролери поділяться на наступні типи:

- універсальні загальнопромислові;

- для керування роботами;

- для управління позиціонуванням і переміщенням;

- комунікаційні;

- ПІД-контролери;

- спеціалізовані.

За способом програмування контролери бувають:

- програмовані з лицьової панелі контролера;

- програмовані за ьдопомогою переносного програматора;

- програмовані за допомогою дисплея, миші і клавіатури;

- програмовані за допомогою персонального комп'ютера.

Контролери можуть програмуватися на наступних мовах:

- на класичних алгоритмічних мовах (C, С #, Visual Basic);

- на мовах МЕК 61131-3.

Контролери можуть містити в своєму складі модулі вводу-виводу або не містити їх. Прикладами контролерів без модулів вводу-виводу є комунікаційні контролери, які виконують функцію міжмережевого шлюзу, або контролери, які отримують дані від контролерів нижнього рівня ієрархії автоматизованої системи керування (АСК ТП). [1]



1.2.2 Архітектура промислових контролерів

Архітектурою контролера називають набір його основних компонентів і зв'язків між ними. Типовий склад ПЛК включає центральний процесор, пам'ять, мережеві інтерфейси і пристрої вводу-виводу (рис. 1.1). Іноді ця конфігурація доповнюється пристроєм для програмування і пультом оператора, пристроями індикації, рідше ? принтером, клавіатурою, мишею або трекболом.

Процесорний модуль включає в себе мікропроцесор (центральний процесорний пристрій ? ЦПП), запам'ятовуючі пристрої, годинник реального часу і сторожовий таймер. Терміни «мікропроцесор» і «процесор» в даний час стали синонімами, оскільки всі процесори, які випускаються, виконуються у вигляді надзвичайно великих інтегральних схем (НВІС), тобто є мікропроцесорами.

Рисунок 1.1 - Архітектура ПЛК

Основними характеристиками мікропроцесора є розрядність (в ПЛК використовуються 8-ми, 16-ти і 32-розрядні мікропроцесори), тактова частота, архітектура, наявність операцій з плаваючою точкою, типи підтримуваних портів вводу-виводу, температурний діапазон працездатності і споживана потужність.

Продуктивність мікропроцесорів з однією і тією ж архітектурою пропорційна тактовій частоті. Більшість контролерів використовують мікропроцесори зі скороченим набором команд (RISC ? Reduced Instruction Set Computing), в яких використовується невелика кількість команд однакової довжини і велика кількість регістрів. Скорочений набір команд дозволяє будувати більш ефективні компілятори і конвеєр процесора, що здатен за кожен такт видавати результат виконання чергової команди.

Для контролерів, які виконують інтенсивну математичну обробку даних, важлива наявність математичного співпроцесора (допоміжного процесора, що виконує операції з плаваючою точкою) або сигнальних процесорів, в яких операції типу Y = A * B + X виконуються за один такт. Сигнальні процесори дозволяють прискорити виконання операцій згортки або швидкого перетворення Фур'є.

Ємність пам'яті визначає кількість змінних (тегів), які можуть бути оброблені в процесі функціонування ПЛК. У мікропроцесорах час доступу до пам'яті є одним з істотних факторів, що обмежують швидкодію. Тому пам'ять поділяють на кілька рівнів ієрархії, в залежності від частоти використання даних, які в ній зберігаються, і швидкодії. Ієрархія пам'яті належить до суттєвих характеристик архітектури процесора, оскільки вона дозволяє знизити негативний вплив повільної пам'яті на швидкодію мікропроцесора. Основними типами пам'яті є постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП), оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) і набір регістрів. Регістри є найбільш швидкодіючими елементами пам'яті, оскільки вони використовуються арифметико-логічним пристроєм (АЛП) для виконання елементарних команд процесора. ПЗП використовують для зберігання інформаці, яка рідко змінюється, такої, як операційна система, драйвери пристроїв, завантажувач, виконавчий модуль програми користувача. ОЗП використовується для зберігання даних, які багаторазово змінюються в процесі роботи контролера, наприклад, значення тегів, результати проміжних обчислень, діагностична інформація, масиви, що виводяться на графіки, дані для відображення на дисплеї.

Як ПЗП (або ROM ? «Read Only Memory») зазвичай використовується електрично стираєма пам'ять, яка перепрограмовується (EEPROM ? «Electrically Erasable Programmable ROM»). Різновидом EEPROM є флеш-пам'ять, принцип дії якої базується на зберіганні заряду в конденсаторі, утвореному плаваючим затвором і підкладкою МОН-транзистора. Особливістю флеш-пам'яті є її енергонезалежність, тобто збереження даних при вимкненому живленні. Стирання і перезаписування у флеш-пам'яті виконується не окремими осередками, а великими блоками, тому вона отримала назву, що походить від англійського «flash» ? «спалах». Недоліком всіх ПЗП є низька швидкодія.

Кількість циклів запису інформації у флеш-пам'ять обмежена і складає декілька десятків тисяч разів. За конструктивним виконанням і інтерфейсом флеш-пам'ять поділяється на Compact Flash (CF), Memory Stick, Secure Digital (SD), MuliMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMedia Card (SMC), USB-flash. Флеш-пам'ять може бути впаяною в друковану плату або бути змінною.

В якості ОЗП сучасні мікропроцесори використовують статичну пам'ять (SRAM ? Static Random Access Memory) та динамічну (DRAM ? «Dynamic Random Access Memory»), SDRAM («Synchronous DRAM»). SRAM виконується на тригерах, інформація в яких зберігається необмежено довго при наявності живлення. У динамічній пам'яті інформація зберігається на конденсаторах і тому DRAM вимагає періодичної регенерації (перезарядки конденсаторів). До недоліків критичної пам'яті належить її висока вартість, пов'язана з низькою щільністю компоновки тригерів на кристалі, і мале відношення ємності до ціни. Перевагою є висока швидкодія, що досягає гігагерц, в той час як пам'ять на конденсаторах не може працювати на частотах вище сотень герц. Обидва типи пам'яті (DRAM і SRAM) не можуть зберігати інформацію при відключенні живлення ПЛК. Тому деякі типи ПЛК використовують батарейне живлення пам'яті для збереження працездатності системи автоматизації після короткочасного переривання живлення.

Моноблочні і модульні контролери використовують, як правило, паралельну шину для обміну даними з модулями вводу-виводу, що дозволяє на порядок підвищити швидкодію їх опитування у порівнянні з послідовною шиною. Паралельні шини можуть бути стандартними (ISA, PC/104, PCI, ComactPCI, VME, CXM) або частнофірменними. Послідовна шина контролера (на основі інтерфейсу RS-232) використовується для підключення до нього віддалених (розподілених) модулів вводу-виводу.

Програмування контролерів малої потужності виконується за допомогою кнопок, розташованих на лицьовій панелі, або за допомогою переносного пульта для програмування. В якості пульта останнім часом використовується комп'ютер формату «ноутбук». Програмування потужних контролерів виконується за допомогою персонального комп'ютера, на якому встановлюється спеціальне програмне забезпечення, наприклад CoDeSys або ISaGRAF, які виконують трансляцію технологічної мови стандарту МЕК 61131-3 у виконуваний код процесора, який завантажується в ПЗП ПЛК, наприклад, через порт Ethernet.

Сторожовий таймер (Watchdog Timer - WDT) являє собою лічильник, який рахує імпульси тактового генератора і в нормальному режимі періодично скидається (перезапускається) працюючим процесором. Якщо процесор «зависає», то сигнали скидання не надходять в лічильник, він продовжує рахувати і при досягненні деякого порога виробляє сигнал «Скидання» для перезапуску «завислого» процесора.

Годинник реального часу (РЧ) являє собою кварцовий годинник, який живиться від батарейки і тому продовжуює йти при вимкненому ПЛК. Годинники РЧ використовуються, наприклад, для управління вуличним освітленням в залежності від часу доби, в системах охорони об'єктів та інших випадках, коли необхідна прив'язка даних або подій до астрономічного часу.

Процесорний модуль ПЛК виконує наступні задачі:

- збирає дані з модулів вводу в пам'ять і відсилає дані з пам'яті в модулі виводу;

- виконує обмін даними з пристроєм для програмування контролера;

- видає мітки годинника реального часу;

- здійснює обмін даними з промисловою мережею;

- реалізує стек протоколів промислової мережі (для цієї мети можуть використовуватися допоміжні комунікаційні процесори);

- виконує початкове завантаження і виконання операційної системи;

- виконує завантажувальний модуль для користувача програми системи автоматизації;

- управляє актами обміну з пам'яттю.

Однією з тенденцій у розвитку ПЛК є використання процесорних модулів різної потужності для одного конструктиву контролера. Це дозволяє одержати серію контролерів різної потужності і тим самим покрити більший сегмент ринку, а також виконати модернізацію (upgrade) контролерів, придбаних споживачами, шляхом заміни лише одного модуля.

До основних характеристик процесорного модуля належать:

- тип операційної системи (Windows CE, Linux, DOS, OS-9, QNX та ін);

- наявність виконавчого середовища для стандартної системи програмування на мовах МЕК 61131-3;

- типи підтримуваних інтерфейсів (RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet і ін);

- типи підтримуваних мереж (Modbus RTU, Modbus TCP, Ethernet, Profibus, CANopen, DeviceNet та ін);

- можливість підключення пристроїв індикації або інтерфейсу оператора (світлодіодного або ЖКІ індикатора, клавіатури, миші, дисплея з інтерфейсами VGA, DVI або CMOS, LVDS, трекбола та ін);

- розрядність (8, 16, 32 або 64 біта);

- тактова частота мікропроцесора і пам'яті;

- час виконання команд;

- обсяг, ієрархія і типи пам'яті (ОЗП, кеш, ПЗП-флеш, змінна флеш та ін);

- типи вбудованих функцій (ПІД-регулятор, лічильники, ШІМ, алгоритми позиціонування і управління рухом та ін.).

Швидкодію процесорного модуля ПЛК зазвичай оцінюють за часом виконання логічних команд, оскільки вони найбільш поширені при реалізації алгоритмів керування.

Величезна різноманітність завдань, покладених на ПЛК, і сильна залежність ціни від потужності контролера стали причиною великої різноманітності мікропроцесорів, що використовуються, від простих і дешевих 8-розрядних Atmel і Microchip до найбільш високопродуктивних мікропроцесорів серії Intel Pentium, включаючи двоядерні і чотирьохядерні процесори.

Восьмирозрядні мікропроцесори користуються великим успіхом в автономних ПІД-контролерах і мікро-ПЛК для нескладного алгоритмічного управління верстатами, теплицями, невеликими технологічними апаратами, в якості міжмережевих шлюзів. Їх перевагою є висока надійність, пов'язана з граничною простотою програмного забезпечення.

Зазвичай мікропроцесори, використовувані в ПЛК, на кілька поколінь відстають від процесорів офісних персональних комп'ютерів (ПК) у зв'язку з відносно малим обсягом ринку ПЛК, який не забезпечує окупність розробки нового контролера за період зміни поколінь мікропроцесорів.

Стандартними напругами живлення ПЛК є напруги 12 В, 24 В і 48 В. Джерелом електричної енергії зазвичай є промислова мережа 220 В, 50 Гц. У випадку розподілених систем автоматизації джерело живлення може бути розташовано далеко від ПЛК, тому напруга на клемах ПЛК або модулів вводу-виводу може сильно відрізнятися від напруги джерела живлення внаслідок падіння напруги на опорі кабелю. Для вирішення цієї проблеми кожен ПЛК або кожен модуль віддаленого вводу забезпечуються вбудованим стабілізатором напруги, який забезпечує нормальне їх функціонування в діапазоні напруг від 10 В до 30 В.

Низька напруга живлення дозволяє живити контролери від акумуляторів бортових мереж транспортних засобів або переносних акумуляторів.

У ПЛК іноді використовують батарею для живлення годинника реального часу (які повинні функціонувати при вимкненому ПЛК) і для збереження інформації в ПЗП на час аварійних перерв живлення [11].

1.3 Аналіз конструкції програмованого логічного контролера ОВЕН ПЛК63

Повноцінний програмований контролер для простих завдань автоматизації. Основні області застосування ОВЕН ПЛК63 ? ЖКГ, ЦТП, ІТП, котельні, невеликі верстати. Являє собою зручну базу для створення закінчених приладів.

Основні функціональні можливості:

- надійне середовище програмування codesys;

- дворядковий знакосинтезуючий дисплей;

- збільшення кількості дискретних виходів шляхом підключення модуля ОВЕН МР1;

- вбудовані інтерфейси RS-485, RS-232;

- вбудований годинник реального часу;

- підтримка протоколів ОВЕН, Modbus rtu, Modbus ASCII, gateway;

- безкоштовна бібліотека функціональних блоків:

1) розробки ОВЕН: ПІД-регулятор з автонастроюванням, блок керування 3-х позиційними засувками та ін;

2) стандартні бібліотеки CoDeSys.

- можливість розширення шляхом підключення модулів вводу-виводу.

Підтримувані протоколи та їх застосування наведені в таблиці 1.1.

У контролері закладено досить потужні обчислювальні ресурси для реалізації простих систем автоматизації:

- високопродуктивний процесор RISC архітектури ARM7, з частотою 50 МГц компанії Atmel;

- обсяг оперативної пам'яті для зберігання змінних програм - 10 Кбайт;

- обсяг пам'яті зберігання програм - 280 Кбайт;

- обсяг EEPROM для зберігання Retain змінних - 448 байт;

- час циклу за замовчуванням становить 1 мс при 50 логічних операціях, при відсутності мережевого обміну.

Таблиця 1.1 ? Підтримувані протоколи та їх застосування

Протокол	Інтерфейс	Застосування
ОВЕН	RS-232 RS-485	Підтримка модулів ОВЕН МВА8, МВУ8. Робота в мережах ОВЕН спільно з ТРМ2хх, ТРМ151, ТРМ148, ТРМ133 і т.д.
Modbus RTU Modbus ASCII	RS-232 RS-485	Підтримка модулів вводу-виводу і операторських панелей, зв'язок зі SCADA-системами
Протокол	Інтерфейс	Застосування
GateWay (протокол CoDeSys)	RS-232	Програмування контролера, налагодження користувальницької програми (у т. ч. високошвидкісного налагодження в режимі Realtime по Ethernet). Робота з файлами на вбудованому Flash-диску. Зв'язок з контролерами інших виробників, розроблених на базі CoDeSys. Робота з OPC-сервером CoDeSys

Засобом управління є текстовий монохромний ЖКІ розташований на лицьовій панелі контролера з підсвічуванням ? 2 рядки по 16 символів, для конфігурування, виводу і задання значень параметрів програми, інформація про хід процесу і сигналізація.

Для управління індикацією, заданням значень параметрів використовуються 6 кнопок управління.

Контролери виконані в компактному DIN-рейковому корпусі з габаритними розмірами (Ш / В / Г): 157/86/58.

Розширення кількості точок вводу-виводу здійснюється шляхом підключення модуля МР1 або зовнішніх модулів вводу-виводу з будь-якого із вбудованих інтерфейсів.

Електричні параметри:

- змінний струм (90-265) В, (47 ... 63) Гц;

- споживана потужність до 18 ВА.

Всі дискретні входи контролерів даної лінійки можуть працювати з частотою 100 Гц [11].

Універсальні аналогові входи для підключення широкого спектру датчиків: термоопору, термопар, уніфікованих датчиків струму, напруги, опору, або працювати в режимі простого дискретного входу.

У залежності від контролера є від 4 до 5 «вільно обираємих» типів вихідних елементів - у кожен з таких модулів може бути встановлений як релейний модуль, так і модуль видачі аналогового сигналу.

У залежності від контролера встановлюється до двох послідовних портів.

Так само в контролерах даної лінійки підтримана можливість роботи з будь-яким нестандартним протоколом за будь-яким з портів, що дозволяє підключати пристрої з нестандартним протоколом (електро-, газо-, водолічильники, зчитувачі штрих-кодів і т. д.).

Програмування контролерів здійснюється у професійному поширеному середовищі CoDeSys v.2.3.x, яке максимально відповідає стандарту МЕК 61131:

- підтримка 5 мов програмування, для фахівців будь-якої галузі;

- потужний засіб розробки і налагодження комплексних проектів автоматизації на базі контролерів;

- функції документування проектів;

- кількість логічних операцій обмежується лише кількістю вільної пам'яті контролера.

Програмуються контролери даної лінійки за допомогою інтерфейсу Debug RS-232.

Розглянемо конструкцію пристрою.

Контролер ПЛК63 виготовляється в збірному пластмасовому корпусі, призначеному для кріплення на DIN-рейку. Габаритний кресленик наведений на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 ? Габаритний креслення

На рисунку 1.3 представлений контролер ПЛК63, наведені роз'ємні з'єднання, елементи індикації і управління. Поверхні корпусу позначені на рисунку літерами російського алфавіту від А до К.[]

На ступінчастих поверхнях корпусу розташовуються:

- поверхня А:

1) порт інтерфейсу RS-232;

2) клеми вбудованого джерела живлення 24 В (вихідна напруга), який може бути використаний для живлення активних аналогових датчиків, дискретних входів, аналогових виходів;

3) клемні колодки для приєднання двох виходів і чотирьох аналогових входів.



Рисунок 1.3 - Роз'ємні з'єднання, елементи індикації і керування

- поверхня В:

1) клемна колодка DBGU, призначена для оновлення вбудованого програмного забезпечення контролера. До клемної колодки під'єднується перехідна плата для підключення кабелю «КС1» або «КС2», що входить в комплект постачання ПЛК.

- поверхня Ж:

1) клемна колодка для приєднання кабелю зв'язку по інтерфейсу RS-232;

2) клемні колодки для підключення восьми дискретних датчиків (входів);

3) клемна колодка кабелю зв'язку для підключення приладу МР1.

- поверхня К:

1) клемні колодки для підключення ланцюгів живлення (мережі), чотирьох виходів і чотирьох аналогових входів;

- поверхні Б, Г, Е, И:

1) гвинтові кріпильні елементи фіксації встановлених клем.

Контролер має вбудований апаратний годинник реального часу, що живиться від автономного джерела живлення.

Вид лицьової панелі наведено на рисунку 1.4.

Функціональна схема пристрою представлена на рисунку 1.5.

ПЛК63 має вісім цифрових (дискретних) входів. Контакти роз'єму виведені на клеми (рисунок 1.3) (поверхні К, И). Обробка значень з входів здійснюється програмою користувача ПЛК.

Дискретні входи використовуються для:

- контролю стану зовнішнього обладнання;

- діагностики працездатності системи;

- підключення зовнішніх пристроїв управління станом контролера.

Дискретні входи призначені для підключення контактних датчиків типу «сухий контакт» або транзисторні ключі (n-р-n-типу). В якості датчиків типу «сухий контакт» можуть бути використані різні вимикачі, кнопки, кінцеві вимикачі, контакти реле і т. д.



Рисунок 1.4 ? Вид лицьової панелі

Сигнали на дискретні входи формуються в результаті замикання (розмикання) зовнішніх контактів.

Для дискретних входів можна задавати логіку обробки і час затримки перемикання дискретних входів.

Контролер має вісім аналогових універсальних входів, які здійснюють:

- опитування значень з первинних перетворювачів;

- обробку отриманих даних і перетворення їх у фізичні одиниці;

- передачу даних в спеціальну область пам'яті ? область входів, для подальшого використання у користувача програмі.



Рисунок 1.5 ? Функціональна схема пристрою

До аналогових входів безпосередньо може підключатися широкий спектр датчиків:

- термометри опору;

- термоелектричні перетворювачі (термопари);

- активні перетворювачі з вихідним аналоговим сигналом у вигляді постійної напруги або струму;

- резистивні датчики.

Градуювання датчиків розташовані в пам'яті приладу. Користувачеві досить просто вказати тип датчика, який підключається. Вибір датчика, який підключається, налаштування опитування датчиків і отримання результатів здійснюється з ЖКІ або з середовища CoDeSys.

Опитування датчиків і обробка їх сигналів вимірювальним пристроєм здійснюється послідовно по замкненому циклу.

Включення будь-якого датчика в список опитування проводиться автоматично після завдання типу. При установці параметра «Тип датчика» в значення «Немає датчика» датчик зі списку опитування виключається.

У контролері ПЛК63 встановлені модулі інтерфейсів RS-485 і RS-232 для організації роботи за стандартними протоколами ОВЕН і ModBus [12].

Інтерфейс RS-232 призначений також для зв'язку з середовищем програмування CoDeSys.

Контролер має вбудований порт RS-232 (тип роз'єму: RJ12). Порт призначений для:

- зв'язку контролера з середовищем програмування CoDeSys;

- зв'язку контролера з програмою тиражування;

- організації зв'язку з іншими пристроями за допомогою інтерфейсу RS-232 за протоколами: ОВЕН і ModBus в режимах Master або Slave.

Для зв'язку контролера з середовищем програмування CoDeSys використовується кабель КС1 (поставляється в комплекті з контролером), який необхідно підключити до ПЛК до включення живлення.

Для зв'язку контролера з ПК з програмою тиражування, а також для підключення до ПЛК інших пристроїв з інтерфейсом RS-232 (зовнішній панелі оператора, витратомірів, електролічильників, зчитувачів штрих-кодів) використовується кабель КС2, який необхідно підключити до приладу до включення живлення ПЛК.

За замовчуванням порт налаштований на роботу в режимі Slave. Контролер, аналізуючи запит, автоматично визначає протокол, і формує відповідь за заданим протоколу.

При роботі в режимі Slave порт має жорстко задані налаштування:

- швидкість: 115200 біт / с;

- довжина слова даних: 8 біт;

- контроль парності: відсутній;

- адреса: 16.

Переклад інтерфейсу RS-232 в режим Master і подальша робота в цьому режимі здійснюється за допомогою спеціалізованих бібліотек функціональних блоків, підключених і використовуваних при створенні користувальницької програми в середовищі програмування «CoDeSys». Налаштування інтерфейсу задаються у функціях бібліотеки.

На рисунку 1.6 приведений приклад підключення контролера до ПК для програмування через інтерфейс RS-232. При цьому використовується кабель програмування КС1, що входить в комплект постачання. Кабель включається в гніздо (RS-232), розташоване на поверхні А корпусу контролера (див. рисунок 3.1). Відповідна частина кабелю підключається до СОМ-порту ПК [9].

Рисунок 1.6 ? Варіант підключення до ПК для програмування контролера через порт RS-232

1.4 Постановка завдання

Провівши аналіз технічного завдання, літератури за темою бакалаврської роботи і конструкцій аналогічних пристроїв можна визначити основні функції, які буде виконувати пристрій, що розробляється:

- завантаження керуючої програми з ПК;

- індикація режимів роботи;

- управління режимами роботи;

- прийом інформації від промислового таймера, контролера температури, панелі оператора;

- передача інформації на верхній рівень системи управління технологічним процесом.

Таким чином, у випускній роботі бакалавра необхідно:

- розробити структурну схему пристрою;

- виконати аналіз схеми електричної принципової;

- виконати проектування друкованої плати пристрою;

- зібрати макет пристрою і перевірити його працездатність.



2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ

2.1 Розробка функціональної схеми контролера

Архітектура контролера описує інформаційну організацію контролера і характеризує його як ланку системи управління.

Частина архітектурних елементів структури реалізована апаратно, частина ? програмно. Все програмне забезпечення, яке формує архітектуру, зашито в постійному запам'ятовуючому пристрої і користувачеві недоступне. Незалежно від того, як реалізовані елементи архітектури ? апаратно або програмно, ? користувач може представляти контролер як виріб, в якому всі елементи реально існують у вигляді окремих вузлів.

До складу архітектури контролера входить (див. рис.2.1):

- блок вводу-виводу інформації;

- блок оперативного управління та налаштування;

- блок інтерфейсного каналу;

- функціональні блоки;

- бібліотека функціональних блоків.

Контролер має бібліотеку функціональних блоків, достатню для того, щоб вирішувати порівняно не складні задачі автоматичного регулювання та логіко-програмного управління.

Крім функціональних блоків автоматичного регулювання та логіко-програмного управління у бібліотеці є набір функціональних блоків, що виконують динамічні, статичні, математичні, логічні та аналого-дискретні перетворення сигналів.

Частина бібліотечних функціональних блоків виконує особливе завдання: вони пов'язують апаратуру контролера з набором функціональних блоків. До цих «зв'язкових» функціональних блоків належать:

- функціональні блоки вводу і виводу аналогових і дискретних сигналів;

- функціональні блоки обслуговування лицьової панелі;

- функціональні блоки прийому та передачі сигналів через інтерфейсний канал

Рисунок 2.1 ? Функціональна схема контролера

2.2 Розробка структурної схеми контролера

На рисунку 2.2 показана структурна схема програмованого логічного контролера.

Рисунок 2.2 ? Структурна схема контролера



Контролер, структурна схема якого наведена на рисунку 2.2, являє собою пристрій вимірювання значень вхідного параметра, обробки і перетворення вхідного сигналу і видачі керуючих впливів.

Пристрій працює під управлінням сучасного, високоінтегрованого мікроконтролера RISC архітектури, виготовленого за високошвидкісною КМОН технологією з низьким енергоспоживанням. У постійному запам'ятовуючому пристрої розташовується велика кількість функцій для вирішення завдань контролю і регулювання. За допомогою конфігурації користувач може самостійно налаштовувати пристрій на вирішення певних завдань.

Контролер оснащений аналого-цифровим перетворювачем, вузлами дискретно-цифрового вводу і цифро-дискретного виводу, сторожовими схемами для контролю циклів роботи програми, незалежною пам'яттю EEPROM, NVRAM для збереження власних параметрів конфігурації та даних.

Внутрішня програма контролера функціонує з постійним тимчасовим циклом. На початку кожного циклу внутрішньої робочої програми зчитуються значення аналогових і дискретних входів, проводиться зчитування та обробка клавіатури (придушення брязкоту і виявлення достовірності), прийом команд і даних з послідовного інтерфейсу. За допомогою цих вхідних сигналів здійснюються, відповідно до запрограмованих функцій і параметрів користувача конфігурації, всі розрахунки. Після цього здійснюється вивід інформації на дискретні виходи, на індикаційні елементи, а також фіксація обчислених величин для режиму передавання послідовного інтерфейсу.

Контролер розрахований на прийом і видачу двох видів сигналів:

- аналогових;

- дискретних.

Формування імпульсних сигналів на виході контролера виконується програмно і ці сигнали надходять на виконавчі механізми через дискретні виходи контролера. Модулі вводу перетворюють аналогові та дискретні сигнали, що надходять на вхід контролера, в цифрову форму. Модулі виводу здійснюють зворотнє перетворення.

Зовнішні ланцюги підключаються до контролера через зовнішній роз'єм і зовнішній клемно-блоковий з'єднувач.

Всі аналогові та дискретні входи і виходи контролера повністю універсальні в тому сенсі, що у вихідному стані вони не «прив'язані» до будь-яких функцій контролера. Така прив'язка здійснюється користувачем і реалізується в процесі програмування.

Панель оперативного управління (лицьова панель) розрахована на оператора-технолога та оператора-наладчика. Лицьова панель має набір клавіш, світлодіодних і цифрових індикаторів, за допомогою яких оператор-технолог «веде» технологічний процес: контролює його параметри, змінює режими управління, змінює установки, запускає, зупиняє і скидає програму і т. д.

За допомогою лицьової панелі можна програмувати контролер, виконувати налаштування його параметрів, а також контролювати сигнали у внутрішніх точках структури [5].

У загальному вигляді лицьову панель і пульт налаштування можна розглядати як інтерфейс взаємодії з людиною.

У контролері є інтерфейсний канал послідовного зв'язку. Цей канал має приймач, що перетворює вхідний потік послідовних біт інформації в цифрову інформацію, представлену у вигляді байтів (тобто перетворює послідовний код в паралельний), а також здійснює зворотнє перетворення.

Прийняті та передані повідомлення хоч і є цифровими, але вони можуть «представляти» будь-які сигнали, оброблювані контролером: аналогові, часові, числові і т. д.

Усі сигнали передаються через інтерфейс послідовно, але швидкість їх передачі достатньо велика для того, щоб для процесів великої і середньої швидкодії можна було вважати, що всі сигнали передаються одночасно.

Інформація про стан входів передається по інтерфейсу RS-232.

На рисунку 2.3 приведена можлива схема підключення контролера до промислової мережі.

Рисунок 2.3 ? Приклад структури з'єднань при використання ПЛК в системі

На рисунку 2.4 показано розташування органів управління на панелі управління.



Рисунок 2.4 ? Розташування органів управління на панелі управління

На передній панелі розташовані наступні індикатори:

- трьохрозрядний індикатор відображення вимірюваних параметрів (1);

- індикатор автоматичного режиму (2);

- індикатор контролю першого параметра (3);

- індикатор контролю другого параметра (4);

Для управління пристроєм призначені наступні органи управління:

- кнопка перемикання режимів роботи пристрою (5);

- кнопка «Вгору» (6);

- кнопка «Вниз» (7).

За допомогою клем, розташованих на корпусу як зверху так і знизу , до пристрою підключаються датчики та виконавчі пристрої.

Через послідовний інтерфейс RS-232 пристрій обмінюється даними з іншими модулями [3].

3. АНАЛІЗ СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ

3.1 Аналіз схемотехнічної побудови модулів вводу-виводу програмованого контролера

3.1.1 Загальні відомості

Пристрої (модулі) вводу-виводу є інтерфейсом між процесором ПЛК і реальним світом. В ідеальному випадку було б бажано мати на процесорі значення вимірюваних сигналів у будь-який момент часу. Проте оскільки кількість каналів вводу-виводу в деяких системах може досягати тисяч, а вимірювальні канали завжди мають обмежену пропускну здатність, виміряні значення надходять до процесору дискретні моменти часу.

Існує кілька рівнів та способів опитування безлічі каналів вводу. Сучасний модуль вводу має свій власний мікроконтроллер, який виконує циклічне опитування всіх своїх каналів і розміщує отримані дані в буфер. Якщо за алгоритмом роботи системи автоматизації використовуються тільки кілька каналів модуля, то невживані канали можна замаскувати (виключити їх з процедури опитування), якщо це потрібно для збільшення швидкодії системи. При надходженні в модуль команди зчитування значень зі входів зібрані дані передаються з буфера модуля в ПЛК, де потрапляють в буфер OPC-сервера або в певну область ОЗП.

Опитування модулів може виконуватися циклічно з однаковою частотою для всіх модулів, або з різною частотою. Другий варіант дозволяє зменшити завантаженість шини, за якою виконується обмін даними між модулями вводу і процесорним модулем.

Циклічне опитування всіх модулів із заздалегідь заданою частотою сильно завантажує шину, за якою модулі вводу зв'язуються з процесором. Це особливо очевидно, якщо процесор сканує входи для виявлення сигналу від аварійного датчика, який може спрацювати один раз на 10 років, або якщо вводяться дані від датчика температури в умовах, коли температура постійна. У подібних випадках більш ефективними є многомайстерні шини (наприклад, CAN або Profibus), які дозволяють використовувати режим підписки, при якому процесор модуля вводу, в якому відбулася зміна стану входу, є ініціатором обміну даними.

Найбільшого поширення в промисловій автоматизації знайшли одномайстерні шини і циклічне опитування (поллінг ? від «polling») модулів вводу, завдяки їх простоті і порівняно низькій вартості.

Модулі вводу і виводу в промисловій автоматизації мають гальванічну ізоляцію між вхідними (вихідними) затискачами і шиною контролера. Напруга ізоляції становить від 2500 В (рідше від 500 В) до 4000 В.

Іноді потрібно виконати одночасне опитування входів всіх модулів вводу або вивести дані одночасно в канали всіх модулів виводу. Для вирішення цієї проблеми використовують широкомовні команди, які сприймаються всіма модулями одночасно і вони виконують введення або виведення даних у свої буферні регістри в один і той же час. Після цього звичайним циклічним опитуванням дані по черзі вводяться в процесорний модуль.

Модулі вводу з'єднуються з процесором послідовною або паралельною шиною. У магістрально-модульних системах використовуються паралельні шини ISA, PCI, Compact PCI, PCI Express, PC/104, SpeedBus, VME та інші, в модульних ПЛК ? частнофірмові (нестандартні) послідовні і паралельні шини. У контролерах з розподіленими (віддаленими) модулями вводу-виводу найбільш поширеними є послідовні шини на основі інтерфейсів RS-232 і CAN.

Перевагою паралельної шини є висока пропускна здатність, що дозволяє виконувати сканування модулів вводу з високою частотою і використовувати модулі аналогового виводу з тактовою частотою АЦП до 100 кГц. Однак невелика довжина паралельної шини, обмежена розсинхронізація окремих біт в переданому слові, не дозволяє підключити до одного контролера більше 32 модулів. Контролери з послідовною шиною мають протилежні властивості. Крім того, вони дозволяють організувати розподілені системи збору даних і управління.

Більшість паралельних і послідовних шин контролерів є одномайстерними, оскільки багатомайстерні шини є істотно складнішими і дорожчими.

Обмін даними з модулем виконується за адресою, яку зазвичай записується в ПЗП модуля. Іноді адресою є номер слоту, в який встановлюється модуль або положення мікроперемикача.

Ланцюги входів і виходів модулів вводу повинні мати гальванічну ізоляцію. Гальванічна ізоляція може бути поканальною, коли кожен канал ізольований від інших, або груповою. Зазвичай використовується групова ізоляція. У віддалених модулях розподілених ПЛК може бути використана індивідуальна гальванічна ізоляція інтерфейсу RS-232 кожного модуля або групова ізоляція інтерфейсів декількох модулів, за допомогою одного модуля розв'язує повторювач інтерфейсів. Для передачі напруги живлення в ізольовану частину модуля використовуються DC-DC перетворювачі, побудовані із застосуванням розв'язуючих мініатюрних трансформаторів.

Сучасні модулі вводу-виводу можуть виконувати крім функцій вводу деяку обробку інформації, що вводиться, і додаткові функції: компенсацію температури холодного спаю термопар, лінеаризацію нелінійних датчиків, діагностику обриву датчика, автоматичне калібрування, ПІД-регулювання, управління рухом. Перенесення частини функцій контролера в модулі вводу-виводу є сучасною тенденцією, яка спрямована на збільшення ступеня розпаралелювання задач управління, забезпечення незалежності локальних модулів (які за своїми функціями наближаються до ПЛК) і зменшення потоку інформації між паралельно працюючими процесорами в модулях вводу-виводу [2].



3.3.2 Ввод аналогових сигналів

Різноманітність фізичних явищ породжує різноманітність датчиків, для кожного з яких існує відповідний пристрій вводу. Для уніфікації (скорочення числа типів) модулів вводу використовують пристрої нормування сигналів, які перетворюють вимірювану фізичну величину в стандартний електричний сигнал,що відповідає ГОСТ 26.011-80 та ГОСТ Р 51841-2001. Фактично в промисловій автоматизації використовуються такі стандартні діапазони аналогових сигналів: 0 ... 10 В, 0 ... ± 10 В, 1 ... 5 В і 4 ... 20 мА, 0 ... 20 мА. ГОСТ Р 51841-2001 не рекомендує застосовувати діапазон 0 ... 20 мА в нових розробках. Вхідний опір потенційних входів має бути не менше 10 кОм для діапазону 0 ... 10 В і 0 ... ± 10 В, не менше 5 кОм для діапазону 1 ... 5 В і не більше 300 Ом для діапазону 4 ... 20 мА.

Розглянемо типову структуру модулів вводу аналогових сигналів на прикладі серії RealLab! фірми НДЛ АП. На рис. 3.1 наведена структура модуля NL-4RTD серії (RealLab!) [ ]. Вона є типовою і на її прикладі можна розглянути базові принципи побудови сучасних модулів вводу аналогових сигналів.

Основною частиною модуля вводу є аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Зазвичай використовують один АЦП для вводу декількох (зазвичай 8 або 16) аналогових сигналів. Для підключення джерел сигналу до АЦП використовується аналоговий комутатор на МОН-транзисторах. Введення декількох сигналів виконується послідовно в часі. У випадках, коли необхідне одночасне введення, використовують модулі, в яких кожен канал має свій АЦП.



Рисунок 3.1 ? Структура модуля NL-4RTD

У модулях вводу зазвичай використовують диференціальні входи, які дозволяють виконати більший перешкодозахисний канал передачі аналогового сигналу в порівнянні з поодинокими (не диференціальними) входами. Деякі модулі дозволяють програмно задавати конфігурацію входів: диференціальні або поодинокі.

Вхідні кола пристроїв вводу прийнято захищати від статичної електрики, від підвищеної напруги, від зміни полярності. Для захисту використовують спеціальні мікросхеми захисту, в яких активним елементом є МОН-транзисторний ключ. При підвищенні напруги вище допустимої ключ замикається, захищаючи чутливі входи від підвищеної напруги. Вимірювальні ланцюги будують таким чином, щоб опір відкритого МОН-ключа не вносив похибку в результат вимірювання. Для цього ключ використовують або для передачі потенціалу, коли струм, що протікає через відкритий ключ, пренебрежимо малий, або для передачі струму, коли інформація переноситься у формі струму і тому падіння напруги на ключі не вносить похибку в передаваний сигнал [4].

Модулі вводу можуть мати діапазони вхідних сигналів, які перемикаються програмно. Наприклад, модуль NL-8TI фірми НДЛ АП має вхідні діапазони ± 15 мВ, ± 50 мВ, ± 100 мВ, ± 500 мВ, ± 1 В, ± 2,5 В, ± 20 мА.

Сучасна елементна база дозволяє створювати недорогі модулі аналогового вводу з похибкою вимірювань ± 0,05%.

Для комутації вхідних ключів модуля використовується програма, що виконується мікроконтролером. Ця процедура досить проста і для її виконання можна використовувати мікроконтроллер, що входить до складу деяких АЦП (саме такий АЦП використаний на рис. 3.1). Це дозволяє зменшити кількість каналів гальванічної розв'язки між аналоговими входами і портом RS-232.

Мікропроцесор типового модуля вводу виконує наступні функції:

- реалізує протокол обміну з ПЛК;

- виконує команди, які посилають ПЛК в модуль;

- реалізує виконання функцій автоматичного калібрування, діагностики обриву або короткого замикання в ланцюзі датчика;

- перетворює формати даних, що вводяться (інженерний формат ? в одиницях вимірюваної величини, шістнадцятковий формат, відсотки від діапазону вимірювань);

- встановлює швидкість обміну з ПЛК (для ПЛК з розподіленими модулями вводу-виводу);

- виконує цифрову фільтрацію вхідного сигналу.

У постійній пам'яті ЕППЗП модуля зберігаються калібрувальні коефіцієнти, адреса модуля, програма, таблиці лінеаризації нелінійних характеристик термопар і термоперетворювачів опору. Сторожовий таймер виконує перезавантаження (скидання) мікроконтролера в разі його зависання.

У модулі вводу на рис. 3.1 є канали виводу дискретних сигналів. Це дозволяє реалізувати на одному модулі ПІД-регулятор з широтно-імпульсним (ШІМ) управлінням виконавчим пристроєм.

Живлення внутрішніх вузлів модуля виконується від внутрішнього стабілізатора напруги, який дозволяє подавати зовнішню напругу живлення в широкому діапазоні, зазвичай від 10 до 30 В. Великий діапазон напруг живлення дуже корисний у розподілених системах, коли модулі вводу можуть знаходитися на значній відстані один від одного і тому падіння напруги на опорі проводів живлення сягає 10 ... 20 В.

Ланцюги живлення модулів захищаються від неправильної полярності напруги живлення і від перевищення напруги живлення над допустимим значенням. Захист виконується за допомогою діодів, стабілітронів, позисторами і плавкими запобіжниками.

Для інтерфейсу RS-232 використовується захист від статичної електрики, від електромагнітних імпульсів, від короткого замикання і перегріву вихідного каскаду.

3.1.3 Модулі вводу струму і напруги

Потенційні входи модулів вводу (рис. 3.2) [13] використовуються для вимірювання тиску.

а) б)

Рисунок 3.2 ? Потенційний одиночний (а) і диференціальний (б) вхід

Ідеальний потенційний вхід має нескінченно великий опір і нульову ємність, оскільки при підключенні до вимірюваного ланцюга він не повинен впливати на її динамічні або статичні характеристики. У реальних умовах внутрішній опір джерела сигналу і опір відкритого ключа утворюють дільник напруги з вхідним опором на постійному струмі і ємністю в динамічному режимі (див. рис. 3.2, а). Тому повний вхідний опір модуля вводу вносить методичну мультипликативну похибку в результат вимірювання, яку завжди потрібно оцінювати, виходячи з паспортних даних модуля. Типовими значеннями вхідних параметрів є R_k1 ? 200 Ом, R₁ ? 20 мОм, С₁ ? 1 нФ, тому для забезпечення методичної похибки величиною 0,01% опір джерела сигналу має бути не більше ? 2 кОм. Однак, оскільки зазначена похибка не залежить від напруги джерела сигналу, її можна компенсувати в контролері або модулі вводу.

Опір і ємність, показані на рис. 3.2, а, утворюють фільтр низької частоти першого порядку з постійною часу Т ? (R_і1 + R_k1)С₁ ? 1,2 мкс при R_і1 ? 2 кОм, С₁ ? 1 нФ, R_k1 ? 200 Ом (вважаємо, що R₁ >> R_і1 + R_к1), який вносить також динамічну похибку в результат вимірювання.

Для модулів з диференціальними входами (рис. 3.2, б) оцінка методичної похибки робиться аналогічно.

Для зменшення похибки слід збільшувати вхідні опори R₁, R₂ і зменшувати ємності С₁, С₂. Однак у схемі з диференціальним включенням збільшення R₁, R₂ і зниження С₁, С₂ веде до зростання ємнісного наведення, а також до збільшення синфазної перешкоди, викликаної вхідними струмами операційного підсилювача і атмосферною електрикою. Синфазні перешкоди можуть стати настільки великими, що напруги на входах операційного підсилювача вийдуть за межі динамічного діапазону.

Струмові входи модулів вводу використовуються для вводу величини струму, наприклад, стандартного сигналу 4 ... 20 мА. Перетворення струму в напругу виконується за допомогою резистора величиною 125 Ом, 250 Ом або 500 Ом, максимальне падіння напруги на якому становить, відповідно 2,5 В, 5 В або 10 В. Для вводу в контролер отриманої напруги використовується модуль з диференціальним чи поодиноким входом (рис. 3.3) [14]. Вимірювальні резистори можуть бути встановлені зовні модуля вводу (на його вхідних клемах) або всередині.