+ All Categories
Home > Education > Subiecte scada

Subiecte scada

Date post: 23-Dec-2014
Category:
Upload: flo-iusan
View: 1,259 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
Description:
 
120
SCADA şi comunicaţii industriale Subiecte examen 1. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Generalităţi. Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii. Nivelul de dispozitiv 2. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Nivelul de celulă. Nivelul de secţie. Nivelul de fabrică. Reţele industriale în sisteme de conducere Subiectul 1 & 2, se găsesc în Cap.1 pdf! 3. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. SCADA, control supervizor şi achiziţii de date. Introducere. Elementele sistemelor SCADA. Sisteme în timp real 4. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Sisteme de securitate. Comunicaţii 5. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Comunicaţia radio. Unitaţile terminal depărtate 6. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Unităţi master. Senzori, elemente de acţionare şi cablare. Interfaţa operator. Tendinţe în evoluţia sistemelor SCADA Subiectul 3, 4, 5 & 6, se găsesc în Cap.2 pdf! 7. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Generalităţi. Elemente de prelucrare şi control. Interfaţa de reţea 8. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Adaptorul de comunicaţie. Unitatea de acces. Adaptorul de reţea. Conectare prin DMA 9. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Mediul fizic de comunicaţie. Dispozitive de interconectare Subiectul 7, 8 & 9, se găsesc în Cap.3 pdf! 10. Măsurări electronice industriale. Introducere. Mediul de măsură industrial. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor 4.1. Introducere Necesitatea de a măsura şi controla funcţionarea utilajelor sau a echipamentelor de proces este la fel de veche ca şi revoluţia industrială. Instrumentaţia de măsură şi control devin acum nervii şi creierul uzinelor moderne. Aceasta reglează şi supervizează operaţiile echipamentelor industriale furnizând şi mijloacele necesare pentru a face uzinele viabile din punct de vedere economic. Folosirea instrumentaţiei de măsură şi control permite folosirea unor procese care ar fi foarte dificil sau chiar imposibil să funcţioneze fără operare automată.
Transcript
Page 1: Subiecte scada

SCADA şi comunicaţii industrialeSubiecte examen

1. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Generalităţi. Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii. Nivelul de dispozitiv2. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Nivelul de celulă. Nivelul de secţie. Nivelul de fabrică. Reţele industriale în sisteme de conducere

Subiectul 1 & 2, se găsesc în Cap.1 pdf!3. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. SCADA, control supervizor şi achiziţii de date. Introducere. Elementele sistemelor SCADA. Sisteme în timp real4. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Sisteme de securitate. Comunicaţii5. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Comunicaţia radio. Unitaţile terminal depărtate6. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Unităţi master. Senzori, elemente de acţionare şi cablare. Interfaţa operator. Tendinţe în evoluţia sistemelor SCADA

Subiectul 3, 4, 5 & 6, se găsesc în Cap.2 pdf!7. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Generalităţi. Elemente de prelucrare şi control. Interfaţa de reţea8. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Adaptorul de comunicaţie. Unitatea de acces. Adaptorul de reţea. Conectare prin DMA9. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Mediul fizic de comunicaţie. Dispozitive de interconectare

Subiectul 7, 8 & 9, se găsesc în Cap.3 pdf!10. Măsurări electronice industriale. Introducere. Mediul de măsură industrial. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor

4.1. Introducere

Necesitatea de a măsura şi controla funcţionarea utilajelor sau a echipamentelor de proces este la fel de veche ca şi revoluţia industrială. Instrumentaţia de măsură şi control devin acum nervii şi creierul uzinelor moderne. Aceasta reglează şi supervizează operaţiile echipamentelor industriale furnizând şi mijloacele necesare pentru a face uzinele viabile din punct de vedere economic. Folosirea instrumentaţiei de măsură şi control permite folosirea unor procese care ar fi foarte dificil sau chiar imposibil să funcţioneze fără operare automată.

Instrumentaţia de măsură şi control poate fi diversificată începând de la un simplu sistem analogic până la sistemele inteligente folosite astăzi, de la un simplu potenţiometru până la analizoare complexe cum ar fi spectrometrele în infraroşu. Pentru toate sistemele avansate, mărimile analogice şi semnalele electrice care le „poartă” sunt componente definitorii.

Măsurările analogice pot lua multe forme, dar pot fi clasificate în două tipuri: măsurări fizice şi măsurări compoziţionale. Primele includ măsurarea unor mărimi ca presiune, temperatură, debit, forţă, vibraţie, masă, densitate etc. Al doilea tip include măsurări de PH, conductivitate, analize chimice.

Obţinerea, menţinerea şi îmbunătăţirea calităţii acestor măsurători este scopul de bază al circuitelor de condiţionare. O bună condiţionare a semnalelor păstrează calitatea mărimilor de măsurat disponibile şi folosirea optimă a sistemelor de achiziţie în controlul proceselor industriale. Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea vibraţiilor în instalaţiile industriale. Deşi o parte din informaţiile date de amplitudinea şi frecvenţa vibraţiilor nu sunt necesare pentru controlul automat al procesului, cunoaşterea acestora poate oferi suficiente informaţii cu privire la condiţiile de funcţionare şi a stării tehnice a instalaţiei.

Măsurările industriale, în funcţie de destinaţia pe care o au, pot fi:

Page 2: Subiecte scada

a) Doar pentru indicareAceste măsurări sunt folosite pentru indicarea stărilor diferitelor elemente din proces, fiind

utile pentru monitorizarea proceselor de producţie. De asemenea aceste mărimi pot oferi informaţii necesare operatorului uman în cazul defectării sistemelor de control automate.

Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea tuturor temperaturilor în instalaţiile de distilare. Nu toate temperaturile sunt necesare pentru controlul automat al procesului, dar cunoaşterea temperaturii din diferite puncte oferă suficiente informaţii cu privire la condiţiile de funcţionare a fazei în care se află procesul. Aceste informaţii pot să sesizeze operatorului necesitatea intervenţiei manuale ca urmare a defectării sistemelor de control.

b) Pentru controlul automatControlul automat al instalaţiilor industriale este esenţial pentru viabilitatea economică,

siguranţa în funcţionare a proceselor industriale, asigurând controlul caracteristicilor fizice sau compoziţionale.

c) Măsurări privind stocurile de materialeAceste măsurări necesită o mare acurateţe, asigurând stabilitatea şi continuitatea

procesului de producţie. Ele furnizează informaţii despre stocurile sau necesarul de materie primă şi materiale necesare procesului de producţie, despre transferurile de materiale şi subansambluri de la un punct de lucru la altul. Cunoaşterea acestor informaţii ajută la evitarea blocării procesului de producţie datorită supraaglomerării sau lipsei de materie primă şi materiale.

d) Măsurări de mediu

Măsurările parametrilor de mediu au o importanţă majoră, în ultimii ani furnizând înregistrări privind deversările de deşeuri industriale şi emanarea de noxe în atmosferă, ce trebuie să fie în conformitate cu legislaţia în vigoare.

e) Măsurări de siguranţă

Acestea sunt furnizate în întregime de sisteme de măsură separate şi autonome care monitorizează şi limitează situaţiile periculoase. Măsurările determină parametrii critici ai procesului, indicând o eventuală operare nesigură sau un potenţial pericol.

Aceste sisteme trec peste sistemele de control şi opresc funcţionarea echipamentelor până la realizarea condiţiilor de siguranţă prescrise. Astfel de sisteme sunt frecvent echipate pentru a înregistra toate evenimentele apărute, permiţând efectuarea de analize ulterioare privind cauzele producerii evenimentului respectiv, în scopul de a putea fi evitat sau controlat în viitor.

4.2. Mediul de măsură industrial

Un sistem de măsură şi control industrial poate fi prezentat simplificat ca în figura 4.1. Sunt prezentate doar elementele esenţiale, făcându-se totuşi distincţie între camera de control şi mediul industrial.

Prin mediu industrial se înţelege aria în care sunt amplasate echipamentele de producţie sau depozitele de materiale. De asemenea se înţelege cel mai adesea podeaua întreprinderii sau zona exterioară în cazul complexelor industriale. Părţi componente ale sistemului de producţie se află de multe ori în zone diferite, fiind supuse perturbaţiilor electrice şi factorilor de mediu. Echipamentul amplasat aici este supus unui număr mare de perturbaţii electrice datorate surselor de alimentare, motoarelor electrice, precum şi factorilor de mediu ca temperatură, umiditate, medii corozive şi periculoase.

De asemenea, mediul industrial este locul din care trebuie preluate mărimile de proces şi unde sunt plasate diferite circuite de condiţionare. Firele de legătură cu echipamentul de măsură

Page 3: Subiecte scada

pot fi în apropierea echipamentelor electrice de putere, a contactoarelor de motoare şi a arcurilor electrice. Acolo unde firele de legătură au lungimi de zeci sau sute de metri, probabilitatea interferării cu acest mediu creşte peste limitele admise.

Camera de control

Camera de control este cel mai „blând” loc din întreprindere, cu atmosferă curată şi aer condiţionat. Aici se găseşte cea mai mare parte a echipamentului electric necesar desfăşurării măsurărilor de calitate. Camera de control conţine de asemenea şi circuite de condiţionare a semnalelor, echipamentele de calcul sensibile de obicei la interferenţe de natură electrică.

Camera de control este de asemenea locul de unde oamenii interacţionează cu sistemele de măsură şi control din întreprindere. Există şi excepţii, dar camera de control este locul unde se iau cele mai multe decizii legate de procesul de producţie.

Cablurile de legătură

Cablurile de conectare a instrumentaţiei din camera de control sunt de obicei cu 16 ÷ 18 perechi cu fir plin. De obicei sunt torsadate pentru a reduce interferenţele datorate cuplărilor magnetice. Ele sunt pozate împreună cu alte fire de semnal, dar departe de cablurile de alimentare de putere.

Un număr mare de senzori sau semnale pot fi conectate la blocurile terminale aflate în interiorul camerei de control sau în imediata sa apropiere, pentru o conectare uşoară cu circuitele de condiţionare a semnalelor sau dispozitivele de afişare.În multe cazuri, costul firelor de legătură este o bună parte din costul de instalare al sistemului de măsură şi control. Costul creşte considerabil atunci când cablurile trebuie să străbată zone conţinând vapori sau gaze inflamabile. Riscurile reprezentate de aceste condiţii necesită folosirea unor tehnici adecvate pentru prevenirea focului sau exploziilor cauzate de scântei electrice.

Concentratoarele de date

Condiţionare de semnale

Condiţionare de semnale

Proces

Sisteme de achiziţie şi distribuţie de date

Aer condiţionatOperatori umani

CAMERA DE CONTROL

Semnale de măsură

MEDIU INDUSTRIAL

–40oC ÷ +85oCUmiditateMediu periculos

Operator / Interfaţă proces

Page 4: Subiecte scada

Acestea pot fi folosite pentru reducerea costului cablurilor de legătură. Aceste dispozitive colectează un mare număr de semnale, realizează condiţionarea semnalelor şi conversia numerică a acestora. Datele astfel obţinute sunt transmise direct către echipamentul din camera de control.

4.3. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor

Sistemele de măsură au ca scop prelucrarea mărimilor electrice sau neelectrice dar convertite în semnale electrice în scopul afişării, prelucrării sau elaborării unei decizii. Sistemul de instrumentaţie este un sistem de măsura complex, adesea computerizat sau cel puţin dotat cu microprocesor şi caracterizat prin posibilităţi de prelucrare a informaţiei provenite din procesul de măsurare.

Informaţia reprezintă, într-un sens mai restrâns, date şi detalii relative la un obiect sau eveniment. Semnalul poartă informaţiile de mărime şi timp ce caracterizează evoluţia acelui obiect sau eveniment. Sistemele de instrumentaţie (fig.4.2) sunt destinate prelucrării informaţiilor provenite dintr-un proces de măsură (transformate în semnale electrice) şi nu modificării (transformării) acestor semnale. Ele sunt de regulă sisteme deschise, rolul lor fiind de a realiza atât acţiunea de măsurare propriu-zisă, cât şi de analiză a mărimilor prelevate din proces.

Din punct de vedere constructiv, sistemele de instrumentaţie pot fi simple sau inteligente când pe lângă măsurarea propriu-zisă sistemul permite şi prelucrarea informaţiilor obţinute prin măsurare precum şi operaţii de corecţie a rezultatelor sau control a condiţiilor de măsură (eliminarea zgomotelor, corecţii de neliniaritate, calibrare automată). Sistemele de instrumentaţie inteligente au în componenţa lor de cele mai multe ori unităţi de prelucrare numerică ceea ce le conferă performanţe ridicate.

Fig. 4.2. Exemplu de folosire a unui Sistem de Instrumentaţie

KEITHLEY 3327 CHIP TEST FIXTURE

LOW HIGH42V DC MAX

P ro c e s te hno lo gic S is te m detraduc to are

S is te m deIns trum e ntat ie

Page 5: Subiecte scada

Spre deosebire de sistemele de instrumentaţie, sistemele de control (Fig.4.3) sunt destinate atât prelucrării informaţiilor culese prin măsurare cât şi elaborării comenzilor elementelor de execuţie ce acţionează asupra procesului supravegheat.

Sistemele de control sunt sisteme închise, ce prelevează o stare şi generează comenzi (corecţii) în sensul menţinerii stării într-o evoluţie prestabilită. Sistemele de control pot fi statice sau dinamice. Un sistem de control static are rolul de a menţine ieşirea la o valoare precisă cât mai mult timp, plecând de la mărimea de intrare luată ca referinţă. Un sistem dinamic permite mărimii de ieşire să urmărească cât mai fidel evoluţia intrării ce urmează o lege prestabilită.

O categorie specială de sisteme o formează sistemele de măsură cu parametrii controlaţi care urmăresc determinarea mărimii de măsurat în condiţii bine determinate. Un astfel de sistem are atât caracteristici de instrumentaţie cât şi de control.

Structura unui sistem de control / instrumentaţie cu parametrii controlaţi include în principiu următoarele componente :

- traductoarele ce prelevează mărimile de măsurat; - circuitele de condiţionare a semnalelor ce realizează procesarea analogică a semnalelor

(filtrare, izolare, amplificare);- circuitele de achiziţie a datelor ce transformă semnalul analogic de intrare într-o mărime

numerică;- sistemul de calcul care realizează analiza şi eventual elaborează deciziile;- circuitele de ieşire analogice care furnizează semnalele prelucrate sau comenzile pentru

sistemele în buclă închisă;- blocul de postprocesare analogică care permite interfaţarea cu elementele de execuţie.

4.3.1. Clasificări

Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal – PC) cu elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) se obţine un sistem de

Intrări proces

Elemente de execuţie Proces

Senzori şiTraductoare

Procesare analogică

Condiţionare de semnal

Ieşiri analogice(conversii N/A)

Achiziţie de date(conversii A/N)

Sistem de calcul

Ieşiri proces

Operator uman

Fig.4.3. Structura unui sistem de control

Sistem de Instrumentaţie

Page 6: Subiecte scada

achiziţie a datelor. Noţiunea de sistem de achiziţie este ceva mai generală, fiind incluse aici şi alte sisteme numerice de achiziţie care nu se bazează pe PC. În condiţiile existenţei funcţiilor de conducere, sistemul se va numi sistem de achiziţie şi conducere.

Prin sistem de achiziţie a datelor se înţelege un sistem de măsurare care permite vizualizarea şi/sau înregistrarea evoluţiei temporale a mai multor mărimi, analogice şi/sau numerice, poate implementa mai multe regimuri de achiziţie şi permite diverse prelucrări numerice.

Principalele regimuri de achiziţie implementate de sistemele de achiziţie a datelor sunt următoarele:

- regimuri de achiziţie pentru afişare locală (Digital Panel Meter) – permit măsurarea numerică a mai multor mărimi în scopul unor monitorizări locale. Tot odată pot fi realizate şi prelucrări numerice simple de tipul liniarizării caracteristicilor senzorilor. Valorile măsurate nu se memorează, dar pot fi transmise la distanţă;

- regimuri de achiziţie de lungă durată (Data Logger) – permit memorarea evoluţiilor temporale ale mărimilor măsurate, putându-se face prelucrări ulterioare ale informaţiilor;

- regimuri de achiziţie de scurtă durată (Transient Recorder) – permit vizualizarea şi/sau înregistrarea unor regimuri tranzitorii, sau a unor secvenţe numerice nerepetitive.

Modul de desfăşurare a achiziţiei de date depinde de un eveniment de tip trigger, prin care se defineşte zona de interes din evoluţiile analizate. Se pot întâlni două moduri principale de achiziţie:

-modul posttrigger;-modul pretrigger.

Modul posttrigger realizează achiziţia unui număr specificat de eşantioane după apariţia unui eveniment trigger, adică după recepţionarea unui semnal trigger (de sincronizare). După ce bufferul care stochează datele achiziţionate (de lungime specificată de utilizator) este plin, achiziţia este stopată.

În cadrul modului pretrigger datele sunt achiziţionate continuu, înainte şi după primirea unui semnal trigger. Datele sunt colectate într-un buffer precizat de utilizator până când se recepţionează semnalul trigger. După aceasta, sistemul de achiziţie va mai colecta un număr specificat de eşantioane după care stopează achiziţia. Bufferul este tratat ca un buffer circular, adică după ce întregul buffer este completat, datele sunt stocate de la început prin suprascrierea datelor vechi. La terminarea achiziţiei, bufferul conţine eşantioane dinaintea şi după apariţia semnalului trigger. Numărul de eşantioane salvate în buffer depinde de lungimea acestuia (specificată de utilizator) şi de numărul specificat de eşantioane ce trebuie achiziţionat după apariţia semnalului trigger.

Pe lângă aceste variante principale, în funcţie de firmele producătoare de sisteme de achiziţie s-au dezvoltat tehnici de achiziţie care derivă din acestea, un exemplu fiind modul de achiziţie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care utilizează o tehnică asemănătoare cu modul pretrigger, completând bufferul specificat de utilizator în mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apelează la un al doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, înainte ca acestea să fie suprascrise.

Page 7: Subiecte scada

Sarcina fundamentală a sistemelor de achiziţie şi conducere este măsurarea şi/sau generarea semnalelor fizice din lumea reală. Diferenţa de bază între diversele opţiuni de realizare hardware este metoda de comunicare între hardware-ul de achiziţie şi sistemul de calcul. Din acest punct de vedere putem clasifica hardware-ul de achiziţie în două categorii principale:

- hardware (plăci) de achiziţie de uz general;- hardware de achiziţie special (instrumente sau aparate de măsurare speciale).

Echipamentele din prima categorie stau la baza sistemelor de achiziţie de tip instrument virtual, iar cele din a doua categorie la baza sistemelor de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă şi a sistemelor de achiziţie dedicate.

4.3.2. Sisteme de achiziţie a datelor tip Virtual Instrument – VI

Acest tip de sistem este obţinut prin conectarea unei plăci de achiziţie la un calculator şi prin utilizarea unor module exterioare de cuplare. Plăcile de achiziţie asigură realizarea unor funcţii cum ar fi condiţionarea de semnal, măsurarea numerică propriu-zisă, conectarea informaţională cu calculatorul. Calculatorul asigură la rândul său funcţii cum ar fi interfaţarea cu placa de achiziţie, controlul achiziţiei datelor, stocarea datelor, prelucrări complexe ale informaţiilor.

Plăcile de achiziţie folosite în cadrul sistemelor de achiziţie tip Virtual Instrument pot fi de mai multe tipuri dar se pot încadra în două categorii principale: plăci de achiziţie universale şi plăci de achiziţie complexe (dedicate).

Plăcile de achiziţie universale asigură prelucrări analogice minime, oferă ieşiri numerice şi analogice pentru a putea fi folosite în conducerea proceselor şi asigură funcţiile numerice minimale. Plăcile complexe rezolvă în plus cerinţe de prelucrări speciale, cum ar fi analiza spectrală, regimuri tranzitorii, măsurări de precizie, achiziţii de tip adaptiv care urmăresc viteza de variaţie a mărimilor analogice etc.

4.3.3. Sisteme de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă

Aparatura de măsură utilizată este cea din categoria multimetrelor, osciloscoapelor digitale, generatoarelor de funcţii, iar cuplarea la procesul fizic măsurat este directă. Standardul de cuplare este de obicei de tip GPIB (IEEE 488). Aceste sisteme implementează de obicei regimuri de achiziţie de tip Data Logger şi uneori de tip Transient Recorder.

4.3.4. Sisteme de achiziţie dedicate

Sunt sisteme de achiziţie configurate pentru procese industriale complexe sau componente elementare ale unor sisteme distribuite de măsurare şi monitorizare. De regulă, aceste sisteme de achiziţie sunt impuse de firmele puternice din domeniu (National Instruments, Analog Devices, Tektronix etc.), fiind conturată încadrarea acestor sisteme dedicate în standardul VXI. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) defineşte un protocol standard de comunicaţie care utilizează comenzi ASCII pentru controlul instrumentelor de măsură, asemănător cu GPIB.

11. Măsurări electronice industriale. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice4.4. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice

Page 8: Subiecte scada

Un semnal este o entitate fizică capabilă atât cantitativ cât şi calitativ să poarte informaţie. Lumea înconjurătoare abundă în exemple de semnale. Omul este creatorul unui număr foarte mare de semnale de regulă de natură electrică. Cu toate acestea există foarte multe surse de semnale neelectrice (biologice, acustice, mecanice). În general acestea sunt posibil de modelat prin semnale electrice (tensiune sau curent).

4.4.1. Semnale analogice şi semnale numerice

Prin semnal analogic se înţelege o mărime fizică de regulă electrică ce poate fi reprezentată printr-o funcţie de timp care poate lua valori într-un domeniu de variaţie bine precizat :

(4.1)

în care T este mulţimea momentelor de timp, M este mulţimea eşantioanelor semnalului, x este descrierea semnalului ce asociază fiecărui 1element t T un element xM bine definit, numit eşantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T Z orice semnal definit pe T se numeşte discret iar dacă T R semnalul se numeşte continuu.

Dacă M R semnalele au valori reale şi se spune despre aceste semnale că sunt analogice putând reprezenta măsuri ale mărimilor din lumea înconjurătoare.

Daca M Q şi este numărabilă, semnalul este cuantizat şi este posibilă reprezentarea sa numerică (codificarea sa) .

Din punct de vedere al posibilităţii de cunoaştere a evoluţiei lor în timp, semnalele pot fi : - deterministe ce au valori bine precizate şi eventual descrise de legi de variaţie cunoscute;- aleatoare ce au valori ce pot fi măsurate cu o anumită probabilitate. În această categorie se includ zgomotele.

Exemple de semnale:

a) semnale continue

(4.2)

b) semnale discrete (4.3)c) semnale cuantizate (4.4)

Fig.4.4. Semnal continuu şi discret

-1-2-3-4-5

0 1 2 3 4 5

k

t

x(t)

x(k)

-6

Page 9: Subiecte scada

Un semnal discret şi cuantizat se numeşte semnal numeric (digital) şi poate fi prelucrat prin metode numerice. Transformarea semnalelor analogice în semnale numerice se face prin eşantionare şi cuantizare, operaţii ce formează digitizarea. Procesul este ireversibil în sensul că prin aceste operaţii se pierde o parte din informaţia purtată de semnalul analogic iniţial. Dacă această pierdere este acceptabilă, se poate apela la metodele numerice de prelucrare a semnalelor, putânduse reconstrui parţial un semnal numeric prin netezire (interpolare, filtrare). Pentru semnalele discrete se pot folosi notaţiile x (kt0) sau x (k) , k Z deoarece t0 este constant.Eşantionarea şi cuantizarea stau la baza circuitelor de conversie a datelor (conversie analog - numerică).

Cele mai importante semnale utilizate în descrierea fenomenelor de conversie şi prelucrare a semnalelor sunt :

- Impulsul unitar :

(4.5)

- Treapta unitate:

(4.6)

- Semnalul dreptunghiular neperiodic:

(4.7)

- Semnal sinusoidal de perioadă N:

(4.8)

Spunem că un semnal discret este periodic cu perioada K dacă x (k) = x (k + K) pentru toate valorile lui k. Dacă un semnal este definit pentru un număr finit K de eşantioane, el se numeşte semnal de durată limitată, K reprezintă durata unui astfel de semnal :

(4.9)

4.4.2. Eşantionarea semnalelor

Eşantionarea unui semnal analogic constă în prelevarea valorilor semnalului la momente de timp, de regulă echidistante, t0 (interval sau perioadă de eşantionare). Eşantionarea ideală se realizează prin înmulţirea semnalului analogic x (t) cu un tren de impulsuri ideale definit ca mai jos:

x (t) x (kt0) xq (kt0)eşantionare cuantizare

k

k

k

k

1

1

1

1

( )d k

( )k

( )x k

( )kr k

Page 10: Subiecte scada

(4.10)

Se obţine un semnal xs (t) numit semnal eşantionat de forma :

(4.11)

Spectrul semnalului eşantionat XS(ω) constă în repetări periodice axate faţă de kω0 ale spectrului original denumite spectre secundare. Pentru a reface semnalul iniţial este necesar ca aceste spectre secundare să poată fi eliminate. Acest lucru este posibil doar dacă ω0 >2ωm în caz contrar semnalul original nu poate fi reconstituit în întregime. Acest rezultat este cunoscut sub numele de teorema eşantionării (Shannon) care precizează că pentru reconstrucţia unui semnal de bandă limitată la fB din eşantioanele sale, preluate cu o frecvenţă de eşantionare fs este necesar ca frecvenţa de eşantionare să fie cel puţin dublă faţă de frecvenţa maximă fB, din spectrul semnalului. Frecvenţa fs/2 se numeşte frecvenţă Nyquist. În figura 4.5 sunt prezentate spectru semnalului, spectrele secundare în cazul respectării şi nerespectării frecvenţei Nyquist precum şi caracteristica filtrului necesar pentru a nu apare fenomenul de aliere.

Deoarece în practică este imposibil de realizat un filtru ideal de obicei se ia f s≥(4-10) fB . Aceste filtre se numesc filtre antialias.

După eşantionare semnalul este cuantizat. Eşantionarea reală utilizează în locul trenului de impulsuri ideale δ∞(t) cu un tren de impulsuri reale S(t).

având coeficienţii (4.12)

Aceşti coeficienţi au un maxim pentru k=0 şi descresc progresiv. Spectrul de frecvenţă va fi:

(4.13)

Fig. 4.5. Spectrul semnalelor eşantionate

0 fsfs/2

f

| XS(ω) |

fB0

f

Filtru antialias

| XS(ω) |

fB-fB 0 fs fs+ fBfs- fBfs/2

f

| XS(ω) |fB-fB 0 fs/2

f

| XS(ω) |

Page 11: Subiecte scada

4.4.3 Cuantizarea semnalelor

Cuantizarea semnalelor este o operaţie strict necesară în vederea conversiei lor numerice. Pentru realizarea cunatizării se împarte domeniul de variaţiei finit al semnalului în clase echidistante :

(4.14)

unde x este valoarea semnalului iar q este mărimea cuantei care caracterizează clasa de apartenenţă i. Prin cuantizare se înlocuieşte valoarea x a semnalului cu centrul clasei de apartenenţă cea mai apropiată.

Ieşirea cunatei poate fi scrisă : (4.15)

unde q este eroarea de cuantizare (zgomot de cuantizare). Datorită acestei erori orice valoare de intrare cuprinsă în intervalul (x-q/2 , x+q/2] va

produce aceeaşi ieşire cuantizată xq. Este evident faptul că eroarea de cuantizare depinde de pasul ales q. Apare necesitatea găsirii unui optim căci un pas prea mare nu va satisface cerinţele de rezoluţie, iar un pas prea mic va produce date redundante.

4.4.4. Conversia analog numerică privită ca proces de eşantionare şi cuantizare

Operaţia de eşantionare este realizată cu circuite de eşantionare şi memorare, iar operaţia de cuantizare este realizată cu circuite de conversie numite şi dispozitive de cuantizare. Pentru a respecta restricţiile impuse de teorema eşantionării se utilizează filtre antialias care să limiteze banda semnalului de intrare. Astfel schema bloc a unui convertor analog numeric este prezentată în figura 4.6.

4.4.5. Conversia numeric analogică şi ireversibilitatea reconstituirii semnalului

Din formă numerică în formă analogică se poate ajunge prin operaţia de conversie numeric-analogică, operaţie ce ar trebui să fie inversă celei analog-numerice. În realitate prin eşantionarea semnalului pierde parţial o parte din componentele sale spectrale, datorită limitării benzii prin filtrul antialias. Presupunând că acest efect este neglijabil sau semnalul de intrare este deja de bandă limitată se poate admite că este posibilă reconstituirea completă a semnalului x(t).

Prin cuantizare se produce însă o pierdere de informaţie ireversibilă datorită erorii de cuantizare intrinseci. Această eroare poate fi minimizată dar niciodată eliminată. Se poate observa că prin conversie numeric-analogică se obţine doar o aproximaţie a semnalului iniţial, cu atât mai bună cu cât eroarea de cuantizare este mai mică şi deci rezoluţia mai ridicată.

Conversia N/A permite obţinerea unui număr finit de valori analogice pentru un semnal, ceea ce face ca acesta să nu capete încă aspectul unui semnal analogic. În practică se utilizează interpolarea cu filtre de netezire, care apropie foarte mult semnalul obţinut de cel original.

Figura 4.7 prezintă schema bloc specifică procesului de conversie numeric-analogic.

Filtru ANTIALIAS

Dispozitiv de cuantizare

x(t)

Fig.4.6 Conversia analog numerică

(t)

(t)

xq(k)xs(t)

Page 12: Subiecte scada

Semnalul numeric xq(t) este transformat într-un semnal aproape analogic cu ajutorul unui

convertor N/A. Aproximaţia semnalului analogic iniţial se obţine după netezire cu un filtru

trece jos de ordinul 1 sau 2.

4.4.6. Circuitul de eşantionare-memorare

Un circuit de eşantionare şi memorare (CEM) realizează extragerea (prelevarea), la un moment dat a valorii unui semnal analogic (tensiune electrică) de intrare u i, memorarea acestei valori ue şi menţinerea constantă a acesteia pe toată durata efectuării prelucrării (fig.4.8)

În starea de eşantionare impusă prin nivelul 1 logic al semnalului de comandă S/H, CEM funcţionează ca repetor, semnalul la ieşire ue urmărind semnalul de la intrare ui. Frontul de coborâre al semnalului de comandă S/H determină memorarea valorii tensiunii de la intrare u i de la momentul corespunzător frontului. Această valoare a tensiunii de intrare este menţinută la ieşirea CEM pe intervalul corespunzător stării de memorare impus prin nivelul 0 logic al semnalului de comandă S/H. Aceste circuite de eşantionare şi memorare se utilizează atât în sistemele de achiziţie a datelor cât şi în sistemele de distribuţie de date.

În mod obişnuit circuitele de eşantionare şi memorare au amplificare unitară. Ele pot fi considerate pe bună dreptate memorii analogice a căror funcţionare este asemănătoare cu cea a memoriilor dinamice - un condensator este încărcat la valoarea semnalului de intrare (eşantionare) şi apoi este utilizat pentru a păstra valoarea pe durate de timp finite (memorare)

Într-un sistem de achiziţie de date ieşirea CEM este conectată la intrarea CAN. În intervalul corespunzător efectuării unei conversii analog-numerice, circuitul de eşantionare şi memorare este comandat în stare de memorare pentru a menţine constantă tensiunea la intrarea CAN. Se obţine astfel mărirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvenţă pentru semnalului de intrare cu utilizarea CAN la rezoluţia maximă, dată de numărul de biţi ai acestuia. Se precizează că acest deziderat este atins dacă tensiunea de la intrarea CAN nu se modifică în intervalul efectuării conversiei cu mai mult de ±1/2 LSB. În sistemele de distribuţie a datelor, circuitele de eşantionare şi memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor multiplexate în timp.

Prezenţa CEM înaintea CAN nu este în mod obligatoriu necesară. În cazul în care semnalele analogice sunt statice sau cvasistatice (lent variabile în timp) se poate renunţa la aceste circuite mai ales dacă variaţia semnalului analogic, pe durata conversiei, este mai mică decât erorile ce le-ar putea introduce procesul de eşantionare şi memorare. În cazul semnalelor cu variaţii rapide circuitele de eşantionare şi memorare sunt obligatorii.

u eui

S/H

C E M

semnal de intrare

semnal eşantionat

ue

ui

S/H

t

t

Fig. 4.8. Circuit de eşantionare şi memorare

Convertornumeric-analogic

Filtru de netezire

xq(k) xq(t) x(t)~

Fig.4.7. Procesului de conversie numeric-analogic.

Page 13: Subiecte scada

Caracteristicile circuitului de eşantionare şi memorare (CEM)

Un circuit de eşantionare şi memorare ideal ar trebui să comute regimurile de lucru instantaneu, timpii de stabilizare ar trebui sa fie nuli iar durata memorării infinită. Din păcate în practică aceste deziderate nu pot fi îndeplinite.

Se prezintă în continuare principalele caracteristici ale unui pe baza caracteristicii de funcţionare prezentată în fig.4.9.

Eroarea staţionară – reprezintă abaterea de la amplificarea unitară sau cea prescrisă prin datele de catalogEroarea de decalaj – reprezintă valoarea tensiunii de ieşire pentru o tensiune de intrare nulă

Timpul de apertură tap, reprezintă intervalul dintre frontul de comandă al stării de memorare pentru CEM şi trecerea efectivă a acestuia în starea de memorare; are semnificaţia unei inerţii a circuitului la aplicarea comenzii. Rezultă că, în procesul de achiziţie, fronturile de comandă ale stării de memorare trebuie să fie decalate cu tap înainte faţă de momentele impuse de prelevare a eşantioanelor. Instabilitatea timpului de apertura tap reprezintă limita maximă a variaţiilor aleatoare ale timpului de apertură. Rezultă ca valorile memorate ale eşantioanelor sunt afectate de erori cu limita maxima:

(4.16)

unde Pmax reprezintă panta maxima a semnalului de intrare ui.În procesul de achiziţie, eroarea max trebuie să satisfacă relaţia:

(4.17)

Timpul de stabilizare ts la comutarea CEM în starea de memorare reprezintă intervalul dintre momentul de sfârşit al timpului de apertură şi momentul reducerii amplitudinii oscilaţiilor la ieşirea CEM sub valoarea 1/2 LSB. Un proces de conversie-analog numerica se declanşează numai după stabilizarea ieşirii CEM în starea de memorare, adică după sfârşitul timpului de stabilizare ts.

S/H Memorare Eşantionare

ui

ue

ui

diafonie

tap ts

alterare semnal

tac

ue

Fig. 4.9. Caracteristica CEM

Page 14: Subiecte scada

Modificarea tensiunii ue de la ieşirea CEM în starea de memorare este caracterizată prin panta de variaţie a acesteia (ue/t), numită viteza de alterare. Alterarea tensiunii ue de la ieşirea CEM în starea de memorare până în momentul terminării conversiei analog-numerice trebuie să fie mai mică de 1/2 LSB.

Diafonia caracterizează variaţia tensiunii de ieşire în starea de memorare datorită variaţiilor tensiunii de intrare.

Timpul de achizitie tac reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării frontului de comandă al stării de eşantionare şi momentul în care ieşirea CEM urmăreşte intrarea acestuia cu o precizie dată (eroare mai mică de 1/2 LSB). Acest timp de achizitie apare datorită intârzierii la comanda de comutare în starea de eşantionare, datorită vitezei limitate de variaţie a tensiunii de la ieşirea CEM precum şi procesului oscilatoriu premergător stabilizării tensiunii de la ieşirea CEM. Timpul de achiziţie reprezintă o caracteristică importantă a CEM care limitează, în procesul de achiziţie, frecvenţa de eşantionare (frecvenţa de culegere a valorii semnalelor).

4.4.7. Ansamblul CEM – CAN

În continuare se prezintă modul de comandă al ansamblului CEM - CAN în corelaţie cu caracteristicile celor două componente ale ansamblului (figura 4.10).

Semnalele de control ale CAN sunt: Start Conversie care permite declanşarea procesului de conversie analog-numerică prin

fronturile crescătoare ale acestui semnal; Stare Conversie care indică prin nivelul logic 1 efectuarea de către CAN a unei conversii şi

deci prin frontul descrescător indică sfârşitul conversiei analog-numerice.În scopul achiziţiei unui eşantion (realizării unei conversii analog-numerice), CEM este

comandat în starea de memorare la momentul t1 (fig.4.11).

Declanşarea conversiei analog-numerice se realizează la momentul t2, după stabilizarea ieşirii CEM:

ueuiC E M C A N

StartConversie

StareConversie

b1 b2... bN

S/H

Fig.4.10. Ansamblul CEM–CAN - structura de principiu

t1

Start Conversie

Stare Conversie

b1 b2... bN

S/H

Fig.4.11. Ansamblul CEM–CAN - diagramele de timp

t2 t3 t4

t

t

t

t

Page 15: Subiecte scada

Momentul t3 reprezintă sfârşitul convesiei analog-numerice moment precizat de comutarea la nivel 0 logic a semnalului Stare Conversie. Rezultă unde TC este timpul de conversie al CAN.

Tot la momentul t3, CAN încarcă liniile de ieşire b1 b2 ... bN cu rezultatul conversiei şi se comandă CEM în starea de eşantionare. Această stare este menţinută până la momentul t4 astfel încât unde tac este timpul de achiziţie al CEM.

Perioada de achiziţie minimă Tacmin caracteristică ansamblului CEM - CAN reprezintă intervalul de timp minim între momentele de prelevare a două eşantioane consecutive.

Rezultă deci că: (4.18)

4.4.8. Principii constructive ale CEM

Simbolul frecvent folosit pentru descrierea circuitelor de eşantionare şi memorare în schemele bloc este un comutator în serie cu un condensator, unde R i reprezintă rezistenţa internă a sursei de semnal.

Comutatorul controlează modul de lucru al dispozitivului, iar condensatorul memorează valoarea tensiunii. Un circuit de eşantionare şi memorare poate folosi doar aceste componente, dar cu performanţe foarte scăzute. Studiind deficienţele rezultate din această schemă se trag concluzii privind componentele ce trebuie adăugate pentru îmbunătăţirea performanţelor circuitului.

În primul rând, în modul urmărire, timpul de încărcare al condensatorului este dependent de impedanţa sursei de intrare. O sursă cu impedanţă mare de intrare va da o constantă mare de timp RC, având ca rezultat creşterea timpului de achiziţie. Pentru a ameliora acest efect se foloseşte la intrare un circuit de adaptare de impedanţă cu amplificator operaţional în configuraţie repetoare ce trebuie să suporte o sarcină capacitivă. Timpul de achiziţie devine astfel independent de impedanţa sursei şi este foarte mic având în vedere impedanţa foarte mică de ieşire a amplificatoarelor operaţionale.

În al doilea rând, în modul memorare condensatorul se va descărca pe sarcina de ieşire. Deci viteza de degradare a tensiunii memorate va fi dependentă de sarcina de ieşire ce nu poate fi foarte mare. Pentru a ameliora acest dezavantaj, un amplificator repetor va separa de asemenea condensatorul de circuitul de ieşire. În consecinţă, pentru a încărca şi memora o valoare de tensiune pe condensator, circuitul practic de eşantionare şi memorare include adaptare de impedanţă atât pe intrare, cât şi pe ieşire. Există două variante de bază ale acestei structuri: în buclă deschisă sau buclă închisă în funcţie de reacţia folosită.

La arhitectura în buclă deschisă, figura 4.13, la intrare şi la ieşire se folosesc amplificatoare operaţionale în configuraţie repetoare.

VIN

CH

VOUT

Fig. 4.12. Simbolizare CEM

Ri

S/H

VIN

-+

CH

VOUT-+

Fig. 4.13. CEM în buclă deschisă

S/H

A1A2

Page 16: Subiecte scada

Amplificatorul operaţional de intrare A1 asigură o impedanţă mare de intrare a CEM şi impedanţa mică pentru încărcarea condensatorului C în starea de eşantionare ceea ce conduce la un timp de achiziţie redus (constanta de timp de încărcare a condensatorului T i = f (RA1 C) unde RA1

este impedanţa de ieşire a amplificatorului A1. Amplificatorul operaţional de ieşire A2 este realizat cu tranzistoare cu efect de câmp (FET)

astfel încât în circuitul de intrare se obţine o impedanţă foarte mare conducând la descărcarea lentă a condensatorului (constanta de timp de descărcare a condensatorului Td = f (RA2 C), unde RA2

este impedanţa de intrare a A2 rezultând astfel o viteză de alterare redusă.Valorile capacităţii condensatorului de memorare C se aleg în funcţie de caracteristicile

aplicaţiei în care se utilizează respectivul CEM. Astfel, creşterea valorii capacităţii condensatorului de memorare conduce la creşterea timpului de achiziţie al CEM, dar la scăderea vitezei de alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare. Scăderea valorii capacităţii condensatorului de memorare conduce la scăderea timpului de achiziţie, dar la creşterea vitezei de alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare. Se utilizează o valoare care realizează astfel un compromis între cele două caracteristici: timp de achizitie şi respectiv viteză de alterare. Pentru obţinerea unor performanţe ridicate condensatorul de memorare trebuie să aibă curent mic de pierderi prin izolaţie având dielectricul din polistiren sau teflon.

Reducerea erorilor de decalaj ale CEM se poate obţine prin includerea celor două amplificatoare operationale A1 şi A2 într-o buclă de reacţie globală, ca în figura 4.14.

Efectul principal al utilizării reacţiei globale constă practic în eliminarea erorilor de decalaj corespunzătoare amplificatorului de ieşire A2. Rezultă că în cazul structurii de principiu din fig.4.14, erorile de decalaj ale CEM sunt date doar de amplificatorul operaţional de intrare AO 1, care trebuie ales cu deriva redusă a tensiunii de decalaj.

În ambele cazuri ( buclă închisă sau deschisă ) pe durata memorării, deoarece bucla de reacţie este întreruptă sau lipseşte, amplificatorul de intrare se saturează şi la trecerea în starea de eşantionare intrarea trebuie reachiziţionată, chiar dacă semnalul de intrare nu a suferit nici o modificare.

Pentru a evita intrarea în saturaţie a amplificatorului A1 se poate folosi următoarea schemă pentru circuitul de eşantionare şi memorare ( figura 4.15.)

Când comutatorul este închis (stare de eşantionare) cele două amplificatoare lucrează ca repetor într-o buclă de reacţie globală, diodele D1 şi D2 fiind blocate.Când comutatorul este deschis (stare de memorare) una din cele două diode ( D1 sau D2) va conduce având rolul de a preveni saturaţia ieşirii amplificatorului A1 şi de a permite ca acesta să-şi reia rapid rolul la trecerea în starea de eşantionare.12. Măsurări electronice industriale. Sisteme electronice de măsură cu aparatură programabilă

VIN

-+

Fig. 4.14. CEM în buclă închisă

S/H

A1

CH

VOUT-+

A2

VIN

-+

Fig. 4.15. CEM –schemă îmbunătăţită

S/H

A1

CH

VOUT-+

A2

D1 D2

R

Page 17: Subiecte scada

4.5. Sisteme electronice de măsurare cu aparatură programabilă

4.5.1. Consideraţii generale

Se prezintă, procesoarele specializate pentru măsurări, şi procesoare de uz general, deoarece acestea din urmă pot fi utilizate şi în diverse aplicaţii de măsurare automată.

Orice proces de măsurare conţine următoarele elemente principale:- măsurandul, sau mărimea de măsurat;- metoda de măsurare;- aparatul de măsurat;- etalonul.

Dacă mărimea de măsurat rămâne neschimbată în timp, dezvoltarea ştiinţei contribuind numai la creşterea mulţimii măsuranzilor, celelalte trei elemente ale procesului de măsurare au cunoscut transformări majore pe diverse trepte de dezvoltare tehnologică a societăţii. Elementul cel mai dinamic dintre toate este aparatul de măsurat. Perfecţionarea lui continuă produce modificări şi asupra celorlalte elemente ale procesului de măsură, respectiv metoda de măsurare şi etalonul.

În domeniul măsurărilor electrice şi electronice, aparatele de măsurat au trecut prin următoarele etape de dezvoltare:

- aparate de măsurat analogice;- aparate de măsurat numerice;- aparate de măsurat numerice, cu microprocesor;- plăci de achiziţie de date cuplate la calculator PC.

O etapă nouă nu exclude automat una anterioară ei. Există încă numeroase aparate de măsurat analogice sau numerice care afişează mărimea măsurată fără a o prelucra. Separarea ultimelor două etape din clasificarea propusă este desigur discutabilă. Aparate de măsurat numerice, cu microprocesor de uz general sau specializat, care comunică prin interfeţe standard cu un calculator central constituie soluţia modernă de realizare a unui sistem descentralizat. Acesta permite supravegherea unui mare număr de senzori, respectiv trimiterea unui mare număr de comenzi cu viteza şi precizia impusă de proces. Descentralizarea permite eliberarea calculatorului central de o serie de sarcini care sunt lăsate în seama subsistemelor periferice. Prezenţa microprocesorului în fiecare aparat de măsură periferic îi atribuie acestuia o "inteligenţă" locală, deci posibilitatea de a achiziţiona informaţie din proces, de a o prelucra şi, la nevoie, chiar de a lua decizii în limitele programelor conţinute de fiecare unitate. Evident că deciziile majore sunt luate de calculatorul central care supervizează activitatea unităţilor locale. Această structură duce în esenţă la creşterea flexibilităţii sistemului şi a capacităţii lui de a răspunde la rezolvarea unor sarcini complexe de măsurare, comandă şi reglare. Deja putem vorbi de o prelucrare paralelă a informaţiei în sistem.

Cercetările efectuate au pus în evidenţă că folosirea plăcilor de achiziţie de date cuplate la calculator, PC sau staţie de lucru, reprezintă soluţia actuală şi de perspectivă în măsurări. În multe aplicaţii numărul de parametri măsuraţi este redus şi se poate folosi o structură de sistem centralizat cu un PC. Nimic nu ne împiedică să folosim la nevoie şi o structură descentralizată în care un PC să fie pe post de subsistem periferic local. Trebuie făcută însă o analiză competentă asupra aplicaţiei pentru a evita o risipă de resurse hardware. Oricum, această etapă nu contravine conceptului de structură descentralizată.

Separarea ultimelor două etape de dezvoltare a aparatelor de măsurare se poate face şi din punct de vedere software. Aparatul de măsurat numeric cu microprocesor conţine un software specializat, cu posibilitate de elaborare a unor decizii logice la stabilirea unor condiţii determinate. Programele sunt înscrise de regulă într-o memorie PROM şi ele realizează funcţionarea independentă a aparatului cu afişaj numeric şi protocolul de comunicaţie pe o magistrală standard cu alte aparate similare sau cu un calculator. Pentru ultima etapă există numeroase pachete de software performant, cu largi posibilităţi de achiziţie, prelucrare a datelor şi afişare a rezultatelor,

Page 18: Subiecte scada

aducând în plus posibilitatea comportării adaptive în raport cu modificarea unor parametri ai procesului de măsurare sau de realizare a unor sisteme de măsurare cu autoinstruire.

Motivele care ar putea duce la schimbare în domeniul măsurărilor pot fi viteza şi precizia. Odată cu apariţia microprocesoarelor, funcţiile ce depăşeau un anumit grad de

complexitate erau implementate prin software. Resursele hardware erau simplificate şi optimizate la limită în timp ce programele se structurau tot mai complex, cu două consecinţe: creşterea costului programării şi obţinerea unor performanţe de viteză tot mai slabe. A apărut astfel o situaţie de criză, care a determinat două mutaţii foarte importante:

- a apărut un sens din perspectivă hardware al conceptului de paralelism;- funcţii curent realizate prin software au migrat către implementarea prin

hardware, tendinţă sprijinită de dezvoltarea spectaculoasă a tehnologiilor VLSI.Paralelismul constituie una din soluţiile cele mai tentante pentru depăşirea impasului în

care se află gândirea în domeniul arhitecturii sistemelor de calcul. Dar cum gândim structurile paralele, cum le optimizăm având în vedere că ele ridică probleme mari de interconectare, sunt întrebări la care se pare că nu putem răspunde cu certitudine corect. Gândirea structurală prezentă în noul context funcţional nu este încă la nivelul tehnologiilor disponibile pe plan mondial şi nu ştim dacă acest lucru se va întâmpla vreodată.

Declanşarea unor procese paralele este condiţionată de posibilitatea unei descompuneri funcţionale adecvate şi de definirea unor stiluri de programare ce presupun paralelismul.

Pentru numeroase sisteme de măsură în care prelucrarea datelor se face în timp real, deci viteza de achiziţie şi prelucrare este critică, se pot realiza sisteme microprogramate specializate, care să reprezinte o soluţie hardware optimă.

Dezvoltarea pe scară largă a sistemelor de prelucrare paralele este încetinită într-o oarecare măsură şi de realizările impresionante ale tehnologiilor moderne VLSI, care permit azi depăşirea unor frecvenţe de lucru de ordinul GHz. Deşi proiectanţii de circuite integrate VLSI folosesc din plin arhitecturi paralele pentru creşterea productivităţii cipurilor, acest lucru este de multe ori transparent pentru proiectantul de sistem.

4.5.2. Structuri de procesoare cu aplicabilitate în măsurări

4.5.2.1. Generalităţi

Arhitecturile diferitelor procesoare, fie ele de uz general, fie specializate pentru rezolvarea anumitor probleme concrete, prezintă o mare importanţă pentru proiectantul de hardware, deoarece cunoaşterea structurii interne şi a modului de funcţionare a unui procesor permite utilizarea lui optimă într-un circuit electronic proiectat pentru implementarea unei aplicaţii specifice.

Termenul de microprocesor este în general atribuit unui procesor realizat pe un singur cip. Apariţia conceptului de procesor este strâns legată de apariţia conceptului de microprogramare.

Microprogramarea înseamnă controlul unei structuri numerice prin intermediul unor cuvinte "citite" secvenţial, pas cu pas, dintr-o memorie. Prin citirea succesivă a acestor cuvinte, microinstrucţiunile, se generează semnalele de control, microoperaţiile, necesare funcţionării corecte a structurii respective. Proiectarea unei structuri microprogramate este astfel mult mai sistematică şi mai flexibilă decât cea a unei structuri convenţionale realizate prin logică cablată.

În principiu, o maşină microprogramată este o maşină în care o secvenţă coerentă de microinstrucţiuni este folosită pentru execuţia operaţiilor mari ce definesc funcţionarea maşinii.

Tehnica microprogramării a fost folosită cu succes în domeniul minicalculatoarelor şi a microprocesoarelor de tip bit-slice microprogramabile şi este în continuare folosită de proiectanţii procesoarelor cu arhitecturi de tip CISC (Complex Instruction Set Computer) sau a circuitelor de tip ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Printre avantaje se pot aminti flexibilitatea şi adaptabilitatea la noi interfeţe de proces a structurilor de control microprogramate, uşurinţa în dezvoltare a sistemelor, uniformitatea

Page 19: Subiecte scada

proiectării, preţ de cost scăzut datorită disponibilităţii de circuite LSI, viteză mare de lucru. Singurele dezavantaje ar putea fi o eventuală pierdere de performanţă datorită caracterului secvenţial al procesării şi un consum energetic sporit datorită folosirii circuitelor de viteză (familiile logice TTL Schottky şi ECL).

4.5.2.2. Microprocesoare bit-slice

Familiile de circuite bit-slice sunt alcătuite din diverse blocuri constructive care au rolul de a permite implementarea comodă a structurilor de control microprogramate. Aceste structuri au două funcţii principale: de secvenţiere şi de procesare propriu-zisă, împărţite la rândul lor în mai multe subfuncţii: procesarea datelor, controlul adresei de microprogram, controlul adresei de macroprogram, controlul întreruperilor, accesul direct la memorie (DMA), controlul I/E, controlul memoriei.

Datorită integrării structurilor clasice de prelucrare cu ALU şi secvenţiatoare, proiectarea structurilor microprogramate cu circuite bit-slice este mai avantajoasă şi mai performantă decât proiectarea cu circuite integrate de uz general, dar ea rămâne în continuare dificilă datorită necesităţii de implementare a unor structuri hardware complexe nestandard şi a numărului foarte mare de circuite integrate folosit.

Progresele tehnologice actuale şi dezvoltarea procesoarelor specializate pe aplicaţii fac tot mai puţin oportună utilizarea în viitor a microprocesoarelor bit-slice.

4.5.2.3. Microprocesoare de uz general pe 8/16/32/64 biţi

Microprocesoarele pe 8 biţi au apărut în mod firesc în contextul dezvoltării tehnologiei de realizare a circuitelor integrate. Cele două automate din structura unui procesor au fost integrate funcţional într-un singur cip, iar numărul de biţi ai cuvântului prelucrat a fost fixat la 8 (compromis între tehnologie şi putere de procesare), fără posibilităţi de extensie ca în tehnica bit-slice.

Chiar şi astăzi există şi se dezvoltă în continuare numeroase aplicaţii care folosesc microprocesoare pe 8 biţi, aplicaţii care nu necesită o mare putere de calcul, din domeniul măsurărilor, automatizărilor, bunurilor de larg consum (procesorul specializat al unei maşini de spălat este structurat pe 6 biţi), etc.

Cel mai reprezentativ microprocesor pe 8 biţi este Z 80, cu diverse variante constructive care acceptă o frecvenţă de ceas de la 2 la 6 MHz.

Trecerea de la microprocesoarele pe 8 biţi la cele pe 16 biţi nu a însemnat o simplă dublare a magistralei de date. Deşi structurile sunt bazate tot pe conceptul clasic al maşinii von Neumann, apar îmbunătăţiri esenţiale ale atributelor de arhitectură, posibilitatea de realizare a noi funcţii, totul bazat pe dezvoltări importante ale structurii. Arhitecturile pe 16 biţi au o diversitate mai mare decât cele pe 8 biţi. O structură de referinţă este microprocesorul INTEL 8086. Acest microprocesor are o structură internă microprogramată pe un singur nivel, în timp ce MC68000 de la MOTOROLA, de exemplu, este proiectat în tehnica programării pe două nivele. Aceste arhitecturi, ca şi cele care vor fi amintite în continuare sunt arhitecturi de procesoare cu set complex de instrucţiuni (CISC).

Procesoarele superioare lui 8086 păstrează compatibilitatea şi aduc în plus unele avantaje faţă de predecesorul lor. Astfel, 80186 repetă structura lui 8086 la o frecvenţă dublă de funcţionare şi integrează pe acelaşi cip circa 15 circuite integrate care se montau pe placă pentru a realiza un microsistem cu 8086 (3 numărătoare programabile pe 16 biţi, logică pentru controlul magistralelor, controler DMA, controler programabil de întreruperi). Limbajul de programare conţine 10 instrucţiuni noi. Apariţia în scurt timp a lui 80286, cu arhitectură superioară şi performanţe sporite, nu a permis impunerea lui 80186 pe piaţă.

Primul microprocesor pe 32 biţi realizat de INTEL este 80386. El combină segmentarea memoriei cu paginarea, adică implementarea memoriei virtuale bazată pe blocuri de mărime fixă

Page 20: Subiecte scada

numite pagini. Microprocesorul 80486 introduce în schema bloc funcţională o unitate de execuţie în virgulă mobilă, care, la procesoarele de până acum era realizată pe un cip extern separat, sub numele de coprocesor matematic, destinat creşterii vitezei şi preciziei calculelor în virgulă mobilă. În plus, conţine o memorie cache (ascunsă) de 8 Kbytes folosită pentru stocarea variabilelor frecvent utilizate. În acest fel se elimină, de câte ori este posibil, accesul la memoria RAM externă a microcalculatorului, acces care necesită un timp mai mare chiar pentru cele mai rapide memorii.

Microprocesorul Pentium este realizat pe 64 biţi şi oferă performanţe greu de imaginat până la el. O folosire intensă a tehnicilor pipeline şi a registrelor cache interne separate pentru instrucţiuni şi date (reducerea timpului mediu de acces la memorie şi acces rapid la instrucţiunile şi datele recent folosite) permite execuţia a două instrucţiuni pe întregi, în paralel pe un singur tact, în timp ce unitatea de virgulă flotantă (FPU) execută două instrucţiuni de virgulă flotantă pe un singur tact. Creşterea de viteză se obţine şi printr-un bloc de anticipare dinamică a salturilor, un mecanism de paginare extins şi un suport hardware special pentru întreruperi virtuale.

O constatare deosebit de interesantă pentru domeniul nostru de interes este că procesorul Pentium are numeroase facilităţi care permit testarea şi monitorizarea performanţelor. Există posibilitatea de detecţie a erorilor la dispozitivele interne şi interfaţa de magistrală externă prin mecanisme de calcul ale parităţii şi Excepţie Generală de Test (MCE - Machine Check Exception). Aceste excepţii pot fi cauzate de o serie de condiţii şi duc la poziţionarea bitului MCE din registrul CR4. Există suport hardware pentru verificarea terminării corecte a ciclului de bus şi posibilitate de autotest (BIST - Built In Self Test) precum şi port standard IEEE 1149.1 de acces pentru testarea procesorului din exterior. Modul de lucru sondare (Probe Mode) permite accesul la regiştrii interni şi la spaţiul I / O de memorie, fiind posibilă modificarea stării CPU, utilităţi necesare depanării. Prin ştergerea bitului DE (Debug Extensions) din registrul CR4 se aduce procesorul în stare compatibilă cu 486.

Microprocesorul P6, sau sub cea mai recentă denumire Pentium Pro, este printre cele mai noi produse al compatibilelor x86. Este cel mai performant procesor CISC, deşi împrumută o serie de tehnici de la arhitecturile RISC. Unitatea centrală este alcătuită din două părţi mari: partea de prelucrare în ordinea dată a instrucţiunilor şi partea de execuţie într-o ordine diferită a lor, funcţie de necesităţi. Rezultatele se depun într-o memorie tampon de reordonare, unde se reface ordinea corectă. O tehnică de redenumire a registrelor elimină problemele datorate unui număr relativ redus de registre generale la arhitecturile x86. O altă noutate este integrarea memoriei cache de nivel 2 în aceeaşi capsulă cu unitatea centrală şi accesarea ei prin intermediul unei magistrale dedicate. Pe ansamblu, arhitectura este mult diferită faţă de cea a compatibilelor x86 de la INTEL, organizată pe o structură de 2 cipuri şi un număr de 21 milioane de tranzistoare, la o frecvenţă minimă de lucru de 133 MHz. Performanţele sunt duble faţă de Pentium la 100 MHz. Microprocesoarele Pentium II au frecvenţa maximă de lucru de 550 MHz. Urmează microprocesoarele Pentium III având frecvenţa maximă de lucru de 750 MHz, etc.

4.5.2.4. Microcontrolere

Un microcalculator integrat pe un singur cip, numit şi microcontroler, conţine pe lângă unitatea centrală implementată cu un microprocesor de uz general, şi alte unităţi funcţionale din structura unui calculator: memorie RAM, memorie ROM, porturi de intrare / ieşire serie sau paralel, circuite de numărare/temporizare programabile, circuite de tratare a întreruperilor, circuite de transfer DMA, circuitele de ceas.

Gradul sporit de integrare determină o simplificare esenţială a hard-ului necesar unei aplicaţii şi apare pentru prima dată posibilitatea realizării unor funcţii complexe de control (măsurare, conducere, reglare) numai cu câteva circuite integrate. Implicaţiile acestui fenomen, constau în pătrunderea microcalculatoarelor în sfera bunurilor de larg consum, a unităţilor de control industriale, a echipamentelor periferice utilizate în tehnica de calcul. Există posibilitatea utilizării microcontrolerelor ca elemente de procesare paralelă în calculatoarele vectoriale sau matriciale.

Page 21: Subiecte scada

Primul microcalculator integrat a fost INTEL 8048, care conţine o unitate centrală pe 8 biţi, o memorie RAM de 64 octeţi, o memorie ROM de 1 Koctet, un număr de 27 linii de intrare /ieşire şi un numărător programabil pe 8 biţi. Aceste elemente sunt asamblate într-o arhitectură standard de microsistem pe 8 biţi, asemănătoare unei structuri realizate în jurul microprocesorului pe 8 biţi INTEL 8080. Şi setul de 96 de instrucţiuni este în mare măsură asemănător cu cel al microprocesorului 8080, care a fost luat ca model în realizarea acestui microcalculator integrat.

Există diferenţa între noţiunea de microcalculator integrat şi cea de microcontroler. Ea include microcontrolerele în mulţimea microcalculatoarelor integrate, precizând totuşi că nu există o diferenţă netă între cele două categorii. Ea defineşte microcontrolerele ca fiind microcalculatoare cu set de instrucţiuni mai redus, şi "mai intim legate de aplicaţiile de control, urmărire şi automatizare industrială".

MC 6801 este un microcalculator integrat pe 8 biţi care s-a dezvoltat din familia microprocesorului de uz general MC 6800. El asigură o compatibilitate software perfectă cu MC 6800, dar are câteva instrucţiuni noi în plus, printre care cea de înmulţire fără semn. Este cu circa 20 % mai rapid decât 6800 şi poate funcţiona ca microcalculator de sine stătător, sau ca microcalculator de uz general cu memorie externă de până la 64 Kocteţi.

Pe lângă microprocesorul propriu-zis MC6801 include o memorie fixă de 2 Kocteţi, o memorie RAM de 128 octeţi, 29 linii de intrare/ieşire, 3 numărătoare programabile de 16 biţi fiecare şi un circuit de ceas.

Unul dintre cele mai moderne produse din seria HC11 a firmei MOTOROLA şi reprezentativ pentru întreaga familie, este microcontrolerul MC68HC11-F1, care conţine pe lângă CPU, un timer complex pe 16 biţi cu patru nivele de prescalare, selectabile prin software, interfaţă serială sincronă/asincronă, 512 octeţi de memorie EEPROM cu mecanism de protecţie, 1 Koctet de memorie RAM static cu posibilitate de stand-by, convertor analog/numeric pe 8 biţi, întrerupere de timp real, 4 ieşiri programabile pentru selecţia unor periferice externe, regimuri de funcţionare cu consum redus. Circuitul poate funcţiona în 4 moduri distincte, selectabile în secvenţa de RESET, prin controlul asupra liniilor MODA şi MODB.

În modul de operare single-chip toţi pinii circuitului sunt folosiţi ca linii de intrare/ieşire şi circuitul lucrează ca un microcontroler complet, fără a folosi memorie sau periferice externe. Programul trebuie să fie încărcat în EEPROM. Modul de operare expanded-nonmultiplexed reconfigurează o parte din intrări/ieşiri pentru a implementa fizic magistralele de date şi adrese. Modul de operare bootstrap este similar cu modul single-chip, dar la RESET controlul este preluat de un "bootloader"(un program scurt plasat în ROM), care încarcă în RAM-ul intern un program pe interfaţa serială. În sfârşit, modul de operare TEST a fost iniţial conceput pentru testarea circuitului la fabricant, dar este disponibil şi pentru utilizator, făcând posibilă programarea unor date în EEPROM.

Adresele memoriei interne pot fi deplasate în spaţiul de memorie adresabil de circuit prin intermediul unor porturi şi registre de configurare a sistemului. Convertorul analog/numeric pe 8 biţi este cu aproximaţii succesive şi are 8 intrări externe multiplexate şi circuite de eşantionare şi memorare încorporate.

Familia de microcontrolere cu cea mai mare răspândire, pentru care s-a creat o gamă largă de aplicaţii, este familia 8051. Deosebirile între membri familiei 8051 sunt date de tipul şi prezenţa memoriei program interne: 8031 fără memorie, 8051 cu 4 Kocteţi memorie ROM programată la fabricarea circuitului şi 8751 cu 4 Kocteţi memorie EPROM, programabilă de utilizator. Practic, când vorbim de "8051" putem înţelege oricare din aceste circuite.

4.5.2.5. Procesoare numerice de semnal (DSP)

Prelucrarea numerică (digitală) a semnalelor (PDS) este un domeniu de actualitate, cu mare aplicabilitate practică (filtrare numerică, transformare Fourier rapidă, prelucrare de semnal audio, prelucrare de imagini, etc.).

Page 22: Subiecte scada

Realizarea practica a sistemelor PDS constă în transpunerea algoritmului de prelucrare într-o structura hardware sau într-un program de calcul. În funcţie de necesităţile utilizatorului si de performantele sistemului de prelucrare, exista mai multe posibilităţi de implementare a sistemelor PDS:

- realizarea în logica cablata, sub forma unei structuri specializate, constând din interconectarea unor circuite aritmetice sau logice elementare (registre, sumatoare, multiplicatoare, porţi);

- realizarea în logica programata, pe sisteme cu unul sau mai multe microprocesoare;- realizarea sub forma de circuite specializate pentru operaţiile de prelucrare a semnalelor

(în tehnologii diverse: semiconductoare, circuite cu transfer de sarcina, circuite cu unde acustice de suprafaţa, circuite optoelectronice).Este evident ca implementările care au la baza tehnologiile microelectronice sunt superioare celorlalte posibilităţi de realizare din punct de vedere a vitezei, gabaritului, consumului, fiabilităţii, raportului preţ de cost/performanţe, etc. De aceea, unul dintre factorii care au stimulat extinderea domeniilor de folosire a metodelor l-a constituit apariţia microprocesoarelor si evoluţiile recente din domeniul circuitelor integrate pe scara larga (VLSI) si circuitelor integrate de mare viteza (VHSIA), care au condus inevitabil la apariţia unor procesoare specializate, destinate procesării semnalelor. Ele sunt cunoscute sub numele generic de procesoare digitale de semnal (PDS) si au trasaturi specifice adaptate implementării algoritmilor PDS. Microprocesoarele au fost disponibile începând din anul 1969, dar numai recent au fost realizate procesoare având o viteza de funcţionare suficient de ridicata si timpi de execuţie a instrucţiunilor destul de mici pentru a putea prelucra semnale de frecventa ridicata. În felul acesta, sunt posibile în prezent prelucrări în timp real pana la frecvente de ordinul zecilor de MHz. Un procesor pentru prelucrarea numerică a semnalelor trebuie să poată asigura "un mare volum de calcul, prelucrare în timp real a informaţiei, lucrul cu date numerice şi flexibilitate în funcţionare".

Posibilităţile hardware de realizare a unităţii centrale, folosind circuite VLSI, sunt următoarele:

- microprocesoare de uz general;- microcalculatoare si microcontrolere într-un singur cip;- procesoare digitale de semnal (PDS);- calculatoare cu set redus de instrucţiuni (RISC);- circuite specializate realizate la cerere (“custom”) - de exemplu, circuite specifice

aplicaţiei (ASIC).Primele patru elemente ale listei nu se exclud reciproc întrucât toate implica utilizarea

procesoarelor. În general, microprocesoarele pot fi modulele de procesare de baza, deoarece conţin UAL (Unitatea Aritmetica si Logica), elemente de control si un număr limitat de registre interne. Ele necesita dispozitive externe sau periferice: memorie RAM pentru stocarea datelor (operanzilor), memorie ROM pentru stocarea programelor si dispozitive I/O pentru interfaţa cu mediul exterior. Microcalculatoarele monocip conţin toate elementele sistemului de calcul într-un singur circuit. În plus, microcontrolerele conţin si un anumit număr de interfeţe I/O pentru conectarea perifericelor: porturi paralele sau/si seriale, circuite de ceas intern (de exemplu, Motorola MC6801, MC68HC11, unele variante ale MC68HCO5 si Intel 80510, controlere pentru întreruperi. Unele au, de asemenea, convertoare analog-digitale interne (de exemplu: MC68HC11, unele variante ale MC68HC05, Intel 8098 si OKI MSM66301).

Procesoarele RISC operează cu un set redus, relativ elementar de instrucţiuni, care pot fi executate foarte rapid - în cel mult una sau doua perioade de ceas. Unele dintre acestea dispun de coprocesoare în virgula mobila pentru a extinde setul de instrucţiuni de baza. Menţionam ca noile procesoare RISC, ca Motorola 88000, Intel 80860 si seria SPARC a companiei SUN, etc., pot depăşi performantele unora dintre procesoarele PDS actuale. În general, dezvoltarea calculatoarelor RISC implica folosirea multor componente si, în consecinţa, ele nu sunt la fel de uşor de proiectat si de realizat ca cele bazate pe procesoare PDS unicip.

Page 23: Subiecte scada

Ultima categorie menţionata include dispozitive VLSI care sunt destinate unor aplicaţii specifice de procesare digitala a semnalelor si unor funcţii necesare altor procesoare. Acestea includ, de exemplu, acumulatoare - multiplicatoare, filtre, dispozitive care realizează histograme si circuite care prelucrarează imagini, generatoare de adrese si generatoare de coeficienţi pentru algoritmi, etc.

Procesoarele digitale de semnal sunt microcalculatoare într-un singur cip, având caracteristici hardware si software specifice. Din punct de vedere hardware, procesoarele PDS se remarca în primul rând printr-o viteza mare de execuţie a instrucţiunilor. Aceasta este obţinuta prin folosirea arhitecturilor paralele, combinate cu folosirea principiului pipe-line de funcţionare. Este utilizata curent arhitectura de tip Harvard, cu spatii de adrese separate pentru date si programe si cai de transfer separate. Folosirea principiului pipe-line consta în fragmentarea activităţilor si executarea acestora pe unităţi funcţionale distincte. În felul acesta, în procesor pot exista la un moment dat mai multe instrucţiuni, în diferite stadii de execuţie. Din acest motiv, procesoarele PDS executa majoritatea instrucţiunilor într-o singura perioada de tact. Procesoarele PDS sunt prevăzute cu memorie interna pentru programe, iar unele variante si cu memorie pentru date. Având în vedere specificul algoritmilor PDS, procesoarele de semnal au incorporate multiplicatoare de tip paralel si registre pentru deplasarea binara a datelor.

Majoritatea procesoarelor PDS au un set bogat de instrucţiuni, conţinând practic toate tipurile de instrucţiuni ale procesoarelor de uz general. În plus, sunt prevăzute instrucţiuni pentru înmulţire si acumulare, pentru rotirea datelor într-un tablou, pentru inversarea biţilor, etc. Modurile de adresare folosite pentru date sunt: adresare imediata, directa, indirecta, circulara, adresare cu inversarea biţilor. Un ajutor important în folosirea circuitelor PDS îl oferă sistemele de operare specifice. În prezent, cel mai răspândit este sistemul de operare SPOX (Spectron Microsystems Inc.). El conţine un nucleu pentru multiprocesare în timp real, module pentru gestionarea memoriei, funcţii matematice specifice PDS, o biblioteca în limbajul C, facilitaţi pentru depanare software. Sistemul SPOX rulează în prezent pe sisteme cu procesoare 21000 (Analog Devices), 96002 (Motorola), C3X si C40 (Texas Instruments). O versiune mai recenta, MICROSPOX, este destinata funcţionarii cu procesoarele în virgula fixa 56000 (Motorola), ADSP 2100 (Analog Devices), TMS 320C2X si TMS 320C5X (Texas Instruments). Familia de procesoare 56000 (Motorola) lucrează si sub sistemul de operare VRTX (Ready Systems), sistem care poate lucra împreuna cu majoritatea familiilor de procesoare PDS. Sistemul de operare VCOS al firmei AT&T implementează familia DSP 3210 pe placa de baza a calculatoarelor PC sau a staţiilor de lucru.

Seria de procesoare TMS 320 constituie un standard în lumea procesoarelor de semnal, creşterea posibilităţilor tehnologice de integrare având ca efect realizarea unor cipuri tot mai performante. Primul reprezentant al familiei a fost TMS 32010, care efectua 5 milioane de operaţii de tip adunare şi înmulţire pe secundă. A doua generaţie de procesoare cu TMS 32020 şi TMS 320C25 reuşeşte dublarea performanţei, în timp ce reprezentantul celei de-a treia generaţii de procesoare de la TEXAS INSTRUMENTS, TMS 320C30 efectuează 33 milioane de operaţii în virgulă mobilă pe secundă (33 Mflop/s), atingând performanţa unui supercalculator.

Unul dintre cele mai puternice procesore de semnal este TMS320C80 cu performanţe de excepţie, care îl recomandă pentru orice aplicaţie, inclusiv procesarea semnalului video, aplicaţii de realitate virtuală tridimensională, compresie digitală de semnal audio sau video, etc. S-a reuşit integrarea pe un singur cip cu 305 pini a unui număr de peste 4 milioane de tranzistoare (tehnologie CMOS de 0,5mm), la o tensiune de alimentare de 3,3V. De fapt, procesorul TMS 320C80 este conceput într-o veritabilă arhitectură paralelă.

Ca şi în cazul celorlalte generaţii de procesoare de semnal, TMS 320C80 dispune de produse de dezvoltare software: compilator C optimizat, asambloare, editor de legături, programe de depanare la nivel de cod sursă, biblioteci de programe, etc., care permit implementarea comodă a aplicaţiilor.

Deocamdată nu se aşteaptă o introducere largă a procesoarelor de semnal în domeniul măsurărilor. Este convenabil ca procesoarele PDS să fie folosite pentru implementarea unor

Page 24: Subiecte scada

algoritmi mai performanţi decât cei din acest domeniu. Principalul obstacol îl constituie preţul, sau mai bine zis raportul preţ/performanţă, care este cu siguranţă în favoarea arhitecturilor actuale de sisteme integrate de măsurare, cu atât mai mult cu cat în domeniul de interes pentru noi, de cele mai multe ori nu este neapărat necesară prelucrarea în timp real a semnalelor.

4.5.2.6. Arhitecturi paralele

Arhitecturile paralele au apărut din necesitatea creşterii performanţelor sistemelor de calcul. Apariţia şi dezvoltarea lor a fost orientată spre:

- creşterea eficacităţii în execuţia comenzilor procesorului (tehnici pipeline de execuţie a instrucţiunilor, logică cu execuţie anticipată a instrucţiunilor, etc.);

- creşterea vitezei de transfer a datelor în zona de execuţie a procesorului (folosirea memoriei pipeline, a registrelor, ca memorie a zonelor de viteză maximă din sistem, extinderea numărului de canale de transfer, etc.);

- alegerea structurii de legături, funcţie de structura topologică a problemei de rezolvat (structură orientată spre aplicaţie, operaţii vectoriale şi matriciale, adresare asociativă, etc.).

Tehnici de prelucrare paralelă au fost folosite de la apariţia microprogramării. Atunci când o microinstrucţiune trimisă de la unitatea de comandă spre unitatea de prelucrare comandă încărcarea simultană a mai multor registre din unitatea de prelucrare avem de-a face cu un paralelism. Când tehnologia a permis o creştere a gradului de integrare, după fiecare prelucrare combinaţională s-a introdus un registru şi au apărut tehnicile pipeline. Procesorul TMS 320C80, are o arhitectură MIMD (Multiple Instruction - Multiple Data Stream), care este o arhitectură paralelă foarte puternică. Cu toate acestea, văzut din exterior, din punctul de vedere al utilizatorului, el este un simplu procesor cu performanţe de excepţie. Dar aceste performanţe sunt rezultatul arhitecturii paralele din interior.13. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare. Generalităţi. Clasificări. SAD cu un singur canal. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi memorare

4.6. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare

4.6.1. Generalităţi. Clasificări

    Sistemele de achiziţie de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese în care intervin, de regulă, mai multe mărimi fizice. Ele realizează prelevarea, prin intermediul unor traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (în funcţie de natura traductorului), în scopul memorării, transmiterii sau prelucrării informaţiei achiziţionate.    Memorarea poate fi făcută direct sau după prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi, medii sau scurte.   Transmiterea datelor e necesar a fi făcută pe distanţe mai lungi sau mai scurte.    Prelucrarea informaţiei poate consta în operaţii simple (comparări), până la prelucrări matematice complicate (integrări, diferenţieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.). Scopul prelucrării diferă de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de cercetare), sau numai informare asupra evoluţiei procesului prin vizualizarea datelor.    Operaţia cea mai importantă este conversia analog – numerică, realizată cu unul sau mai multe circuite. În funcţie de tipul aplicaţiei mai pot fi necesare şi alte circuite analogice de prelucrare.    Configuraţia şi tipurile de circuite utilizate într-un sistem de achiziţie de date – SAD – depind de o serie de factori: rezoluţia şi precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N; numărul de canale analogice investigate; frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal; capacitatea sistemului de prelucrare în timp real a datelor;

Page 25: Subiecte scada

necesitatea condiţionării (adaptării) semnalului analogic de intrare.     Datele achiziţionate pot fi: analogice (tensiuni, curenţi – continue sau alternative) şi reprezintă, de regulă, ieşirile unor traductoare ce supraveghează mărimile care intervin în procesul condus; numerice, provenind de la traductoare cu ieşire numerică sau de la alte echipamente implicate în desfăşurarea procesului.     SAD va fi prevăzut deci cu un număr corespunzător de intrări adecvate acestor date: intrări analogice; intrări numerice.     Altă operaţie frecvent întâlnită în SAD este eşantionarea şi memorarea temporară a eşantioanelor prelevate. Frecvenţa de eşantionare se stabileşte în funcţie de: spectrul de frecvenţă al semnalelor de intrare; viteza de lucru a convertorului A/N; precizia impusă procesului de prelucrare.     O frecvenţă minimă şi care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este dublul frecvenţei maxime din spectrul acestui semnal. Dacă se cere ca eşantioanele prelevate să reprezinte cu suficientă precizie un semnal continuu de la intrare, fără a mai calcula valori intermediare eşantioanelor prelevate, frecvenţa de eşantionare trebuie sa fie de cel puţin 8…10 ori mai mare decât frecvenţa celei mai înalte armonici. Perioada de eşantionare nu poate fi mai mică decât timpul de conversie.     Înaintea eşantionării, semnalele analogice sunt supuse unor operaţii de adaptare cu sistemul de prelucrare, numite generic condiţionare. Acestea pot fi:

amplificare/atenuare cu câştig programabil; amplificare cu izolare galvanică; comutare automată a intervalelor de măsurare; compresie logaritmică; filtrare; conversie tensiune - frecvenţă; conversie curent – tensiune.

            Clasificări ale sistemelor de achiziţie de date: După condiţiile de mediu în care lucrează:

sisteme destinate unor medii favorabile (laborator); SAD destinate utilizării în condiţii grele de lucru (echipamente militare, instalaţii

telecomandate, anumite procese industriale, etc.). După numărul de canale supravegheate:

monocanal, cu una din variantele: o numai circuite pentru conversia directa a semnalului; o preamplificator urmat de circuitele de conversie; o preamplificator, circuite de eşantionare-memorare, urmate de circuite de conversie; o preamplificator, circuite de condiţionare a semnalului şi una din variantele anterioare;

SAD multicanal în una din variantele: o cu multiplexarea ieşirilor unor convertoare analog-numerice, fiecare convertor

corespunzând unui canal; o cu multiplexarea intrărilor circuitelor de eşantionare-memorare (S/H – sample and hold –

engl.); o sisteme de achiziţie destinate multiplexării semnalelor de nivel scăzut.

La realizarea unui sistem de achiziţie de date computerizat se pot urmări etapele: a.identificarea tipurilor de intrări şi ieşiri: o intrări analogice (temperaturi, presiuni, punţi tensiometrice, tensiuni, curenţi, semnale acustice sau vibraţii, etc.); o ieşiri analogice (tensiuni, curenţi, generatoare de funcţii);

Page 26: Subiecte scada

o intrări/ieşiri numerice (compatibile TTL, de tensiune ridicată c.c., c.a., comunicaţie paralelă, comandă relee); o intrări/ieşiri de temporizări (de frecvenţă, numărare evenimente şi temporizare, măsurări de durate de impulsuri, generare de trenuri de impulsuri); b.alegerea metodei de condiţionare a semnalelor: o pentru semnalele sensibile fata de zgomote, circuitele de condiţionare (amplificări, izolare, filtrare) pot fi grupate în module speciale, plasate între sursa de semnal şi unitatea de calcul, având posibilitatea de a procesa concomitent un mare număr de canale; o la aplicaţii cu număr redus de intrări şi la care pretenţiile de imunitate sunt mai reduse, condiţionarea se poate realiza direct pe placa de achiziţie sau cu module mai puţin complexe; o la aplicaţii care nu necesita condiţionare, aplicarea semnalelor se realizează direct, prin elementele de conectare: plăci cu conectori, mufe BNC, alte accesorii; c.alegerea modulului de prelucrare potrivit – se face în funcţie de precizie, frecvenţa de achiziţie, număr de canale, repetabilitate, expandabilitate, platforma de calcul de care se dispune, adică:

o module de instrumentaţie – asigură performanţe superioare ca timpi de stabilire, precizii garantate, viteze ridicate de eşantionare, sincronizare multiplă, număr de temporizări şi contorizări, conectori ecranaţi;

o plăci de achiziţie de cost redus, cu număr de intrări redus şi performanţe nu prea ridicate; o sisteme de achiziţie portabile, folosite în mijloace care se deplasează, testări ale mediului,

aplicaţii aerospaţiale, etc.; d.alegerea cablurilor de legătură şi a accesoriilor pentru condiţionarea semnalelor: pentru precizii bune, protecţie faţă de zgomote şi conectare sigură la modulele de instrumentaţie se recomandă conductoare ecranate; în situaţii de precizii reduse şi cost redus se pot folosi cabluri panglică; e.alegerea metodei software de prelucrare – se face în funcţie de platforma de calcul de care se dispune, de tipul de magistrală cu care acesta este echipat, de funcţiile de calcul, instrumentele virtuale necesare; fiecare firma are dezvoltate sisteme software proprii, compatibile cu produsele hardware furnizate; se pot achiziţiona părţi de soft în funcţie de nevoi, care să acopere necesităţile şi să fie în acelaşi timp economice.    Caracteristicile tehnice cele mai importante ale plăcilor de achiziţie sunt: rezoluţia de intrare - se specifică în biţi, mai exact în numărul de biţi ai convertorului analog - numeric folosit. O valoare des întâlnită este 12 biţi, dar şi de 8, 10,14 sau 16. Exprimarea rezoluţiei se poate face fie prin indicarea numărului de biţi, fie a tensiunii pe care o reprezintă variaţia celui mai puţin semnificativ bit al codului numeric de conversie. De exemplu, pentru un domeniu de intrare de ±5 V, la o conversie pe 12 biţi a mărimii de intrare, rezoluţia care rezultă este: 10 V : 212 = 10 V : 4096 = 2,44 mV     Se recomandă folosirea unor plăci cu rezoluţia optim aleasă în raport cu aplicaţia căreia îi este destinata, întrucât plăcile cu rezoluţii ridicate au preţurile în consecinţă. precizia intrării - nu este identică cu rezoluţia, deşi se raportează la aceasta. Depinde de performanţele circuitelor analogice ale părţii de intrare a plăcii (convertorul analog - numeric, amplificatorul cu câştig programabil, multiplexoarele de intrare). Poate fi exprimată prin eroarea absolută sau relativă, în mai multe moduri, dar având acelaşi rezultat; viteza maximă de eşantionare, exprimată în număr de eşantioane/secundă (kes./sec., Mes./sec.) şi nu în Hz. Atunci când placa are mai multe canale de intrare, pentru a găsi viteza maximă de eşantionare a unuia dintre canalele utilizate într-o aplicaţie, se împarte viteza maximă de eşantionare a plăcii la numărul canalelor folosite.     Se pune problema relaţiei dintre câştig şi viteză maximă de eşantionare. De regulă, aceasta este specificată pentru acelaşi câştig stabilit pe fiecare canal. Există placi de achiziţie la care, prin incrementarea codului de selecţie a canalelor prin multiplexor, se aplică şi amplificarea selectată pentru intrarea respectivă.    De asemenea, la viteze ridicate de eşantionare se pune problema rezervei de memorie a calculatorului pentru prelucrarea eşantioanelor, având în vedere şi viteza sa de lucru. Pentru evitarea acestei dificultăţi, multe din plăcile rapide de achiziţie sunt prevăzute şi cu memorii

Page 27: Subiecte scada

proprii (până la 2 Mbyte), încât viteza de lucru a calculatorului să nu devină o limitare. Vitezele de eşantionare pot varia de la placă la placă, de la valori de zeci de kes./sec. până la valori de 1 Ges/sec.     Alţi parametri: domeniul de intrare al plăcii de achiziţie - trebuie pus în acord cu domeniul de variaţie al semnalului furnizat de traductor. Există placi cu domenii fixe de intrare şi placi cu domenii de intrare selectabile fie hard, prin comutatoare (jumperi), fie prin program. Pentru o exploatare la maxim a posibilităţilor de conversie, este necesar ca domeniul de semnal al traductorului să fie egal cu domeniul de intrare al plăcii; tipul de convertor analog - numeric - poate sa fie un criteriu important la alegerea variantei de placa aleasa. Cele mai întâlnite convertoare sunt cele cu aproximare succesivă, cu integrare, cu conversie tensiune - frecvenţă şi cele paralel. O prezentare comparativă a acestor tipuri este dată în tabelul următor.

Tip convertor VitezaRezoluţie [biţi]

Imunitate la zgomot

Preţ

- cu convers. tens./frecv.

redusă 14…24 foarte bună mediu

- cu integrare redusă 12…18 foarte bună scăzut

- cu aprox. succesive medie 10…16 mică scăzut

- paralel (flash) foarte mare 4…8 fără mare

    Cele mai multe plăci de uz general au prevăzute convertoare cu aproximare succesivă. Pentru măsurări în medii zgomotoase se folosesc cele cu conversie tensiune - frecvenţă, în timp ce plăcile având viteze de eşantionare foarte mari sunt echipate cu convertoare paralel.     De asemenea este important şi modul de eşantionare. Semnale de triggerare pot fi folosite la iniţierea preluării de date, la oprirea ei sau preluare de date înainte şi după un trigger. Ultimele două moduri sunt foarte utile când cunoaşterea unei părţi a datelor este condiţionată de producerea unui eveniment marcat de semnalele de trigger;

Modurile de transfer a datelor: la plăcile de mare viteză se impune folosirea fie a transferului prin acces direct la memorie (DMA), fie prin metoda întreruperilor. Prin comandă completă hardware a transferului DMA acesta a devenit extrem de rapid. În aplicaţiile de viteză redusă metoda întreruperilor poate fi suficient de bună;     Pentru asigurarea unei independente a vitezei de preluare fata de viteza magistralei calculatorului, plăcile rapide dispun de memorii proprii; registre FIFO (primul intrat, primul ieşit) sunt locaţii de memorie prevăzute pe plăcile de achiziţie pentru stocarea temporară a mărimilor de intrare convertite. Ele constituie un tampon între viteza ridicată de conversie şi viteza la care calculatorul poate prelua eşantioanele de pe placă. Funcţionarea lor nu permite suprapunerea sau pierderea de date; intrări/ieşiri numerice - este funcţia fără conversii analog - numerice cel mai des prezentă. Ea permite conectarea plăcii la surse de semnal numeric, respectiv la dispozitive de ieşire numerice. Foarte multe placi au prevăzute interfeţe pentru semnale TTL. Chiar şi astfel de plăci au totuşi circuite de condiţionare a semnalelor, permiţând lucrul cu o mare varietate de semnale; ieşiri analogice - sunt folosite pentru generarea de tensiuni de excitaţie, comenzi pentru alte dispozitive, generarea de forme de undă, simulări de ieşiri ale altor echipamente. Ieşirile analogice au aceleaşi caracteristici ca şi intrările analogice (rezoluţia în biţi, viteza eşantioanelor în eşantioane/sec, etc.); intrări/ieşiri de numărare / temporizare - este o funcţie prezentă la foarte multe plăci. Circuitele de temporizare sunt utilizate pentru a face mai precisă preluarea de eşantioane la intrările sau

Page 28: Subiecte scada

ieşirile analogice, dar şi la măsurarea frecvenţei, numărarea unor evenimente, măsurarea unor intervale de timp, întârzieri sau la generarea de frecvenţe de ieşire cunoscute.

Fig.4.16.

    Schema bloc a unei plăci de achiziţie de cost redus – Lab-PC+ - se dă în fig. 4.16 şi se pot regăsi etajele amintite anterior.

4.6.2. SAD cu un singur canal (monocanal)

    Este varianta cea mai simplă, conţinând un singur CAN şi având schema minimală din fig.4.17, în care: CAN – convertor analog-numeric; MT- memorie tampon; DC – dispozitiv comandă.     Frecvenţa maximă a semnalului de intrare, la care variaţia semnalului de intrare pe durata unui ciclu de conversie Tc nu depăşeşte 1 LSB (Last Significant Bit- bit de semnificaţie minimă - engl.), pentru a evita erori grosolane, este:

     (4.19)

    unde N este numărul de ranguri binare al convertorului, Tc durata conversiei.

Fig.4.17.    Sistemele cu conversie directă se folosesc când semnalul analogic ar trebui transmis printr-un mediu cu perturbaţii puternice şi se amplasează direct lângă sursa de semnal.

Page 29: Subiecte scada

4.6.3. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi memorare

Fig.4.18.

Aceste circuite asigură o creştere a vitezei de variaţie admise a semnalului supus conversiei, fără diminuarea preciziei.

În fig. 4.18: PA – preamplificator; CEM – circuit de eşantionare – memorare. Între două conversii succesive, CEM urmăreşte variaţiile semnalului de intrare. Înainte de iniţierea conversiei, CEM este trecut în starea de memorare în care oferă la ieşire valoarea momentană a semnalului de intrare de la sfârşitul etapei de urmărire. Starea de memorare se menţine pe toata durata conversiei. Astfel precizia CAN nu este afectată, indiferent de viteza de variaţie a semnalului de intrare şi de tipul de CAN folosit.La eşantionare cu o frecvenţă prea scăzută, în semnalul rezultat apare o componenta de JF supărătoare, denumită semnal alias, şi care trebuie rejectat, prin filtrare.14. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare. Sisteme de achiziţie multicanal. Modalităţi de conectare a semnalelor la SAD. Tehnici de condiţionare a semnalelor

4.6.4. Sisteme de achizitie multicanal

4.6.4.1 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor convertoarelor cu un singur canalEste un sistem paralel (fig.4.19), pentru fiecare sursa de semnal se utilizează câte un CAN, care nu ridică în mod deosebit preţul.PA – preamplificator;P – procesor;Avantaje faţă de sistemele cu multiplexare analogică: se pot folosi şi CAN mai puţin rapide, chiar pentru o viteză dorită mare de achiziţie; permit conversia locală, la locul de amplasare a traductoarelor, informaţia fiind ulterior transmisă sub formă numerică, mai imună la perturbaţii; posibilitatea unei separări galvanice mai uşoare a sursei de semnal împreună cu CAN aferent, faţă de restul sistemului; incluzând un bloc procesor local, datele numerice de pe fiecare canal pot fi prelucrate înainte de a fi multiplexate şi transmise.

Fig.4.19.

Page 30: Subiecte scada

4.6.4.2 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor CEM

Există aplicaţii în care e necesară achiziţionarea simultană, din mai multe puncte de măsurare, a unor date, intr-un timp relativ scurt. Schema care corespunde cel mai bine acestor cerinţe este se dă în fig. 4.20.

Fig.4.20.

Sursele de semnal analogic sunt conectate la câte un CEM. Comanda de trecere în starea de memorare este data simultan pentru toate CEM, după care ieşirile acestora sunt multiplexate la intrarea CAN. Multiplexarea se poate face secvenţial sau cu adresare aleatoare. CEM trebuie să aibă o stabilitate foarte bună a tensiunii memorate, având în vedere numărul de canale multiplexate (timp lung de multiplexare).

4.6.4.3 SAD cu multiplexarea intrarilor CEM

Este o structură mai simplă decât cea anterioară - fig. 4.21.

Fig.4.21.

Sursele de semnal sunt multiplexate la intrarea CEM, care va retine, de fiecare dată, valoarea unui singur eşantion în vederea conversiei. Pentru a optimiza timpul de achiziţie, comutarea la următorul canal are loc pe durata stării de memorare a CEM pentru canalul precedent (conversie), la sfârşitul căreia circuitul CEM este comandat în starea de eşantionare, pentru preluarea semnalului canalului următor, deja comutat.Sistemul este mai lent decât precedentele, dar mai ieftin.

4.6.4.4 SAD cu multiplexarea semnalelor de nivel scazut

Cea mai simplă, dar şi cea mai puţin performantă schemă de SAD este cea denumită cu multiplexarea semnalelor de nivel scăzut. Simplificarea constă în utilizarea unui singur amplificator instrumental, în loc de a folosi câte unul pentru fiecare sursă de semnal – fig.4.22. Uneori amplificatorul instrumental este prevăzut cu amplificare programabilă, pentru a valorifica

Page 31: Subiecte scada

eficient rezoluţia CAN (nivelul maxim al semnalului la intrarea CAN, pentru orice sursă de semnal, să fie apropiat de limita superioară a domeniului de intrare al CAN).

Fig.4.22.

Inconvenient: efect important al perturbaţiilor (semnal analogic mic, de la surse diferite). La perturbaţiile proprii, fiecărui canal i se adaugă: influenţa semnalului util, dar mai ales a perturbaţiilor de mod comun dintr-un canal asupra canalelor învecinate. Este necesară ecranarea individuală a conductoarelor aferente fiecărui canal şi intercalarea de filtre, aplicaţiile fiind lente.

4.6.5. Modalităţi de conectare a semnalului la SAD

Precizia şi sensibilitatea ridicată a unui SAD cuplat la calculator impun o preocupare permanentă de a elimina influenţa tensiunilor perturbatoare asupra procesului de măsurare. Dacă semnalele digitale, prin natura lor discretă, sunt relativ imune la zgomot, semnalele analogice pot fi influenţate chiar de tensiuni perturbatoare de nivel redus.

Suprapunerea zgomotului peste semnalul util măsurat se realizează prin cuplaj capacitiv(cablu de semnal amplasat în apropierea cablului de alimentare de la reţea), cuplaj inductiv(comutarea unor curenţi mari în apropierea cablului de semnal) sau cuplaj ohmic(bucle de masă).

Cuplajul capacitiv este o modalitate importantă de apariţie a tensiunilor perturbatoare de mod comun cu frecvenţa reţelei. Tensiunea de mod comun este indusă în circuitul perturbat B de câmpul electric perturbator generat de reţeaua electrică A (fig. 4.23)

Fig. 4.23. Fig. 4.24.

Mărimea semnalului perturbator va depinde de reactanţa a capacităţii reţea-circuit şi de impedanţa Z faţă de masă a circuitului perturbat, conform expresiei:

, (4.20)

unde . (4.21)

Prin şi w au fost notate tensiunea şi respectiv pulsaţia reţelei.

Page 32: Subiecte scada

Prin ecranarea circuitelor de semnal se poate reduce mult valoarea tensiunii perturbatoare induse. Efectul util al ecranului rezultă din analiza cazului prezentat în figura 4.24. Dacă impedanţa în raport cu masa a ecranului care separă circuitul perturbat de reţea este mică, astfel încât nodul comun al capacităţilor şi să poată fi considerat, practic, conectat la masă, tensiunea este neglijabilă.

Cuplajul inductiv poate fi mult atenuat prin separarea cablurilor de semnal ale traductoarelor de intrare de cablurile de forţă, în etapa de proiectare a SAD şi folosirea cablului ecranat sau a perechilor de conductoare torsadate pentru conectarea semnalului la SAD.

Apariţia tensiunilor de mod comun prin cuplaj ohmic este caracteristică situaţiei în care atât traductorul, cât şi circuitele electronice de prelucrare a semnalului au câte un punct conectat local la masă. Datorită căderilor de tensiune produse de curenţii care circulă pe traseul de masă, este posibilă apariţia tensiunii , ca în figura 4.25, care acţionează ca o tensiune de mod comun. Mărimea ei depinde de distanţa dintre traductor şi blocul electronic.

Această tensiune de mod comun poate fi eliminată prin evitarea legăturii CD la masă. Masa circuitelor electronice şi ecranul conductoarelor de semnal se conectează la masă prin legătura AB. O conexiune cu totul nerecomandată este cea în care ecranul cablului coaxial cu un singur conductor, sau unul din fire (dacă nu se foloseşte cablu coaxial), este legat în două puncte diferite la masă.

Măsurarea semnalelor de tensiune flotante cu intrările amplificatorului operaţional neconectate la masă, este necesară introducerea unei rezistenţe de polarizare între fiecare din intrări şi masă. Valorile rezistenţelor se aleg în domeniul 10 KW...100 KW.

Fig. 4.25.

Alte modalităţi de reducere a influenţei tensiunilor perturbatoare de mod comun sunt sugerate pe baza evaluării cantitative a efectului acestor tensiuni asupra semnalului prelucrat. Vom considera circuitul din figura 4.26 în situaţia în care tensiunile de semnal date de traductor sunt nule, iar şi sunt impedanţele prin care poate fi echivalat traductorul între masă şi bornele de ieşire. Modelul adoptat pentru cablul ecranat este dat în figura 4.26, iar schema echivalentă simplificată a intrării în acest caz este dată în figura 4.27.

Fig. 4.26. Fig. 4.27.

Page 33: Subiecte scada

Impedanţele sunt de natură inductivă, în timp ce sunt de natură capacitivă. La frecvenţele tensiunii de mod comun , , impedanţele se pot neglija în raport cu şi , iar se echivalează cu , respectiv , care reprezintă impedanţele de izolaţie între bornele de intrare A, respectiv B, şi masă.

şi reprezintă componentele impedanţei de intrare a blocului electronic. Cum >> , , la frecvenţa tensiunii de mod comun, se neglijează efectul impedanţei de intrare , prin

eliminarea ei din circuit.Putem scrie acum pentru circuitul din figura 4.27 expresia tensiunii de mod comun între

nodurile de intrare A şi B:

, (4.22)

de unde rezultă:

cmBA

BAAB V

ZZZZ

ZZZZV

21

12 (4.23)

Folosind notaţia - = şi înlocuind în expresia (4.23) vom obţine:

cmBA

B

BA

BAAB V

ZZZZ

ZZ

ZZZZ

ZZZV

2121

2 (4.24)

unde primul termen din paranteză este neglijabil faţă de al doilea pentru că şi se presupun de valori apropiate. Tensiunea va avea valoarea maximă când termenul al doilea din paranteză este maxim. Acest lucru se realizează atunci când = , respectiv = 0. Cu această condiţie şi neglijând la numitor termenii şi faţă de şi , rezistenţele de izolaţie având valori foarte mari, obţinem:

(4.25)

Din această relaţie rezultă că influenţa perturbatoare a tensiunii de mod comun este cu atât mai mare cu cât impedanţa de izolaţie este mai redusă şi cu cât asimetria circuitului traductorului în raport cu punctul C este mai mare.

Condiţia ca impedanţele de izolaţie să fie cât mai mari se poate realiza practic prin gardarea intrărilor amplificatorului operaţional, pentru că circuitul imprimat pe care se află montate dispozitivele electronice determină de cele mai multe ori apariţia unor curenţi de pierderi între noduri de potenţiale diferite. Inelul de gardă este realizat în jurul bornelor amplificatorului de intrare în blocul electronic şi este conectat la un potenţial apropiat de cel al liniilor de semnal, printr-un circuit cu impedanţă scăzută de ieşire. Astfel, inelul de gardă îndeplineşte şi rolul de ecran.

Se recomandă evitarea traductoarelor care solicită conectarea obligatorie la masă şi crearea unei impedanţe de valoare cât mai ridicată între traductor şi masă.

Dar cea mai bună metodă de înlăturare a tensiunilor de mod comun o constituie întreruperea buclei perturbative cu transformatoare neutralizatoare, optocuploare sau amplificatoare de instrumentaţie izolatoare. Aceste dispozitive întrerup bucla de curent prin separare galvanică, una din funcţiile generale de condiţionare a semnalelor.

4.6.6. Tehnici de condiţionare a semnalului

Page 34: Subiecte scada

Blocul de condiţionare a semnalelor primite de la traductoare este un element foarte important în construcţia unui SAD. Calitatea semnalului care ajunge la unitatea de conversie de date depinde de modul de prelucrare a semnalului în unitatea de condiţionare. Acesta presupune conversia curent-tensiune, scalare, filtrare, izolare, amplificare, multiplexare, etc.

Pentru traductoarele care furnizează la ieşire un semnal de curent unificat 4-20 mA, conversia curent-tensiune se face simplu, prin introducerea unei rezistenţe de precizie în bucla de curent. Pentru a obţine rezoluţia maximă se alege o valoare de rezistenţă cât mai mare, astfel încât să nu se depăşească domeniul maxim specificat al tensiunii de intrare. Astfel, pentru valorile uzuale de 250 W, respectiv 500 W, şi pentru semnalul de curent specificat mai sus, se obţin domeniile de tensiune de 1…5 V, respectiv 2…10 V. Valoarea exactă a rezistenţei nu este foarte importantă, pentru că se mai pot face corecţii prin soft, dar stabilitatea acestei valori este un parametru esenţial. Se folosesc de obicei rezistenţe cu peliculă metalică cu o toleranţă de 0,1%.

Această metodă este totuşi limitată pentru valori mari ale curentului din buclă. Pentru măsurarea unui curent maxim de 1mA ar fi necesară o rezistenţă de 5 MW, iar erorile de măsurare ar fi inacceptabile, datorită zgomotului şi a circuitului care preia tensiunea rezultată pe rezistenţă. Problema se rezolvă prin folosirea configuraţiei de măsură din figura 4.28, în care amplificatorul operaţional are FET-uri pe intrări, iar tensiunea este preluată de la ieşirea amplificatorului operaţional.

Fig. 4.28. Fig. 4.29.

Având în vedere că pentru circuitul OPA 111 curentul maxim pe intrări este de 1pA, configuraţia din figură permite măsurarea curenţilor mai mari de 10pA, cu precizie foarte bună. Acelaşi circuit integrat se poate folosi pentru a obţine o impedanţă foarte mare de intrare, prin conectarea lui ca repetor (tensiunea de intrare se aplică pe intrarea neinversoare, iar intrarea inversoare se conectează la ieşire). Din necesitatea polarizării corecte a intrărilor se conectează de la intrarea neinversoare la masă o rezistenţă de valoare: R = 1mV / 1pA = , acceptând o eroare maximă de 1mV. Se alege o valoare mai mică de . De exemplu, un senzor pentru citirea ph-ului cu o impedanţă de 500 MW şi o tensiune maximă de ieşire de 50mV se poate conecta direct, fără altă rezistenţă la intrarea circuitului repetor. La ieşire se obţine aceeaşi tensiune, dar cu rezistenţa internă de 100W, rezistenţa de ieşire a amplificatorului operaţional.

Semnalul preluat de la traductor trebuie de obicei amplificat înainte de a ajunge la blocul de conversie. Prin scalare se înţelege amplificarea semnalului astfel încât valoarea lui maximă vârf la vârf să acopere domeniul tensiunilor de intrare ale blocului de conversie A/D. Cele mai frecvente domenii de tensiune sunt: 0…10V, ± 5V sau ± 10V. De obicei circuitele amplificatoare au amplificări programabile prin soft sau prin jumperi. Pot exista situaţii în care semnalele de intrare depăşesc domeniul şi atunci condiţionarea presupune atenuarea semnalelor cu ajutorul unui atenuator rezistiv compensat.

În blocul de condiţionare a semnalelor există de obicei filtre pasive trece-jos cu unul sau cu doi poli. În figura 4.29 s-a reprezentat un filtru trece jos, diferenţial, cu doi poli. Rezistenţele au fost introduse pentru polarizarea în curent continuu a intrărilor circuitelor de amplificare. Orice

Page 35: Subiecte scada

asimetrie în valorile componentelor din cele două ramuri ale filtrului înrăutăţeşte rejecţia tensiunii perturbatoare de mod comun. Frecvenţa de tăiere este: CRf /03,0 (4.26)

iar raportul de atenuare la o frecvenţă dată , este:

2

1088,0

CRf

V

V x

out

in (4.27)

Performanţe superioare se obţin folosind filtre active cu mai mulţi poli. O metodă eficientă de filtrare este medierea software a semnalelor zgomotoase. Pentru fiecare valoare de tensiune măsurată sistemul face un număr mare de citiri (de exemplu 100) şi calculează o valoare medie.

Tehnica izolării semnalelor analogice culese este larg folosită pentru că oferă protecţia blocurilor electronice la apariţia accidentală a unor supratensiuni pe intrări, dar elimină şi buclele de masă. Izolarea, sau separarea galvanică, se realizează prin cuplaj capacitiv, inductiv sau optic. Pentru circuitele de izolare realizate cu componente discrete, performanţele cele mai bune erau asigurate de cuplajul prin transformator, dar soluţia era şi cea mai scumpă. La ora actuală există amplificatoare de izolaţie integrate cu performanţe de excepţie, cum sunt circuitele din seria ISO ale firmei Burr - Brown:

- circuitul 3656 foloseşte cuplajul magnetic, are o impedanţă de izolaţie de , o tensiune maximă admisă pe bariera de izolare de cc şi o rejecţie a modului izolat de 112 dB, la 60 Hz.

- circuitul ISO 100 foloseşte cuplajul optic, are aceeaşi impedanţă de izolaţie ca 3656, tensiunea maximă de izolaţie de şi rejecţia modului izolat mai mare de 108 dB.

- circuitul ISO 122 foloseşte cuplajul capacitiv, are impedanţa de izolaţie de , tensiunea maximă de izolaţie de valoare efectivă şi rejecţia modului izolat mai mare de 140 dB.

O placă de achiziţie tipică are între 8 şi 16 intrări analogice şi între 8 şi 24 linii de intrare/ieşire numerice. Prin multiplexare externă numărul de canale de intrare/ieşire poate fi extins la câteva sute sau chiar mii. Modul de citire a canalelor se face prin soft, funcţie de natura semnalelor citite, pentru o achiziţie corectă a lor. Un semnal de temperatură poate fi citit mai rar decât un semnal proporţional cu forma de undă a tensiunii din reţea.

Şi semnalele numerice se condiţionează prin folosirea unor limitatoare cu diode Zener, sau porţi trigger Schmitt, pe intrări, respectiv optocuploare sau relee, pentru semnalele traductoarelor de ieşire.

Toate firmele producătoare de SAD realizează blocul de condiţionare a semnalelor sub forma unui sertar amplasat cât mai aproape de traductoare. Sertarul conţine module specializate care realizează diverse funcţii de condiţionare a semnalului. De la sertar, semnalele amplificate şi izolate sunt trimise spre placa de achiziţie amplasată în calculator. O structură reprezentativă de condiţionare de semnal analogic din seria PCI-5B de la firma Intelligent Instrumentation este dată în figura 4.30.

Page 36: Subiecte scada

Fig. 4.30.

Firma National Instruments numeşte blocul de condiţionare a semnalelor, sistem SCXI. Există o mare varietate de module SCXI: de exemplu, SCXI-1120 este un amplificator de izolaţie cu 8 canale separate. Fiecare canal conţine câte un amplificator de izolaţie cu câştig programabil de până la 2000 şi câte un filtru trece jos configurabil pentru frecvenţe de tăiere de la 4Hz la 10KHz. Modulul SCXI-1121 este un amplificator de izolaţie pe 4 canale. Fiecare canal are sursă proprie de excitaţie, configurabilă în tensiune sau curent şi câte o punte de măsură pentru mărci tensometrice.

Pentru condiţionarea semnalelor, firma Analogic Corporation a realizat o familie de module care comunică cu orice sistem de calcul (PC sau altceva) prin intermediul interfeţelor seriale standard RS-232 sau RS-485. Pe o singură linie serială se pot conecta până la 124 module, amplasate la o distanţă de până la 1200 m de calculatorul central. Modulele D-1000/D-2000 primesc semnale de la traductoare, realizează conversia A/D, apoi o eventuală prelucrare a datelor numerice şi transmiterea lor pe serială spre o unitate de calcul. Rezoluţia pe intrări este de 15 biţi. Eventuale condiţii de alarmă sau date despre protocolul de comunicaţie serială se stochează într-o memorie EEPROM existentă pe modul. Modulele D-1000 au funcţie de transfer fixă, în timp ce modulele D-2000 permit obţinerea unor funcţii de transfer neliniare, programabile de utilizator. Modulele D-3000/D-4000 sunt destinate generării unor semnale de ieşire analogice, pentru comanda traductoarelor de ieşire. Rezoluţia conversiei D/A este de 12 biţi. D-4000 sunt module care oferă posibilitatea programării parametrilor semnalelor generate (slew-rate, scalare, recitirea prin reacţie a semnalului generat la ieşire, etc.).

Aceste module ale firmei Analogic sunt de fapt veritabile SAD-uri, deşi catalogul le defineşte ca module de condiţionare a semnalelor.15. Senzori şi traductoare. Măsurarea. Noţiuni generale

5.1. Măsurarea. Noţiuni generale

Măsurarea este operaţia de comparare a două mărimi de aceiaşi natură în scopul constatării de câte ori unitatea de măsură se cuprinde în mărimea de măsurat.

Operaţia de măsurare este caracterizată de relaţia : M = Mi U (5.1)

unde: M-mărimea de măsurat, Mi-multiplu al unităţii de măsură, U-unitatea de măsură.Mărimea de măsurat este un parametru fizic sau chimic care poate fi evaluat prin măsurare,

comparare sau reperare şi exprimat numeric.Unitatea de măsură este mărimea care serveşte ca măsură de bază pentru toţi parametrii de

acelaşi fel. Materializarea fizică a unităţii de măsură este etalonul.In mod ideal o operaţie de măsurare definită de relaţia (5.1) poate fi reprezentată prin

schema bloc din figura 5.1.

Page 37: Subiecte scada

Figura 5.1

În fig.5.1: ES- elementul sensibil al elementului de măsurare; e = x-variabila de ieşire care interesează.

Cele trei elemente: procesul (mediul), elementul de măsurare şi dispozitivul de redare constituie sistemul de măsurare.

Dacă nu există perturbaţii, rezultatul măsurării depinde numai de valoarea mărimii de măsurat (M) şi unitatea de măsură ( U ).Deci : Mi = f(M, U)

Observaţie: operaţia de măsurare ideală este un sistem de transmitere a unei informaţii într-un singur sens, semnalul final rezultând la dispozitivul de redare.

In practică, există o serie de mărimi de perturbaţie şi reacţii inverse care provoacă erori de măsurare. Erorile de măsurare depind de variaţia în timp a mărimilor de perturbaţie existente.

La o măsurare reală schema bloc este mult mai complicată (figura 5.2):

Figura 5.2Un sistem de măsurare poate fi utilizat :1. numai în scopul măsurării, rezultatul apărând direct la dispozitivul de redare.2.ca element component într-un dispozitiv de automatizare sau de conducere, când se pune

problema ca variabila de ieşire să fie menţinută la o anumită valoare, când la dispozitivul de redare apare un semnal analogic denumit mărime de reacţie ( r ).

Toate perturbaţiile şi reacţiile interne care acţionează asupra elementului de măsurare conduc la eronarea rezultatului măsurării. 1.Perturbaţiile externe zi pot să se suprapună peste semnalul de măsurare apărând sub diferite forme: câmp electric sau magnetic extern, modificarea temperaturii, presiunii, umidităţii mediului ambiant în care se află elementul de măsurare, deplasarea nulului activ al scalei, etc. putând acţiona şi în zona în care se află ES. 2. Perturbaţiile interne apar la elementul de măsurare sub forma jocurilor elementelor mobile în lagăre, frecări în articulaţii, histereză, intervalul de insensibilitate, etc. 3. Reacţiile inverse apar ca semnale cu un anumit conţinut informaţional care au sensul de propagare invers faţa de sensul informaţiei utile de la ES la elementul de redare. Acestea apar mai ales când se măsoară presiuni sau temperaturi.

Page 38: Subiecte scada

Pentru un anumit sistem de măsurare, o analiză a sensibilităţii poate stabili care mărime de perturbaţie influenţează prin variaţia ei rezultatul măsurării. Se poate stabili o ierarhizare a mărimilor de perturbaţie funcţie de influenţa acestora asupra rezultatului măsurării deoarece orice sistem de măsurare poate fi considerat ca un sistem multivariabil.

Clasificarea erorilor de măsurareErorile de măsurare în operaţia de măsurare apar datorită acţiunii perturbaţiilor interne şi

externe cât şi datorită reacţiilor inverse. Eroarea absolută, notată cu Mi exprimă abaterea rezultatului măsurării Mi faţă de

valoarea mărimii de măsurat Mo care ar fi indicată de un aparat de măsurare ideal : Mi =Mo -Mi (5.2)Eroarea relativă se defineşte ca raportul dintre eroarea absolută şi rezultatul măsurării: = Mi / Mi = (Mo -Mi )/ Mi *100 % (5.3) Termenul de corecţie C reprezintă acea valoare numeric egală cu valoarea absolută, dar

de semn schimbat : C = -Mi = Mi -Mo (5.4)

Utilizarea termenului de corecţie este importantă deoarece astfel se compensează, într-o anumită proporţie influenţa mărimilor de perturbaţie.

Deoarece nu se cunoaşte valoarea adevărată Mi a mărimii de măsurat, de cele mai multe ori nu se cunoaşte nici Mi. Din acest motiv una din cele mai importante probleme ale prelucrării matematice a rezultatelor măsurărilor este estimarea adevăratei valori a mărimii măsurate sau estimarea unei valori pentru Mi cât mai apropiată de Mo.

Valoarea aproximativă a mărimii de măsurat cu o eroare cât mai mic posibilă se poate determina prin calcul matematic aplicat asupra unui şir de valori măsurate, fiecare din acestea fiind afectată de o eroare necunoscută. Metoda de prelucrare a şirului de valori măsurate utilizează calcule statistice, de probabilitate şi de foarte multe ori de regresie (ca de exemplu metoda celor mai mici pătrate ).

Erorile de măsurare se încadrează în două clase:a) erori statice

Erorile statice apar în cazul măsurării unor mărimi invariabile în timp.b) erori dinamice

Erorile dinamice apar la măsurarea unor mărimi variabile în timp, depinzând în mare măsură atât de valoarea momentană a mărimii de măsurat cât şi de variaţia în timp a acesteia.

Erorile statice se clasifică în funcţie de cauzele care le produc în :1. erori întâmplătoare; 2. erori grosolane; 3. erori sistematice.

1. Erorile întâmplătoare se datorează modificării condiţiilor exterioare sau acţiunii unor mărimi de perturbaţie exterioare accidentale. Caracteristica principală a acestor erori constă în faptul că acestea diferă între ele atât ca mărime cât şi ca semn, fără a rezulta din înşiruirea datelor vreo regulă sistematică de ordonare. Aceste erori se repartizează după legi statistice ca de exemplu curba lui Gauss. In marea majoritate a situaţiilor mărimea adevărată a erorii întâmplătoare rămâne necunoscută deoarece rămâne necunoscută valoarea adevărată a mărimii măsurate.

2. Erorile grosolane intervin atunci când se manifestă neglijenţe fie în realizarea condiţiilor de măsurare fie în aplicarea corectă a metodelor de măsurare. Aceste erori sunt momentane şi foarte uşor de descoperit deoarece sunt incomparabil mai mari decât erorile întâmplătoare.

3. Erorile sistematice apar în mod sistematic în timpul operaţiei de măsurare şi se clasifică în două clase :-după sursa de apariţie;-după aspectul analitic.

In practică apar: -erori instrumentale provenite din defecte ale aparatelor (element de măsurare sau dispozitiv de redare);

Page 39: Subiecte scada

-erori personale datorate organelor de simţ care percep diferit auditiv şi vizual semnalul de ieşire; -erori datorate metodei nepotrivite de măsurare.

Erorile sistematice au o acţiune unilaterală şi deosebit de periculoasă prin efectul lor cumulativ asupra operaţiei de măsurare, motiv pentru care trebuie eliminate.

Erorile dinamice au cauze multiple. Astfel forţele masice, sistemele de amortizare, capacităţile calorice a părţilor componente a aparaturii mecanice, condensatorii şi rezistenţele ohmice sunt câteva surse de erori dinamice.

Aceste erori sunt mai mari dacă în componenţa instalaţiei de măsurare intră elemente de reglare cu timp mort. Din această categorie fac parte analizoarele de gaze şi lichide care trebuiesc

montate la o anumită distanţă de utilaj sau instalaţie, conductele de legătură sunt elemente de întârziere pură ce introduc timpi morţi în comportarea dinamică a acestor echipamente.

Caracteristicile instalaţiilor de măsurare Instalaţiile de măsurare prezintă următoarele caracteristici :

-statice ;-metrologice;-tehnice;-dinamice.

Caracteristicile statice sunt :-domeniul de măsurare;-limita de supraîncărcare;-limita de siguranţă;-constanta sistemului de măsurare; -caracteristica statică de etalonare.

Domeniul de măsurare este domeniul de valori ale mărimii de măsurat pentru care erorile de măsură sunt reglementate prin norme legale individuale.

Limita de supraîncărcare este valoarea maximă a mărimii de măsurat pentru care după revenirea în limitele domeniului de măsurare nu se modifică caracteristicile statice sau dinamice ale elementului de măsurare.

Limita de siguranţă este valoarea maximă admisibilă a mărimii de măsurat la care poate fi expus elementul de măsurare fără a fi distrus, cu toate că apar modificări ireversibile a caracteristicii statice a acestuia.

Constanta de măsurare este raportul dintre valoarea mărimii de măsurat şi valoarea citită pe scala aparatului. Valoarea mărimii măsurate se obţine înmulţind indicaţia obţinută cu constanta de măsurare. In practică pot să apară 2,3 scale pentru domenii diferite de valori ale aceluiaşi parametru.

Caracteristica statică este dependenţa redată grafic, matematic sau tabelar dintre indicaţia aparatului şi mărimea măsurată.

Caracteristicile metrologice sunt :-precizia;-justeţea;-fidelitatea;-sensibilitatea;-pragul de sensibilitate;-domeniul de histereză.

Precizia reflectă gradul de exactitate al rezultatelor măsurărilor. Cea mai utilizată formă de exprimare a preciziei este cea ca un raport între valoarea absolută maximă Mi şi valoarea domeniului de măsurare. Acest raport se numeşte eroare de bază relativă şi se exprimă în procente. Clasa de precizie reprezintă de fapt mărimea erorii de bază relativă iar precizia erorii de bază relativă exprimată procentual. Elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate sunt exprimate în erori absolute sunt repartizate în clase de precizie cărora le sunt atribuite numere de

Page 40: Subiecte scada

ordine. Cele mai mari numere desemnează elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate sunt cele mai mari.

Justeţea este proprietatea de a da rezultate apropiate de valoarea adevărată a mărimii de măsurat.

Fidelitatea se referă la proprietatea unui element de măsurare de a avea variaţii cât mai mici ale rezultatului la variaţia repetată a aceleiaşi mărimi în condiţii identice de măsurare.

Sensibilitatea este proprietatea de a percepe şi a reda variaţii cât mai mici ale mărimii de măsurat. In cadrul elementelor de măsurare cu caracteristica statică liniară, sensibilitatea este chiar panta caracteristicii statice care este egală cu raportul dintre variaţia indicaţiei scalei dispozitivului de reglare şi variaţia corespunzătoare a mărimii de măsurare M.

Pragul de sensibilitate se defineşte ca cea mai mică valoare a mărimii de măsurat M pentru care se obţine o variaţie sesizabilă la indicaţia dispozitivului de redare.

Domeniul de histereză este diferenţa maximă a valorilor indicaţiei dispozitivului de redare care se obţine pentru aceleaşi valori a mărimii de măsurat M, dacă la această valoare se ajunge printr-o variaţie lentă crescătoare sau descrescătoare a mărimii de măsurat M. Caracteristicile tehnice sunt determinate de principiul de funcţionare, formă, gabarit şi modul în care influenţează măsurarea factorii perturbanţi. Aceste caracteristici sunt :-stabilitate;-inerţie;-generalitate;-fiabilitate.

Stabilitatea constă în menţinerea calităţii metrologice în timp, indiferent de condiţiile externe.

Inerţia reflectă modul în care elementul de măsurare răspunde în timp la variaţia mărimii de măsurat

Generalitatea este caracteristica unui element de măsurare de a putea fi înlocuit în determinări similare cu echipamente de acelaşi fel cu aceleaşi caracteristici metrologice şi tehnice.

Fiabilitatea este proprietatea care se exprimă prin probabilitatea ca un element de măsurare să-şi îndeplinească funcţia impusă în anumite condiţii prescrise în cursul unei perioade de timp date.

Cei mai importanţi parametrii ce caracterizează fiabilitatea şi care trebuiesc precizaţi pentru un element de măsură sunt :

-durata de viaţă : durata de timp din momentul în care aparatul iese de la fabrică până la uzura totală;

-număr de porniri;-timpul de reparare : timpul total afectat reparaţiilor în durata de viaţă;-durata de bună funcţionare exprimată prin suma timpilor de bună funcţionare;-mentenabilitatea - exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să poată fi

supravegheat, întreţinut, reparat într-o anumită perioadă de timp;-disponibilitatea exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să fie în stare de

funcţionare în orice moment în intervalul dintre operaţiile de întreţinere planificate.Caracteristicile dinamice sunt reflectate prin răspunsurile la semnal tip a elementelor de

măsurare. Cel mai des este utilizat răspunsul la semnal treaptă. Cel mai important indicator ce caracterizează proprietăţile dinamice este constanta de timp T care este obligatoriu să fie inserată în orice prospect în care este prezentat elementul de măsurare.

Constanta T reflectă întârzierea transmiterii informaţiei în interiorul instalaţiei de măsurare de la locul în care se află montat elementul sensibil la scala dispozitivului de redare.

Dacă în structura elementului de măsurare există şi elemente de reglare de întârziere pură, acestea trebuie să se specifice, având ca caracteristică dinamică timpul mort tm.16. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Generalităţi. Caracteristicile senzorilor. Măsurarea presiunii5.2. Aparate de măsurare şi traductoare

Page 41: Subiecte scada

5.2.1. Generalităţi

Aparatele de măsurare au rolul de a transforma un parametru (o mărime de o anumită natură - fizică, chimică, etc.) într-o mărime de natură electrică, pneumatică, etc. Această transformare s-a impus datorită avantajelor pe care le oferă semnalele electrice sau pneumatice în ceea ce priveşte liniile de transmisie şi aparatele de măsurare utilizate. Datorită creşterii gradului de complexitate aparatele de măsurare sunt tratate ca şi sisteme.

În cadrul dispozitivelor de automatizare, traductoarele (sistemul de măsurare) au rolul de a transforma mărimea de ieşire e a procesului automatizat, în mărime de reacţie r. Mărimea de reacţie r apare sub forma unui semnal informaţional, care de cele mai multe ori este de altă natură fizică, decât mărimea de ieşire e (mărimea reglată x). În cadrul sistemelor de reglare automată, traductoarele se află plasate pe calea de reacţie, asigurând transmiterea informaţiei la intrarea regulatorului.

Schema bloc a unui sistem de măsurare (traductor) este redată în figura 5.3

Figura 5.3Elementul de măsurare (M) denumit şi traductor de măsurare, este alcătuit din elementul

sensibil (M1) şi traductorul de baza (M2) şi adaptorul de intrare Ai

Elementul sensibil (M1) se află în contact direct cu mediul în care se urmăreşte variaţia variabilei de ieşire, e. Prin intermediul elementului sensibil se transformă variaţiile variabilei de ieşire (mărimii reglate), în variaţiile unei mărimi auxiliare. De exemplu, cu ajutorul unui termocuplu, se transformă variaţii de temperatură, în variaţii de tensiune; prin intermediul unei diafragme, variaţiile de debit se transformă în variaţiile unei presiuni diferenţială. De cele mai multe ori, mărimea auxiliară care constituie semnalul de ieşire al elementului sensibil, nu este adecvată prin natura fizică sau prin valoarea ei, pentru a fi aplicată direct elementului calculator. Din acest motiv semnalul de ieşire trebuie supus unei prelucrări intermediare. Această operaţie o realizează traductorul de baza (M2). Variabila de ieşire a traductorului de bază, denumită mărime de reacţie r, este o mărime electrică (curent, tensiune, etc.).

Rolul elementului de măsurare, în cadrul dispozitivului de automatizare este de a stabili o dependenţă univocă şi continuă între variabila de ieşire e de o anumită natură fizică şi mărimea de reacţie r de natură electrică. În general, se urmăreşte ca dependenţa dintre r şi e să fie liniară, astfel ca ecuaţia caracteristicii statice a elementului de măsurare să fie de forma:

r = KM . e (5.5)din care să rezulte că acesta este un element proporţional cu coeficient de transfer KM.

Dacă întârzierile de transmitere a semnalului de reglare în elementul de măsurare sunt neglijabile în comparaţie cu cele ale altor elemente din circuitul de reglare, se poate admite că, elementul de măsurare este de ordinul zero, ecuaţia comportării dinamice fiind de forma:

r(t)=KM.e(t)(5.6)

Deoarece în elementul calculator, mărimea de reacţie r trebuie să ajungă sub forma unui semnal electric sau pneumatic unificat (4-20 mA; 0,2-l ats.), după traductorul de bază, se

intercalează adaptorul de intrare Ai, care are rolul mai sus amintit. De multe ori se întâmplă ca acesta să formeze cu elementul de măsurare un singur ansamblu constructiv sau să

lipsească cu totul din structura dispozitivului de automatizare, dacă traductorul de bază are ca variabilă de ieşire un semnal unificat.

Traductoarele pot fi utilizate atât ca elemente de măsurare pentru controlul parametrilor cât şi ca elemente componente în cadrul dispozitivelor de automatizare intercalate în sisteme de

reglare automată.

Page 42: Subiecte scada

Traductoarele se pot clasifica după următoarele criterii:1. După parametrul măsurat:

-traductoare de temperatură, presiune, debit, nivel, pH, compoziţie, concentraţie, etc. Traductoarele îşi bazează funcţionarea pe fenomene sau proprietăţi ale materialelor care permit transformarea unor mărimi fizice în altele cum ar fi: dilatarea corpurilor, variaţia

rezistenţei electrice, pierderea de presiune pe rezistenţe hidraulice sau pneumatice etc.2. După natura fenomenului care stă la baza funcţionării lor.

- traductoare: electrice, pneumatice, chimice, de radiaţie etc.Calitatea şi stabilitatea circuitelor de reglare depind în mare măsură de caracteristicile

tehnice şi metrologice ale traductoarelor. Cu cât aceste caracteristici sunt mai bune, cu atât performanţele sistemelor de reglare automată sunt mai ridicate.

În general, traductoarele nu au întotdeauna caracteristici tehnice şi metrologice care să satisfacă cerinţele procesului tehnologic automatizat. Din acest motiv, de cele mai multe ori, în

construcţia lor trebuie să înglobeze şi nişte elemente intermediare cum ar fi: amplificatoare, adaptoare, montaje de compensare a influenţei unor factori perturbatori etc.

Avantajul principal al folosirii aparatelor şi metodelor electrice de măsurare a mărimilor neelectrice constă în posibilitatea transmiterii la distanţă a rezultatelor măsurării şi a concentrării lor într-un punct de prelucrare şi comandă.

O schemă de măsurare electrică a unei mărimi neelectrice conţine următoarele subansamble: traductorul, circuitul de măsură, prin care semnalul electric imagine a mărimii neelectrice este transmis la distanţă, şi aparatul indicator.

Traductorul (senzorul) este un dispozitiv convertor care transformă mărimea neelectrică x în mărimea electrică y, mai uşor de măsurat, sau având proprietăţi de prelucrare şi comandă superioare.

După natura funcţiei y(x), denumită caracteristica statică a traductorului (x fiind uneori denumită mărimea de intrare a traductorului, iar y mărimea de ieşire) se diferenţiază traductoare active şi traductoare pasive.

Traductoarele pasive fac să corespundă variaţiei mărimii neelectrice variaţia unui parametru de circuit: rezistenţa R a unui traductor rezistiv, inductivitatea L a unui traductor inductiv, sau capacitatea C a unui traductor capacitiv. Traductoarele rezistive, inductive sau capacitive se mai numesc traductoare parametrice. Câteva principii de dependenţă a unor mărimi electrice de alte mărimi, neelectrice sunt prezentate în tabelul 5.1.

Traductoarele active, sau generatoare convertesc un anumit fel de energie, termică, mecanică, chimică, etc. în energie electrică. Având în vedere destinaţia acestor convertizatoare de energie, esenţială este precizia corespondenţei dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire şi mai puţin randamentul energic al conversiei. Pentru a nu perturba starea reală în punctul în care se efectuează măsuratoarea, se impune ca energia absorbită de traductor să fie cât mai mică. Câteva procedee, respectiv traductoare active, sunt reprezentate în tabelul 5.2.

Tabel 5.1.

Principiul de funcţionare Traductorul Mărimea de intrare Mărimea de ieşire

Variaţia rezistenţei conductoarelor cu

temperatura

Termometru cu rezistenţă Temperatura Rezistenţă

Variaţia rezistenţei cu alungirea sau cu

Mărci, doze tensometrice

Forţe, cupluri Rezistenţă

Page 43: Subiecte scada

comprimareaVariaţia inductivităţii Micrometru Deplasare Inductivitate

Variaţia distanţei dintre plăcile unui condensator

Doză capacitivă Deplasare, presiune Capacitate

Dependenţa permitivităţii electrice de conţinutul de

apăHigrometru Umiditate Capacitate

Tabel 5.2.Principiul de funcţionare Traductor Mărimea de intrare Mărimea de ieşire

T.e.m. generată prin încălzirea joncţiunii a două metale diferite

Termocuplu Temperatura Tensiune

T.e.m. indusă prin mişcarea unei bobine în

câmp magnetic Tahogenerator Turaţie Tensiune

T.e.m. la bornele unei joncţiuni semiconductoare Celula fotovoltaică Iluminare Tensiune

Polarizarea unui cristal de quart prin deformare:

efectul piezoelectricDoza piezoelectrică Presiune Tensiune

După modul de variaţie a mărimii de ieşire traductoarele sunt: traductoare analogice, la care semnalul de ieşire este unul continuu variabil cu mărimea de intrare, respectiv traductoare digitale, al căror semnal de ieşire este discontinuu, de exemplu o succesiune de impulsuri care, după un anumit cod, reprezintă modul de variaţie al mărimii de intrare.

După cum caracteristica statică y(x) este o dreaptă sau o curbă, avem de-a face cu traductoare liniare sau neliniare.

5.2.2. Caracteristicile senzorilor

Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametrii:- domeniul de utilizare;- rezoluţia (sensibilitatea - cel mai mic increment măsurabil al stimulului);- frecvenţa maximă a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea);- acurateţea (eroarea de măsurare raportată, în procente, la întreaga scală);- dimensiunile şi masa senzorului;- temperatura de operare şi condiţiile de mediu, durata de viaţă (în ore sau număr de

cicluri de operare);- stabilitatea pe termen lung;- costul.

Majoritatea acestor caracteristici sunt precizate în fişele de fabricaţie ale senzorilor.

Sensibilitatea

Sensibilitatea unui senzor este definită ca panta curbei caracteristicii de ieşire sau, intrarea minimă a parametrilor fizici care va creea o variaţie a ieşirii.

La unii senzori, sensibilitatea este definită ca parametrul de intrare cerut pentru a produce o standardizare a schimbării ieşirii. La altele, ea este definită ca tensiunea de ieşire dată pentru schimbarea parametrului de intrare.

Page 44: Subiecte scada

Eroarea de sensibilitate

Eroarea de sensibilitate este punctul de plecare pentru panta ideală a caracteristicii curbei.

Domeniul de acoperire

Domeniul de acoperire al senzorului este maximul si minimul valorilor aplicate parametrilor care pot fi măsurate. De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de variatie intre –400 si +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitivă şi negativă sunt de obicei inegale.

Domeniul dinamic

Domeniul dinamic reprezintă domeniul total al variaţiei senzorului de la minim la maxim.

Precizia

Termenul de precizie se referă la gradul de reproducere al măsurătorii. Cu alte cuvinte, dacă exact aceleaşi valori au fost măsurate de un anumit număr de ori, atunci un senzor ideal va scoate la ieşire aceaşi valoare de fiecare dată.

Senzorii reali scot însă la ieşire valori apropiate de valoarea reală. Să presupunem că o presiune de 150 mm Hg este aplicată unui senzor. Chiar dacă presiunea aplicată este constantă, valorile de la ieşirea senzorului variază considerabil. Apar astfel câteva probleme din punct de vedere al preciziei când valoarea adevărată si valoarea indicată de senzor nu sunt la o anumita distanţă între ele.

Rezoluţia

Rezoluţia reprezintă detecţia celui mai mic parametru de intrare care poate fi detectat din semnalul de ieşire. Rezoluţia poate fi exprimată proporţional cu semnalul citit, fie in valori absolute.

Acurateţea

Acurateţea este dată de diferenţa dintre valoarea actuală si valoarea indicată la ieşirea senzorului. Din nou, acurateţea poate fi exprimată ca un procent sau în valori absolute.

Offset-ul

Eroarea de offset al unui traductor este definită ca valoarea ieşirii care exista atunci când ar trebui să fie zero, sau diferenţa dintre valoarea reală de la ieşirea traductorului şi valoarea de la ieşire specificată de o serie de condiţii particulare.

Liniaritatea

Liniaritatea este expresia cu care curba măsurată se diferenţiază de curba ideală.Neliniaritatea statică este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura,

vibraţiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de ştiut în ce condiţii această caracteristică este validă şi se îndepărtează de acele condiţii care nu furnizează modificări ale liniarităţii.

Page 45: Subiecte scada

Liniaritate dinamică

Liniaritatea dinamică a unui senzor este o măsură a abilităţii sale de a urmării schimbăriile rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii, caracteristicile distorsiunii fazei, si timpul de răspuns sunt importante pentru a determina liniaritatea dinamică.

Histerezis-ul

Un traductor trebuie să fie capabil să urmărească schimbările parametrilor de intrare indiferent din ce direcţie este facută schimbarea, histerezis-ul fiind măsura a acestei proprietăţi.

Timpul de răspuns

Senzorii nu-şi schimbă starea de ieşire imediat când apare o schimbare a parametrului de intrare, de obicei, va trece în starea nouă abia după o anumită perioadă de timp.

Timpul de răspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar ieşirii valorilor unui senzor de a trece din starea precedentă spre o valoare stabilită in limitele unui domeniu de toleranţă a noii valori corecte. Acest concept este într-un fel diferit de termenul de timp constant (T) a sistemului. Acest termen poate fi definit într-o manieră similară cu cea a unui condesator care se încarcă printr-un rezistor si este de obicei mai mic decât timpul de răspuns.

Există mai multe criterii de clasificare a senzorilor utilizaţi în sistemele de comandă ale proceselor industriale:

- dacă intră sau nu în contact cu obiectul a cărui proprietate fizică o măsoară, distingem: o senzori cu contact;o senzori fără contact;

- după proprietăţile pe care le pun în evidenţă: o senzori pentru determinarea formelor şi dimensiunilor (pentru evaluarea în mediu

de lucru);o senzori pentru determinarea proprietăţilor fizice ale obiectelor (de forţă, presiune,

de cuplu, de densitate şi elastici);o senzori pentru proprietăţi chimice (de compoziţie, de concentraţie, analizatoare

complexe);o după mediul de culegere a informaţiei:

senzorii pentru mediul extern; senzorii pentru funcţia internă;

o după distanţa la care sunt culese informaţiile: senzori de contact.

Senzorii pot fi : acustici, mecanici, magnetici, termici, pentru radiatii, chimici, bioelectrici (preiau semnalele electrice generate de corpul uman, în general), inteligenţi, virtuali. Senzorii sunt conectaţi la circuite de condiţionare si prelucrare a semnalelor furnizate de aceştia.

5.2.3. Măsurarea presiuniiCele mai importante tipuri de traductoare sunt cele bazate pe deformarea elastică a

corpurilor, cu coloană de lichid şi cele bazate pe schimbarea proprietăţilor corpurilor cu presiunea.

Traductoare bazate pe deformarea elastică a corpurilor

Page 46: Subiecte scada

Aceste traductoare se bazează pe deformarea sub acţiunea presiunii a unor elemente elastice cum sunt: resortul manometric, membrana, burduful, etc. Ele au căpătat o largă răspândire

datorită siguranţei în exploatare şi domeniului larg de măsurare.

Resortul manometric cel mai răspândit este tubul Bourdon:

Figura 5.4. a. Tubul Bourdon b.Deformarea tubului în secţiune Tubul Bourdon este simplu curbat, în formă de arc de cerc cu un unghi la centru de

aproximativ 270º şi este confecţionat în general din aliaje neferoase sau oţel inoxidabil. În secţiune transversală, acest tub se execută sub forma unor profile diferite, dintre care cele mai

utilizate sunt: plat oval, oval ascuţit, semioval, etc.În figura 5.4 este reprezentat modul în care se deformează tubul şi secţiunea transversală,

atunci când este supus acţiunii presiunii P. Variaţia unghiului de desfăşurare α al tubului, care constituie mărimea de ieşire a acestui traductor, se exprimă în funcţie de variaţia Δy a axei

mici a secţiunii transversale astfel:

(5.7)

Ţinând seama şi de eforturile ce apar în pereţii tubului, care pot fi exprimate în funcţie de presiunea P, de dimensiunile geometrice şi proprietăţile materialului se obţine :

(5.8)care reprezintă ecuaţia caracteristicii statice a acestui tip de traductor. Mărimea de intrare este presiunea P, iar mărimea de ieşire, variaţia unghiului de înfăşurare a tubului, Δα.

Caracteristica statică este în general liniară pe cea mai mare parte a domeniului de funcţionare pentru care traductorul a fost construit.

Traductorul cu tub Bourbon acoperă, în trepte, un domeniu vast de presiuni, de la 103 N/m2

(1 KPa) până la 109 N/m2 (106 KPa), precum şi depresiuni de la 0 la 1,01325·105 N/m2 (1,01325·102

KPa).Traductoarele de presiune cu membrană au elementul elastic supus deformării o

membrană asupra căreia acţionează presiunea de măsurat, care reprezintă mărimea de intrare:

Page 47: Subiecte scada

Figura 5.5.a. Construcţieb.Tipuri de membrane

Săgeata y a membranei reprezintă mărimea de ieşire a traductorului. Membranele sunt confecţionate din oţel, aliaje pe bază de cupru, sau materiale sintetice elastice.

Traductoarele de presiune cu membrană se construiesc pentru presiuni de la N/m2 (1 KPa) până la 4·106 N/m2 (4000 KPa).

Traductoarele de presiune cu burduf se bazează pe deformarea elastică a burdufurilor la creşterea presiunii, aplicată în interiorul sau exteriorul lor. Elementul elastic este alcătuit atât din burduful 1 cât şi din resortul 3 din interior. Domeniul de lucru al acestor traductoare este cuprins între 6·102 N/m2 (0,6 KPa) şi 105 N/m2 (102 KPa).

Figura 5.6. Traductor presine cu burduf Figura 5.7. Traductor de presiune cu lichid

Traductoare de presiune cu lichid

La aceste traductoare, presiunea de măsurat se compară direct cu presiunea hidrostatică a unei coloane de lichid. Deşi simple, aceste traductoare se caracterizează printr-o precizie

mare. Prezintă însă o serie de neajunsuri din punctul de vedere al exploatării (gabarite mari, domenii de măsurare mici etc.), fapt pentru care în industrie sunt mai puţin răspândite decât traductoarele cu elemente elastice. În tehnica de laborator, mai ales în domeniul presiunilor

mici, traductoarele de presiune cu lichid sunt însă foarte utilizate. Din grupa acestor traductoare, cele cu tub U sunt constructiv cele mai simple (figura 5.7).Lichidul din tub poate fi mercur, apă, alcool etilic etc., acesta fiind ales funcţie de natura fizică a fluidului a cărui

presiune dorim să o măsurăm şi de valoarea acesteia.Dependenţa înălţimii coloanei de lichid de diferenţa de presiune ΔP=P1 – P2 este:

(5.9)

în care: ρ – masa specifică a lichidului de umplutură; ρf – masa specifică a fluidului a cărui presiune se măsoară; g – acceleraţia gravitaţională.În cazul în care presiunile de măsurat sunt foarte mici se utilizează traductoare de presiune

cu tub înclinat (figura 5.8).

Page 48: Subiecte scada

Figura 5.8.

Lungimea y a coloanei de lichid din tubul înclinat se determină cu relaţia dată.Aceste traductoare au o sensibilitate mai ridicată decât cele cu tub U.

Traductoare bazate pe schimbarea proprietăţilor corpurilor cu presiunea

Aceste traductoare îşi bazează funcţionarea pe dependenţa de presiune a rezistenţei, inductanţei sau capacităţii unor circuite electrice, a proprietăţii de piezoelectricitate a unor cristale, a variaţiei gradului de ionizare a gazelor etc. În figura 5.9 sunt reprezentate principial unele tipuri mai importante dintre aceste traductoare: tensometric, capacitiv şi piezoelectric.

Figura 5.9.

În cazul traductorului tensometric, valoarea rezistenţei mărcii se modifică funcţie de deformarea elastică a corpului metalic al traductorului, respectiv funcţie de presiune. Traductoarele tensometrice sunt utilizate atât pentru presiuni foarte mici 102 N/m2 (0,1 KPa), cât şi pentru presiuni mari, până la 108 N/m2 (105 KPa).

Capacitatea traductorului din figura 5.9.b se modifică funcţie de valorile presiunii fluidului ce acţionează asupra membranei.

Traductoarele piezoelectrice ( figura 5.9.c) prezintă avantajul deosebit al unei inerţii mici, în raport cu toate celelalte traductoare de presiune.

Traductorul de presiune diferenţială

Presiunile P1 şi P2 se aplică pe suprafeţele burdufului (2) ale traductorului de presiune diferenţială prezentat principial în figura 5.10.

Page 49: Subiecte scada

Diferenţele de presiune generează o deplasare orizontală a axului (3), proporţională cu P. Deplasările axului (3) sunt transmise tubului de torsiune (4) care se deformează cu o anumită valoare unghiulară .Adaptorul (5) al traductorului de presiune diferenţială prezentat are ca mărime de intrare valoarea unghiului a tubului de torsiune, iar ca mărime de ieşire un semnal electric:(2-10)mA.

Figura 5.10. Traductorul de presiune diferenţială

17. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Măsurarea debitului. Măsurarea temperaturii

5.2.4. Măsurarea debitului

Debitul unui fluid este fluxul vectorului sau al vectorului ( ) prin suprafaţa Σ, în conformitate cu relaţiile:

[m3/s] - volumic (5.10)

[kg/s] - masic (5.11)în care: - vectorul viteză; - masa specifică; - versorul normal la suprafaţa Σ.

Suprafaţa Σ este constituită în general, din secţiunile transversale ale conductelor prin care sunt vehiculate fluidele.

Funcţionarea traductoarelor de debit se bazează pe determinarea directă sau indirectă a vitezei fluidului. Aceasta se poate face cu ajutorul presiunii diferenţiale, presiunii dinamice, inducţiei electromagnetice, proceselor de transfer termic, propagării oscilaţiilor sonore în mediu fluid etc.

Traductoare de debit realizate cu rezistenţe hidraulice

Schema unui astfel de traductor (sistem de măsurare) este:

Figura 5.11

In calitate de element sensibil pentru sesizarea valorii debitului de lichid care trece prin conductă este utilizată rezistenţa hidraulică R.H. Mărimea de intrare a rezistenţei hidraulice este debitul volumic de lichid care o străbate, mărimea de ieşire fiind căderea de presiune (proporţională cu debitul). Traductorul de presiune diferenţială, TPD, are rolul de a converti

Page 50: Subiecte scada

mărimea de intrare, căderea de presiune cauzată de rezistenţa R.H. în circuitul de lichid, într-o mărime de ieşire proporţională r (un semnal electric unificat 4-20 mA).

Traductoare electromagnetice

Aceste traductoare îşi bazează funcţionarea pe existenţa fenomenului de inducţie magnetică.Constructiv, traductorul electromagnetic este realizat dintr-un tub din material izolant sau

metalic acoperit cu un strat izolant, fixat între polii unui electromagnet (figura 5.12.a). Materialul tubului trebuie să fie în toate cazurile nemagnetic (oţel austenitic sau PVC). Prin pereţii tubului trec electrozii 3, între care apare o tensiune electromotoare u t, indusă în tubul de lichid dintre aceştia. Lichidul care se găseşte la un moment dat între electrozii 3 poate fi imaginat ca un conductor ce se deplasează cu viteza în câmpul magnetic de inducţie B (figura 5.12.b). În acest presupus conductor de lungime l, care se deplasează într-un plan perpendicular pe liniile de câmp, se induce tensiunea electromotoare exprimată prin produsul mixt al vectorilor , şi :

(5.12)

Figura 5.12Distanţa l dintre electrozi reprezintă diametrul D al tubului, iar v reprezintă viteza de

curgere a lichidului prin conductă. Înlocuind expresia vitezei şi ţinând seama de faptul că cei trei vectori sunt ortogonali se obţine:

(5.13)

(5.14)

Relaţia dedusă este ecuaţia caracteristicii statice a acestui traductor, indicând o dependenţă liniară între tensiunea indusă ut şi debitul volumic Qv.

Pentru ca acest tip de traductor să fie utilizat, este necesar ca lichidul a cărui debit se măsoară să prezinte o conductibilitate mai mare de 100 μS/cm. Este utilizat la lichide electrolitice; la gaze şi produse petroliere nu se poate folosi.

Alimentarea electromagnetului în curent alternativ asigură înlăturarea fenomenului de polarizare şi obţinerea unui semnal periodic care poate fi mai uşor amplificat decât semnalul de curent continuu. Tensiunea ut, care se culege la bornele 3 ale traductorului variază în domeniul 1 – 2 mV.

Aceste tipuri de traductoare sunt utilizate pentru debite cuprinse între 1,5 cm3/min. şi 10000 m3/h. Acest tip de traductor realizează precizii de măsurare de ± 1%.

Page 51: Subiecte scada

Traductoare electrotermice

Traductorul electrotermic se utilizează la măsurarea debitelor mici de gaze, mai ales în instalaţii de laborator, pilot sau de mic tonaj.

Schema de principiu a acestui traductor este prezentată în figura 5.13. Gazul a cărui debit se măsoară este trecut printr-un tub metalic cu pereţii subţiri, care conduc bine căldura. Pe tub sunt plasate izolat faţă de acesta, o înfăşurare de încălzire Ri şi simetric faţă de Ri două înfăşurări în calitate de termorezistenţe (R1 şi R2) înglobate într-un montaj cu punte. În lipsa debitului prin tub, de-a lungul acestuia se formează o distribuţie simetrică de temperatură cu maximul la mijloc (diagrama din figura 5.13).

Figura 5.13

Această distribuţie de temperatură se deformează sub influenţa curentului de gaz şi ca atare în două puncte simetrice faţă de înfăşurarea de încălzire apare o diferenţă de temperatură , care este o măsură a debitului în conformitate cu relaţia:

(5.15)în care: k1 – constantă, care depinde de construcţia aparatului;

cp – căldura specifică a gazului, [J/kgC]; qm – debitul masic, [kg/s].În aceste condiţii, tensiunea de dezechilibru a punţii traductorului (în ipoteza că această

tensiune este mult mai mică decât tensiunea de alimentare ua) este direct proporţională cu diferenţa de temperatură :

(5.16)în care: - coeficientul de temperatură al rezistenţei electrice.

Din relaţiile de mai sus se obţine ecuaţia de funcţionare a traductorului electrotermic:(5.17) sau:

(5.18)Caracteristica statică a acestui traductor este liniară, în domeniul de debite pentru care a

fost proiectat. Întregul tub metalic este introdus într-o cămaşă cu pereţi groşi din material cu conductibilitate termică ridicată, care are rol de a egaliza temperatura de la cele două capete ale tubului metalic. Acest traductor măsoară debite masice foarte mici, până la 1 mg/s.

5.2.5. Măsurarea temperaturiiCele mai utilizate traductoare de temperatură sunt cele care au la bază fenomenul

termoelectric, variaţia rezistenţei electrice cu temperatura şi dilatarea termică a corpurilor.

Page 52: Subiecte scada

Traductoare termoelectrice Aceste traductor denumite frecvent şi termocuplu este compus din doi electrozi A şi B,

confecţionaţi din metale diferite, care se sudează la unul din capete. Capetele nesudate se numesc “reci” sau “libere” şi au aceeaşi temperatură T0. Punctul de sudură al electrozilor se numeşte capăt “cald” sau “sudat” al termocuplului şi se găseşte la o anumită temperatură T (fig.5.14).

Funcţionarea acestor traductoare se bazează pe fenomenul termoelectric, efectul Seebeck, care constă în apariţia unui câmp electric imprimat, şi deci a unei tensiuni electromotoare, într-un circuit alcătuit din mai mulţi conductori de naturi diferite şi cu punctele de contact la temperaturi diferite. Dacă capetele libere ale termocuplului se găsesc în gol, între acestea apare o diferenţă de potenţial egală cu tensiunea electromotoare Seebeck:

(5.19)în care AB este coeficientul Seebeck relativ la conductorii A şi B.

Fig. 5.14 Fig. 5.15

Din relaţia tensiunii se observă că dacă temperatura capetelor reci T0 este menţinută constantă, atunci, prin măsurarea diferenţei de potenţial UAB se poate determina temperatura T a capătului sudat care, în regim staţionar coincide cu temperatura mediului în care se află acesta. Valoarea coeficientului Seebeck AB, depinde de perechea de electrozi A şi B ce alcătuiesc termocuplul şi prin aceasta determină forma caracteristicii statice a fiecărui termocuplu.

În figura 5.15 sunt prezentate caracteristicile statice pentru termocuplurile fier – constantan (Fe – Const.), cromel – alumel (C – A) şi platină rodiu – platină (Pt Rh – Pt).

S-a arătat mai sus că pentru a putea determina temperatura T prin măsurarea tensiunii termoelectrice, temperatura T0 a capetelor libere trebuie menţinută constantă la o valoare cunoscută. Această cerinţă este mai uşor de realizat în zone cu temperaturi mai joase, îndepărtate de punctul de măsurare. Aceasta necesită prelungirea termoelectrozilor până la camerele de măsurare sau în alte locuri convenabile. Prelungirea se realizează cu ajutorul a două conductoare, numite conductoare de prelungire, care pot fi din acelaşi material cu termoelectrozii sau din alte metale sau aliaje, care în intervalul –30C … +100C, au aceleaşi proprietăţi termoelectrice cu termoelectrozii.

Pentru a nu fi expuşi continuu mediului în care se măsoară temperatura, electrozii termocuplului sunt introduşi într-un tub protector (teacă). Materialul din care se confecţionează teaca protectoare este ales funcţie de temperatura şi mediul în care lucrează termocuplul. În general acesta este fie oţel obişnuit sau special, fie material ceramic. În acest caz, comportarea dinamică a termocuplului este diferită, constanta de timp care apare în transmiterea căldurii nu poate fi neglijată (2 – 20 s).

Tensiunea electromotoare dezvoltată de termocuplu se poate măsura prin două metode:- metoda deviaţiei - milivoltmetrul magnetoelectric se leagă direct la termocuplu (figura

5.16), scala aparatului fiind gradată direct în unităţi de temperatură;

Page 53: Subiecte scada

- metoda compensaţiei -(potenţiometrică), care constă în compensarea tensiunii necunoscută UAB a termocuplului cu o tensiune cunoscută, culeasă de pe porţiunea RX a rezistenţei R (figura 5.17).

Fig. 5.16Fig.5.17.a Fig. 5.17.b

Poziţia 1 a comutatorului K corespunde măsurării. În acest caz tensiunii UAB i se opune căderea de tensiune UC culeasă pe rezistenţa RX (UC=RX I). Se poate afla o asemenea poziţie a cursorului C, astfel încât UAB=UC, poziţie pusă în evidenţă de un galvanometru. Prin urmare fiecărei valori UAB, îi corespunde o anumită poziţie a cursorului C. Dacă R este o rezistenţă calibrată şi liniară, aparatul se poate etalona, ataşându-se acestei rezistenţe o scală gradată direct în unităţi de temperatură.

La instalaţii industriale se utilizează potenţiometrele electronice automate (figura 5.17.b). Dacă tensiunile UC şi UAB nu sunt egale, la intrarea amplificatorului A apare semnalul de

eroare I, respectiv o tensiune asociată acestuia. Amplificatorul electronic A comandă motorul M, care, rotindu-se într-un sens corespunzător, deplasează cursorul reostatului R, şi în acelaşi

timp cu acesta, acul indicator şi înregistrator al aparatului. Astfel dacă UABUC, cursorul reostatului va fi deplasat spre dreapta şi dacă UABUC, spre stânga. Deplasarea cursorului în

sensul corespunzător are loc până când se realizează egalitatea UC=UAB, situaţie în care semnalul de eroare este nul şi motorul M este în repaus. Scala aparatului este gradată direct în

unităţi de temperatură.

Traductoare termorezistiveVariaţia rezistenţei electrice a conductoarelor şi semiconductoarelor cu temperatura constituie

baza funcţionării traductoarelor termorezistive. În raport cu termocuplele, acestea prezintă avantajul că nu necesită conductoare de prelungire speciale. Sunt utilizate în domeniul –200 …

+600C. În construcţia termorezistenţelor se folosesc metale pure: frecvent se utilizează cuprul, nichelul şi platina (fig.5.18).

Pentru cupru, dependenţa de temperatură în intervalul –50 … +200C este liniară:(5.20)

iar pentru platină, în intervalul 0 … +630C, dependenţa este:(5.21)

Constructiv, traductorul se compune dintr-un tub protector metalic, asemănător cu cel al termocuplului, în care se introduce termorezistenţa propriu-zisă (figura 5.19). Termorezistenţa este compusă dintr-un suport de sticlă, ceramică sau mică, pe care este bobinat conductorul (sârmă cu diametrul de 0,08 … 0,04 mm).

La materialele semiconductoare, rezistenţa electrică variază cu temperatura după legea exponenţială:

(5.22)

Page 54: Subiecte scada

în care: A – constantă care depinde de forma şi dimensiunile termistorului; B – constantă caracteristică a materialului din care este confecţionat termistorul, mai mică decât zero; T – temperatura absolută a mediului în care se află materialul semiconductor.

Traductoarele termorezistive confecţionate din materiale semiconductoare poartă numele de termistori. În raport cu termorezistenţa, termistorul prezintă avantajul unei variaţii mult mai mari a rezistenţei cu temperatura, care conduce la o sensibilitate superioară acestuia. Faţă de termorezistenţă, termistorul prezintă însă dezavantajul că interschimbabilitatea nu este posibilă decât în condiţiile luării unor măsuri suplimentare în ceea ce priveşte schema utilizată.

Măsurarea temperaturii utilizând ca element sensibil termorezistenţa se poate face: 1. Direct (fig.5.18), cu logometrul (figura 5.19) care este un aparat magnetoelectric cu ajutorul căruia se măsoară raportul a două mărimi electrice (curenţi, rezistenţe etc.).

Fig. 5.18Fig. 5.19

O parte componentă a acestuia este un cadru mobil, alcătuit din două bobine, de care este fixat acul indicator. Fiecare din cele două bobine formează câte un cuplu, acestea fiind de sensuri opuse; egalitatea celor două cupluri determină poziţia de echilibru a echipajului mobil. Cadrul mobil este ataşat în întrefierul unui magnet permanent. Forma circuitului magnetic este astfel alcătuită încât inducţia este maximă pe axa polilor şi scade către extremităţile pieselor polare. Din acest motiv, inducţia în întrefier este o funcţie de mărimea unghiului de deplasare a cadrului mobil. Caracteristica statică este:

(5.23)

Scala logometrului, în urma unei etalonări prealabile poate fi gradată direct în unităţi de temperatură.

Montajul în punte este prezentat în figura 5.20.

Page 55: Subiecte scada

Fig.5.20 Fig.5.21

unde: R1, R2 – rezistenţe fixe; R3 – rezistenţă variabilă; RT – traductor termorezistiv; r – rezistenţa conductorului de legătură a traductorului la punte.Cu ajutorul rezistenţei R3 se echilibrează puntea, tensiunea Ucd=0 şi:

(5.24)Deoarece rezistenţa r a conductorilor de legătură ai traductorului rezistiv se modifică cu

temperatura mediului ambiant, rezultă că precizia determinării temperaturii cu RT este afectată de aceste variaţii. Din acest motiv în cazul unor conductori de legătură de lungime relativ mare, se utilizează montajul cu trei conductoare de legătură (trifilar, figura 5.21).

Pentru măsurători industriale, în locul punţilor cu echilibrare manuală se utilizează cele cu echilibrare automată (figura 5.22).

Atunci când puntea este neechilibrată, tensiunea Ucd se aplică la intrarea amplificatorului A, a cărui ieşire comandă motorul asincron bifazat M. Acest semnal de comandă, împreună cu alimentarea din cealaltă înfăşurare a motorului, creează un câmp magnetic rotitor, care conduce la mişcarea rotorului şi astfel prin legătura mecanică reprezentată punctat, este pus în mişcare cursorul pentru echilibrarea punţii. Scala aparatului indicator înregistrator este gradată în unităţi de temperatură.

Traductoare bazate pe dilatarea termică a corpurilorAceste traductoare folosesc fie fenomenul de dilatare a corpurilor (solide, lichide) cu

temperatura, fie fenomenul de variaţie cu temperatura a presiunii gazelor sau vaporilor într-un volum constant.

În cazul utilizării corpurilor solide, soluţia constructivă obişnuită este cea bimetalică, realizată sub formă de plăcuţe sau bară tub, în care cele două elemente au coeficienţi de dilatare diferiţi.

Traductoarele bazate pe dilatarea lichidelor şi gazelor se construiesc sub forma unui cartuş conectat printr-un tub capilar la un element deformabil, de exemplu tub Bourdon, figura 5.22.

Fig. 5.22

Page 56: Subiecte scada

18. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Traductoare de nivel. Traductoare conductometrice. Traductoare pentru analiza compoziţiei chimice a amestecurilor gazoase5.2.6. Traductoare de nivel

Nivelul unui lichid sau al unui strat fluidizat poate fi determinat prin urmărirea suprafeţei de nivel sau a greutăţii hidrostatice create de acesta.

Traductoare bazate pe urmărirea suprafeţei de nivel

Majoritatea acestor traductoare transformă deplasările suprafeţei de nivel într-o mărime de altă natură (forţă, tensiune, rezistenţă etc.). Dintre acestea, în industria chimică, mai utilizate sunt traductoarele mecanice de nivel.

În regim static, asupra unui corp cufundat în lichid (figura 5.23) acţionează forţa de greutate G şi forţa arhimedică Fa, care se află în echilibru:

respectiv: (5.25)

Fig. 5.23

Presupunând secţiunea transversală a corpului de arie constantă A şi densitatea lichidului , relaţia (5.25) ia forma:

(5.26)

unde: y – adâncimea de cufundare a corpului; g – acceleraţia gravitaţională.Dacă starea de echilibru are loc pentru yh atunci corpul pluteşte; pentru y=h corpul

ocupă o poziţie indiferentă în masa lichidului ; pentru yh corpul se scufundă.În primul caz corpul este denumit plutitor sau flotor, iar în ultimul caz, imersor.În figura 5.24 sunt prezentate două tipuri de traductoare de nivel cu plutitor.

Fig. 5.24

Page 57: Subiecte scada

Traductoare bazate pe dependenţa presiunii hidrostatice cu nivelul

Traductoarele din această categorie se bazează pe variaţia presiunii hidrostatice, într-un punct din lichidul în repaus, cu înălţimea coloanei de deasupra. Astfel, presiunea de la baza vasului din figura 5.25 poate fi exprimată funcţie de nivelul h prin relaţia:

(5.27)Prin determinarea diferenţei de presiune P1 – P2 se poate stabili înălţimea coloanei de

lichid:

(5.28)

Pe această relaţie se bazează traductorul de nivel de tipul manometru diferenţial prezentat în figura 5.25.

Fig. 5.25 Fig. 5.26

Pentru evitarea erorilor datorită condensărilor pe ramura legată de zona de gaze, se creează prin umplerea cu lichid a vasului 3, un nivel constant de reper.

Pentru măsurarea nivelului în vasele cu soluţii chimice, acizi, baze, produse corozive etc. se utilizează cu succes traductorul pneumometric (cu barbotare de gaz) (figura 5.28).

Fig. 5.27.

Menţinându-se constantă presiunea de alimentare Pa, presiunea P, după duză devine o funcţie de nivelul h din vas. Pentru debite de aer foarte mici, de ordinul a câteva bule pe secundă, pierderile de presiune prin frecarea aerului de pereţii tubului de barbotare sunt neglijabile, fapt pentru care se poate scrie relaţia:

(5.29)care indică dependenţa dintre nivelul lichidului şi presiunea P.

Dintre diferitele surse de erori asociate traductoarelor de barbotare din acest paragraf,

Page 58: Subiecte scada

variaţia densităţii mediului căruia i se măsoară nivelul este cea mai importantă, fapt pentru care trebuie luată în permanenţă în considerare.

5.2.7.Traductoare de densitateDensitatea fluidelor variază cu temperatura şi presiunea, fapt pentru care exprimarea

acesteia raportată întotdeauna la o anumită stare implică efectuarea corecţiilor de temperatură şi presiune. În general traductoarele de densitate au inclus în construcţia lor

Fig. 5.28

şi elemente fizice pentru corectarea automată a variaţiilor datorate acestor factori.Cele mai utilizate traductoare de densitate sunt cele areometrice, care-şi bazează

funcţionarea pe variaţia adâncimii de cufundare a unui plutitor cu densitatea fluidului.În figura 5.28 este prezentată schema unui traductor areometric cu mărime de ieşire

electrică (Ue), prevăzut cu o schemă de compensare a influenţei temperaturii asupra densităţii. Această schemă foloseşte o punte conectată în serie pe circuitul de preluare a tensiunii de dezechilibru al transformatorului diferenţial. Într-unul din braţele acesteia este conectat un termistor a cărui rezistenţă RT variază cu temperatura lichidului. În acest caz, în diagonala punţii apare o tensiune de dezechilibru care compensează variaţia la ieşire traductorului provenită din influenţa temperaturii. Mărimea de intrare a traductorului este densitatea , iar mărimea de ieşire tensiunea Ue.

5.2.8. Traductoare conductometrice

Soluţiile bazice şi acide fac parte, cu puţine excepţii, din categoria conductoarelor ionice. La acest tip de conductoare, electricitatea este transportată de ioni.

Ca şi la conductorii metalici, rezistenţa opusă de soluţii trecerii curentului electric este exprimată cu ajutorul relaţiei:

(5.30)

în care: – rezistivitatea soluţiei; L – lungimea tubului de soluţie; A – aria secţiunii transversale a tubului de soluţie.

Page 59: Subiecte scada

Inversul rezistivităţii reprezintă conductivitatea electrică:(5.31)

Unitatea de măsurare în Siemens pe metru (S/m), unde 1 S=1 W-1, este admisă pentru conductivitate.

Conductivitatea electrică a diferitelor soluţii depinde de concentraţia diferitelor substanţe dizolvate. Astfel în soluţii concentrate, figura 5.29, conductivitatea creşte odată cu creşterea concentraţiei până la o anumită valoare, după care scade, iar în soluţii diluate, figura 5.30, conductivitatea creşte liniar cu concentraţia.

Fig. 5.29 Fig. 5.30

Conductivitatea soluţiilor depinde de concentraţia C şi de conductivitatea echivalentă :

(5.32)

Prin conductivitate echivalentă se înţelege conductivitatea soluţiei care conţine un echivalent gram de electrolit, determinată cu electrozi paraleli, dispuşi la distanţa de 1 m. Conductivitatea echivalentă este funcţie de mobilităţile relative a ionilor (care depind de temperatură) şi de gradul de disociere.

În figura 5.31 este reprezentată schema principială a unui traductor conductometric.Detectorul conductometric 1, străbătut de

soluţia a cărei conductivitate se determină, constituie o rezistenţă electrică variabilă, montată în unul din braţele punţii electrice alimentată în curent alternativ. Alimentarea în curent alternativ se face cu scopul de a elimina efectul de polarizare al electrozilor detectorului. Pentru compensarea variaţiei conductivităţii cu temperatura este utilizată termorezistenţa RT, montată în fluxul soluţiei de analizat în apropierea electrozilor detectorului şi conectată în paralel cu detectorul în braţul punţii.

Fig. 5.31

Compensarea se bazează pe faptul că la creşterea temperaturii creşte conductivitatea soluţiei, respectiv scade rezistivitatea, iar valoarea termorezistenţei RT creşte. Rezistenţele R2 şi R3

servesc la ajustarea caracteristicii corespunzător dependenţei de temperatură a conductivităţii. Semnalul de ieşire al traductorului se culege din diagonala redresorului 2.

5.2.9. Traductoare pentru analiza compoziţiei chimice a amestecurilor gazoase

Page 60: Subiecte scada

Traductoare termoconductometrice

Aceste traductoare se bazează pe diferenţa dintre conductivităţile termice ale diferitelor gaze. Datorită acestei diferenţe, la majoritatea amestecurilor de gaze există o dependenţă univocă între concentraţia unei componente şi conductivitatea termică a amestecului. Această dependenţă este liniară numai în cazul a câtorva amestecuri binare (CO2 – aer, CO – aer etc.), la care conductivitatea termică se supune legii aditivităţii:

(5.33)în care: , 1, 2 – coeficienţi de conductivitate termică ai amestecului, respectiv ai celor doi componenţi; m1, m2 – fracţiile molare ale componenţilor.

În cazul, spre exemplu, amestecului CO2 – aer, CO2 aer, prin urmare conductivitatea termică a amestecului celor două componente scade cu creşterea conţinutului în CO2.

Schema unui traductor termoconductometric diferenţial în punte este prezentată în figura 5.32.

Fig. 5.32.

Într-un bloc din metal bun conductor de căldură sunt incluse două celule de măsurare 1 şi 3, precum şi celulele de comparaţie 2 şi 4. Toate celulele conţin câte o rezistenţă de platină, care

este încălzită electric. Celulele 1 şi 3 sunt străbătute de gazul de analizat, iar celulele 2 şi 4 sunt umplute cu gazul de referinţă (azot, aer, hidrogen etc.). Curentul ce străbate puntea

constituie în acelaşi timp şi curent de încălzire a rezistenţelor. Reostatul 5 serveşte la menţinerea constantă a curentului sursei, miliampermetrul 6 serveşte la supravegherea curentului din punte, iar cu potenţiometrul 8 se face ajustarea nulului. Dacă se modifică

compoziţia amestecului de gaze analizat şi deci şi conductibilitatea termică a acestuia, atunci se transmite mai multă sau mai puţină căldură la pereţii celulelor 1 şi 3. acest lucru produce modificarea temperaturii rezistenţelor de platină, deci modificarea valorii acestora, ceea ce conduce la dezechilibrarea punţii, fenomen pus în evidenţă de instrumentul 9, care poate fi

etalonat direct în unităţi de compoziţie ale amestecului binar de analizat.Ecuaţia de funcţionare a acestui traductor este:

(5.34)

în care: U – tensiunea de dezechilibru a punţii; Ua – tensiunea de alimentare a punţii; K1, K2 – mărimi constante.19. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Măsurarea turaţiei. Măsurarea deplasărilor liniare şi unghiulare

5.2.10. Măsurarea turaţiei

Page 61: Subiecte scada

Principale aparate care permit măsurarea pe cale electrică a turaţiilor sau vitezelor unghiulare sunt:

- tahometrul cu curenţi turbionari,- tahogeneratorul,- tahometre cu impulsuri,- stroposcopul de turaţii,- giroscopul cu fibră optică si laser.

Tahometrele cu curenţi turbionari

Se construiesc pentru intervale de măsurare 20-10000 rot/min. Sunt construite dintr-un dispozitiv mobil format din unul sau doi magneţi permanenţi ce se pot roti în interiorul unui tambur de aluminiu sau cupru. Tamburul este solitar cu un ac indicator si se poate roti la rândul său între două paliere fiind însă menţinut în poziţia initială datorită unui arc spiral. Arcul spiral are capătul exterior fix si capătul interior solitar cu tamburul. Arborele a cărui turaţie se măsoară pune în mişcare de rotaţie dispozitivul mobil si prin aceasta liniile de câmp magnetic produse de magneţi permanenţi, taie tamburul. În tambur vor fi induse tensiuni electromotoare proporţionale cu turatia. Între curenţii induşi în tambur si fluxul magneţilor permanenţi apare o interacţiune care se manifestă prin apariţia unui cuplu activ:

nkM a 1 (5.35)unde: n- este viteza de turaţie unghiulară (turaţia).

n

MM

N

S a

r

Fig.5.33. Tahogenerator – principiu constructiv

Tahogeneratoarele

Sunt traductoare de turaţie şi ele sunt microgeneratoare de curent continuu sau alternativ care generează tensiuni electrice proporţionale cu viteza de rotaţie a arborelui cu care sunt cuplate. Există tohogeneratoare de c.c. şi de c.a.

Tahogeneratoarele consuma o putere de 1-50 W care este neglijabila la puteri mari de antrenare, dar la puteri mici apar erori de masurare a turatiei.

Stroboscopul

De turaţii permite măsurarea turaţiei fără un contact mecanic cu obiectul aflat în rotaţie. Se foloseşte inerţia ochiului omenesc, prin care un corp în vibraţie sau rotaţie pare imobil dacă este iluminat cu impulsuri scurte, a căror frecvenţă de repetiţie este egală cu frecvenţa de vibraţie sau rotaţie a corpului sau este un multiplu întreg al acesteia.

Metoda stroboscopică permite măsurarea celor mai mici turaţii care se întâlnesc în tehnică. Frecvenţa impulsurilor poate atinge valoarea de 1000 Hz, la care corespunde turaţia de 60.000 rot/min.

Page 62: Subiecte scada

Tahometrul de impulsuri

Se realizează pe baza traductorului digital electromagnetic pentru viteza unghiulară ce converteşte turaţia în trenuri de impulsuri. Solitar cu axul a cărei viteză unghiulară se măsoară se află o roată dinţată din material feromagnetic. Un magnet permanent situat în interiorul unei bobine se termină cu un capăt din material feromagnetic care se află la o foarte mică distanţă de periferia dinţilor. Când un dinte se aproprie sau se depărtează de magnet, variază lungimea întrefierului, deci reluctanţa circuitului magnetic, ceea ce conduce la o variaţie a fluxului si la generarea unui impuls în bobină.

Pentru obţinerea vitezei unghiulare se poate măsura intervalul de timp dintre două impulsuri sau numărul de impulsuri pentru un anumit interval.

Precizia depinde de numărul de dinţi, de precizia cu care s-a realizat pasul dinţilor şi de precizia cu care se măsoară intervalul de timp. Aceste traductoare pot fi utilizate pentru viteze unghiulare care generează frecvenţe între 10 Hz si 10 kHz.

12

3

N

S

Fig.5.34. Tahometrul de impulsuri

Traductor digital elecromagnetic pentru viteză.1. bobină;2. magnet permanent;3. roată dinţată.

5.2.11. Măsurarea deplasării liniare sau unghiulare

Traductoarele electrice utilizate pentru măsurarea deplasării liniare permit măsurarea deplasării într-un interval cuprins de la câţiva microni până la deplasări de ordinul metrilor, iar cele pentru deplasări unghiulare într-un interval de la câteva secunde la 3600.

Pentru conversia deplasării într-o mărime electrică traductoarele de deplasare pot cuprinde senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, optici sau digitali.

Traductori rezistivi

Traductoarele rezistive de deplasare sunt constituite dintr-un senzor potenţiometric a cărui rezistenţă se modifică datorită unui cursor ce se deplasează sub acţiunea mărimii de măsurat, deplasarea putând fi liniară sau circulară. Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a lungimii l din senzor, care este inclusă în circuitul de măsurare, ceea ce conduce la relaţia:

tt

t Rall

RR (5.36)

Page 63: Subiecte scada

unde:- Rt – rezistenţa totală a senzorului;- R – rezistenţa între cursor si un capăt;- lt – lungimea totală;- l – lungimea corespunzătoare deplasării cursorului,- a=l/lt – deplasarea relativă.

Traductoarele potenţiometrice se realizează sub formă liniară sau circulară.

l

l BCA

t

B

C

A

t

B

C

A

R

R t

Fig.5.35. Traductori rezistivi

Traductori capacitivi

Traductoarele capacitive utilizate pentru măsurarea electrică a deplasării liniare sau unghiulare se bazează pe modificarea ariei de suprapunere a electrozilor.

Traductoarele capacitive de deplasare unghiulară sunt construite din doi senzori capacitivi cu un electrod comun. Cei trei electrozi sunt formaţi din plăci de formă dreptunghiulară cu laturile de ordinul a 20-30 mm şi grosime de 1-2 mm. Electrozii inferiori sunt ficşi şi sunt separaţi cu o mică distanţă (1 mm).

a

Ul

U 0

Fig.5.36. Traductor capacitiv de deplasare liniară

Electrodul superior este electrodul comun si sub acţiunea mărimii de măsurat se poate deplasa paralel cu electrozii ficşi păstrând o distanţă constantă. Prin aceasta se modifică aria comună dintre electrozii.

Cei doi electrozi ficşi sunt alimentaţi prin intermediul unui transformator cu priză mediană. Când electrodul mobil este situat simetric în raport cu cei doi electrozi ficşi tensiunea rezultantă U este nulă si capacităţile celor doi senzori sunt egale

Page 64: Subiecte scada

C1=C2=C. (5.37)Traductoarele capacitive se utilizează pentru măsurarea deplasărilor liniare pentru lungimi

până la 20mm (egale cu lungimea electrozilor).

Traductori inductivi

Funcţionarea senzorului inductiv se bazează pe variaţia inductanţei unei bobine alimentate în curent alternativ. Modificarea inductanţei are loc datorită modificării circuitului magnetic prin deplasarea miezului bobinei sau a unei părţi din miez.

Senzorii inductivi utilizaţi pentru realizarea traductoarelor de deplasare pot fi clasificaţi în:- senzori inductivi la care este influenţată o singură inductivitate;- senzori inductivi la care sunt influenţate două inductivităţi;- senzori inductivi la care sunt influenţate inductivităţi mutuale.

Lmax

L

L0

x a.circuitul magnetic b.caracteristica de conversie

Fig.5.37. Traductori inductiv

Dependenţa inductivităţii L a bobinei în funcţie de deplasarea x a miezului feromagnetic faţă de poziţia de inductivitate maximă se poate exprima prin relaţia:

00max LeLLL l

xk

(5.38)Caracteristica de conversie L=f(x), exprimată de ecuaţia de mai sus este neliniară. Caracteristica de conversie se poate liniariza pe un interval larg, realizându-se o distribuţie neuniformă a spirelor pe lungimea bobinei. Traductorul este robust, simplu şi se utilizează la măsurarea deplasărilor medii si mari pentru intervale de la 0 - 100 mm până la 0 - 2000 mm.20. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Senzori de proximitate. Senzori pentru măsurarea umidităţii. Măsurarea forţei. Măsurarea electrică a grosimii

5.2.12. Senzori de proximitate

În general, proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. Senzorii de proximitate sunt senzori de investigare, a căror particularităţi constau în distanţele mici de acţiune (zecimi de mm si mm), şi în faptul că în multe cazuri sunt utilizaţi la sesizarea prezenţei în zona de acţiune.

Senzori de proximitate inductivi

Sunt cei mai răspândiţi, fiind realizaţi într-o plajă largă de variante şi tipodimensiuni. Elementul activ al unui astfel de senzor este un sistem format dintr-o bobină şi un miez de ferită. Obiectul a cărui prezenţă se semnalează trebuie sa fie metalic. Mărimea de ieşire poate fi analogică (proporţională cu distanţa dintre suprafaţa activă şi obiect), sau statică (aceeaşi valoare atât timp cât senzorul este activat).

Page 65: Subiecte scada

Fig.5.38. Senzori de proximitate inductivi

Înfăşurând N spire pe un miez magnetic se obţine o bobină a cărei inductanţă este:L = N2 /Rm , [L]SI =H (5.39)

unde Rm este reluctanţa circuitului magnetic: Rm = (l1+l2)/(mo×m r×Sf) + d/(mo×Sa) (5.40)

unde : l1 şi l2 - lungimea circuitului magnetic din miezul feromagnetic;d - distanţa parcursă de liniile de câmp magnetic prin aer;Sf - aria secţiunii miezului;Sa - aria secţiunii întrefierului;N - numărul de spire al bobinei;mo - permeabilitatea magnetică a vidului (=4xpi× 10-7 H/m);mr - permeabilitatea relativă a miezului magnetic.

Senzori inductivi cu curenţi turbionari

Se bazează pe variaţia capacităţii electrice într-un circuit, şi au avantajul că pot detecta şi obiecte nemetalice, însă sunt sensibili - murdărirea feţei active.

Fig.5.39. Senzor inductiv cu curenţi turbionari

Câmpul magnetic alternativ generat de o bobină alimentată cu tensiune alternativă crează curenţi turbionari (Foucault) în plăcile conductoare plasate lângă bobină.

Adancimea de pătrundere a câmpului magnetic în materialul conductor (efect pelicular sau efect skin) este dată de relaţia:

d = [2/(w ·m ·s )]1/2 . (5.41)unde : w - 2·p ·f este pulsaţia curentului alternativ; m - permeabilitatea magnetică a materialului conductor; s - conductivitatea electrică a materialului.

Dacă adâncimea de pătrundere este mai mare decât grosimea materialului atunci dispozitivul se poate folosi pentru măsurarea grosimii stratului metalic, dacă nu, poate fi folosit

Page 66: Subiecte scada

pentru aprecierea diametrului conductoarelor plasate pe axa bobinei sau a distanţei dintre bobină si corpul metalic (detector de metale).

Senzori Reed

Fig.5.40. Senzor Reed

Senzorul reed este alcătuit din două lamele feromagnetice, de obicei aurite, iar zona de contact electric este amalgamată cu mercur. Lamelele sunt închise ermetic într-un tub de sticlă din care ies către exterior două sârme pentru legături electrice. În prezenţa câmpului magnetic, liniile de câmp se concentrează în zona lamelelor, care constituie o cale de reluctanţă mică. Între lamele apare o forţă de atracţie magnetică. Cand forţa este suficient de puternică pune în contact lamele şi închide contactul electric.

Senzori de proximitate ultrasonici

Funcţionarea se bazează pe măsurarea duratei de propagare a unui semnal ultrasonor între emiţător şi obiect, iar distanţa maximă de lucru este în funcţie de natura traductorului piezoceramic, electrostatic etc.) şi de frecvenţă.

Senzori de proximitate optici

În cazul în care obiectele investigate se găsesc la distanţe mai mari, senzorii inductivi si capacitivi devin inutilizabili, domeniul fiind acoperit cu bune rezultate de senzorii optici. Acestia funcţionează fie pe principiul transmisiei unui fascicul de lumină, fie pe principiul reflexiei.

5.2.13. Senzori pentru măsurarea umidităţii

Senzori capacitivi

Acest tip de senzor este alcătuit dintr-o folie dielectrică specială pe care s-au depus, pe ambele părţi, o peliculă subţire de aur, întreg ansamblul fiind încapsulat intr-o carcasă din masă plastică perforată. Ansamblul astfel format se constituie într-un condensator plan al cărui dielectric îşi modifică constanta dielectrică sub influenţa umidităţii mediului ambiant, astfel modificându-se capacitatea electrică. Introducând acest condensator într-un circuit electric oscilant variatia capacităţii duce în final la o variaţie a frecvenţei de oscilaţie.

Mărimile fizice care descriu cantitativ umiditatea sunt :- umiditatea absoluta - Habs - reprezinta cantitatea de apa continuta într-un volum definit

de aer.

(5.42)

- umiditatea de saturatie - Hsat(J ) - reprezinta cantitatea maxima de apa ce poate fi continuta într-un volum definit de aer.

Page 67: Subiecte scada

(5.43)

- umiditatea relativă - Hrel - reprezintă raportul dintre umiditatea absolută şi cea de saturaţie.

(5.44)

5.2.14. Măsurarea forţei

În principiu forţele pot fi măsurate cu orice traductor de deplasare dacă i se ataşează un element elastic în seri cu forţa ce trebuie măsurată.

Traductoare de forţă tensometrice rezistive sunt formate dintr-un fir conductor subţire, lipit pe un suport de hârtie sau alt material izolant. Traductorul se lipeşte pe un suport elastic ce se deformează sub acţiunea forţei determinând o modificare a lungimii conductorul şi implicit o modificare a rezistenţei electrice modificare rezistenţei electrice este pusă în evidenţă prin montarea firului într-o punte Wheatstone piezoelectrice sunt realizate din materiale piezoelectrice sunt utilizate la determinarea forţelor dinamice magnetostrictive funcţionează pe baza variaţiei permeabilităţii magnetice a unor materiale feromagneticce, datorită tensiunilor mecanice.

5.2.15. Măsurarea electrică a grosimii

În cazul traductorului capacitiv din fig.5.41 este utilizat pentru măsurarea grosimii g a unei benzi metalice, capacitatea echivalentă are expresia dată de relaţia:

(5.45)

care arată dependenţa capacităţii C a traductorului de grosimea g.Dacă banda este dintr-un material dielectric cu permitivitatea relativă r , atunci

capacitatea echivalentă a traductorului are expresia:

, (5.46)

de asemenea dependentă de grosimea g. Pentru măsurarea grosimii benzilor metalice nemagnetice (din Cu, Al, etc.) se poate utiliza un traductor cu curenţi turbionari, Fig.5.42, constituit dintr-o bobină primară 1 (transmiter), alimentată la un generator de frecvenţă, şi o bobină secundară 2 (receiver). Între cele două

Fig. 5.41.

Fig. 5.42.

Page 68: Subiecte scada

bobine se plasează banda a cărei grosime g se măsoară. Pentru o valoare dată a curentului prin bobina primară, fluxul magnetic care străbate bobina secundară, respectiv tensiunea electromotoare indusă în aceasta, sunt dependente de distanţa a dintre bobine, care este o mărime fixă, de conductivitate electrică a materialului benzii şi de grosimea g a acesteia. De fapt curenţii turbionari induşi în bandă provoacă o reducere a tensiunii induse în bobina 2 în raport cu valoare acesteia în absenţa benzii, reducere cu atât mai importantă (pentru valori a , date) cu cât grosimea benzii este mai mare.21. SCADA în electroenergetică. Introducere. Sisteme SCADA

6.1. Introducere

Consecinţă a cerinţei justificate de continuitate şi siguranţă în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor, apare necesitatea tot mai mare de îmbunătăţire a fiabilităţii şi siguranţei în

funcţionare a echipamentelor. Una din soluţiile cu potenţial ridicat în rezolvarea cerinţei de mai sus este implementarea sistemelor de monitorizare şi utilizare a tehnicilor de diagnoză automată a

echipamentelor primare. Supravegherea continuă a principalilor parametri ai echipamentelor poate conduce, atunci

când este corect implementată şi utilizată, la identificarea precoce a tendinţei de defectare, la identificarea şi izolarea rapidă a componentelor defecte, prevenind astfel o cădere a întregului echipament sau, chiar mai grav, a unei instalaţii.

6.1.1.Scopul şi obiectivele monitorizării echipamentelor primare în staţiile de transformare

Principalele obiective ale monitorizării echipamentelor primare din staţiile de transformare sunt următoarele:

a) identificarea echipamentelor supuse monitorizării: întreruptoare şi separatoare; transformatoare de măsură de curent şi de tensiune.

b) analiza căderilor şi a stărilor anormale: identificarea stărilor anormale; analiza defectelor; analiza parametrilor de fiabilitate.

c) identificarea principalilor parametri care trebuie supravegheaţi.d) mentenanţă:

evoluţia principalilor parametri ai echipamentelor; adaptarea metodelor de mentenanţă la starea reală a echipamentelor; îmbunătăţirea procedurilor de mentenanţă.

Identificarea parametrilor supuşi monitorizării este una din cele mai importante etape în proiectarea unui sistem de monitorizare. Apare drept justificată dorinţa de a colecta cât mai

multe date, în scopul reconstituirii unei imagini complete a stării de sănătate a unui echipament. Aportul datelor colectate este însă foarte diferit în calitatea analizei efectuate.

6.1.2.Oportunitatea integrării monitorizării cu funcţiile de protecţie şi control

Sistemul de monitorizare se bazează pe diverse dispozitive electronice inteligente (DEI), care au rolul de achiziţie şi prelucrare a mărimilor supravegheate.

Reducând numărul de interfeţe între echipamentele primare şi echipamentele secundare, costul total al sistemului se reduce substanţial prin reducerea cablajelor.

Progresul tehnologic realizat în domeniul tehnicii de calcul şi al comunicaţiilor de date permite azi utilizarea soluţiilor distribuite în realizarea sistemelor de achiziţie, comandă, control, monitorizare şi chiar de protecţie. Pe de altă parte, multe alte domenii industriale utilizează platforme hardware universale, care integrează prin rutinele sale software implementate toate funcţiile de supraveghere, control şi automatizare de proces necesare.

Page 69: Subiecte scada

Azi este acceptat în general că funcţiile de protecţie şi automatizare locală sunt integrabile într-un singur DEI. Funcţiile de supraveghere şi control sunt încă în general alocate în DEI distincte de cele de protecţie. Decizia alocării funcţiilor de monitorizare în echipamentele de protecţie sau cele de supraveghere, comandă, ţine cont în principal de aspecte economice.

Structura unui sistem care integrează funcţiile de protecţie, automatizare, comandă şi monitorizare este arătată în continuare. Structura unui sistem SCADA în arhitectură distribuită poate fi completată cu echipamentele şi funcţiile cerute de monitorizarea echipamentelor primare.

6.2. Sisteme SCADA

EMS (Energy Management System), DMS (Distribution Management System) si SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) reprezinta instrumente bazate pe calculator,

utilizate de dispecerii energetici pentru a-i asista în controlul functionarii sistemelor energetice complexe. Baza întregului esafodaj care concura la supravegherea, controlul si

monitorizarea echipamentelor electrice din statiile si retelele electrice o constituie echipamentele de achizitie si comanda. Pe de alta parte, între instrumentele enumerate mai sus exista o strânsa colaborare - practic nu putem concepe functiuni EMS sau DMS, fara a avea la dispozitie un sistem SCADA care sa ofere, pe de-o parte, informatii din procesul tehnologic,iar

pe de alta parte posibilitatea comenzii de la distanta a procesului tehnologic. În continuare, se trecere în revista a functiunilor principale SCADA, EMS si DMS. Este

descrisa legatura cu echipamentele electrice din statii pornind de la schema de principiu a lantului functional de teleconducere.

6.1. Structura SCADA

Page 70: Subiecte scada

6.2.1. Functiile sistemelor SCADA 6.2.1.1. Functii principale ale sistemelor SCADA

În cazul concret al implementarilor de sisteme SCADA care deservesc instalatii, retele sau sisteme electroenergetice se întâlnesc urmatoarele functii de baza:

Supravegherea si controlul de la distanta al instalatiilor si retelelor electroenergetice.

In acest scop, se realizeaza: culegerea de informatii asupra starii sistemului energetic, prin intermediul interfetelor de achizitie corespunzatoare; transferul informatiilor catre punctele de comanda si control; comanda de la distanta a proceselor electroenergetice; înregistrarea modificarilor semnificative ale procesului controlat. Operatiunile de comutare (conectare / deconectare) ale echipamentelor primare pot fi comandate de la distanta de la un centru de control (dispecer energetic). Starile întreruptoarelor si separatoarelor, valorile masurilor de tensiuni, curenti etc. sunt permanent cunoscute la centrul de control, fiind la îndemâna dispecerului energetic. Acest lucru face sa creasca eficienta operationala la postul de dispecer, prin cresterea numarului de informatii disponibile si prin reducerea timpilor de actualizare a acestor informatii. Informatiile provenite de la instalatiile electroenergetice pot fi grupate si dirijate catre postul de comanda sub autoritatea caruia se gasesc aceste instalatii, de asemenea ele pot fi utilizate pentru analize globale ale retelelor electrice.

Alarmarea. Sistemul recunoaste starile de functionare necorespunzatoare ale echipamentelor si retelelor electrice (suprasarcini, nivele de tensiune în afara limitelor, actionarea sistemelor de protectie, modificarea nedorita a starii întreruptoarelor si separatoarelor, etc. ) si avertizeaza optic / acustic dispecerul asupra celor întâmplate. Alarmele de sistem sunt prelucrate astfel incat acestea sa fie prezentate dispecerului intr-o maniera concisa, clara, in timp util si numai la operatorii care au nevoie de aceste informatii. Modul in care o alarma este anuntata depinde de aria sa de interes cat si de nivelul sau de prioritate. Sistemele moderne contin functii de alarmare performante, realizate cu elemente de inteligenta artificial, capabile sa identifice cauza primara a unui set de evenimente si sa prezinte astfel dispecerului o situatie cat mai clara a avariei. Functia de alarmare presupune si memorarea tuturor evenimentelor eferente alarmelor inclusiv momentele de timp ale producerii acestora, in fisiere de date pe discuri magnetice, pentru a putea fi analizate ulterior.

Analiza post avarie. Sistemul întretine un istoric al modificarii starilor echipamentelor si retelelor electrice, punând la dispozitia dispecerului informatiile necesare unei analize pertinente a evenimentelor petrecute. Toate evenimentele sunt memorate alaturi de localizarea lor în timp si spatiu, fiind prezentate dispecerului, în general, în ordine cronologica, grupate pe categorii de instalatii. Totodata, aceste informatii pot constitui "materia prima" pentru sisteme expert de analiza post avarie asistata de calculator precum si pentru sisteme expert de restaurare a sistemelor electrice dupa caderi (care pot asista dispecerul sau pot intra în functiune în mod automat) .

Informarea de ansamblu a dispecerului asupra topologiei si starii sistemului energetic condus, prin intermediul interfetelor om-masina (MMI: Man-Machine Interface). Functia de interfatare cu operatorul uman este de o importanta deosebita în asigurarea unei activitati eficiente a dispecerului. Sunt urmarite cu deosebire: claritatea si conciziunea prezentarii informatiilor despre procesul tehnologic condus (evitarea confuziilor), comoditatea în obtinerea informatiilor dorite, comoditatea si inconfundabilitatea comenzii catre proces, etc. Toate aceste deziderate sunt bazate pe utilizarea unei interfete grafice puternice la postul de lucru dispecer.

Urmarirea încarcarii retelelor. În scopul optimizarii functionarii retelelor electrice, este memorata evolutia circulatiilor de puteri. Aceste informatii pot asista la o mai buna planificare a resurselor, precum si a schemelor retelei si a reglajelor tensiunii transformatoarelor.

Planificarea si urmarirea reviziilor si reparatiilor în scopul evitarii caderilor. Monitorizarea evolutiei functionarii diferitelor echipamente ofera informatii care, analizate

Page 71: Subiecte scada

corespunzator pot duce la necesitatea reviziilor / reparatiilor acestor echipamente sau instalatii. Aceasta analiza poate fi asistata de sisteme expert.

6.2.2. Arhitectura sistemelor SCADA

Un sistem SCADA modern trebuie sa se conformeze cerintelor sistemelor deschise. În momentul de fata, se folosesc mai multe concepte de "deschidere". In 1989, comitetul IEEE 1003 a definit sistemul deschis este:"Un sistem deschis dispune de posibilitati care permit implementarea aplicatiilor astfel încât:

sa poata fi executate pe sisteme provenind de la mai multi furnizori; sa poata conlucra cu alte aplicatii realizate pe sisteme deschise (inclusiv la distanta) ; sa prezinte un stil consistent de interactiune cu utilizatorul. Aceste posibilitati sunt

descrise ca specificatii extensibile de interfete, service si formate admise. În plus, acestea sunt specificatii publice mentinute prin consens. "

Obiectivul major în utilizarea sistemelor deschise este reducerea investitiei în software-ul de aplicatie si în deci o mai buna utilizare a resurselor umane.

Cea mai mare deschidere pe care conceptul open-system o aduce în proiectarea sistemelor EMS/DMS/SCADA este posibilitatea de a distribui functiunile în diferite noduri deprelucrare. Fiecare nod functional este independent ca resursa hardware. Statiile de lucru (workstations)

constituie astfel de noduri care elibereaza sistemul de interfata om-masina. Alte noduri functionale sunt cele de achizitie de date, prelucrarea bazei de date relationale si istorice si

editarea rapoartelor, procesoarele de aplicatie etc. Gradul de dependenta între noduri este variabil. Totusi, prin hardware trebuie asigurata o

independenta cât mai mare deoarece, pe aceasta cale, se obtine posibilitatea de extindere sau de înlocuire. De asemenea, independenta nodurilor de prelucrare serveste la minimizarea mesajelor si încarcarii retelei de transmisie date. Redundanta în cadrul nodului mareste gradul de disponibilitate si micsoreaza riscul pierderii lui si a distribuirii functiunilor pierdute în alte noduri. O caracteristica importanta a sistemelor deschise este faptul ca nodurile pot fi situate la orice distanta. Arhitectura distribuita devine o necesitate si foloseste ca suport de comunicatie retelele de date locale (LAN - Local Area Network) si cele la distanta (WAN - Wide Area Network) realizate pe baza unor proceduri si interfete standard. Practic, se vorbeste tot mai mult de functiunile pe care un sistem distribuit trebuie sa le îndeplineasca, în contextul conlucrarii mai multor componente ale sistemului situate în noduri informationale diferite.

Page 72: Subiecte scada

Fig.6.2. Reţele LAN şi WAN

In figura anterioara (fig.6.2) este prezentata o arhitectura posibila pentru un sistem SCADA distribuit, în care observam ca elementul cheie îl constituie conectarea diferitelor componente prin intermediul unor retele de comunicatie.

La nivelul legaturii cu procesul tehnologic (echipamentele din statia de transformare), gasim echipamente de achizitie date si comanda (EAC) destinate interfatarii cu instalatiile

electroenergetice, distribuite în punctele de interes. Acestea asigura preluarea informatiilor din proces precum si transmiterea comenzilor catre proces. În sistemele moderne se asigura un

grad înalt de prelucrare locala - la nivelul EAC, cu functiuni de automatizare, protectie si masura. Echipamentele EAC sunt interconectate prin magistrale locale (LAN) cu calculatoare

cu rol de procesare a datelor la nivelul întregului proces (de exemplu la nivelul statiei de transformare). Legatura de date între statiile de transformare si punctul de comanda si control se realizeaza prin retele de date specifice trasmisiei la distanta (WAN). Transferul de date între

WAN si retelele locale de date situate la punctul (punctele) de comanda si control este asigurata de calculatoare cu rol de concentrator de date (Front End Processor - FEP). În reteaua de la punctul central, se gasesc calculatoare care asigura functiuni de procesare

specifice EMS-SCADA (servere de aplicatie, sisteme expert, interfete grafice etc.) Din cele prezentate anterior, rezulta faptul ca se schimba fundamental si modul de

programare. În sistemele clasice, utilizatorul îsi definea cerintele iar echipa de programare realiza sistemul de programe de aplicatie. În momentul de fata, programarea trebuie sa urmareasca realizarea functiunilor necesare, prevazând de la început posibilitatea modificarii lor în timp

precum si extinderea acestora.

6.2.3. Prezentarea principalelor semnale din procesul tehnologicInstalatiile electroenergetice dintr-o statie de transformare sunt împartite în echipamente

primare, care contribuie nemijlocit la transportul si distributia energiei electrice (linii de înalta si medie tensiune, întreruptori, separatori, transformatoare, etc.) si echipamente auxiliare, care asigura controlul si protectia echipamentelor primare.

Într-o statie de transformare, întâlnim urmatoarele grupe de semnale primare, care trebuiesc considerate atunci când se doreste conducerea de la distanta a procesului:

· Semnalizari de pozitie (întreruptoare, separatoare, automatizari, pozitii extreme); · Semnalizari preventive;· Semnalizari de incident (de avarie);· Comenzi;· Masuri (tensiuni, curenti, puteri, frecventa);· Contorizari (energie activa, energie reactiva).

Din punct de vedere al tipului si formei semnalului, întâlnim:· Semnale numerice - semnale care reflecta stari discrete ale elementelor de la care provin.

Majoritatea semnalelor de acest tip provin de la contacte electrice. Starile posibile sunt întotdeauna complementare (conectat / deconectat, închis / deschis, adevarat / fals,etc.).

· Impulsuri pentru contorizare - un caz particular al semnalelor numerice. · Semnale analogice (tensiuni alternative si continue, curenti alternativi sau continui).

Din punct de vedere al localizarii semnalelor, întâlnim:· semnale grupate la nivelul celulei;· semnale pe grupuri de celule;· semnale generale pe statie de transformare.

În cele ce urmeaza sunt prezentate semnalele cu relevanta în supravegherea si controlul unei statii de transformare tipice de 110/20 kV. Lista nu este exhaustiva, ci are rolul de a face inventarul principalelor tipuri de semnale.

Page 73: Subiecte scada

Celula de linie de 110kV

· Semnalizari de pozitie: întreruptor (anclansat / declansat) ; separatoare de linie, separatoare de bare (închis / deschis) ; cutite de legare la pamânt (închis / deschis) ; pozitie automatizare RAR - Reanclansare Automata Rapida (pus în functie / scos din functie);

· Semnalizari de alarma: defect întreruptor cu: blocaj la închidere; presiune scazuta; întreruptor USOL-MOP (Mecanism Oleo-Pneumatic); neconcordanta; ardere sigurante comanda sau semnalizare; USOL transformator tensiune (TT) deconectat; lipsa tensiune protectie de distanta; functionat protectia de distanta, homopolara, PDL - Protectia Diferentiala de Linie; functionat RAR;

· Masuri: tensiune linie; putere activa, reactiva (emisa / primita) ; curent linie;· Contorizari: Energie activa, reactiva (emisa / primita) ;· Comenzi: anclansare / declansare întreruptor; închidere / deschidere separatoare de bare;

anulare semnalizari în statie; punere în functie / scoatere din functie RAR;

Celula cupla 110kV

· Semnalizari de pozitie: întreruptor (anclansat / declansat) ; separatoare de linie, separatoare de bare (închis / deschis);

· Semnalizari de alarma: defect întreruptor cu: blocaj la închidere; presiune scazuta; USOLMOP - Mecanism OleoPneumatic; neconcordanta; ardere sigurante comanda, semnalizare;lipsa tensiune protectie de distanta; functionat protectia de distanta, homopolara; blocaredeclansare cupla;

· Masuri: putere activa, reactiva (emisa / primita); curent;· Comenzi: anclansare / declansare întreruptor; închidere / deschidere separatoare de bare;

anulare semnalizari în statie;

Celula TRAFO 110/MT

· Semnalizari de pozitie: întreruptor 110kV (anclansat / declansat) ; separatoare bare 110kV(închis / deschis) ; separator Trafo 110kV (închis / deschis) ; întreruptor MT (anclansat / declansat) ; separatoare bare MT (închis / deschis) ; separator borne Trafo MT (închis / deschis) ; plot maxim / minim;

· Semnalizari de alarma: defect întreruptor cu: blocaj la închidere, presiune scazuta; USOL-MOP; ardere sigurante semnalizare, comanda; functionat protectie gaze Trafo, diferentiala; semnalizare preventiva gaze Trafo; suprasarcina; supratemperatura; functionat protectie maximala de rezerva; nivel ulei anormal;

· Masuri: putere activa / reactiva (110kV /MT; 110kV /MT); pozitie plot Trafo;· Contorizari: Energie activa / reactiva (110kV /MT; 110kV /MT) ;· Comenzi: întreruptor 110kV (anclansare / declansare) ; separatoare bare 110kV

(închidere / deschidere); separator Trafo 110kV (închidere / deschidere) ; plot: creste plot / scade plot; întreruptor MT (anclansare / declansare); separatoare bare MT (închis / deschis) separator borne Trafo MT (închis / deschis);

Celule de linie MT si cupla MT

· Semnalizari de pozitie: întreruptor MT (anclansat / declansat) ; separatoare bare MT (închis / deschis) ; cutite de legare la pamânt (închis / deschis) ; pozitie RAR (pus în functie / anulat);

· Semnalizari de alarma: functionat protectia maximala rapida, maximala temporizata;functionat RAR; functionat protectia de distanta;

· Masuri: putere activa / reactiva (primita / emisa); curent;· Comenzi: întreruptor anclansare / declansare; separatoare bare MT (închidere /

deschidere); pozitie RAR (punere în functie / scoatere din functie);

Page 74: Subiecte scada

Celula MT Trafo Servicii Interne si Bobina de Stingere

· Semnalizari pozitie: întreruptor (anclansat / declansat) ; separatoare bare MT (închis / deschis); separator bara BS închis / deschis;

· Semnalizari alarma: functionat protectia: de gaze TSI, de gaze BS, maximala rapida, maximala temporizata; semnalizare preventiva gaze la TSI, la BS; miez BS în pozitie limita maxima, minima;

· Comenzi: întreruptor (anclansare / declansare); separatoare bare (închis / deschis);· Masuri: tensiune deplasare BS (pozitie miez); putere activa / reactiva TSI;

Celula masura MT

· Semnalizari alarma: sigurante arse TT; punere la pamânt bara MT;· Masuri: tensiune bara MT;

Celula baterie condensatori BC

· Semnalizari pozitie: întreruptor anclansat / declansat; separatoare bare închis / deschis;· Semnalizari alarma: functionat protectia: maximala rapida, maximala temporizata,

tensiune minima, diferentiala;· Comenzi: întreruptor: anclansare / declansare; separatoare: închidere / deschidere;

anularesemnalizari;

Semnale generale statie

· Semnalizari: Declansare Automata a Sarcinii la Frecventa minima transe 1,2,3 în functie /anulat; functionat DAS Fmin transa 1. . 3; sigurante arse DAS Fmin; DAS tensiune în functie / anulat; functionat DAS U; ardere sigurante DAS U; sigurante Declansare de Rezerva la Refuz Întreruptor; Anclasare Automata de Rezerva MT în functie pe Trafo 1; Trafo 2; Trafo 1 + Trafo 2; functionat AAR MT; AAR JT; deranjat AAR MT; AAR JT în functie / anulat; functionat osciloperturbograf; punere la pamânt bara 1, 2; avarie statie; USOL baterie deconectat; punere la pamânt în c. c.;

· Comenzi: DAS Fmin 1. . 3 pus în functie / scos din functie; DAS U pus în functie / scos din functie; AAR MT pus în functie T1/T2/T1+T2/anulat; AAR JT pus în functie / anulat;

6.2.4. Achizitia semnalelor si comanda6.2.4.1. Intrari numerice

Preluarea semnalelor de natura numerica se realizeaza prin citirea starii unor contacte auxiliare din proces, care copiaza starea echipamentelor supravegheate cu ajutorul unor interfete cu separare galvanica (optoizolate).

Comutarea contactelor supravegheate este supusa unui regim tranzitoriu (vibratia contactelor) de care trebuie tinut seama la prelucrarea informatiilor de natura numerica. Astfel, interfata de achizitie trebuie sa aplice un algoritm de filtrare software care sa anuleze efectul vibratiilor (durate de ordinul 1-2 ms), interpretând numai comutarile ferme.

Interfata de achizitie asigura, pe lânga interpretarea modificarii starii contactului supravegheat, si memorarea momentului de timp la care s-a produs aceasta modificare.

Pentru a mari gradul de încredere al informatiilor preluate, EAC trebuie sa asigure câteva functiuni suplimentare cum sunt:

· blocarea automata a transmiterii catre nivelul superior în cazul în care intrarea numerica are un numar prea mare (neplauzibil) de tranzitii în unitatea de timp. Aceasta situatie este frecvent întâlnita în cazul unor contacte imperfecte în circuitele de preluare a semnalizarii iar ignorarea acestui aspect ar avea ca efect "poluarea" informationala a nivelului de conducere superior, precum si aglomerarea circuitelor de transmisie.

Page 75: Subiecte scada

· blocarea la cerere a intrarii numerice, în situatiile când urmeaza a se interveni în instalatia supravegheata pentru revizii si reparatii.

· posibilitatea verificarii automate a circuitelor de preluare a semnalelor (integritatea firelor de legatura pâna la contactul electric supravegheat) . Semnalizari de pozitie monopolare

Citirea pozitiei separatoarelor, cutitelor de legare la pamânt, starii automatizarilor, precum si a altor echipamente, altele decât întreruptoare, se realizeaza utilizând un singur contact ce copiaza starea acestor echipamente. De regula starea "închis" a contactului semnifica starea "închis”, “pus în functie" etc. a echipamentului corespunzator, iar starea "deschis" a contactului înseamna ca echipamentul corespunzator este în starea "deschis", "scos din functie", etc.

Semnalizari de pozitie bipolare Pozitia anclansat / declansat a întreruptoarelor este preluata utilizând doua contacte, care în cazuri normale respecta conditia de excluziune reciproca.

Deoarece comutarea celor doua contacte nu se face simultan, interfata de achizitie trebuie sa implementeze un algoritm care sa tina cont de întârzierile admisibile în schimbarea starilor celor doua contacte.

Semnalizari de alarma sunt semnalizari monopolare si pot fi:-semnalizari de tipul "apare / dispare" la care sunt semnificative atât momentul închiderii

contactului cât si momentul deschiderii acestuia (ex. punere la pamânt, tensiune minima baterie etc. ).

- semnalizari de tipul "a functionat protectia" la care este semnificativ numai momentul aparitiei semnalizarii nu si momentul disparitiei acesteia. Impulsuri de contorizare sunt semnale provenite de la contoare de energie electrica cu generator de impulsuri. Interfata de achizitie are rolul de numarare a acestor impulsuri, întretinând un "index" software în memoria proprie. Asociind fiecarui index o constanta corespunzatoare (impulsuri/kWh respectiv impulsuri/kVAR) se poate reconstitui valoarea energiei electrice cedate (primite) pentru linia masurata.

6.2.4.2. Intrari analogice

Principalele marimi analogice cu relevanta pentru conducerea de la distanta a statiei de transformare sunt tensiunile, curentii, puteri active / reactive.

Fig.6.3. Prelucrarea semnalului analogic în semnal numeric

Schema lantului de masura pentru intrarile analogice este prezentata mai sus. Marimea analogica este adaptata la un nivel corespunzator prelucrarii în circuitele de masura, care au la baza transformatoare de tensiune si de curent. Totodata se realizeaza protectia intrarii analogice contra valorilor accidentale ale semnalului analogic de masurat precum si separarea galvanica a

Page 76: Subiecte scada

interfetei fata de procesul tehnologic. Semnalului rezultat i se aplica o filtrare în filtre trece - jos pentru eliminarea efectului perturbatiilor. Un modul multiplexor asigura selectia canalului analogic de masurat, a carui valoare este transmisa modulelor de esantionare / memorare si conversie analog / numerica. Sirului de valori numerice obtinut (la intervale regulate de timp pentru fiecare canal analogic în parte) îi sunt aplicati algoritmi de filtrare numerica si de calcul a marimilor caracteristice dorite (ex. valori efective).

Semnalele analogice (masurile) cum sunt tensiunile si curentii alternativi (50Hz) ,tensiuni si curenti continui, puterile active, reactive pot fi preluate din proces în doua moduri:- utilizând traductori externi corespunzatori, caz în care EAC are intrari analogice în semnal unificat;- tensiunile, curentii sunt preluati direct de EAC prin interfete corespunzatoare de tensiune si curent.

A doua solutie este net superioara celei dintâi atât din punct de vedere tehnic cât si economic, motiv pentru care este preferata în sistemele SCADA moderne. EAC va esantiona si converti din analogic în numeric valorile instantanee ale tensiunilor si curentilor, aplicând apoi algoritmi de calcul pentru:- valoare efectiva (tensiune, curent);- defazaj tensiune - curent;- putere activa si reactiva monofazata pentru perechea U, I considerata. Calculul puterilor active si reactive trifazate se face aplicând corespunzator formulele pentru metodele de masura cu wattmetre (VARmetre) monofazate.

Transmisia valorilor intrarilor analogice catre nivelul superior EAC se face în trei cazuri:- EAC este interogat de catre nivelul ierarhic asupra valorilor analogice;- Intrarea analogica îsi modifica semnificativ valoarea, noua valoare fiind diferita cu cel putin o cantitate - considerata semnificativa - fata de vechea valoare. - Valoarea marimii analogice depaseste niste limite prestabilite - de prealarmare, alarmare, sau limite tehnologice.

6.2.4.3. Comenzi catre procesul tehnologic

Pentru a putea comanda instalatiile electroenergetice din statiile de transformare, interfetele de proces (EAC) sunt prevazute cu posibilitatea emiterii de semnale electrice de comanda. Exista doua tipuri de semnale de comanda:- comenzi în impulsuri, cu durate de 0,5 - 3 secunde, pentru comanda întreruptoarelor comutatoarelor de ploturi etc. - comenzi permanente, la care EAC mentine semnalul de comanda pâna la o noua comanda, cu semnificatie contrara celei dintâi (de exemplu pentru comanda punerii în functie respectiv a scoaterii din functie a automatizarilor).

În ambele cazuri, EAC trebuie sa livreze contacte electrice comandate care vor fi integrate în schemele de comanda ale circuitelor secundare ale statiei.

În scopul cresterii gradului de fiabilitate al comenzilor, EAC trebuie sa asigure câteva cerinte referitoare la comenzi:- eliminarea riscului confuziei unei comenzi, datorita erorilor de transmisie;- eliminarea riscului comenzilor multiple (simultan cu comanda dorita se emit una sau mai multe comenzi nedorite, datorate unor eventuale defecte interne ale EAC sau atingerilor accidentale în circuitele secundare de comanda);- eliminarea riscului de emisie intempestiva a unor comenzi, datorate defectelor interne ale EAC. Se utilizeaza scheme de conectare hardware si algoritmi de verificare si validare a comenzii. - semnalizarea situatiilor de functionare incorecta a lantului de comanda (de exemplu fir întrerupt).

6.2.5. Functii locale

Page 77: Subiecte scada

Principalele functii care trebuie asigurate într-o statie de transformare pot fi grupate în doua categorii:- functiuni la nivelul celulei. - functiuni la nivelul statiei.

Într-o arhitectura centralizata, toate aceste functiuni sunt asigurate de un singur EAC. În arhitectura distribuita, majoritatea functiunilor de la nivelul celulei sunt preluate de

catre echipamentul de achizitie si comanda al celulei, iar functiunile referitoare la grupe de celule – si în general cele care reclama informatii dintr-o arie mai larga decât celula - sunt preluate de calculatorul de la nivelul statiei.

6.2.5.1. La nivelul celuleiPe lânga functiunile de achizitie si comanda amintite deja, mai distingem la nivelul celulei

urmatoarele functiuni:- Istoric local de evenimente - Principalele evenimente survenite în functionarea echipamentelor din celula trebuiesc memorate împreuna cu momentul de timp al producerii lor. Aceasta functie o regasim la nivelul celulei numai în cazul arhitecturii distribuite. - Interfata om-masina - care preia functionalitatea panoului local de comanda si supraveghere. - Blocaje - evitarea emiterii de comenzi nepermise datorate fie greselilor de operare fie erorilor în functionarea diferitelor echipamente.

6.2.5.2. La nivelul statiei de transformare- Istoric de evenimente la nivelul statiei si filtrarea evenimentelor (transmiterea catre nivelul ierarhic superior numai a evenimentelor cu relevanta pentru dispecer) . - Înregistrarea evolutiei masurilor (tensiuni, curenti, puteri) si arhivarea acestora pe o perioada determinata. - Blocaje (conditionari) la nivelul statiei. - Supravegherea functionarii echipamentelor de achizitie si comanda. - Interfata om - masina pentru operatorul statiei sau operatiuni de mentenanta.

6.2.5.3. Sincronizarea timpului Majoritatea algoritmilor de prelucrare a semnalelor (numerice si analogice) se bazeaza pe

intervale precise de timp la care trebuiesc facute achizitiile si prelucrarile. Totodata, memorarea modificarilor de stare presupune si asocierea timpului la care acestea s-au produs.

De precizia determinarii timpului depind în mare masura prelucrarile si analizele ulterioare ale evolutiei procesului tehnologic “Ora exacta” este asigurata prin:-ceas local la nivelul EAC care trebuie sa aiba la baza elemente oscilatorii cu o buna stabilitate (cuartz termostatat) ;-mecanism de resincronizare periodica dupa un ceas unic. Sa remarcam ca exista doua probleme sensibil diferite în aceasta privinta. Sincronizarea echipamentelor de achizitie dupa un ceas unic la nivelul statiei, respectiv dupa un ceas unic la nivelul întregului sistem SCADA. În cel de-al doilea caz dificultatea apare datorita distantelor mari între statiile de transformare si punctul unde este amplasat ceasul etalon.

Principalele metode de sincronizare au la baza:-Utilizarea semnalelor de timp etalon - provenite de la sisteme specializate. -Utilizarea canalului de comunicatie - precizia metodei este puternic afectata de viteza de

comunicatie si eventualele întârzieri (inpredictibile în general) introduse de protocoalele de comunicatie.

-Utilizarea unui semnal dedicat - metoda aplicabila pe arii restrânse cum ar fi teritoriul unei statii de transformare.

6.2.6. Analiza si prelucrarea datelor la nivelul PCC

Page 78: Subiecte scada

Structura unui punct de comanda si control - PCC - în arhitectura distribuita ar putea arata ca în fig.6.4 de mai jos.

Fig.6.4. Structura unui punct de comanda si control

În structura prezentata, pot fi implementate diferite scheme de redundanta ale componentelor importante (LAN, Servere) .

Întrucât comunicatia de date între componenetele PCC trebuie atent echilibrata, se sugereaza separarea componentelor care utilizeaza pachete mici de date, dar cu timpi de raspuns foarte mici, de componentele si aplicatiile care utilizeaza transferuri mari de date, la care timpii de raspuns nu sunt atât de importanti (LAN 1 respectiv 2 din fig. de mai sus, separate de un router). Pentru asigurarea disponibilitatii PCC în conditiile caderii LAN, frecvent se procedeaza la dublarea magistralei locale de comunicatie, iar aplicatiile importante au acces la ambele magistrale. Legatura de date cu procesul tehnologic condus se realizeaza prin intermediul serverelor de comunicatie. Acestea asigura controlul transferului de date între PCC si sistemele de achizitie-comanda statiile de transformare.

Anumite aplicatii necesare la PCC au nevoie de informatii provenite din retelele de transport si distributie vecine. Un calculator special cu rolul de router asigura transferul de date spre / dinspre centrele de comanda-control care coordoneaza sistemele învecinate. Protocoalele de comunicatie cele mai utilizate sunt ELCOM 90 (raspândire în principal în Europa) si ICCP/TASE. 2 (actualmente raspândit mai ales în America, dar tinde sa devina unanim utilizat).

Acelasi calculator asigura si securitatea accesului din exterior la reteaua de date a PCC. Reteaua PCC este separata de sistemul informational al intreprinderii printr-un router, care

controleaza accesul la informatiile si resursele PCC. Baza de date de timp real este întretinuta de serverul de achizitie date. Aplicatiile care ruleaza pe acest calculator au rolul de a prelua informatiile actuale despre procesul tehnologic condus si a le pune la dispozitia celorlalte aplicatii ale PCC.

Dupa anumite criterii (intervale de timp precizate, anumite evenimente), baza de date de timp real se arhiveaza pe serverul de arhivare, întretinându-se astfel istoricul evolutiei procesului tehnologic. Tot serverul de achizitie date realizeaza si anumite prelucrari asupra informatiilor provenite de la EAC:

· filtrarea datelor;· conversia unitatilor de masura;· controlul încadrarii în limite, pentru generarea alarmelor.

Page 79: Subiecte scada

Serverele de aplicatii SCADA gazduiesc programele specifice pentru controlul echipamentelor din statiile de transformare si al retelelor de transport / distributie, cum sunt:

· Interfetele operator - asigura împrospatarea cu date a statiilor de lucru de la dispecerii energetici sau alti utilizatori ai sistemului;

· Managementul evenimentelor - functii de procesare inteligenta a alarmelor, de urmarire si achitare a acestora;

· Managementul autoritatii. Dreptul asupra controlului echipamentelor dintr-o statie de transformare corespunde unei scheme de autoritate si este strict reglementata. Reciproc, alarmele provenite de la diferitele echipamente trebuiesc dirijate spre autoritatea corespunzatoare.

Alte aplicatii, care nu sunt supuse restrictiilor de timp real:· Calculul circulatiilor de puteri în retea;· Calculul curentilor de scurtircuit;· Regasirea informatiilor pe hartile sistemelor informatice geografice, utile mai ales

în aplicatiile DMS (AM/GIS - Automated Mapping/Geographical Information System). · Interfete pentru informatii despre / catre consumatori, incluzând evidenta deranjamentelor, profilul încarcarii etc.22. SCADA în electroenergetică. Integrarea funcţiilor de protecţie, automatizare, măsură, control. Funcţii de conducere operativă

6. 3. Integrarea functiilor de protectie, automatizare, masura, control

6.3.1. Sisteme integrate de protectie, automatizare, masura si control a statiilor electrice

Dezvoltarea sistemelor de protectie si automatizare ale instalatiilor electroenergetice si în mod special aparitia echipamentelor digitale de automatizare si protectie este un fenomen de

actualitate. Unele protectii au nevoie nu numai de informatii locale, din zona de proces cu care se interfateaza în mod direct, dar si de informatii globale, care pot fi cunoscute numai prin prelungiri

ale interfatarii în alte zone ale procesului tehnologic. Astfel, echipamentul de protectie devine foarte complicat, odata cu luarea în considerare a unei mai mari cantitati de informatii globale,

pierzându-si din flexibilitate si disponibilitate. Multiplicarea interfetelor de achizitie precum si raspândirea lor în spatiu este un fenomen

nedorit, cu atât mai mult cu cât diferitele sisteme de protectie folosesc adesea aceleasi marimi de intrare dinspre proces.

În mod normal releele numerice au o interfata seriala. Sistemele de control al statiei bazate pe microprocesor prevad deopotriva informatii globale despre proces cât si legaturi de comunicatie.

Apare astfel naturala preocuparea pentru conlucrarea între sistemele de protectie si cele de control.

Preocuparile actuale privind tratarea unitara a protectiei si controlului, se pot împartii în doua categorii majore, si anume:

a) Sisteme coordonate de protectie si de control. Sistemele de control si de protectie îsi pastreaza autonomia unele fata de celelalte, însa prevad functiuni de "colaborare" reciproca. Într-un asemenea concept, functia de protectie este localizata în general în echipamente distincte de cele de comanda / control. Cele doua subsisteme sisteme comunica însa, transmitându-si reciproc informatii globale, în general rezultate în urma prelucrarii marimilor din proces.

b) Sisteme integrate de protectie si control. Subsistemele de control si de protectie sunt concepute ca un tot unitar, utilizând în comun anumite resurse hardware si software. În acest caz asistam la o descentralizare foarte puternica a functiunilor de comanda, control si protectie, elementul cheie în acest concept fiind comunicatia de mare viteza între modulele componente.

6.3.1.1. Sisteme coordonate de protectie si comanda Coordonarea sistemelor de protectie si comanda este realizata cu ajutorul sistemului de

comunicatie, folosind informatia suplimentara din sistemul complet (întreg). Motivul principal

Page 80: Subiecte scada

pentru un asemenea concept coordonat nu este doar de a înlocui protectia conventionala cu dispozitivele de control bazate pe microprocesoare ci de a exploata toate facilitatile acestei noi tehnologii pentru o mai buna performanta a protectiei si controlului în statie si pentru un control îmbunatatit al retelei. Este prevazut un sistem unificat care coordoneaza controlul statiei si protectia statiei, bazate pe microprocesoare, într-o arhitectura descentralizata.

Coordonarea consta în combinarea controlului si a protectiei fara a se pierde autonomia protectiei. Unificarea înseamna, ca toate datele si informatiile în sistem sunt accesibile în acelasi mod prin sistemul comun de comunicatie. Descentralizarea înseamna ca atât informatiile (datele achizitionate sau calculate) cât si functiile sunt distribuite si sunt folosite, procesate, în cel mai apropiat loc de procesul tehnologic la care se refera.

Structura functiunilor unui sistem de control si protectie coordonat la nivelul unei statii de transformare este reprezentata urmatoare (fig.6.5).

Fig.6.5. Structura unui sistem de control si protectie

O statie de transformare este întotdeauna constituita din celule, continând conexiunile de intrare-iesire la una sau mai multe bare, care functioneaza ca si noduri electrice si definesc întreaga statie.

Exista diferite sarcini de control si de protectie realizate la nivelul celulei. Astfel, structura de baza este ierarhica si consta în doua nivele: nivelul celulei si nivelul statiei.

La nivelul celulei sunt realizate acele sarcini care reclama informatii (date) numai de la nivelul celulei, si emit comenzi catre dispozitivele si echipamentele din aceasta celula. Aceste sarcini sunt: controlul celulei (comenzi, blocaje la nivelul celulei); interfata om -masina, daca este necesar; masuratori si monitorizare la nivelul celulei (I, U, P, Q, evenimente, defecte); protectia celulei (eliminarea defectelor si masuri preventive). Aceste sarcini se refera nu numai la întreruptoare si separatoare dar si la schimbatorul de ploturi al transformatorului deputere, controlul bateriilor de condensatori, proceduri automate de comutatie cu/fara conditionare din partea protectiei, semnalizari si altele. La nivelul statiei se executa acele sarcini care au nevoie de informatii de la mai mult de o celula, si

emit comenzi catre dispozitivele situate în mai multe celule. Aceste sarcini sunt:-controlul statiei (baza de date centrala, supervizoare, coordonare comunicatie, interblocaje

la nivelul statiei, procesare centrala a datelor culese din celule); -protectii la nivel de statie (exemplu protectia diferentiala de bare) ; interfata om-masina

pentru operatorul statiei;-comunicatia dintre statie si nivelul superior de comanda si control.

În conformitate cu definitia celulei de mai sus, nivelul statiei nu presupune acces direct la proces. În acest context, protectia de bare, de exemplu, este o functie la nivelul statiei cu interfete de intrare/iesire situate la distanta, în celule.

Page 81: Subiecte scada

6.3.1.2. Sisteme integrate de control si protectie Privite ca un întreg, sistemele de control, protectie, automatizare si masura, constau în

unitati de achizitie date (UAD) relee digitale de protectie, unitati de procesare la nivelul celulei si statiei si canale de comunicatie prin care aceste echipamente sunt interconectate. Daca în sistemele clasice remarcam existenta unor echipamente distincte de control si

respectiv de protectie, sistemele integrate îsi propun sa distribuie si mai puternic functiunile de achizitie poate apare în mai multe echipamente).

Subsistemul secundar din statiile moderne se bazeaza din ce în ce mai mult pe un numar de echipamente digitale multifunctionale. Tendinta este de a integra functiuni care istoric sunt separate - protectia, controlul, comunicatia si masura.

Pentru a raspunde necesitatilor tehnice, cele mai multe functiuni trebuie sa opereze în timp real, fapt de care trebuie sa se tina seama în proiectare. Pentru utilizarea la maximum a acestor

resurse de calcul, functiunile software se împart în diferite categorii dupa timpul de raspuns, astfel încât o platforma hardware sa poata efectua atât functiuni cu timpi critici foarte mici, cât si

functiuni la care timpul de îndeplinire nu este esential. Se poate face o clasificare a prioritatilor de executie a functiunilor dupa cum urmeaza:

· P1 corespunzatoare sarcinilor cu timpi de raspuns de maximum 250 ms. · P2 corespunzatoare gamei de timp de pâna la câteva secunde. · P3 pentru celelalte functiuni mai lente.

6.3.1.3. Principalele cerinte ale subsistemelor secundare moderne.

Tendintele actuale în domeniul protectiei si controlului în statiile de transformare elimina din ce în ce mai mult granitele traditionale dintre subsistemele de protectie, control, comunicatie si

masura care exista actualmente. Gradul de integrare a diverselor functiuni alesubsistemului secundar, pe de o parte si a echipamentelor primare si celor secundare pe de alta parte, devine o

preocupare importanta a companiilor de electricitate, nivelul de acceptare fiind determinat de consideratiile privind costul, fiabilitatea, mentenanta si functionalitatea. Subsistemul secundar dintr-o statie de transformare trebuie sa asigure:

· Deconectarea portiunilor defecte din retea la aparitia unui defect - izolarea defectului. Astfel, sistemul de protectie trebuie sa determine portiunea defecta si sa comande corespunzator întreruptoarele pentru a izola defectul cât mai repede posibil. · Echipamentul primar trebuie corect întretinut pentru a ramâne operational. Subsistemul secundar trebuie sa colecteze informatii despre starea echipamentelor primare si sa ofere suport pentru mentenanta acestora. · Dispeceratele energetice de la diferite nivele (local, teritorial, national) trebuie sa primeasca informatiile de stare din statie. Subsistemul secundar al statiei are datoria de a face posibil transferul datelor spre centrele de control si respectiv de a transmite comenzile catre procesul tehnologic controlat. · Controlul local. Subsistemul secundar trebuie sa asigure functiunile de control local ale statiei fie ca o rezerva la caderea sistemului de teleconducere fie ca o functiune de sine statatoare în cazul statiilor necuprinse în sistemul de teleconducere.

Pornind de la cerintele enumerate mai sus, principalele functiuni ale subsistemului secundar al statiei sunt:· Protectia împotriva defectelor în sistemul primar;· Stapânirea starilor anormale ale echipamentelor primare;· Automatizari;· Suport pentru conducere locala;· Teleconducere;· Masura locala si telemasura;

Page 82: Subiecte scada

· Monitorizarea retelei si a echipamentelor primare;· Analiza automata a datelor.

6.3.2. Echipamente multifunctionale de protectie si control

Utilizând cele mai noi realizari în domeniul tehnicii de prelucrare digitala si mai ales cele în domeniul comunicatiilor de mare viteza, putem imagina un echipament complex de control si

protectie la nivelul celulei (fig. 6.6), care se interconecteaza în acceasi retea de date cu echipamentele de prelucrare de la nivelul statiei (fig. 6.7).

Fig. 6.6. Echipament complex de control si protectie la nivelul celulei

Fig. 6.7. Echipament complex de control si protectie la nivelul staţiei

Echipamentele de la nivelul celulei, îndeplinesc functii de protectie si comanda ale transformatoarelor si liniilor electrice si receptioneaza cererile de comanda de la nivelul statiei. La nivelul statiei sunt implementate functii de protectie (ex. protectia diferentiala de bare) în care informatiile de curent sunt prelevate la nivelul celulelor si transmise prin reteaua de date a statiei. Functionarea protectiei de linie si trafo se bazeaza pe informatii locale, astfel încât acestea sunt independente de caderile retelei de comunicatie. În acelasi timp este recomandabil sa fie implementata o magistrala duala de comunicatie, pentru a îmbunatatii fiabilitatea protectiei de bare.

Page 83: Subiecte scada

Informatia curenta culeasa (esantionata) de echipamentele de la nivelul celulelor trebuie transmisa în câteva milisecunde în retea, pentru o functionare corecta a protectiei de bare. Acest lucru reclama legaturi de comunicatie de mare viteza, de timp real, între echipamentele celulei si echipamentul de la nivelul statiei.

În cazul echipamentelor de protectie si control digitale, toate functiunile sunt implementate software, adesea pe platforme hardware asemanatoare.

Devine justificata astfel preocuparea de a configura aceeasi platforma hardware astfel încât sa poata duce la îndeplinire diferite sarcini, fie ele de protectie, control sau monitorizare. Într-o oarecare masura, echipamentele digitale multifunctionale pot fi privite ele însele ca sisteme

deschise. O atentie speciala trebuie acordata independentei diverselor functiuni de protectie si control, atâta

timp cât ele sunt procesate în acelasi dispozitiv. Astfel, ca si în cazul echipamentelor clasice de protectie, trebuie asigurata redundanta în cazul functiunilor importante de protectie.

6.4. Functiuni de conducere operativa

In cele ce urmeaza se vor prezenta atat functiunile de conducere operativa ale DED cat si pentru personalul operativ din statiile electrice.

6.4.1. Functiunile Dispecerului Energetic de Distribuţie (DED)

DED asigura supravegherea si conducerea operativa a instalatiilor si retelelor electrice de distributie de 110 kV si medie tensiune.

In scopul realizarii functiunilor sale, DED realizeaza sarcinile operative (regimuri si manevre) coordonate si/sau dispuse de treptele superioare de dispecer, stabileste regimurile de functionare si coordoneaza manevrele pentru instalatiile si retelele din raza lor de activitate care se afla in autoritatea sa de decizie. Conducerea operativa in timp real la nivel de DED consta in:

a) Supravegherea si asigurarea continuitatii in functionare a instalatiilor de distibutie de 110 kV si MT

- Urmarirea schemelor de functionare a instalatiilor si a marimilor de stare. - Verificarea incadrarii marimilor in limite. - Calcului puterilor si energiilor absorbite de consumatori, achizitionate din reteaua

de transport a sistemului energetic naţional (SEN) si schimbate cu retelele de distributie vecine si respectiv, produse in centrale.

- Calcului puterilor totale.- Prognoza consumului in zona.

b) Reglajul curbei de consum pentru prevenirea extinderii incidentelor. c) Urmarirea bilantului de energie electrica. d) Optimizarea functionarii instalatiilor de distibutie de 110 kV si MT (medie tensiune):

- Determinarea numarului si incarcarii transformatoarelor de 110 kV si MT. - Determinarea, prin calcul, a pierderilor pe linii, in transformatoare si pe total DED. - Determinarea bilanturilor de putere pe total DED si pe statii.

e) Reglajul tensiunii in retelele de distributie de 110 kV si de MT si a nivelului de compensare a puterii reactive:

- Determinarea nivelurilor de tensiune optime in retelele de 110 kV siu MT. - Compensarea optima a puterii reactive.

f) Urmareste regimul de tratare a neutrului in retelele de MT si realizeaza reglajul compensarii curentilor capacitivi. g) Comanda porniri si opriri de grupuri ale microhidrocentralelor.

Page 84: Subiecte scada

h) Comanda nemijlocita a instalatiilor de distributie de 110 kV si de MT si a automatizarilor din retea i) Supravegherea starii instalatiilor componente ale SCADA

Pentru realizarea acestor functiuni, DED realizează:- Urmareste si realizeaza programul de incarcare a centralelor electrice din

comanda operativa (corelat cu treptele superioare de dispecer) - Urmareste:- Injectiile din reteaua de transport, din retelele de 110 kV si de MT ale DED vecine si

din centralele electrice racordate la reteaua electrica condusa operativ;- Incarcarile pe statiile de 110 kV/MT si posturile de transformare;- Generarea de putere reactiva;- Nivelurile de tensiune (110 kV si MT );- Consumul propriu tehnologic in retelele de 110 kV si de MT;- Reglajul compensarii capacitive al retelelor de MT;- Incadrarea consumatorilor in puterile si energiile programate pe perioade de deficit

in SEN;- Verificarea sigurantei de functionare;- Verificarea prealabila a conditiilor de efectuare a manevrelor. Inregistreaza si consemneaza:- valorile parametrilor electrici si schimbarile de stare, semnalizarile si evenimentele

in toate regimurile de functionare;- informatiile care au stat la baza luarii deciziilor de efectuare a manevrelor,

stabilirii sau schimbarii regimurilor de functionare a echipamentelor si retelelor. Alte functiuni:

a) Supravegherea instalatiilor de electroalimentare a punctului central DED. Echipamentele de distributie electrica de la parterul cladirii sunt supravegheate in prezent

printr-un sistem de calcul independent, realizat pe plan local. In afara acestor functiuni principale, realizate in timp – real, la DED se realizeaza si

functiuni in afara timpului –real si anume:b) Planificarea exploatarii si analize in afara timpului – real:- pregatirea regimurilor de functionare pe zi si saptamana;- actualizarea schemelor retelei de distributie (110 kV si MT); - analiza post factum a functionarii retelei;- analiza incidentelor;- evaluarea sigurantei in functionare pe baza calculului indicatorilor de stare;- elaborarea ghidului operator;- dezvoltarea software de aplicatie pentru timp – real si inafara timpului – real.

6.4.2. Functiunile personalului operativ din statiile electrice

Personalul operativ din statiile electrice trebuie sa asigura functionarea continua, in conditii de siguranta si economicitate a instalatiilor pe care le are in gestiune si exploatare. In acest scop:

- supravegheaza si inregistreaza parametrii tehnici ai echipamentelor;- supravegheaza marimile si semnalizarile de stare aferente schemei de functionare a

statiei (inclusiv cele aferente protectiilor si automatizarilor). - executa manevre, inclusiv reglajul de poturi la transformatoare, dispuse de treptele

de dispecer ierarhic superioare; - urmareste functionarea instalatiilor de compensare (baterii de condensatoare,

condensatoare sincrone, acordul bobinelor de compensare a curentului capacitiv ); - executa manevrele pentru lichidarea rapida a incidentelor;

Page 85: Subiecte scada

- transmite datele si informatiile necesare la diferitele trepte de dispecer si la unitatea de care apartine din punct de vedere administativ ;

- supravegheaza starea instalatiilor companente al sistemului SCADA din dotare. In statiile telecomandate (integrate in sistemul SCADA) aceste functiuni ale postului din statii sunt preluate si realizate de catre dispecerul de la punctul de comanda.23. SCADA în electroenergetică. Tipuri de informaţii necesare conducerii operative. Funcţiunile sistemelor SCADA dedicate conducerii operative la nivel de dispecer energetic de distribuţie

6.5. Tipuri de informatii necesare conducerii operative

6.5.1. Tipuri de informatii la nivel DEDConform normelor RENEL principalele informatii necesare conducerii oeprative la nivel DED sunt:

6.5.1.1. Marimia) marimi principale, conditionand cunoasterea starii de ansamblu a instalatiilor si

anume:- puterile active si reactive pe:- partea de 110 kV a autotransformatoarelor de 220/110 kV si transformatoarelor de 110 kV/ MT;- liniile de 110 kV si MT de legatura cu alte DED- uri;- plecarile ce alimenteaza consumatori nominalizati; - suma puterilor active si reactive pe:- centralele electrice racordate la retelele de 110 kV si de MT;- platforme industiale, statii de tractiune C. F. R.;- tensiunile pe barele statiilor de 110 kV si de MT;- frecventa in cateva noduri;Toate aceste marimi vor fi protocolate automat la ore caracteristice fixate (minimum la gol

de noapte, varf de dimineata si varf de seara ) si la cererea operatorului.b) marimi secundare, caracterizand starea unor elemente ale instalatiilor de

importanta locala si informatii cu necesitate de actualizare mai redusa si anume:- tensiunile pe liniile de 110 kV si MT;- puterile active si reactive pe:- partea de medie tensiune a transformatoarelor de 110 kV/MT si posturilor de MT/JT;- linii de 110 kV si de MT radiale spre consumatori;- cuplele de 110 kV;- liniile si cuplele de MT;- tensiunile si curentii pe bobinele de compensare a curentului capacitiv;- puterea reactiva pe instalatiile de compensare;- tensiunea pe sectiile de bare de servicii proprii, de curent continuu si pe sectiile de

bare de curent alternativ de 230 V;- energia activa si reactiva de la contoare pe:- liniile de legatura cu alte DED-uri;- transformatoarele si autotransformatoarele de injectie in reteaua de distributie din

responsabilitatea DED (din reteaua de transport a SEN si centrale electrice racordate la reteaua de distributie a DED –ului) ;

- pe liniile ce alimenteaza consumatori nominalizati (pe liniile de 110 kV si de MT radiale).

6.5.1.2. Semnalizaria) Semnalizari de stare, necesare pentru stabilirea configuratiei de functionare a

retelei in maximum 3 secunde de la modificarea pozitiei echipamentelor ca urmare a unor actiuni dorite de operator:

- pozitia echipamentelor de comutatie (intreruptoare, separatoare);

Page 86: Subiecte scada

- pozitia comutatoarelor de ploturi la transformatoare, bobine de compensare cu reglaj continuu;

- pozitii la RAR, AAR, DAS, etc. b) De alarmare (preventive), necesare petnru luarea unor masuri preventive privind

regimul de functionarea a reletei electrice conduse operativ , cu aducerea la cunostinta operatorului in maxim 5 secunde, ca de exemplu depasirii de limite.

c) De incident, necesare pentru luarea unor masuri rapide de remediere cu aducerea la cunostinta operatorului in maxim 3 secunde. Aceste semnalizari corespund actionarii protectiilor si automatizarilor (RAR, AAR, DAS) si schimbarilor de configuratie a retelei conduse operativ ca urmare a a cestor actionari, precum si semnalizari de tipul: arderea sigurantei generale pe balteria de acumulatoare, avarie redresori, punere la pamant, semnalul ” Incendiu in statie “ (pentru statiile electrice fara personal in tura) .

d) De stare a sistemului SCADA, cuprinzand informatii asupra elementelor de culegere si transmitere a datelor si statiile electrice.

6.5.1.3. Telecomenzi pentru:- echipamente de comutatie (intreruptoare de 110 kV si MT, separatoare de 110 kV actionate electric) ;- comutatoare de ploturi ale transformatoarelor de 110 kV/MT, - bobine de compensare cu reglaj continuu, - trepte de baterii de condensatoare; - instalatii de automatizare (AAR, RAR, DAS) .

6.5.2. Tipurile de informatii la nivelul camerelor de comanda din statiile electrice

Volumul de instalatii necesar supravegherii si conducerii operative la nivelul camerelor de comanda, a statiilor electrice se diferentiaza in functie de nivelul de tensiune al statiei si de modul de exploatare al acesteia (cu personal sau fara personal in tura permanenta).

Volumul de informatii trebuie sa asigure realizarea functiunilor atribuite personalului in toate starile (normala, de alarma, de incident, de postincident).

6.5.2.1. Marimi - tensiunile pe barele statiei (110kV, medie tensiune); - circulatii de putere (activa si reactiva);- tensiuni si curenti pe partea de 0,4 kV (servicii proprii curent alternativ); - tensiuni si incarcari ale bateriilor de acumulatoare (230 V si 24 V); - tensiunea de deplasare a neutrului la bobinele de stingere;- indicatia locatorului de defecte.-

6.5.2. 2. Semnalizari- de stare :- pozitia cheii de selectare a comenzilor; - starea echipamentelor (conectat, deconectat); - de alarmare (preventive), necesare pentru luarea unor masuri preventive privind

regimul de functionare al statiei ca de exemplu:- depasiri de limite;- defect la intreruptoare;- defect in circuitele secundare;- defect in serviciile proprii de cc/ca:

- punere la pamant in serviciile proprii de cc;- semnalizari de gaze, temperatura, suprasarcina la transformatoare;

Page 87: Subiecte scada

- ardere, distrugerea sigurantelor;- defect in echipamentele de culegere a datelor sau pe calea de transmisie; - numarul de actionari ale pompelor, mecanismelor oleopneomatice ale intreruptoarelor;- numarul de deconectari ale intreruptoarelor pe scurt circuit.

6.5.2. 3. Comenzi- conectari/deconectari intreruptoare si separatoare;- actionare comutatoare de ploturi; - actionare bobine de compensare cu reglaj continuu; - conecatre/deconectare trepte de baterii de condensatoare;- conectari/deconectari a instalatiilo de automaticare locala (AAR, RAR, DAS, etc );- actionare intreruptoare automate pentru serviciile proprii de cc si ca;- descarcari de sarcina;- anularea semnalelor autoretinute.

6.6. Functiunile sistemelor SCADA dedicate conducerii operative la nivel de Dispecer Energetic de Distributie (DED )

In conformitate cu normele RENEL, sistemele informatice dedeicate conducerii operative a

retelelor de distributie trebuie sa realizeze urmatoarele functiuni operationale:- functiuni SCADA;- functiuni DMS (aplicatii pentru retelele de distributie a energiei electrice).

Denumirile si continutul acestor functiuni sunt, in general, standardizate pe plan mondial si software – ul aferent acestora este disponibil a fi cumparate pe piata libera. In cele ce urmeaza se prezinta unele detalii privind functiunile de tip SCADA specifice sistemelor informatice destinate conducerii operative prin dispecer a retelelor de distributie a energiei electrice.

6.6.1. Functiuni tip SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition )

Un sistem tipic SCADA realizeaza in principal urmatoarele functiuni:- culegerea si schimbul de date;- validarea, prelucrarea, afisarea, arhivarea de date;- initierea si executatea telecomenzilor in instalatii.

Aceste functiuni permit personalului operativ de la punctul de dispecer sa suprevegheze functionarea instalatiilor in timp real si in acest context sa decida actiunile care trebuie intreprinse

si, daca este necesar, sa dea comenzi operative sau sa realizeze telecomenzi. Sistemele SCASA include, in principal urmatoarele functiuni:

6.6.1.1. Achizitie si Schimb de Date (data Acquisition and Exchange)

Functiunea de Achizitie si Schimb de date este utilizata pentru a se utiliza interfata dintre sistemul SCADA si echipamentele de achizitie de date si sisteme informatice externe. Utilizand

aceasta functiune se realizeaza:- culegerea si transmiterea informatiilor din /in instalatii (statii electrice, centrale); - schimbul de date cu alte trepte de dispecer sau alte sisteme informatice. Tipurile de

informatii ce pot fi schimbate cu alte sisteme SCADA pot include:- stari ale retelei electrice si marimi masurate (puteri, tensiuni) in zona de contur necesare pentru Estimatorul de Stare si pentru analizarea sigurantei in functionarea retelei;

- marimi ale retelelor electrice (MWh ) de pe interconexiuni pentru gestiunea energiei;- telecomenzi (pentru a fi transmise la RTU ) ;

- fisiere (baze de date, imagini, rapoarte, software, tabele diagrame, etc.);- actualizari de baze de date;

Page 88: Subiecte scada

- mesaje operative (informatii privind iesiri din functiune, energii/capacitati disponibile, preturi, etc.);

- controlul plauzabilitatii si validarea informatiilor.

6.6.1.2. Inregistrarea Secventiala a Evenimentelor (Sequence of Events Recording) O serie de elemente predefinite din statii si centrale electrice (de exemplu intreruptoare )

pot fi selectate pentru o inregistrare secventiala a modificarii starii acestora, modificare care este considerata ca fiind un eveniment. Mesajele din Inregistrarea Secventiala a evenimentelor sunt

tratate separat de cele referitoare la schimbarile normale de stare, mesajele aferente secventei de evenimente nefacand parte din procesul de tratare a alarmelor. Mesajele de la inregistrarea

secventiala a avenimentelor sunt stocate si raportate separat. Aceste informatii sunt in mod normal utilizate postfactum petnru analiza functionarii echipamentelor si instalatiilor.

6.6.1.3. Prelucrarea datelor (data Processing ) Functiunea de prelucrare a datelor include urmatoarele:

- prelucrarea de date analogice scanate – realizeaza conversia acestora in unitati ingineresti si verificarea incadrarii lor in limitele prestabilite.

- prelucrarea de date privind starile scanate - detecteaza schimbarea starii intreruptoarelor si separatoarelor.

- prelucrarea de tip acumulare – scanare (de exemplu energii ) - de exemplu convertirea numarului de impulsuri in MVh. - calcule in timp: sumari, scaderi, inmultiri, impartiri, medii orare, maxime si minime orare, determinarea de energii prin integrarea marimilor masurate, bilanturi de energii si puterii pe contur etc. , inclusiv determinarea puterilor si energiilor absorbite de consumatori pentru compararea cu valorile contractate. - Verificarea consistentei informatiilor referitoare la topologie se poate face fie in cadrul acestei functiuni fie ca o functiune separata.

Functiunea de Prelucrare a Datelor asigura stocarea datelor de timp – real in baza de date, precum si verificarea si evaluarea calitatii si plauzibilitatii imformatiei codate, (de exemplu:

telemasura corecta, suprascriere manuala, iesire din functiune, depasire de limita, informatie eronata etc ).

6.6.1.4. Revista Post Factum (Post Disturbance Review ) La fiecare 10 secunde se stocheaza un “ snapshot” (o citire instantanee ) a unor puncte

selectate de dispecer sau a intregii baze de date intr-un fisier circular ce contine ultimele 10 “ snapshot “ –uri. In cazul unui eveniment de declansare/actionare sau la cerere, fisierul circular se

ingheata si aditional se memoreaza inca 30 de “ snapshot” – uri consecutive luate fiecare la 10 secunde dupa producerea evenimentului. Acest set de date stocate este denumit “ set de revista”.

Multiplele “seturi de revista“ sunt inregistrate pe discuri, pentru a fi revazute pe display sau printate pe hardcopy. Ele sunt arhivate la cerere in vederea unor analize ulterioare. “

Snapshot” – rile unor baze de date complete pot fi utilizate pentru initierea unui caz de baza pentru scenariul de pregatire a operatorilor pe simulator.

6.6.1.5. Inregistrare instantanee de date (Database Snapshot ) Un “Snapshot” al unei baze de date complete este stocat pe disc pentru a fi arhivat mai

tarziu si/sau a fi utilizat fie pentru scenariu pe simulator pentru pregatirea operatorilor fie pentru analize de retea. Aceste “ Snapshot’’ – uri pot fi efectuate la cerere sau ca urmare a producerii

unor tipuri de evenimente externe preselectate. 6.6.1.6. Sistem de Informatii Istorice ( Historical Information System - HIS )

Functiunea HIS realizeaza actualizarea si completarea bazelor de date. HIS ete depozitarul central pentru informatii. In mod normal se utilizeaza un sistem de management de baze de date rational accesibil comercial (relational database management system – RDBMS), ca de exemplu

Page 89: Subiecte scada

ORACLE, care este in mod normal utilizat pentru crearea, intretinerea si accesul in baza de date a HIS. Accesul la baza de date HIS este in mod obisnuit restrictionat datorita importantei informatiilor stocate.

6.6.1.7. Telecomanda, telereglaj in instalatii (Supervisory Control ) Prin intermediul Sistemului SCADA, un dispecer poate telecomanda echipamentele aflate

in statii electrice, prin intermediul RTU – urilor, ca de exemplu:- intreruptoare (conectat/deconectat );- separatoare actionate cu motor (conectat/deconectat );- baterii de condensatoare (conectat/deconectat );- pozitie comutator de ploturi la transformatoare (creste/scade );- valori de consemn;- reglajul bobinelor de stingere.

Echipamentele cu doua stari sunt mai intai selectate, telecomanda data fiind o comanda nemijlocita.

6.6.1.8. Marcarea (Tagging ) Un echipament “ marcat” reprezinta o actiune a operatorului pentru a atrage vizual atentia

asupra unui simbol de echipament de pe o schema reprezentata de display ca este fie interzisa comanda acestui echipament fie ca trebuie sa se execute cu atentie. In mod uzual este posibil a se ” marca” un echipament cu pana la patru niveluri de marcare si anume:

- interzisa comanda;- interzisa comanda de inchidere;- interzisa comanda de deschidere;- comanda permisa, dar se recomanda atentie. “ Marcarile” sunt inregistrate ca evenimente. Este posibil ca operatorul sa adnoteze

intrarile din Lista de “ Marcari” cu comentarii care sa descrie marcarea. Marcarea este utilizata in mod traditional ca o masura de siguranta pentru a se asigura ca

o echipa de interventie, care lucreaza la un echipament, este protejata impotriva unor actionari inadecvate.

6.6.1.9. Interfata cu utilizatorii (User Interface ) Interfata cu utilizatorii include urmatoarele:A. Console CRT cu grafica completa (Full Graphics CRT Consoles )

Console CRT cu grafica completa sunt echipate uzual cu unul, doua sau trei monitoare (CRT ) color de mare rezolutie (1280 pixel x 1024 pixel ):- consola operator – doua sau trei monitoare;- consola de programare/planificare – un monitor;- consola programator – unul sau doua monitoare;- consola pentru baza de date – un monitor;- consola pentru intretinerea imaginilor – un monitor;- consola pentru management – un monit. B. Echipamente de inregistrare (Loggers )

In mod obisnuit sunt plasate doua astfel de echipamente in zona operationala si cate unul in zona de planificare, zona de programare, zona de creare a bazelor de date si zona de creare a imaginilor. C. Imprimante

In mod obisnuit, in aria operationala sunt amplasate doua echipamente hardcopy, capabile sa reproduca imagini grafice color de pe oricare din display – uri.

6.6.1.10. Prelucrarea si gestiunea alarmelor (Alarming )

Page 90: Subiecte scada

Alarmele detectate de Sistemul SCADA sunt prelucrate astfel incat conditiile de alarma importante sa fie raportate intr-o maniera clara, concisa si cu timpul asociat numai la consolele care au nevoie de aceasta informatie. Alarmele multiple sunt tratate in raport cu nivelul lor de prioritate.

Alarmele si evenimentele sunt stocate intr-o baza de date zilnica intr-un fisier de dimensiuni mari pe disc. Alarmele si evenimentele dintr-o zi pot fi arhivate pentru o referire ulterioara.

6.6.1.11. Afisarea pe panou (Wallboard Display ) “ Afisarea pe Panou”, consta dintr-un sistem sau un grup de sisteme de protectie video,

amplasate in zona operationala si, eventual daca este necesar, altul in zona de pregatire/vizitare. Acest lucru permite comentarea imaginilor de pe display fara a se crea aglomeratie la consola.

6.6.1.12. Prelucrarea parolelor (Word Processing )

Functiunea de Prelucrare a Parolelor asigura gestionarea accesului utilizatorilor potentiali in sistemul informatic dedicat conducerii operative a instalatiilor de distributie sau in anumite zone particulare ale sistemului. Utilizand o permisie acceptata, chiar si un utilizator extern poate efectua aceleasi activitati ca si un utilizator local – de la o statie de lucru a sistemului si viceversa.

6.6.1.13. Supravegherea starii Sistemului InformaticFunctiunea asigura supravegherea starii de functionare a diferitor componente si a

intregului sistem informatic. Vor fi semnalizate operatorului si administratorului de retea starile anormale de functionare ale sistemului informatic, inclusiv iesirea din functiune a diferitelor echipamente, precum si diagnosticarea defectelor.

6.6.1.14. Supravegherea sistemului de electroalimentare a Sistemului de la DEDVor fi semnalizate operatorului starile anormale de functionare ale echipamentelor

sistemului de electroalimentare (redresoare, invertoare, baterii de acumulatori etc.) respectiv :- declansarea oricarui intrerupator de 0,4kV;- tensiuni inafara limitelor admise;- lipsa tensiunii operative pentru alimentarea echipamentelor.

6.6.2. Functiuni DMS (Distribution Management System – aplicatii pentru retelele electrice de distributie a energiei electrice) Intr-un Sistem de Management a Distributiei energiei electrice (DMS), prezentarea geografica a informatiilor si a componentelor retelelor de distributie joaca un rol principal. Prin urmare, conectivitatea componentelor retelei de distributie intr-o prezentare geografica este de importanta majora. Din aceasta cauza, orientarea in tehnologia DMS este de a utiliza produse GIS (Geographic Information System) pentru a se crea structuri de baze de date care faciliteaza adaugarea sau stergerea echipamentelor intr-un mod interactiv, cartarea informatiilor aferente echipamentelor intr-o baza de date geografica si afisarea conectivitatii pe harti geografice.24. Cerinţe pentru un sistem de conducere centralizat al unei centrale hidroelectrice

7.1. Introducere

Aplicaţia prezintă cerinţele minimale pentru un sistem de conducere centralizat ,,propriu zis’’  al unei centrale hidroelectrice de putere mică/medie, nefiind luate în discuţie elementele care definesc sistemul SCADA Dispecer Hidro şi comunicaţia cu acesta.

Rolul sistemelor informatice în conducerea unui proces tehnologic trebuie să cuprindă următoarele aspecte :

- urmărirea operativă în timp real a desfăşurări procesului tehnologic;

Page 91: Subiecte scada

- îmbunătaţirea activităţii pe baza informaţiilor injectate prin feed-back;- crearea unor canale de comunicaţie pe verticală şi pe orizontală;- disponibilitatea si utilizarea capacitatilor tehnologice;- analiza avariilor şi a stărilor post avarie;- evidenţa tehnico-operativă privind starea instalaţiilor, a manevrelor, a regimului de

funcţionare realizat, a perturbaţiilor de proces, a comenzilor şi a rezultatelor obţinute;- remedierea deranjamentelor la nivelul tuturor instalaţiilor tehnologice;- verificarea prin adaptare şi integrare a aplicaţiilor în funcţiune sau în curs de realizare;- asigurarea setului de informaţii pentru un management performant;- asistarea conducerii la fundamentarea deciziilor.

Cerinţele prezentate pentru sistemul de conducere centralizat ,,propriu-zis’’ presupun ca elemente hardware:

- utilizarea echipamentelor de fortă şi comandă existente în centrală;- două calculatoare de automatizare pentru Servicii generale, unul de bază şi unul

redundant, în care se introduc module specializate de intrare (pentru sesizoare şi traductoare) şi de ieşire (pentru elementele de execuţie) calculatorul redundant asigurând oprirea în condiţii de siguranţă a instalaţiilor aferente în cazul defectării calculatorului principal;

- două calculatoare de automatizare pentru Servicii agregat, unul de bază şi unul redundant, în care se introduc module specializate de intrare (pentru sesizoare şi traductoare) şi de ieşire (pentru elementele de execuţie) calculatorul redundant asigurând oprirea în condiţii de siguranţă a hidroagregatului în cazul defectării calculatorului principal;

- PLC pentru centrala de control termic;- osciloperturbograf pentru supravegherea protecţiilor electrice;- traductoare cu ieşire în semnal unificat;- menţinerea regimului ,, manual ’’ de funcţionare pentru toate instalaţiile.

7.2. Caracteristicile sistemului SCADA

7.2.1.Funcţiile SCADA

Funcţiile SCADA care trebuie asigurate sunt:- achiziţia de date;- procesarea datelor;- procesarea alarmelor şi evenimentelor;- controlul supervizor;- verificarea validităţii operaţiunilor executate;- execuţia comenzilor secvenţiale;- procesarea istoricului de date;- analiza datelor perturbatorii;- baza de date pentru exploatare şi mentenanţă;- monitorizarea şi managementul sistemului computerizat;- realizarea comunicaţiei în reţea;- monitorizarea sistemului de comunicaţii;- vizualizarea schemelor sinoptice;- elaborarea pe baza datelor înregistrate a unor analize privind tendinţele anumitor

parametrii supravegheaţi.

7.2.2. Sistemul de securitate

Sistemul de securitate trebuie să permită urmatoarele:

Page 92: Subiecte scada

- activarea si dezactivarea sistemului de securitate;- crearea, modificarea şi stergerea conturilor utilizatorilor;- restricţionarea accesului utilizatorilor la anumite programe sau ecrane operator;- furnizarea protecţiei la scris pentru baza de date;- gruparea utilizatorilor în conturi de grup;- alocarea de drepturi la nivel de funcţie de aplicaţie ( de ex. părăsirea unui ecran,

desenarea unui obiect etc.);- definirea unor arii de securitate la nivel funcţional sau fizic, care pot restricţiona

accesul la resursele sistemului SCADA;- crearea unui mediu sigur în care utilizatorul să poată fi impiedicat să facă următoarele

operaţii:o să starteze alte task-uri;o să comute către task-uri neautorizate;o să părăsească ecranul curent;o să deschidă ecrane în care nu este autorizat;o să restarteze calculatorul.

7.2.3. Colectarea datelor pe termen lung (istoricul de date)

Sistemul de colectare a datelor pe termen lung trebuie să asigure:- un mod automat, cuprinzător şi pe termen lung de eşantionare, stocare şi afişare a

datelor din proces;- analiza tendinţelor procesului monitorizat;- arhivarea variabilelor din proces conform standardelor în vigoare;- analiza post-avarie;- stabilirea strategiei de colectare a datelor;- crearea de grafice bazate pe datele colectate, tipărirea şi exportarea sub formă de

fişiere ASCII a datelor colectate.

7.2.4. Generarea de rapoarte

Generarea de rapoarte trebuie să asigure:- producerea rapoartelor bazate pe valorile din baza de date, din datele istorice culese

sau pe valorile culese în timp real;- definirea şi stocarea rapoartelor în fişiere Excel;- generarea rapoartelor la momente de timp stabilite, la nivel de zi din săptămână şi oră

din zi şi repetarea acestui lucru la intervale de timp fixe;- trimiterea raportului, după generare, într-un fişier prestabilit sau direct la imprimantă.

7.2.5. Lucrul cu baze de date externe

Sistemul SCADA trebuie să permita scrierea şi citirea de date dintr-o bază de date externă la momente de timp stabilite sau declanşate de un anumit eveniment.

7.2.6. Sistemul de alarme si mesaje

Sistemul de alarme şi mesaje trebuie să asigure:- semnalizare la depăşirea unei limite stabilite de catre o valoare din proces prin

declanşarea unei alarme;- afişarea alarmei până când condiţia care a declanşat-o dispare şi operatorul o

confirmă;

Page 93: Subiecte scada

- generarea de mesaje despre activitatea sistemului, a operatorului şi a bazei de date, mesaje care pot fi inspectate ulterior;

- atribuirea de priorităţi alarmelor şi generarea de mesaje acustice la apariţia acestora;- salvarea alarmelor şi mesajelor într-un fişier;- asigurarea unui serviciu de istoric al alarmelor şi afişarea la cerere pe ecran a listei de

alarme şi mesaje.

7.2.7.Baza de date în timp real

Baza de date în timp real trebuie să fie formată din blocuri care vor îndeplini una din următoarele funcţii:

- prelucrarea datelor conform instrucţiunilor utilizatorului ( conform strategiei de control);

- compararea valorilor citite cu limitele de alarmare definite;- transmiterea semnalelor de alarmare către ecranele operator, imprimantă, fişiere şi

dispozitive de alarmare.Pentru a împiedica pe operator să facă schimbări neautorizate, sistemul SCADA trebuie să

asigure un sistem de securitate care să permită administratorului de sistem să acorde dreptul numai la acele blocuri din baza de date la care utilizatorul are dreptul. Pentru a avea acces la anumite date, operatorul trebuie să se instaleze în sistem cu numele şi parola corespunzătoare.

7.2.8. Limbajul de comandă

Limbajul de comandă trebuie să fie un limbaj de scriptare foarte puternic, care să permită automatizarea activităţilor operatorului prin intermediul unei serii de comenzi şi a unor parametrii. Aceste scripturi vor fi utilizate pentru:

- manipularea fişierelor;- tratarea alarmelor;- controlul blocurilor bazei de date;- rularea automată a altor aplicaţii;- încorporarea de profile de securitate particulare;- elaborarea de casete de dialog şi mesaje specializate pentru operator;- executarea de comenzi în alte aplicaţii folosind un server local sau aflat în reţea (ex.

generarea unui raport în Microsoft Excel);- lansarea în execuţie a unor programe externe ( ex. un program care culege la fiecare

sfert de oră datele privitoare la energia furnizată şi transmiterea acestora prin poşta electronică la o autoritate tutelară).

Executarea scripturilor va puea fi declansată de mai multe surse :- o combinaţie de taste;- închiderea şi deschiderea ecranelor operator;- selectarea unui buton;- selectarea unui obiect prin legarea scriptului de proprietăţile dinamice ale acestuia.

7.3. Centrala hidroelectrică

Arhitectura sistemului informatic de proces la nivelul centralei hidroelectrice va cuprinde:- calculatoarele de automatizare de bază şi redundante;- centrala de protecţie termică;- osciloperturbograful;- consola operator.

Elementele sistemului informatic vor fi cuplate între ele prin reţea locala Ethernet sau prin magistrale de câmp.

Page 94: Subiecte scada

Va fi asigurată citirea automată a contoarelor.Sistemul informatic de proces va fi cuplat la instalaţia de automatizare cu relee existentă si va

asigura de asemenea integrarea contoarelor electrice inteligente şi a altor traductoare inteligente ce urmeaza a fi instalate.

7.3.1. Consola operator

Cerinţe:- va fi realizată cu o staţie industrială compatibilă IBM PC, care va asigura protecţia

monitorului VGA contra câmpului electromagnetic din centrala hidroelectrică;- cuplarea la calculatorul de automatizare va fi facută prin intermediul unei reţele locale

Ethernet, utilizând protocolul TCP/IP;- sistemul de operare va fi Windows XP;- pentru dezvoltarea aplicaţiei va fi folosit un sistem SCADA performant.

7.3.2. Calculatorul de automatizare

Calculatorul de automatizare trebuie să aibe următoarele caracteristici generale:- arhitectură deschisă care să permită atât procesarea distribuită, cât şi centralizată a

datelor;- capacitatea de procesare a volumului de date necesar aplicaţiei de comandă şi control

grupuri hidro;- arhitectură modulară, care să permită extinderi în viitor;- operare robustă, pentru ca defectarea unui modul periferic să nu blocheze funcţionarea

sistemului;- posibilitatea de înlocuire a modulelor prin scoaterea acestora în timpul funcţionării;- asigurarea răcirii sistemului ( inclusiv unitatea centrală) prin convecţie naturală;- capacitate de autotestarea a sistemului în timpul funcţionării;- software de aplicaţie rezident atât pe suport magnetic cât şi pe disc FLASH;- asigurarea comunicării cu modulele distribuite de I/O cu diverse protocoale:

o IEC 1107 pentru contoare inteligente;o MODBUS ( serial si Ethernet folosind TCP/IP);o PROFIBUS DP;

- indicatori luminoşi (LED) la nivelul fiecărui modul pentru specificarea activităţii modulului, starea intrării/ieşirilor şi starea de alarmă ( în funcţie de tipul modulului);

- alimentarea sistemului la 230 V cc şi asigurarea unei autonomii de funcţionare de 1-2 ore;

- îndeplinirea cerinţelor, conform standardelor în vigoare, referitoarea la:o compatibilitate electromagnetică;o perturbaţii radioelectrice;o imunitate pentru echipamente montate în staţii electrice-medii industriale;o teste de perturbaţii la impulsuri de înaltă frecvenţă;o şocuri mecanice;o şocuri de înaltă frecvenţă.

- calculatorul de automatizare va consta dintr-o unitate centrală şi un număr de module periferice care au propria capacitate de procesare, module care vor asigura procesarea locală a informaţiei;

- sistemul va permite atât configuraţii centralizate, cât şi culegerea de date în mod distribuit;

- calculatorul de automatizare va permite:

Page 95: Subiecte scada

o administrarea programului de aplicaţie de la distanţă, cum ar fi oprirea/pornirea aplicaţiei, descărcarea unei noi versiuni a aplicaţiei, efectuarea de comenzi la nivelul sistemului de operare, etc.;

o integrarea de dispozitive inteligente de intrare/ ieşire, cum ar fi contoare electronice, protecţii termice hidroagregat, etc.;

o sincronizarea standard a ceasului de timp real prin GPS.

7.3.3. Unitatea centrală

Cerinţe pentru unitatea centrală :- să fie compatibilă IBM PC;- sa conţină minimum 4 porturi seriale pentru conectarea cu controllere logice

programabile (PLC), dispozitive inteligente de I/O, contoare electronice, etc., cu posibilitatea comunicaţiei pe fibră optică sau prin legatură GSM şi/sau satelit;

- să posede o interfaţă Ethernet pentru conectarea cu consola operator şi cu alte dispozitive care posedă interfeţe asemănătoare;

- dacă se consideră necesar, calculatoarele pot fi cuplate la reţea prin intermediul unui hub comutat;

- consola locală va fi alcătuită dintr-un monitor VGA şi o tastatură cu 101 taste care va permite:

o parametrizarea programului de aplicaţie ( configurarea bazei de date);o vizualizarea datelor din procesul industrial;o comanda grupurilor conectate ( pornire, oprire, modificare consemn).

- sistemul de operare va prezenta:o multitasking integrat;o comunicaţie şi sincronizare interprocese;o alocare dinamică a memoriei;o timere şi semnale.

- controlerul de întrerupere va asigura un nivel pentru fiecare modul conectat;- ceasul intern al unităţii centrale va funcţiona cu rezoluţia de 1 ms, va sincroniza ceasul

de timp real al modulelor periferice şi va fi sincronizat prin GPS;- unitatea centrală va avea watch-dog propriu iar driverele modulelor periferice vor

asigura această funcţie fată de modulele periferice gestionate;- domeniul de temperatură de funcţionare va fi 0-500C, unitatea centrală trebuind să

posede sistem de supraveghere a atingerii temperaturii maxime în sertarul echipat şi să semnalizeze programului de aplicaţie depăşirea acestei temperaturi.

7.3.4. Modulele de intrare/ieşire

Modulele de intrare/ieşire trebuie să posede capacitate proprie de procesare şi să permită achiziţia şi procesarea unor tipuri de semnale specifice, furnizând în acest scop funcţii de procesare şi stocare/bufferare specifice.

Aceste module vor fi, în consecinţă, module inteligente, vor conţine microcontrolere şi vor fi configurate ca ,,slave’’ faţă de unitatea centrală.

7.3.4.1. Modulul de intrări digitale

Modulul de intrări digitale realizează :

Page 96: Subiecte scada

- sesizarea schimbării de stare la nivelul canalelor de intrare;- memorarea acestor schimbări împreună cu momentul de timp al producerii lor.

Cerinţe :- izolaţie galvanică între canalele de intrare şi între canalele de intrare şi masa logică de

pe modul;- nivel 0L la intrare : 0-5 V;- nivel 1L la intrare : 19-24 V;- toate intrările digitale vor fi scanate la intervale de 10 ms, conform standardului IEC

870-3;- filtrarea locală a vibraţiilor contactelor, parametrii filtrării fiind programabili la nivelul

fiecărui punct de intrare;- pentru a nu pierde informaţia în cazul aparitiei unui număr foarte mare de schimbări de

stare, modulul trebuie sa fie capabil să memoreze un număr cât mai mare de asemenea evenimente;

- pentru a păstra secvenţa evenimentelor, modulul trebuie să menţină un ceas de timp real sincronizat de către unitatea centrală şi să ataşeze o marca de timp fiecărui eveniment;

- watch-dog pentru supravegherea microcontrolerului;- circuit de monitorizare a tensiunii de alimentare;- monitorizarea prezenţei conectorilor de proces;- indicatoare luminoase (LED) care să semnalizeze:

o starea de activitate a plăcii;o starea intrărilor;o comunicaţia cu unitatea centrală;o apariţia unor modificări a stării intrării, etc. 

7.3.4.2. Modulul de intrări analogice

Modulul de intrări analogice are rolul de a culege din proces valorile unor semnale analogice bipolare.

Cerinţe :- izolaţie galvanică între canalele de intrare şi între canalele de intrare şi masa logică de

pe placă;- rezoluţia convertorului A/D : 12 biţi;- precizia : 2% din scală;- domeniul tensiunii de intrare :+/- 2V ( conversia de la semnal unificat în curent prin

rezistenţe de precizie puse în paralel cu intrările);- scanare automată a canalelor de intrare la un interval de timp programabil de către

utilizator în gama 1-255 sec (default 3 sec.);- filtrare hardware a semnalelor de intrare în scopul eliminării zgomotelor;- timp de citire a unui canal :1,5 ms;- watch-dog pentru supravegherea microcontrolerului;- circuit de monitorizare a tensiunii de alimentare;- monitorizarea prezenţei conectorilor de proces;- indicatoare luminoase (LED) care să semnalizeze:

o starea de activitate a plăcii;o starea intrărilor;o comunicaţia cu unitatea centrală;○ executarea conversiei analog/numerice.

7.3.4.3. Modulul de intrări impulsuri (opţional)

Page 97: Subiecte scada

Modulul de intrări impulsuri trebuie să culeagă impulsuri de la contoarele elecromecanice de energie electrica care se mai găsesc în centrala hidroelectrică.

Cerinţe:- frecvenţa maximă a impulsurilor : 400 Hz;- durata minimă a unui impuls : 50μs;- izolaţie galvanică între canalele de intrare şi între canalele de intrare şi masa logică de

pe placă;- 0 L nivel la intrare : 0-3 V;- nivel 1 L la intrare : 9-12 V;- modulul să furnizeze, la cerere:

o numărul total de impulsuri pentru fiecare canal;o numărul de impulsuri pe minut pentru fiecare canal;o numărul de impulsuri pe sfert de oră şi pe oră pentru fiecare canal;

- watch-dog pentru supravegherea microcontrollerului;- circuit de monitorizare a tensiunii de alimentare;- monitorizarea prezenţei conectorilor de proces;- indicatoare luminoase (LED) care să semnalizeze:

o starea de activitate a plăcii;o starea intrărilor;o comunicaţia cu unitatea centrală;o existenţa impulsurilor pe oricare din canalele de intrare ale modulului.

7.3.4.4. Modulul de ieşiri numerice

Modulul de ieşiri numerice are rolul de a executa comenzile date către instalaţia de automatizare din centrala hidroelectrică.

Cerinţe :- ieşiri pe contact de releu reed;- caracteristicile electrice ale ieşirii numerice pe sarcină rezistivă : 24 V/300mA;- protectia contactului în regim de comandă cu siguranţă;- confirmarea executării comenzii cu ajutorul unui contact auxiliar;- alimentare comandată prin microcontroller a releelor de ieşire, pentru a putea deschide

contactul de ieşire în cazul refuzului de comandă, caz în care se blochează ieşirile plăcii în starea contact deschis ( eroare de tip refuz de comandă);

- posibilitatea executării de comenzi simple de tip contact închis/contact deschis;- posibilitatea executării de comenzi de tip monostabil sau de comenzi tip tren de

impulsuri, cu posibilitatea parametrizării de către utilizator a caracteristicilor comenzilor;

- durata minimă a unei comenzi : 10 ms;- watch-dog pentru supravegherea microcontrolerului;- circuit de monitorizare a tensiunii de alimentare;- monitorizarea prezenţei conectorilor de proces;- indicatoare luminoase (LED) care să semnalizeze:

o starea de activitate a plăcii;o starea intrărilor;o comunicaţia cu unitatea centrală;o starea logică a canalelor de iesire;o starea de eroare a plăcii;

- în cazul în care comunicaţia cu unitatea centrală nu mai funcţionează să se realizeze blocarea ieşirilor în starea de contact deschis.

Page 98: Subiecte scada

7.4. Centrala de protectie termică

Centrala de protecţie termică se va cupla la calculatorul de automatizare la nivelel unei magistrale de câmp şi va comunica acestuia parametrii şi valorile din procesul industrial.

Cerinţe:- să fie realizată cu un Controller Logic Programabil compatibil IBM PC (OPEN PLC);- domeniul maxim de măsură :0-200 0C;- clasa de precizie :0,5%;- timpul maxim de scanare a valorilor canalelor de intrare faţă de limitele prescrise :

max. 30 sec.;- alimentare la 230 Vcc;- separaţia galvanică între sursa de alimentare şi traductoarele de temperatură să fie de

100 Vcc ;- temperatura de lucru a sistemulu : 0-500C;- posibilitatea de conectare a 60 de traductoare de temperatură Pt 100;- semnalizare termorezistenţă întreruptă sau în scurt circuit, caz în care nu va declanşa

hidroagregatul (HA);- pentru fiecare grup de măsură se vor semnaliza 2 praguri de temperatură (semnalizare

si protecţie) precum şi depăşirea creşterii maxime a temperaturii pe un interval de temperatura dat, valorile acestora fiind setabile de către utilizator;

- canalele care produc declanşarea să fie incluse într-un grup de declanşare;- fiecare canal de măsură sa fie validat individual;- sistemul să permită validarea generala a declanşării HA;- memorarea de către sistem a timpului pe care fiecare canal l-a petrecut în starea de

alarmă;- memorarea ultimelor 30 de alarme ( depăşiri ale valorilor limită);- memorarea valorilor canalelor de intrare pe ultimele 7 zile, din oră în oră;- afişarea temperaturii şi a variatiei mărimii acesteia pe un interval de timp dat (să poată

fi definită de catre utilizator) pentru fiecare punct în parte prin baleiere sau afişare la cerere;

- autotestare ciclică, cu semnalizarea stării de funcţionare;- semnalizare hard a funcţionării PLC;- compensare conexiune termorezistenţă ( traseu cu 3 sau 4 fire);- consolă de afişare conectabilă la sistemul de monitorizare care să permită:

o parametrizarea sistemului;o afişarea valorilor măsurate;o afisarea parametrilor de funcţionare;o afişarea alarmelor;

- procesor de comunicaţie în standard MODBUS, cu viteza setabilă la 9600 bps sau 19200 bps, adresa setabilă în intervalul 1-32, interfaţa RS 422/485 şi RS 232 (selectabilă);

- posibilitatea de personalizare a denumirii canalelor de intrare (max 8 caractere) fie de către producător, fie de către beneficiar prin intermediul consolei de programare;

- indeplinirea cerinţelor, conform standardelor în vigoare, referitoarea la:o compatibilitate electromagnetică;o perturbaţii radioelectrice;o imunitate pentru echipamente montate în staţii electrice-medii industriale;o teste de perturbaţii la impulsuri de înaltă frecvenţă;o şocuri mecanice;

şocuri de înaltă frecvenţă.25. Standarde industriale: RS 232, RS 423

Page 99: Subiecte scada

26.Standarde industriale: RS 422, RS 485 Subiectul 25 & 26, trebuie căutate pe Google!


Recommended