1
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
1.1.Generalităţi.
Tehnologia informaţiei (IT – Information technology) - domeniul cu cea mai rapidă creştere şi
cel mai puternic impact asupra tuturor celorlalte tehnologii cunoscute, fiind de aceea considerată
ca având rolul determinant în tranziţia către o nouă eră - postindustrială.
Principalii factori care au favorizat creşterea şi au stimulat dezvoltarea acestui domeniu sunt
progresele înregistrate în domeniile:
● Microelectronicii;
● Comunicaţiilor.
Tehnologia informaţiei a determinat deja schimbarea ierarhiilor, a structurilor şi a fluxurilor
informaţionale în domeniul biroticii şi are un impact din ce în ce mai mare asupra automaticii,
acoperind acum toate sectoarele, de la industriile prelucrătoare şi manufacturiere, până la
bunurile de larg consum şi automatizarea clădirilor. În prezent, performanţele sistemelor de
conducere moderne nu mai sunt determinate doar de controlerele şi dispozitivele de automatizare
folosite, ci şi de mediul în care acestea funcţionează:
● vizualizarea;
● monitorizarea;
● operarea instalaţiilor conduse;
● existenţa unui sistem de comunicaţii performant.
Capacitatea dispozitivelor de a schimba informaţii prin intermediul unor căi de comunicaţie
continue şi transparente a devenit deja o component indispensabilă în structura sistemelor de
conducere moderne.
1.2.Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii
Conceptul de conducere distribuită, despre care se afirmă de obicei că s-a dezvoltat în anii 1930,
are de fapt origini cu mult anterioare acestei perioade. În fabricile din secolul al 19-lea erau
utilizate diverse sisteme de comandă discrete, controlere mecanice, regulatoare de turaţie pentru
motoare etc. Toate aceste sisteme de conducere nu erau interconectate şi erau “distribuite”
geografic, amplasate în diverse puncte de lucru din cadrul fabricii. Mai mulţi operatori circulau
între punctele de lucru, supraveghind atent sistemele de conducere ale instalaţiilor şi efectuînd
corecţiile necesare. Integrarea tuturor sistemelor într-o reţea la nivelul întregii fabricii necesita o
comunicare –adeseori verbală – între aceşti tehnicieni itineranţi. Însă, pe măsură ce dimensiunile
fabricilor au crescut şi procesele din punctele de lucru au devenit tot mai complexe, sistemele de
conducere izolate – chiar şi asistate de o armată de tehnicieni – nu au mai reuşit să menţină o
funcţionare eficientă a fabricii în ansamblu. Dezvoltarea sistemelor de transmisie a datelor a
permis ca valorile măsurate ale semnalelor de la senzori să fie transmise într-un punct de
comandă central, pentru realizarea calculelor,după care rezultatele erau transmise înapoi, către
elementele finale de execuţie.
2
Toate informaţiile erau acum disponibile operatorilor grupaţi într-un loc central, iar acest fapt le
permitea să ia decizii mai bune. Existenţa unui sistem de comunicaţie permitea realizarea unei
conduceri centralizate, în condiţiile în care dispozitivele de I/E nu puteau fi altfel decât
distribuite. Realizarea de sisteme de conducere electronice în logică cablată şi ulterior,
programabilă (PLC – Programmable Logic Controller) a marcat o etapă importantă în
conducerea proceselor. Ultimul pas major în această evoluţie avea loc în 1959, când primul
sistem de conducere cu calculatorul era instalat într-o rafinărie din Port Arthur, Texas. Odată cu
apariţia controlerelor programabile, bazate pe microprocesoare şi microcontrolere, o parte din
funcţiile de decizie care anterior erau centralizate, au fost distribuite din ce în ce mai aproape de
dispozitivele I/E, pe niveluri ierarhice, ajungând să fie integrate şi la nivelul senzorilor şi
elementelor de execuţie (“intelligent sensors and actuators”). Sistemele de conducere distribuită
sunt utilizate din ce în ce mai mult, atât în sistemele de fabricaţie, cât şi în automatizarea
proceselor continue. Cu ajutorul acestora, un task de conducere complex poate fi împărţit, de
regulă pe criterii funcţionale, în mai multe subtaskuri, mai uşor de gestionat.
Drept urmare, este necesară o comunicaţie eficientă între subtaskurile implementate pe sisteme
distribuite geografic.
Distribuirea funcţiilor de conducere are numeroase avantaje, dintre care se pot menţiona:
- funcţionarea independentă sau simultană a unor porţiuni distincte ale sistemului condus, sub
controlul unor unităţi distincte;
- realizarea unor programe de conducere mai simple şi mai clare;
- prelucrarea paralelă prin distribuirea sarcinilor pe mai multe unităţi de prelucrare.
Aceste avantaje conduc la creşterea performanţelor sistemului de conducere distribuită prin:
- timpi mai mici de reacţie la schimbările survenite în sistemul condus;
- reducerea încărcării unităţilor de conducere individuale;
- structuri compuse la nivel de sistem pentru realizarea unor operaţii de diagnoză şi înregistrare;
- creşterea disponibilităţii sistemului, întrucât dacă o unitate se defectează,celelalte pot continua
operarea.
O primă împărţire funcţională, naturală, a sarcinilor în cadrul unei întreprinderi conduce la o
structură ierarhizată a comunicaţiilor, pe două niveluri de bază:
- nivelul producţiei nemijlocite;
- nivelul de management al producţiei.
O rafinare suplimentară a acestei ierarhii, pe baza complexităţii şi naturii sarcinilor întâlnite la
cele două niveluri principale, conduce la un model ierarhizat pe 5 niveluri, ca în figura 1.1.
3
Pentru a înţelege mai bine acest model, să observăm că aceeaşi ierarhie se regăseşte şi în modul
de organizare a personalului din cadrul întreprinderii (fig.1.2.).
Informaţia trebuie comunicată în ambele sensuri, atât între nivelurile ierarhice cât şi în cadrul
aceluiaşi nivel.
Muncitorii monitorizează şi lucrează cu maşinile şi dispozitivele de producţie de care răspund.
Maistrul răspunde de activitatea la nivel de celulă, inginerul conduce un grup de celule sau o
secţie, iar managerul conduce activitatea întregii fabrici. Îndatoririle tipice ale fiecăruia, care vor
fi detaliate în continuare, corespund funcţiilor de conducere din modelul comunicaţiilor.
1.3.Nivelul de dispozitiv
Acest nivel constă din dispozitive de I/E (I/O devices) amplasate în imediata proximitate a
procesului (field devices) cum ar fi: valve, senzori, acţionări electrice sau controlere de
temperatură (fig.1.3.). Marea majoritate dispozitivelor întâlnite în întreprinderi sunt dispozitive
foarte simple, fără posibilitatea de a comunica altceva către controlerul programabil sau
calculator decât un semnal binar de tipul “închis – deschis”. În ultimul timp, producătorii de
dispozitive le-au adăugat facilităţi de comunicaţie care le permit conectarea la o magistrală.
● se reduce costul conectării dispozitivelor la controler;
● creşte flexibilitatea sistemului întrucât pot fi făcute modificări prin simpla
inserare sau extragere a dispozitivului pe/de pe magistrală;
● există posibilitatea interschimbării dispozitivelor de la diverşi producători,cu condiţia ca
aceste produse să respecte standardul de magistrală (interoperabilitate).
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.
2.1.Nivelul de celula.
O celulă este un grup format din maşini de tipuri diferite care sunt utilizate pentru realizarea
unuia sau mai multor produse similare. Fiecare maşină are de regulă un tip de program aparte şi
propriul său protocol de comunicaţie, ceea ce le împiedică să comunice direct între ele.
4
Comparând aceasta cu modelul organizării personalului, vom regăsi la acest nivel supervizorul
(maistrul). Acesta află ce trebuie să producă în fiecare zi, desemnează muncitorii care trebuie să
execute fiecare operaţie necesară. Maistrul asigură printr-o bună comunicare şi coordonare a
eforturilor realizarea sarcinilor zilnice de serviciu de către muncitorii din subordinea sa.
Rolul controlerului de celulă (cell controller) este acela de a integra maşini diferite într-o celulă
unitară, comunicând cu fiecare maşină pentru a încărca/descărca programe, pentru a
interschimba informaţii de stare, pentru a porni, a opri şi a monitoriza performanţele fiecărei
maşini. Pot exista mai multe controlere de celulă într-o secţie, tot aşa cum pot exista mai mulţi
maiştri; fiecare conduce activitatea unui grup de maşini. Fiecare controler de celulă poate dialoga
cu celelalte controlere, precum şi cu nivelul ierarhic imediat superior. La acest nivel se utilizează
două tipuri de comunicaţie: primitivă şi complexă (de
obicei serială).
Comunicaţii primitive
Unele maşini nu dispun de posibilităţi de comunicaţie. În acest caz se poate utiliza un mod
primitiv de comunicare, folosind pentru dialog câteva linii de I/E. Acest mod are limitări severe,
întrucât nu permite, de exemplu, încărcarea şi descărcarea de programe sau actualizarea unor
variabile.
Comunicaţii seriale
Cele mai multe dintre maşini dispun drept facilităţi de comunicaţie de cel puţin un port serial
asincron în standardul RS-232. Însă nu este suficient ca două maşini să aibă fiecare câte un port
RS-232 pentru a putea comunica între ele. De regulă, fiecare foloseşte propriul său protocol,
ceea ce împiedică comunicarea. Standardul RS-232 defineşte câte o funcţie pentru fiecare dintre
cei 25 de pini ai conectorului DB25, dar nu impune utilizarea tuturor acestor pini.
Unii producători folosesc doar trei linii (TxD, RxD, GND), alţii folosesc linii suplimentare de
dialog (RTS, CTS). Alte standarde cum ar fi RS-422 şi RS-423 încearcă să elimine dezavantajele
standardului RS-232: o distanţă redusă şi viteză mică de comunicaţie.
Datorită faptului că utilizează o singură masă comună, perturbaţiile au un effect puternic asupra
datelor vehiculate. Pentru aceasta, RS-422 foloseşte linii balansate (diferenţiale), cu linii de masă
separate pentru transmisie şi recepţie. RS-423 este similară cu RS-422, dar foloseşte o singură
linie de masă. Standardul RS-449 defineşte complet caracteristicile mecanice şi electrice ale
specificaţiilor RS-422 şi RS-423. RS-485 este o variantă a standardului RS-422, folosind un
semnal diferenţial între –7V şi 12V, dar permite realizarea de comunicaţii multipunct.
5
Aceasta înseamnă că pe aceeaşi linie se pot conecta mai multe dispozitive (de obicei maximum
32), fiecare având posibilitatea de a recunoaşte mesajele care îi sunt adresate şi de a le ignora pe
celelalte.
Tipuri de controlere de celulă
Atât echipamentele de tip PC industrial, cât şi controlerele programabile (PLC) pot fi utilizate
în aplicaţiile de conducere la nivel de celulă. De fapt, linia de demarcaţie între PC şi PLC este
destul de confuză. Există avantaje şi dezavantaje pentru ambele tipuri de controlere.Controlerele
programabile au avantajul că pot fi uşor de utilizat de către tehnicieni.
De asemenea, cu ajutorul lor pot fi uşor de implementat comunicaţiile primitive, iar dacă există
mai multe PLC-uri de la acelaşi producator, atunci pot uşor comunica printr-o magistrala
industrial - proprietate a acelui producător. PLC-urile sunt mai greu de utilizat atunci când în
celulă există dispositive aparţinând mai multor producători.
Ele nu oferă la fel de multă flexibilitate operatorului ca şi PC-urile, deşi în ultimul timp
terminalele şi afişajele grafice au început să intre şi în structura PLC-urilor.
Utilizarea calculatoarelor ca şi controlere de celulă este în plină expansiune.
Un calculator oferă mai multă flexibilitate şi putere de calcul decât un PLC.
De asemenea, un calculator are mult mai multe facilităţi de comunicaţie decât oricare PLC.
De fapt, toţi producătorii de dispozitive prevăd pentru acestea o posibilitate de comunicaţie cu un
calculator IBM PC sau compatibil şi mai puţin îi interesează comunicaţia cu alte mărci de PLC-
uri, cu roboţi etc. De aceea, este mult mai uşor pentru un calculator să preia rolul de controler de
celulă: acesta poate comunica cu toate dispozitivele din celulă.
Comunicaţia la nivelul celulei este realizată de obicei prin intermediul unui pachet software de
tip SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Acesta este un pachet de programe
care, prin intermediul unor drivere de comunicaţie adecvate, permite dialogul cu o mare varietate
de dispozitive (vezi fig.1.5). Scrierea programelor se face cu ajutorul unor meniuri sau
pictograme. Astfel, programele de tip SCADA permit ca operatorii tehnologi, cei care cunosc cel
mai bine aplicaţia, să poată să scrie efectiv programul de conducere.
Datele culese de pachetele SCADA sunt înregistrate, sunt utilizate în analize statistice, sunt
folosite pentru ajustarea procesului sau sunt prezentate operatorului sub o forma grafică
sugestivă.
6
2.2.Nivelul de secţie
Controlerele de zonă (area controllers) au funcţia de supervizare. Ele primesc comenzi de la
nivelul ierarhic superior, apoi dau de lucru celulelor pentru realizarea sarcinilor. De asemenea,
ele comunică cu controlerele altor secţii pentru a sincroniza producţia. Controlerele de secţie
folosesc comunicaţii sincrone prin reţele locale (LAN – Local Area Network), ca în figura 1.6.
Reţelele locale utilizează o mare varietate de topologii, medii de comunicaţie şi tehnici de acces
la mediu, ceea ce a condus la existenţa a numeroase protocoale de comunicaţie. Încercările de a
impune un standard unic de comunicaţie la acest nivel nu sunt încă pe deplin acceptate, deoarece
aceasta ar însemna înlocuirea tuturor echipamentelor existente în întreprinderi. Acestea din urmă
au făcut deja investiţii substanţiale în alte protocoale (standard de producător, de ţară sau
regionale) şi nu sunt dispuse să suporte pierderile şi cheltuielile suplimentare pe care le-ar
presupune trecerea la un nou protocol.
2.3.Nivelul de fabrică
Conducerea de la acest nivel (host controller) se realizează de regulă cu ajutorul unuia sau mai
multor calculatoare puternice, pe care rulează pachete de programe de gestiune a afacerilor, de
proiectare a produselor şi de comunicaţie între echipamentele de birotică (fig.1.7).
Programele de management al afacerilor sunt pachete de tip MRP (Manufacturing Resource
Planning).
Acestea sunt folosite:
● pentru a introduce comenzi, liste de materiale;
● pentru inventarierea resurselor interne
● verificarea resurselor financiare ale clienţilor.
Ele generează:
comenzi de lucru pentru nivelul inferior;
comenzi pentru aprovizionarea cu materii prime, materiale şi subansamble;
planifică succesiunea operaţiilor şi facturează produsele livrate.
7
Acest nivel este utilizat din ce în ce mai mult pentru optimizarea funcţionării întreprinderii, pe
baza datelor culese automat de la nivelurile inferioare.
2.4.Reţele industriale în sisteme de conducere
Progresele înregistrate în ultimul timp în domeniul calculatoarelor şi al reţelelor de comunicaţii a
determinat mutaţii importante în ierarhia comunicaţiilor industriale.
Două dintre aceste schimbări majore sunt ilustrate în fig.1.8.
În primul rând, datorită creşterii puterii de calcul şi a facilităţilor de comunicaţie al
microcalculatoarelor, nivelul de secţie a dispărut, fiind absorbit de nivelul de fabrică.
Atât nivelul de fabrică, cât şi nivelul de celulă se conectează la aceeaşi reţea de uz general:
Ethernet, ARCNet, FDDI, IBM Token Ring, MAP.
8
Aceste reţele sunt utilizate pentru culegerea datelor, transmiterea comenzilor şi accesul de la
distanţă la procesul de producţie. O astfel de reţea asigură comunicaţia prin mesaje între oricare
două noduri conectate la reţea, precum şi între reţele diferite, prin intermediul unor echipamente
de legătură. Cea de-a doua mare schimbare se petrece la nivelul maşinilor şi al dispozitivelor.
Deşi unele dispozitive încă se mai conectează direct la controlerul maşinii, din ce în ce mai multe
dispozitive sunt interconectate la acesta printr-o reţea. La aceste niveluri se utilizează două tipuri
principale de reţele industriale: reţele de proces (process buses) şi reţele de dispozitiv (device
buses).
3. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. SCADA, control supervizor şi
achiziţii de date. Introducere. Elementele sistemelor SCADA. Sisteme în timp real.
SISTEME DE SUPRAVEGHERE SI CONTROL A INSTALAŢIILOR INDUSTRIALE
2.1. SCADA, control supervizor si achiziţii de date
2.1.1. Introducere
SCADA este tehnologia care oferă utilizatorului posibilitatea să colecteze date de la
unul sau mai multe echipamente aflate la distanţă şi să transmită un set limitat de instrucţiuni
de comandă acestor echipamente. SCADA face să nu mai fie necesar ca un operator să stea
sau să inspecteze frecvent acele locaţii telecomandate în cazul în care acestea funcţionează
normal. SCADA include interfaţa operator şi manipularea datelor concrete ale aplicaţiei dar nu
se limitează numai la asta. Unii producători oferă pachete software pe care le denumesc SCADA
şi deşi acestea sunt adecvate pentru a funcţiona ca părţi ale unui sistem SCADA,
deoarece asigură legături de comunicaţie cu alte echipamente necesare, ele nu sunt un sistem
SCADA complet. SCADA este acronimul format din primele litere ale termenilor: „supervisory
control and data acquisition” (control de supervizare si achiziţie de date). Deşi termenii de bază
nu se referă la termenul distanţă, acesta este comun tuturor sistemelor SCADA. Un astfel de
sistem permite unui operator să realizeze schimbarea punctului de functionare al unui regulator
aflat la distanţă, să închidă sau să deschidă vane sau întreruptoare, să monitorizeze alarme şi să
distribuie informaţii despre măsurători de la o unitate centrală la o instalaţie distribuită în spaţiu.
Când dimensiunile unui proces devin foarte mari (sute / mii km), se pot aprecia
beneficiile SCADA, în sensul reducerii costurilor vizitelor de rutină pentru urmărirea
funcţionării echipamentelor. Tehnologia SCADA se aplică cel mai bine proceselor care sunt
distribuite pe suprafeţe largi, sunt relativ simple de controlat si urmărit si care necesită
intervenţii frecvente, regulate sau imediate.
Exemple de astfel de procese pot fi următoarele:
1. Grupuri de staţii hidroenergetice mici care sunt pornite şi oprite ca răspuns al cererii
de energie al clienţilor si care sunt localizate, în general, în locuri îndepărtate. Acestea pot fi
comandate prin închiderea sau deschiderea unor vane a turbinei, trebuie să fie urmărite
continuu şi să răspundă rapid cererilor dispecerului energetic;
2. Zone de extracţie petrol şi gaze, incluzând sonde, sisteme de colectare, echipament de
măsurare a debitelor si pompe. Sunt în general distribuite pe arii largi, necesită comenzi
relativ simple, cum ar fi pornirea sau oprirea motoarelor, necesită centralizarea informaţiilor
metrologice în mod regulat si trebuie să răspundă rapid la condiţiile restului exploatării;
9
3. Reţele de distribuţie gaz, petrol, produse chimice, apa, care au elemente ce sunt
localizate la diferite distanţe de la un punct central de control. Acestea pot fi comandate prin
închiderea sau deschiderea unor vane sau pornirea şi oprirea unor pompe si trebuie să
răspundă rapid condiţiilor pieţei şi pierderilor de materiale toxice sau periculoase;
4. Sisteme de transmisie electrice, care acoperă mii de km2, pot fi comandate prin
închiderea sau deschiderea întreruptoarelor şi trebuie să răspundă aproape instantaneu de
sarcina de pe linie;
5. Sisteme de irigaţii care acoperă sute de km2, pot fi comandate prin închiderea sau
deschiderea unor simple vane şi necesită centralizarea informaţiilor metrologice asupra
cantităţilor de apă furnizate consumatorilor. În afara acestor exemple de comenzi relativ simple,
SCADA poate fi utilizată şi pentru comenzi mai complexe, datorită evoluţiei tehnologiei. Pe
liniile de transmisie, între unităţile îndepărtate şi unitatea centrală SCADA, pot fi transmise
bidirecţional, atât informaţii binare cât şi analogice (comenzi de pornire/oprire, comenzi pentru
schimbarea poziţiei vanelor).
2.1.2. Elementele sistemelor SCADA
10
Componentele sistemului SCADA se prezintă în Figura 2.1. În centru este un operator care
accesează sistemul prin intermediul unui echipament interfaţă numit "consola operator".
Aceasta funcţionează ca o fereastră a operatorului către proces. Consola operator este alcătuită
din două elemente: o unitate display (VDU- Video Display Unit), care afişează date în timp real
despre proces şi o tastatură pentru a introduce comenzile operatorului sau mesajele către
proces.Accesul operatorului în sistem se face prin MTU (Master Terminal Unit) care este
controlerul sistemului. Unele industrii folosesc termenul de „host computer”. Unitatea MTU este
totdeauna bazată pe un calculator. Ea poate monitoriza şi comanda instalaŃia chiar şi când
operatorul nu este prezent. Aceasta se poate realiza prin intermediul unor agende ce pot fi
programate să repete anumite instrucţiuni, la intervale prestabilite. De exemplu, se poate
programa să se ceară informaţii periodice de la RTU (Remote Terminal Unit), ce sunt localizate
departe de staţia centrală.Un sistem SCADA poate avea de la câteva RTU la câteva sute.
Comunicarea se poate face prin două modalităŃi obisnuite: fie cu linii terestre( cabluri de fibre
optice sau electrice),
11
care pot fi proprietatea firmei care utilizează sistemul SCADA sau pot fi închiriate de la
companii telefonice şi prin radio. Sistemele mari pot utiliza combinaţii de sisteme de
comunicaţie radio şi telefonice.În ambele cazuri, este necesar un MODEM (MOdulează si
DEModulează semnale pe o purtătoare). În general, sistemele SCADA controlează procese
simple, cantitatea de informaţii este mică si deci vitezele de transmisie sunt mici. Uzual, vitezele
sunt de ordinul 300 bps (biţi/sec). Sistemele electrice necesită viteze mai mari (2400bps) dar care
sunt încă acceptabile pentru liniile telefonice obisnuite. În mod normal, unităţile MTU au
echipamente auxiliare: imprimante, memorii tampon (backup memories). Acestea sunt
considerate ca făcând parte din MTU. MTU poate comunica către nivele ierarhice superioare
transmiţând informaţii despre starea sistemului prin intermediul unor linii speciale sau, mai nou,
prin reţele LAN ( Local Area Network). În cele mai multe sisteme SCADA, MTU poate primi
informaţii de la alte calculatoare.În felul acesta, programe care rulează pe alte calculatoare pot
asigura un control supervizor al sistemului SCADA. Desi comenzile ce sunt date într-un sistem
SCADA sunt, în general, limitate, această facilitate este caracteristica distinctivă a sistemelor
SCADA . SCADA este un sistem bidirecţional care permite nu numai să se monitorizeze o
instalaţie dar să se si acţioneze asupra ei. Partea de control supervizor a unui sistem SCADA
are această funcţie.
2.1.3. Sisteme în timp real
Mult timp SCADA a funcţionat independent de alte sisteme numerice si faptul că era un
sistem în timp real, nu era important. Din ce în ce mai mult apar sisteme SCADA care
funcţionează pe bază de program prestabilit sau pe bază de cerere. În prezent SCADA îmbina
atât elemente în timp real cât si funcţionare preprogramată.Pentru sistemele SCADA
funcţionarea în timp real înseamnă actualizarea comenzilor în funcţie de schimbările din proces.
În sens strict, comanda în timp real este aceea care nu introduce timp mort între recepţia
măsurătorilor din proces si semnalele de comandă. În realitate, toate sistemele de comandă
introduc o oarecare întârziere. Acelea care introduce întârzieri fără nici un efect măsurabil sunt
denumite, în general, sisteme în timp real. În opoziţie cu acestea sunt sistemele preprogramabile
(secvenţiale). Majoritatea sistemelor care controlează procese continui funcţionează în timp real.
De cele mai multe ori inerţiile specifice sistemului sunt mult mai mari decât timpul de răspuns al
sistemului de comandă, ceea ce face să se poată considera că aceasta se face în timp real.
Un alt element important în proiectarea sistemelor SCADA îl reprezintă alegerea
perioadei de scanare în funcţie de necesităţile procesului si care trebuie făcută de specialişti
care cunosc efectele întârzierilor din sistem. Viteza de reacţie depinde de caracteristicile
sistemului controlat putând fi de la ordinul secundelor, în cazul sistemelor energetice, până la
ordinul orelor, în cazul câmpurilor de extracţie petrolieră.
Practic, timp real pentru sisteme înseamnă că, timpul de întârziere nu este atât de mare
încât să introducă efecte evidente în control. Din acest motiv majoritatea sistemelor SCADA
sunt considerate sisteme de comandă în timp real chiar dacă pot fi puse în evidenţă anumite
întârzieri. Atât pentru MTU cât si pentru RTU, având la bază un sistem numeric si trebuind să
comunice între ele, este importantă selectarea protocolului de comunicaţie. În sistemele
SCADA cea mai frecventă metodă de comunicaŃie este asa numita MASTER-SLAVE. În
acest protocol o singura masină (MTU) este capabilă să iniţieze comunicaţia. MTU apelează
un RTU, îi dă instrucţiuni, cere informaţii si comandă RTU să răspundă. Apoi MTU asteaptă
răspunsul. RTU răspunde imediat ce MTU a terminat comunicaţia, apoi se opreste si asteaptă
12
noi comenzi. MTU comută apoi la alt RTU si trece prin aceeasi procedură. RTU nu poate
iniţia un mesaj; el poate trimite un mesaj doar dacă MTU i-a ordonat să facă asta. Procesul de
interogare al fiecărui RTU în ordine, si apoi reîntoarcerea la primul RTU este numit proces de
scanare. Timpul de scanare nu trebuie să introducă întârzieri în comandă. În acelasi timp există
limitări din punct de vedere al vitezei de transmisie a datelor. Rezultă un interval optim de
scanare a fiecărei unităţi RTU care depinde de numărul de RTU, ce vor fi scanate si de
cantitatea de informaţii ce va fi vehiculată la fiecare scanare.
Cantitatea de informaţii depinde de gradul de independenţă în decizie al echipamentelor
si de complexitatea acestora. În funcţie de acestea, datele pot fi de la un simplu semnal de
stare (1, 2 biţi) până la sute de asemenea semnale sau zeci de semnale analogice (8-16 biţi).
Pentru alegerea perioadei de scanare se ţine seama de unitatea RTU care furnizează cea
mai mare cantitate de informaţii. Dar si comunicaţia este bidirecţională si există intervale în
care MTU cere fiecărui RTU informaţii, sau transmite informaţii fiecărui RTU.
Al treilea factor de care depinde intervalul de scanare este viteza de transmisie. Aceasta
poate fi redusă sau crescută pentru a se ajunge la un optim. Se pot defini două grupe de viteze
de transmisie: prima, care este utilizată pentru liniile telefonice obisnuite si pentru
comunicaţia radio UHF , în gama 300-2400 bps; a doua, care se aplică la mediile de
comunicaţie specială: 19200-10mil. bps. Un alt factor care determină intervalul de scanare este
randamentul comunicaţiei, care reprezintă raportul dintre timpul necesar transmiterii informaţiei
utile si timpul total de comunicaţie. Diferenţele dintre cei doi timpi sunt de cele mai multe ori
evidente, cum ar fi adresele RTU care sunt conţinute în fiecare mesaj si care nu sunt purtătoare
de informaţii. Alte componente sunt mai puţin evidente, cum ar fi codurile de detectare a erorilor
sau timpii de pornire a elementelor de emisie radio, care pot lua mai mult timp decât mesajul.
În cazul în care perioada de scanare determină funcţionarea la limită a unor RTU,
soluţia este cresterea vitezei de transfer ( de la 1200bps la 2400bps). Dublarea ratei de transfer
nu va reduce la jumătate perioada de scanare deoarece randamentul comunicaţiilor este o
funcţie neliniară de rata de transfer. Dacă este necesară reducerea mai drastică a timpului de
răspuns se poate revizui metoda de comunicaţie. Dacă se cunosc atributele fizice ale procesului
ce trebuie controlat, inclusiv frecvenţa naturală maximă, atunci se poate determina frecvenţa de
aliasing. Parametrii procesului trebuie esantionaţi la o frecvenţă mai mare decât cea de aliasing.
Dacă frecvenţa de scanare este mai mare decât frecvenţa de aliasing a procesului, RTU
va esantiona, va transmite datele către MTU, care va realiza calculele, iar rezultatele vor fi
trimise înapoi către RTU si procesate. Pentru acele procese pentru care frecvenţa de aliasing
este mai mare decât frecvenţa de scanare calculele trebuie făcute de către RTU, înainte de
scanare. În funcţie de valorile frecvenţei de aliasing si de scanare se stabileste locaţia unde se vor
face calculele (RTU sau MTU). Rezultă astfel si necesităţile hardware pentru RTU. În
prezent, datorită reducerii dramatice a preţurilor sistemelor numerice de calcul, tendinţa este
de a se utiliza în locaţiile RTU calculatoare suficient de puternice care să realizeze toate
calculele, instrucţiunile către senzori si memorarea istoriei, în mod local.
4. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Sisteme de securitate.
Comunicaţii.
2.1.4. Sisteme de securitate
Toate procesele trebuie să fie echipate cu un sistem de securitate pentru ca o eventuală
13
defectare a unei părţi să nu cauzeze pagube echipamentului sau mediului. Sistemele de
securitate trebuie proiectate pentru a se suprapune sistemului de control normal. Ele pot fi
activate manual sau automat. Sistemul normal de control este proiectat pentru a monitoriza
parametri de funcţionare ai procesului si pentru a efectua reglajele normale necesare păstrării
procesului în anumite limite. În cazul apariţiei unui defect (mecanic, pană de energie, eroare
operator) în sistemul de control normal, sistemul de securitate trebuie să intervină. Acesta trebuie
conceput plecând de la următoarele trei reguli: să fie superior sistemului normal de control; să nu
aibă componente comune cu sistemul normal de control; să fie cât se poate de simplu.
Sistemul de securitate nu trebuie să fie inclus în sistemul SCADA. Pentru procese
complexe sistemul de securitate poate fi centralizat utilizându-se un al doilea RTU,
independent, un al doilea MTU si canale de comunicaţie independente de cele ale sistemului
normal de control.
În Figura 2.2 sistemul de securitate este format din unităŃile MTU2, RTU2, elementul
de execuţie S si traductorul S103. Proiectarea unui proces tehnologic, care urmează a fi controlat
si monitorizat de un sistem SCADA, trebuie să ia în considerare ipoteza apariţiei oricărui tip de
defect imaginabil al sistemului SCADA. Aceste ipoteze pot identifica unele defecte ce pot fi
considerate de risc înalt. Riscul reprezintă produsul dintre probabilitatea unui defect si consecinţa
acestuia. Dacă probabilitatea este mare si consecinţa neglijabilă, atunci riscul nu este mare.
Similar, dacă probabilitatea tinde la zero dar consecinţa este gravă, atunci riscul nu este mare.
Dar, în unele condiţii, probabilitatea de defect este moderat de mare iar consecinţa defectului
14
este importantă. Aceste condiţii indică o situaţie de risc înalt. Figura 2.3 indică o matrice a
acestei metode de stabilire a riscului generic Error! Reference source not found..
Evaluarea riscului este o problemă deosebit de importantă, devenind chiar o specialitate
distinctă. Ea este profesată de specialisti care sunt buni cunoscători ai procesului,
echipamentului, condiţiilor de funcţionare si metodelor de evaluare. Defectele de risc înalt
trebuie să fie evitate prin instalarea de sisteme de securitate locale.
ISA (Instrumentation Systems and Automation Society) a dezvoltat un standard, SP84 -
"Sisteme electronice programabile pentru utilizarea în sisteme de securitate" care detaliază
cerinţele impuse sistemelor de securitate.
2.1.5. Comunicaţiile
Comunicarea este transferarea datelor (informaţiilor) de la o locaţie la alta. Pentru ca
aceasta să aibă loc trebuie să fie îndeplinite trei condiţii:
1. Să existe calea de comunicare. În funcţie de datele ce vor fi transmise se poate alege
un mod de comunicare;
2. Să existe un echipament la capătul de emisie al căii de comunicare, ce să
condiţioneze datele si să le pună într-o formă transmisibilă, prin modul ales;
3. Să existe un echipament la capătul de recepţie al căii de comunicare ce să extragă
mesajul transmis si să-l înţeleagă. În continuare vor fi prezentate câteva modalităŃi si
echipamente utilizate în comunicaţiile aferente sistemelor SCADA ca si factorii de care se ţine
seama la alegerea lor. Comunicaţiile joacă un rol vital în funcţionarea sistemelor SCADA.
Instalarea sistemelor SCADA este justificată în cazul locaţiilor greu accesibile, sau accesibile cu
costura mari. În alte cazuri, se justifică dacă prezenţa unei persoane la o anumită locaţie este
15
periculoasă, dăunătoare sănătăţii sau neplăcută. De cele mai multe ori este prea scump pentru
a avea un operator la o anumită locaţie, în mod permanent. Dacă se poate stabili o comunicaţie
între o locaţie îndepărtată si o locaţie centrală sau master, datele pot fi vehiculate. Dacă nu se
poate stabili o linie de comunicaţie, nu se poate dezvolta un sistem SCADA.
Toate datele vehiculate între MTU si RTU sunt date binare. Ele pot fi sub această formă
în mod natural (starea unui contact, închis/deschis) sau pot fi aduse în această formă în urma
unei conversii din formă analogică. Figura 2.4 indică iesirea unui contact limitator pentru a
indica starea unei vane. În Figura 2.4a vana este deschisă si iesirea limitatorului este la +5V, iar
în Figura 2.4b vana este închisă si iesirea limitatorului este stabilă la 0V. Iesirea este tot 0V
pentru orice poziţie intermediară a vanei. Dacă se doreste, se poate ca pentru orice poziţie
intermediară a vanei iesirea să aibă valoarea +5V. Astfel se va cunoaste cu precizie momentul în
care vana este închisă complet.
Figura 2.5 indică modul în care semnalul limitatorului vanei este transformat într-un
semnal binar. Se foloseste un registru basculant de un bit, cum ar fi, un bistabil de tip D care
sincronizează schimbările de stare ale semnalului de iesire cu fronturile pozitive ale
semnalului de "CEAS". Această tehnică este utilizată frecvent în sistemele de esantionare ale
semnalelor analogice asigurând perioade "linistite", fără comutaţii, în care semnalele
16
analogice pot fi esantionate (intervalele cât semnalul "CEAS" este zero).
Dacă se doreste cunoasterea oricărei poziţii intermediare a vanei se poate utiliza un
sistem potenţiometric, ca în Figura 2.6. Dacă vana este complet deschisă semnalul ce indică
poziţia vanei va fi +5V, iar dacă este complet închisă 0V.
Presupunem că semnalul aplicat este de 3V. Acest semnal nu este aplicat direct unui
registru (ca în cazul anterior) ci unui convertor analog-digital care va transforma semnalul
într-o serie de biţi memoraţi apoi într-un registru.
Iesirile registrului sunt sincronizate cu ajutorul semnalului de "clock". Semnalul este
17
reprodus cu precizia corespunzătoare convertorului, respectiv 1/2n din valoarea de capăt de
scală. Pentru semnale alternative se utilizează un bit suplimentar de semn. În general, precizia
unui convertor analog digital este definită în raport cu ½ LSB. Toată informaţia vehiculată
între MTU si RTU este serială. Alternativa comunicaţiei seriale este cea paralelă dar costul
liniilor suplimentare devine prohibitiv pentru căile de comunicaţie de lungă distanţă. Pentru a se
trimite informaţia trebuie stabilite anumite convenţii cum ar fi: primul bit este MSB si ultimul
este LSB sau în ordine inversă. Aceste convenţii fac parte din protocoalele de comunicaţii ce vor
fi prezentate ulterior.
2.1.5.1. Componentele sistemului de comunicaţii
Figura 2.7 evidenţiază un sistem SCADA simplu format dintr-un MTU si un RTU si
echipamentul de comunicaţie corespunzător. În domeniul telecomunicaţiilor MTU si RTU se
numesc echipamente terminale de date (DTE). Ele pot comunica între ele prin intermediul
MODEM-urilor care sunt numite echipamente de comunicaţie de date (DCE). Acestea sunt
capabile să adapteze informaţia primită de la DTE-uri si să o transmită pe linia de
comunicaţie. La celălalt capăt al liniei de comunicaţie DCE-ul reconstituie informaţia primită
si o transformă într-o forma compatibilă DTE-ului.
ISO (International Organization for Standardization) a dezvoltat un model al
interconectării sistemelor deschise OSI (Open Systems Interconnection), ca în Figura 2.8. El
conţine 7 straturi ale căror funcţii sunt definite de modelul OSI. Stratul cel mai de sus (7) si
ultimele două de jos (2 si 1) sunt suficiente pentru majoritatea sistemelor SCADA.
2.1.5.2. Protocoale de comunicaţii
Un protocol este un set de reguli care definesc înţelesul unei structuri de cuvinte binare.
Pe baza acestuia se realizează transmisia datelor pe linia staţiei receptoare utilizând aceleasi
reguli pentru a decodifica informaţia. Diversitatea protocoalelor de comunicaţie este foarte
mare ele fiind dezvoltate cu mult înainte de a se fi introdus standarde în domeniu. Si în
prezent există producători de echipamente SCADA care îsi dezvoltă propriile protocoale chiar
dacă organizaţiile de standardizare au definit standarde deschise. Protocoalele pot fi adaptate
mai bine sau mai puţin bine pentru o anumită aplicaţie, dar cel mai important este ca unităţile
MTU si RTU, dintr-un anumit sistem SCADA, să aibă acelasi protocol. Figura 2.9 indică
18
forma unui mesaj trimis într-un protocol special bazat pe standardul IEEE C37.1.
Este definită semnificaţia fiecărui bit. Lungimea totală a transmisiei reprezintă suma
dintre toţi biţii cu semnificaţie fixată, plus numărul de biţi trimisi ca date.
Pachetul "SINCRO" avertizează toţi potenţialii receptori că urmează un mesaj,
furnizând si o referinţă ce poate fi folosită de fiecare receptor pentru a sincroniza ceasul cu
ceasul transmiţătorului.
Pachetul "Funcţie" defineste căruia din cele 256 de tipuri de mesaje îi aparţine cel
prezent("Deschideţi următoarele întreruptoare").
Pachetul "Adresă internă" specifică cărui set de registre, din staţia receptoare, îi va fi
destinat mesajul.
Pachetul "Modificator" defineste câte cuvinte de date sunt incluse în mesaj.
Pachetul "Comenzi speciale" conţine mesaje scurte despre condiţiile de funcţionare ale
RTU si MTU. ( "Resetaţi toate contoarele de erori de comunicaţie").
19
Pachetul "Date" este de lungime variabila, între 0-192 biţi.
Pachetul "CRC" este codul de detectare a erorilor de transmisie obţinut pe baza formulei
Bose Chaudhuri Hocquenguem (BCH), pentru acest protocol.
Există mai multe tipuri de coduri de eroare. Ele se calculează utilizând formule diferite
dar este important ca la ambele capete ale transmisiei (recepţie si emisie) să se utilizeze
acelasi "CRC". În exemplul anterior se utilizează codul de eroare numit (255,239) BCH. 255
reprezintă numărul maxim de biţi ce sunt transmisi, iar 239 numărul maxim de biţi utili
neincluzând CRC. În comunicaţiile industriale există si alte coduri de eroare, cum ar fi: CRC-
16; CRC-CCITT.
În continuare se va detalia modul de calcul al codului de eroare (255,239) BCH.
Polinomul acestui cod este: X16 + X14 + X13 + X11 + X10 + X9 + X8 + X6 + X5 + X1 + 1. Se
va calcula codul de eroare pentru un cuvânt de 8 biţi. Procedura pare complicata dar ea este
realizată cu logică numerică. Subansamblul sistemului de comunicaţie care realizează acest
lucru este driver-ul de protocol. Driver-ul preia întreaga informaţie ce trebuie transmisă si o
aranjează în ordinea strictă stabilită de regulile protocolului. El verifică si dacă linia de
comunicaţie este liberă si apoi trimite o "cerere de transmisie" către următoarea componentă a
sistemului de comunicaţie, modem-ul. Exemplu: Se va calcula codul de eroare CRC pentru
cuvântul de date 01000000. Polinomul generator poate fi raţionalizat într-un cuvânt binar prin
plasarea unui 1 în fiecare bit identificat si a câte unui 0 în cei neidentificaţi. Rezultatul este: 1011
0111 1011 0001 1, adică un cuvânt de 17 biţi. Bitul MSB este neglijat deoarece el nu va afecta
aritmetica utilizată în continuare.
2.1.5.3. Modem-uri
Modemul ocupa primele două nivele ale modelului cu 7 straturi ISO/OSI. El este
echipamentul care verifică dacă linia de comunicaţie este liberă si activează transmiţătorul
radio. Semnalele logice primite de la MTU si RTU sunt transformate, de către modem, într-o
formă ce va fi transmisă către celălalt capăt al linie de comunicaţie si recepţionat de către
20
celălalt modem. Aceasta înseamnă schimbarea unei forme de undă purtătoare în funcţie de un
sablon. Transmisia directă a datelor în curent continuu nu se poate face pe distanţe mari datorită
distorsionării semnalului. Acest efect este datorat rezistenţelor si reactanţelor inductive si
capacitive ale liniilor lungi. În plus, aceste efecte sunt mai pregnante în cazul componentelor
de înaltă frecvenţă, determinând atenuarea fronturilor unui semnal dreptunghiular (Figura
2.10).
Semnalele sinusoidale sunt imune la distorsiunile de amplitudine si de fază. Rezistenţa
liniei determină scăderea amplitudinii dar aceasta este uniformă pentru întreaga formă de
undă. Din aceste motive de cele mai multe ori, ca purtătoare, se utilizează o formă de undă
sinusoidală. Componenta modulatoare a unui modem realizează modificarea uneia din cele trei
caracteristici ale purtătoarei si anume, amplitudinea, frecvenţa sau faza. De menţionat că
modulaţia în frecvenţă este caracterizată de imunitate mult mai mare la perturbaţii.
Demodulatoarele sunt componente care preiau semnalul modulat, extrag purtătoarea,
reconstituind datele. Acestea sunt transmise driver-ului de protocol care le distribuie în
registrele corespunzătore în staţia de recepţie. Sincronism sau asincronism se referă la
necesitatea transmiterii împreună cu datele, a unui semnal de sincronizare. Modem-urile sincrone
trebuie să transmită un puls de "clock" care să asigure funcţionarea receptorului cu aceeasi viteză
ca a transmiţătorului. De obicei, semnalul transmis este utilizat pentru sincronizarea "clock"-ului
receptorului. În alte cazuri, semnalul transmis este prelucrat si devine, practic, semnalul de
"clock" al receptorului. Modem-urile asincrone nu impun ca receptorul să fie sincronizat cu
emiţătorul. În schimb, sunt necesare semnale de "Start" si "End" ale mesajului pentru a preveni
receptorul asincron de starea mesajului.
2.1.5.4. Mediul de comunicare
21
Într-un sistem SCADA mediul de comunicare este determinat de două criterii si anume,
viteza de transmitere si costul. În cadrul sistemului SCADA pentru care sunt necesare intervale
de scanare mici, datele trebuie să fie transmise cu viteza mare, peste 5000bps. În acest caz se
utilizează ca medii de comunicaţie cabluri de fibră optică, radio în microunde sau sisteme UHF
mai sofisticate. Liniile telefonice închiriate pot fi de asemenea o posibilitate. Costurile sunt
destul de mari însă pentru industriile care necesită un volum si viteze ridicate de date există
această alternativă. Dacă intervalele de scanare sunt acceptabile si pot fi asigurate cu viteze de
transmisie între 300-4800bps variantele sunt mai numeroase. Pe lângă soluţiile amintite
anterior, pot fi utilizate liniile telefonice obisnuite, care sunt proiectate să funcţioneze în
domeniul 300-3400Hz sau echipamente radio ieftine destinate uzului comercial.
În general cablurile telefonice au fost mediul de comunicaţie preferat. Ele sunt atractive
din punct de vedere al costului propriu-zis si al instalării ţinând cont de faptul ca în prezent se
realizează cabluri telefonice bine protejate împotriva umidităţii si a rozătoarelor. Ele au însă si
dezavantaje, transmisia fiind influenţată de liniile de înaltă tensiune (situate în paralel cu
liniile de transmisie) si de efectele magnetice de joasă frecvenţă ale activităţii solare.
Pentru locaţii îndepărtate, unde companiile telefonice nu au interesul să-si instaleze
propriile linii, este posibil ca utilizatorul să plătească un preţ ridicat pentru instalarea unei linii
telefonice ce ar fi ulterior închiriată. În alte cazuri este posibil ca utilizatorul să-si instaleze
propriul cablu. Fibrele optice au devenit competitive, din punct de vedere al costului, cu cablurile
obisnuite de cupru, chiar si pentru legături care nu necesită viteze mari de transmisie. Toate
cablurile au însă dezavantajul neflexibilităŃii structurii sistemului SCADA. Pentru multe
aplicaţii aceasta nu este o problemă. Echipamentele radio UHF au fost dezvoltate în special
pentru SCADA. Ele oferă flexibilitate ridicată, cost scăzut si fiabilitate ridicată.
Comunicaţiile sunt cheia sistemelor SCADA. Ele depind, mai mult decât orice altă
componentă a sistemului SCADA, de condiţiile concrete în care este instalat sistemul. Rezultă
o atenţie sporită acestui aspect în etapele iniţiale ale proiectării unui sistem SCADA.
5. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Comunicaţia radio. Unitaţile
terminal depărtate
2.1.6. Comunicaţia radio
Transmisia radio reprezintă una din cele două posibilităţi de realizare a comunicaţiilor
într-un sistem SCADA.
2.1.6.1. Transmisie simplex si duplex
Comunicaţia poate fi realizată pe un singur canal sau pe două canale. Pentru ca un
sistem SCADA să-si îndeplinească funcţia de control supervizare si funcţiile de achiziţii de
date informaţiile trebuie vehiculate în ambele direcţii. Termenii care descriu capacitatea unui
sistem de comunicaţii de a vehicula informaţia sunt: simplex, half duplex si duplex sau full
duplex. Sistemele simplex permit ca informaţia să fie vehiculată într-un singur sens. Ca
exemplu se poate aminti transmisia radio a informaţiilor unei sonde meteorologice către o
staţie receptoare si toate reţelele comerciale de radio si televiziune. Sistemele duplex sunt acele
sisteme pentru care informaţia este transmisă si recepţionată
22
în acelasi timp. Duplex este echivalentul a două sisteme simplex lucrând în paralel în direcţii
opuse, ca în Figura 2.11.
Este evident că sistemul duplex este avantajos din punct de vedere al utilităţii dar
prezintă dezavantajul preţului ridicat fiind necesară dublarea căii de comunicaţie. Ca un
compromis există sistemul half duplex care permite utilizarea unei singure căi de comunicaţie
(pereche de fire sau frecvenţă radio) pe care datele sunt transmise uneori într-un sens alteori în
celalalt.
Un astfel de sistem este prezentat în Figura 2.12, subliniindu-se că sunt necesare
comutări ale echipamentelor pentru ca părţile de emisie si recepţie ale aceleasi staţii să
funcţioneze simultan. Sisteme SCADA pot utiliza atât sisteme full duplex cât si sisteme half
duplex. Alegerea unuia din cele două nu se face numai după criterii economice, determinate de
costul unei căi de comunicaţie suplimentare. Trebuie să se ţină cont de timpul de pornire si de
stabilizare al
23
unui transmiţător cât si de disponibilitatea unei frecvenţe suplimentare într-o gamă de
frecvenţă în care cererea este mare.
2.1.6.2. Timpul de pornire al echipamentelor de comunicaţie
Figura 2.13 ilustrează un sistem radio SCADA tipic format dintr-un MTU si 5 RTU. O
succesiune de operaţii pentru iniţierea unei comunicaţii este prezentată în continuare.
Unitatea MTU realizează următoarele operaţii:
- trimite un mesaj către staţia lui radio de începere a transmisiei;
- asteaptă până transmiţătorul lui radio se stabilizează;
- emite mesajul către RTU 1 inclusiv identificatorul unităţii;
- opreste transmiţătorul si porneste receptorul în asteptarea răspunsului lui RTU 1.
În mod normal toate unităţile RTU au receptoarele pornite. Când se recepţionează un
mesaj se verifică, mai întâi, dacă este pentru unitatea RTU respectivă. Dacă nu este, mesajul
primit este ignorat. Dacă este, mesajul va fi prelucrat de către RTU. Acesta va transmite un
mesaj către MTU parcurgând etapele: oprire receptor; pornire transmiţător; asteptare timp de
stabilizare; modulare purtătoare radio cu mesajul (care include identificatorul propriu);
oprirea transmiţătorului; pornirea receptorului. Timpii de pornire ai transmiţătoarelor pot ocupa
aproape jumătate din timpul total de comunicaţie, ca în Figura 2.14.
24
25
Acest timp este unul din elementele care influenţează randamentul comunicaţiei alături
de lungimea mesajelor si viteza de transfer. Durata de pornire si de stabilizare a
transmiţătoarelor depinde de echipamentul radio nedepinzând, în general, de viteza de
transfer. De aceea, încercările de reducere a intervalului de scanare nu trebuie să se focalizeze
numai asupra vitezei de transfer dar si asupra echipamentului de comunicaţie. O posibilitate o
reprezintă comunicaţia ful duplex. Fiind disponibil încă un canal de comunicaţie, MTU poate
transmite pe unul dintre ele si toate unităţile RTU pot emite pe celalalt, ca în Figura 2.15.
Consecinţa este că emiţătorul MTU poate transmite 100% din timp, nefiind necesar ca MTU
să astepte ca transmiţătorul să se stabilizeze de fiecare dată când transmite un mesaj.
Majoritatea timpului transmiţătorul MTU emite doar purtătoarea. Această tehnică este
frecvent utilizată, rezultatele fiind o reducere a intervalului de scanare cu o usoară crestere a
costului. Deoarece toate unităţile RTU utilizează aceeasi frecvenţă pentru a emite, numai una
poate transmite la un moment dat. Rareori se justifică ca fiecare RTU să transmită pe câte o
frecvenţă separată.
2.1.6.3. Frecvenţe disponibile
Prin adăugarea unei frecvenţe suplimentare se poate realiza o îmbunătăţire a sistemului
SCADA, dar îmbunătăţirea depinde "dacă a două frecvenţă este disponibilă". Trebuie avut în
vedere că pentru un canal de comunicaţie nu se alocă doar o frecvenţă ci o bandă de frecvenţă
centrată în jurul frecvenţei purtătoarei. Lăţimea acestei benzi depinde de tipul de modulare
utilizat. Astfel, lăţimea de bandă [Hz] este aproximativ egală cu numărul de biţi pe secundă
pentru modulare în amplitudine, de două ori numărul de biţi pe secundă pentru modulare în
fază si de trei ori numărul de biţi pe secundă pentru modulare în frecvenţă. La aceasta se
adaugă o banda de gardă de câteva sute de Hz, de o parte si de alta a benzii utilizate. Banda de
gardă previne suprapunerea frecvenţelor care ar determina interferenţe când apar abateri ale
frecvenţei transmiţătorului faţă de cea pentru care a fost calibrat să funcţioneze (De exemplu,
pentru a comunica la 1200bps este necesară o banda de frecvenţă de 3000Hz).
Alt factor care limitează benzile de frecvenţă este disponibilitatea domeniului. Este
important ca pentru comunicaţiile radio ale sistemului SCADA transmisia să fie sigură si fără
interferenţe având în vedere importanţa informaŃiilor si comenzilor vehiculate.
Sistemele SCADA utilizează frecvent banda de frecvenţă 300-3000MHz, numita UHF.
Există un organism internaţional ITU (Internaţional Telecommunications Union), o agenţie a
ONU, care organizează conferinţe mondiale de administrare a frecvenţelor radio. Deciziile
acestor conferinţe sunt respectate de ţările membre si utilizate pentru stabilirea
reglementarilor naţionale.
2.1.6.4. Elemente suplimentare pentru proiectarea comunicaţiilor sistemelor
SCADA
Deoarece înaltă frecvenţă UHF se transmite esenţial în linie dreapta, este important să
existe o vizibilitate directă între transmiţător si receptor. Amplasarea antenelor se face în urma
unui studiu al căii de comunicaţie, pe baza hărţilor topografice. Activitatea solară cu periodicitate
de 11 ani, caracterizată prin furtuni si explozii solare, reprezintă cea mai puternică sursă de
perturbaţii radio. Frecvenţele UHF si microundele (utilizate pentru viteze de transmisie foarte
mare) sunt mai puţin influenţate de aceasta. Cel
26
mai bun mijloc de a minimiza efectele radio ale activităţii solare este asigurarea de
echipamente în funcţiune si calibrate. Dezvoltările în electronică au determinat îmbunătăţiri
semnificative în tehnologia radio. Acestea se reflecta nu numai în gabaritul si consumul scăzut
dar si în fiabilitatea si mentenabilitatea sistemului. Noile echipamente sunt realizate pentru a
compensa efectele variaţiei temperaturii si pentru a avea o imunitate mult mai bună la vibraţii si
la variaţii ale sursei de alimentare. Totusi rămâne necesitatea efectuării întreţinerii
echipamentelor de comunicaţie radio, cum ar fi, realinierea antenelor deplasate de vânt,
întreţinerea acumulatorilor din componenţa UPS (Uninterruptible power supplies = Surse
neîntrerupte de energie), recalibrarea staţiilor radio. Sateliţii geostaţionari reprezintă o importantă
facilitate pentru realizarea comunicaţiilor sistemelor SCADA. Dacă pentru unele aplicaţii poate
fi doar o variantă, pentru altele, cum ar fi reţelele de conducte sau reţelele electrice în special în
zonele îndepărtate sau slab dezvoltate, comunicaţia prin sateliţi poate reprezenta cea mai ieftină
metodă. În ceea ce priveste costurile unei astfel de comunicaţii ponderea cea mai mare o
reprezintă antenele si echipamentul special radio. Există si o taxă lunară pentru utilizarea
acestui serviciu. Nivelul ei este comparabil cu cel al oricărui alt mijloc de comunicaţie.
Desi sistemele radio par să aibă multe dezavantaje ele oferă suficiente avantaje în
comparaţie cu liniile terestre pentru a fi alese ca mediu de comunicare.
2.1.7. Unităţile terminal depărtate (RTU)
Un sistem SCADA conţine, în afara de echipamentul de comunicaţii si alte două
elemente: unităţile terminal depărtate - RTU si unităţile terminal master – MTU.
Unităţile RTU îndeplinesc o serie de funcţii prin transmiterea informaţiilor, din
instalaţie, către MTU si execuţia comenzilor primite, de la MTU. Figura 2.16 arată care sunt
semnalele de intrare într-un RTU si Figura 2.17 care sunt semnalele de iesire ale unui RTU.
Unitatea terminal depărtată transmite informaţii din instalaţie despre valori analogice,
27
alarme, puncte de funcţionare si valori măsurate. Ea păstrează această informaţie disponibilă
în memorie până când MTU o solicită. În acel moment unitatea RTU codează si transmite
informaţia către MTU. Când un MTU comandă, RTU închide sau deschide contacte, deschide
sau închide vane, transmite semnale analogice ce pot reprezenta puncte de funcţionare,
transmite trenuri de pulsuri pentru a comanda motoare pas cu pas. Desi par simple, comenzile
sunt suficiente pentru ca RTU să îndeplinească toate funcţiile de comandă si monitorizare
dintr-un sistem SCADA. În prezent unităţile RTU pot recepţiona si transmite mesaje în
instalaţie în format serial RS-232. Aceasta asigură simplificarea transferului de date la/de la
instalaţie. În viitor, tendinţa este ca magistralele locale de transmisie serială să înlocuiască
liniile analogice de (4-20) mA, utilizate în prezent.
2.1.7.1. Interfaţa de comunicaţie
Figura 2.18 detaliază structura unei unităţi terminal depărtate. Unităţile RTU moderne
sunt microcalculatoare ce conţin, la unul din capete, echipamente speciale proiectate pentru a
fi interfaţate cu linia de comunicaţii si echipamente speciale, la celalalt capăt, pentru a
interafaţa cu senzori, actuatori (elemente de execuţie) si calculatoare în proces.
28
Când RTU este în modul recepţie o componentă a echipamentului de interfaţare a
comunicaţiilor (MODEM-ul) recepţionează un semnal serial din mediul de comunicaţie. O
altă componenta a interfeţei de comunicaţie interpretează semnalul recepţionat si îl
retransmite restului RTU, folosind reguli stabilite în protocolul de comunicaţie. În unele
cazuri această funcţie de interpretare este îndeplinită de un microprocesor care formează
inima RTU-ului. Când este utilizat acest tip de arhitectură, partea programului care transformă
informaţia recepţionată în informaţie utilă se numeste program de driver de protocol.
2.1.7.2. Protocolul utilizat de unităţile RTU
În continuare vom detalia protocolul bazat pe ANSI/IEEE C37.1-1979. În Figura 2.19
cel mai din stânga bit este primul recepţionat. Există trei zone importante ale câmpului de
mesaj: antetul mesajului; informaŃia sau datele; terminatorul mesajului. În acest exemplu antetul
si terminatorul mesajului au lungimi fixe.
Câmpul Antetul mesajului are doua subcâmpuri:
-"Sincronizare" care indică faptul ca un MTU transmite un mesaj către un RTU.
Sincronizează "clock-ul" de la RTU cu cel de la MTU. Lungimea acestui subcâmp este un
octet.
-"Adresa" care defineste cărui RTU îi este destinat mesajul. Numai 254 adrese sunt
valide, adresele 0 si 255 sunt rezervate. Lungimea acestui subcâmp este un octet.
Observaţie: Dacă ambele subcâmpuri sunt recunoscute, RTU-ul continuă să
recepţioneze restul mesajului. Dacă nu, restul mesajului este ignorat si se asteaptă un alt
mesaj.
Câmpul Informaţie constă în cinci subcâmpuri:
-"Funcţia" ce defineste tipul răspunsului pe care RTU-ul trebuie să-l dea acestui mesaj
sau tipul de mesaj de comandă pe care RTU-ul îl transmite. Există 256 răspunsuri posibile
care ar putea fi cerute si/sau 256 de tipuri de mesaje de comandă ce ar putea fi trimise.
Exemplu: Numărul binar 00000111 semnifică "Închideţi întreruptoarele următoare", sau
mesaj care cere răspuns, "Trimiteţi valorile totalizatoare de la toate contoarele".
"Adresa internă" ce identifică locaţia în cadrul RTU.
Exemplu: Octetul 00011000 poate avea semnificaţia: "Întreruptorul identificat în
registrul de memorie nr.24 să fie primul din lista celor care să fie închise", sau "Registrul de
memorie nr.24 este locaţia primului contor totalizator ce trebuie trimis".
29
-"Modificatorul" care indică numărul de date ce vor fi transferate.
Exemplu: Octetul 00001000 ar putea să însemne: "Trebuie închise cele 3 întreruptoare
inclusiv cel identificat în registrul de memorie nr. 24", sau "Trebuie trimise către MTU
informaţii de la contoarele 24-31 (24+8, inclusiv)".
-"Ordine speciale" ce conŃine instrucŃiuni speciale către RTU.
Exemple: "Resetarea flagurilor de defect", "Resetarea flagurilor de erori de
comunicaţie", "Asteaptă un mesaj mai lung la comanda următoare".
"1" în poziţia MSB înseamnă că MTU confirmă că RTU a executat un "restart" si
comandă RTU-ul să reseteze acest flag;
"1" în a două poziţie poate să însemne că MTU confirmă că RTU a detectat o eroare de
comunicaţie si comandă RTU-ul să reseteze acest flag.
-"Date" ce furnizează datele de la MTU la RTU. Pentru exemplul considerat acest
subcâmp va avea lungimea 0 (zero). Pentru alte tipuri de mesaje acest subcâmp poate avea
până la 24 octeţi.
Câmpul Terminator de mesaj conţine un singur subcâmp:
-"Cod de securitate" . Acesta are 2 octeţi care sunt calculaţi de către MTU pe baza
informaţiei pe care acesta o transmite. Cei 16 biţi sunt comparaţi cu cei 16 biţi calculaţi de
RTU pe baza informaţiei recepţionate. Dacă cele două numere sunt identice se presupune că
mesajul a fost recepţionat corect. După recepţionarea si confirmarea mesajului, RTU execută
instrucţiunile din mesaj.
2.1.7.3. Tipuri de comenzi realizate de RTU
a) Comenzi discrete
30
Majoritatea mesajelor recepţionate de RTU, de la MTU, sunt comenzi. Acestea solicită
RTU-ului să elaboreze si să transfere un semnal către unul din elementele din instalaţie, din
apropierea lui. În continuare se exemplifică cum se derulează activităţile dacă RTU primeste un
mesaj prin care i se cere să deschidă întreruptoare. Adresa primului întreruptor se găseste în
locaţia de memorie cu nr. 32 iar numărul de întreruptoare este 2 (Figura 2.20).
După forţarea celor două locaţii în "1" toate registrele sunt citite ciclic (sincron cu un
semnal de "clock"). Informaţia este transmisă într-un registru buffer care comandă driver-ele
unor relee aflate pe o placă de iesire. Releele vor comanda electrovane, ce la rândul lor,
controlează vanele pneumatice ce trebuie deschise (Figura 2.21). Aceeasi procedură se va
folosi pentru pornirea unui motor. În locul unui solenoid, un releu de blocare va închide
contactorul unui motor.
b) Comenzi analogice
Se va considera următorul exemplu. Se presupune că MTU comandă RTU să deschidă o
vana, nu în totalitate, ci 75% (Figura 2.22).
31
Mesajul MTU solicită o iesire analogică identificată în registrul 22 si îi setează valoarea
la 75%. În acest caz este nevoie de mai multe date pentru a descrie deschiderea unei vane. Cu
8 biţi precizia este de 1/28 <0,5%. Aplicaţiile care au nevoie de precizie mai mare utilizează o
parte sau toţi biţi dintr-un al doilea registrul. Iesirea din acest registru este sincronizată cu un
semnal de "clock" si comandă un convertor digital analogic. Cu valoarea registrului din exemplul
din Figura 2.22 si considerând valoarea de capăt de scală a convertorului ca fiind 10V, se va
obţine o iesire de 7,5V. Semnalul obţinut poate comanda direct electrovana, dacă e comandată în
tensiune, sau poate fi convertit într-un semnal (4-20)mA obţinându-se valoarea 16mA, dacă
electrovana este comandată în curent. Un astfel de semnal poate fi utilizat si ca valoare prescrisă
a unei mărimi ce reprezintă intrarea într-un regulator PID care controlează la iesire o electrovană,
poziţia unei clapete, viteza unei masini sau orice alt parametru care are valoarea analogică
descrisă cu valori între 0 si 100%.
c) Comenzi în pulsuri
Comanda în pulsuri este mai rar întâlnită. Ea permite unui motor pas cu pas să-si
incrementeze /decrementeze poziţia cu un număr de pasi. De obicei se foloseste un registru de 16
biţi astfel: bitul 0 specifică sensul miscării (1-incrementare; 0-decrementare); ceilalţi 15 biţi
reprezintă numărul de pasi ce trebuie executaţi. Registrul de 16 biţi nu este citit simultan, ca în
exemplele anterioare, ci serial. Ca dezavantaj al acestui tip de control se poate menţiona că este
necesară cunoasterea poziţiei iniţiale a motorului înaintea fiecărei comenzi. Altfel, se
acumulează erori în presupusa poziţie iniţială a motorului, fiind necesar ca, periodic, motorul să
fie forţat la unul din capetele de scală. Această operaţie nu este dificil de realizat din punct de
vedere al controlului dar poate produce destabilizări ale procesului.
d) Comenzi seriale
32
În prezent există echipamente periferice care au posibilitatea de comunicare serială.
Aceasta simplifică transferul datelor între RTU si echipamentele periferice.
2.1.7.4. Tipuri de monitorizări realizate de RTU
a) Monitorizarea semnalelor discrete
Monitorizarea semnalelor discrete sau a punctelor de alarmă este una din cele mai
întâlnite facilitaţi impuse a fi realizate de către sisteme SCADA. Aceasta se realizează prin
urmărirea stării unui contact si utilizarea unor circuite specializate, pentru condiţionarea
semnalului, care să elimine efectele vibraţiei contactelor si a fenomenelor tranzitorii. Starea
fiecărui semnal urmărit este memorată, pe câte un bit, în registre de intrare în RTU. Încărcarea
acestor registre se face sincronizat cu un "clock" (Figura 2.23).
b) Monitorizarea semnalelor analogice
Pentru a monitoriza parametrii unui proces mai precis decât sub forma unei informaţii
binare, se utilizează mărimi care transformă parametrul urmărit (nivel, viteză, presiune, nivel
de radiaţii) într-o mărime electrică (de obicei curent). În Figura 2.24 este prezentat un lanţ tipic
de achiziţie, al unui astfel de semnal, pentru indicarea nivelului unui lichid. Semnalul de (4-
20)mA, de la iesirea traductorului, este transformat în tensiune (0-5)V, condiţionat si aplicat
convertorului analog digital. Rezultatul este încărcat, sincronizat cu un "clock", într-un registru al
RTU.
33
c) Monitorizarea semnalelor sub formă de pulsuri
Semnalul sub formă de pulsuri este utilizat, de obicei, ca totalizator al unei mărimi
măsurate. În mod uzual, un astfel de sir de pulsuri se obţine prin închiderea si deschiderea
unui contact ce realizează întreruperea unui curent furnizat de RTU. Fiecare ciclu reprezintă o
cantitate fixă, cunoscută a mărimii măsurate. Astfel RTU poate număra aceste închideri de
contacte si reproduce mărimea măsurată. În Figura 2.25 este exemplificat un astfel de
echipament. Totalizatorul are un contact care se închide la fiecare unitate de volum de lichid
măsurat. Semnificaţia unităţii de volum depinde de debitul de măsurat si de perioada de
scanare a RTU.
d) Monitorizarea semnalelor seriale
Semnalele seriale sunt primite la RTU de la un procesor electronic de un anumit fel.
34
Acesta poate fi un traductor special si complex, cum ar fi un analizor de vibraţii. Conectarea
fizică cu RTU se face utilizând o legătura seriala RS-232, ca în Figura 2.26
6. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Unităţi master. Senzori, elemente
de acţionare şi cablare. Interfaţa operator. Tendinţe în evoluţia sistemelor SCADA
2.1.8. Unităţi master (MTU)
Într-un sistem SCADA unitatea MTU realizează elaborarea comenzilor, centralizarea
datelor, memorarea informaŃiilor, comunicarea cu alte sisteme asociate, interfaţa cu
operatorul.
2.1.8.1. InterfaŃa de comunicaŃie
MTU trebuie să transmită informaţii fiecărui RTU. Mediul de comunicaţie si protocolul
sunt aceleasi cu cele folosite de RTU pentru a-i transmite informaţii.
Interfaţa de comunicaţie a MTU-ului este similară cu a RTU-ului. În plus, MTU poate
iniţia o comunicaţie. Comunicaţiile sunt iniţiate de subrutine din MTU, ce pot fi activate
manual de către operator (mai rar), sau de alte programe din RTU. MTU poate comunica cu
imprimante sau display-uri care formează interfaţa operator. Pe de altă parte MTU poate
comunica cu calculatoare aflate la un nivel ierarhic superior, fie pe baza unor protocoale
speciale, fie pe bază de protocoale de comunicaţie specifice reţelelor de calculatoare.
2.1.9. Senzori, elemente de acţionare si cablare
Elementele de bază într-un sistem SCADA sunt MTU, RTU si comunicaţiile. Nu mai
puŃin importante sunt însă echipamentele periferice: senzori, captori, elemente de execuţie.
Aceasta atât din punctul de vedere al ponderii în preţul total al sistemului SCADA, cât si
35
datorită posibilelor modificări ale procesului controlat, deci a interfeţelor cu SCADA.
Dacă ne referim la o locaţie RTU, preŃul total al acesteia rezultă din însumarea
următoarelor componente: Pentru măsurarea unei aceleiasi mărimi un traductor ce urmează a fi
integrat într-un sistem SCADA (iesire 4-20 mA) poate costa de 10-15 ori mai mult decât un
traductor care poate fi citit de un operator. La preţul propriu-zis al traductorului se adaugă preţul
cablurilor de conectare la RTU. Acestea sunt de construcţie specială, având mai multe straturi de
protecţii. Echipamentele periferice utilizate trebuie să fie specifice aplicaţiei. Astfel, în domeniul
energetic, senzorii, elementele de acţionare si cablurile trebuie să fie protejate la câmpuri
electrice puternice si tensiuni înalte; în domeniul petrolier, acestea trebuie să fie neinflamabile
si antiexplozive; în domeniul chimic, se adaugă si cerinţa de rezistenţă la coroziune; în
domeniul alimentar, echipamentul care vine în contact cu alimentele trebuie să nu le
contamineze. Echipamentele periferice SCADA sunt scumpe atât ca preţ iniţial, cât si ca
întreţinere, iar acest lucru trebuie avut în vedere la estimarea preţului total.
Articol Preţ ($)
RTU 6.900
Sistem radio 1.150
Sursă neîntreruptă de energie (UPS) 24 V c.c. 2.000
Instrumentaţie
Senzori 9.200
Actuatoare 8.625
Încălzire automată 3.450
Instalare /cablare instrumentaţie 5.000
Proiectare
Concepţie, configurare, furnizori 10.000
Proiect 4.000
TOTAL 50.325
Pentru măsurarea unei aceleiasi mărimi un traductor ce urmează a fi integrat într-un
sistem SCADA (iesire 4-20 mA) poate costa de 10-15 ori mai mult decât un traductor care
poate fi citit de un operator. La preţul propriu-zis al traductorului se adaugă preţul cablurilor
de conectare la RTU. Acestea sunt de construcţie specială, având mai multe straturi de
protecţii. Echipamentele periferice utilizate trebuie să fie specifice aplicaţiei. Astfel, în domeniul
energetic, senzorii, elementele de acţionare si cablurile trebuie să fie protejate la câmpuri
electrice puternice si tensiuni înalte; în domeniul petrolier, acestea trebuie să fie neinflamabile
si antiexplozive; în domeniul chimic, se adaugă si cerinţa de rezistenţă la coroziune; în
domeniul alimentar, echipamentul care vine în contact cu alimentele trebuie să nu le
contamineze. Echipamentele periferice SCADA sunt scumpe atât ca preţ iniţial, cât si ca
întreţinere, iar acest lucru trebuie avut în vedere la estimarea preţului total.
2.1.10. Interfaţa operator
Interfaţa operator este joncţiunea dintre informaţiile care se vehiculează între sistemul
SCADA si operator. Aceasta trebuie să faciliteze decizii rapide ale operatorului atât funcţional
cât si din punct de vedere al întreţinerii. Datorită usurinţei cu care un operator al sistemului
SCADA poate controla un sistem complex de producţie, apare necesitatea implementării unor
măsuri de securitate. Accesul atât în camerele de control cât si la consolele operator este
securizat. Mai mult, pentru a evita controlul total al unui singur operator asupra întregului sistem
36
se definesc grupuri de utilizatori ce controlează fiecare, doar părţi ale instalaţiei. În acelasi timp,
există mai multe nivele de securitate, organizate ierarhic. O funcţie importantă a sistemelor
SCADA este alarmarea. Aceasta reprezintă prevenirea operatorului asupra depăsirii unor
parametri esenţiali ai procesului urmărit. În procesele complexe semnalele de alarmă sunt
organizate pe nivele de priorităţi, structurate în funcţie de gravitatea si implicaţiile defectului.
Reacţia sistemului SCADA este diferită pentru fiecare nivel, de la o simplă înregistrare a
apariţiei până la prevenirea cu semnale sonore.
Pentru a evita supraîncărcarea operatorului alarmele sunt organizate si ierarhic. Aceasta
presupune ca un defect, ce în mod natural ar implica apariţia altor alarme, să fie semnalizat
printr-o singură alarmă. Interfaţa operator trebuie să asigure si posibilitatea urmăririi funcţionării
normale a instalaţiei, ca si accesul la comenzi. Dacă pentru efectuarea unei anumite manevre
complexe sunt necesare mai multe operaţii, efectuate într-o ordine precisă, operatorul trebuie să
comande doar efectuarea manevrei. Logica operaţiilor este asigurată la nivel local de unităţile
RTU. Operatorului i se asigură însă reacţia sistemului (starea /efectul manevrei). Toate
acestea sunt realizate într-o manieră "prietenoasă", prin ecrane grafice de tipul celor
prezentate în continuare. În Figura 2.29 este prezentată schema unei instalaţii, cu valorile actuale
ale parametrilor măsuraţi si cu stările actuale ale elementelor comandate. Se observă existenţa
atât a elementelor cu comandă discretă (Vana101), cât si cu comandă continuă (VLV102).
Operatorul are posibilitatea de a modifica stările elementelor comandate. Pentru fiecare
37
poate fi realizată câte o fereastră separată de configurare, asa cum se vede în Figura 2.30.
Comenzile de importanţă deosebită trebuie reconfirmate de către operator.
2.1.11. Tendinţe în evoluţia sistemelor SCADA
Tendinţele de evoluţie ale sistemelor SCADA se referă la cele trei componente
principale, comunicaţii, RTU si MTU. În ceea ce priveste comunicaţiile dezvoltările din
domeniul electronicii vor permite realizarea unor echipamente mai mici si mai economice din
punct de vedere al consumului de energie făcând posibilă integrarea lor, împreună cu modem-ul,
chiar în RTU. Echipamentele radio pot fi completate cu subsisteme numerice care să realizeze
auto calibrarea acestora rezultând o reducere a timpului de pornire a emiţătoarelor până la
ordinul sec si deci a perioadei de scanare. Referitor la calea de comunicaţie două sunt tendinţele
de evoluţie. Una se referă la utilizarea sateliţilor geostaţionari pentru sisteme SCADA care sunt
extinse pe suprafeţe mari. Pot fi realizate staţii de emisie portabile al căror preţ va fi comparabil
cu cel al telefoanelor mobile. A doua tendinţă se referă la utilizarea comunicaţiilor cu fibră
optică, ce oferă avantajele unei viteze mari de transmisie, a securităţii si confidenţialităţii sporite.
Acest mediu de transmisie este bine adaptat necesităţilor de comunicaţii din domeniul energetic.
Evoluţia unităţilor RTU va permite cresterea flexibilităţii acestora, configurarea pentru
o anumită cerinţă făcându-se pe bază software. Miniaturizarea si reducerea preţurilor
calculatoarelor personale au făcut ca acestea să devină comparabile cu staţii RTU dedicate
simple. Aceasta determină realizarea de RTU bazate pe calculatoare personale cu
funcţionalităţi variate, cum ar fi regulatoare, totalizatoare, strategii de control etc.
Dezvoltările ulterioare ale unităţilor MTU sunt focalizate pe trei planuri: îmbunătăţirea
interfeţei operator (interfeţe grafice, mediu windows, obiecte orientate, reprezentări grafice);
cresterea autonomiei de comandă automată (sisteme inteligente autoinstruite); îmbunătăţirea
38
comunicaţiei masină-masină (dezvoltarea reţelelor LAN).
7. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Generalităţi. Elemente de prelucrare
şi control. Interfaţa de reţea
Reţelele industriale de control
noduri interconectate
mediu de comunicaţie
Nod - element de prelucrare şi control dotat cu o interfaţă prin intermediul
căreia se conectează în reţea (interfaţă de reţea)
Elementele de prelucrare şi control - sisteme de conducere cu
microprocesoare/ microcontrolere de uz general sau cu procesoare specializate.
Interfaţa de reţea - poate fi realizată fizic distinct sau se poate regăsi integrată
în structura elementului de prelucrare şi control.
Subsistemul de comunicaţie al reţelei:
Segmente de reţea
Repetor
Switch
Gateway.
Elementele de prelucrare şi control
La nivelul maşinilor şi al grupurilor de maşini (celule) se pot utiliza:
Controlere de tipul PLC (Programmable Logic Controller);
IPC (Industrial PC)
Alte echipamente de tip controler:
Controlere de automatizare industriala
Sisteme de tip SBC (Single Board Computer) - încorporate în structura maşinilor şi a
instalaţiilor industriale (embedded control systems).
39
Controlerele de automatizare industrială - oferă facilităţi tradiţionale de control discret şi
continuu, la fel ca şi echipamentele de tip PLC. Capabilităţi de control în buclă închisă al
servomotoarelor, o tehnică care tinde să se generalizeze în industrie şi pe care PLC-urile nu o pot
aborda datorită simplităţii constructive şi vitezei relativ reduse de procesare.
Controlerele de automatizare industrială - PLC-uri cu facilităţi şi performanţe
sporite. Controlerele SBC (embedded controllers) - vin din direcţia calculatoarelor
industriale, deşi aparent nu prea seamănă cu ele. Diferenţa este doar una de imagine şi vizează
interfaţa cu utilizatorul. Ele sunt calculatoare “invizibile”, integrate în structura unui sistem sau
produs mai complex. Componentele acestor calculatoare încorporate sunt incluse de regulă pe o
singură placă, într-un format compact şi economic. Pentru a se integra în structura de conducere
ierarhizată la nivelul întreprinderii,oricare dintre cele 4 variante de controlere mai sus menţionate
are nevoie de cel puţin o interfaţă de reţea:
- integrată în structura elementului de prelucrare
- disponibilă sub forma unui modul de extensie.
Interfaţa de reţea
Arhitectura stratificată a interfeţei de reţea trebuie implementată printr-o combinaţie
hardware/firmware sau hardware/software.
- Ideal - interfaţa de reţea să fie implementată distinct şi să poată funcţiona în paralel cu
elementul de prelucrare al nodului.
- În caz contrar, tratarea mesajelor din reţea consumă din timpul care altfel ar fi alocat pentru
prelucrarea datelor.
Costul interfeţei de reţea trebuie să fie cât mai redus.
- Integrarea acesteia în structura hardware a elementului de prelucrare şi control
Implementarea ei (totală sau parţială) în unul sau mai multe circuite integrate LSI/VLSI
specializate (ASIC – Application Specific Integrated Circuit).
Interfaţa de reţea - implementează, de obicei în hardware, funcţiile de comunicaţie de la
nivelurile fizic şi al legăturii de date, oferind executivului un set de servicii de baza pentru
livrarea bidirecţională a datelor între nodurile reţelei.
Este formată din două straturi distincte:
- o parte orientată către reţea, care asigură conectarea la mediul de comunicaţie;
- cealaltă parte orientată către elementul de prelucrare şi control, specifică
structurii I/E a acestuia.
Porţiunea orientată către reţea este din punct de vedere funcţional aceeaşi pentru toate nodurile
reţelei şi este formată în general din două componente distincte:
- adaptorul de comunicaţie, destinat conectării mecanice şi electrice la mediul
fizic de comunicaţie şi transmisiei/recepţiei primare de biţi de date;
- unitatea de acces – care se ocupă de tratarea pachetelor de date şi de protocolul de acces
asociat.
8. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Adaptorul de comunicaţie. Unitatea
de acces. Adaptorul de reţea. Conectare prin DMA
Adaptorul de comunicaţie
40
Asigură o interfaţare serială pe bit de transmisie/recepţie date între unitatea de
acces şi mediul fizic de comunicaţie. Furnizează alte informaţii, cum ar fi de exemplu “detectare
coliziune” – pentru tehnicile de acces la mediu bazate pe competiţie.
Adaptorul de comunicaţie implementează în principal funcţiile nivelului fizic
specificat în standardul reţelelor industriale.Pentru topologia de tip magistrală, acesta mai este
denumit şi transceiver (transmitter/receiver), în timp ce pentru topologiile în inel poartă numele
de repetor.
Unitatea de acces
Realizează o legătură de date serială la nivel de bit cu adaptorul de comunicaţie
Implementează în hardware sau firmware un protocol de acces specific.
Se ocupă de gruparea biţilor în pachete şi cu tratarea câmpurilor în care sunt
structurate acestea (delimitatori de început şi de sfârşit, adrese destinatar şi
sursă, generare/control paritate etc.); Cu codificarea/decodificarea datelor transmise/recepţionate
de la adaptorul de comunicaţie.
Prezintă o interfaţă paralelă pe octet către adaptorul de reţea, prin care circulă
datele din structura pachetelor.
Funcţiile unităţii de acces - se plasează:
- parţial la nivel fizic (codificare/decodificare date)
- parţial la nivelul legăturii de date - subnivelul de control al accesului la mediul
de comunicaţie (MAC – Medium Access Control).
Adaptorul de reţea
Realizează o conexiune de date, de obicei paralelă pe octet, cu unitatea de acces
Are ca funcţie adaptarea hardware a interfeţei de reţea la elementul de
prelucrare şi control.
Structura hardware - depinde de:
- natura elementului de prelucrare şi control
- ratele de transfer necesare între acesta şi interfaţa de reţea.
Din acest punct de vedere, se disting trei variante:
- conectarea serială asincronă;
- conectarea paralelă cu transfer programat;
- conectarea paralelă prin facilităţi DMA.
Conectarea serială asincronă prin porturile standard ale elementului de
prelucrare
- relativ simplă
- poate fi suficientă pentru aplicaţii industriale în care se utilizează înregistratoare
sau controlere lente.
Ratele de transfer nu pot depăşi ordinul zecilor de Kb/s.
Conectarea paralelă cu transfer programat - o alternativă intermediară atât din
punctul de vedere al complexităţii cât şi al ratelor de transfer permise.
Transferurile de date dintre elementul de prelucrare şi interfaţa sa de reţea sunt
controlate printr-un program care se execută pe procesorul elementului de
prelucrare.
41
Rata de transfer este dependentă de viteza acestui procesor (de ordinul sutelor
de Kb/s). Un consum suplimentar de resurse datorită tratării întreruperilor.
Conectarea paralelă prin facilităţi DMA - asigură rate ridicate de transfer (de
ordinul Mb/s), având drept principale avantaje:
- minimizarea numărului de întreruperi solicitate de interfaţa de reţea;
- minimizarea transferurilor de date care au loc la nivelul elementului de
prelucrare şi control.
Conectarea prin DMA:
În funcţie de procesorul implicat în gestiunea canalului DMA al interfeţei de
reţea: Dacă interfaţa nu înglobează un procesor propriu, atunci transferurile vor fi
controlate de procesorul elementului de prelucrare, singurul existent în cadrul
nodului. Aceasta poate conduce la o creştere a gradului de încărcare, respectiv la o
scădere a timpului de răspuns al acestuia. Cea de-a doua soluţie este cea în care interfaţa de reţea
este concepută în jurul unui procesor propriu (procesor de comunicaţie) - degrevează procesorul
elementului de prelucrare de încărcarcarea produsă de comunicaţia în reţea.
În funcţie de locul în care este amplasată memoria implicată în transferurile de
date:
- în memoria elementului de prelucrare şi control
- memoria necesară sa fie înglobată în interfaţa de reţea.
A doua variantă este mai avantajoasă, fiind implementată prin memorii multiport, accesibile atât
procesorului de comunicaţie cât şi procesorului elementului de prelucrare.
Aceasta are rolul de stocare intermediară a pachetelor de date, dar şi ca mediu
de comunicaţie între cele două procesoare. Funcţiile adaptorului de reţea - se plasează de regulă
la nivelul legăturii de date. Sunt accesibile elementului de prelucrare printr-un driver de
dispozitiv specific. Funcţiile adaptorului de reţea şi cele de control ale accesului la mediu ale
unităţii de acces se regăsesc într-o combinaţie funcţională denumită controler de reţea.
În acest caz, funcţiile unităţii de acces situate la nivel fizic sunt separate în
unităţi specifice denumite adaptor de interfaţă serială sau codificator/decodificator.
9. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Mediul fizic de comunicaţie.
Dispozitive de interconectare.
Mediul fizic de comunicaţie
Mediul fizic - independent de schema de conectare a nodurilor în reţea. Există 4
tipuri principale de medii de comunicaţie întâlnite în reţelele industriale de control:
- cablu torsadat (twisted-pair);
- cablu coaxial;
- fibră optică;
- unde radio.
Cablul torsadat
Asigură comunicaţia în banda de bază
Este format din două fire răsucite pe întreaga lungime, ceea ce face să crească
42
imunitatea la zgomote (electrice).
Există două tipuri de cabluri torsadate:
- ecranate (STP – Shielded Twisted-Pair)
- neecranate (UTP – Unshielded Twisted-Pair).
Cele ecranate mai au o cămaşă metalică care înfăşoară cele două fire răsucite,
ceea ce la creşte şi mai mult imunitatea la zgomote.
Noile tipuri de cabluri torsadate neecranate sunt mult mai protejate la zgomote,
ceea ce le face utilizabile şi pentru rate de transfer ridicate.
-Zeci de Mb/s.
- Toate cele 4 medii de comunicaţie pot să asigure rate de transfer de peste
100Mb/s, dar pe distanţe diferite.
Cablul coaxial
Mediu de bandă largă:
Imunitate foarte mare la zgomote, deoarece este ecranat.
În transmisii de bandă largă se utilizează o multiplexare în frecvenţă:
- pot fi folosite mai multe canale, fiecare având propria sa frecvenţă, distanţate
între ele pentru a asigura imunitatea la zgomote şi interferenţe.
În transmisii în banda de bază - se utilizează multiplexarea în timp a mediului de
comunicaţie care reprezintă un singur canal.
Dreptul de a transmite este adjudecat printr-un mecanism de arbitrare sau
revine fiecărui nod conform unei anumite reguli.
Cablul optic
Este mai complex şi necesită costuri de instalare comparativ ridicate în raport cu
celelalte tipuri
Principalele avantaje:
- imunitatea perfectă la zgomote de natură electromagnetică,
securitatea ridicată,
-atenuarea redusă
- ratele mari de transfer care pot fi atinse.
- Fibra optică poate fi din sticlă sau din plastic, care este mai ieftin şi mai uşor de
instalat.
Undele radio
Comunicaţiile radio - au înregistrat în ultimul timp o creştere substanţială în
domeniul reţelelor industriale. Toţi producătorii majori de PLC au inclus module de comunicatii
radio pentru produsele lor.
Principalul avantaj - absenţa legăturilor cablate - flexibilitate.
Dispozitive de interconectare
Conectare la nivelul fizic - repetor.
43
Preia biţii care apar într-o reţea şi îi înaintează (repetă) pe cealaltă reţea.
În unele cazuri, un repetor trebuie să translateze datele între două formate de
nivel fizic, spre exemplu de pe fibră optică pe cablu UTP. Aceasta poate necesita o procesare a
semnalului recepţionat în vederea eliminării zgomotului.
Transferul datelor recepţionate se face indiferent de câmpul de adresă.
Punţile (bridges) şi comutatoarele (switches) - utilizate pentru a interconecta
reţele la nivelul legăturii de date, mai precis al subnivelului de control al
accesului la mediu (MAC – Medium Access Control).
De regulă aceasta necesită ca cele două reţele să aibă niveluri MAC identice, deşi
ele pot fi şi similare. Spre deosebire de repetor - punţile repetă pachetele, filtrând zgomotele şi
erorile. Pot fi folosite pentru a segmenta traficul şi de a localiza pachetele la nivelul unui
singur segment dacă şi sursa şi destinaţia sunt conectate la acelaşi segment.
Ruterele (routers) - interconectează reţelele la nivelul 3 (de reţea)
- implementează funcţii de selectare a traseului optim pentru un pachet de date.
44
Se pot regăsi şi în combinaţie cu porţile (brouter): ori de câte ori este posibil, un
brouter funcţionează ca o poartă şi nu ca un router.
Porţile (gateways) - folosite pentru interconectarea unor reţele cu arhitecturi
complet diferite (spre exemplu TCP/IP - OSI)
45
10. Măsurări electronice industriale. Introducere. Mediul de măsură industrial. Generalităţi
despre prelucrarea numerică a semnalelor
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.
Măsurările industriale, în funcţie de destinaţia pe care o au, pot fi:
a) Doar pentru indicare
Aceste 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 automat
Controlul 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 materiale
Aceste 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
46
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.
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 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
47
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
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
Condiţionare
de semnale
Condiţionare
de semnale
Proces
Sisteme de achiziţie şi
distribuţie de date
Aer condiţionat
Operatori umani
CAMERA DE CONTROL
Semnale de control
Semnale de măsură
MEDIU INDUSTRIAL
–40oC ÷ +85
oC
Umiditate
Mediu periculos
Platforma de
lucru
Motoare /
Surse de alimentare Arcuri electrice Iluminare
Indicare Indicare
Înregistrare
Operator / Interfaţă
proces
Surse de perturbaţie
Fig.4.1. Sistem de măsură şi control industrial
48
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 HIGH
42V DC MAX
Proces tehnologic Sistem de
traductoareSistem de
Instrumentatie
49
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;
Intrări proces
Elemente de
execuţie
Proces Senzori şi
Traductoare
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
50
- 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 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
51
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.
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.
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
numerice
4.4. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice
52
:
( ),
,
x T M
x f t
t T x M
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
bat)t(x
)tsin()t(x
(4.2)
b) semnale discrete
Rt,Zn),ntsin()nt(x 000 (4.3)
c) semnale cuantizate
Zm,Qq,mqx|xM (4.4)
53
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 :
1, . 0
( )0, . 0
pt kd k
pt k
(4.5)
- Treapta unitate:
1, . 0
( )0, . 0
pt kk
pt k
(4.6)
- Semnalul dreptunghiular neperiodic:
x (t) x (kt0) xq (kt0) eşantionare cuantizare
k
k
k
k
1
1
1
1
( )d k
( )k
( )x k
( )kr k
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
54
1, .0 1
( )0, .
k
pt k Kr k
în rest
(4.7)
- Semnal sinusoidal de perioadă N:
0
2( ) sin ( )x k A k k
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 :
0 0x(k),pt.k k k K 1x(k)
0, în.rest
(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:
k
0 )ktt()t( (4.10)
Se obţine un semnal xs (t) numit semnal eşantionat de forma :
s 0 0
k
x (t) x(t) (t) x(kt ) (t kt )
(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 fs≥(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).
55
0( )j kt
k
k
S t c e
având coeficienţii 0
0
0
sin
k
k
tc
kt
t
(4.12)
Aceşti coeficienţi au un maxim pentru k=0 şi descresc progresiv. Spectrul de frecvenţă va
fi:
s k
k
X c X k
(4.13)
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 : q q
iq x iq , pt. i 0, 1, 2,....2 2
(4.14)
Fig. 4.5. Spectrul semnalelor eşantionate
0 fs fs/2
f
| XS(ω) |
fB 0
f
Filtru
antialias
| XS(ω) |
fB -fB 0 fs fs+ fB fs- fB fs/2
f
| XS(ω) | fB -fB 0 fs/2
f
| XS(ω) |
56
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 :
qq xx (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).
Figura 4.7 prezintă schema bloc specifică procesului de conversie numeric-analogic.
Semnalul numeric xq(t) este transformat într-un semnal aproape analogic cu ajutorul unui
convertor N/A. Aproximaţia semnalului analogic iniţial x t se obţine după netezire cu un
filtru trece jos de ordinul 1 sau 2.
Convertor
numeric-analogic
Filtru de
netezire
xq(k) xq(t) x(t) ~
Fig.4.7. Procesului de conversie numeric-analogic.
Filtru
ANTIALIAS
Dispozitiv de
cuantizare
x(t)
Fig.4.6 Conversia analog numerică
(t)
(t
)
xq(k) xs(t)
57
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 ui, 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 ui 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).
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.
u e u i
S/H
C E
M
semnal de
intrare
semnal
eşantionat
u e
u i
S/H
t
t
Fig. 4.8. Circuit de eşantionare şi memorare
58
apmaxmax tP
Eroarea staţionară – reprezintă abaterea de la amplificarea unitară sau cea prescrisă
prin datele de catalog
Eroarea 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:
LSB2
1tP apmaxmax (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.
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.
S/H Memorare Eşantionare
ui
ue
ui
diafonie
tap ts
alterare
semnal
tac
ue
Fig. 4.9. Caracteristica CEM
59
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: sap12 tttt
ue ui C E M C A N
Start
Conversie
Stare
Conversie
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
60
Momentul t3 reprezintă sfârşitul convesiei analog-numerice moment precizat de
comutarea la nivel 0 logic a semnalului Stare Conversie. Rezultă C23 Ttt 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 ac34 ttt 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: acCsap14minac tTttttT (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 Ri 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
A1
A2
61
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 AO1,
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
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.
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
62
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.
.
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).
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
63
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 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
64
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
65
(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.
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.
66
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.).
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).
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
67
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.
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
68
(tehnologie CMOS de 0,5m), 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 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.
69
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;
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);
70
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);
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
71
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 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 Viteza Rezoluţie
[biţi]
Imunitate la
zgomot Preţ
- cu convers.
tens./frecv.
redusă 14…24 foarte bună mediu
- cu integrare redusă 12…18 foarte bună scăzut
72
- 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 ieşirile analogice, dar şi la măsurarea frecvenţei, numărarea unor evenimente,
măsurarea unor intervale de timp, întârzieri sau la generarea de frecvenţe de ieşire cunoscute.
73
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:
c
)1N(
maxT
2f
(4.19)
unde N este numărul de ranguri binare al convertorului, Tc durata conversiei.
Fig.4.17.
74
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.
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
canal
Este 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.
75
Fig.4.19.
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.
76
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
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
77
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 Vcm este indusă în circuitul perturbat
B de câmpul electric perturbator generat de reţeaua electrică A (fig. 4.23)
V Z VCAB
cmR
Reţeaua ACircuitul
perturbat B
V Z VcmR
Reţeaua ACircuitul
perturbat B
AEC CBE
Ecran
ZE
Fig. 4.23. Fig. 4.24.
Mărimea semnalului perturbator va depinde de reactanţa XAB a capacităţii reţea-circuit şi
de impedanţa Z faţă de masă a circuitului perturbat, conform expresiei:
VV
Z j XZcm
R
AB
, (4.20)
unde X CAB AB 1/ . (4.21)
Prin VR şi au fost notate tensiunea şi respectiv pulsaţia reţelei.
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 ZE în raport cu masa a ecranului care separă circuitul perturbat de reţea este mică,
astfel încât nodul comun al capacităţilor C AE şi CBE să poată fi considerat, practic, conectat la
masă, tensiunea Vcm 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 Vcm , 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
78
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 K...100 K.
AB C
+
_
Vcm
Conductoare de legăturăecranate
Traductor Circuite placă
D
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 Z1 şi Z 2 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.
VcmV
C
Traductor
Z
Z
A+
_
Circuite placăModel cablu
1
2
1A2A
1B2B
Z
Z
Z
Z
Bcm
A
B
C
Z
Z Z
Z
R C
1
2
A
B
i i
Fig. 4.26. Fig. 4.27.
Impedanţele Z si Z1A 1B sunt de natură inductivă, în timp ce Z si Z2A 2B sunt de natură
capacitivă. La frecvenţele tensiunii de mod comun , Vcm , impedanţele Z si Z1A 1B se pot neglija
în raport cu Z1 şi Z 2, iar Z si Z2A 2B se echivalează cu ZA , respectiv ZB , care reprezintă
impedanţele de izolaţie între bornele de intrare A, respectiv B, şi masă.
R i şi C i reprezintă componentele impedanţei de intrare a blocului electronic. Cum Z i>>
Z1, Z 2, la frecvenţa tensiunii de mod comun, se neglijează efectul impedanţei de intrare Z i, 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:
79
VZ
Z ZV
Z
Z ZVAB
A
A
cmB
B
cm
1 2
, (4.22)
de unde rezultă:
cm
BA
BAAB V
ZZZZ
ZZZZV
21
12 (4.23)
Folosind notaţia Z 2 - Z1 = Z şi înlocuind în expresia (4.23) vom obţine:
cm
BA
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 ZA şi ZB se
presupun de valori apropiate. Tensiunea Vcm va avea valoarea maximă când termenul al doilea
din paranteză este maxim. Acest lucru se realizează atunci când Z = Z 2, respectiv Z1 = 0. Cu
această condiţie şi neglijând la numitor termenii Z1 şi Z 2 faţă de ZA şi ZB , rezistenţele de
izolaţie având valori foarte mari, obţinem:
VZ
ZVAB
B
cm max 2 (4.25)
Din această relaţie rezultă că influenţa perturbatoare a tensiunii de mod comun este cu
atât mai mare cu cât impedanţa de izolaţie ZB 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
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.
80
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 , respectiv 500 , 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 1A ar fi necesară o rezistenţă de 5 M, 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.
OPA 111+
_
R
IIN
VOUT
R R
R R
C C
C C
semnalintrare
VOUT=
_IIN
. R
R
R*
*
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 =109 , acceptând o
eroare maximă de 1mV. Se alege o valoare mai mică de 109. De exemplu, un senzor pentru
citirea ph-ului cu o impedanţă de 500 M 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 100, 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.
81
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
R au fost introduse pentru polarizarea în curent continuu a intrărilor circuitelor de amplificare.
Orice 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 V Vin out/ la o frecvenţă dată fx , 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 10 613 pF , o
tensiune maximă admisă pe bariera de izolare de 8 KV 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 2 5, KVcc şi rejecţia modului izolat mai mare de 108 dB.
- circuitul ISO 122 foloseşte cuplajul capacitiv, are impedanţa de izolaţie de 10 215 pF ,
tensiunea maximă de izolaţie de 2 4, KV 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
82
condiţionare de semnal analogic din seria PCI-5B de la firma Intelligent Instrumentation este
dată în figura 4.30.
SENZOR DE
TEMPERATURA
COMPENSARE
JONCŢIUNE
RECE
REFERINŢĂ
DE PRECIZIE
FILTRU
TRECE JOS
FILTRU
TRECE JOS
AMPLIFICATOR
DE IZOLAŢIE
CONVERTOR
CC/CC
_V +V
Vout
+ 5V
OSCILATOR
DE PUTERE
SURSĂ DE
ALIMENTARE
IZOLATĂ
+ V
NC
_ IN
+IN SUPRATENSIUNE
PROTECŢIE
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.
83
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.
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 5.2
Un sistem de măsurare poate fi utilizat :
1. numai în scopul măsurării, rezultatul apărând direct la dispozitivul de redare.
84
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.
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 măsurare
Erorile 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
85
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);
-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.
86
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 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;
87
-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 presiunii
5.2. Aparate de măsurare şi traductoare
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
88
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 5.3
Elementul 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.
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.
89
- 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.
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
comprimarea
Mărci, doze
tensometrice
Forţe,
cupluri
Rezistenţă
Variaţia inductivităţii Micrometru Deplasare Inductivitate
Variaţia distanţei dintre
plăcile unui condensator
Doză capacitivă Deplasare, presiune Capacitate
Dependenţa permitivităţii
electrice de conţinutul de
apă
Higrometru
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 piezoelectric
Doza piezoelectrică
Presiune
Tensiune
90
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.
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
91
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.
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
92
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 presiunii
Cele 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
93
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:
Pyy
y
0
(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 :
)P(f (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 10
9 N/m
2 (10
6 KPa), precum şi depresiuni de la 0 la 1,01325·10
5 N/m
2
(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:
94
Figura 5.5.a. Construcţie
b.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/m
2 (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/m
2 (0,6 KPa) şi 10
5 N/m
2 (10
2 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,
95
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:
Pg)(
1h
f
(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).
Psing)(
1y
f
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.
96
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/m
2 (0,1 KPa), cât
şi pentru presiuni mari, până la 108 N/m
2 (10
5 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.
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 v
sau al vectorului ( v ) prin suprafaţa Σ, în
conformitate cu relaţiile:
dnvQv
[m
3/s] - volumic (5.10)
dnvQm
[kg/s] - masic (5.11)
în care: v
- vectorul viteză; - masa specifică; n
- versorul normal la suprafaţa Σ.
Suprafaţa Σ este constituită în general, din secţiunile transversale ale conductelor prin
care sunt vehiculate fluidele.
97
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
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 ut, 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 v
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
B
, l
şi v
:
vlBu t
(5.12)
98
Figura 5.12
Distanţa 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:
4
D
Qv
2
v
(5.13)
vt Q
D
B4u
(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%.
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
99
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:
mp1 qck (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 :
au5,0u (5.16)
în care: - coeficientul de temperatură al rezistenţei electrice.
Din relaţiile de mai sus se obţine ecuaţia de funcţionare a traductorului electrotermic:
mp1a qcku5,0u (5.17)
sau:
mqAu (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 temperaturii
Cele mai utilizate traductoare de temperatură sunt cele care au la bază fenomenul
termoelectric, variaţia rezistenţei electrice cu temperatura şi dilatarea termică a corpurilor.
100
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:
)TT)(T(UUUU 0ABbaABS (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
101
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;
- 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. 5.16 Fig.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 termorezistive
Variaţia 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:
102
)aT1(RR 0T (5.20)
iar pentru platină, în intervalul 0 … +630C, dependenţa este:
)bTaT1(RR 2
0T (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:
T
B
T AR (5.22)
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. 5.18 Fig. 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.
103
Din acest motiv, inducţia în întrefier este o funcţie de mărimea unghiului de deplasare a
cadrului mobil. Caracteristica statică este:
T4
2
13 Rf
I
If
(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.
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:
32T1 RR)r2R(R (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 corpurilor
Aceste 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.
104
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
18. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Traductoare de nivel. Traductoare
conductometrice. Traductoare pentru analiza compoziţiei chimice a amestecurilor gazoase
5.2.6. 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:
0 aFG
respectiv: 0 aFG (5.25)
Fig. 5.23
Presupunând secţiunea transversală a corpului de arie constantă A şi densitatea lichidului
, relaţia (5.25) ia forma:
gA
Gy
(5.26)
unde: y – adâncimea de cufundare a corpului; g – acceleraţia gravitaţională.
105
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
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:
hgPP 21 (5.27)
Prin determinarea diferenţei de presiune P1 – P2 se poate stabili înălţimea coloanei de
lichid:
g
PPh
21 (5.28)
Pe această relaţie se bazează traductorul de nivel de tipul manometru diferenţial prezentat
în figura 5.25.
106
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:
hgP (5.29)
care indică dependenţa dintre nivelul lichidului şi presiunea P.
Dintre diferitele surse de erori asociate traductoarelor de barbotare din acest paragraf,
variaţia densităţii mediului căruia i se măsoară nivelul este cea mai importantă, fapt pentru care
trebuie luată în permanenţă în considerare.
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:
107
A
LR (5.30)
în care: – rezistivitatea soluţiei; L – lungimea tubului de soluţie; A – aria secţiunii transversale
a tubului de soluţie.
Inversul rezistivităţii reprezintă conductivitatea electrică:
]m/[/ 11 (5.31)
Unitatea de măsurare în Siemens pe metru (S/m), unde 1 S=1 -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 :
mC
1 (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.
108
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
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:
2211 mm (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.
109
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:
12
11
mK
mKUU a
(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
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.
110
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:
nkMa 1 (5.35)
unde: n- este viteza de turaţie unghiulară (turaţia).
n
M
M
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.
Tahometrul de impulsuri
111
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.
1
2
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
112
modificare a lungimii l din senzor, care este inclusă în circuitul de măsurare, ceea ce conduce la
relaţia:
t
t
t Ral
lRR
(5.36)
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).
113
a
Ul
U0 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
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.
114
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).
115
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;
116
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
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
117
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.
(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:
Fig. 5.41.
118
S
ga
S
a
S
a
C
1
C
1
C
1
00
2
0
1
21
(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:
r0r0o321 a
g
a
g1
S
a
S
g
S
ga
C
1
C
1
C
1
C
1
, (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 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;
Fig. 5.42.
119
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.
6.2. 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.
120
6.1. Structura 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.
121
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
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. "
122
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.
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
123
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 tehnologic
Instalatiile 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.
124
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;
USOL
MOP - Mecanism OleoPneumatic; neconcordanta; ardere sigurante comanda, semnalizare;
lipsa tensiune protectie de distanta; functionat protectia de distanta, homopolara; blocare
declansare 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);
125
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);
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;
anulare
semnalizari;
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 comanda
6.2.4.1. Intrari numerice
126
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.
· 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
127
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
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;
128
- 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
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 celulei
Pe 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.
129
- 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
Structura unui punct de comanda si control - PCC - în arhitectura distribuita ar putea arata
ca în fig.6.4 de mai jos.
130
Fig.6.4. Structura unui punct de comanda si control
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.
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.
131
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
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
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).
132
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.
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.
133
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;
134
· 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.
135
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.
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.
136
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.
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);
137
- 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;
- 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 DED
Conform normelor RENEL principalele informatii necesare conducerii oeprative la nivel DED
sunt:
6.5.1.1. Marimi
a) 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;
138
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. Semnalizari
a) 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);
- 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,
139
- 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;
- 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;
140
- 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;
- 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
141
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 ORACLE, care este in mod normal utilizat pentru crearea, intretinerea si accesul in
142
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 )
143
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 Informatic
Functiunea 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 DED
Vor 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.
144
Rolul sistemelor informatice în conducerea unui proces tehnologic trebuie să cuprindă
următoarele aspecte :
- urmărirea operativă în timp real a desfăşurări procesului tehnologic;
- 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;
145
- 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:
- 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.
146
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;
- 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;
147
- 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.
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;
148
- 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:
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;
149
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 :
- 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;
150
- 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)
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;
151
- 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.
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.;
152
- 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
26.Standarde industriale: RS 422, RS 485
Subiectul 25 & 26, trebuie căutate pe Google!