Основные принципы реализации протоколов верхнего уровня (типа MODBUS)

Modbus —коммуникационный протокол, основан на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Использует для передачи данных интерфейсы RS-485, RS-422, RS-232, а также Ethernet сети TCP/IP (протокол Modbus TCP).

Кратко рассмотрим эти протоколы, хотя они не имеют отношение к стандарту RS-485. Обычно протокол верхнего уровня включает в себя пакетную, кадровую или фреймовую организацию обмена. То есть, информация передаётся логически завершенными частями. Каждый кадр обязательно маркируется, т.е. обозначается его начало и конец специальными символами. Каждый кадр содержит адрес прибора, команду, данные, контрольную сумму, которые необходимы для организации многоточечного обмена. Чтобы избежать коллизий обычно применяют схему " ведущий" (master)-" ведомый" (slave). " Ведущий" имеет право самостоятельно переключать свой драйвер RS-485 в режим передачи, остальные драйверы RS-485 работают в режиме приёма и называются " ведомыми". Чтобы " ведомый" начал предавать данные в линию связи " ведущий" посылает ему специальную команду, которая дает прибору с указанным адресом право переключить свой драйвер в режим передачи на определенное время.

После передачи разрешающей команды " ведомому", " ведущий" отключает свой передатчик и ждет ответа " ведомого" в течение промежутка времени, который называется " таймаут". Если в течении таймаута ответ от " ведомого" не получен, то " ведущий" снова занимает линию связи. В роли " ведущего" обычно выступает программа, установленная на компьютер. Существуют и более сложная организация пакетных протоколов, которая позволяет циклически предавать роль " ведущего" от прибора к прибору. Обычно такие приборы называют " лидерами", либо говорят что приборы передают " маркер". Владение " маркером" делает прибор " ведущим", но он должен будет обязательно передать его другому прибору сети по определённому алгоритму. В основном, указанные выше протоколы, отличаются по этим алгоритмам.

 

Сигнал 4-20.

Фундаментальные основы работы токовой петли 4..20 мА.

С 1950-х годов токовая петля используется для передачи данных от измерительных преобразователей в процессе мониторинга и контроля. При низкой стоимости реализации, высокой помехоустойчивости и возможности передачи сигналов на большие расстояния, токовая петля оказалась особенно удобной для работы в промышленных условиях. Этот материал посвящён описанию базовых принципов работы токовой петли, основам проектирования, настройке.

Использование тока для передачи данных от преобразователя. Датчики промышленного исполнения часто используют токовый сигнал для передачи данных в отличие, от большинства других преобразователей, таких, например, как термопары или тензорезистивные датчики, которые используют напряжение сигнала. Несмотря на то, что преобразователи, использующие напряжение в качестве параметра передачи информации, действительно эффективно применяются во многих производственных задачах, существует круг приложений, где использование характеристик тока предпочтительнее. Существенным недостатком при использования напряжения для передачи сигналов в промышленных условиях является ослабление сигнала при его передаче на значительные расстояния вследствие наличия сопротивления проводных линий связи. Можно, конечно, использовать высокий входной импеданс устройств, чтобы обойти потери сигнала. Однако, такие устройства будут весьма чувствительны к шуму, которые индуцируют находящиеся поблизости моторы, приводные ремни или радиовещательные передатчики.

Согласно первому закону Кирхгофа сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла.

В теории, ток, протекающий в начале контура, должен достичь его конца в полном объёме.

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в начале контура равен току в его конце.

Это основной принцип, на котором работает контур измерения. Измерение тока в любом месте токовой петли (измерительного контура) даёт один и тот же результат. Используя токовые сигналы и приёмные устройства для сбора данных с низким входным сопротивлением, в промышленных приложениях возможно получить значительный выигрыш от улучшения помехоустойчивости и увеличения длины линии связи.

Компоненты токовой петли.

В состав основных компонентов токовой петли входят источник постоянного тока, первичный преобразователь, устройство сбора данных, и провода, соединяющие их в ряд.

Источник постоянного тока обеспечивает питание системы. Преобразователь регулирует ток в проводах в диапазоне от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой «живой» ноль, а 20 мА представляет максимальный сигнал.

0 mA (отсутствие тока ) означает разрыв в цепи. Устройство сбора данных измеряет величину регулируемого тока. Эффективным и точным методом измерения тока является установка прецизионного резистора- шунта на входе измерительного усилителя устройства сбора данных (на рис.2) для преобразования тока в напряжение измерения, чтобы в конечном итоге получить результат, однозначно отражающий сигнал на выходе преобразователя.

 

Блоки искрозащиты.

Блоки искрозащиты.

Для обеспечения искробезопасности можно использовать контроллеры или модули ввода-вывода с искробезопасными цепями. Однако эта же задача может быть решена с помощью любых контроллеров общепромышленного исполнения, если использовать блоки искрозащиты(барьеры безопасности) [ГОСТ]. Этот способ гораздо дороже первого, но удобен тем, что барьеры безопасности являются универсальным средством защиты и поэтому позволяют сделать выбор нужного контроллера из огромного разнообразия контроллеров, не имеющих искробезопасных цепей.

Барьеры безопасности могут быть пассивными и активными. Пассивные барьеры строятся на диодах, стабилитронах, резисторах и предохранителях, помещаются в неразборный корпус и заливаются компаундом для исключения возможности их ремонта. Активные барьеры представляют собой повторители сигнала, состоящие из искробезопасной и искроопасной части, которые разделены оптронами и трансформаторами.

Конструкция барьеров безопасности должна исключать возможность неправильного монтажа, например, с помощью асимметричной формы крепления барьера или цветовой маркировки.

а)	б)	в)
Рис. 7.2. Структурные схемы блоков искрозащиты.

Структурные схемы барьеров представлены нарис. 7.2. Стабилитрон ограничивает напряжение между своими выводами, поэтому ток и напряжение, которые могут появится на зажимах искробезопасной цепи, строго ограничены и не зависят от напряжения на искроопасных клеммах. Барьеры рассчитываются в предположении, что на искроопасных клеммах может появиться сетевое напряжение 220В. Для того, чтобы повысить надежность барьера, стабилитроны троируют или дублируют в зависимости от требуемого уровня искробезопасности. Ток через стабилитрон ограничивается резистором . Чтобы ток не превысил допустимые пределы, используют предохранитель .

На переменном токе применяют схему барьеров со встречно включенными стабилитронами (рис. 7.2, б). Для передачи дифференциального сигнала используют цепь, показанную на (рис. 7.2, в). Поскольку блок искрозащиты относится к связанному оборудованию, он устанавливается вне взрывоопасной зоны (рис. 7.3).

Барьеры для термопреобразователей сопротивления отличаются от барьеров для термопар, дискретных сигналов или аналоговых сигналов. Барьеры, входящие в состав измерительного канала, относятся к средствам измерений и характеризуются погрешностью передачи сигнала. В пассивных барьерах источником погрешности являются утечки стабилитрона и ненулевое сопротивление резисторов, которое составляет делитель напряжения с входным сопротивлением нагрузки.

Для работы с термопарами барьеры включают в разрыв компенсационных термопарных проводов (рис. 7.3) или используют выносной датчик температуры холодного спая.

Параметры искробезопасных цепей барьеров безопасности указывают с помощью описанных выше понятий и условных обозначений (см." Искробезопасная электрическая цепь" ).

Рис. 7.3. Пример применения устройств без маркировки взрывозащиты совместно с барьерами искрозащиты

Барьер искробезопасности (барьер искрозащиты)

Устройство, которое удовлетворяет всем требованиям к искробезопасным цепям и является барьером между двумя зонами – искробезопасной и искроопасной (взрывобезопасной и взрывоопасной) называется барьером искробезопасности. Обычно это устройство выполняется на стабилитронах, и имеет название БИС – блок искрозащиты на стабилитронах, который изготавливаетя как единый неразборный элемент, помещенный в неразборную оболочку, или же чаще всего залитый компаундом. Это исключает всякую возможность ремонта или замены внутренних элементов.

Широкое применение барьеры искрозащиты нашли на предприятиях с опасными условиями – химическая, угольная, нефтехимическая, газовая промышленности. БИС обязан выполнять требования стандарта ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99). Барьеры разработаны для использования в большинстве задач АСУ ТП, потому они применяются для подключения двухпроводных датчиков, электромагнитных клапанов, электропневматический преобразователей и т.д. Хотя, стоит заметить, что так же они могут использоваться для подключения простого оборудования: выключатели, потенциометры, конденсаторы, катушки индуктивности, термопары, фотоэлементы и многое прочее.

На рисунке ниже изображена схема барьера искробезопасности, которая состоит из шунтирующих стабилитронов с последовательно включенным резистором и предохранителем – так называемые шунт-диодные (стабилитронные) барьеры.

Принцип работы. В номинальном режиме роботы электрооборудования на стабилитронах напряжение пробоя не превышается – стабилитрон закрыт и не проводит ток. Но, как только возникает какая-либо авария, и напряжение превышает допустимое значение, стабилитрон переходит в режим стабилизации напряжения, начиная пропускать через себя ток. Резистор, включенный последовательно в цепь, ограничивает ток во взрывоопасной части цепи. Предохранитель предотвращает подачу больших значений тока в часть цепи, которая расположена во взрывоопасной зоне.

Достоинства:

- простота и дешевизна;

- универсальность;

- высокая точность и линейность;

- широкое применение во всём мире;

- малые габариты, что позволяет произвести высокоплотный монтаж.

Недостатки:

- ограниченный диапазон рабочего напряжения (возможность использования только с низковольтным оборудованием);

 - контур заземления требует высококачественного выполнения;

 - оборудование расположенное в опасной зоне должно быть изолировано от земли.

 

Греющий кабель.

Рассмотрим работу греющего кабеля на примере Nelson CLT

Саморегулирующийся кабель (термокабель, нагревательный гибкий элемент): процесс изготовления следующий: вокруг двух медных жил, покрытых сплавом олова или меди, напрессовывается термопластичная пластмасса.

1. Проводники из скрученной медной проволоки луженой оловом.
2. Греющая матрица
3. Первый слой внутренней изоляции
4. Второй слой внутренней изоляции
5. Медный экран (заземление)
6. Внешняя изоляция из модифицированного полиолефина или фторполимера

Саморегулирующийся греющий кабель получил широкое распространение в задачах коммерческого и промышленного обогрева, благодаря своей экономичности в эксплуатации и удобству монтажа.
Тепловыделяющий элемент – полимерная матрица сформованная методом экструзии на токопроводящих жилах.
Наличие углерода в матрице обеспечивает образование токопроводящих связей, количество которых зависит от температуры.
При снижении температуры количество связей увеличивается, сопротивление уменьшается, и мощность, т.е. тепловыделение возрастает.
При повышении температуры происходит обратный процесс.
Величина тепловыделения в матрице определяется не только температурой окружающей среды, но и условиями теплопередачи.
Тепловыделение в воде, льду, бетоне будет значительно больше, чем тепловыделение на воздухе, из-за большего теплоотвода и более низкой температуры матрицы.
Такое свойство матрицы называют эффектом саморегуляции, т.е. стремлением к достижению равновесного состояния между тепловыделением и температурой окружающей среды.

Конструкция саморегулирующегося нагревательного кабеля представляет собой матрицу с токопроводящими жилами, защищенную несколькими слоями изоляции и защитным экраном.
Металлическая оплетка выполняет роль заземления, а дополнительная пластиковая оболочка защищает кабель от агрессивной среды, ультрафиолета, искрообразования.
Кабель можно монтировать сразу на месте, не бояться перехлестов и наложения друг на друга двух ниток греющего кабеля, т. к. перегрев и перегорание ему не грозит.
Две жилы обеспечивают напряжение по всей длине греющего кабеля. Греющая матрица представляет непрерывный греющий элемент.
Таким образом можно обрезать саморегулирующийся греющий кабель нужной длины (что невозможно для резистивных кабелей).
В процессе эксплуатации исключено появления мертвых и холодных зон (как у зональных кабелей), не образуется зон локального перегрева.

222Устройство и принцип работы саморегулирующегося греющего кабеля

Греющие кабели используются для подогрева водопровода, кровли, карнизов и других элементов, где нежелательно замерзание воды зимой. Саморегулирующийся кабель обладает способностью самостоятельно изменять интенсивность подогрева на разных участках в зависимости от потребности: чем ниже температура обогреваемого объекта, тем сильнее разогревается кабель.

Устройство саморегулирующегося кабеля

Структура саморегулирующегося греющего кабеля.

Саморегулирующийся кабель имеет две медные жилы, по которым подаётся электричество, между ними находится ключевое устройство всего кабеля - проводящая нагревательная матрица. Каждый её элемент оказывается подключен в электрическую цепь параллельно между медными проводами питания. Именно эта матрица и является нагревательным и регулирующим элементом. Сверху вся электрическая конструкция обернута в слой термозащиты. Далее находится экранирующая оплётка, которая защищает кабель от внешних электромагнитных воздействий и на неё же подводится заземление кабеля. И наконец, сверху кабель имеет защитное покрытие, которое оберегает его от механических повреждений.

Принцип работы саморегулирующегося греющего кабеля

Работа саморегулирующегося нагревательного кабеля основана на простом свойстве проводника электрического тока: при нагревании увеличивается его сопротивление, а чем выше сопротивление, тем меньше сила тока, а следовательно и затрачиваемая мощность. Участок кабеля, который находится в более холодном месте имеет меньшее сопротивление, через нагревательную матрицу в этом участке протекает больших ток, что приводит к большему нагреву кабеля и более интенсивному обогреву трубы. Там где температура выше, сопротивление матрицы больше и ток, протекающий через неё меньше. Таким образом, при включении саморегулирующегося кабеля у замерзающей водопроводной трубы, он включается на полную мощность, а по мере прогрева трубы, его мощность постепенно увеличивается.

Сам по себе греющий кабель не выключается при достижении нужной температуры обогреваемой трубы, он продолжает работать постоянно, просто с меньшей мощностью. Например, кабель используется на участке водопроводной трубы на вводе в дом в зимний период, и его задача поддерживать температуру трубы +5 градусов, чтобы предотвратить замерзание. Саморегулирующийся кабель не будет отключать обогрев при температуре +5 градусов и выше, и не будет сам включаться при падении температуры ниже +5, он будет работать постоянно, просто с разной интенсивностью. Потребляемая мощность саморегулирующегося греющего кабеля составляет около 10 Вт на метр длины (минимум 5 Вт, а самые мощные модели потребляют и 150 Вт), это немного с точки зрения потребления электричества, и можно позволить себе в холодное время года просто постоянно держать его включенным. Но ресурс работы такого кабеля не бесконечен, поэтому использовать его при положительных температурах, когда в этом нет необходимости неразумно.

Чтобы выключать обогрев кабелем, тогда, когда он не нужен, надо использовать автоматику - термостаты и реле, которые будут включать питание кабеля при падении температуры и выключать, когда труба обогрета.

Взрывозащита.

+Плакат!

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: