Informatica Industriala

Informatica Industriala Cursul 4 Interfete de proces

Interfete de proces • reprezintă conexiunea dintre sistemul de calcul şi dispozitivele de automatizare distribuite în procesul controlat • Functii indeplinite: • adaptarea semnalelor de intrare la specificaţiile tehnologiei digitale utilizate (în mod uzual TTL sau CMOS); aceasta presupune adaptare de impedanţă, amplificare, filtrare, eşantionare şi diverse tipuri de conversii • generarea semnalelor de ieşire conform specificaţiilor date de dispozitivele de automatizare către care se îndreaptă; şi această funcţie presupune adaptare de impedanţă şi de putere, amplificare şi conversii • izolarea galvanică a semnalelor de intrare şi de ieşire, cu scopul de a proteja sistemul de calcul (partea inteligentă) de eventuale defecţiuni apărute în partea de proces şi care ar putea să distrugă componentele digitale (ex.: conectarea accidentală a unor tensiuni ridicate pe semnalele de intrare sau de ieşire, scurtcircuite, etc.) • memorarea temporarăa datelor • sincronizarea fluxului de date de intrare şi de ieşire cu viteza de lucru a procesorului

Factori de care depinde structura unei interfete • numărul de semnale recepţionate şi transmise • natura semnalelor: • digitale sau analogice, • de tensiune sau de curent, • cu codificare pe nivel, în frecvenţă sau în lăţime de impuls, etc. • domeniul de frecvenţă al semnalelor • precizia de prelucrare a semnalelor • tipul de magistrală la care se conectează interfaţa

Moduri de transfer utilizate intr-o interfata • prin program – unitatea centrală controlează direct transferul de date, pe baza unei rutine de transfer • prin întreruperi – fiecare nou transfer este iniţiat prin activarea unui semnal de întrerupere; transferul propriu-zis se realizează de unitatea centrală printr-o rutină de întrerupere • prin acces direct la memorie – un circuit specializat, controlorul de acces direct la memorie, dirijează transferul între memorie şi interfaţă • prin procesor de intrare/ieşire – un procesor specializat, conţinut în interfaţă, se ocupă de transferul de efectuarea transferului

Magistrala sistem Adrese Date Comenzi Selecţie RE RI Dec CA CA CA CA CA CA Selecţie Schema de principiu a unei interfete de proces • Componente: • registre (porturi) de ieşire (RE)- pentru memorarea semnalelor de ieşire • registre (porturi) de intrare (RI) – pentru citirea semnalelor de intrare • circuite de adaptare (CA) – adaptează semnalele de intrare şi de ieşire • circuit de decodificare (Dec) – pentru selecţia registrelor de intrare şi de ieşire

Tipuri de interfete • Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • prin releu • prin optocuplor • prin tiristor • comanda motor pas-cu-pas • comanda motor de c.c. • Interfeţe de intrare pentru semnale digitale • prin releu • prin optocuplor • Interfeţe de ieşire pentru semnale analogice • circuite de conversie • Interfeţe de intrare pentru semnale analogice • circuite de conversie

V Circuit de forţă Consumator K D1 Circuit TTL R1 T1 R2 Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • circuit de ieşire digitală prin releu • functionare • caracteristici: • asigură o izolare galvanică foarte bună • pot fi comutate tensiuni şi curenţi mari • componentele mecanice ale releului limitează frecvenţa semnalului de ieşire (max. 1Hz) • comutările frecvente provoacă uzura prematură a releului

V1 V2 R2 R3 R1 Comandă Optocuplor T Ieşire TTL Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • circuit de ieşire digitală prin optocuplor • functionare • caracteristici: • asigură o izolare galvanică bună • frecvenţa maximă a semnalului este mult mai mare (10KHz- 1MHz) • comutările repetate nu afectează circuitul (număr nelimitat de cicluri) • puterea transmisă este mică

V Ur V R Circuit TTL T2 Ur R1 Uc T1 R2 t Uc t Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • circuit de ieşire digitală prin tiristor • caracteristici: • nu asigură izolarea galvanică a circuitului de comandă de circuitul de forţă • există pericolul străpungerii tiristorului, ceea ce permite trecerea tensiunii din circuitul de forţă în partea de control • consumatorul (elementul de acţionare) poate fi comandat în impulsuri

V L1 L2 L3 L4 Ieşiri TTL L1 L4 R1 L2 C1 R2 C2 L3 R3 C3 R4 C4 Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • circuit de ieşire pentru comanda motoarelor pas-cu-pas • unipolare – curentul circula intr-un sens • bipolare – curentul circula in 2 sensuri

Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • comanda circuitului pentru motoarelor pas-cu-pas - unipolare C1 C2 C3 C4 varianta b. varianta a.

V L1 T1 T3 L2 T2 T4 C1 C2 Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • Comanda unui motor pas-cu-pas bipolar

C1 V T3 T1 C2 M T4 T2 C1 turaţia t C2 Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale • circuit de ieşire pentru comanda motoarelor de curent continuu

V V R2 Intrare TTL R1 Circuit de forţă C D K Interfeţe de intrare pentru semnale digitale • circuit de intrare digitală prin releu • functionare • caracteristici: • izolare galvanică foarte bună • frecvenţa de comutare este limitată superior (aprox. 1 Hz) • număr limitat de cicluri de comutare, datorită uzurii componentelor mecanice

Vi V R2 C R1 Intrare TTL Optocuplor Interfeţe de intrare pentru semnale digitale • circuit de intrare digitală prin optocuplor • functionare • caracteristici: • izolare galvanică bună • dimensiuni reduse • frecvenţe de comutare relativ mari (1kHz- 100KHz) • număr nelimitat de cicluri de comutare

Magistrala sistem Interfaţă de ieşire analogică Disp. de execuţie Registru Adaptor Amplif. Elem. exec. FTJ CD/A Interfeţe de ieşire pentru semnale analogice • Canal analogic de iesire • registrul – memorează valoarea digitală a semnalului analogic • CD/A – convertor digital-analog – converteşte un semnal digital într-o valoare analogică • FTJ – filtru trece jos – realizează filtrarea semnalului de ieşire, atenuând trecerile bruşte între valorile de ieşire discrete • amplificator – adaptează semnalul analogic de ieşire conform unui anumit standard de transmisie (tensiune, curent, impedanţă), sau conform cu specificaţiile dispozitivului de acţionare • dispozitiv de acţionare – element de automatizare menit să influenţeze evoluţia unui proces • adaptor – transformă semnalul analogic într-o comandă către elementul de execuţie • element de execuţie – dispozitiv care acţionează asupra unui parametru de intrare în proces (ex.: robinete, valve, motor electric, etc.)

D7 D6 D0 10V R 1mA 1/2mA 1/128mA Eref 128*10kΩ 10kΩ 2*10kΩ Ue - I=Σ Di*Ii + Circuite de conversie digital-analogice • varianta 1 • Caracteristicile circuitului de conversie: • precizia de conversie este puternic influenţată de precizia sursei de referinţă şi de precizia rezistenţelor din reţea; o abatere de 1% a rezistenţei R7 are un efect echivalent cu aportul ramurii corespunzătoare bitului D0 • conversia este continuă în timp şi discretă ca valori de ieşire

Uref Ue = n * (Uref/16) = = (D0+D1*2+D2*4+D3*8)* (Uref/16) 15/16Uref 14/16Uref - Ue + 1/16Uref D2 D3 D0 D1 Circuite de conversie digital-analogice • varianta 2 • Caracteristici: • schema este mai puţin sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor; este mult mai uşor să se realizeze rezistenţe de aceeaşi valoare • datorită nivelelor multiple de comutare apar căderi de tensiune care modifică valoarea tensiunii selectate (fiecare comutator induce o cădere de tensiune)

R Uref 1 2R D0 I0 Ue 0 R 2R D1 I1 R 2R In Dn 2R Circuite de conversie digital-analogice • Varianta 3 Ue = - R* Σ Ii = = -R * ( Uref/ 2R+ Uref/4R+ ..+ Uref/2n+1R) = = -Uref *( D0/2 + D1/4 + .. +Dn/2n+1) • Caracteristici: • precizia conversiei este mai puţin sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor • sursa de referinţă este permanent încărcată cu aceeaşi sarcină, indiferent de poziţia comutatoarelor, ceea ce reduce variaţia tensiunii de referinţă şi implicit creşte precizia conversiei • tehnologic este mult mai uşor de realizat o reţea de rezistenţe care au doar 2 valori

Convertoare cu modulaţie în lăţime de impuls • dezavantaje ale convertoarelor analogice: • tehnologia de realizare este complexă (combinaţie de tehnologie analogică şi digitală), schema este mai greu de integrat pe scară largă şi implicit preţul circuitului este mai ridicat • precizia de conversie este influenţată de precizia referinţei de tensiune şi de precizia componentelor • pentru controlul convertorului sunt necesare mai multe linii digitale de date • Conversia prin modulaţie în lăţime de impuls (eng. PWM – Pulse Width Modulation) • tehnologie pur digitala pentru a obtine un efect similar cu cel produs de un semnal analogic • o singura iesire digitala este echivalenta cu un semnal analogic • solutia: modularea in latime de impuls in functie de valoarea iesirii

T T 55% 80% t PWM • implementare: numarator reprogramabil si cu autoinitializare

Magistrala sistem Interfaţa de intrare analogică Traductor Amp. RI M U X S/H CAD S FTJ Selecţie MUX Interfeţe de intrare pentru semnale analogice • traductorul – dispozitiv conectat în proces şi care transformă variaţia unei mărimi fizice în variaţia unui semnal electric; traductorul se compune dintr-o parte de senzor şi un adaptor de semnal • amplificatorul – are rolul de a adapta semnalul de intrare la domeniul admis al convertorului analog-digital; în anumite cazuri este necesară izolarea galvanică a semnalului de intrare de restul circuitului • multiplexorul analogic(MUX) – permite comutarea mai multor intrări analogice la un singur convertor analog-digital • filtrul trece jos (FTJ) – are rolul de a limita frecvenţa semnalului de intrare; se consideră că acele componente de semnal care depăşesc o anumită limită de frecvenţă sunt generate de zgomote şi în consecinţă trebuie eliminate • circuitul de eşantionare/reţinere(eng. S/H – Sample and hold) – are rolul de a preleva eşantioane din semnalul de intrare şi de a menţine constantă valoarea eşantionată pe toată durata ciclului de conversie • convertorul analog-digital (CAD) – converteşte un semnal analogic într-o valoare digitală • registrul de intrare (RI) – memorează valoarea convertită pentru a fi citită de procesor

R2 Ui Ui R1 Ui + + - Ue Ue Ue - - V+ + R2 Uref R1 V- c. circuit repetor a. circuit inversor b. circuit neinversor Circuite de amplificare • Pentru amplificatorul inversor: (Ue – Uref)/R2 = (Uref – Ui)/R1 Ue= - R2/R1*( Ui – (1+R1/R2)*Uref) Ui= Ui_off +ΔUi ; • Uref se regleaza astfe incat sa se elimine tensiunea de offset de la intrare (Ui_off = (1+R1/R2)*Uref) Ue= -R1/R2* ΔUi => R1/R2 = factorul de amplificare

Amplificatoare de intrare • pentru amplificatorul neinversor: Ui = Ue* R1/(R1+R2) Ue = (1 + R2/R1)* Ui • comparatie intre cele 3 variante: • Circuitul inversor: • amplificare controlabila prin R1 si R2, • eliminarea offesetului prin Uref • impedanta de intrare este dependenta de rezistente • Circuit neinversor: • iesirea este de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrare • amplificarea este supraunitara • impedanta de intrare este foarte mare • Circuitul repetor: • amplificare unitara (egala cu 1) • impedanta foarte mare • nu elimina offsetul

Teşantioanre t Tsinus Tsinus fals Circuit de intrare pentru semnale analogice • Izolarea galvanica a semnalului de intrare: • greu de realizat (cu optocuploare, cu transformatoare de semnal sau cu amplificatoare cu optocuploare incorporate) • precizia masurarii scade • Modulul de filtrare: • pentru eliminarea zgomotelor – filtru trece jos • pentru taierea frecventelor mai mari de jumatoate din frecventa semnalului de esantionare – filtru anti-aliasing

Ui AO1 Semnal eşantionat Ue AO2 C CLK Semnalul iniţial Circuite de intrare pentru semnale analogice • Modulul de esantionare-retinere (eng. sample-and-hold)

Sfârşit conversie Start conversie Bloc de control Comparator 255 Ui - Uconv Registru de aproximări succesive + Date RI Ui 128 96 64 Uconv Convertor D/A 32 0 1 0 1 0 1 0 0 = 5416 Convertoare analog-digitale • Convertor cu aproximări succesive - Caracteristici: • conversia nu este continuă; ea se realizează în cicluri, care au un număr de paşi dependent de numărul de biţi pe care se face conversia • viteză medie de conversie (1-100 μs), • precizie şi rezoluţie moderată (10-12 biţi) • preţ relativ mic • sunt cele mai utilizate convertoare analog-digitale

Uref Codificator prioritar Ui R255 255 255/256*Uref R254 D7 254 254/256*Uref D6 D5 R254 253 D0 1 1/256*Uref R0 + + + + - - - - Convertor A/D cu comparatoare – convertoare “flash” • Caracteristici: • viteză de conversie foarte mare • conversie continuă în timp • este mai dificil de integrat, datorită comparatoarelor analogice • numărul comparatoarelor creşte exponenţial cu numărul de biţi pe care se face conversia (ex.: pentru 8 biţi sunt necesare 256 de comparatoare) • precizia şi rezoluţia de conversie este limitată (uzual conversia se face doar pe 8 biţi)

Ucondensator U3 U2 U1 t1 t2 t3 Comandă Numărător Comp. P1 P2 Stop Data Ui G C Start Comandă CLK Convertor cu dublă pantă • Caracteristici: • rezoluţie foarte mare (12-16 biţi); rezoluţia este dată de numărul de biţi ai numărătorului, nefiind limitată superior • precizie mare, deoarece procesul de conversie nu este influenţat de precizia componentelor analogice sau de variaţia tensiunii de alimentare • timp de conversie relativ mare

x(t) x(t) xd(t) t y(kT) y(kT) t Figura 3.34 Diagrama de conversie sigma-delta conversie A/D (modulaţie) y(kT) x(t) Convertor pe un bit Σ xd(t) ∫ conversie D/A (demodulaţie) y(kT) x(t) ∫ FTJ Figura 3.33 Principiul conversiei sigma-delta Convertor sigma-delta • Caracteristici: • integrabilitate foarte bună (număr mic de componente analogice) • se pot aplica filtre digitale pe semnalul binar generat • frecvenţă mare de eşantionare • rezoluţie bună • imunitate la zgomote • se recomandă pentru tehnicile digitale de prelucrare a semnalelor

Probleme privind conversia analog-digitală • frecvenţa de eşantionare • cuantizarea valorii parametrului de intrare • eroarea de conversie: • eroarea de digitizare – datorită cuantizării valorilor • eroarea de neliniaritate – proporţionalitatea nu este menţinută pe toată plaja de valori • eroarea de offset – dreapta de conversie nu trece prin punctul de origine, adică la o tensiune de intrare 0 valoarea convertită este diferită de 0 sau invers • eroarea de comutare – apare la comutarea de la o valoare cu mulţi biţi de 1 la o valoare cu un număr mai mic de biţi de 1 (ex.: 00001111  00010000); pentru o valoare mai mare de intrare valoarea digitală este mai mică

Eroare de digitizare Vd Vd Eroare de offset Eroare de comutare 1000 Eroare de neliniaritate 0111 Ui Ui Eroarea de conversie

Informatica Industriala