Устройства связи с объектом: модули фирмы Grayhill

Важ­ны­ми ком­по­нен­та­ми сис­тем сбо­ра дан­ных и уп­рав­ле­ния яв­ля­ют­ся ус­трой­ст­ва свя­зи с объ­ек­том (УСО), ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют галь­ва­ни­чес­кую раз­вяз­ку и нор­ма­ли­за­цию сиг­на­лов меж­ду ус­трой­ства­ми об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции и пе­ри­фе­рией (дат­чи­ка­ми, ис­пол­ни­тель­ны­ми ме­ха­низ­ма­ми и т. п.).

УСО в за­ви­си­мос­ти от сво­е­го на­зна­че­ния под­раз­де­ля­ют­ся на ана­ло­го­вые и дис­крет­ные.

Кон­струк­тив­но за­кон­чен­ные ус­трой­ст­ва, вы­пол­ня­ю­щие фун­к­ции галь­ва­ни­чес­кой раз­вяз­ки и нор­ма­ли­за­ции для од­но­го или не­сколь­ких ка­на­лов, час­то на­зы­ва­ют мо­ду­ля­ми УСО. Мо­ду­ли, как пра­ви­ло, ус­та­нав­ли­ва­ют­ся в спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные пла­ты, име­ю­щие клем­м­ные со­еди­ни­те­ли для под­во­да внеш­них це­пей. Та­кие пла­ты на­зы­ва­ют мон­таж­ны­ми па­не­ля­ми или оп­то­па­не­ля­ми.

Кон­струк­тив­ные осо­бен­нос­ти мо­ду­лей и мон­таж­ных па­не­лей да­ют воз­мож­ность быс­т­ро про­из­во­дить ди­аг­нос­ти­ку и за­ме­ну вы­шед­ших из строя мо­ду­лей, что, в свою оче­редь, уп­ро­ща­-ет об­слу­жи­ва­ние дей­ству­ю­щих АСУ ТП.

Ис­поль­зо­ва­ние ана­ло­го­вых и дис­крет­ных ус­тройств свя­зи с объ­ек­том, пред­ла­га­е­мых раз­лич­ны­ми про­из­во­ди­те­ля­ми, поз­во­ля­ет со­кра­тить сро­ки раз­ра­бот­ки и вво­да в эк­сплу­а­та­цию АСУ ТП, по­вы­сить их над­еж­ность и уп­рос­тить об­слу­жи­ва­ние.

Дис­крет­ные мо­ду­ли УСО

Вход­ные УСО этой ка­те­го­рии обес­пе­чи­ва­ют оп­рос дат­чи­ков с ре­лей­ным вы­хо­дом, кон­це­вых вы­клю­ча­те­лей, кон­троль на­ли­чия в це­пи на­пря­же­ния, то­ка и т. п., а вы­ход­ные фор­ми­ру­ют сиг­на­лы для уп­рав­ле­ния пус­ка­те­ля­ми, дви­га­те­ля­ми и про­чи­ми ус­трой­ства­ми. Оче­вид­но, что все УСО до­лж­ны иметь вы­со­кую над­еж­ность, ни­зкую сто­и­мость и обес­пе­чи­вать до­ста­точ­ное на­пря­же­ние изо­ля­ции меж­ду вход­ны­ми и вы­ход­ны­ми це­пя­ми. Кро­ме то­го, вход­ные УСО до­лж­ны об­ла­дать ми­ни­маль­ным вре­ме­нем пе­ре­клю­че­ния, а вы­ход­ные — обес­пе­чи­вать ком­му­та­цию как мож­но бо­лее вы­со­ких на­пря­же­ний и то­ков и вно­сить при этом ми­ни­мум ис­ка­же­ний, свя­зан­ных с пе­ре­ход­ны­ми про­цес­са­ми, в ком­му­ти­ру­е­мую цепь.

Про­стей­шим ус­трой­ст­вом галь­ва­ни­чес­кой раз­вяз­ки и един­ствен­ным су­щес­тво­вав­шим в 40-60-е го­ды яв­ля­ет­ся элек­тро­маг­нит­ное ре­ле. Ре­ле, как пра­ви­ло, инер­ци­он­ны, име­ют от­но­си­тель­но боль­шие га­ба­ри­ты и обес­пе­чи­ва­ют ог­ра­ни­чен­ное чис­ло пе­ре­клю­че­ний при до­ста­точ­но вы­со­ком пот­реб­ле­нии энер­гии. Бур­ное раз­ви­тие мик­ро­э­лек­тро­ни­ки при­ве­ло к ши­ро­ко­му рас­прос­тра­не­нию ком­по­нен­тов, обес­пе­чи­ва­ю­щих оп­ти­чес­кую раз­вяз­ку меж­ду це­пя­ми. УСО, пос­тро­ен­ные с ис­поль­зо­ва­ни­ем та­кой раз­вяз­ки, яв­ля­ют­ся не­до­ро­ги­ми, вы­со­ко­на­деж­ны­ми и быс­тро­дей­ству­ю­щи­ми. Кро­ме то­го, они ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким на­пря­же­ни­ем изо­ля­ции и ни­зкой пот­реб­ля­е­мой мощ­ностью.

Фир­ма Grayhill пред­ла­га­ет очень ши­ро­кую но­мен­кла­ту­ру од­но­ка­наль­ных мо­ду­лей УСО.

Кон­струк­тив­но они вы­пол­не­ны в ви­де мо­но­лит­ных уз­лов трех раз­лич­ных ти­по­раз­ме­ров (рис. 1):

• G5 (48,3×55,9×11,7 мм),
• стан­дарт (43,2×31,8×15,2 мм) и
• ми­ни (43,2×25,4×10,2 мм),
  
  

при этом стан­дарт и G5 со­дер­жат кре­­пеж­ный винт. Мо­ду­ли стан­дарт и ми­ни име­ют оди­на­ко­вое рас­по­ло­же­ние внеш­них вы­во­дов и мо­гут мон­ти­ро­вать­ся на од­ну и ту же мон­таж­ную па­нель. В этом слу­чае пред­ох­ра­ни­те­ли и ин­ди­ка­то­ры со­сто­я­ния рас­по­ло­же­ны на па­не­ли. Мо­ду­ли G5 со­дер­жат све­то­ди­од­ный ин­ди­ка­тор со­сто­я­ния, встро­ен­ный пред­ох­ра­ни­тель для вы­ход­ных мо­ду­лей и име­ют рас­по­ло­же­ние вы­во­дов, совпадающее с мо­ду­ля­ми G4 фир­мы Opto22 и ана­ло­го­вы­ми мо­ду­ля­ми фир­мы Grayhill (рис. 2).

Ос­нов­ные элек­три­чес­кие па­ра­мет­ры не­ко­то­рых мо­ду­лей УСО фир­мы Gray­hill при­ве­де­ны в таб­ли­цах 1 и 2, а при­ме­ры струк­тур­ных схем — на рис. 3 и 4.




На­ибо­лее за­мет­ным кон­ку­рен­том Grayhill в об­лас­ти дис­крет­ных мо­ду­лей УСО яв­ля­ет­ся фир­ма Opto22, пред­ла­га­ю­щая ана­ло­гич­ные по на­зна­че­нию мо­ду­ли се­рии G4. При этом мо­ду­ли Grayhill име­ют бо­лее ши­ро­кий ди­а­па­зон тем­пе­ра­тур ­(-40°С...+100°С про­тив -30°С...+70°С для модулей G4) и ком­му­ти­ру­ют боль­ший ток на­груз­ки (3,5 А про­тив 3 А). Кро­ме то­го, вы­ход­ные мо­ду­ли G5 (Gray­hill) ис­поль­зу­ют де­ше­вые стек­лян­ные пред­ох­ра­ни­те­ли, в то вре­мя как G4 (Opto22) — спе­ци­аль­ные, сто­и­мостью око­ло $2, что при­во­дит к до­пол­ни­тель­ным за­тра­там во вре­мя эк­с­плу­а­та­ции. Мо­ду­ли Grayhill мо­гут ра­бо­тать при воз­дей­ст­вии виб­ра­ции с ус­ко­ре­ни­ем 20g и вы­дер­жи­ва­ют удар­ные воз­дей­ст­вия до 1500g. Для мо­ду­лей G4 па­ра­мет­ры по виб­ра­ции и уда­рам не оп­ре­де­ле­ны.

Мо­ду­ли, предлагаемые другими фирмами, например Weidmuller и Echo­well, пос­тав­ля­ют­ся в кор­пу­сах стан­дарт и име­ют на­пря­же­ние изо­ля­ции 600 В. Вре­мя пе­ре­клю­­че­ния для вы­ход­ных мо­ду­лей — 750 мкс (ODC5).

Мо­ду­ли Grayhill от­ве­ча­ют стро­гим тре­бо­ва­ни­ям ев­ро­пей­с­ких стан­дар­тов по без­опас­нос­ти и элек­тро­маг­нит­ной со­вмес­ти­мос­ти. Сто­и­мость мо­ду­лей со­став­ля­ет при­мер­но $10 за 1 шт.

Ана­ло­го­вые УСО

Ана­ло­го­вые УСО пред­на­зна­че­ны для обес­пе­че­ния вво­да сиг­на­лов с дат­чи­ков в ус­трой­ст­во об­ра­бот­ки и вы­во­да сиг­на­лов для про­пор­ци­о­наль­но­го уп­рав­ле­ния ис­пол­ни­тель­ны­ми ме­ха­низ­ма­ми. Они до­лж­ны об­ла­дать боль­шой точ­ностью, хо­ро­шей ли­ней­ностью и обес­пе­чи­вать до­ста­точ­но вы­со­кое на­пря­же­ние изо­ля­ции. Кро­ме то­го, же­ла­тель­ны­ми яв­­ля­ют­ся ра­бо­та с раз­лич­ны­ми ис­точ­­ни­ка­ми вход­­ных сиг­на­лов (то­ки, на­пря­же­ния, сиг­на­лы от тер­мо­ре­зис­то­ров, тер­мо­пар и т. д.), воз­мож­ность быс­т­рой за­ме­ны при вы­хо­де из строя и ни­зкая сто­и­мость.

Ана­ло­го­вые мо­ду­ли УСО се­рии G5 фир­мы Grayhill (рис. 5) со­дер­жат встро­ен­ные ЦАП или АЦП и вза­и­мо­дей­ству­ют не­пос­ред­ствен­но с дис­крет­ны­ми ус­трой­ства­ми об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. Точ­ность пре­об­ра­зо­ва­ния не ху­же 0,1% для вход­ных мо­ду­лей и 0,3% для вы­ход­ных. На­пря­же­ние изо­ля­ции со­став­ля­ет 2500 В. Га­ба­рит­ные раз­ме­ры мо­ду­лей 48,3Ч55,9Ч11,7 мм. Мо­ду­ли яв­ля­ют­ся од­но­ка­наль­ны­ми и лег­ко мон­ти­ру­ют­ся на спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные мон­таж­ные па­не­ли. При этом до­пус­ка­ет­ся сме­шан­ная ус­та­нов­ка вход­ных, вы­ход­ных и дис­крет­ных мо­ду­лей вво­да-вы­во­да (рис. 2). Мон­таж­ные па­не­ли на 4, 8, 16, 24, 32 мо­ду­ля пос­тав­ля­ют фир­мы Grayhill, Opto22, Octa­gon Systems и др.

Рас­смот­рим бо­лее под­роб­но ра­бо­ту вход­ных ана­ло­го­вых мо­ду­лей УСО на при­ме­ре мо­ду­лей 73G-IVxx (рис. 6). Вход­ной сиг­нал че­рез кон­так­ты 1 и 2 мо­ду­ля пос­ту­па­ет на нор­ми­ру­ю­щий уси­ли­тель с филь­т­ром на вхо­де и да­лее на пре­об­ра­зо­ва­тель на­пря­же­ния в час­то­ту (ПНЧ). С вы­хо­да ПНЧ час­то­та, про­пор­ци­о­наль­ная вход­но­му сиг­на­лу, че­рез оп­то­раз­вяз­ку под­ает­ся на вы­ход­ные кон­так­ты мо­ду­ля. Вы­ход­ной сиг­нал име­ет вид пря­мо­у­голь­ных им­пуль­сов ам­пли­ту­дой око­ло 5 В и скваж­ностью 0,4... 0,6. Час­то­та вы­ход­но­го сиг­на­ла ли­ней­но за­ви­сит от зна­че­ния вход­но­го сиг­на­ла и ме­ня­ет­ся в ди­а­па­зо­не от 14,4 кГц до 72 кГц.

Та­ким об­ра­зом, циф­ро­вое зна­че­ние вход­но­го сиг­на­ла мож­но по­лу­чить, из­ме­ряя час­то­ту с вы­хо­да мо­ду­ля че­рез дис­крет­ный порт вво­да-вы­во­да про­грам­мным спо­со­бом ли­бо ис­поль­зуя спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные пла­ты пре­об­ра­зо­ва­ния час­то­ты в код, на­при­мер пла­ту 5648 фир­мы Octagon Sys­tems. Эта плата поз­воляет оп­ра­ши­вать до 24 входных модулей 73G, при этом время пре­об­ра­зо­ва­ния сос­тав­ля­ет 625 мкс на канал. Cто­­и­мость та­кой спе­­ци­а­ли­зи­ро­ван­ной пла­­ты ни­же, чем для тра­ди­ци­он­ной пла­ты АЦП, пос­коль­ку она ра­бо­та­ет с час­тот­ным, то есть дис­крет­ным сиг­на­лом, а зна­чит, не со­дер­жит до­ро­гих ана­ло­го­вых це­пей. До­пол­ни­тель­ным до­сто­ин­ст­вом ус­тройств раз­вяз­ки дан­но­го клас­са яв­ля­ет­ся воз­мож­ность од­нов­ре­мен­ной ус­та­нов­ки на мон­таж­ную па­нель как ана­ло­го­вых, так и дис­крет­ных мо­ду­лей вво­да-вы­во­да, так как они со­вмес­ти­мы по вы­во­дам. Вход­ное со­про­тив­ле­ние мо­ду­лей со­став­ля­ет 1 МОм для мо­ду­лей, преоб­­ра-­зу­ю­щих на­пря­же­ние, и 133 Ом для мо­ду­лей, пре­об­ра­зу­ю­щих ток. Мо­ду­ли ра­бо­та­ют в ди­а­па­зо­не тем­пе­ра­тур 0...60°С при тем­пе­ра­ту­ре хра­не­ния -25...+85°С. На­пря­же­ние пи­та­ния 4,5...5,5 В при пот­реб­ле­нии то­ка 120-150 мА.

Ана­ло­го­вые мо­ду­ли се­рии G5 поз­во­ля­ют ра­бо­тать со сле­ду­ю­щи­ми вход­ны­ми сиг­на­ла­ми: на­пря­же­ни­ем, то­ком, сиг­на­ла­ми от 5 ви­дов тер­мо­пар и пла­ти­но­во­го тер­мо­ре­зис­то­ра. Бо­лее под­роб­но па­ра­мет­ры мо­ду­лей при­ве­де­ны в таб­ли­це 3.

Вы­ход­ные ана­ло­го­вые мо­ду­ли G5 фир­мы Gray­hill (рис. 7) ра­бо­та­ют сле­ду­ю­щим об­ра­зом: уп­рав­ля­ю­щее сло­во в дво­ич­ном пос­ле­до­ва­тель­ном ко­де по­сту­па­ет на вход­ные кон­так­ты мо­ду­ля и че­рез оп­то­раз­вяз­ку за­пи­сы­ва­ет­ся в бу­фер. Встро­ен­ный ЦАП фор­ми­ру­ет вы­ход­ной сиг­нал в со­от­вет­ст­вии с ин­фор­ма­цией в бу­фе­ре и со­хра­ня­ет его до из­ме­не­ния со­дер­жи­мо­го это­го бу­фе­ра. При вклю­че­нии пи­та­ния мо­дуль фор­ми­ру­ет сиг­нал ми­ни­маль­ной ве­ли­чи­ны, что со­от­вет­ству­ет ну­ле­во­му со­дер­жи­мо­му бу­фе­ра. При этом вход мо­ду­ля до­лжен на­хо­дить­ся в со­сто­я­нии ло­ги­чес­кой 1 на про­тя­же­нии 25 мкс. Пос­ле это­го раз­ре­ша­ет­ся про­грам­ми­ро­ва­ние мо­ду­ля.

Ха­рак­те­рис­ти­ки вы­ход­ных мо­ду­лей при­ве­де­ны в таб­ли­це 4.

Вре­мен­ная ди­аг­рам­ма за­пи­си 12-раз-­­ряд­но­го сло­ва в мо­дуль изо­бра­же­на на рис. 8, а па­ра­мет­ры сиг­на­лов при­ве­де­ны в табл. 5. На­пря­же­ние пи­та­ния, ток пот­реб­ле­ния, ра­бо­чий ди­а­па­зон тем­пе­ра­тур и тем­пе­ра­ту­ра хра­не­ния вы­ход­ных мо­ду­лей ана­ло­гич­ны вход­ным.


Об­щее вре­мя, не­об­хо­ди­мое для про­грам­ми­ро­ва­ния, со­став­ля­ет 663,2 ±66 мкс, а вре­мя за­дер­ж­ки от вхо­да до вы­хо­да — 500 мкс.

Уп­рав­ле­ние мо­ду­ля­ми мо­жет осу­щес­твлять­ся с по­мощью дис­крет­но­го пор­та про­грам­мным пу­тем. Воз­мож­но ис­поль­зо­ва­ние драй­ве­ров, пос­тав­ля­е­мых фир­мой Grayhill или дру­ги­ми фир­ма­ми, на­при­мер Octagon Systems.

Срав­ни­вая ана­ло­го­вые мо­ду­ли G5 с клас­си­чес­ки­ми мо­ду­ля­ми се­рии 5В Ana­log Devices, мож­но от­ме­тить сле­ду­ю­щее: мо­ду­ли G5 име­ют не­со­мнен­ное пре­и­му­щес­т­во в сто­и­мос­ти (90...110$ для G5 про­тив 150...200$ для 5В). Од­на и та же мон­­таж­ная па­нель мо­жет ис­поль­зо­вать­ся для ус­та­нов­ки как дис­крет­ных, так и ана­ло­го­вых мо­ду­лей G5, что по­вы­ша­ет сте­пень уни­фи­ка­ции сис­те­мы. А то, что для ра­бо­ты с ана­ло­го­вы­ми мо­ду­ля­ми не тре­бу­ют­ся до­ро­гие пла­ты АЦП, а мож­но ис­поль­зо­вать де­ше­вые пла­ты ти­па 5648 фир­мы Octagon Systems, еще боль­ше уве­ли­чи­ва­ет раз­рыв в сто­и­мос­ти в рас­че­те на один ка­нал. Час­тот­ные сиг­на­лы с вы­хо­да мо­ду­лей G5 ме­нее под­вер­же­ны воз­дей­ст­вию по­мех, чем ана­ло­го­вые сиг­на­лы с мо­ду­лей 5В.

В то же вре­мя се­рия 5В име­ет более широкую наменклатуру — 65 раз­лич­ных типов модулей, в том числе 28 типов для работы с термопарами, 7 для работы с терморезисторами и 15 типов ши­ро­ко­по­лос­ных модулей с полосой 10 кГц, тогда как полоса мо­ду­лей G5 со­став­ля­ет 400 Гц. Кро­ме это­го, мо­ду­ли 5В име­ют бо­лее ши-­ро­кий ра­бо­чий ди­а­па­зон тем­пе­ра­тур (-25°С...+85°С про­тив 0°С...60°С) и мо­гут обес­пе­чить бо­лее вы­со­кую точ­ность (0,05% про­тив 0,1...0,3%).

Кон­трол­ле­ры

Кро­ме со­бствен­но мо­ду­лей УСО, фир­ма Grayhill пред­ла­га­ет кон­трол­ле­ры ни­жне­го уров­ня для об­слу­жи­ва­ния от 8 до 80 ка­на­лов вво­да-вы­во­да на один узел. Пред­ла­га­ют­ся кон­трол­ле­ры ти­па MicroDAC, MicroLon, ProMux 

(рис. 9). В ка­чес­т­ве про­то­ко­лов мож­но ис­поль­зо­вать Arcnet, LonWorks, Device-­Net, рас­ши­рен­ную вер­сию OptoMux. Уз­лы мо­гут быть со­еди­не­ны меж­ду со­бой ви­той па­рой (RS-485 или TP/XF), ко­ак­си­аль­ным ка­бе­лем или оп­то­во­лок­ном. Мак­си­маль­ное ко­ли­чес­т­во уз­лов в се­ти — 64...32385; мак­си­маль­ное рас­сто­я­ние меж­ду уз­ла­ми без пов­то­ри­те­лей — 500...2300 м. К со­жа­ле­нию, бо­лее под­роб­ное опи­са­ние кон­трол­ле­ров вы­хо­дит за рам­ки дан­ной статьи.

За­клю­че­ние

Фир­ма Grayhill пред­ла­га­ет очень ши­ро­кую но­мен­кла­ту­ру ком­по­нен­тов, ис­поль­зуя ко­то­рые, раз­ра­бот­чи­ки мо­гут со­зда­вать вы­со­ко­ка­чес­твен­ные АСУ ТП, впол­не кон­ку­рен­тос­по­соб­ные по от­но­ше­нию к про­дук­ции ве­ду­щих за­пад­ных про­из­во­ди­те­лей и сис­тем­ных ин­тег­ра­то­ров.

Кон­струк­тив­ные осо­бен­нос­ти мо­ду­лей и мон­таж­ных па­не­лей да­ют воз­мож­ность быс­т­ро про­из­во­дить ди­аг­нос­ти­ку и за­ме­ну вы­шед­ших из строя мо­ду­лей, что, в свою оче­редь, уп­ро­ща­ет об­слу­жи­ва­ние дей­ству­ю­щих АСУ ТП.

Ис­поль­зо­ва­ние ана­ло­го­вых и дис­крет­ных ус­тройств свя­зи с объ­ек­том, пред­ла­га­е­мых раз­лич­ны­ми про­из­во­ди­те­ля­ми, поз­во­ля­ет со­кра­тить сро­ки раз­ра­бот­ки и вво­да в эк­сплу­а­та­цию АСУ ТП, по­вы­сить их над­еж­ность и уп­рос­тить об­слу­жи­ва­ние.●

Е.В. Карпенко — ведущий специалист НПП «Логикон», г. Киев 

© СТА-ПРЕСС, 2025