Архив / 1997 / №3(13) / 

ТРМ-PIC - новая серия цифровых измерительных и регулирующих приборов

Производственное объединение «Овен», исходя из накопленного опыта эксплуатации промышленных электронных регуляторов и современных требований, предъявляемых к ним, приступило к выпуску новой серии микропроцессорных измерителей-регуляторов, предназначенных для управления различными технологическими процессами.

Эта серия приборов, разработанная под общим шифром «ТРМ-PiC», предназначена для замены выпускавшихся нами ранее терморегуляторов типа ТРМ1, ТРМ2, ТРМ4, ТРМ5, ТРМ10, ТРМ12. Так же, как перечисленные выше устройства, приборы серии ТРМ-PiC предназначены для измерения параметров объекта, контролируемых работающими с ними датчиками, отображения информации о текущих значениях этого параметра и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, служащих для автоматического регулирования протекающего технологического процесса. Однако, несмотря на идентичность решаемых устройствами обоих типов конечных задач, приборы серии ТРМ-PiC выгодно отличаются от своих предшественников современным дизайном, простотой и удобством эксплуатации, наличием дополнительных функций, существенно улучшающих их возможности и характеристики.

Большое внимание при создании новой серии было уделено повышению надежности приборов. На стадии проектирования, исходя из накопленного опыта эксплуатации терморегуляторов, была подвергнута ревизии вся их элементная база, на основе которой должны были разрабатываться приборы. Электрорадиоэлементы (ЭРИ), имеющие склонность к неустойчивой работе или отказам, из разработки исключались и заменялись на более надежные.

Таким образом, вместо жидкокристаллических цифровых индикаторов, имеющих тенденцию к отказам в результате механических нагрузок и воздействия повышенной температуры окружающей среды, в приборах ТРМ-PiC были использованы светодиодные индикаторы, лишенные этих недостатков. При этом указанная замена не только повысила надежность приборов, но и благоприятно отразилась на их дизайне и эксплуатационных характеристиках.

Специальные схемотехнические решения и методы обработки входных сигналов позволили полностью исключить из измерительных трактов схем резисторы переменного сопротивления, ранее применяемые для точной регулировки прибора и являющиеся по своему принципу действия (скользящий контакт) одним из источников отказов.

В приборах ТРМ-PiC такая «регулировка» производится цифровым методом при калибровке измерительной части путем сравнения параметров опорных элементов схемы с параметрами подключенного на это время к его входу образцового источника сигналов. Результаты сравнения заносятся в энергонезависимую память прибора и являются основой для всех его дальнейших вычислений. В качестве опорных элементов применены ЭРИ с высокостабильными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими неизменность их параметров в течение длительного срока службы, что позволило значительно уменьшить дополнительные погрешности измерения входных сигналов, вносимые влиянием внешних факторов, и повысить в конечном счете точность прибора.

Знакомые специалистам по вычислительной технике явления «зависания» этих схем (то есть отказы от дальнейшего выполнения заложенной программы и остановки ее в каком-либо несанкционированном месте), происходящие чаще всего вследствие воздействия электромагнитных помех на входные и питающие цепи процессора, были устранены применением в приборах современных микропроцессоров типа PiC16С62 или PiС16С63 (в зависимости от модификации прибора). Указанные микропроцессоры оснащены встроенными аппаратными и программными средствами для борьбы с этим явлением и специально предназначены для работы в условиях промышленных помех.

Для повышения надежности изделий в целом с целью защи-ты их от воздействия окружающей среды предусмотрено покрытие плат печатного монтажа и расположенных на них элементов лаком УР-231.

Для подтверждения результатов проектирования изготовленная опытная партия приборов была подвергнута жестким климатическим испытаниям, в число которых входила работа при температуре окружающего воздуха +80оС. Отказов приборов при испытаниях не зафиксировано.

Рассмотрим более подробно состав серии ТРМ-PiC и варианты модификаций, входящих в ее приборов.
Как отмечалось ранее, приборы серии ТРМ-PiC в основном предназначены для измерения параметров объекта регулирования с помощью работающего с прибором датчика и формирования сигналов управления выходными устройствами в соответствии с заложенным законом регулирования и заданными потребителем уставками и коэффициентами.

В состав серии входит пять основных типов приборов ТРМ0-PiC, ТРМ1-PiC, ТРМ5-PiC, ТРМ10-PiC, ТРМ12-PiC, отличающихся друг от друга отсутствием или наличием встроенных выходных устройств, служащих для управления исполнительными механизмами в системах автоматического регулирования, их количеством, а также законом формирования управляющего воздействия (законом регулирования).

 

Прибор ТРМ0-PiC не оснащен выходными устройствами и на практике может быть использован только для измерения параметров объекта и их визуального контроля. Следует отметить, что приборы ТРМ0-PiC, укомплектованные узлом расширения, при некоторых дополнительных материальных затратах позволяют решать задачи документирования результатов измерений как при помощи подключаемого к ним компьютера, так и при помощи самописцев, оснащенных аналоговым токовым входом.

Прибор ТРМ1-PiC содержит одно выходное устройство с позиционным законом управления по заданным пользователем уставкам и на производстве чаще всего используется в качестве двухпозиционного регулятора. Являясь самым простым и дешевым из серии ТРМ-PiC, он, тем не менее, способен решить целый ряд задач, возникающих при автоматизации технологических процессов. Возможность перепрограммирования логики работы выходного устройства прибора, о чем более подробно будет рассказано ниже, позволяет одинаково эффективно использовать его как в качестве регулятора процессов, протекающих при нагревании среды (например в термошкафах, электропечах и т.п.), так и процессов при ее охлаждении (установки кондиционирования воздуха, холодильники и т.п.). Однако, при практическом применении приборов ТРМ1-PiC следует иметь ввиду, что они (как и любые двухпозиционные регуляторы) несмотря на высокую точность измерения входных сигналов и задания уставок, в ряде случаев по свое-му принципу действия (закону регулирования) не смогут обеспечить высокого качества регулирования. При этом точность поддержания заданного значения параметра и качество переходного процесса (величина пере-регулирования, время успокоения) во многом будут определяться физическими свойствами объекта (линейными размерами, инерционностью регулируемой среды), мощностью регулирующего органа, местом расположения датчика и некоторыми другими факторами.
Один из примеров использования прибора ТРМ1-PiC приведен на рис. 1.

Прибор ТРМ5-PiC содержит два независимых выходных устройства, каждое из которых управляется по собственному позиционному закону и по своим (заданным пользователем) уставкам. Наличие двух выходных устройств в различных сочетаниях логики их работы делает этот прибор по сравнению с ТРМ1-PiC более гибким и универсальным для решения задач автоматизации технологических процессов. Так прибор может быть использован в качестве обычного двухпозиционного регулятора, но при этом его второе выходное устройство может играть роль сигнализатора предельного значения или выполнять функции аварийного отключения регулирующего органа.

При оснащении объекта двумя регулирующими органами (например, двумя ТЭНами или ТЭНом и вентилятором) прибор ТРМ5-PiC позволяет реализовать схему трехпозиционного регулирования, обеспечивая при этом по сравнению с двухпозиционными регуляторами более высокое качество переходных процессов и точность поддержания заданных значений.

Примеры использования приборов ТРМ5-PiC приведены на рис. 2.

Прибор ТРМ10-PiC содержит одно выходное устройство, управляемое широтно-импульсным способом по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону с учетом коэффициентов регулирования, задаваемых пользователем. В процессе работы выходное устройство формирует импульсы управления регулирующим органом объекта (например нагревателем), скважность которых определяется одновременно разностью между текущим значением параметра и заданной уставкой, а также знаком этой разности; скоростью изменения регулируемого параметра и направлением ее. ПИД-регуляторы являются наиболее совершенными устройствами управления технологическими процессами, обеспечивающими оптимальное качество переходного процесса и высокую точность поддержания заданных параметров даже при больших величинах транспортного запаздывания, присущих некоторым объектам регулирования.

Прибор ТРМ12-PiC содержит два выходных устройства, управляемых широтно-импульсным способом по пропорционально-дифференциальному (ПД) закону с учетом задаваемых пользователем коэффициентов регулирования. Прибор предназначен для управления исполнительными механизмами, оснащенными реверсивным электроприводом. При этом первое из выходных устройств приводит к вращению двигателя привода в одном направлении, а второе – в обратном.

Используемый при регулировании ПД-закон также обеспечивает высокое качество переходного процесса и хорошую точность поддержания заданного значения параметра.

Примеры применения прибора ТРМ12-PiC приведены на рис. 3.

Приборы ТРМ0-PiC, ТРМ1-PiC, ТРМ5-PiC, ТРМ10-PiC, ТРМ12-PiC могут выпускаться в различных вариантах модификации, отличающихся друг от друга конструктивным исполнением, типом подключаемого к его входу датчика или сигнала, наличием дополнительного узла, предназначенного для расширения функциональных возможностей прибора, типом встроенных выходных устройств и логикой их работы.

Информация о варианте модификации прибора закодирована в структуре его условного обозначения.

Ниже приведена расшифровка символов кода модификации приборов.

Конструктивное исполнение

Н - корпус из полистирола, предназначенный для настенного крепления с габаритными размерами 130х105х65 мм. Степень защиты корпуса IP44. Клеммные колодки «под винт» для подключения внешних связей размещены на основании прибора под его верхней крышкой. Масса прибора не более 1,0 кг.

Щ - корпус из полистирола, предназначенный для щитового крепления с габаритными размерами передней панели 96х96 мм и глубиной 160 мм. Степень защиты корпуса IP20. Клеммные колодки «под винт» размещены на задней стенке прибора. Масса не более 1,2 кг.

Внешний вид лицевой панели прибора ТРМ5 приведен на рис. 4 (лицевые панели других приборов незначительно отличаются от ТРМ5 в части, касающейся их функционального назначения).

На лицевой панели прибора расположен 4-разрядный свето-диодный цифровой индикатор (высота знаков 14 мм), отобра-жающий информацию о измеряемом параметре, заданных уставках регулирования Туст1, D1, Туст2, D2, а также некоторую другую, необходимую для перепрограммирования прибора на выполнение функций, отличающихся от заданных при его заказе. Примененный группы может осуществляться пользователем при помощи клавиатуры прибора.

Класс точности приборов с измерительным трактом I...IV групп – 0,5. Погрешность измерения температуры приборами V группы составляет ±1оС. При возможности выбора типа применяемого датчика полезно руководствоваться следующими соображениями.

1. Не следует применять датчик для длительных измерений температуры, близкой к границам его диапазона, так как срок службы датчика при этом значительно сокращается, а погрешность преобразования увеличивается.

2. Из термопреобразователей сопротивления датчики с платиновым чувствительным элементом являются наиболее стабильными во времени и долговечными, хотя стоимость их (по сравнению с медными) примерно в 2 раза выше.

3. Соединение термопреобразователей сопротивления с прибором должно производиться по трехпроводной линии связи и, хотя величина сопротивления этой линии особого значения не имеет, но равенство сопротивлений каждой жилы должно быть обеспечено. При высоком уровне помех линия связи должна быть экранирована.

5. Термопары являются наиболее дешевыми из датчиков, однако соединение их с прибором обязательно должно производиться при помощи специальных термоэлектродных проводов или кабелей, так как напряжение на их выходе зависит от температуры «свободных концов», а датчик, компенсирующий это влияние, расположен в приборе.

При наличии помех линия связи должна быть экранирована.

6. Датчики DS1820 по своему принципу действия наименее подвержены воздействию электромагнитных помех, а требования к сопротивлению линии связи для них ограничены разумным пределом. В подавляющем большинстве случаев экранирование линии связи не требуется.

Наличие узла расширения ПР-01

0 - узел расширения отсутствует.

1 - узел расширения установлен.

Узел расширения ПР-01 может быть установлен только в приборы щитового крепления и выполняет следующие функции.

Узел ПР-01 по интерфейсу RS-232 осуществляет двухсторонний обмен информацией с компьютером IBM PС. При этом компьютеру сообщается информация о текущем значении регулируемого параметра, уставках и коэффициентах регулирования, а также о состоянии выходных устройств.

Прибор со стороны компьютера получает команды на изменение уставок и коэффициентов регулирования, а также их новые значения.

Связь прибора с компьютером на небольших расстояниях (до 20 м) может осуществляться непосредственно при помощи специально изготовленного кабеля. Связь на расстояниях до 1 км обеспечивается при использовании адаптера АС-2, также изготавливаемого нашим предприятием. Следует отметить, что к одному компьютеру через адаптер АС-2 может быть подключено до восьми приборов ТРМ-PiC, образующих при этом единую информационно-управляющую систему, обслужи-ваемую одним оператором.

Узел ПР-01 (кроме выходов для связи с компьютером) имеет два дополнительных аналоговых выхода: информационный и управляющий. Диапазон изменения их выходных сигналов 0...20 мА или 4...20 мА задается пользователем.

На информационном выходе, служащем для подключения к нему внешних устройств регистрации (например самописцев типа КСМ или аналогичных им), формируется сигнал, пропорциональный измеренному значению контролируемого параметра в заданном диапазоне. Нижнее и верхнее значение заданного диапазона устанавливаются пользователем перед вводом прибора в эксплуатацию. Информационный выход применяется при необходимости документирования протекания технологического процесса на длительном временном интервале.

На управляющем выходе, как следует из его названия, формируется сигнал, пропорциональный требуемому управляющему воздействию на исполнительный орган при регулировании технологического процесса.

ТРМ10-PiC с платой расширения ПР-01 в схеме плавного управления мощной 3-х фазной нагрузкой (до 70 кВт) стандартным сигналом 0-20 мА с помощью тиристорного блока БСТ-2 («Овен»)
ТРМ10-PiC с платой расширения ПР-01 в схеме плавного управления мощной 3-х фазной нагрузкой (до 70 кВт) стандартным сигналом 0-20 мА с помощью тиристорного блока БСТ-2 («Овен»)

Управляющий выход предназначен для подключения к нему исполнительных механизмов типа рулевых машин, задвижек, силовых тиристорных, симисторных блоков и т.п., оснащенных унифицированным токовым входом. Характерным примером использования этого выхода может служить подключение его к силовому тиристорному блоку БСТ-3, изготавливаемому нашим предприятием и предназначенному для управления электронагревателями мощностью до 70 кВт.

Следует отметить, что осуществляемое при этом бесконтактное регулирование параметров объекта значительно повышает срок службы не только приборов ТРМ, но и всего оборудования в целом из-за отсутствия резких бросков по питанию и плавности протекающих переходных процессов. Пример применения терморегулятора с узлом ПР-01 приведен на рис. 5.

Тип выходных устройств

Р - в качестве выходных устройств в прибор встраиваются электромагнитные реле. Нагрузочная способность контактов 8А при напряжении 220 В 50 Гц.

К - в качестве выходных устройств прибор оснащается полупроводниковыми ключами n-p-n структуры. Нагрузочная способность ключей 200 мА, максимальное напряжение 30 В постоянного тока.

При выборе типа выходных устройств следует руководствоваться следующими соображениями.

Электромагнитные реле являются наиболее привычными и простыми в применении коммутационными элементами. Их контакты могут быть включены в цепи управления исполнительными механизмами непосредственно или (при нагрузке, превышающей коммутационную способность контактов) посредством силового реле-повторителя и требуемые при этом затраты сводятся к минимуму.

Однако количество срабатываний контактов реле не беспредельно и оно сокращается с ростом коммутируемого тока.

Бесконтактные полупроводниковые ключи лишены этого недостатка, но применение их часто затрудняется необходимостью переделки или доработки уже существующей схемы управления исполнительным механизмом.

Логика работы выходных устройств

В приборе типа ТРМ1-PiC выходное устройство, а в приборе ТРМ5-PiC каждое из двух выходных реле независимо друг от друга могут быть запрограммированы пользователем на один из четырех вариантов логики их работы.

1 - выход-ное устройство включается (замыкает контакты реле или открывает полупроводни-ковый ключ) при достижении измеряемым параметром П значения П ё Туст - D и выключается при значении П > Туст + D, где Туст - заданное значение параметра, D - заданная зона возврата.

Уставки Туст1, DТ, Туст2, D2 задаются потребителем перед вводом прибора в эксплуатацию.

Этот вариант логики используется, например, при регулировании температуры объекта с помощью нагревателей.

2 - выходное устройство включается при достижении измеряемым параметром значения П > Туст + D и выключается при значении П ё Туст - D.

Этот вариант логики используется например при регулировании температуры объекта с помощью холодильных машин или вентиляторов.

3 - выходное устройство включается при достижении измеряемым параметром значения Туст + D < П Ё Туст - D.

Этот вариант логики используется для сигнализации о том, что заданные значения измеряемого параметра достигнуты.

4 - выходное устройство выключается при достижении измеряемым параметром значения Туст + D < П Ё Туст - D.

Этот вариант логики используется для сигнализации о выходе измеряемого параметра за заданные значения.

На основе различного сочетания вариантов логики прибор типа ТРМ5-PiC может, кроме функции регулирования, выпол-нять дополнительные функции сигнализации или включения различных средств автоматики.

Пример записи приборов ТРМ при их заказе и в документации другой продукции, где они могут быть применены.

Прибор ТРМ5-Н.030-Р13 ТУ4210-001-29923375-97. При этом изготовлению и поставке подлежит измеритель-регулятор температуры типа ТРМ5-PiC в корпусе настенного крепления, предназначенный для работы с платиновым термопреобразователем сопротивления (НХС 100П W100 = 1,391). Выходные устройства – электромагнитные реле. Первое реле работает по варианту логики 1, второе реле – по варианту логики 3.

Дополнительные сведения о приборах

Все приборы ТРМ-PiC питаются от сети 220 В 50 Гц. Потребляемая приборами мощность не более 6 ВА.

По сравнению с терморегуляторами типа ТРМ приборы ТРМ-PiC оснащены более усовершенствованной энергонезависимой памятью и способом записи данных в нее, обеспечивающих надежную сохранность заданных при изготовлении констант, а также программируемых потребителем уставок и коэффициентов регулирования при обесточивании схемы.

Все модификации приборов ТРМ-PiC формируют аварийный сигнал на отключение выходных устройств в случае обрыва работающего с ним датчика, а приборы с термопреобразователями сопротивления еще и в случае их замыкания. При этом на цифровом индикаторе отображаются условные символы, позволяющие оператору оценить возникшую ситуацию и принять меры для ее устранения.

Показания приборов ТРМ-PiC могут быть скорректированы пользователем по результатам контрольных измерений параметра на объекте. Коррекция производится сдвигом номинальной статической характеристики прибора параллельно самой себе на заданную величину и сохраняется при обесточивании прибора.

Вячеслав Дворцов