Настройка и проверка измерительных каналов ПЛК

Введение

Точность регулирования — одна из важнейших характеристик систем автоматического управления (САУ), определяющая степень приближения реального управляемого процесса к требуемому. Отклонение от требований может быть связано с динамическими свойствами объекта управления и САУ, ошибками измерительных и исполнительных устройств, внутренними шумами в элементах САУ и внешними помехами.

Не менее значима и точность измерения. Измерительными инструментами в ПЛК служат аналоговые каналы входа, на них поступает значение аналогового сигнала, подлежащее измерительному преобразованию. На выходе вырабатывается цифровой сигнал измеренной информации, являющийся квантованной дискретной функцией измеряемой величины и представленный в цифровой форме. Неточность измерения поступающего аналогового сигнала во многом сказывается на результате квантования и дискретизации выходного цифрового сигнала, что, в свою очередь, может привести к ошибкам в управляемом процессе.

Приведем пример, подтверждающий важность точности. Во время настройки автоматики водоочистных сооружений была отключена блокировка ПЛК, которые управляли ПИД-регуляторами. Система пошла вразнос из-за некорректного измерения аналогового сигнала: давление воды за 0,3 с подскочило до 100 атмосфер (при максимально допустимых 50) — трубу водоснабжения разорвало. К счастью, обошлось без жертв. Однако если бы в системе был ПЛК с ненадежными метрологическими параметрами, то подобные аварии происходили бы постоянно.

Еще одной критически важной областью, в которой контроллеру требуется точно дозировать продукт, являются так называемые batch-процессы. Если дозировка продукции нарушена, то, например, при отгрузке топлива или газа выше нормы поставщик терпит убытки, а при меньшей ему грозит штраф. Еще бо́льшая точность нужна в пищевой и фармацевтической промышленности: от соблюдения техпроцесса и соответствия выверенной рецептуре зависит здоровье людей.

Учитывая необходимость соблюдения требуемой точности измерений при работе САУ, рассмотрим процедуру проверки и калибровки в процессе производства ПЛК на примере линейки модулей КОМЕГА Basic (рис. 1) Московского завода тепловой автоматики. Эти модули служат для решения задач автоматизированного управления и мониторинга инженерных сетей и технологических процессов.

Рис. 1. Линейка ПЛК и модулей расширения КОМЕГА Basic

Общие принципы проверки и калибровки модулей

Тестирование при производстве модуля включает его прошивку, функциональную и параметрическую проверку аналоговых и цифровых входов и выходов, а также измерение энергопотребления модуля. Традиционно системы тестирования подобной продукции рассчитаны на крупную партию одинаковых изделий и перенастройка на другое изделие предполагается нечасто. Для каждого изделия разрабатываются свои контактные устройства и оснастки. Соответственно, из-за разнообразия исполнений модулей КОМЕГА требуются разные программы испытаний. Система тестирования должна уметь перестраиваться под тестирование каждого исполнения.

Конфигурация аналоговых входов

Тестирование и калибровка аналоговых каналов входа модулей производится путем подачи на имеющиеся входы тестовых сигналов, генерируемых стендом автоматической проверки и калибровки (рис. 2, 3). Оператор управляет процессом тестирования через графический интерфейс (рис. 4). Выходные сигналы аналоговых выходов модулей измеряются с помощью измерителей стенда.

Рис. 2. Механический адаптер и «ложе гвоздей»

Рис. 3. Измерительное оборудование

Рис. 4. Графический интерфейс оператора стенда

Тестирование сигналов модуля по двум точкам

В данном тесте проверяется общая работоспособность входов. При выходе измеренных проверяемым модулем величин сигналов за установленные пределы канал признается неисправным, его настройка и калибровка не производятся.

На аналоговые входы 0–10 В и 0–10 кОм модулей подается сигнал величиной, равной 5 и 110% полного диапазона изменения сигнала. На входы 2,5 В и 20 мА модулей подается сигнал величиной, равной 5 и 100% этого диапазона. На выходах 0–10 В и 0–20 мА устанавливаются сигналы той же величины — стендом через Modbus-интерфейс, а затем измеряются проверяемым модулем. Замеры производятся после выдержки времени, равного периоду окончания переходных процессов. Модули считаются успешно прошедшими данный этап, если измеренные величины отличаются от номинальных значений не более чем на ±20% для нижнего предела и на ±10% для верхнего предела.

Настройка сигналов модулей по двум точкам

Настройка по двум точкам допустима вследствие линейности характеристик, используемых АЦП и ЦАП.

Для настройки (калибровки) входных сигналов проверяемого модуля на его входы подаются тестовые аналоговые сигналы напряжения, тока и сопротивления в зависимости от исполнения модуля.

На входы модуля подается сигнал, равный 10% (для сопротивления — 1%) и 90% диапазона изменения соответствующего сигнала. Измеренные модулем величины фиксируются программой проверки через Modbus-интерфейс после выдержки времени, равного периоду окончания переходных процессов. Затем производится расчет наклона (gain) и смещения (offset) графика входного сигнала и результаты записываются во Flash-память модулей через Modbus-интерфейс. Зафиксированные наклон и смещение сравниваются с референсными значениями указанных коэффициентов.

На выходах проверяемого модуля с помощью команды, подаваемой через Modbus-интерфейс, устанавливается и измеряется стендом сигнал, равный 10 и 90% диапазона изменения соответствующего сигнала. Измерения фиксируются программой проверки через Modbus-интерфейс после выдержки времени, равного периоду окончания переходных процессов. Также производится расчет наклона и смещения графика выходного сигнала, результаты вычислений записываются во Flash-память модулей через Modbus-интерфейс. Зафиксированные величины сравниваются с референсными значениями.

Если получившиеся значения offset и gain не соответствуют допускам, модуль бракуется.

Контроль калибровки сигналов модулей

Контроль производится по шести точкам диапазона изменения сигнала. Для калибровки входных сигналов проверяемого модуля на его входы подаются тестовые аналоговые сигналы напряжения, тока и сопротивления в зависимости от исполнения модуля.

На входы подаются сигналы, равные 5, 20, 40, 60, 80 и 95% диапазона изменения соответствующего сигнала. Измерения фиксируются программой проверки через Modbus-интерфейс после выдержки времени, равного периоду окончания переходных процессов. На выходах проверяемого модуля с помощью команды через Modbus-интерфейс устанавливаются и измеряются стендом сигналы, равные 5, 20, 40, 60, 80 и 95% диапазона изменения соответствующего сигнала.

Зафиксированные величины сравниваются с выданными значениями. Если они не соответствуют допускам, модуль бракуется. После завершения калибровок по интерфейсу Modbus подается команда «запомнить калибровки». Данные калибровки сохраняются в калибровочной таблице модуля.

В линейке КОМЕГА Basic есть два устройства с аналоговыми каналами входа — контроллер kB.M и аналоговый модуль ввода/вывода kB.AIO. Ниже в качестве примера приведем оценку точности измерений на модуле kB.AIO.

Точность аналоговых входов модуля kB.AIO

Цель испытаний — оценить точность измерений аналоговых входов модуля kB.AIO после их конфигурации сторонними методами.

Вспомогательное оборудование — универсальный калибратор промышленных процессов АКИП-7302 с базовой погрешностью 0,02%, программный комплекс CODESYS V3.5 и программный комплекс Excel.

Условия проведения испытаний приведены в таблице 1.

Порядок проведения испытаний:

1. Комплект модулей КОМЕГА Basic — kB.D+kB.M и kB.AIO, соединенные системной шиной, — подключается к персональному компьютеру через сеть Ethernet.
2. Создается простой проект в CODESYS V3.5 для измерения входного аналогового сигнала.
3. На определенный аналоговый вход модуля kB.AIO подается нужное значение сначала напряжения, а затем тока с помощью калибратора АКИП-7302.
4. Значения входного аналогового сигнала фиксируются в CODESYS и заносятся в таблицу Excel для дальнейшей обработки.

Для модуля kB.AIO в технических условиях указаны пределы допускаемых основных приведенных погрешностей измерения аналоговых входных сигналов в зависимости от вида входного сигнала, указанные в табл. 2.

Измерение напряжения выполняется следующим образом:

1. На вход 6 модуля kB.AIO с помощью калибратора подается напряжение 5 В.
2. Измеренное значение напряжения фиксируется в CODESYS (рис. 5).
3. Проводятся 10 измерений, результаты которых заносятся в Excel (табл. 3).

Рис. 5. Результат измерения напряжения в CODESYS V3.5

Предельные допускаемые значения измерений Vmax и Vmin рассчитываются по формулам согласно таблице 2:

V_max = 5 + (5 × 0,002 + 10 × 0,0004) = 5 + (0,01 + 0,004) = 5,014 В.

V_min = 5 – (5 × 0,002 + 10 × 0,0004) = 5 – (0,01 + 0,004) = 4,986 В.

Для наглядного отображения результатов измерения строится график (рис. 6).

Рис. 6. График результатов измерения напряжения

4. Рассчитывается математическое ожидание, необходимое для расчета среднеквадратического отклонения (СКО):

5. Рассчитывается СКО для оценки точности измерений:

6. С учетом полученного значения СКО (0,00365) делается вывод, что измерение напряжения на аналоговом канале входа 6 модуля kB.AIO является достаточно точным.

Измерение тока выполняется следующим образом:

1. На вход 8 модуля kB.AIO с помощью калибратора подается ток 10 мА.
2. Фиксируется измеренное значение напряжения тока в CODESYS.
3. Проводятся 10 измерений, результаты заносятся в Excel (табл. 4).

Предельные допускаемые значения измерений I_max и I_min рассчитываются по формулам согласно таблице 2:

I_max = 10 + (10 × 0,002 + 20 × 0,0004) = 10 + (0,02 + 0,008) = 10,028 В.

I_min = 10 – (10 × 0,002 + 20 × 0,0004) = 10 – (0,02 + 0,008) = 9,972 В.

Для наглядности результаты измерения вносятся в график (рис. 7).

Рис. 7. График результатов измерения тока

4. Рассчитывается математическое ожидание, необходимое для расчета СКО:

5. Рассчитывается СКО для оценки точности измерений:

6. С учетом полученного значения СКО (0,00543) делается вывод, что измерение тока на аналоговом канале входа 8 модуля kB.AIO является достаточно точным.

Заключение

Конфигурация каналов входа происходит на этапе производства, причем со временем настройка конфигурации каналов входа не изменяется. Приведенные в качестве примера испытания подтверждают, что измерения аналоговых сигналов модулями линейки КОМЕГА Basic являются точными и надежными, а все измеренные значения находятся в пределах допускаемой основной приведенной погрешности.

Правильно подобранные и проведенные испытания служат залогом того, что производители оборудования не столкнутся с рекламациями из-за аварий, связанных с неточностью калибровок и настроек ПЛК.

Московский завод тепловой автоматики — разработчик и производитель аппаратной части и программного обеспечения АСУ ТП. Предприятие основано в 1926 г. и сегодня занимается разработкой решений по автоматизации и диспетчеризации инженерных систем и техпроцессов от локальных установок, таких как индивидуальный тепловой пункт или насосная станция, до территориально распределенных объектов энергоснабжающих организаций, предприятий водоканала, ТЭК, ЖКХ и т. п.