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Wie Sensoren und Aktuatoren hinter RTUs und SCADA-Systemen arbeiten

Controller in RTUs

RTUs (Remote Terminal Units) werden jetzt aus erstelltkleine Computer. Kurz danach wurden Controller-Algorithmen in die RTU einprogrammiert. Bald folgten Durchflusszähler, Leistungsfaktorkalkulatoren und Logiklöser.

Wie Sensoren und Aktuatoren hinter RTUs und SCADA-Systemen arbeiten

Wie Sensoren und Aktuatoren hinter RTUs und SCADA-Systemen arbeiten

Jede Funktion, die mit a beschrieben werden kannmathematische Formeln oder Algorithmen können vom Computer in einer ausreichend komplexen RTU gelöst werden. Die Signale werden von Felderkennungsgeräten gesammelt. Die Algorithmen sind gelöst. Steueranweisungen werden an Ventile oder andere Stellantriebe gesendet.

Dies geschieht sehr schnell, in der Größenordnung von Millisekunden oder darunter, und die RTU erledigt alles wieder. Die Scanzeiten in RTUs sind sehr kurz.

Bestimmte sicherheitsrelevante Funktionen wie Feuer oderRaucherkennung und Konzentration giftiger Gase werden in dedizierter Hardware gelöst. Dies liegt nicht an technisch schwierigen Algorithmen, sondern daran, dass die Aufsichtsbehörden, die sie zertifizieren, sie als eigenständige Geräte benötigen.

Mit Sensoren, die die Prozessvariablen und messenAktuatoren, die Prozessparameter anpassen, Controller, die Algorithmen lösen, um die Aktuatoren als Reaktion auf die gemessenen Variablen zu steuern, und das gesamte System durch Verkabelung oder ein ähnliches Kommunikationssystem miteinander verbunden. Der Feldprozess in der Nähe der RTU kann je nach Design arbeiten.

Diese Abteilung hat sich auf einige Überlegungen konzentriert, die zu beachten sind bei der Anwendung von Sensoren und Aktoren. Wie in SCADA verwendet, unterscheiden sich diese Geräte möglicherweise nicht wesentlich von den Instrumenten, die ähnliche Funktionen in hochautomatisierten Anlagen in einer ähnlichen Branche erfüllen.

Sie unterscheiden sich jedoch von Instrumenten, die direkt von einem menschlichen Bediener gelesen werden können.

SCADA-Sensoren und -Aktoren sind in der Regel teuer zu kaufen und zu warten, eine Tatsache, die bei der Erstellung von Kostenschätzungen für SCADA-Installationen berücksichtigt werden sollte.

Bevor der Steuerungsalgorithmus gelöst werden kann, muss derDie vom Feldsensor gesammelten Informationen müssen als Eingabe an die Steuerung oder die RTU übermittelt werden. Es muss eine gewisse Kommunikation zwischen dem Sensor und der RTU stattfinden. Dann, nachdem der Algorithmus gelöst ist, Es muss etwas Kommunikation zwischen der RTU und dem Stellglied stattfinden.


Analog zu Binär zu Digital

Alle Daten, die zwischen der Master-Endgeräteeinheit (MTU) und den RTUs verschoben werden, sind Binärdaten. Es kann als binäre Daten als Statuszustand eines Ein-Aus-Schalters entstanden sein oder wurde von analoger Form in binäre Form umgewandelt.

Abbildung 1 zeigt den Ausgang eines Endschalters, der zur Anzeige des Ventilstatus verwendet werden kann.

In Abbildung 1 (a) ist das Ventil geöffnet und der Schaltausgang ist konstant +5 V Gleichstrom. In 1 (b) ist das Ventil geschlossen und der Schaltausgang ist konstant 0 V Gleichspannung.

Beachten Sie, dass der Schaltausgang ist 0 VDC zu einem Zeitpunkt, zu dem das Ventil nicht vollständig geöffnet ist. Diese Funktion kann vorteilhaft genutzt werden. Wenn Sie wissen müssen, wann das Ventil nicht vollständig geschlossen ist, können Sie die Ausgabe veranlassen +5 VDC zu allen Zeiten, außer wenn es vollständig geschlossen ist.

Der untere Teil von Abbildung 1 zeigt einen Schaltausgang für ein Ventil, das geöffnet, dann geschlossen, dann geöffnet ist.

Ausgabe von einem Endschalter

Abbildung 1 - Ausgabe von einem Endschalter

Abbildung 2 zeigt, wie der Schalter ein Ventil abgibtwird in ein bisschen geändert. Das Wortbit steht für eine binäre Ziffer. Ein Einzelbitregister oder ein Flipflop ist in Fig. 2 (a) gezeigt. Der Ausgang des Ventilstatusschalters wird dem Freigabeeingang des Registers zugeführt, und das binäre Ausgangssignal des Registers kommt aus dem Register.

Eine fortlaufende Reihe von Impulsen, die "Uhr" genannt wird, wird in einen anderen Eingang des Registers eingespeist.

Fig. 2 (b) zeigt den zeitlichen Ablauf der Logik. Kurz vor dem Zeitpunkt = 1 öffnet das Ventil und der Ausgang des Ventilstatusschalters bewegt sich von 0 Volt auf +5 Volt. Zur Zeit = 1 wird der Takt positiv (von 0 Volt bis +5 Volt), und dies führt in Kombination mit +5 Volt am Freigabeeingang des Registers dazu, dass das Register eine "1" ausgibt (siehe untere Zeile der Abbildung 2 (b).

Das Ventil bleibt einige Zeit lang geöffnetund schließt nach Zeit = 3. Wenn dies der Fall ist, geht das Aktivierungssignal auf 0 Volt, dies ändert jedoch nicht den Registerausgang. Wenn die Uhr zum Zeitpunkt = 4 positiv wird, ändert sich der Registerausgang auf "0".

Der Ausgang des Ventilschalters wurde in ein Bit geändert

Abbildung 2 - Der Ausgang des Ventilschalters wurde in ein Bit geändert

Abbildung 6-9 zeigt, wie ein analoges Signal entwickelt wird, um eine Ventilposition darzustellen. Wenn der Ventilschaft vollständig geöffnet ist, beträgt die Ausgangsleistung des Messumformers +5.000 Volt.

Wenn das Ventil vollständig geschlossen ist, beträgt die Ausgangsspannung 0.000 Volt. Wie in Abbildung 2 oben gezeigt, hat der Ausgang einen Wert zwischen 0 und 5 Volt. Nehmen wir an, dass es +3.000 Volt ist.

Anstatt direkt in ein Register zu gehen, wird das +3.000 Volt-Analogsignal an ein gesendet Analog-Digital-Wandler (ADC), wie in Fig. 4 gezeigt, die es in eine Reihe von Binärziffern ändert und diese Bits in einem Register speichert. Normalerweise gibt es 8 bis 16 Bits in dieser Art von RegisterZur Vereinfachung werden in diesem Beispiel jedoch nur vier Bits verwendet.

Das größte Bit heißt normalerweise höchstwertiges Bit oder "MSB". Das kleinste Bit ist das niederwertiges Bit oder "LSB". Das MSB ist die Hälfte des Betrags des vollen Betrags. Jedes nachfolgende Bit ist die Hälfte des vorherigen Bits.

Analoges Signal, das entwickelt wurde, um eine Ventilposition darzustellen

Abbildung 3 - Analoges Signal zur Darstellung einer Ventilposition

Wie es funktioniert?

Beginnend oben links in Abbildung 4 das +3.Ein Signal von 000 Volt wird der ersten Stufe des ADC zugeführt. Der Konverter versucht, 2.500 Volt davon abzuziehen. Es kann (weil 3.000 größer als 2.500 ist) also ein +5 Volt Signal an den Freigabeeingang von 2.500 Volt BitMSB - Wichtigstes Bit) des Registers.

Der nächste Takt zwingt das Register MSB zur Ausgabe einer "1".

Der Rest (3.000 - 2.500 = 0).500 Volt) wird der zweiten Stufe zugeführt. Der Konverter versucht, 1.250 Volt davon abzuziehen. Es kann nicht (weil 0,500 kleiner als 1,250 ist) und gibt daher ein 0 Volt-Signal an den Freigabeeingang des 1,250 Volt-Bits des Registers aus.

Der nächste Takt zwingt das Registerbit auf eine "0".

Der Rest (noch 0.500 Volt) wird der dritten Stufe zugeführt. Der Konverter versucht 0,625 Volt davon abzuziehen. Es kann nicht (weil 0,500 kleiner als 0,625 ist) und gibt ein 0-Volt-Signal an den Freigabeeingang des 0,625-Volt-Bits des Registers aus.

Der nächste Takt zwingt das Registerbit zueine "0". Der Rest (noch 0,500 Volt) wird der vierten Stufe zugeführt. Der Konverter versucht, 0,3125 Volt davon abzuziehen. Es kann also ein +5 Volt Signal an den Freigabeeingang des LSB des Registers abgeben. Der nächste Takt zwingt das Registerbit auf eine "1".

Analog-Digital-Wandler

Abbildung 4 - Analog-Digital-Wandler

Das Ergebnis ist ein 4-Bit-Binärwort, das die 3.000 Volt wie folgt beschreibt:

MSB 1 x 2.500 Volt = 2.500 Volt
+0 x 1,250 Volt = 0 Volt
+0 x 0,625 Volt = 0 Volt
+ LSB 1 × 0,3125 Volt = 0,3125 Volt
2,8125 Volt

Da ein Vier-Bit-Register eine Genauigkeit von 1 zu 24 oder 1 zu 16 bietet, Dies ist so nahe wie möglich bei 3.000 Volt. Bei einigen Anwendungen variiert das Signal von positiv zu negativ und benötigt ein zusätzliches Bit. Zusätzliche Bits würden für zusätzliche Präzision sorgen.

Die Genauigkeit von Analog-Digital-Wandlern ist manchmal definiert in Bezug auf plus oder minus die Hälfte des niedrigstwertigen Bits (LSB).

Digital-Analog-Wandler (DAC)

Abbildung 5 - Digital-Analog-Wandler (DAC)

Digital-Analog-Wandler (DACs) sind Geräte, die ein digitales Signal empfangen und in einen analogen Wert umwandeln. Abbildung 5 zeigt, wie dies möglich ist.

Mit dem digitalen Wert, der vom ADC in Abbildung 4 festgelegt wurde, speisen wir das höchstwertige Bit in den Enable-Port des oberen Flipflops, das zweithöchste Bit, ein
der Freigabe-Port des zweiten Flip-Flops und so weiter. Wenn der Taktimpuls jedes dieser Flipflops auslöst, erscheinen 5 Volt am Ausgang jedes Flipflops, an dessen Eingang eine "1" war.

Am Ausgang jedes Flip-Flops, das an seinem Eingang eine „0“ hatte, erscheinen 0 Volt. Die Spannungsschalter haben jeweils zwei Eingänge. Eine ist eine sehr genaue Spannung, die entweder durch den Schalter geleitet wird oder blockiert wird.

Der andere Eingang ist der Schaltsignal. Bei 5 Volt wird die genaue Spannung durchgelassen. Wenn es 0 Volt ist, wird die genaue Spannung nicht durchgelassen. Die größte Spannung beträgt die Hälfte der vollen Skala des DAC.

Die zweite Spannung beträgt genau die Hälfte der Spannungzuerst und so weiter. Der Addiererblock rechts addiert jede seiner Eingaben und gibt dann ein Ergebnis aus, das sich aus der Summe der Eingaben ergibt. In diesem Fall addiert der Ausgang 2,500 Volt plus 0,3125 Volt, um 2,8125 Volt auszugeben.

Referenz // SCADA-Aufsichtskontrolle und Datenerfassung durch Stuart A. Boyer (Hardcopy bei Amazon kaufen)

Bemerkungen: