3.1.2 Организация канала связи хроматограф – вычислительное устройство

Низкий уровень сигнала на выходе хроматографа предъяв­ляет особые требования к организации канала передачи сиг­нала от хроматографа к устройству обработки. В случае применения специализированных индивидуальных устройств авто­матизации (например, интеграторов) проблем связи обычно не возникает: интегратор уже содержит необходимые согласую­щие блоки, располагается рядом с хроматографом, а инструк­ция завода-изготовителя предусматривает способ подключения. Но уже в случае многоканальных интеграторов хроматографы часто оказываются удаленными от процессора, что может явиться источником дополнительных помех и погрешностей при неправильной организации канала связи. В многоканальных системах с ЭВМ обычно стремятся с целью повышения помехоустойчивости передачи информации на машину преобразовать сигнал детектора в цифровую форму непосредственно на его выходе. Однако такое решение требует наличия индивидуальных АЦП, которые из-за необходимости перекрытия всего диапазона хроматографического сигнала должны быть повышенной разрядности (13-16 разрядов). По­мимо усложнения и удорожания АЦП это может вызвать за­труднения и в организации канала связи с ЭВМ, тенденции и нормативы на которые состоят в уменьшении объема дискреты до 8-12 двоичных разрядов.

Нормализация сигнала с автоматическим изменением ко­эффициента передачи не только снимает вопрос о специальном АЦП, но и разрешает пробле­му записи, облегчая аналити­ку ведение контроля за ходом анализа, а также передачу сигнала в аналоговом виде и коммутацию его на высоком уровне с дальнейшим преобра­зованием стандартным много­канальным АЦП.

Таким образом, в типичном случае канал связи хромато­граф — устройство обработки содержит нормирующие уст­ройства (усилители, фильтры и т. п.), аналоговый коммута­тор, АЦП, причем коммуникации обеспечиваются экранирован­ными кабельными шинами через разъемы, клеммные контакты, пайки и другие переходные устройства.

Следует предусмотреть ряд мероприятий, которые позволяют минимизировать ошибки, возникающие при передаче сигнала. Наиболее распространен­ными причинами их появления являются: 1) наличие синфаз­ного напряжения на входе измерительного блока (усилитель + АЦП) устройства обработки; 2) возникновение паразитных термо-ЭДС в местах контактов; 3) воздействие на устройства, входящие в канал связи (далее просто - канал) электромаг­нитного, магнитного и электрического полей.

Синфазное напряжение как постоянного, так и переменного тока вызывает появление на входе измерительного блока про­дольной помехи. Несмотря на то, что в системах, как правило, используются дифференциальные усилители, обладающие спо­собностью ослаблять синфазную составляющую сигнала, в силу неполной симметрии входов усилителей целиком устранить ее действие не представляется возможным. Величину продольной помехи в этом случае можно оценить, если рассмотреть экви­валентную схему измерительной системы, представленной на рис. 8.

Рис. 8 - Эквивалентная схема, показываю­щая влияние продольной помехи на вход­ные цепи измерительного блока устройства (системы) обработки (ИБ — измерительный блок устройства обработки).

Учитывая, что входное сопротивление дифференциального усилителя значительно превышает величину сопротивления ли­нии R1 и R2 (их величина обычно порядка 1000 Ом), входное напряжение помехи будет равно:

где R_yl и R_y2 - сопротивление утечки на «землю», каждое из которых представляет собой эквивалентное сопротивление па­раллельно соединенных сопротивлений утечки линии и входа усилителя на «землю»;

Е_п.п. - ЭДС помехи.

Поскольку Ry_l ≈ R_y2 ≈ R_y на практике для оценки вели­чины ожидаемой помехи мож­но пользоваться выражением:

При переменном синфаз­ном напряжении определяю­щую роль играют емкостные сопротивления утечек прово­дов, и величина помехи может быть оценена как

Основной причиной возникновения синфазного напряжения является неправильное заземление. Например, если при значительной территориальной разобщенности отдельных устройств системы их заземление выполняется по месту рас­положения, может возникнуть значительная разница в потен­циалах заземления хроматографа, устройств связи и ЭВМ и, как следствие, существенная продольная помеха, поскольку она пропорциональна абсолютной величине синфазного напряже­ния. Чтобы уменьшить величину помехи, необходимо выпол­нить заземление хроматографов и входных блоков системы (усилителя, АЦП и др.) в одной точке. При этом следует раз­делять нулевые точки напряжения для аналоговых измеритель­ных сигналов (аналоговая подсистема), дискретных командных (начало, конец анализа, цифровая информация о режимах хро­матографа и т. п.) и цифровых информационных сигналов (цифровая подсистема). Для каждой подсистемы желательно установить свою цепь заземления, а затем объединить эти цепи в одной точке (рис. 9).

Однако далеко не всегда удается полностью устранить син­фазную помеху с помощью тщательно выполненного заземле­ния, а порой просто невозможно сделать заземление в одной точке. Последнее особенно трудно выполнить при создании си­стемы автоматизации на базе уже работающего аналитическо­го оборудования. В этом случае снижение помех от синфазного напряжения достигается экранированием проводов и входных блоков с подключением экрана к источнику помех. Несмотря на то, что емкость между проводами и экраном возрастает из-за близкого их расположения и, следовательно, падает со­противление утечки, помеха уменьшается, так как через эти сопротивления текут почти нулевые токи, обусловленные прак­тически отсутствием разности потенциалов между линией сиг­нала и экраном.

Рис. 9 - Схема организации заземления системы обработки.

Аналоговая подсистема 1 включает элек­тронные блоки хроматографа и входные, предшествующие АЦП блоки устройства обработки; цифровая подсистема 2 вклю­чает блоки командных сигналов и обра­ботки цифровой информации; 3 - заземле­ние системы распределения энергии; 4 - за­щитное заземление.

При удачном сочетании правильно выполненного заземле­ния и защитного экранирования можно достигнуть ослабления помехи от синфазной составляющей сигнала в 120-160 дБ.

Для уменьшения влияния электромагнитной индукции ши­роко используется прокладка измерительных линий двойным скрученным проводом (витой парой). При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, взаимно вычитаются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на несколько порядков.

При организации канала связи всегда следует стремиться к пространственной изоляции потенциальных источников помех (таких, как реле, силовые трансформаторы, генераторы коле­баний, быстродействующие цифровые схемы) от чувствитель­ных к ним элементов канала. Пространственное разделение предполагает создание раздельных кабельных линий для ана­логовых и цифровых сигналов.

Эффективным методом ослабления поперечных помех яв­ляется использование фильтров (нижних частот). Чаще для этой цели применяются пассивные RC и двойные Т-образные фильтры. При использовании фильтров совместно с дифференциальным усилителем следует помнить, что применение однополюсного фильтра нежелательно, так как это приводит к увеличению помехи от синфазной состав­ляющей сигнала вследствие увеличения разбаланса сопротив­лений по двум входам.

На уровень помех, действующих в информационном канале, существенное влияние оказывают характеристики коммутато­ра. В случае коммутаторов с непосредственной связью уровень помех от синфазной составляющей не только не уменьшается, но может даже увеличиться. Это обусловлено неидеальностью характеристик ключей коммутатора. Для ослабления зависи­мости помехи от числа переключаемых каналов желательно применять ступенчатые коммутаторы, когда выходы небольшой группы ключей подключаются к выходной шине через допол­нительный последовательно включенный ключ.

Применение защитного экранирования входных цепей ком­мутатора также снижает эффективное значение паразитных емкостей, но усложняет его структуру. В этом случае требуется использовать коммутатор с тремя ключами на переключаемый канал. Третий ключ предназначается для переключения цепи экрана. Необходимость этого переключения вызывается тем, что наличие общего экрана для всех входов может привести к заземлению источника продольной помехи или же к замыка­нию источников продольных помех с разными потенциалами через низкоомную экранирующую оболочку.

3. Стандартные интерфейсы в системах автоматизации хроматографического анализа

При проектировании, наладке и эксплуатации систем авто­матизации хроматографического анализа очень важно иметь возможность обеспечить информационную конструктивную и электрическую совместимость и

взаимодействие измерительной и периферийной аппаратуры с процессорами и между собой, что выполняется соответствующей организацией системы и средств сопряжения (интерфейса).

Широкое использование типизированных и агрегатированных систем при автоматизации хроматографического анализа позволяет существенно ускорить их проектирование и снизить неоправданное разнообразие технических средств и решений. С точки зрения пользователя преимуществами применения агрегатированных систем являются: возможность развития си­стемы добавлением новых блоков (вводимых без дополнитель­ных затрат), упрощение выхода на более высокие уровни системной иерархии и т. п.

При этом уровни унифицированных связей могут быть раз­личны. В простейшем случае стандартизуются только выход­ные и входные параметры средств измерительной и вычисли­тельной техники. Высокий уровень агрегатирования предусмат­ривает стандартизацию информационных, конструктивных и электрических параметров составляющих их устройств.

Применительно к хроматографии это означает разработку в некотором стандарте набора модулей, объединяемых изгото­вителем в один конструктив (реже - несколько конструктивов). Уменьшение избыточности достигается использованием в си­стеме нескольких базовых моделей, составляющих основу для построения ряда модификаций аппаратуры, обеспечивающего перекрытие определенного диапазона возможностей приборов данного назначения.

Анализ алгоритмов и структур систем обработки для трех групп пользователей (научно-исследовательские лаборатории, производственные лаборатории и хроматографы на процессе) показал, что задачи обработки (например, интегрирование, определение времени удерживания и т. п.) и управления ана­лизатором или сопряжения с ЭВМ может решать комплект технических средств (КТС), включающий следующие функ­циональные блоки (типовой набор): нормирующие усилители (в том числе с автоматическим переключением диапазона чув­ствительности), аналого-цифровые и частотные преобразовате­ли, экстрематор, корректор базисного сигнала с электронной компенсацией дрейфа, сумматор (счетчик-накопитель), блок цифровой индикации, блок связи с ЭВМ, перфоратором, нако­пителем на магнитных лентах и др.

Эти блоки могут решаться в рамках типовых проектных решений, отвечающих требованиям Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП). Примером реали­зации такого системного подхода может быть базовый ком­плект специализированных модулей, разработанный в Инсти­туте катализа СО АН СССР. В составе комплекта

(рис. 10) имеются измерительный усилитель с автоматиче­ским выбором коэффициента передачи и электронной коррек­цией дрейфа в сквозном тракте датчик — выход усилителя, се­лектор по уровню и экстрематор, интегратор. Все модули имеют стандартизованные сигналы управления и состояния, что поз­воляет подсоединять их к внешним управляющим и вычисли­тельным устройствам, включая ЭВМ.

Рис. 10 - Базовая модель, предназначенная для безмашинной автоматизации хромато- графического анализа в полуавтоматическом режиме.

Особого внимания заслуживает стандартный магистрально-модульный интерфейс САМАС, системы в котором обеспечи­вают решение задач измерения и управления объектом. Основная особенность стандарта САМАС — обширный набор функциональных модулей, которые могут быть объединены для выполнения более сложных функций. Модули конструируются в виде вставных блоков и устанавливаются в стандартные крейты. Крейты представляют собой ветви математического и аппаратурного обеспечения ЭВМ, рассредоточенные в простран­стве произвольным образом. Каждый вставной блок имеет пря­мой доступ к стандартной линии связи или магистрали крейта. Магистраль в крейте служит для внутреннего информацион­ного обмена и содержит 86 шин: 27 адресных (из них 23 для адресации к модулю и 4 для адресации к субблоку внутри мо­дуля); 48 информационных (поровну на запись и считывание кода слова), остальные — для командных сигналов, питания, запасные. Уровни сигналов соответствуют стандартным уров­ням транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Передача 24 бит по внутрикрейтной магистрали требует минимум 1 мкс, что медленнее, чем в мини-ЭВМ, но значи­тельно быстрее фактической скорости, с которой ЭВМ может организовать программный обмен входной/выходной информацией и ее запоминание.

На передней панели функционального модуля располагают­ся органы управления и разъемы для связи с датчиками изме­рительной системы (например, детектором хроматографа, дат­чиками расхода газа-носителя или исполнительными устрой­ствами системы регулирования).

Мультикрейтная система может быть выполнена парал­лельной или последовательной. В первом случае к рас­пределителю системы может быть подключено от одного до 7 крейтов (рис. 11,а), причем для межкрейтного обмена ис­пользуются в основном те же сигналы, что и для внутрикрейтного обмена.

Рис. 11 - Структурные схемы мультикрейтных систем САМАС параллельного (а) и по­следовательного (б) типов:

Кр — крейт; К_к— контроллер крейта; CК—системный контроллер; М—модем.

Длина линии не превышает 50 м и определяется типом кабеля и уровнем шума. При этом распределители крейтов не зависят от типа ЭВМ, которая определяет лишь тип распределителя системы. Эта структура наиболее распространена и соответствует ком­пактным системам с большой скоростью обмена, например, в случае автоматизации заводской хроматографической лабо­ратории.

Последовательная структура используется в территориально разобщенных, протяженных системах, например при автомати­зации хроматографов и другой аналитической аппаратуры, установленной непосредственно в технологических линиях, в си­стемах управления этими процессами. Система (рис. 11,б) включает две пары проводов (информация и часы), которые могут быть удлинены с помощью модема с выходом на теле­коммуникацию. Информация передается последовательным ко­дом. Для ускорения обмена (примерно на порядок) используют дополнительные провода (9 пар), так что по ним информация передается параллельно побайтно.

Функционирование системы САМАС инвариантно к типу ЭВМ. В общем случае спецификация САМАС не зависит от наличия ЭВМ в конкретной системе, так как крейт может ра­ботать и в автономном режиме. Важной новой чертой является использование микропроцессоров в крейте.

Несмотря на некоторую аппаратурную избыточность, орга­низация систем на основе САМАС в конечном счете сопровож­дается экономией в стоимости и во времени.

На рис. 12 приведена структурная схема системы автома­тизации каталитических установок, разработанной по заданию Института катализа и включающей несколько крейтов, которые подключены к ЭВМ М-400 с дисковой операционной системой. Модули крейтов связаны как с датчиками измерительной части автоматизируемой установки, так и с исполнитель­ными устройствами систем регулирования и управления. Хро­матографы подсоединяются через специализированные устрой­ства с цифровым выходом (например, типа, изображенного на рис. 9) либо - при выполнении этих блоков в виде модулей САМАС - непосредственно к крейту.

Практическая необходимость в создании типовой структуры автоматизированных комплексов, в значительной мере инва­риантной к характеру конкретных решаемых задач, стимулиро­вала разработку нового типа коммуникационной системы: уни­фицированной магистральной системы обмена информацией (УМСО), основные особенности которой следующие:

1. отказ от попыток отразить в структуре подразделение комплекса на функциональные системы: УМСО является «сим­метричной» системой, предоставляет всем своим абонентам возможность непосредственной связи друг с другом;

2. использование для обмена информацией между абонен­тами машинно-независимого магистрального канала;

3. простота и возможность линейного расширения системы;

4. повышенная скорость обмена информацией между або­нентами (за счет аппаратной реализации ряда функций);

5. использование при организации обмена принципов САМАС и стандартизованных технических средств.

УМСО реализуется в виде одно- или многокрейтовой (рис. 12) системы САМАС. Каждый крейт УМСО включает аппаратуру управления, блок-коммуникационный процессор КП, а также одинаковые модули САМАС – абонентские конт­роллеры, каждый из которых представляет в УМСО некоторого абонента.

Рис. 12 - Структурная схема системы автоматизации каталитических установок:

Кр - крейт; СК - системный контроллер, крейт связи с ЭВМ М-400; Фкл - функциональная клчвиатура; TRF1 - передатчик-усилитель; RSV1 - приемник-усилитель; TRF2 - передатчик последовательный; CTR1, CTR2 контроллеры к ЭВМ М-400; 1NR - регистр входной; OUTR - регистр выходной; ТР1- интерфейс к ЭПМ «Consul», ADC - АЦП; EXTR - экстре­матор; G - генератор синхроимпульсов; Г - таймер; FSW - функциональная клавиатура; INDM - индикатор магистрали; RSV2 - приемник последовательный; CCR - крейт-контроллер.