KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A folyamat

2.2. lecke: A zavarjelek (bevezetés)

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója
megismerje a zavarjelek fogalmát és azok sajnálatosan kiemelkedő szerepét a számítógépes folyamatirányításban; megismerje a zavarjelek hatásának csatoláson alapuló mechanizmusát, különös tekintettel a villamos zavarjelek esetére; megismerje a zavarjelek elhárításának elvi lehetőségeit; megismerje a villamos zavarjelek spektrális, illetve hatásmód-szerinti típusait; megismerje egy fontos zavarelhárítási mutató, a CMR fogalmát.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
meg tudja fogalmazni a zavarjel fogalmát; fel tudja vázolni és tudja elemezni a zajos jelátvitel általános modelljét; fel tudja sorolni a zavarelhárítás elvi lehetőségeit; fel tudja sorolni a villamos csatolások fajtáit, és meg tudja magyarázni azok hatásmechanizmusát, valamint csökkentésük lehetőségeit; osztályozni tudja a zavarokat frekvenciatartomány és hatásmód szerint, ismeri a CMR jelentését.
Időszükséglet: 1.5 óra
Kulcsfogalmak:
jelforrás, csatorna, jelvevő, csatolás, szűrés, ellenfázisú zavar, azonos fázisú zavar, közösjel-elnyomás (CMR).
Sajnálatos módon a folyamat és főként a környezet nem csak szép arcát mutatja a számítógép felé, hanem rút vonásai is lépten-nyomon kiütköznek. Ezek a rút vonások a zavarjelek. Figyelemreméltó tény, hogy a zavarjelekkel lényegesen többet lehet (és kell) foglalkozni, mint a folyamatjelekkel.
Félreértés ne legyen: nem a technológiai folyamatra ható zavarokkal foglalkozunk, hiszen ezek semlegesítése éppen az irányítás feladata. Mi itt az irányító rendszert támadó zavarjeleket vizsgáljuk. Talán elsőre furcsa, de egy olyan jel, amely a technológiai folyamatra zavarként hat, a vezérlő rendszer számára hasznos jel (vagyis: folyamatjel), hiszen annak éppen ezt a jelet kell érzékelnie.
A zavarjelek tanulmányozása és az elhárításukra irányuló törekvés korántsem csak a számítógépes folyamatirányítást érinti, egyáltalán nem e szakma sajátos belterülete. Itt azonban fokozott jelentőségre tesz szert, mert
a számítógépes folyamatirányító rendszerekkel szemben nagyobbak a minőségi elvárások, mint a hagyományosakkal szemben; a digitális jelfeldolgozás diszkrét-idejű jelmintákat, pillanatértékeket kezel, a zavarok pedig elsősorban a pillanatértékeket torzítják; a hagyományos irányító rendszerekhez képest a kis helyre befutó jelek száma lényegesen nagyobb, a megnövekedett jelsűrűség fokozza a jelek kölcsönhatását, ami zavarként jelentkezik (egy jelnek ugyanis az a dolga, hogy magát képviselje és nem az, hogy a másikra hasson!).
1. A zajos jelátvitel modellje
A leckerész feldolgozása után vázolja fel és elemezze a zajos jelátvitel általános modelljét; és sorolja fel a zavarelhárítás elvi lehetőségeit!
Az irányító rendszer - mint már említettük - információátviteli rendszernek is tekinthető, ennek megfelelően jelforrásokból, jelvevőkből és csatornákból épül fel (1. ábra).
A zajos jelátvitel modellje
1. ábra
A jelforrás kibocsátja a hasznos jelet, az áthalad a csatornán, ahol csatolás révén bekerült zavar szuperponálódik rá, így a jelvevőhöz már torzult információ érkezik. (A zajforrást tekinthetjük parazita jelforrásnak, a csatolást pedig parazita csatornának is.) Az ábrából kiolvashatók a zavarelhárítás elvi lehetőségei is: a zajforrás vagy a csatolás megszüntetésével megakadályozható a zavarjel bejutása a mérőrendszerbe, a már bekerült zavarjel pedig a jelvevő elé tett szűrő segítségével eltávolítható. Eme lehetőségek egyike sem realizálható ideális módon; általában mindegyiket meg kell kísérelni, mert csak együttes alkalmazásuk hozhatja meg a kívánt eredményt.
A fentieket villamos jelátviteli rendszerekre (a továbbiakban: mérőrendszerek) konkretizálva a következőket mondhatjuk. A jelforrás és a zajforrás áramköri szempontból generátor, a jelvevő, a csatorna és a csatolás pedig impedancia. A csatorna és a jelvevő döntően rezisztív (ellenállásos) jellegű, míg a csatolás a domináns fizikai hatás természetének megfelelően konduktív, induktív, illetve kapacitív jellegű (vagy ezek kombinációja) lehet.
A konduktív csatolás a zajforrás és a jelátvivő hálózat rendszerint átvezetés révén létrejövő rezisztív kapcsolata. Ennek csökkentése a jelvezetékek jó szigetelésével lehetséges. Az induktív csatolás a környező mágneses tér időbeli változásait közvetíti; hatására a jelvezetékek alkotta vezető hurokban parazita feszültség indukálódik. Az induktív csatolást a külső mágneses teret kizáró mágneses árnyékolással lehet csökkenteni. A mágneses árnyékolás jó mágneses vezetőből (ferromágneses anyagból) készült csővel vagy dobozzal alakítható ki (2. ábra).
Induktív csatolás
2. ábra
A kapacitív csatolás a jelvezetékek és a környezet elektrosztatikus kapcsolatát jelenti, vagyis azt, hogy a környezetben létrejövő töltésmozgások időben változó villamos teret hoznak létre, amely a jelvezetékekben is töltésmozgást eredményez. Ez a hatás elektrosztatikus árnyékolással csökkenthető. Az árnyékolás nagyon jó villamos vezetőből készült fóliával alakítható ki (Gauss-kamra).
A mérőrendszerbe bekerült zaj eltávolítása (a hasznos jelről való utólagos leválasztása) szűréssel kísérelhető meg. A szűrhetőség általános feltétele az, hogy a jel és a zaj domináns spektrális tartományai elkülönüljenek egymástól. Ha ez nem teljesül, a zaj nem szűrhető.
2. A zavarjelek típusai
A zavarjeleket - a hasznos jelekhez hasonlóan - több szempont szerint több típusba sorolhatjuk. Az alábbiakban ezeket tekintjük át.
A) Időbeli változás
Idézze fel, mit tud korábbi tanulmányaiból a jelek spektrális felbontásáról és frekvenciatartománybeli jellemzőiről!
Időbeli változás (vagy spektrumtartomány) szerint megkülönböztetünk egyenfeszültségű (vagy kisfrekvenciás), váltakozó feszültségű, valamint tranziens (nagyfrekvenciás) zavarokat.
Az egyenfeszültségű zavarok (például, de nem mindig) a technológiai folyamat állapotának véletlenszerű, igen lassú ingadozásaiból eredő, a mérőkörben megjelenő zavarok. Tipikus frekvenciatartományuk: 0...10-3Hz. E zavarokat a szabályozási folyamat maga kiszűri, így ezeket szabályozható zavaroknak is szokás nevezni. Lényegesen nagyobb gondot jelentenek a 10-3...1Hz tartományba eső, lassú de már a szabályozás által el nem távolítható zavarok. Ezek rendkívül nehezen szűrhetők, mivel frekvenciájuk közel esik a technológiai folyamat jeleinek (hasznos jelek) frekvenciájához és így a spektrális elkülönülés feltétele alig, vagy sehogy sem teljesül. A váltakozó feszültségű zavarjelek tipikusan hálózati eredetűek. Frekvenciájuk a hálózati frekvencia, illetve annak néhány felharmonikus frekvenciája. Ezek jól szűrhetők, mert már lényegesen gyorsabbak a folyamatjeleknél. A folyamatirányításban alig okoznak gondot a gyors (nagyfrekvenciás), un. tranziens zavarok. Ezek egyszerű eszközökkel, nagyon jól szűrhetők, könnyen leválaszthatók a hasznos jelekről. (Ennek kapcsán érdekes észrevenni a távközléstechnika és az irányítástechnika világa között feszülő spektrális ellentétet. Ami az egyik területen említésre sem méltó, az a másikon súlyos gondok forrása, és fordítva. Ezt szinte jelképesen tükrözi az a tény, hogy míg az irányítástechnika erősítői tipikusan egyenfeszültség-erősítők, a távközléstechnika erősítőinek bemenetén ott a soros kondenzátor a kisfrekvenciás világ kizárására.)
B) A mérőkörben való megjelenés
A 3. ábra egy zajmentes mérőrendszert ábrázol.
Villamos mérőrendszer
3. ábra
A jelforrás egy feszültséggenerátor, melynek forrásfeszültsége az UH hasznos jel. A jelvevő, ha nagy bemeneti impedanciájú (ami általában telesül), az UH feszültséget érzékeli. A hasznos jel változása a jelvevő bemeneti pontjainak potenciálját ellentétes irányban változtatja, vagyis a hasznos jel un. ellenfázisú jel.
Ezt a mérőrendszert a zavarjelek két módon (két helyen) támadhatják meg.
Ha a zavarjel generátora a jelforrással sorosan kapcsolódik (4. ábra), akkor a zavarjel (UEF) a hasznos jelhez hasonlóan, ellenfázisban vezérli a jelvevő bemeneti pontjait. Az ilyen módon ható zavart ellenfázisú (vagy soros) zavarnak nevezik.
Ellenfázisú zavarjel
4. ábra
A másik esetben (5. ábra) a zavargenerátor a hasznos jelet szállító két jelvezeték közös pontja és valamilyen külső referenciapont közé kacsolódik. (A referenciapont rendszerint a jelvevőnél lévő földpont, az un. rendszerföld, RF.) A zavargenerátor UAF feszültségének változása a jelvevő bemeneti pontjainak potenciálját azonos irányban tolja el, úgy mondjuk: azonos fázisú vezérlést képvisel. Az ilyen módon ható zavart azonos fázisú zavarjelnek nevezzük.
Azonos fázisú zavarjel
5. ábra
Minthogy a jelvevő a bemeneti pontjai közé eső feszültséget érzékeli (ezt értelmezi "hasznos jelnek"), az azonos fázisú zavarjel mindaddig veszélytelen, míg a bemeneti pontok potenciálját azonos mértékben tolja el. A két potenciál bemeneti pontok közé eső különbsége ilyenkor nulla, tehát a jelvevő semmit nem érez az azonos fázisú zavarjelből. Sajnos azonban ez a feltétel a két jelvezeték mentén elhelyezkedő impedanciák egyenlőtlenségéből eredő aszimmetriák miatt soha nem teljesül, vagyis a két bemeneti potenciál nem azonos mértékben tolódik el. Ekkor különbségük már nem zérus, és ellenfázisú jelként jelentkezik, vagyis a hasznos jelre szuperponálódik. Az azonos fázisú zavarjel tehát hajlamos ellenfázisú zavarrá alakulni.
Az ellenfázisú zavarjeleknek két fajtáját különböztetjük meg. Vannak az un. elsődleges (primer) ellenfázisú zavarjelek, amelyek már eleve ellenfázisúként keletkeznek és épülnek be a mérőkörbe, és vannak az un. másodlagos (szekunder) ellenfázisú zavarjelek, amelyek azonos fázisú zavarjel átalakulásával jönnek létre.
A zavarok mérési elve
6. ábra
Az említett zavarjelek adott, konkrét áramkörben (dezaktivizált jelforrás mellett) mérhetők is, pontosabban két jól mérhető feszültségből (U1 és U2) számíthatók (6. ábra):
U E F = U 1 − U 2
U A F ≈ U 1 + U 2 2
A mérési eljárás során UEF összegzett értéke mérhető, egyes összetevői nem választhatók külön. UAF-re a fenti képlet csak akkor ad jó közelítést, ha UEF<<UAF.
Az azonos fázisú zavarjel ellenfázisúvá alakulásának mértékét egy viszonyszámmal, a közösjel-elnyomással (Common Mode Rejection, CMR) szokás jellemezni. Definíciója:
C M R=20 lg⁡ | U A F | | U e f | [dB]
ahol Uef-be csak a szekunder ellenfázisú zavarjelek számítandók be. Zérus CMR érték azt jelenti, hogy a teljes UAF ellenfázisú zavarként hat. Ha pl. 1V azonos fázisú zavarból 1mV ellenfázisú zavar keletkezik, a CMR 60dB. Nyilvánvaló, hogy egy mérőrendszer annál jobb, minél nagyobb a CMR értéke. Az ideális érték végtelen nagy lenne, de ez természetesen nem érhető el.
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Mondja el saját szavaival a zavarjel jelen kontextus-beli értelmezését!
2. Egy olajlepárlási technológia irányítási rendszerében az alábbiak közül melyek minősülnek a mérési folyamatra ható zavarjelnek?
| a feldolgozandó nyersolaj összetételének megváltozása,
| egy nyomásérzékelő ellenállás hőmérsékletének megváltozása,
| a lepárlási hőmérséklet megváltozása,
| a lepárlási hőmérsékletet mérő termoelem hőmérsékletének megváltozása,
| az átmeneti ellenállás megváltozása a termoelem csatlakozóinál.
3. Rajzolja fel a zajos jelátvitel modelljét és sorolja fel a zavarelhárítás elvi lehetőségeit!
4. Jelölje meg a helyes választ! A kapacitív csatolás csökkenthető:
| szigeteléssel,
| elektrosztatikus árnyékolással,
| mágneses árnyékolással,
| csak az előző három együttes alkalmazásával,
| semmivel.
5. Valamely hasznos jel spektrális tartománya 0,...,10 Hz. Szűrhető-e egy rá telepedő 5 Hz-es zaj?
| Igen
| Nem
6. Mondja el a jelvevő azonos fázisú és ellenfázisú vezérlésének fogalmát! Jelölje meg a helyes állításokat az alábbiak közül!
| A hasznos jel mindig ellenfázisú.
| A hasznos jel mindig azonos fázisú.
| Az azonos fázisú zavarjel azért veszélyes, mert hozzáadódik a hasznos jelhez.
| Az ellenfázisú zavarjel kevésbé veszélyes, mert nem szuperponálódik a hasznos jelre.
| Az azonos fázisú zavarjel annyiban veszélyes, amennyiben ellenfázisú zavarjellé alakul.
7. Egy mérőkörben 1,5 V azonos fázisú zavarjelből 15 mV ellenfázisú zavarjel keletkezik. Mekkora a CMR?
| 15
| 30
| 40
| 50
| 60
8. Egy mérőkörben 80 dB CMR mellett 2 mV szekunder ellenfázisú zavarjel mérhető. Mekkora azonos fázisú zavarjel hozta ezt létre?
| 2 V
| 8 mV
| 20 V
| 80 V
| 200 V