Subiecte scada

SCADA şi comunicaţii industriale
Subiecte examen
1. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Generalităţi. Modelul
comunicaţiilor la nivelul întreprinderii. Nivelul de dispozitiv
2. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată.
Nivelul de celulă. Nivelul de secţie. Nivelul de fabrică. Reţele industriale în sisteme de conducere
→ Subiectul 1 & 2, se găsesc în Cap.1 pdf!
3. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. SCADA, control supervizor şi
achiziţii de date. Introducere. Elementele sistemelor SCADA. Sisteme în timp real
4. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Sisteme de securitate. Comunicaţii
5. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Comunicaţia radio. Unitaţile terminal
depărtate
6. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Unităţi master. Senzori, elemente de
acţionare şi cablare. Interfaţa operator. Tendinţe în evoluţia sistemelor SCADA
→ Subiectul 3, 4, 5 & 6, se găsesc în Cap.2 pdf!
7. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Generalităţi. Elemente de prelucrare şi
control. Interfaţa de reţea
8. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Adaptorul de comunicaţie. Unitatea de
acces. Adaptorul de reţea. Conectare prin DMA
9. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Mediul fizic de comunicaţie. Dispozitive
de interconectare
→ Subiectul 7, 8 & 9, se găsesc în Cap.3 pdf!
10. Măsurări electronice industriale. Introducere. Mediul de măsură industrial. Generalităţi despre
prelucrarea numerică a semnalelor
4.1. Introducere
Necesitatea de a măsura şi controla funcţionarea utilajelor sau a echipamentelor de proces
este la fel de veche ca şi revoluţia industrială. Instrumentaţia de măsură şi control devin acum
nervii şi creierul uzinelor moderne. Aceasta reglează şi supervizează operaţiile echipamentelor
industriale furnizând şi mijloacele necesare pentru a face uzinele viabile din punct de vedere
economic. Folosirea instrumentaţiei de măsură şi control permite folosirea unor procese care ar fi
foarte dificil sau chiar imposibil să funcţioneze fără operare automată.
Instrumentaţia de măsură şi control poate fi diversificată începând de la un simplu sistem
analogic până la sistemele inteligente folosite astăzi, de la un simplu potenţiometru până la
analizoare complexe cum ar fi spectrometrele în infraroşu. Pentru toate sistemele avansate,
mărimile analogice şi semnalele electrice care le „poartă” sunt componente definitorii.
Măsurările analogice pot lua multe forme, dar pot fi clasificate în două tipuri: măsurări
fizice şi măsurări compoziţionale. Primele includ măsurarea unor mărimi ca presiune,
temperatură, debit, forţă, vibraţie, masă, densitate etc. Al doilea tip include măsurări de PH,
conductivitate, analize chimice.
Obţinerea, menţinerea şi îmbunătăţirea calităţii acestor măsurători este scopul de bază al
circuitelor de condiţionare. O bună condiţionare a semnalelor păstrează calitatea mărimilor de
măsurat disponibile şi folosirea optimă a sistemelor de achiziţie în controlul proceselor industriale.
Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea vibraţiilor în instalaţiile industriale.
Deşi o parte din informaţiile date de amplitudinea şi frecvenţa vibraţiilor nu sunt necesare pentru
controlul automat al procesului, cunoaşterea acestora poate oferi suficiente informaţii cu privire la
condiţiile de funcţionare şi a stării tehnice a instalaţiei.
Măsurările industriale, în funcţie de destinaţia pe care o au, pot fi:

a) Doar pentru indicare
Aceste măsurări sunt folosite pentru indicarea stărilor diferitelor elemente din proces, fiind
utile pentru monitorizarea proceselor de producţie. De asemenea aceste mărimi pot oferi informaţii
necesare operatorului uman în cazul defectării sistemelor de control automate.
Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea tuturor temperaturilor în
instalaţiile de distilare. Nu toate temperaturile sunt necesare pentru controlul automat al
procesului, dar cunoaşterea temperaturii din diferite puncte oferă suficiente informaţii cu privire la
condiţiile de funcţionare a fazei în care se află procesul. Aceste informaţii pot să sesizeze
operatorului necesitatea intervenţiei manuale ca urmare a defectării sistemelor de control.
b) Pentru controlul automat
Controlul automat al instalaţiilor industriale este esenţial pentru viabilitatea economică,
siguranţa în funcţionare a proceselor industriale, asigurând controlul caracteristicilor fizice sau
compoziţionale.
c) Măsurări privind stocurile de materiale
Aceste măsurări necesită o mare acurateţe, asigurând stabilitatea şi continuitatea
procesului de producţie. Ele furnizează informaţii despre stocurile sau necesarul de materie primă
şi materiale necesare procesului de producţie, despre transferurile de materiale şi subansambluri
de la un punct de lucru la altul. Cunoaşterea acestor informaţii ajută la evitarea blocării
procesului de producţie datorită supraaglomerării sau lipsei de materie primă şi materiale.
d) Măsurări de mediu
Măsurările parametrilor de mediu au o importanţă majoră, în ultimii ani furnizând
înregistrări privind deversările de deşeuri industriale şi emanarea de noxe în atmosferă, ce trebuie
să fie în conformitate cu legislaţia în vigoare.
e) Măsurări de siguranţă
Acestea sunt furnizate în întregime de sisteme de măsură separate şi autonome care
monitorizează şi limitează situaţiile periculoase. Măsurările determină parametrii critici ai
procesului, indicând o eventuală operare nesigură sau un potenţial pericol.
Aceste sisteme trec peste sistemele de control şi opresc funcţionarea echipamentelor până
la realizarea condiţiilor de siguranţă prescrise. Astfel de sisteme sunt frecvent echipate pentru a
înregistra toate evenimentele apărute, permiţând efectuarea de analize ulterioare privind cauzele
producerii evenimentului respectiv, în scopul de a putea fi evitat sau controlat în viitor.
4.2. Mediul de măsură industrial
Un sistem de măsură şi control industrial poate fi prezentat simplificat ca în figura 4.1. Sunt
prezentate doar elementele esenţiale, făcându-se totuşi distincţie între camera de control şi mediul
industrial.
Prin mediu industrial se înţelege aria în care sunt amplasate echipamentele de producţie
sau depozitele de materiale. De asemenea se înţelege cel mai adesea podeaua întreprinderii sau
zona exterioară în cazul complexelor industriale. Părţi componente ale sistemului de producţie se
află de multe ori în zone diferite, fiind supuse perturbaţiilor electrice şi factorilor de mediu.
Echipamentul amplasat aici este supus unui număr mare de perturbaţii electrice datorate surselor
de alimentare, motoarelor electrice, precum şi factorilor de mediu ca temperatură, umiditate, medii
corozive şi periculoase.
De asemenea, mediul industrial este locul din care trebuie preluate mărimile de proces şi
unde sunt plasate diferite circuite de condiţionare. Firele de legătură cu echipamentul de măsură

pot fi în apropierea echipamentelor electrice de putere, a contactoarelor de motoare şi a arcurilor
electrice. Acolo unde firele de legătură au lungimi de zeci sau sute de metri, probabilitatea
interferării cu acest mediu creşte peste limitele admise.
Camera de control
Camera de control este cel mai „blând” loc din întreprindere, cu atmosferă curată şi aer
condiţionat. Aici se găseşte cea mai mare parte a echipamentului electric necesar desfăşurării
măsurărilor de calitate. Camera de control conţine de asemenea şi circuite de condiţionare a
semnalelor, echipamentele de calcul sensibile de obicei la interferenţe de natură electrică.
Camera de control este de asemenea locul de unde oamenii interacţionează cu sistemele de
măsură şi control din întreprindere. Există şi excepţii, dar camera de control este locul unde se iau
cele mai multe decizii legate de procesul de producţie.
Cablurile de legătură
Cablurile de conectare a instrumentaţiei din camera de control sunt de obicei cu 16 ÷ 18
perechi cu fir plin. De obicei sunt torsadate pentru a reduce interferenţele datorate cuplărilor
magnetice. Ele sunt pozate împreună cu alte fire de semnal, dar departe de cablurile de alimentare
de putere.
Un număr mare de senzori sau semnale pot fi conectate la blocurile terminale aflate în
interiorul camerei de control sau în imediata sa apropiere, pentru o conectare uşoară cu circuitele
de condiţionare a semnalelor sau dispozitivele de afişare.
În multe cazuri, costul firelor de legătură este o bună parte din costul de instalare al sistemului de
măsură şi control. Costul creşte considerabil atunci când cablurile trebuie să străbată zone
conţinând vapori sau gaze inflamabile. Riscurile reprezentate de aceste condiţii necesită folosirea
unor tehnici adecvate pentru prevenirea focului sau exploziilor cauzate de scântei electrice.

CAMERA DE CONTROL

MEDIU INDUSTRIAL
o

o

–40 C ÷ +85 C
Umiditate
ConcentratoareleMediu periculos
de date

Proces
Condiţionare

Semnale de măsură

Aer condiţionat
Operatori umani
Operator / Interfaţă
proces

Condiţionare

Sisteme de achiziţie şi

Platforma de
lucru
Indicare

Indicare

Acestea pot fi folosite pentru reducerea costului cablurilor de legătură. Aceste dispozitive
Înregistrare
Motoare /
Arcuri electrice Iluminare
Surse de alimentare
colectează un mare număr de semnale, realizează condiţionarea semnalelor şi conversia numerică
a acestora. Datele astfel obţinute sunt transmise direct către echipamentul din camera de control.
Surse de perturbaţie

Fig.4.1. Sistem de măsură şi control industrial
4.3. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor

Sistemele de măsură au ca scop prelucrarea mărimilor electrice sau neelectrice dar
convertite în semnale electrice în scopul afişării, prelucrării sau elaborării unei decizii. Sistemul de
instrumentaţie este un sistem de măsura complex, adesea computerizat sau cel puţin dotat cu
microprocesor şi caracterizat prin posibilităţi de prelucrare a informaţiei provenite din procesul de
măsurare.
Informaţia reprezintă, într-un sens mai restrâns, date şi detalii relative la un obiect sau
eveniment. Semnalul poartă informaţiile de mărime şi timp ce caracterizează evoluţia acelui obiect
sau eveniment. Sistemele de instrumentaţie (fig.4.2) sunt destinate prelucrării informaţiilor
provenite dintr-un proces de măsură (transformate în semnale electrice) şi nu modificării
(transformării) acestor semnale. Ele sunt de regulă sisteme deschise, rolul lor fiind de a realiza
atât acţiunea de măsurare propriu-zisă, cât şi de analiză a mărimilor prelevate din proces.

KEITHLEY

3327

CHIP

TEST

FIXTURE

LOW
HIGH
42V DC MAX

P ro c e s te h n o lo g ic

S is te m d e
tra d u c to are

S is te m d e
In s tr u m e n ta tie

Fig. 4.2. Exemplu de folosire a unui Sistem de Instrumentaţie

Din punct de vedere constructiv, sistemele de instrumentaţie pot fi simple sau inteligente
când pe lângă măsurarea propriu-zisă sistemul permite şi prelucrarea informaţiilor obţinute prin
măsurare precum şi operaţii de corecţie a rezultatelor sau control a condiţiilor de măsură
(eliminarea zgomotelor, corecţii de neliniaritate, calibrare automată). Sistemele de instrumentaţie
inteligente au în componenţa lor de cele mai multe ori unităţi de prelucrare numerică ceea ce le
conferă performanţe ridicate.

Spre deosebire de sistemele de instrumentaţie, sistemele de control (Fig.4.3) sunt destinate
atât prelucrării informaţiilor culese prin măsurare cât şi elaborării comenzilor elementelor de
execuţie ce acţionează asupra procesului supravegheat.
Intrări proces

Elemente de
execuţie

Proces

Senzori şi
Traductoare

Ieşiri proces
Procesare
analogică

Sistem de
Instrumentaţie

Ieşiri analogice
(conversii N/A)

Sistem de
calcul

Condiţionare
de semnal

Achiziţie de date
(conversii A/N)

Operator uman
Fig.4.3. Structura unui sistem de control

Sistemele de control sunt sisteme închise, ce prelevează o stare şi generează comenzi
(corecţii) în sensul menţinerii stării într-o evoluţie prestabilită. Sistemele de control pot fi statice
sau dinamice. Un sistem de control static are rolul de a menţine ieşirea la o valoare precisă cât
mai mult timp, plecând de la mărimea de intrare luată ca referinţă. Un sistem dinamic permite
mărimii de ieşire să urmărească cât mai fidel evoluţia intrării ce urmează o lege prestabilită.
O categorie specială de sisteme o formează sistemele de măsură cu parametrii controlaţi
care urmăresc determinarea mărimii de măsurat în condiţii bine determinate. Un astfel de sistem
are atât caracteristici de instrumentaţie cât şi de control.
Structura unui sistem de control / instrumentaţie cu parametrii controlaţi include în
principiu următoarele componente :
- traductoarele ce prelevează mărimile de măsurat;
- circuitele de condiţionare a semnalelor ce realizează procesarea analogică a semnalelor
(filtrare, izolare, amplificare);
- circuitele de achiziţie a datelor ce transformă semnalul analogic de intrare într-o mărime
numerică;
- sistemul de calcul care realizează analiza şi eventual elaborează deciziile;
- circuitele de ieşire analogice care furnizează semnalele prelucrate sau comenzile pentru
sistemele în buclă închisă;
- blocul de postprocesare analogică care permite interfaţarea cu elementele de execuţie.
4.3.1. Clasificări
Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal –
PC) cu elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) se obţine un sistem de

achiziţie a datelor. Noţiunea de sistem de achiziţie este ceva mai generală, fiind incluse aici şi
alte sisteme numerice de achiziţie care nu se bazează pe PC. În condiţiile existenţei
funcţiilor de conducere, sistemul se va numi sistem de achiziţie şi conducere.
Prin sistem de achiziţie a datelor se înţelege un sistem de măsurare care permite
vizualizarea şi/sau înregistrarea evoluţiei temporale a mai multor mărimi, analogice şi/sau
numerice, poate implementa mai multe regimuri de achiziţie şi permite diverse prelucrări
numerice.
Principalele regimuri de achiziţie implementate de sistemele de achiziţie a datelor
sunt următoarele:
- regimuri de achiziţie pentru afişare locală (Digital Panel Meter) – permit
măsurarea numerică a mai multor mărimi în scopul unor monitorizări locale. Tot odată pot fi
realizate şi prelucrări numerice simple de tipul liniarizării caracteristicilor senzorilor. Valorile
măsurate nu se memorează, dar pot fi transmise la distanţă;
- regimuri de achiziţie de lungă durată (Data Logger) – permit memorarea
evoluţiilor temporale ale mărimilor măsurate, putându-se face prelucrări ulterioare ale
informaţiilor;
- regimuri de achiziţie de scurtă durată (Transient Recorder) – permit vizualizarea
şi/sau înregistrarea unor regimuri tranzitorii, sau a unor secvenţe numerice nerepetitive.
Modul de desfăşurare a achiziţiei de date depinde de un eveniment de tip trigger, prin
care se defineşte zona de interes din evoluţiile analizate. Se pot întâlni două moduri
principale de achiziţie:
-modul posttrigger;
-modul pretrigger.
Modul posttrigger realizează achiziţia unui număr specificat de eşantioane după
apariţia unui eveniment trigger, adică după recepţionarea unui semnal trigger (de
sincronizare). După ce bufferul care stochează datele achiziţionate (de lungime specificată de
utilizator) este plin, achiziţia este stopată.
În cadrul modului pretrigger datele sunt achiziţionate continuu, înainte şi după
primirea unui semnal trigger. Datele sunt colectate într-un buffer precizat de utilizator
până când se recepţionează semnalul trigger. După aceasta, sistemul de achiziţie va mai
colecta un număr specificat de eşantioane după care stopează achiziţia. Bufferul este tratat ca
un buffer circular, adică după ce întregul buffer este completat, datele sunt stocate de la
început prin suprascrierea datelor vechi. La terminarea achiziţiei, bufferul conţine eşantioane
dinaintea şi după apariţia semnalului trigger. Numărul de eşantioane salvate în buffer
depinde de lungimea acestuia (specificată de utilizator) şi de numărul specificat de eşantioane
ce trebuie achiziţionat după apariţia semnalului trigger.
Pe lângă aceste variante principale, în funcţie de firmele producătoare de sisteme
de achiziţie s-au dezvoltat tehnici de achiziţie care derivă din acestea, un exemplu fiind
modul de achiziţie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care
utilizează o tehnică asemănătoare cu modul pretrigger, completând bufferul specificat de
utilizator în mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apelează la un al
doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, înainte ca acestea să fie suprascrise.

Sarcina fundamentală a sistemelor de achiziţie şi conducere este măsurarea şi/sau
generarea semnalelor fizice din lumea reală. Diferenţa de bază între diversele opţiuni de
realizare hardware este metoda de comunicare între hardware-ul de achiziţie şi sistemul de
calcul. Din acest punct de vedere putem clasifica hardware-ul de achiziţie în două categorii
principale:
- hardware (plăci) de achiziţie de uz general;
- hardware de achiziţie special (instrumente sau aparate de măsurare speciale).
Echipamentele din prima categorie stau la baza sistemelor de achiziţie de tip
instrument virtual, iar cele din a doua categorie la baza sistemelor de achiziţie cu
aparatură de măsură programabilă şi a sistemelor de achiziţie dedicate.
4.3.2. Sisteme de achiziţie a datelor tip Virtual Instrument – VI
Acest tip de sistem este obţinut prin conectarea unei plăci de achiziţie la un calculator
şi prin utilizarea unor module exterioare de cuplare. Plăcile de achiziţie asigură realizarea
unor funcţii cum ar fi condiţionarea de semnal, măsurarea numerică propriu-zisă,
conectarea informaţională cu calculatorul. Calculatorul asigură la rândul său funcţii cum ar fi
interfaţarea cu placa de achiziţie, controlul achiziţiei datelor, stocarea datelor, prelucrări
complexe ale informaţiilor.
Plăcile de achiziţie folosite în cadrul sistemelor de achiziţie tip Virtual Instrument pot fi
de mai multe tipuri dar se pot încadra în două categorii principale: plăci de achiziţie universale
şi plăci de achiziţie complexe (dedicate).
Plăcile de achiziţie universale asigură prelucrări analogice minime, oferă ieşiri
numerice şi analogice pentru a putea fi folosite în conducerea proceselor şi asigură funcţiile
numerice minimale. Plăcile complexe rezolvă în plus cerinţe de prelucrări speciale, cum ar fi
analiza spectrală, regimuri tranzitorii, măsurări de precizie, achiziţii de tip adaptiv care
urmăresc viteza de variaţie a mărimilor analogice etc.
4.3.3. Sisteme de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă
Aparatura de măsură utilizată este cea din categoria multimetrelor, osciloscoapelor
digitale, generatoarelor de funcţii, iar cuplarea la procesul fizic măsurat este directă.
Standardul de cuplare este de obicei de tip GPIB (IEEE 488). Aceste sisteme implementează de
obicei regimuri de achiziţie de tip Data Logger şi uneori de tip Transient Recorder.
4.3.4. Sisteme de achiziţie dedicate
Sunt sisteme de achiziţie configurate pentru procese industriale complexe sau
componente elementare ale unor sisteme distribuite de măsurare şi monitorizare. De
regulă, aceste sisteme de achiziţie sunt impuse de firmele puternice din domeniu (National
Instruments, Analog Devices, Tektronix etc.), fiind conturată încadrarea acestor sisteme
dedicate în standardul VXI. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) defineşte un
protocol standard de comunicaţie care utilizează comenzi ASCII pentru controlul
instrumentelor de măsură, asemănător cu GPIB.
11. Măsurări electronice industriale. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice
4.4. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice

Un semnal este o entitate fizică capabilă atât cantitativ cât şi calitativ să poarte informaţie.
Lumea înconjurătoare abundă în exemple de semnale. Omul este creatorul unui număr foarte mare
de semnale de regulă de natură electrică. Cu toate acestea există foarte multe surse de semnale
neelectrice (biologice, acustice, mecanice). În general acestea sunt posibil de modelat prin semnale
electrice (tensiune sau curent).
4.4.1. Semnale analogice şi semnale numerice
Prin semnal analogic se înţelege o mărime fizică de regulă electrică ce poate fi reprezentată
printr-o funcţie de timp care poate lua valori într-un domeniu de variaţie bine precizat :

x :T → M
x = f (t ),

(4.1)

t ∈T , x ∈ M
în care T este mulţimea momentelor de timp, M este mulţimea eşantioanelor semnalului, x este
descrierea semnalului ce asociază fiecărui 1element t ∈ T un element x∈M bine definit, numit
eşantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T ⊂ Z orice semnal definit pe T se numeşte
discret iar dacă T ⊂ R semnalul se numeşte continuu.
Dacă M ⊂ R semnalele au valori reale şi se spune despre aceste semnale că sunt analogice
putând reprezenta măsuri ale mărimilor din lumea înconjurătoare.
Daca M ⊂ Q şi este numărabilă, semnalul este cuantizat şi este posibilă reprezentarea sa
numerică (codificarea sa) .
Din punct de vedere al posibilităţii de cunoaştere a evoluţiei lor în timp, semnalele pot fi :
- deterministe ce au valori bine precizate şi eventual descrise de legi de variaţie cunoscute;
- aleatoare ce au valori ce pot fi măsurate cu o anumită probabilitate. În această categorie se
includ zgomotele.
Exemple de semnale:
a) semnale continue
x( t ) = sin( t )

(4.2)

x( t ) = at + b

b) semnale discrete

x( nt0 ) = sin( nt0 ), n ∈ Z ,t0 ∈ R

(4.3)
c) semnale cuantizate

M = { x | x = mq , q ∈Q , m ∈ Z }

(4.4)
x(t)

t

x(k)

k

-6 -5 -4
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Fig.4.4. Semnal continuu şi discret

Un semnal discret şi cuantizat se numeşte semnal numeric (digital) şi poate fi prelucrat prin
metode numerice. Transformarea semnalelor analogice în semnale numerice se face prin
eşantionare şi cuantizare, operaţii ce formează digitizarea. Procesul este ireversibil în sensul că
prin aceste operaţii se pierde o parte din informaţia purtată de semnalul analogic iniţial. Dacă
această pierdere este acceptabilă, se poate apela la metodele numerice de prelucrare a semnalelor,
putânduse reconstrui parţial un semnal numeric prin netezire (interpolare, filtrare). Pentru
semnalele discrete se pot folosi notaţiile x (kt0) sau x (k) , k ∈ Z deoarece t0 este constant.
Eşantionarea şi cuantizarea stau la baza circuitelor de conversie a datelor (conversie analog numerică).
x (t)

eşantionare

x (kt0)

cuantizare

xq (kt0)

Cele mai importante semnale utilizate în descrierea fenomenelor de conversie şi prelucrare
a semnalelor sunt :
-

1, pt.k = 0
d (k ) = 
0, pt.k ≠ 0

-

(4.5)

σ (k )

k

1
k
rk(k)

(4.6)

1

Semnalul dreptunghiular neperiodic:
1, pt.0 ≤ k ≤ K − 1
rk (k ) = 
0, în.rest

-

d (k )

Treapta unitate:
1, pt.k ≥ 0
σ (k ) = 
0, pt.k < 0

-

1

Impulsul unitar :

(4.7)

k

k

Semnal sinusoidal de perioadă N:
 2π

x( k ) = A sin  (k + k0 ) 
N



1

xk()

(4.8)

Spunem că un semnal discret este periodic cu perioada K dacă x (k) = x (k + K) pentru
toate valorile lui k. Dacă un semnal este definit pentru un număr finit K de eşantioane, el se
numeşte semnal de durată limitată, K reprezintă durata unui astfel de semnal :
 x(k), pt.k 0 ≤ k ≤ k 0 + K − 1
x(k) = 
0, în.rest

(4.9)

4.4.2. Eşantionarea semnalelor
Eşantionarea unui semnal analogic constă în prelevarea valorilor semnalului la momente
de timp, de regulă echidistante, t0 (interval sau perioadă de eşantionare). Eşantionarea ideală se
realizează prin înmulţirea semnalului analogic x (t) cu un tren de impulsuri ideale definit ca mai
jos:

+
∞

δ∞( t ) = ∑ ( t −kt0 )
δ

(4.10)

k= ∞
−

Se obţine un semnal xs (t) numit semnal eşantionat de forma :
x s (t) = x(t)δ ∞ (t) =

+∞

∑ x(kt

k =−∞

0

)δ (t − kt 0 )

(4.11)

Spectrul semnalului eşantionat XS(ω) constă în repetări periodice axate faţă de kω0 ale
spectrului original denumite spectre secundare. Pentru a reface semnalul iniţial este necesar ca
aceste spectre secundare să poată fi eliminate. Acest lucru este posibil doar dacă ω 0 >2ωm în caz
contrar semnalul original nu poate fi reconstituit în întregime. Acest rezultat este cunoscut sub
numele de teorema eşantionării (Shannon) care precizează că pentru reconstrucţia unui semnal de
bandă limitată la fB din eşantioanele sale, preluate cu o frecvenţă de eşantionare f s este necesar ca
frecvenţa de eşantionare să fie cel puţin dublă faţă de frecvenţa maximă f B, din spectrul semnalului.
Frecvenţa fs/2 se numeşte frecvenţă Nyquist. În figura 4.5 sunt prezentate spectru semnalului,
spectrele secundare în cazul respectării şi nerespectării frecvenţei Nyquist precum şi caracteristica
filtrului necesar pentru a nu apare fenomenul de aliere.
Deoarece în practică este imposibil de realizat un filtru ideal de obicei se ia f s≥(4-10) fB .
Aceste filtre se numesc filtre antialias.
După eşantionare semnalul este cuantizat. Eşantionarea reală utilizează în locul trenului de
impulsuri ideale δ∞(t) cu un tren de impulsuri reale S(t).
S (t ) =

+∞

∑ce

k =−∞

k

− j ϖ0 kt

 k πτ 
sin 
÷
t
τ
având coeficienţii ck = =  0 
k πτ
t0
t0

(4.12)

Aceşti coeficienţi au un maxim pentru k=0 şi descresc progresiv. Spectrul de frecvenţă va fi:
X s ( ω) =

∞

∑ c X ( ω − kω )

(4.13)

0

k

k =−∞

| XS(ω) |

f
-fB
0
| XS(ω) |

fB

fs/2

f
-fB
0
| XS(ω) |

fB

fs/2

fs- fB

fs

fs+ fB

f
| XS(ω) |

0

fs/2

fs

Filtru
antialias

f
fB
0
Fig. 4.5. Spectrul semnalelor eşantionate

4.4.3 Cuantizarea semnalelor
Cuantizarea semnalelor este o operaţie strict necesară în vederea conversiei lor numerice.
Pentru realizarea cunatizării se împarte domeniul de variaţiei finit al semnalului în clase
echidistante :
iq −

q
q
< x ≤ iq + , pt. i = 0, ±1, ±2,....
2
2

(4.14)

unde x este valoarea semnalului iar q este mărimea cuantei care caracterizează clasa de
apartenenţă i. Prin cuantizare se înlocuieşte valoarea x a semnalului cu centrul clasei de
apartenenţă cea mai apropiată.
Ieşirea cunatei poate fi scrisă :
x q = x + εq
(4.15)
unde εq este eroarea de cuantizare (zgomot de cuantizare).
Datorită acestei erori orice valoare de intrare cuprinsă în intervalul (x-q/2 , x+q/2] va
produce aceeaşi ieşire cuantizată xq. Este evident faptul că eroarea de cuantizare depinde de pasul
ales q. Apare necesitatea găsirii unui optim căci un pas prea mare nu va satisface cerinţele de
rezoluţie, iar un pas prea mic va produce date redundante.
4.4.4. Conversia analog numerică privită ca proces de eşantionare şi cuantizare
Operaţia de eşantionare este realizată cu circuite de eşantionare şi memorare, iar operaţia de
cuantizare este realizată cu circuite de conversie numite şi dispozitive de cuantizare. Pentru a
respecta restricţiile impuse de teorema eşantionării se utilizează filtre antialias care să limiteze
banda semnalului de intrare. Astfel schema bloc a unui convertor analog numeric este prezentată
în figura 4.6.
δ∞(t)
x(t)

Filtru
ANTIALIAS

xs(t)

δ∞(t

Dispozitiv de
cuantizare

xq(k)

)

Fig.4.6 Conversia analog numerică

4.4.5. Conversia numeric analogică şi ireversibilitatea reconstituirii semnalului
Din formă numerică în formă analogică se poate ajunge prin operaţia de conversie numericanalogică, operaţie ce ar trebui să fie inversă celei analog-numerice. În realitate prin eşantionarea
semnalului pierde parţial o parte din componentele sale spectrale, datorită limitării benzii prin
filtrul antialias. Presupunând că acest efect este neglijabil sau semnalul de intrare este deja de
bandă limitată se poate admite că este posibilă reconstituirea completă a semnalului x(t).
Prin cuantizare se produce însă o pierdere de informaţie ireversibilă datorită erorii de
cuantizare intrinseci. Această eroare poate fi minimizată dar niciodată eliminată. Se poate observa
că prin conversie numeric-analogică se obţine doar o aproximaţie a semnalului iniţial, cu atât mai
bună cu cât eroarea de cuantizare este mai mică şi deci rezoluţia mai ridicată.
Conversia N/A permite obţinerea unui număr finit de valori analogice pentru un semnal,
ceea ce face ca acesta să nu capete încă aspectul unui semnal analogic. În practică se utilizează
interpolarea cu filtre de netezire, care apropie foarte mult semnalul obţinut de cel original.
Figura 4.7 prezintă schema bloc specifică procesului de conversie numeric-analogic.

xq(k)

Convertor
numeric-analogic

xq(t)

Filtru de
netezire

~
x(t)

Fig.4.7. Procesului de conversie numeric-analogic.
Semnalul numeric xq(t) este transformat într-un semnal aproape analogic cu ajutorul unui
%
convertor N/A. Aproximaţia semnalului analogic iniţial x ( t ) se obţine după netezire cu un filtru
trece jos de ordinul 1 sau 2.
4.4.6. Circuitul de eşantionare-memorare
Un circuit de eşantionare şi memorare (CEM) realizează extragerea (prelevarea), la un
moment dat a valorii unui semnal analogic (tensiune electrică) de intrare u i, memorarea acestei
valori ue şi menţinerea constantă a acesteia pe toată durata efectuării prelucrării (fig.4.8)

S/H
În starea de eşantionare impusă prin nivelul 1 logic al semnalului de comandă S/H, CEM
funcţionează ca repetor, semnalul la ieşire ue urmărind semnalul de la intrare ui. Frontul de
coborâre al semnalului de comandă S/H determină memorarea valorii tensiunii de la intrare u i de
t
ui
ue
semnal tensiunii de intrare este menţinută la
la momentul corespunzător frontului. Această valoare a de
CE
ui
ieşirea CEM pe intervalul corespunzător stării de intrare
memorare impus prin nivelul 0 logic al
ue
M
semnalului deS/H
comandă S/H. Aceste circuite de eşantionare şi memorare se utilizează atât în
t
sistemele de achiziţie a datelor cât şi în sistemele de distribuţie de date.
În mod obişnuit circuitele de eşantionare şi memorare au amplificare unitară. Ele pot fi
semnal
eşantionat
considerate pe bună dreptate memorii analogice a căror funcţionare este asemănătoare cu cea a
Fig. 4.8. - un condensator este încărcat
memoriilor dinamice Circuit de eşantionare şi memorare la valoarea semnalului de intrare
(eşantionare) şi apoi este utilizat pentru a păstra valoarea pe durate de timp finite (memorare)
Într-un sistem de achiziţie de date ieşirea CEM este conectată la intrarea CAN. În
intervalul corespunzător efectuării unei conversii analog-numerice, circuitul de eşantionare şi
memorare este comandat în stare de memorare pentru a menţine constantă tensiunea la
intrarea CAN. Se obţine astfel mărirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvenţă
pentru semnalului de intrare cu utilizarea CAN la rezoluţia maximă, dată de numărul de biţi ai
acestuia. Se precizează că acest deziderat este atins dacă tensiunea de la intrarea CAN nu se
modifică în intervalul efectuării conversiei cu mai mult de ±1/2 LSB. În sistemele de distribuţie a
datelor, circuitele de eşantionare şi memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor
multiplexate în timp.
Prezenţa CEM înaintea CAN nu este în mod obligatoriu necesară. În cazul în care
semnalele analogice sunt statice sau cvasistatice (lent variabile în timp) se poate renunţa la aceste
circuite mai ales dacă variaţia semnalului analogic, pe durata conversiei, este mai mică decât

erorile ce le-ar putea introduce procesul de eşantionare şi memorare. În cazul semnalelor cu
variaţii rapide circuitele de eşantionare şi memorare sunt obligatorii.
Caracteristicile circuitului de eşantionare şi memorare (CEM)
Un circuit de eşantionare şi memorare ideal ar trebui să comute regimurile de lucru
instantaneu, timpii de stabilizare ar trebui sa fie nuli iar durata memorării infinită. Din păcate în
practică aceste deziderate nu pot fi îndeplinite.
Se prezintă în continuare principalele caracteristici ale unui pe baza caracteristicii de
funcţionare prezentată în fig.4.9.

Memorare
S/H
Eşantionare
• Eroarea staţionară – reprezintă abaterea de la amplificarea unitară sau cea prescrisă
prin datele de catalog
• Eroarea de decalaj – reprezintă valoarea tensiunii de ieşire pentru o tensiune de intrare
nulă
ui
ui
alterare
• Timpul de apertură tap, reprezintă intervalul dintre frontul de comandă al stării de
ue
ue
semnal
memorare pentru CEM şi trecerea efectivă a acestuia în starea de memorare; are semnificaţia unei
inerţii a circuitului la aplicarea comenzii. Rezultă că, în procesul de achiziţie, fronturile de
comandă ale stării de memorare trebuie să fie decalate cu t ap înainte faţă de momentele impuse de
prelevare a eşantioanelor.diafonie
Instabilitatea timpului de apertura tap reprezintă limita maximă a
variaţiilor aleatoare ale timpului de apertură. Rezultă ca valorile memorate ale eşantioanelor sunt
afectate de erori cu limita maxima:

tap

εmax =Pmax ⋅t ap

ts

(4.16)

unde Pmax reprezintă panta maxima a semnalului de intrare ui.
tac
În procesul de achiziţie, eroarea εmax trebuie să satisfacă relaţia:
Fig. 4.9. Caracteristica CEM
εmax =Pmax ⋅ t ap ≤

1
LSB
2

(4.17)

• Timpul de stabilizare ts la comutarea CEM în starea de memorare reprezintă intervalul
dintre momentul de sfârşit al timpului de apertură şi momentul reducerii amplitudinii oscilaţiilor la

ieşirea CEM sub valoarea 1/2 LSB. Un proces de conversie-analog numerica se declanşează numai
după stabilizarea ieşirii CEM în starea de memorare, adică după sfârşitul timpului de stabilizare ts.
Modificarea tensiunii ue de la ieşirea CEM în starea de memorare este caracterizată prin
panta de variaţie a acesteia (ue/t), numită viteza de alterare. Alterarea tensiunii u e de la ieşirea
CEM în starea de memorare până în momentul terminării conversiei analog-numerice trebuie să
fie mai mică de 1/2 LSB.
Diafonia caracterizează variaţia tensiunii de ieşire în starea de memorare datorită
variaţiilor tensiunii de intrare.
• Timpul de achizitie tac reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării frontului
de comandă al stării de eşantionare şi momentul în care ieşirea CEM urmăreşte intrarea acestuia
cu o precizie dată (eroare mai mică de 1/2 LSB). Acest timp de achizitie apare datorită intârzierii
la comanda de comutare în starea de eşantionare, datorită vitezei limitate de variaţie a tensiunii de
la ieşirea CEM precum şi procesului oscilatoriu premergător stabilizării tensiunii de la ieşirea
CEM. Timpul de achiziţie reprezintă o caracteristică importantă a CEM care limitează, în procesul
de achiziţie, frecvenţa de eşantionare (frecvenţa de culegere a valorii semnalelor).
4.4.7. Ansamblul CEM – CAN
În continuare se prezintă modul de comandă al ansamblului CEM - CAN în corelaţie cu
caracteristicile celor două componente ale ansamblului (figura 4.10).

u

u

b1 b2... bN

i
CEM
Semnalele de control ale CANe sunt:
CAN
− Start Conversie care permite declanşarea procesului de conversie analog-numerică prin
fronturile crescătoare ale acestui semnal;
Stare
Start
− Stare Conversie care indică prin nivelul logic 1 efectuarea de către CAN a unei conversii şi
Conversie
Conversie
S/H
deci prin frontul descrescător indică sfârşitul conversiei analog-numerice.
Fig.4.10. unui eşantion (realizării unei conversii analog-numerice), CEM este
În scopul achiziţiei Ansamblul CEM–CAN - structura de principiu
comandat în starea de memorare la momentul t1 (fig.4.11).

S/H
Start Conversie
Stare Conversie

b1 b2... bN

t
t
t

t
t4
t3
t1 t2
Declanşarea conversiei analog-numerice se realizează la momentul t 2, după stabilizarea
Ansamblul CEM–CAN - diagramele de timp
t
ieşirii CEM: t 2 −tFig.4.11.+t s
1 ≥ ap

Momentul t3 reprezintă sfârşitul convesiei analog-numerice moment precizat de comutarea
la nivel 0 logic a semnalului Stare Conversie. Rezultă t 3 −t 2 =TC unde TC este timpul de
conversie al CAN.
Tot la momentul t3, CAN încarcă liniile de ieşire b1 b2 ... bN cu rezultatul conversiei şi se
comandă CEM în starea de eşantionare. Această stare este menţinută până la momentul t 4 astfel
încât t 4 −t 3 ≥t ac unde tac este timpul de achiziţie al CEM.
Perioada de achiziţie minimă Tacmin caracteristică ansamblului CEM - CAN reprezintă
intervalul de timp minim între momentele de prelevare a două eşantioane consecutive.
Tac min =t 4 −t1 =t ap +t s +TC +t ac
Rezultă deci că:
(4.18)
4.4.8. Principii constructive ale CEM
Simbolul frecvent folosit pentru descrierea circuitelor de eşantionare şi memorare în
schemele bloc este un comutator în serie cu un condensator, unde R i reprezintă rezistenţa internă a
sursei de semnal.
Ri
VIN
VOUT
CH

S/H

Fig. 4.12. Simbolizare CEM

Comutatorul controlează modul de lucru al dispozitivului, iar condensatorul memorează
valoarea tensiunii. Un circuit de eşantionare şi memorare poate folosi doar aceste componente,
dar cu performanţe foarte scăzute. Studiind deficienţele rezultate din această schemă se trag
concluzii privind componentele ce trebuie adăugate pentru îmbunătăţirea performanţelor
circuitului.
În primul rând, în modul urmărire, timpul de încărcare al condensatorului este dependent
de impedanţa sursei de intrare. O sursă cu impedanţă mare de intrare va da o constantă mare de
timp RC, având ca rezultat creşterea timpului de achiziţie. Pentru a ameliora acest efect se
foloseşte la intrare un circuit de adaptare de impedanţă cu amplificator operaţional în configuraţie
repetoare ce trebuie să suporte o sarcină capacitivă. Timpul de achiziţie devine astfel independent
de impedanţa sursei şi este foarte mic având în vedere impedanţa foarte mică de ieşire a
amplificatoarelor operaţionale.
În al doilea rând, în modul memorare condensatorul se va descărca pe sarcina de ieşire.
Deci viteza de degradare a tensiunii memorate va fi dependentă de sarcina de ieşire ce nu poate fi
foarte mare. Pentru a ameliora acest dezavantaj, un amplificator repetor va separa de asemenea
condensatorul de circuitul de ieşire. În consecinţă, pentru a încărca şi memora o valoare de
tensiune pe condensator, circuitul practic de eşantionare şi memorare include adaptare de
impedanţă atât pe intrare, cât şi pe ieşire. Există două variante de bază ale acestei structuri: în
buclă deschisă sau buclă închisă în funcţie de reacţia folosită.
La arhitectura în buclă deschisă, figura 4.13, la intrare şi la ieşire se folosesc
amplificatoare operaţionale în configuraţie repetoare.

VIN
S/H

-A
+

-A
+

1

CH
Fig. 4.13. CEM în buclă deschisă

2

VOUT

Amplificatorul operaţional de intrare A1 asigură o impedanţă mare de intrare a CEM şi
impedanţa mică pentru încărcarea condensatorului C în starea de eşantionare ceea ce conduce la
un timp de achiziţie redus (constanta de timp de încărcare a condensatorului T i = f (RA1 C) unde RA1
este impedanţa de ieşire a amplificatorului A1.
Amplificatorul operaţional de ieşire A2 este realizat cu tranzistoare cu efect de câmp (FET)
astfel încât în circuitul de intrare se obţine o impedanţă foarte mare conducând la descărcarea
lentă a condensatorului (constanta de timp de descărcare a condensatorului T d = f (RA2 C), unde RA2
este impedanţa de intrare a A2 rezultând astfel o viteză de alterare redusă.
Valorile capacităţii condensatorului de memorare C se aleg în funcţie de caracteristicile
aplicaţiei în care se utilizează respectivul CEM. Astfel, creşterea valorii capacităţii
condensatorului de memorare conduce la creşterea timpului de achiziţie al CEM, dar la scăderea
vitezei de alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare. Scăderea valorii capacităţii
condensatorului de memorare conduce la scăderea timpului de achiziţie, dar la creşterea vitezei de
alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare. Se utilizează o valoare care realizează astfel
un compromis între cele două caracteristici: timp de achizitie şi respectiv viteză de alterare.
Pentru obţinerea unor performanţe ridicate condensatorul de memorare trebuie să aibă curent mic
de pierderi prin izolaţie având dielectricul din polistiren sau teflon.
Reducerea erorilor de decalaj ale CEM se poate obţine prin includerea celor două
amplificatoare operationale A1 şi A2 într-o buclă de reacţie globală, ca în figura 4.14.

VIN

-A
+

-A
+

1

2

VOUT

CH

S/H
Fig. 4.14. CEM în buclă închisă

Efectul principal al utilizării reacţiei globale constă practic în eliminarea erorilor de decalaj
corespunzătoare amplificatorului de ieşire A2. Rezultă că în cazul structurii de principiu din
fig.4.14, erorile de decalaj ale CEM sunt date doar de amplificatorul operaţional de intrare AO 1,
care trebuie ales cu deriva redusă a tensiunii de decalaj.
În ambele cazuri ( buclă închisă sau deschisă ) pe durata memorării, deoarece bucla de
reacţie este întreruptă sau lipseşte, amplificatorul de intrare se saturează şi la trecerea în starea de
eşantionare intrarea trebuie reachiziţionată, chiar dacă semnalul de intrare nu a suferit nici o
modificare.
Pentru a evita intrarea în saturaţie a amplificatorului A 1 se poate folosi următoarea schemă
pentru circuitul de eşantionare şi memorare ( figura 4.15.)
R

VIN
S/H

-A
+

D1

D2

-A
+

1

2

VOUT

CH
Fig. 4.15. CEM –schemă îmbunătăţită

Când comutatorul este închis (stare de eşantionare) cele două amplificatoare lucrează ca
repetor într-o buclă de reacţie globală, diodele D1 şi D2 fiind blocate.
Când comutatorul este deschis (stare de memorare) una din cele două diode ( D 1 sau D2) va
conduce având rolul de a preveni saturaţia ieşirii amplificatorului A1 şi de a permite ca acesta să-şi
reia rapid rolul la trecerea în starea de eşantionare.
12. Măsurări electronice industriale. Sisteme electronice de măsură cu aparatură programabilă

4.5. Sisteme electronice de măsurare cu aparatură programabilă
4.5.1. Consideraţii generale
Se prezintă, procesoarele specializate pentru măsurări, şi procesoare de uz general,
deoarece acestea din urmă pot fi utilizate şi în diverse aplicaţii de măsurare automată.
Orice proces de măsurare conţine următoarele elemente principale:
- măsurandul, sau mărimea de măsurat;
- metoda de măsurare;
- aparatul de măsurat;
- etalonul.
Dacă mărimea de măsurat rămâne neschimbată în timp, dezvoltarea ştiinţei contribuind
numai la creşterea mulţimii măsuranzilor, celelalte trei elemente ale procesului de măsurare au
cunoscut transformări majore pe diverse trepte de dezvoltare tehnologică a societăţii. Elementul
cel mai dinamic dintre toate este aparatul de măsurat. Perfecţionarea lui continuă produce
modificări şi asupra celorlalte elemente ale procesului de măsură, respectiv metoda de măsurare şi
etalonul.
În domeniul măsurărilor electrice şi electronice, aparatele de măsurat au trecut prin
următoarele etape de dezvoltare:
- aparate de măsurat analogice;
- aparate de măsurat numerice;
- aparate de măsurat numerice, cu microprocesor;
- plăci de achiziţie de date cuplate la calculator PC.
O etapă nouă nu exclude automat una anterioară ei. Există încă numeroase aparate de
măsurat analogice sau numerice care afişează mărimea măsurată fără a o prelucra. Separarea
ultimelor două etape din clasificarea propusă este desigur discutabilă. Aparate de măsurat
numerice, cu microprocesor de uz general sau specializat, care comunică prin interfeţe standard cu
un calculator central constituie soluţia modernă de realizare a unui sistem descentralizat. Acesta
permite supravegherea unui mare număr de senzori, respectiv trimiterea unui mare număr de
comenzi cu viteza şi precizia impusă de proces. Descentralizarea permite eliberarea calculatorului
central de o serie de sarcini care sunt lăsate în seama subsistemelor periferice. Prezenţa
microprocesorului în fiecare aparat de măsură periferic îi atribuie acestuia o "inteligenţă" locală,
deci posibilitatea de a achiziţiona informaţie din proces, de a o prelucra şi, la nevoie, chiar de a
lua decizii în limitele programelor conţinute de fiecare unitate. Evident că deciziile majore sunt
luate de calculatorul central care supervizează activitatea unităţilor locale. Această structură duce
în esenţă la creşterea flexibilităţii sistemului şi a capacităţii lui de a răspunde la rezolvarea unor
sarcini complexe de măsurare, comandă şi reglare. Deja putem vorbi de o prelucrare paralelă a
informaţiei în sistem.
Cercetările efectuate au pus în evidenţă că folosirea plăcilor de achiziţie de date cuplate la
calculator, PC sau staţie de lucru, reprezintă soluţia actuală şi de perspectivă în măsurări. În multe
aplicaţii numărul de parametri măsuraţi este redus şi se poate folosi o structură de sistem
centralizat cu un PC. Nimic nu ne împiedică să folosim la nevoie şi o structură descentralizată în
care un PC să fie pe post de subsistem periferic local. Trebuie făcută însă o analiză competentă
asupra aplicaţiei pentru a evita o risipă de resurse hardware. Oricum, această etapă nu contravine
conceptului de structură descentralizată.
Separarea ultimelor două etape de dezvoltare a aparatelor de măsurare se poate face şi din
punct de vedere software. Aparatul de măsurat numeric cu microprocesor conţine un software
specializat, cu posibilitate de elaborare a unor decizii logice la stabilirea unor condiţii
determinate. Programele sunt înscrise de regulă într-o memorie PROM şi ele realizează
funcţionarea independentă a aparatului cu afişaj numeric şi protocolul de comunicaţie pe o
magistrală standard cu alte aparate similare sau cu un calculator. Pentru ultima etapă există
numeroase pachete de software performant, cu largi posibilităţi de achiziţie, prelucrare a datelor şi

afişare a rezultatelor, aducând în plus posibilitatea comportării adaptive în raport cu modificarea
unor parametri ai procesului de măsurare sau de realizare a unor sisteme de măsurare cu
autoinstruire.
Motivele care ar putea duce la schimbare în domeniul măsurărilor pot fi viteza şi precizia.
Odată cu apariţia microprocesoarelor, funcţiile ce depăşeau un anumit grad de
complexitate erau implementate prin software. Resursele hardware erau simplificate şi optimizate
la limită în timp ce programele se structurau tot mai complex, cu două consecinţe: creşterea
costului programării şi obţinerea unor performanţe de viteză tot mai slabe. A apărut astfel o
situaţie de criză, care a determinat două mutaţii foarte importante:
- a apărut un sens din perspectivă hardware al conceptului de paralelism;
- funcţii curent realizate prin software au migrat către implementarea prin
hardware, tendinţă sprijinită de dezvoltarea spectaculoasă a tehnologiilor VLSI.
Paralelismul constituie una din soluţiile cele mai tentante pentru depăşirea impasului în
care se află gândirea în domeniul arhitecturii sistemelor de calcul. Dar cum gândim structurile
paralele, cum le optimizăm având în vedere că ele ridică probleme mari de interconectare, sunt
întrebări la care se pare că nu putem răspunde cu certitudine corect. Gândirea structurală
prezentă în noul context funcţional nu este încă la nivelul tehnologiilor disponibile pe plan mondial
şi nu ştim dacă acest lucru se va întâmpla vreodată.
Declanşarea unor procese paralele este condiţionată de posibilitatea unei descompuneri
funcţionale adecvate şi de definirea unor stiluri de programare ce presupun paralelismul.
Pentru numeroase sisteme de măsură în care prelucrarea datelor se face în timp real, deci
viteza de achiziţie şi prelucrare este critică, se pot realiza sisteme microprogramate specializate,
care să reprezinte o soluţie hardware optimă.
Dezvoltarea pe scară largă a sistemelor de prelucrare paralele este încetinită într-o
oarecare măsură şi de realizările impresionante ale tehnologiilor moderne VLSI, care permit azi
depăşirea unor frecvenţe de lucru de ordinul GHz. Deşi proiectanţii de circuite integrate VLSI
folosesc din plin arhitecturi paralele pentru creşterea productivităţii cipurilor, acest lucru este de
multe ori transparent pentru proiectantul de sistem.
4.5.2. Structuri de procesoare cu aplicabilitate în măsurări
4.5.2.1. Generalităţi
Arhitecturile diferitelor procesoare, fie ele de uz general, fie specializate pentru rezolvarea
anumitor probleme concrete, prezintă o mare importanţă pentru proiectantul de hardware,
deoarece cunoaşterea structurii interne şi a modului de funcţionare a unui procesor permite
utilizarea lui optimă într-un circuit electronic proiectat pentru implementarea unei aplicaţii
specifice.
Termenul de microprocesor este în general atribuit unui procesor realizat pe un singur cip.
Apariţia conceptului de procesor este strâns legată de apariţia conceptului de microprogramare.
Microprogramarea înseamnă controlul unei structuri numerice prin intermediul unor
cuvinte "citite" secvenţial, pas cu pas, dintr-o memorie. Prin citirea succesivă a acestor cuvinte,
microinstrucţiunile, se generează semnalele de control, microoperaţiile, necesare funcţionării
corecte a structurii respective. Proiectarea unei structuri microprogramate este astfel mult mai
sistematică şi mai flexibilă decât cea a unei structuri convenţionale realizate prin logică cablată.
În principiu, o maşină microprogramată este o maşină în care o secvenţă coerentă de
microinstrucţiuni este folosită pentru execuţia operaţiilor mari ce definesc funcţionarea maşinii.
Tehnica microprogramării a fost folosită cu succes în domeniul minicalculatoarelor şi a
microprocesoarelor de tip bit-slice microprogramabile şi este în continuare folosită de proiectanţii
procesoarelor cu arhitecturi de tip CISC (Complex Instruction Set Computer) sau a circuitelor de
tip ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Printre avantaje se pot aminti flexibilitatea şi adaptabilitatea la noi interfeţe de proces a
structurilor de control microprogramate, uşurinţa în dezvoltare a sistemelor, uniformitatea
proiectării, preţ de cost scăzut datorită disponibilităţii de circuite LSI, viteză mare de lucru.
Singurele dezavantaje ar putea fi o eventuală pierdere de performanţă datorită caracterului
secvenţial al procesării şi un consum energetic sporit datorită folosirii circuitelor de viteză
(familiile logice TTL Schottky şi ECL).
4.5.2.2. Microprocesoare bit-slice
Familiile de circuite bit-slice sunt alcătuite din diverse blocuri constructive care au rolul
de a permite implementarea comodă a structurilor de control microprogramate. Aceste structuri au
două funcţii principale: de secvenţiere şi de procesare propriu-zisă, împărţite la rândul lor în mai
multe subfuncţii: procesarea datelor, controlul adresei de microprogram, controlul adresei de
macroprogram, controlul întreruperilor, accesul direct la memorie (DMA), controlul I/E, controlul
memoriei.
Datorită integrării structurilor clasice de prelucrare cu ALU şi secvenţiatoare, proiectarea
structurilor microprogramate cu circuite bit-slice este mai avantajoasă şi mai performantă decât
proiectarea cu circuite integrate de uz general, dar ea rămâne în continuare dificilă datorită
necesităţii de implementare a unor structuri hardware complexe nestandard şi a numărului foarte
mare de circuite integrate folosit.
Progresele tehnologice actuale şi dezvoltarea procesoarelor specializate pe aplicaţii fac tot
mai puţin oportună utilizarea în viitor a microprocesoarelor bit-slice.
4.5.2.3. Microprocesoare de uz general pe 8/16/32/64 biţi
Microprocesoarele pe 8 biţi au apărut în mod firesc în contextul dezvoltării tehnologiei de
realizare a circuitelor integrate. Cele două automate din structura unui procesor au fost integrate
funcţional într-un singur cip, iar numărul de biţi ai cuvântului prelucrat a fost fixat la 8
(compromis între tehnologie şi putere de procesare), fără posibilităţi de extensie ca în tehnica bitslice.
Chiar şi astăzi există şi se dezvoltă în continuare numeroase aplicaţii care folosesc
microprocesoare pe 8 biţi, aplicaţii care nu necesită o mare putere de calcul, din domeniul
măsurărilor, automatizărilor, bunurilor de larg consum (procesorul specializat al unei maşini de
spălat este structurat pe 6 biţi), etc.
Cel mai reprezentativ microprocesor pe 8 biţi este Z 80, cu diverse variante constructive
care acceptă o frecvenţă de ceas de la 2 la 6 MHz.
Trecerea de la microprocesoarele pe 8 biţi la cele pe 16 biţi nu a însemnat o simplă dublare
a magistralei de date. Deşi structurile sunt bazate tot pe conceptul clasic al maşinii von Neumann,
apar îmbunătăţiri esenţiale ale atributelor de arhitectură, posibilitatea de realizare a noi funcţii,
totul bazat pe dezvoltări importante ale structurii. Arhitecturile pe 16 biţi au o diversitate mai mare
decât cele pe 8 biţi. O structură de referinţă este microprocesorul INTEL 8086. Acest
microprocesor are o structură internă microprogramată pe un singur nivel, în timp ce MC68000 de
la MOTOROLA, de exemplu, este proiectat în tehnica programării pe două nivele. Aceste
arhitecturi, ca şi cele care vor fi amintite în continuare sunt arhitecturi de procesoare cu set
complex de instrucţiuni (CISC).
Procesoarele superioare lui 8086 păstrează compatibilitatea şi aduc în plus unele avantaje
faţă de predecesorul lor. Astfel, 80186 repetă structura lui 8086 la o frecvenţă dublă de funcţionare
şi integrează pe acelaşi cip circa 15 circuite integrate care se montau pe placă pentru a realiza un
microsistem cu 8086 (3 numărătoare programabile pe 16 biţi, logică pentru controlul
magistralelor, controler DMA, controler programabil de întreruperi). Limbajul de programare
conţine 10 instrucţiuni noi. Apariţia în scurt timp a lui 80286, cu arhitectură superioară şi
performanţe sporite, nu a permis impunerea lui 80186 pe piaţă.

Primul microprocesor pe 32 biţi realizat de INTEL este 80386. El combină segmentarea
memoriei cu paginarea, adică implementarea memoriei virtuale bazată pe blocuri de mărime fixă
numite pagini. Microprocesorul 80486 introduce în schema bloc funcţională o unitate de execuţie
în virgulă mobilă, care, la procesoarele de până acum era realizată pe un cip extern separat, sub
numele de coprocesor matematic, destinat creşterii vitezei şi preciziei calculelor în virgulă mobilă.
În plus, conţine o memorie cache (ascunsă) de 8 Kbytes folosită pentru stocarea variabilelor
frecvent utilizate. În acest fel se elimină, de câte ori este posibil, accesul la memoria RAM externă
a microcalculatorului, acces care necesită un timp mai mare chiar pentru cele mai rapide memorii.
Microprocesorul Pentium este realizat pe 64 biţi şi oferă performanţe greu de imaginat
până la el. O folosire intensă a tehnicilor pipeline şi a registrelor cache interne separate pentru
instrucţiuni şi date (reducerea timpului mediu de acces la memorie şi acces rapid la instrucţiunile
şi datele recent folosite) permite execuţia a două instrucţiuni pe întregi, în paralel pe un singur
tact, în timp ce unitatea de virgulă flotantă (FPU) execută două instrucţiuni de virgulă flotantă pe
un singur tact. Creşterea de viteză se obţine şi printr-un bloc de anticipare dinamică a salturilor,
un mecanism de paginare extins şi un suport hardware special pentru întreruperi virtuale.
O constatare deosebit de interesantă pentru domeniul nostru de interes este că procesorul
Pentium are numeroase facilităţi care permit testarea şi monitorizarea performanţelor. Există
posibilitatea de detecţie a erorilor la dispozitivele interne şi interfaţa de magistrală externă prin
mecanisme de calcul ale parităţii şi Excepţie Generală de Test (MCE - Machine Check Exception).
Aceste excepţii pot fi cauzate de o serie de condiţii şi duc la poziţionarea bitului MCE din registrul
CR4. Există suport hardware pentru verificarea terminării corecte a ciclului de bus şi posibilitate
de autotest (BIST - Built In Self Test) precum şi port standard IEEE 1149.1 de acces pentru
testarea procesorului din exterior. Modul de lucru sondare (Probe Mode) permite accesul la
regiştrii interni şi la spaţiul I / O de memorie, fiind posibilă modificarea stării CPU, utilităţi
necesare depanării. Prin ştergerea bitului DE (Debug Extensions) din registrul CR4 se aduce
procesorul în stare compatibilă cu 486.
Microprocesorul P6, sau sub cea mai recentă denumire Pentium Pro, este printre cele mai
noi produse al compatibilelor x86. Este cel mai performant procesor CISC, deşi împrumută o serie
de tehnici de la arhitecturile RISC. Unitatea centrală este alcătuită din două părţi mari: partea de
prelucrare în ordinea dată a instrucţiunilor şi partea de execuţie într-o ordine diferită a lor, funcţie
de necesităţi. Rezultatele se depun într-o memorie tampon de reordonare, unde se reface ordinea
corectă. O tehnică de redenumire a registrelor elimină problemele datorate unui număr relativ
redus de registre generale la arhitecturile x86. O altă noutate este integrarea memoriei cache de
nivel 2 în aceeaşi capsulă cu unitatea centrală şi accesarea ei prin intermediul unei magistrale
dedicate. Pe ansamblu, arhitectura este mult diferită faţă de cea a compatibilelor x86 de la INTEL,
organizată pe o structură de 2 cipuri şi un număr de 21 milioane de tranzistoare, la o frecvenţă
minimă de lucru de 133 MHz. Performanţele sunt duble faţă de Pentium la 100 MHz.
Microprocesoarele Pentium II au frecvenţa maximă de lucru de 550 MHz. Urmează
microprocesoarele Pentium III având frecvenţa maximă de lucru de 750 MHz, etc.
4.5.2.4. Microcontrolere
Un microcalculator integrat pe un singur cip, numit şi microcontroler, conţine pe lângă
unitatea centrală implementată cu un microprocesor de uz general, şi alte unităţi funcţionale din
structura unui calculator: memorie RAM, memorie ROM, porturi de intrare / ieşire serie sau
paralel, circuite de numărare/temporizare programabile, circuite de tratare a întreruperilor,
circuite de transfer DMA, circuitele de ceas.
Gradul sporit de integrare determină o simplificare esenţială a hard-ului necesar unei
aplicaţii şi apare pentru prima dată posibilitatea realizării unor funcţii complexe de control
(măsurare, conducere, reglare) numai cu câteva circuite integrate. Implicaţiile acestui fenomen,
constau în pătrunderea microcalculatoarelor în sfera bunurilor de larg consum, a unităţilor de
control industriale, a echipamentelor periferice utilizate în tehnica de calcul. Există posibilitatea

utilizării microcontrolerelor ca elemente de procesare paralelă în calculatoarele vectoriale sau
matriciale.
Primul microcalculator integrat a fost INTEL 8048, care conţine o unitate centrală pe 8
biţi, o memorie RAM de 64 octeţi, o memorie ROM de 1 Koctet, un număr de 27 linii de intrare
/ieşire şi un numărător programabil pe 8 biţi. Aceste elemente sunt asamblate într-o arhitectură
standard de microsistem pe 8 biţi, asemănătoare unei structuri realizate în jurul microprocesorului
pe 8 biţi INTEL 8080. Şi setul de 96 de instrucţiuni este în mare măsură asemănător cu cel al
microprocesorului 8080, care a fost luat ca model în realizarea acestui microcalculator integrat.
Există diferenţa între noţiunea de microcalculator integrat şi cea de microcontroler. Ea
include microcontrolerele în mulţimea microcalculatoarelor integrate, precizând totuşi că nu există
o diferenţă netă între cele două categorii. Ea defineşte microcontrolerele ca fiind
microcalculatoare cu set de instrucţiuni mai redus, şi "mai intim legate de aplicaţiile de control,
urmărire şi automatizare industrială".
MC 6801 este un microcalculator integrat pe 8 biţi care s-a dezvoltat din familia
microprocesorului de uz general MC 6800. El asigură o compatibilitate software perfectă cu MC
6800, dar are câteva instrucţiuni noi în plus, printre care cea de înmulţire fără semn. Este cu circa
20 % mai rapid decât 6800 şi poate funcţiona ca microcalculator de sine stătător, sau ca
microcalculator de uz general cu memorie externă de până la 64 Kocteţi.
Pe lângă microprocesorul propriu-zis MC6801 include o memorie fixă de 2 Kocteţi, o
memorie RAM de 128 octeţi, 29 linii de intrare/ieşire, 3 numărătoare programabile de 16 biţi
fiecare şi un circuit de ceas.
Unul dintre cele mai moderne produse din seria HC11 a firmei MOTOROLA şi
reprezentativ pentru întreaga familie, este microcontrolerul MC68HC11-F1, care conţine pe lângă
CPU, un timer complex pe 16 biţi cu patru nivele de prescalare, selectabile prin software, interfaţă
serială sincronă/asincronă, 512 octeţi de memorie EEPROM cu mecanism de protecţie, 1 Koctet de
memorie RAM static cu posibilitate de stand-by, convertor analog/numeric pe 8 biţi, întrerupere de
timp real, 4 ieşiri programabile pentru selecţia unor periferice externe, regimuri de funcţionare cu
consum redus. Circuitul poate funcţiona în 4 moduri distincte, selectabile în secvenţa de RESET,
prin controlul asupra liniilor MODA şi MODB.
În modul de operare single-chip toţi pinii circuitului sunt folosiţi ca linii de intrare/ieşire şi
circuitul lucrează ca un microcontroler complet, fără a folosi memorie sau periferice externe.
Programul trebuie să fie încărcat în EEPROM. Modul de operare expanded-nonmultiplexed
reconfigurează o parte din intrări/ieşiri pentru a implementa fizic magistralele de date şi adrese.
Modul de operare bootstrap este similar cu modul single-chip, dar la RESET controlul este preluat
de un "bootloader"(un program scurt plasat în ROM), care încarcă în RAM-ul intern un program
pe interfaţa serială. În sfârşit, modul de operare TEST a fost iniţial conceput pentru testarea
circuitului la fabricant, dar este disponibil şi pentru utilizator, făcând posibilă programarea unor
date în EEPROM.
Adresele memoriei interne pot fi deplasate în spaţiul de memorie adresabil de circuit prin
intermediul unor porturi şi registre de configurare a sistemului. Convertorul analog/numeric pe 8
biţi este cu aproximaţii succesive şi are 8 intrări externe multiplexate şi circuite de eşantionare şi
memorare încorporate.
Familia de microcontrolere cu cea mai mare răspândire, pentru care s-a creat o gamă
largă de aplicaţii, este familia 8051. Deosebirile între membri familiei 8051 sunt date de tipul şi
prezenţa memoriei program interne: 8031 fără memorie, 8051 cu 4 Kocteţi memorie ROM
programată la fabricarea circuitului şi 8751 cu 4 Kocteţi memorie EPROM, programabilă de
utilizator. Practic, când vorbim de "8051" putem înţelege oricare din aceste circuite.
4.5.2.5. Procesoare numerice de semnal (DSP)

Prelucrarea numerică (digitală) a semnalelor (PDS) este un domeniu de actualitate, cu
mare aplicabilitate practică (filtrare numerică, transformare Fourier rapidă, prelucrare de semnal
audio, prelucrare de imagini, etc.).
Realizarea practica a sistemelor PDS constă în transpunerea algoritmului de prelucrare
într-o structura hardware sau într-un program de calcul. În funcţie de necesităţile utilizatorului si
de performantele sistemului de prelucrare, exista mai multe posibilităţi de implementare a
sistemelor PDS:
- realizarea în logica cablata, sub forma unei structuri specializate, constând din
interconectarea unor circuite aritmetice sau logice elementare (registre, sumatoare,
multiplicatoare, porţi);
- realizarea în logica programata, pe sisteme cu unul sau mai multe microprocesoare;
- realizarea sub forma de circuite specializate pentru operaţiile de prelucrare a semnalelor
(în tehnologii diverse: semiconductoare, circuite cu transfer de sarcina, circuite cu unde acustice
de suprafaţa, circuite optoelectronice).
Este evident ca implementările care au la baza tehnologiile microelectronice sunt superioare
celorlalte posibilităţi de realizare din punct de vedere a vitezei, gabaritului, consumului, fiabilităţii,
raportului preţ de cost/performanţe, etc. De aceea, unul dintre factorii care au stimulat extinderea
domeniilor de folosire a metodelor l-a constituit apariţia microprocesoarelor si evoluţiile recente
din domeniul circuitelor integrate pe scara larga (VLSI) si circuitelor integrate de mare viteza
(VHSIA), care au condus inevitabil la apariţia unor procesoare specializate, destinate procesării
semnalelor. Ele sunt cunoscute sub numele generic de procesoare digitale de semnal (PDS) si au
trasaturi specifice adaptate implementării algoritmilor PDS. Microprocesoarele au fost disponibile
începând din anul 1969, dar numai recent au fost realizate procesoare având o viteza de
funcţionare suficient de ridicata si timpi de execuţie a instrucţiunilor destul de mici pentru a putea
prelucra semnale de frecventa ridicata. În felul acesta, sunt posibile în prezent prelucrări în timp
real pana la frecvente de ordinul zecilor de MHz. Un procesor pentru prelucrarea numerică a
semnalelor trebuie să poată asigura "un mare volum de calcul, prelucrare în timp real a
informaţiei, lucrul cu date numerice şi flexibilitate în funcţionare".
Posibilităţile hardware de realizare a unităţii centrale, folosind circuite VLSI, sunt
următoarele:
- microprocesoare de uz general;
- microcalculatoare si microcontrolere într-un singur cip;
- procesoare digitale de semnal (PDS);
- calculatoare cu set redus de instrucţiuni (RISC);
- circuite specializate realizate la cerere (“custom”) - de exemplu, circuite specifice
aplicaţiei (ASIC).
Primele patru elemente ale listei nu se exclud reciproc întrucât toate implica utilizarea
procesoarelor. În general, microprocesoarele pot fi modulele de procesare de baza, deoarece
conţin UAL (Unitatea Aritmetica si Logica), elemente de control si un număr limitat de registre
interne. Ele necesita dispozitive externe sau periferice: memorie RAM pentru stocarea datelor
(operanzilor), memorie ROM pentru stocarea programelor si dispozitive I/O pentru interfaţa cu
mediul exterior. Microcalculatoarele monocip conţin toate elementele sistemului de calcul într-un
singur circuit. În plus, microcontrolerele conţin si un anumit număr de interfeţe I/O pentru
conectarea perifericelor: porturi paralele sau/si seriale, circuite de ceas intern (de exemplu,
Motorola MC6801, MC68HC11, unele variante ale MC68HCO5 si Intel 80510, controlere pentru
întreruperi. Unele au, de asemenea, convertoare analog-digitale interne (de exemplu: MC68HC11,
unele variante ale MC68HC05, Intel 8098 si OKI MSM66301).
Procesoarele RISC operează cu un set redus, relativ elementar de instrucţiuni, care pot fi
executate foarte rapid - în cel mult una sau doua perioade de ceas. Unele dintre acestea dispun de
coprocesoare în virgula mobila pentru a extinde setul de instrucţiuni de baza. Menţionam ca noile
procesoare RISC, ca Motorola 88000, Intel 80860 si seria SPARC a companiei SUN, etc., pot
depăşi performantele unora dintre procesoarele PDS actuale. În general, dezvoltarea

calculatoarelor RISC implica folosirea multor componente si, în consecinţa, ele nu sunt la fel de
uşor de proiectat si de realizat ca cele bazate pe procesoare PDS unicip.
Ultima categorie menţionata include dispozitive VLSI care sunt destinate unor aplicaţii
specifice de procesare digitala a semnalelor si unor funcţii necesare altor procesoare. Acestea
includ, de exemplu, acumulatoare - multiplicatoare, filtre, dispozitive care realizează histograme si
circuite care prelucrarează imagini, generatoare de adrese si generatoare de coeficienţi pentru
algoritmi, etc.
Procesoarele digitale de semnal sunt microcalculatoare într-un singur cip, având
caracteristici hardware si software specifice. Din punct de vedere hardware, procesoarele PDS se
remarca în primul rând printr-o viteza mare de execuţie a instrucţiunilor. Aceasta este obţinuta
prin folosirea arhitecturilor paralele, combinate cu folosirea principiului pipe-line de funcţionare.
Este utilizata curent arhitectura de tip Harvard, cu spatii de adrese separate pentru date si
programe si cai de transfer separate. Folosirea principiului pipe-line consta în fragmentarea
activităţilor si executarea acestora pe unităţi funcţionale distincte. În felul acesta, în procesor pot
exista la un moment dat mai multe instrucţiuni, în diferite stadii de execuţie. Din acest motiv,
procesoarele PDS executa majoritatea instrucţiunilor într-o singura perioada de tact. Procesoarele
PDS sunt prevăzute cu memorie interna pentru programe, iar unele variante si cu memorie pentru
date. Având în vedere specificul algoritmilor PDS, procesoarele de semnal au incorporate
multiplicatoare de tip paralel si registre pentru deplasarea binara a datelor.
Majoritatea procesoarelor PDS au un set bogat de instrucţiuni, conţinând practic toate
tipurile de instrucţiuni ale procesoarelor de uz general. În plus, sunt prevăzute instrucţiuni pentru
înmulţire si acumulare, pentru rotirea datelor într-un tablou, pentru inversarea biţilor, etc.
Modurile de adresare folosite pentru date sunt: adresare imediata, directa, indirecta, circulara,
adresare cu inversarea biţilor. Un ajutor important în folosirea circuitelor PDS îl oferă sistemele
de operare specifice. În prezent, cel mai răspândit este sistemul de operare SPOX (Spectron
Microsystems Inc.). El conţine un nucleu pentru multiprocesare în timp real, module pentru
gestionarea memoriei, funcţii matematice specifice PDS, o biblioteca în limbajul C, facilitaţi pentru
depanare software. Sistemul SPOX rulează în prezent pe sisteme cu procesoare 21000 (Analog
Devices), 96002 (Motorola), C3X si C40 (Texas Instruments). O versiune mai recenta,
MICROSPOX, este destinata funcţionarii cu procesoarele în virgula fixa 56000 (Motorola), ADSP
2100 (Analog Devices), TMS 320C2X si TMS 320C5X (Texas Instruments). Familia de procesoare
56000 (Motorola) lucrează si sub sistemul de operare VRTX (Ready Systems), sistem care poate
lucra împreuna cu majoritatea familiilor de procesoare PDS. Sistemul de operare VCOS al firmei
AT&T implementează familia DSP 3210 pe placa de baza a calculatoarelor PC sau a staţiilor de
lucru.
Seria de procesoare TMS 320 constituie un standard în lumea procesoarelor de semnal,
creşterea posibilităţilor tehnologice de integrare având ca efect realizarea unor cipuri tot mai
performante. Primul reprezentant al familiei a fost TMS 32010, care efectua 5 milioane de operaţii
de tip adunare şi înmulţire pe secundă. A doua generaţie de procesoare cu TMS 32020 şi TMS
320C25 reuşeşte dublarea performanţei, în timp ce reprezentantul celei de-a treia generaţii de
procesoare de la TEXAS INSTRUMENTS, TMS 320C30 efectuează 33 milioane de operaţii în
virgulă mobilă pe secundă (33 Mflop/s), atingând performanţa unui supercalculator.
Unul dintre cele mai puternice procesore de semnal este TMS320C80 cu performanţe de
excepţie, care îl recomandă pentru orice aplicaţie, inclusiv procesarea semnalului video, aplicaţii
de realitate virtuală tridimensională, compresie digitală de semnal audio sau video, etc. S-a reuşit
integrarea pe un singur cip cu 305 pini a unui număr de peste 4 milioane de tranzistoare
(tehnologie CMOS de 0,5µm), la o tensiune de alimentare de 3,3V. De fapt, procesorul TMS
320C80 este conceput într-o veritabilă arhitectură paralelă.
Ca şi în cazul celorlalte generaţii de procesoare de semnal, TMS 320C80 dispune de
produse de dezvoltare software: compilator C optimizat, asambloare, editor de legături, programe
de depanare la nivel de cod sursă, biblioteci de programe, etc., care permit implementarea comodă
a aplicaţiilor.

Deocamdată nu se aşteaptă o introducere largă a procesoarelor de semnal în domeniul
măsurărilor. Este convenabil ca procesoarele PDS să fie folosite pentru implementarea unor
algoritmi mai performanţi decât cei din acest domeniu. Principalul obstacol îl constituie preţul, sau
mai bine zis raportul preţ/performanţă, care este cu siguranţă în favoarea arhitecturilor actuale de
sisteme integrate de măsurare, cu atât mai mult cu cat în domeniul de interes pentru noi, de cele
mai multe ori nu este neapărat necesară prelucrarea în timp real a semnalelor.
4.5.2.6. Arhitecturi paralele
Arhitecturile paralele au apărut din necesitatea creşterii performanţelor sistemelor de
calcul. Apariţia şi dezvoltarea lor a fost orientată spre:
- creşterea eficacităţii în execuţia comenzilor procesorului (tehnici pipeline de execuţie a
instrucţiunilor, logică cu execuţie anticipată a instrucţiunilor, etc.);
- creşterea vitezei de transfer a datelor în zona de execuţie a procesorului (folosirea
memoriei pipeline, a registrelor, ca memorie a zonelor de viteză maximă din sistem, extinderea
numărului de canale de transfer, etc.);
- alegerea structurii de legături, funcţie de structura topologică a problemei de rezolvat
(structură orientată spre aplicaţie, operaţii vectoriale şi matriciale, adresare asociativă, etc.).
Tehnici de prelucrare paralelă au fost folosite de la apariţia microprogramării. Atunci când
o microinstrucţiune trimisă de la unitatea de comandă spre unitatea de prelucrare comandă
încărcarea simultană a mai multor registre din unitatea de prelucrare avem de-a face cu un
paralelism. Când tehnologia a permis o creştere a gradului de integrare, după fiecare prelucrare
combinaţională s-a introdus un registru şi au apărut tehnicile pipeline. Procesorul TMS 320C80,
are o arhitectură MIMD (Multiple Instruction - Multiple Data Stream), care este o arhitectură
paralelă foarte puternică. Cu toate acestea, văzut din exterior, din punctul de vedere al
utilizatorului, el este un simplu procesor cu performanţe de excepţie. Dar aceste performanţe sunt
rezultatul arhitecturii paralele din interior.
13. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare.
Generalităţi. Clasificări. SAD cu un singur canal. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi
memorare
4.6. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare
4.6.1. Generalităţi. Clasificări
Sistemele de achiziţie de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese în care
intervin, de regulă, mai multe mărimi fizice. Ele realizează prelevarea, prin intermediul unor
traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (în funcţie de natura traductorului), în
scopul memorării, transmiterii sau prelucrării informaţiei achiziţionate.
Memorarea poate fi făcută direct sau după prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi,
medii sau scurte.
Transmiterea datelor e necesar a fi făcută pe distanţe mai lungi sau mai scurte.
Prelucrarea informaţiei poate consta în operaţii simple (comparări), până la prelucrări
matematice complicate (integrări, diferenţieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.).
Scopul prelucrării diferă de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de cercetare),
sau numai informare asupra evoluţiei procesului prin vizualizarea datelor.
Operaţia cea mai importantă este conversia analog – numerică, realizată cu unul sau mai multe
circuite. În funcţie de tipul aplicaţiei mai pot fi necesare şi alte circuite analogice de prelucrare.
Configuraţia şi tipurile de circuite utilizate într-un sistem de achiziţie de date – SAD – depind de
o serie de factori:
• rezoluţia şi precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N;
• numărul de canale analogice investigate;

frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal;
capacitatea sistemului de prelucrare în timp real a datelor;
necesitatea condiţionării (adaptării) semnalului analogic de intrare.
Datele achiziţionate pot fi:
• analogice (tensiuni, curenţi – continue sau alternative) şi reprezintă, de regulă, ieşirile unor
traductoare ce supraveghează mărimile care intervin în procesul condus;
• numerice, provenind de la traductoare cu ieşire numerică sau de la alte echipamente implicate în
desfăşurarea procesului.
SAD va fi prevăzut deci cu un număr corespunzător de intrări adecvate acestor date:
• intrări analogice;
• intrări numerice.
Altă operaţie frecvent întâlnită în SAD este eşantionarea şi memorarea temporară a
eşantioanelor prelevate. Frecvenţa de eşantionare se stabileşte în funcţie de:
• spectrul de frecvenţă al semnalelor de intrare;
• viteza de lucru a convertorului A/N;
• precizia impusă procesului de prelucrare.
O frecvenţă minimă şi care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este
dublul frecvenţei maxime din spectrul acestui semnal. Dacă se cere ca eşantioanele prelevate să
reprezinte cu suficientă precizie un semnal continuu de la intrare, fără a mai calcula valori
intermediare eşantioanelor prelevate, frecvenţa de eşantionare trebuie sa fie de cel puţin 8…10 ori
mai mare decât frecvenţa celei mai înalte armonici. Perioada de eşantionare nu poate fi mai mică
decât timpul de conversie.
Înaintea eşantionării, semnalele analogice sunt supuse unor operaţii de adaptare cu sistemul de
prelucrare, numite generic condiţionare. Acestea pot fi:
• amplificare/atenuare cu câştig programabil;
• amplificare cu izolare galvanică;
• comutare automată a intervalelor de măsurare;
• compresie logaritmică;
• filtrare;
• conversie tensiune - frecvenţă;
• conversie curent – tensiune.
Clasificări ale sistemelor de achiziţie de date:
După condiţiile de mediu în care lucrează:
• sisteme destinate unor medii favorabile (laborator);
• SAD destinate utilizării în condiţii grele de lucru (echipamente militare, instalaţii
telecomandate, anumite procese industriale, etc.).
După numărul de canale supravegheate:
• monocanal, cu una din variantele:
o numai circuite pentru conversia directa a semnalului;
o preamplificator urmat de circuitele de conversie;
o preamplificator, circuite de eşantionare-memorare, urmate de circuite de conversie;
o preamplificator, circuite de condiţionare a semnalului şi una din variantele anterioare;
• SAD multicanal în una din variantele:
o cu multiplexarea ieşirilor unor convertoare analog-numerice, fiecare convertor
corespunzând unui canal;
o cu multiplexarea intrărilor circuitelor de eşantionare-memorare (S/H – sample and hold –
engl.);
o sisteme de achiziţie destinate multiplexării semnalelor de nivel scăzut.
La realizarea unui sistem de achiziţie de date computerizat se pot urmări etapele:
a.identificarea tipurilor de intrări şi ieşiri:
o intrări analogice (temperaturi, presiuni, punţi tensiometrice, tensiuni, curenţi, semnale acustice
sau vibraţii, etc.);
•
•
•

ieşiri analogice (tensiuni, curenţi, generatoare de funcţii);
intrări/ieşiri numerice (compatibile TTL, de tensiune ridicată c.c., c.a., comunicaţie paralelă,
comandă relee);
o intrări/ieşiri de temporizări (de frecvenţă, numărare evenimente şi temporizare, măsurări de
durate de impulsuri, generare de trenuri de impulsuri);
b.alegerea metodei de condiţionare a semnalelor:
o pentru semnalele sensibile fata de zgomote, circuitele de condiţionare (amplificări, izolare,
filtrare) pot fi grupate în module speciale, plasate între sursa de semnal şi unitatea de calcul,
având posibilitatea de a procesa concomitent un mare număr de canale;
o la aplicaţii cu număr redus de intrări şi la care pretenţiile de imunitate sunt mai reduse,
condiţionarea se poate realiza direct pe placa de achiziţie sau cu module mai puţin complexe;
o la aplicaţii care nu necesita condiţionare, aplicarea semnalelor se realizează direct, prin
elementele de conectare: plăci cu conectori, mufe BNC, alte accesorii;
c.alegerea modulului de prelucrare potrivit – se face în funcţie de precizie, frecvenţa de achiziţie,
număr de canale, repetabilitate, expandabilitate, platforma de calcul de care se dispune, adică:
o module de instrumentaţie – asigură performanţe superioare ca timpi de stabilire, precizii
garantate, viteze ridicate de eşantionare, sincronizare multiplă, număr de temporizări şi
contorizări, conectori ecranaţi;
o plăci de achiziţie de cost redus, cu număr de intrări redus şi performanţe nu prea ridicate;
o sisteme de achiziţie portabile, folosite în mijloace care se deplasează, testări ale mediului,
aplicaţii aerospaţiale, etc.;
d.alegerea cablurilor de legătură şi a accesoriilor pentru condiţionarea semnalelor: pentru precizii
bune, protecţie faţă de zgomote şi conectare sigură la modulele de instrumentaţie se recomandă
conductoare ecranate; în situaţii de precizii reduse şi cost redus se pot folosi cabluri panglică;
e.alegerea metodei software de prelucrare – se face în funcţie de platforma de calcul de care se
dispune, de tipul de magistrală cu care acesta este echipat, de funcţiile de calcul, instrumentele
virtuale necesare; fiecare firma are dezvoltate sisteme software proprii, compatibile cu produsele
hardware furnizate; se pot achiziţiona părţi de soft în funcţie de nevoi, care să acopere necesităţile
şi să fie în acelaşi timp economice.
Caracteristicile tehnice cele mai importante ale plăcilor de achiziţie sunt:
• rezoluţia de intrare - se specifică în biţi, mai exact în numărul de biţi ai convertorului analog numeric folosit. O valoare des întâlnită este 12 biţi, dar şi de 8, 10,14 sau 16. Exprimarea
rezoluţiei se poate face fie prin indicarea numărului de biţi, fie a tensiunii pe care o reprezintă
variaţia celui mai puţin semnificativ bit al codului numeric de conversie. De exemplu, pentru un
domeniu de intrare de ±5 V, la o conversie pe 12 biţi a mărimii de intrare, rezoluţia care rezultă
este:
10 V : 212 = 10 V : 4096 = 2,44 mV
Se recomandă folosirea unor plăci cu rezoluţia optim aleasă în raport cu aplicaţia căreia îi este
destinata, întrucât plăcile cu rezoluţii ridicate au preţurile în consecinţă.
• precizia intrării - nu este identică cu rezoluţia, deşi se raportează la aceasta. Depinde de
performanţele circuitelor analogice ale părţii de intrare a plăcii (convertorul analog - numeric,
amplificatorul cu câştig programabil, multiplexoarele de intrare). Poate fi exprimată prin eroarea
absolută sau relativă, în mai multe moduri, dar având acelaşi rezultat;
• viteza maximă de eşantionare, exprimată în număr de eşantioane/secundă (kes./sec., Mes./sec.)
şi nu în Hz. Atunci când placa are mai multe canale de intrare, pentru a găsi viteza maximă de
eşantionare a unuia dintre canalele utilizate într-o aplicaţie, se împarte viteza maximă de
eşantionare a plăcii la numărul canalelor folosite.
Se pune problema relaţiei dintre câştig şi viteză maximă de eşantionare. De regulă, aceasta este
specificată pentru acelaşi câştig stabilit pe fiecare canal. Există placi de achiziţie la care, prin
incrementarea codului de selecţie a canalelor prin multiplexor, se aplică şi amplificarea selectată
pentru intrarea respectivă.
o
o

De asemenea, la viteze ridicate de eşantionare se pune problema rezervei de memorie a
calculatorului pentru prelucrarea eşantioanelor, având în vedere şi viteza sa de lucru. Pentru
evitarea acestei dificultăţi, multe din plăcile rapide de achiziţie sunt prevăzute şi cu memorii
proprii (până la 2 Mbyte), încât viteza de lucru a calculatorului să nu devină o limitare. Vitezele de
eşantionare pot varia de la placă la placă, de la valori de zeci de kes./sec. până la valori de 1
Ges/sec.
Alţi parametri:
• domeniul de intrare al plăcii de achiziţie - trebuie pus în acord cu domeniul de variaţie al
semnalului furnizat de traductor. Există placi cu domenii fixe de intrare şi placi cu domenii de
intrare selectabile fie hard, prin comutatoare (jumperi), fie prin program. Pentru o exploatare la
maxim a posibilităţilor de conversie, este necesar ca domeniul de semnal al traductorului să fie
egal cu domeniul de intrare al plăcii;
• tipul de convertor analog - numeric - poate sa fie un criteriu important la alegerea variantei de
placa aleasa. Cele mai întâlnite convertoare sunt cele cu aproximare succesivă, cu integrare, cu
conversie tensiune - frecvenţă şi cele paralel. O prezentare comparativă a acestor tipuri este dată
în tabelul următor.
Rezoluţie
[biţi]

Imunitate
zgomot

convers. redusă

14…24

foarte bună

mediu

- cu integrare

redusă

12…18

foarte bună

scăzut

- cu aprox. succesive

medie

10…16

mică

scăzut

- paralel (flash)

foarte mare

4…8

fără

mare

Tip convertor
cu
tens./frecv.

Viteza

la

Preţ

Cele mai multe plăci de uz general au prevăzute convertoare cu aproximare succesivă. Pentru
măsurări în medii zgomotoase se folosesc cele cu conversie tensiune - frecvenţă, în timp ce plăcile
având viteze de eşantionare foarte mari sunt echipate cu convertoare paralel.
De asemenea este important şi modul de eşantionare. Semnale de triggerare pot fi folosite la
iniţierea preluării de date, la oprirea ei sau preluare de date înainte şi după un trigger. Ultimele
două moduri sunt foarte utile când cunoaşterea unei părţi a datelor este condiţionată de
producerea unui eveniment marcat de semnalele de trigger;
Modurile de transfer a datelor: la plăcile de mare viteză se impune folosirea fie a
transferului prin acces direct la memorie (DMA), fie prin metoda întreruperilor. Prin comandă
completă hardware a transferului DMA acesta a devenit extrem de rapid. În aplicaţiile de viteză
redusă metoda întreruperilor poate fi suficient de bună;
Pentru asigurarea unei independente a vitezei de preluare fata de viteza magistralei
calculatorului, plăcile rapide dispun de memorii proprii;
• registre FIFO (primul intrat, primul ieşit) sunt locaţii de memorie prevăzute pe plăcile de
achiziţie pentru stocarea temporară a mărimilor de intrare convertite. Ele constituie un tampon
între viteza ridicată de conversie şi viteza la care calculatorul poate prelua eşantioanele de pe
placă. Funcţionarea lor nu permite suprapunerea sau pierderea de date;
• intrări/ieşiri numerice - este funcţia fără conversii analog - numerice cel mai des prezentă. Ea
permite conectarea plăcii la surse de semnal numeric, respectiv la dispozitive de ieşire numerice.
Foarte multe placi au prevăzute interfeţe pentru semnale TTL. Chiar şi astfel de plăci au totuşi
circuite de condiţionare a semnalelor, permiţând lucrul cu o mare varietate de semnale;
• ieşiri analogice - sunt folosite pentru generarea de tensiuni de excitaţie, comenzi pentru alte
dispozitive, generarea de forme de undă, simulări de ieşiri ale altor echipamente. Ieşirile analogice

au aceleaşi caracteristici ca şi intrările analogice (rezoluţia în biţi, viteza eşantioanelor în
eşantioane/sec, etc.);
• intrări/ieşiri de numărare / temporizare - este o funcţie prezentă la foarte multe plăci.
Circuitele de temporizare sunt utilizate pentru a face mai precisă preluarea de eşantioane la
intrările sau ieşirile analogice, dar şi la măsurarea frecvenţei, numărarea unor evenimente,
măsurarea unor intervale de timp, întârzieri sau la generarea de frecvenţe de ieşire cunoscute.

Fig.4.16.
Schema bloc a unei plăci de achiziţie de cost redus – Lab-PC+ - se dă în fig. 4.16 şi se pot regăsi
etajele amintite anterior.
4.6.2. SAD cu un singur canal (monocanal)
Este varianta cea mai simplă, conţinând un singur CAN şi având schema minimală din fig.4.17,
în care:
• CAN – convertor analog-numeric;
• MT- memorie tampon;
• DC – dispozitiv comandă.
Frecvenţa maximă a semnalului de intrare, la care variaţia semnalului de intrare pe durata unui
ciclu de conversie Tc nu depăşeşte 1 LSB (Last Significant Bit- bit de semnificaţie minimă - engl.),
pentru a evita erori grosolane, este:
f max ≤

2 −( N +1)
πTc

unde N este numărul de ranguri binare al convertorului, Tc durata conversiei.

(4.19)

Fig.4.17.
Sistemele cu conversie directă se folosesc când semnalul analogic ar trebui transmis printr-un
mediu cu perturbaţii puternice şi se amplasează direct lângă sursa de semnal.
4.6.3. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi memorare

Fig.4.18.
Aceste circuite asigură o creştere a vitezei de variaţie admise a semnalului supus conversiei, fără
diminuarea preciziei.
În fig. 4.18:
• PA – preamplificator;
• CEM – circuit de eşantionare – memorare.
Între două conversii succesive, CEM urmăreşte variaţiile semnalului de intrare. Înainte de iniţierea
conversiei, CEM este trecut în starea de memorare în care oferă la ieşire valoarea momentană a
semnalului de intrare de la sfârşitul etapei de urmărire. Starea de memorare se menţine pe toata
durata conversiei. Astfel precizia CAN nu este afectată, indiferent de viteza de variaţie a
semnalului de intrare şi de tipul de CAN folosit.
La eşantionare cu o frecvenţă prea scăzută, în semnalul rezultat apare o componenta de JF
supărătoare, denumită semnal alias, şi care trebuie rejectat, prin filtrare.
14. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare.
Sisteme de achiziţie multicanal. Modalităţi de conectare a semnalelor la SAD. Tehnici de
condiţionare a semnalelor
4.6.4. Sisteme de achizitie multicanal
4.6.4.1 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor convertoarelor cu un singur canal
Este un sistem paralel (fig.4.19), pentru fiecare sursa de semnal se utilizează câte un CAN, care nu
ridică în mod deosebit preţul.
PA – preamplificator;
P – procesor;
Avantaje faţă de sistemele cu multiplexare analogică:
• se pot folosi şi CAN mai puţin rapide, chiar pentru o viteză dorită mare de achiziţie;
• permit conversia locală, la locul de amplasare a traductoarelor, informaţia fiind ulterior
transmisă sub formă numerică, mai imună la perturbaţii;
• posibilitatea unei separări galvanice mai uşoare a sursei de semnal împreună cu CAN aferent,
faţă de restul sistemului;
• incluzând un bloc procesor local, datele numerice de pe fiecare canal pot fi prelucrate înainte de
a fi multiplexate şi transmise.

Fig.4.19.
4.6.4.2 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor CEM
Există aplicaţii în care e necesară achiziţionarea simultană, din mai multe puncte de măsurare, a
unor date, intr-un timp relativ scurt. Schema care corespunde cel mai bine acestor cerinţe este se
dă în fig. 4.20.

Fig.4.20.
Sursele de semnal analogic sunt conectate la câte un CEM. Comanda de trecere în starea
de memorare este data simultan pentru toate CEM, după care ieşirile acestora sunt multiplexate la
intrarea CAN. Multiplexarea se poate face secvenţial sau cu adresare aleatoare. CEM trebuie să
aibă o stabilitate foarte bună a tensiunii memorate, având în vedere numărul de canale
multiplexate (timp lung de multiplexare).
4.6.4.3 SAD cu multiplexarea intrarilor CEM
Este o structură mai simplă decât cea anterioară - fig. 4.21.

Fig.4.21.
Sursele de semnal sunt multiplexate la intrarea CEM, care va retine, de fiecare dată,
valoarea unui singur eşantion în vederea conversiei. Pentru a optimiza timpul de achiziţie,

comutarea la următorul canal are loc pe durata stării de memorare a CEM pentru canalul
precedent (conversie), la sfârşitul căreia circuitul CEM este comandat în starea de eşantionare,
pentru preluarea semnalului canalului următor, deja comutat.
Sistemul este mai lent decât precedentele, dar mai ieftin.
4.6.4.4 SAD cu multiplexarea semnalelor de nivel scazut
Cea mai simplă, dar şi cea mai puţin performantă schemă de SAD este cea denumită cu
multiplexarea semnalelor de nivel scăzut. Simplificarea constă în utilizarea unui singur
amplificator instrumental, în loc de a folosi câte unul pentru fiecare sursă de semnal – fig.4.22.
Uneori amplificatorul instrumental este prevăzut cu amplificare programabilă, pentru a valorifica
eficient rezoluţia CAN (nivelul maxim al semnalului la intrarea CAN, pentru orice sursă de semnal,
să fie apropiat de limita superioară a domeniului de intrare al CAN).

Fig.4.22.
Inconvenient: efect important al perturbaţiilor (semnal analogic mic, de la surse diferite). La
perturbaţiile proprii, fiecărui canal i se adaugă: influenţa semnalului util, dar mai ales a
perturbaţiilor de mod comun dintr-un canal asupra canalelor învecinate. Este necesară ecranarea
individuală a conductoarelor aferente fiecărui canal şi intercalarea de filtre, aplicaţiile fiind lente.
4.6.5. Modalităţi de conectare a semnalului la SAD
Precizia şi sensibilitatea ridicată a unui SAD cuplat la calculator impun o preocupare
permanentă de a elimina influenţa tensiunilor perturbatoare asupra procesului de măsurare. Dacă
semnalele digitale, prin natura lor discretă, sunt relativ imune la zgomot, semnalele analogice pot
fi influenţate chiar de tensiuni perturbatoare de nivel redus.
Suprapunerea zgomotului peste semnalul util măsurat se realizează prin cuplaj
capacitiv(cablu de semnal amplasat în apropierea cablului de alimentare de la reţea), cuplaj
inductiv(comutarea unor curenţi mari în apropierea cablului de semnal) sau cuplaj ohmic(bucle de
masă).
Cuplajul capacitiv este o modalitate importantă de apariţie a tensiunilor perturbatoare de
mod comun cu frecvenţa reţelei. Tensiunea de mod comun Vcm este indusă în circuitul perturbat B
de câmpul electric perturbator generat de reţeaua electrică A (fig. 4.23)
Circuitul
perturbat B

Reţeaua A

VR

CAB

Z Vcm

Reţeaua A

VR

Ecran

C AE

Circuitul
perturbat B

C BE
ZE

Z Vcm

Fig. 4.23.

Fig. 4.24.

Mărimea semnalului perturbator va depinde de reactanţa X AB a capacităţii reţea-circuit şi
de impedanţa Z faţă de masă a circuitului perturbat, conform expresiei:
V cm =

VR
⋅Z ,
Z − j ⋅ X AB

(4.20)

X AB = 1/ ω ⋅ C AB .

unde

(4.21)

Prin VR şi ω au fost notate tensiunea şi respectiv pulsaţia reţelei.
Prin ecranarea circuitelor de semnal se poate reduce mult valoarea tensiunii perturbatoare
induse. Efectul util al ecranului rezultă din analiza cazului prezentat în figura 4.24. Dacă
impedanţa Z E în raport cu masa a ecranului care separă circuitul perturbat de reţea este mică,
astfel încât nodul comun al capacităţilor C AE şi C BE să poată fi considerat, practic, conectat la
masă, tensiunea Vcm este neglijabilă.
Cuplajul inductiv poate fi mult atenuat prin separarea cablurilor de semnal ale
traductoarelor de intrare de cablurile de forţă, în etapa de proiectare a SAD şi folosirea cablului
ecranat sau a perechilor de conductoare torsadate pentru conectarea semnalului la SAD.
Apariţia tensiunilor de mod comun prin cuplaj ohmic este caracteristică situaţiei în care
atât traductorul, cât şi circuitele electronice de prelucrare a semnalului au câte un punct conectat
local la masă. Datorită căderilor de tensiune produse de curenţii care circulă pe traseul de masă,
este posibilă apariţia tensiunii Vcm , ca în figura 4.25, care acţionează ca o tensiune de mod comun.
Mărimea ei depinde de distanţa dintre traductor şi blocul electronic.
Această tensiune de mod comun poate fi eliminată prin evitarea legăturii CD la masă. Masa
circuitelor electronice şi ecranul conductoarelor de semnal se conectează la masă prin legătura
AB. O conexiune cu totul nerecomandată este cea în care ecranul cablului coaxial cu un singur
conductor, sau unul din fire (dacă nu se foloseşte cablu coaxial), este legat în două puncte diferite
la masă.
Măsurarea semnalelor de tensiune flotante cu intrările amplificatorului operaţional
neconectate la masă, este necesară introducerea unei rezistenţe de polarizare între fiecare din
intrări şi masă. Valorile rezistenţelor se aleg în domeniul 10 KΩ...100 KΩ.
Traductor

Conductoare de legătură
ecranate

Circuite placă

+
_
A

C

B
Vcm

D

Fig. 4.25.
Alte modalităţi de reducere a influenţei tensiunilor perturbatoare de mod comun sunt
sugerate pe baza evaluării cantitative a efectului acestor tensiuni asupra semnalului prelucrat.
Vom considera circuitul din figura 4.26 în situaţia în care tensiunile de semnal date de traductor
sunt nule, iar Z1 şi Z 2 sunt impedanţele prin care poate fi echivalat traductorul între masă şi
bornele de ieşire. Modelul adoptat pentru cablul ecranat este dat în figura 4.26, iar schema
echivalentă simplificată a intrării în acest caz este dată în figura 4.27.

Traductor

A
Z1

V
cm

C

Z1A

Z 2A

Z2
Z1B

A

Circuite placă

Model cablu

Z1

+

B _

C
Vcm

Z 2B

ZA

Ri

Ci

Z2

ZB

B

Fig. 4.26.

Fig. 4.27.

Impedanţele Z1A si Z1B sunt de natură inductivă, în timp ce Z 2A si Z 2B sunt de natură
capacitivă. La frecvenţele tensiunii de mod comun , Vcm , impedanţele Z1A si Z1B se pot neglija în
raport cu Z1 şi Z 2 , iar Z 2A si Z 2B se echivalează cu Z A , respectiv Z B , care reprezintă impedanţele
de izolaţie între bornele de intrare A, respectiv B, şi masă.
R i şi C i reprezintă componentele impedanţei de intrare a blocului electronic. Cum Z i >>
Z1 , Z 2 , la frecvenţa tensiunii de mod comun, se neglijează efectul impedanţei de intrare Z i , prin
eliminarea ei din circuit.
Putem scrie acum pentru circuitul din figura 4.27 expresia tensiunii de mod comun între
nodurile de intrare A şi B:
V AB =

ZA
ZB
⋅V cm −
⋅V cm ,
Z1 + Z A
Z2 +ZB

(4.22)

de unde rezultă:

V AB =

Z A ⋅ Z 2 − Z B ⋅ Z1
⋅V
( Z1 + Z A ) ⋅ ( Z 2 + Z B ) cm

(4.23)

Folosind notaţia Z 2 - Z1 = Z şi înlocuind în expresia (4.23) vom obţine:

 Z2 ⋅ ( Z A − ZB )

Z ⋅ ZB
V AB = 
+
 ⋅ Vcm
 ( Z1 + Z A ) ⋅ ( Z 2 + Z B ) ( Z1 + Z A ) ⋅ ( Z 2 + Z B ) 

(4.24)

unde primul termen din paranteză este neglijabil faţă de al doilea pentru că Z A şi Z B se presupun
de valori apropiate. Tensiunea Vcm va avea valoarea maximă când termenul al doilea din
paranteză este maxim. Acest lucru se realizează atunci când Z = Z 2 , respectiv Z1 = 0. Cu această
condiţie şi neglijând la numitor termenii Z1 şi Z 2 faţă de Z A şi Z B , rezistenţele de izolaţie având
valori foarte mari, obţinem:
V AB

max

=

Z2
⋅V cm
ZB

(4.25)

Din această relaţie rezultă că influenţa perturbatoare a tensiunii de mod comun este cu atât
mai mare cu cât impedanţa de izolaţie Z B este mai redusă şi cu cât asimetria circuitului
traductorului în raport cu punctul C este mai mare.
Condiţia ca impedanţele de izolaţie să fie cât mai mari se poate realiza practic prin
gardarea intrărilor amplificatorului operaţional, pentru că circuitul imprimat pe care se află
montate dispozitivele electronice determină de cele mai multe ori apariţia unor curenţi de pierderi
între noduri de potenţiale diferite. Inelul de gardă este realizat în jurul bornelor amplificatorului

de intrare în blocul electronic şi este conectat la un potenţial apropiat de cel al liniilor de semnal,
printr-un circuit cu impedanţă scăzută de ieşire. Astfel, inelul de gardă îndeplineşte şi rolul de
ecran.
Se recomandă evitarea traductoarelor care solicită conectarea obligatorie la masă şi
crearea unei impedanţe de valoare cât mai ridicată între traductor şi masă.
Dar cea mai bună metodă de înlăturare a tensiunilor de mod comun o constituie
întreruperea buclei perturbative cu transformatoare neutralizatoare, optocuploare sau
amplificatoare de instrumentaţie izolatoare. Aceste dispozitive întrerup bucla de curent prin
separare galvanică, una din funcţiile generale de condiţionare a semnalelor.
4.6.6. Tehnici de condiţionare a semnalului
Blocul de condiţionare a semnalelor primite de la traductoare este un element foarte
important în construcţia unui SAD. Calitatea semnalului care ajunge la unitatea de conversie de
date depinde de modul de prelucrare a semnalului în unitatea de condiţionare. Acesta presupune
conversia curent-tensiune, scalare, filtrare, izolare, amplificare, multiplexare, etc.
Pentru traductoarele care furnizează la ieşire un semnal de curent unificat 4-20 mA,
conversia curent-tensiune se face simplu, prin introducerea unei rezistenţe de precizie în bucla de
curent. Pentru a obţine rezoluţia maximă se alege o valoare de rezistenţă cât mai mare, astfel încât
să nu se depăşească domeniul maxim specificat al tensiunii de intrare. Astfel, pentru valorile
uzuale de 250 Ω, respectiv 500 Ω, şi pentru semnalul de curent specificat mai sus, se obţin
domeniile de tensiune de 1…5 V, respectiv 2…10 V. Valoarea exactă a rezistenţei nu este foarte
importantă, pentru că se mai pot face corecţii prin soft, dar stabilitatea acestei valori este un
parametru esenţial. Se folosesc de obicei rezistenţe cu peliculă metalică cu o toleranţă de 0,1%.
Această metodă este totuşi limitată pentru valori mari ale curentului din buclă. Pentru
măsurarea unui curent maxim de 1µA ar fi necesară o rezistenţă de 5 MΩ, iar erorile de măsurare
ar fi inacceptabile, datorită zgomotului şi a circuitului care preia tensiunea rezultată pe rezistenţă.
Problema se rezolvă prin folosirea configuraţiei de măsură din figura 4.28, în care amplificatorul
operaţional are FET-uri pe intrări, iar tensiunea este preluată de la ieşirea amplificatorului
operaţional.

I IN

_

VOUT

+
OPA 111
_
VOUT = I IN . R

Fig. 4.28.

R

R

R
semnal
intrare

R*
R
R*

C

C
R
C

C

Fig. 4.29.

Având în vedere că pentru circuitul OPA 111 curentul maxim pe intrări este de 1pA,
configuraţia din figură permite măsurarea curenţilor mai mari de 10pA, cu precizie foarte bună.
Acelaşi circuit integrat se poate folosi pentru a obţine o impedanţă foarte mare de intrare, prin
conectarea lui ca repetor (tensiunea de intrare se aplică pe intrarea neinversoare, iar intrarea
inversoare se conectează la ieşire). Din necesitatea polarizării corecte a intrărilor se conectează
de la intrarea neinversoare la masă o rezistenţă de valoare: R = 1mV / 1pA =109 Ω , acceptând o
eroare maximă de 1mV. Se alege o valoare mai mică de 109 Ω . De exemplu, un senzor pentru
citirea ph-ului cu o impedanţă de 500 MΩ şi o tensiune maximă de ieşire de 50mV se poate conecta

direct, fără altă rezistenţă la intrarea circuitului repetor. La ieşire se obţine aceeaşi tensiune, dar
cu rezistenţa internă de 100Ω, rezistenţa de ieşire a amplificatorului operaţional.
Semnalul preluat de la traductor trebuie de obicei amplificat înainte de a ajunge la blocul
de conversie. Prin scalare se înţelege amplificarea semnalului astfel încât valoarea lui maximă vârf
la vârf să acopere domeniul tensiunilor de intrare ale blocului de conversie A/D. Cele mai
frecvente domenii de tensiune sunt: 0…10V, ± 5V sau ± 10V. De obicei circuitele amplificatoare
au amplificări programabile prin soft sau prin jumperi. Pot exista situaţii în care semnalele de
intrare depăşesc domeniul şi atunci condiţionarea presupune atenuarea semnalelor cu ajutorul
unui atenuator rezistiv compensat.
În blocul de condiţionare a semnalelor există de obicei filtre pasive trece-jos cu unul sau cu
doi poli. În figura 4.29 s-a reprezentat un filtru trece jos, diferenţial, cu doi poli. Rezistenţele R ∗ au
fost introduse pentru polarizarea în curent continuu a intrărilor circuitelor de amplificare. Orice
asimetrie în valorile componentelor din cele două ramuri ale filtrului înrăutăţeşte rejecţia tensiunii
perturbatoare de mod comun. Frecvenţa de tăiere este:
f = 0,03 / ( R ⋅ C )

(4.26)

iar raportul de atenuare Vin / Vout la o frecvenţă dată fx , este:
Vin  f x ⋅ R ⋅ C 
=
+ 1
Vout  0,088



2

(4.27)

Performanţe superioare se obţin folosind filtre active cu mai mulţi poli. O metodă eficientă
de filtrare este medierea software a semnalelor zgomotoase. Pentru fiecare valoare de tensiune
măsurată sistemul face un număr mare de citiri (de exemplu 100) şi calculează o valoare medie.
Tehnica izolării semnalelor analogice culese este larg folosită pentru că oferă protecţia
blocurilor electronice la apariţia accidentală a unor supratensiuni pe intrări, dar elimină şi buclele
de masă. Izolarea, sau separarea galvanică, se realizează prin cuplaj capacitiv, inductiv sau optic.
Pentru circuitele de izolare realizate cu componente discrete, performanţele cele mai bune erau
asigurate de cuplajul prin transformator, dar soluţia era şi cea mai scumpă. La ora actuală există
amplificatoare de izolaţie integrate cu performanţe de excepţie, cum sunt circuitele din seria ISO
ale firmei Burr - Brown:
13
- circuitul 3656 foloseşte cuplajul magnetic, are o impedanţă de izolaţie de 10 Ω 6 pF , o
tensiune maximă admisă pe bariera de izolare de 8 KV cc şi o rejecţie a modului izolat de 112 dB,
la 60 Hz.
- circuitul ISO 100 foloseşte cuplajul optic, are aceeaşi impedanţă de izolaţie ca 3656,
tensiunea maximă de izolaţie de 2, 5 KVcc şi rejecţia modului izolat mai mare de 108 dB.
15
- circuitul ISO 122 foloseşte cuplajul capacitiv, are impedanţa de izolaţie de 10 Ω 2 pF ,
tensiunea maximă de izolaţie de 2, 4 KV valoare efectivă şi rejecţia modului izolat mai mare de
140 dB.
O placă de achiziţie tipică are între 8 şi 16 intrări analogice şi între 8 şi 24 linii de
intrare/ieşire numerice. Prin multiplexare externă numărul de canale de intrare/ieşire poate fi
extins la câteva sute sau chiar mii. Modul de citire a canalelor se face prin soft, funcţie de natura
semnalelor citite, pentru o achiziţie corectă a lor. Un semnal de temperatură poate fi citit mai rar
decât un semnal proporţional cu forma de undă a tensiunii din reţea.
Şi semnalele numerice se condiţionează prin folosirea unor limitatoare cu diode Zener, sau
porţi trigger Schmitt, pe intrări, respectiv optocuploare sau relee, pentru semnalele traductoarelor
de ieşire.
Toate firmele producătoare de SAD realizează blocul de condiţionare a semnalelor sub
forma unui sertar amplasat cât mai aproape de traductoare. Sertarul conţine module specializate
care realizează diverse funcţii de condiţionare a semnalului. De la sertar, semnalele amplificate şi

izolate sunt trimise spre placa de achiziţie amplasată în calculator. O structură reprezentativă de
condiţionare de semnal analogic din seria PCI-5B de la firma Intelligent Instrumentation este dată
în figura 4.30.
COMPENSARE
JONCŢIUNE
RECE

SENZOR DE
TEMPERATURA

REFERINŢĂ
DE PRECIZIE
FILTRU
TRECE JOS

_ IN

PROTECŢIE
SUPRATENSIUNE

+IN

FILTRU

_V

TRECE JOS

NC

V

out

+V

CONVERTOR

CC/CC
AMPLIFICATOR
DE IZOLAŢIE
+V

SURSĂ DE
ALIMENTARE
IZOLATĂ

+ 5V
OSCILATOR
DE PUTERE

Fig. 4.30.
Firma National Instruments numeşte blocul de condiţionare a semnalelor, sistem SCXI.
Există o mare varietate de module SCXI: de exemplu, SCXI-1120 este un amplificator de izolaţie cu
8 canale separate. Fiecare canal conţine câte un amplificator de izolaţie cu câştig programabil de
până la 2000 şi câte un filtru trece jos configurabil pentru frecvenţe de tăiere de la 4Hz la 10KHz.
Modulul SCXI-1121 este un amplificator de izolaţie pe 4 canale. Fiecare canal are sursă proprie
de excitaţie, configurabilă în tensiune sau curent şi câte o punte de măsură pentru mărci
tensometrice.
Pentru condiţionarea semnalelor, firma Analogic Corporation a realizat o familie de
module care comunică cu orice sistem de calcul (PC sau altceva) prin intermediul interfeţelor
seriale standard RS-232 sau RS-485. Pe o singură linie serială se pot conecta până la 124 module,
amplasate la o distanţă de până la 1200 m de calculatorul central. Modulele D-1000/D-2000
primesc semnale de la traductoare, realizează conversia A/D, apoi o eventuală prelucrare a
datelor numerice şi transmiterea lor pe serială spre o unitate de calcul. Rezoluţia pe intrări este de
15 biţi. Eventuale condiţii de alarmă sau date despre protocolul de comunicaţie serială se
stochează într-o memorie EEPROM existentă pe modul. Modulele D-1000 au funcţie de transfer
fixă, în timp ce modulele D-2000 permit obţinerea unor funcţii de transfer neliniare, programabile
de utilizator. Modulele D-3000/D-4000 sunt destinate generării unor semnale de ieşire analogice,
pentru comanda traductoarelor de ieşire. Rezoluţia conversiei D/A este de 12 biţi. D-4000 sunt
module care oferă posibilitatea programării parametrilor semnalelor generate (slew-rate, scalare,
recitirea prin reacţie a semnalului generat la ieşire, etc.).
Aceste module ale firmei Analogic sunt de fapt veritabile SAD-uri, deşi catalogul le
defineşte ca module de condiţionare a semnalelor.
15. Senzori şi traductoare. Măsurarea. Noţiuni generale
5.1. Măsurarea. Noţiuni generale
Măsurarea este operaţia de comparare a două mărimi de aceiaşi natură în scopul
constatării de câte ori unitatea de măsură se cuprinde în mărimea de măsurat.
Operaţia de măsurare este caracterizată de relaţia :
M = Mi • U
(5.1)
unde: M-mărimea de măsurat, Mi-multiplu al unităţii de măsură, U-unitatea de măsură.
Mărimea de măsurat este un parametru fizic sau chimic care poate fi evaluat prin
măsurare, comparare sau reperare şi exprimat numeric.

Unitatea de măsură este mărimea care serveşte ca măsură de bază pentru toţi parametrii de
acelaşi fel. Materializarea fizică a unităţii de măsură este etalonul.
In mod ideal o operaţie de măsurare definită de relaţia (5.1) poate fi reprezentată prin
schema bloc din figura 5.1.

Figura 5.1
În fig.5.1: ES- elementul sensibil al elementului de măsurare; e = x-variabila de ieşire care
interesează.
Cele trei elemente: procesul (mediul), elementul de măsurare şi dispozitivul de redare
constituie sistemul de măsurare.
Dacă nu există perturbaţii, rezultatul măsurării depinde numai de valoarea mărimii de
măsurat (M) şi unitatea de măsură ( U ).Deci : Mi = f(M, U)
Observaţie: operaţia de măsurare ideală este un sistem de transmitere a unei informaţii
într-un singur sens, semnalul final rezultând la dispozitivul de redare.
In practică, există o serie de mărimi de perturbaţie şi reacţii inverse care provoacă erori de
măsurare. Erorile de măsurare depind de variaţia în timp a mărimilor de perturbaţie existente.
La o măsurare reală schema bloc este mult mai complicată (figura 5.2):

Figura 5.2
Un sistem de măsurare poate fi utilizat :
1. numai în scopul măsurării, rezultatul apărând direct la dispozitivul de redare.
2.ca element component într-un dispozitiv de automatizare sau de conducere, când se pune
problema ca variabila de ieşire să fie menţinută la o anumită valoare, când la dispozitivul de
redare apare un semnal analogic denumit mărime de reacţie ( r ).
Toate perturbaţiile şi reacţiile interne care acţionează asupra elementului de măsurare
conduc la eronarea rezultatului măsurării.
1.Perturbaţiile externe z i pot să se suprapună peste semnalul de măsurare apărând sub diferite
forme: câmp electric sau magnetic extern, modificarea temperaturii, presiunii, umidităţii mediului
ambiant în care se află elementul de măsurare, deplasarea nulului activ al scalei, etc. putând
acţiona şi în zona în care se află ES.
2. Perturbaţiile interne apar la elementul de măsurare sub forma jocurilor elementelor mobile în
lagăre, frecări în articulaţii, histereză, intervalul de insensibilitate, etc.

3. Reacţiile inverse apar ca semnale cu un anumit conţinut informaţional care au sensul de
propagare invers faţa de sensul informaţiei utile de la ES la elementul de redare. Acestea apar mai
ales când se măsoară presiuni sau temperaturi.
Pentru un anumit sistem de măsurare, o analiză a sensibilităţii poate stabili care mărime de
perturbaţie influenţează prin variaţia ei rezultatul măsurării. Se poate stabili o ierarhizare a
mărimilor de perturbaţie funcţie de influenţa acestora asupra rezultatului măsurării deoarece orice
sistem de măsurare poate fi considerat ca un sistem multivariabil.
 Clasificarea erorilor de măsurare
Erorile de măsurare în operaţia de măsurare apar datorită acţiunii perturbaţiilor interne şi
externe cât şi datorită reacţiilor inverse.
Eroarea absolută, notată cu ∆Mi exprimă abaterea rezultatului măsurării Mi faţă de
valoarea mărimii de măsurat Mo care ar fi indicată de un aparat de măsurare ideal :
∆Mi =Mo -Mi
(5.2)
Eroarea relativă ε se defineşte ca raportul dintre eroarea absolută şi rezultatul măsurării:
ε = ∆Mi / Mi = (Mo -Mi )/ Mi *100 %
(5.3)
Termenul de corecţie C reprezintă acea valoare numeric egală cu valoarea absolută, dar
de semn schimbat :
C = -∆Mi = Mi -Mo
(5.4)
Utilizarea termenului de corecţie este importantă deoarece astfel se compensează, într-o
anumită proporţie influenţa mărimilor de perturbaţie.
Deoarece nu se cunoaşte valoarea adevărată M i a mărimii de măsurat, de cele mai multe
ori nu se cunoaşte nici ∆Mi. Din acest motiv una din cele mai importante probleme ale prelucrării
matematice a rezultatelor măsurărilor este estimarea adevăratei valori a mărimii măsurate sau
estimarea unei valori pentru Mi cât mai apropiată de Mo.
Valoarea aproximativă a mărimii de măsurat cu o eroare cât mai mic posibilă se poate
determina prin calcul matematic aplicat asupra unui şir de valori măsurate, fiecare din acestea
fiind afectată de o eroare necunoscută. Metoda de prelucrare a şirului de valori măsurate
utilizează calcule statistice, de probabilitate şi de foarte multe ori de regresie (ca de exemplu
metoda celor mai mici pătrate ).
Erorile de măsurare se încadrează în două clase:
a) erori statice
Erorile statice apar în cazul măsurării unor mărimi invariabile în timp.
b) erori dinamice
Erorile dinamice apar la măsurarea unor mărimi variabile în timp, depinzând în mare
măsură atât de valoarea momentană a mărimii de măsurat cât şi de variaţia în timp a acesteia.
Erorile statice se clasifică în funcţie de cauzele care le produc în :
1. erori întâmplătoare;
2. erori grosolane;
3. erori sistematice.
1. Erorile întâmplătoare se datorează modificării condiţiilor exterioare sau acţiunii unor
mărimi de perturbaţie exterioare accidentale. Caracteristica principală a acestor erori constă în
faptul că acestea diferă între ele atât ca mărime cât şi ca semn, fără a rezulta din înşiruirea datelor
vreo regulă sistematică de ordonare. Aceste erori se repartizează după legi statistice ca de
exemplu curba lui Gauss. In marea majoritate a situaţiilor mărimea adevărată a erorii
întâmplătoare rămâne necunoscută deoarece rămâne necunoscută valoarea adevărată a mărimii
măsurate.
2. Erorile grosolane intervin atunci când se manifestă neglijenţe fie în realizarea condiţiilor
de măsurare fie în aplicarea corectă a metodelor de măsurare. Aceste erori sunt momentane şi
foarte uşor de descoperit deoarece sunt incomparabil mai mari decât erorile întâmplătoare.
3. Erorile sistematice apar în mod sistematic în timpul operaţiei de măsurare şi se clasifică
în două clase :
-după sursa de apariţie;

-după aspectul analitic.
In practică apar:
-erori instrumentale provenite din defecte ale aparatelor (element de măsurare sau dispozitiv de
redare);
-erori personale datorate organelor de simţ care percep diferit auditiv şi vizual semnalul de ieşire;
-erori datorate metodei nepotrivite de măsurare.
Erorile sistematice au o acţiune unilaterală şi deosebit de periculoasă prin efectul lor
cumulativ asupra operaţiei de măsurare, motiv pentru care trebuie eliminate.
Erorile dinamice au cauze multiple. Astfel forţele masice, sistemele de amortizare,
capacităţile calorice a părţilor componente a aparaturii mecanice, condensatorii şi rezistenţele
ohmice sunt câteva surse de erori dinamice.
Aceste erori sunt mai mari dacă în componenţa instalaţiei de măsurare intră elemente de
reglare cu timp mort. Din această categorie fac parte analizoarele de gaze şi lichide care trebuiesc
montate la o anumită distanţă de utilaj sau instalaţie, conductele de legătură sunt elemente de
întârziere pură ce introduc timpi morţi în comportarea dinamică a acestor echipamente.
 Caracteristicile instalaţiilor de măsurare
Instalaţiile de măsurare prezintă următoarele caracteristici :
-statice ;
-metrologice;
-tehnice;
-dinamice.
Caracteristicile statice sunt :
-domeniul de măsurare;
-limita de supraîncărcare;
-limita de siguranţă;
-constanta sistemului de măsurare;
-caracteristica statică de etalonare.
Domeniul de măsurare este domeniul de valori ale mărimii de măsurat pentru care erorile
de măsură sunt reglementate prin norme legale individuale.
Limita de supraîncărcare este valoarea maximă a mărimii de măsurat pentru care după
revenirea în limitele domeniului de măsurare nu se modifică caracteristicile statice sau dinamice
ale elementului de măsurare.
Limita de siguranţă este valoarea maximă admisibilă a mărimii de măsurat la care poate fi
expus elementul de măsurare fără a fi distrus, cu toate că apar modificări ireversibile a
caracteristicii statice a acestuia.
Constanta de măsurare este raportul dintre valoarea mărimii de măsurat şi valoarea citită
pe scala aparatului. Valoarea mărimii măsurate se obţine înmulţind indicaţia obţinută cu constanta
de măsurare. In practică pot să apară 2,3 scale pentru domenii diferite de valori ale aceluiaşi
parametru.
Caracteristica statică este dependenţa redată grafic, matematic sau tabelar dintre indicaţia
aparatului şi mărimea măsurată.
Caracteristicile metrologice sunt :
-precizia;
-justeţea;
-fidelitatea;
-sensibilitatea;
-pragul de sensibilitate;
-domeniul de histereză.
Precizia reflectă gradul de exactitate al rezultatelor măsurărilor. Cea mai utilizată formă
de exprimare a preciziei este cea ca un raport între valoarea absolută maximă ∆Mi şi valoarea
domeniului de măsurare. Acest raport se numeşte eroare de bază relativă şi se exprimă în procente.

Clasa de precizie reprezintă de fapt mărimea erorii de bază relativă iar precizia erorii de bază
relativă exprimată procentual. Elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate sunt
exprimate în erori absolute sunt repartizate în clase de precizie cărora le sunt atribuite numere de
ordine. Cele mai mari numere desemnează elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate
sunt cele mai mari.
Justeţea este proprietatea de a da rezultate apropiate de valoarea adevărată a mărimii de
măsurat.
Fidelitatea se referă la proprietatea unui element de măsurare de a avea variaţii cât mai
mici ale rezultatului la variaţia repetată a aceleiaşi mărimi în condiţii identice de măsurare.
Sensibilitatea este proprietatea de a percepe şi a reda variaţii cât mai mici ale mărimii de
măsurat. In cadrul elementelor de măsurare cu caracteristica statică liniară, sensibilitatea este
chiar panta caracteristicii statice care este egală cu raportul dintre variaţia indicaţiei scalei
dispozitivului de reglare şi variaţia corespunzătoare a mărimii de măsurare M.
Pragul de sensibilitate se defineşte ca cea mai mică valoare a mărimii de măsurat M pentru
care se obţine o variaţie sesizabilă la indicaţia dispozitivului de redare.
Domeniul de histereză este diferenţa maximă a valorilor indicaţiei dispozitivului de redare
care se obţine pentru aceleaşi valori a mărimii de măsurat M, dacă la această valoare se ajunge
printr-o variaţie lentă crescătoare sau descrescătoare a mărimii de măsurat M.
Caracteristicile tehnice sunt determinate de principiul de funcţionare, formă, gabarit şi
modul în care influenţează măsurarea factorii perturbanţi. Aceste caracteristici sunt :
-stabilitate;
-inerţie;
-generalitate;
-fiabilitate.
Stabilitatea constă în menţinerea calităţii metrologice în timp, indiferent de condiţiile
externe.
Inerţia reflectă modul în care elementul de măsurare răspunde în timp la variaţia mărimii
de măsurat
Generalitatea este caracteristica unui element de măsurare de a putea fi înlocuit în
determinări similare cu echipamente de acelaşi fel cu aceleaşi caracteristici metrologice şi tehnice.
Fiabilitatea este proprietatea care se exprimă prin probabilitatea ca un element de
măsurare să-şi îndeplinească funcţia impusă în anumite condiţii prescrise în cursul unei perioade
de timp date.
Cei mai importanţi parametrii ce caracterizează fiabilitatea şi care trebuiesc precizaţi
pentru un element de măsură sunt :
-durata de viaţă : durata de timp din momentul în care aparatul iese de la fabrică până la
uzura totală;
-număr de porniri;
-timpul de reparare : timpul total afectat reparaţiilor în durata de viaţă;
-durata de bună funcţionare exprimată prin suma timpilor de bună funcţionare;
-mentenabilitatea - exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să poată fi
supravegheat, întreţinut, reparat într-o anumită perioadă de timp;
-disponibilitatea exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să fie în stare de
funcţionare în orice moment în intervalul dintre operaţiile de întreţinere planificate.
Caracteristicile dinamice sunt reflectate prin răspunsurile la semnal tip a elementelor de
măsurare. Cel mai des este utilizat răspunsul la semnal treaptă. Cel mai important indicator ce
caracterizează proprietăţile dinamice este constanta de timp T care este obligatoriu să fie inserată
în orice prospect în care este prezentat elementul de măsurare.
Constanta T reflectă întârzierea transmiterii informaţiei în interiorul instalaţiei de
măsurare de la locul în care se află montat elementul sensibil la scala dispozitivului de redare.
Dacă în structura elementului de măsurare există şi elemente de reglare de întârziere pură,
acestea trebuie să se specifice, având ca caracteristică dinamică timpul mort tm.

16. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Generalităţi. Caracteristicile
senzorilor. Măsurarea presiunii
5.2. Aparate de măsurare şi traductoare
5.2.1. Generalităţi
Aparatele de măsurare au rolul de a transforma un parametru (o mărime de o anumită
natură - fizică, chimică, etc.) într-o mărime de natură electrică, pneumatică, etc. Această
transformare s-a impus datorită avantajelor pe care le oferă semnalele electrice sau pneumatice în
ceea ce priveşte liniile de transmisie şi aparatele de măsurare utilizate. Datorită creşterii gradului
de complexitate aparatele de măsurare sunt tratate ca şi sisteme.
În cadrul dispozitivelor de automatizare, traductoarele (sistemul de măsurare) au rolul de a
transforma mărimea de ieşire e a procesului automatizat, în mărime de reacţie r. Mărimea de
reacţie r apare sub forma unui semnal informaţional, care de cele mai multe ori este de altă natură
fizică, decât mărimea de ieşire e (mărimea reglată x). În cadrul sistemelor de reglare automată,
traductoarele se află plasate pe calea de reacţie, asigurând transmiterea informaţiei la intrarea
regulatorului.
Schema bloc a unui sistem de măsurare (traductor) este redată în figura 5.3

Figura 5.3
Elementul de măsurare (M) denumit şi traductor de măsurare, este alcătuit din elementul
sensibil (M1) şi traductorul de baza (M2) şi adaptorul de intrare Ai
Elementul sensibil (M1) se află în contact direct cu mediul în care se urmăreşte variaţia
variabilei de ieşire, e. Prin intermediul elementului sensibil se transformă variaţiile variabilei de
ieşire (mărimii reglate), în variaţiile unei mărimi auxiliare. De exemplu, cu ajutorul unui
termocuplu, se transformă variaţii de temperatură, în variaţii de tensiune; prin intermediul unei
diafragme, variaţiile de debit se transformă în variaţiile unei presiuni diferenţială. De cele mai
multe ori, mărimea auxiliară care constituie semnalul de ieşire al elementului sensibil, nu este
adecvată prin natura fizică sau prin valoarea ei, pentru a fi aplicată direct elementului calculator.
Din acest motiv semnalul de ieşire trebuie supus unei prelucrări intermediare. Această operaţie o
realizează traductorul de baza (M2). Variabila de ieşire a traductorului de bază, denumită mărime
de reacţie r, este o mărime electrică (curent, tensiune, etc.).
Rolul elementului de măsurare, în cadrul dispozitivului de automatizare este de a stabili o
dependenţă univocă şi continuă între variabila de ieşire e de o anumită natură fizică şi mărimea de
reacţie r de natură electrică. În general, se urmăreşte ca dependenţa dintre r şi e să fie liniară,
astfel ca ecuaţia caracteristicii statice a elementului de măsurare să fie de forma:
r = KM . e
(5.5)
din care să rezulte că acesta este un element proporţional cu coeficient de transfer KM.
Dacă întârzierile de transmitere a semnalului de reglare în elementul de măsurare sunt
neglijabile în comparaţie cu cele ale altor elemente din circuitul de reglare, se poate admite
că, elementul de măsurare este de ordinul zero, ecuaţia comportării dinamice fiind de forma:
r(t)=KM.e(t)
(5.6)
Deoarece în elementul calculator, mărimea de reacţie r trebuie să ajungă sub forma unui
semnal electric sau pneumatic unificat (4-20 mA; 0,2-l ats.), după traductorul de bază, se
intercalează adaptorul de intrare Ai, care are rolul mai sus amintit. De multe ori se întâmplă
ca acesta să formeze cu elementul de măsurare un singur ansamblu constructiv sau să
lipsească cu totul din structura dispozitivului de automatizare, dacă traductorul de bază are ca
variabilă de ieşire un semnal unificat.

Traductoarele pot fi utilizate atât ca elemente de măsurare pentru controlul parametrilor cât
şi ca elemente componente în cadrul dispozitivelor de automatizare intercalate în sisteme de
reglare automată.
Traductoarele se pot clasifica după următoarele criterii:
1. După parametrul măsurat:
-traductoare de temperatură, presiune, debit, nivel, pH, compoziţie, concentraţie, etc.
Traductoarele îşi bazează funcţionarea pe fenomene sau proprietăţi ale materialelor care
permit transformarea unor mărimi fizice în altele cum ar fi: dilatarea corpurilor, variaţia
rezistenţei electrice, pierderea de presiune pe rezistenţe hidraulice sau pneumatice etc.
2. După natura fenomenului care stă la baza funcţionării lor.
- traductoare: electrice, pneumatice, chimice, de radiaţie etc.
Calitatea şi stabilitatea circuitelor de reglare depind în mare măsură de caracteristicile
tehnice şi metrologice ale traductoarelor. Cu cât aceste caracteristici sunt mai bune, cu atât
performanţele sistemelor de reglare automată sunt mai ridicate.
În general, traductoarele nu au întotdeauna caracteristici tehnice şi metrologice care să
satisfacă cerinţele procesului tehnologic automatizat. Din acest motiv, de cele mai multe ori, în
construcţia lor trebuie să înglobeze şi nişte elemente intermediare cum ar fi: amplificatoare,
adaptoare, montaje de compensare a influenţei unor factori perturbatori etc.
Avantajul principal al folosirii aparatelor şi metodelor electrice de măsurare a mărimilor
neelectrice constă în posibilitatea transmiterii la distanţă a rezultatelor măsurării şi a concentrării
lor într-un punct de prelucrare şi comandă.
O schemă de măsurare electrică a unei mărimi neelectrice conţine următoarele
subansamble: traductorul, circuitul de măsură, prin care semnalul electric imagine a mărimii
neelectrice este transmis la distanţă, şi aparatul indicator.
Traductorul (senzorul) este un dispozitiv convertor care transformă mărimea neelectrică x
în mărimea electrică y, mai uşor de măsurat, sau având proprietăţi de prelucrare şi comandă
superioare.
După natura funcţiei y(x), denumită caracteristica statică a traductorului (x fiind uneori
denumită mărimea de intrare a traductorului, iar y mărimea de ieşire) se diferenţiază traductoare
active şi traductoare pasive.
Traductoarele pasive fac să corespundă variaţiei mărimii neelectrice variaţia unui
parametru de circuit: rezistenţa R a unui traductor rezistiv, inductivitatea L a unui traductor
inductiv, sau capacitatea C a unui traductor capacitiv. Traductoarele rezistive, inductive sau
capacitive se mai numesc traductoare parametrice. Câteva principii de dependenţă a unor mărimi
electrice de alte mărimi, neelectrice sunt prezentate în tabelul 5.1.
Traductoarele active, sau generatoare convertesc un anumit fel de energie, termică,
mecanică, chimică, etc. în energie electrică. Având în vedere destinaţia acestor convertizatoare de
energie, esenţială este precizia corespondenţei dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire şi mai
puţin randamentul energic al conversiei. Pentru a nu perturba starea reală în punctul în care se
efectuează măsuratoarea, se impune ca energia absorbită de traductor să fie cât mai mică. Câteva
procedee, respectiv traductoare active, sunt reprezentate în tabelul 5.2.

Tabel 5.1.
Principiul de funcţionare

Traductorul

Mărimea de intrare

Mărimea de ieşire

Variaţia rezistenţei
conductoarelor cu
temperatura

Termometru cu
rezistenţă

Temperatura

Rezistenţă

Variaţia rezistenţei cu
alungirea sau cu
comprimarea
Variaţia inductivităţii
Variaţia distanţei dintre
plăcile unui condensator
Dependenţa permitivităţii
electrice de conţinutul de
apă
Principiul de funcţionare
T.e.m. generată prin
încălzirea joncţiunii a
două metale diferite
T.e.m. indusă prin
mişcarea unei bobine în
câmp magnetic
T.e.m. la bornele unei
joncţiuni semiconductoare
Polarizarea unui cristal
de quart prin deformare:
efectul piezoelectric

Mărci, doze
tensometrice

Forţe,
cupluri

Rezistenţă

Micrometru
Doză capacitivă

Deplasare
Deplasare, presiune

Inductivitate
Capacitate

Higrometru

Umiditate

Capacitate

Traductor

Mărimea de intrare

Termocuplu

Temperatura

Tensiune

Tahogenerator

Turaţie

Tensiune

Celula fotovoltaică

Iluminare

Tensiune

Doza piezoelectrică

Presiune

Tensiune

Tabel 5.2.
Mărimea de ieşire

După modul de variaţie a mărimii de ieşire traductoarele sunt: traductoare analogice, la
care semnalul de ieşire este unul continuu variabil cu mărimea de intrare, respectiv traductoare
digitale, al căror semnal de ieşire este discontinuu, de exemplu o succesiune de impulsuri care,
după un anumit cod, reprezintă modul de variaţie al mărimii de intrare.
După cum caracteristica statică y(x) este o dreaptă sau o curbă, avem de-a face cu
traductoare liniare sau neliniare.
5.2.2. Caracteristicile senzorilor
Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametrii:
domeniul de utilizare;
rezoluţia (sensibilitatea - cel mai mic increment măsurabil al stimulului);
frecvenţa maximă a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea);
acurateţea (eroarea de măsurare raportată, în procente, la întreaga scală);
dimensiunile şi masa senzorului;
temperatura de operare şi condiţiile de mediu, durata de viaţă (în ore sau număr de
cicluri de operare);
stabilitatea pe termen lung;
costul.
Majoritatea acestor caracteristici sunt precizate în fişele de fabricaţie ale senzorilor.
-

Sensibilitatea
Sensibilitatea unui senzor este definită ca panta curbei caracteristicii de ieşire sau, intrarea
minimă a parametrilor fizici care va creea o variaţie a ieşirii.

La unii senzori, sensibilitatea este definită ca parametrul de intrare cerut pentru a produce
o standardizare a schimbării ieşirii. La altele, ea este definită ca tensiunea de ieşire dată pentru
schimbarea parametrului de intrare.
Eroarea de sensibilitate
Eroarea de sensibilitate este punctul de plecare pentru panta ideală a caracteristicii curbei.
Domeniul de acoperire
Domeniul de acoperire al senzorului este maximul si minimul valorilor aplicate
parametrilor care pot fi măsurate. De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de
variatie intre –400 si +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitivă şi negativă sunt de obicei inegale.
Domeniul dinamic
Domeniul dinamic reprezintă domeniul total al variaţiei senzorului de la minim la maxim.
Precizia
Termenul de precizie se referă la gradul de reproducere al măsurătorii. Cu alte cuvinte,
dacă exact aceleaşi valori au fost măsurate de un anumit număr de ori, atunci un senzor ideal va
scoate la ieşire aceaşi valoare de fiecare dată.
Senzorii reali scot însă la ieşire valori apropiate de valoarea reală. Să presupunem că o
presiune de 150 mm Hg este aplicată unui senzor. Chiar dacă presiunea aplicată este constantă,
valorile de la ieşirea senzorului variază considerabil. Apar astfel câteva probleme din punct de
vedere al preciziei când valoarea adevărată si valoarea indicată de senzor nu sunt la o anumita
distanţă între ele.
Rezoluţia
Rezoluţia reprezintă detecţia celui mai mic parametru de intrare care poate fi detectat din
semnalul de ieşire. Rezoluţia poate fi exprimată proporţional cu semnalul citit, fie in valori
absolute.
Acurateţea
Acurateţea este dată de diferenţa dintre valoarea actuală si valoarea indicată la ieşirea
senzorului. Din nou, acurateţea poate fi exprimată ca un procent sau în valori absolute.
Offset-ul
Eroarea de offset al unui traductor este definită ca valoarea ieşirii care exista atunci când
ar trebui să fie zero, sau diferenţa dintre valoarea reală de la ieşirea traductorului şi valoarea de
la ieşire specificată de o serie de condiţii particulare.
Liniaritatea
Liniaritatea este expresia cu care curba măsurată se diferenţiază de curba ideală.
Neliniaritatea statică este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura,
vibraţiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de ştiut în ce condiţii această

caracteristică este validă şi se îndepărtează de acele condiţii care nu furnizează modificări ale
liniarităţii.
Liniaritate dinamică
Liniaritatea dinamică a unui senzor este o măsură a abilităţii sale de a urmării schimbăriile
rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii, caracteristicile
distorsiunii fazei, si timpul de răspuns sunt importante pentru a determina liniaritatea dinamică.
Histerezis-ul
Un traductor trebuie să fie capabil să urmărească schimbările parametrilor de intrare
indiferent din ce direcţie este facută schimbarea, histerezis-ul fiind măsura a acestei proprietăţi.
Timpul de răspuns
Senzorii nu-şi schimbă starea de ieşire imediat când apare o schimbare a parametrului de
intrare, de obicei, va trece în starea nouă abia după o anumită perioadă de timp.
Timpul de răspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar ieşirii valorilor unui senzor de a
trece din starea precedentă spre o valoare stabilită in limitele unui domeniu de toleranţă a noii
valori corecte. Acest concept este într-un fel diferit de termenul de timp constant (T) a sistemului.
Acest termen poate fi definit într-o manieră similară cu cea a unui condesator care se încarcă
printr-un rezistor si este de obicei mai mic decât timpul de răspuns.
Există mai multe criterii de clasificare a senzorilor utilizaţi în sistemele de comandă ale
proceselor industriale:
dacă intră sau nu în contact cu obiectul a cărui proprietate fizică o măsoară, distingem:
o senzori cu contact;
o senzori fără contact;
după proprietăţile pe care le pun în evidenţă:
o senzori pentru determinarea formelor şi dimensiunilor (pentru evaluarea în mediu
de lucru);
o senzori pentru determinarea proprietăţilor fizice ale obiectelor (de forţă, presiune,
de cuplu, de densitate şi elastici);
o senzori pentru proprietăţi chimice (de compoziţie, de concentraţie, analizatoare
complexe);
o după mediul de culegere a informaţiei:
 senzorii pentru mediul extern;
 senzorii pentru funcţia internă;
o după distanţa la care sunt culese informaţiile:
 senzori de contact.
Senzorii pot fi : acustici, mecanici, magnetici, termici, pentru radiatii, chimici, bioelectrici
(preiau semnalele electrice generate de corpul uman, în general), inteligenţi, virtuali. Senzorii sunt
conectaţi la circuite de condiţionare si prelucrare a semnalelor furnizate de aceştia.
5.2.3. Măsurarea presiunii
Cele mai importante tipuri de traductoare sunt cele bazate pe deformarea elastică a
corpurilor, cu coloană de lichid şi cele bazate pe schimbarea proprietăţilor corpurilor cu
presiunea.

Traductoare bazate pe deformarea elastică a corpurilor
Aceste traductoare se bazează pe deformarea sub acţiunea presiunii a unor elemente elastice
cum sunt: resortul manometric, membrana, burduful, etc. Ele au căpătat o largă răspândire
datorită siguranţei în exploatare şi domeniului larg de măsurare.
Resortul manometric cel mai răspândit este tubul Bourdon:

Figura 5.4. a. Tubul Bourdon
b.Deformarea tubului în secţiune
Tubul Bourdon este simplu curbat, în formă de arc de cerc cu un unghi la centru de
aproximativ 270º şi este confecţionat în general din aliaje neferoase sau oţel inoxidabil. În
secţiune transversală, acest tub se execută sub forma unor profile diferite, dintre care cele mai
utilizate sunt: plat oval, oval ascuţit, semioval, etc.
În figura 5.4 este reprezentat modul în care se deformează tubul şi secţiunea transversală,
atunci când este supus acţiunii presiunii P. Variaţia unghiului de desfăşurare α al tubului, care
constituie mărimea de ieşire a acestui traductor, se exprimă în funcţie de variaţia Δy a axei
mici a secţiunii transversale astfel:
∆α =

∆y
⋅P
y 0 + ∆y

(5.7)

Ţinând seama şi de eforturile ce apar în pereţii tubului, care pot fi exprimate în funcţie de
presiunea P, de dimensiunile geometrice şi proprietăţile materialului se obţine :
∆ = f ( P)
α
(5.8)
care reprezintă ecuaţia caracteristicii statice a acestui tip de traductor. Mărimea de intrare este
presiunea P, iar mărimea de ieşire, variaţia unghiului de înfăşurare a tubului, Δα.
Caracteristica statică este în general liniară pe cea mai mare parte a domeniului de
funcţionare pentru care traductorul a fost construit.
Traductorul cu tub Bourbon acoperă, în trepte, un domeniu vast de presiuni, de la 10 3 N/m2
(1 KPa) până la 109 N/m2 (106 KPa), precum şi depresiuni de la 0 la 1,01325·10 5 N/m2 (1,01325·102
KPa).
Traductoarele de presiune cu membrană au elementul elastic supus deformării o
membrană asupra căreia acţionează presiunea de măsurat, care reprezintă mărimea de intrare:

Figura 5.5.a. Construcţie

b.Tipuri de membrane
Săgeata y a membranei reprezintă mărimea de ieşire a traductorului. Membranele sunt
confecţionate din oţel, aliaje pe bază de cupru, sau materiale sintetice elastice.
Traductoarele de presiune cu membrană se construiesc pentru presiuni de la N/m 2 (1 KPa)
până la 4·106 N/m2 (4000 KPa).
Traductoarele de presiune cu burduf se bazează pe deformarea elastică a burdufurilor la
creşterea presiunii, aplicată în interiorul sau exteriorul lor. Elementul elastic este alcătuit atât din
burduful 1 cât şi din resortul 3 din interior. Domeniul de lucru al acestor traductoare este cuprins
între 6·102 N/m2 (0,6 KPa) şi 105 N/m2 (102 KPa).

Figura 5.6. Traductor presine cu burduf

Figura 5.7. Traductor de presiune cu lichid

Traductoare de presiune cu lichid
La aceste traductoare, presiunea de măsurat se compară direct cu presiunea hidrostatică a
unei coloane de lichid. Deşi simple, aceste traductoare se caracterizează printr-o precizie
mare. Prezintă însă o serie de neajunsuri din punctul de vedere al exploatării (gabarite mari,
domenii de măsurare mici etc.), fapt pentru care în industrie sunt mai puţin răspândite decât
traductoarele cu elemente elastice. În tehnica de laborator, mai ales în domeniul presiunilor
mici, traductoarele de presiune cu lichid sunt însă foarte utilizate. Din grupa acestor
traductoare, cele cu tub U sunt constructiv cele mai simple (figura 5.7).Lichidul din tub poate
fi mercur, apă, alcool etilic etc., acesta fiind ales funcţie de natura fizică a fluidului a cărui
presiune dorim să o măsurăm şi de valoarea acesteia.

Dependenţa înălţimii coloanei de lichid de diferenţa de presiune ΔP=P1 – P2 este:
h=

1
⋅ ∆P
(ρ − ρf ) ⋅ g

(5.9)

în care: ρ – masa specifică a lichidului de umplutură;
ρf – masa specifică a fluidului a cărui presiune se măsoară;
g – acceleraţia gravitaţională.
În cazul în care presiunile de măsurat sunt foarte mici se utilizează traductoare de presiune
cu tub înclinat (figura 5.8).
y=

1
⋅ ∆P
(ρ − ρf ) ⋅ g ⋅ sin α

Figura 5.8.
Lungimea y a coloanei de lichid din tubul înclinat se determină cu relaţia dată.
Aceste traductoare au o sensibilitate mai ridicată decât cele cu tub U.
Traductoare bazate pe schimbarea proprietăţilor corpurilor cu presiunea
Aceste traductoare îşi bazează funcţionarea pe dependenţa de presiune a rezistenţei,
inductanţei sau capacităţii unor circuite electrice, a proprietăţii de piezoelectricitate a unor
cristale, a variaţiei gradului de ionizare a gazelor etc. În figura 5.9 sunt reprezentate principial
unele tipuri mai importante dintre aceste traductoare: tensometric, capacitiv şi piezoelectric.

Figura 5.9.
În cazul traductorului tensometric, valoarea rezistenţei mărcii se modifică funcţie de
deformarea elastică a corpului metalic al traductorului, respectiv funcţie de presiune.
Traductoarele tensometrice sunt utilizate atât pentru presiuni foarte mici 10 2 N/m2 (0,1 KPa), cât şi
pentru presiuni mari, până la 108 N/m2 (105 KPa).
Capacitatea traductorului din figura 5.9.b se modifică funcţie de valorile presiunii fluidului
ce acţionează asupra membranei.
Traductoarele piezoelectrice ( figura 5.9.c) prezintă avantajul deosebit al unei inerţii mici,
în raport cu toate celelalte traductoare de presiune.
Traductorul de presiune diferenţială

Presiunile P1 şi P2 se aplică pe suprafeţele burdufului (2) ale traductorului de presiune
diferenţială prezentat principial în figura 5.10.
Diferenţele de presiune generează
o deplasare orizontală a axului
(3),
proporţională
cu
∆P.
Deplasările axului (3) sunt
transmise tubului de torsiune (4)
care se deformează cu o anumită
valoare unghiulară α.
Adaptorul (5) al traductorului de
presiune diferenţială prezentat are
ca mărime de intrare valoarea
unghiului α a tubului de torsiune,
iar ca mărime de ieşire un semnal
electric:(2-10)mA.

Figura 5.10. Traductorul de presiune diferenţială
17. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Măsurarea debitului. Măsurarea
temperaturii
5.2.4. Măsurarea debitului


Debitul unui fluid este fluxul vectorului v sau al vectorului ( ρv ) prin suprafaţa Σ, în
conformitate cu relaţiile:

Q v = ∫ Σ v n dΣ [m3/s]
- volumic
(5.10)
Q m =ρ
⋅

 

∫ Σ v n dΣ [kg/s] - masic


în care: v - vectorul viteză;

ρ - masa specifică;

(5.11)


n - versorul normal la suprafaţa Σ.

Suprafaţa Σ este constituită în general, din secţiunile transversale ale conductelor prin care
sunt vehiculate fluidele.
Funcţionarea traductoarelor de debit se bazează pe determinarea directă sau indirectă a
vitezei fluidului. Aceasta se poate face cu ajutorul presiunii diferenţiale, presiunii dinamice,
inducţiei electromagnetice, proceselor de transfer termic, propagării oscilaţiilor sonore în mediu
fluid etc.
Traductoare de debit realizate cu rezistenţe hidraulice
Schema unui astfel de traductor (sistem de măsurare) este:

Figura 5.11
In calitate de element sensibil pentru sesizarea valorii debitului de lichid care trece prin
conductă este utilizată rezistenţa hidraulică R.H. Mărimea de intrare a rezistenţei hidraulice este
debitul volumic de lichid care o străbate, mărimea de ieşire fiind căderea de presiune

(proporţională cu debitul). Traductorul de presiune diferenţială, TPD, are rolul de a converti
mărimea de intrare, căderea de presiune cauzată de rezistenţa R.H. în circuitul de lichid, într-o
mărime de ieşire proporţională r (un semnal electric unificat 4-20 mA).
Traductoare electromagnetice
Aceste traductoare îşi bazează funcţionarea pe existenţa fenomenului de inducţie
magnetică.
Constructiv, traductorul electromagnetic este realizat dintr-un tub din material
izolant sau metalic acoperit cu un strat izolant, fixat între polii unui electromagnet (figura 5.12.a).
Materialul tubului trebuie să fie în toate cazurile nemagnetic (oţel austenitic sau PVC). Prin pereţii
tubului trec electrozii 3, între care apare o tensiune electromotoare u t, indusă în tubul de lichid
dintre aceştia. Lichidul care se găseşte la un moment dat între electrozii 3 poate fi imaginat ca un

conductor ce se deplasează cu viteza v în câmpul magnetic de inducţie B (figura 5.12.b). În acest
presupus conductor de lungime l, care se deplasează într-un plan perpendicular pe 
liniile de câmp,


se induce tensiunea electromotoare exprimată prin produsul mixt al vectorilor B , l şi v :
  
ut = B ⋅ l ⋅ v
(5.12)

Figura 5.12
Distanţa l dintre electrozi reprezintă diametrul D al tubului, iar v reprezintă viteza de
curgere a lichidului prin conductă. Înlocuind expresia vitezei şi ţinând seama de faptul că cei trei
vectori sunt ortogonali se obţine:
Qv
v=
(5.13)
πD 2
4
ut =

4B
⋅ Qv
π⋅D

(5.14)

Relaţia dedusă este ecuaţia caracteristicii statice a acestui traductor, indicând o
dependenţă liniară între tensiunea indusă ut şi debitul volumic Qv.
Pentru ca acest tip de traductor să fie utilizat, este necesar ca lichidul a cărui debit se
măsoară să prezinte o conductibilitate mai mare de 100 μS/cm. Este utilizat la lichide electrolitice;
la gaze şi produse petroliere nu se poate folosi.
Alimentarea electromagnetului în curent alternativ asigură înlăturarea fenomenului de
polarizare şi obţinerea unui semnal periodic care poate fi mai uşor amplificat decât semnalul de
curent continuu. Tensiunea ut, care se culege la bornele 3 ale traductorului variază în domeniul 1 –
2 mV.

Aceste tipuri de traductoare sunt utilizate pentru debite cuprinse între 1,5 cm 3/min. şi 10000
m3/h. Acest tip de traductor realizează precizii de măsurare de ± 1%.
Traductoare electrotermice
Traductorul electrotermic se utilizează la măsurarea debitelor mici de gaze, mai ales în
instalaţii de laborator, pilot sau de mic tonaj.
Schema de principiu a acestui traductor este prezentată în figura 5.13. Gazul a cărui debit
se măsoară este trecut printr-un tub metalic cu pereţii subţiri, care conduc bine căldura. Pe tub
sunt plasate izolat faţă de acesta, o înfăşurare de încălzire R i şi simetric faţă de Ri două înfăşurări
în calitate de termorezistenţe (Rϑ1 şi Rϑ2) înglobate într-un montaj cu punte. În lipsa debitului prin
tub, de-a lungul acestuia se formează o distribuţie simetrică de temperatură cu maximul la mijloc
(diagrama din figura 5.13).

Figura 5.13
Această distribuţie de temperatură se deformează sub influenţa curentului de gaz şi ca atare
în două puncte simetrice faţă de înfăşurarea de încălzire apare o diferenţă de temperatură ∆ϑ,
care este o măsură a debitului în conformitate cu relaţia:
∆ϑ = k 1 ⋅ c p ⋅ q m
(5.15)
în care: k1 – constantă, care depinde de construcţia aparatului;
cp – căldura specifică a gazului, [J/kg⋅°C];
qm – debitul masic, [kg/s].
În aceste condiţii, tensiunea de dezechilibru a punţii traductorului (în ipoteza că această
tensiune este mult mai mică decât tensiunea de alimentare ua) este direct proporţională cu diferenţa
de temperatură ∆ϑ:
u ≅ 0,5 ⋅ α ⋅ ∆ϑ ⋅ u a
(5.16)
în care: α - coeficientul de temperatură al rezistenţei electrice.
Din relaţiile de mai sus se obţine ecuaţia de funcţionare a traductorului electrotermic:
u = 0,5 ⋅ α ⋅ u a ⋅ k 1 ⋅ c p ⋅ q m
(5.17)
sau:
u = A ⋅ qm
(5.18)
Caracteristica statică a acestui traductor este liniară, în domeniul de debite pentru care a
fost proiectat. Întregul tub metalic este introdus într-o cămaşă cu pereţi groşi din material cu
conductibilitate termică ridicată, care are rol de a egaliza temperatura de la cele două capete ale
tubului metalic. Acest traductor măsoară debite masice foarte mici, până la 1 mg/s.

5.2.5. Măsurarea temperaturii
Cele mai utilizate traductoare de temperatură sunt cele care au la bază fenomenul
termoelectric, variaţia rezistenţei electrice cu temperatura şi dilatarea termică a corpurilor.
Traductoare termoelectrice
Aceste traductor denumite frecvent şi termocuplu este compus din doi electrozi A şi B,
confecţionaţi din metale diferite, care se sudează la unul din capete. Capetele nesudate se numesc
“reci” sau “libere” şi au aceeaşi temperatură T 0. Punctul de sudură al electrozilor se numeşte
capăt “cald” sau “sudat” al termocuplului şi se găseşte la o anumită temperatură T (fig.5.14).
Funcţionarea acestor traductoare se bazează pe fenomenul termoelectric, efectul Seebeck,
care constă în apariţia unui câmp electric imprimat, şi deci a unei tensiuni electromotoare, într-un
circuit alcătuit din mai mulţi conductori de naturi diferite şi cu punctele de contact la temperaturi
diferite. Dacă capetele libere ale termocuplului se găsesc în gol, între acestea apare o diferenţă de
potenţial egală cu tensiunea electromotoare Seebeck:
U S = U AB = U a − U b ≅ α AB (T)(T − T0 )
(5.19)
în care αAB este coeficientul Seebeck relativ la conductorii A şi B.

Fig. 5.14

Fig. 5.15

Din relaţia tensiunii se observă că dacă temperatura capetelor reci T 0 este menţinută
constantă, atunci, prin măsurarea diferenţei de potenţial UAB se poate determina temperatura T a
capătului sudat care, în regim staţionar coincide cu temperatura mediului în care se află acesta.
Valoarea coeficientului Seebeck αAB, depinde de perechea de electrozi A şi B ce alcătuiesc
termocuplul şi prin aceasta determină forma caracteristicii statice a fiecărui termocuplu.
În figura 5.15 sunt prezentate caracteristicile statice pentru termocuplurile fier –
constantan (Fe – Const.), cromel – alumel (C – A) şi platină rodiu – platină (Pt Rh – Pt).
S-a arătat mai sus că pentru a putea determina temperatura T prin măsurarea tensiunii
termoelectrice, temperatura T0 a capetelor libere trebuie menţinută constantă la o valoare
cunoscută. Această cerinţă este mai uşor de realizat în zone cu temperaturi mai joase, îndepărtate
de punctul de măsurare. Aceasta necesită prelungirea termoelectrozilor până la camerele de
măsurare sau în alte locuri convenabile. Prelungirea se realizează cu ajutorul a două conductoare,
numite conductoare de prelungire, care pot fi din acelaşi material cu termoelectrozii sau din alte
metale sau aliaje, care în intervalul –30°C … +100°C, au aceleaşi proprietăţi termoelectrice cu
termoelectrozii.
Pentru a nu fi expuşi continuu mediului în care se măsoară temperatura, electrozii
termocuplului sunt introduşi într-un tub protector (teacă). Materialul din care se confecţionează
teaca protectoare este ales funcţie de temperatura şi mediul în care lucrează termocuplul. În
general acesta este fie oţel obişnuit sau special, fie material ceramic. În acest caz, comportarea
dinamică a termocuplului este diferită, constanta de timp care apare în transmiterea căldurii nu
poate fi neglijată (2 – 20 s).

-

Tensiunea electromotoare dezvoltată de termocuplu se poate măsura prin două metode:
metoda deviaţiei - milivoltmetrul magnetoelectric se leagă direct la termocuplu (figura
5.16), scala aparatului fiind gradată direct în unităţi de temperatură;
metoda compensaţiei -(potenţiometrică), care constă în compensarea tensiunii necunoscută
UAB a termocuplului cu o tensiune cunoscută, culeasă de pe porţiunea RX a rezistenţei R
(figura 5.17).

Fig.5.17.a
Fig. 5.17.b
Fig. 5.16
Poziţia 1 a comutatorului K corespunde măsurării. În acest caz tensiunii U AB i se opune
căderea de tensiune UC culeasă pe rezistenţa RX (UC=RX ⋅I). Se poate afla o asemenea poziţie a
cursorului C, astfel încât UAB=UC, poziţie pusă în evidenţă de un galvanometru. Prin urmare
fiecărei valori UAB, îi corespunde o anumită poziţie a cursorului C. Dacă R este o rezistenţă
calibrată şi liniară, aparatul se poate etalona, ataşându-se acestei rezistenţe o scală gradată direct
în unităţi de temperatură.
La instalaţii industriale se utilizează potenţiometrele electronice automate (figura 5.17.b).
Dacă tensiunile UC şi UAB nu sunt egale, la intrarea amplificatorului A apare semnalul de
eroare ∆I, respectiv o tensiune asociată acestuia. Amplificatorul electronic A comandă
motorul M, care, rotindu-se într-un sens corespunzător, deplasează cursorul reostatului R, şi
în acelaşi timp cu acesta, acul indicator şi înregistrator al aparatului. Astfel dacă UAB>UC,
cursorul reostatului va fi deplasat spre dreapta şi dacă UAB<UC, spre stânga. Deplasarea
cursorului în sensul corespunzător are loc până când se realizează egalitatea UC=UAB, situaţie
în care semnalul de eroare este nul şi motorul M este în repaus. Scala aparatului este gradată
direct în unităţi de temperatură.
Traductoare termorezistive
Variaţia rezistenţei electrice a conductoarelor şi semiconductoarelor cu temperatura constituie
baza funcţionării traductoarelor termorezistive. În raport cu termocuplele, acestea prezintă
avantajul că nu necesită conductoare de prelungire speciale. Sunt utilizate în domeniul –200
… +600°C. În construcţia termorezistenţelor se folosesc metale pure: frecvent se utilizează
cuprul, nichelul şi platina (fig.5.18).
Pentru cupru, dependenţa de temperatură în intervalul –50 … +200°C este liniară:
R T = R 0 (1 + aT)
(5.20)
iar pentru platină, în intervalul 0 … +630°C, dependenţa este:
R T = R 0 (1 + aT + bT 2 )
(5.21)
Constructiv, traductorul se compune dintr-un tub protector metalic, asemănător cu cel al
termocuplului, în care se introduce termorezistenţa propriu-zisă (figura 5.19). Termorezistenţa este
compusă dintr-un suport de sticlă, ceramică sau mică, pe care este bobinat conductorul (sârmă cu
diametrul de 0,08 … 0,04 mm).

La materialele semiconductoare, rezistenţa electrică variază cu temperatura după legea
exponenţială:
B

(5.22)
RT = A⋅εT
în care: A – constantă care depinde de forma şi dimensiunile termistorului;
B – constantă caracteristică a materialului din care este confecţionat termistorul, mai mică
decât zero;
T – temperatura absolută a mediului în care se află materialul semiconductor.
Traductoarele termorezistive confecţionate din materiale semiconductoare poartă numele
de termistori. În raport cu termorezistenţa, termistorul prezintă avantajul unei variaţii mult mai
mari a rezistenţei cu temperatura, care conduce la o sensibilitate superioară acestuia. Faţă de
termorezistenţă, termistorul prezintă însă dezavantajul că interschimbabilitatea nu este posibilă
decât în condiţiile luării unor măsuri suplimentare în ceea ce priveşte schema utilizată.
Măsurarea temperaturii utilizând ca element sensibil termorezistenţa se poate face: 1.
Direct (fig.5.18), cu logometrul (figura 5.19) care este un aparat magnetoelectric cu ajutorul
căruia se măsoară raportul a două mărimi electrice (curenţi, rezistenţe etc.).

Fig. 5.19
Fig. 5.18
O parte componentă a acestuia este un cadru mobil, alcătuit din două bobine, de care este
fixat acul indicator. Fiecare din cele două bobine formează câte un cuplu, acestea fiind de sensuri
opuse; egalitatea celor două cupluri determină poziţia de echilibru a echipajului mobil. Cadrul
mobil este ataşat în întrefierul unui magnet permanent. Forma circuitului magnetic este astfel
alcătuită încât inducţia este maximă pe axa polilor şi scade către extremităţile pieselor polare. Din
acest motiv, inducţia în întrefier este o funcţie de mărimea unghiului α de deplasare a cadrului
mobil. Caracteristica statică este:
I 
α = f3  1  = f 4 ( R T )
(5.23)
I 
 2
Scala logometrului, în urma unei etalonări prealabile poate fi gradată direct în unităţi de
temperatură.
Montajul în punte este prezentat în figura 5.20.

Fig.5.20

Fig.5.21

unde: R1, R2 – rezistenţe fixe; R3 – rezistenţă variabilă; RT – traductor termorezistiv;
r – rezistenţa conductorului de legătură a traductorului la punte.
Cu ajutorul rezistenţei R3 se echilibrează puntea, tensiunea Ucd=0 şi:
R 1 ( R T + 2r ) = R 2 R 3
(5.24)
Deoarece rezistenţa r a conductorilor de legătură ai traductorului rezistiv se modifică cu
temperatura mediului ambiant, rezultă că precizia determinării temperaturii cu R T este afectată de
aceste variaţii. Din acest motiv în cazul unor conductori de legătură de lungime relativ mare, se
utilizează montajul cu trei conductoare de legătură (trifilar, figura 5.21).
Pentru măsurători industriale, în locul punţilor cu echilibrare manuală se utilizează cele cu
echilibrare automată (figura 5.22).
Atunci când puntea este neechilibrată, tensiunea Ucd se aplică la intrarea amplificatorului
A, a cărui ieşire comandă motorul asincron bifazat M. Acest semnal de comandă, împreună cu
alimentarea din cealaltă înfăşurare a motorului, creează un câmp magnetic rotitor, care conduce
la mişcarea rotorului şi astfel prin legătura mecanică reprezentată punctat, este pus în mişcare
cursorul pentru echilibrarea punţii. Scala aparatului indicator înregistrator este gradată în unităţi
de temperatură.
Traductoare bazate pe dilatarea termică a corpurilor
Aceste traductoare folosesc fie fenomenul de dilatare a corpurilor (solide, lichide) cu
temperatura, fie fenomenul de variaţie cu temperatura a presiunii gazelor sau vaporilor într-un
volum constant.
În cazul utilizării corpurilor solide, soluţia constructivă obişnuită este cea bimetalică,
realizată sub formă de plăcuţe sau bară tub, în care cele două elemente au coeficienţi de dilatare
diferiţi.
Traductoarele bazate pe dilatarea lichidelor şi gazelor se construiesc sub forma unui cartuş
conectat printr-un tub capilar la un element deformabil, de exemplu tub Bourdon, figura 5.22.

Fig. 5.22

18. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Traductoare de nivel. Traductoare
conductometrice. Traductoare pentru analiza compoziţiei chimice a amestecurilor gazoase
5.2.6. Traductoare de nivel
Nivelul unui lichid sau al unui strat fluidizat poate fi determinat prin urmărirea suprafeţei
de nivel sau a greutăţii hidrostatice create de acesta.
Traductoare bazate pe urmărirea suprafeţei de nivel
Majoritatea acestor traductoare transformă deplasările suprafeţei de nivel într-o mărime
de altă natură (forţă, tensiune, rezistenţă etc.). Dintre acestea, în industria chimică, mai utilizate
sunt traductoarele mecanice de nivel.
În regim static, asupra unui corp cufundat în lichid (figura 5.23) acţionează forţa de
greutate G şi forţa arhimedică Fa, care se află în echilibru:
 
− G + Fa = 0
G + Fa = 0 respectiv:
(5.25)

Fig. 5.23
Presupunând secţiunea transversală a corpului de arie constantă A şi densitatea lichidului
ρ, relaţia (5.25) ia forma:
y=

G

(5.26)

A ρg

unde: y – adâncimea de cufundare a corpului;
g – acceleraţia gravitaţională.
Dacă starea de echilibru are loc pentru y<h atunci corpul pluteşte; pentru y=h corpul
ocupă o poziţie indiferentă în masa lichidului ; pentru y>h corpul se scufundă.
În primul caz corpul este denumit plutitor sau flotor, iar în ultimul caz, imersor.
În figura 5.24 sunt prezentate două tipuri de traductoare de nivel cu plutitor.

Fig. 5.24

Traductoare bazate pe dependenţa presiunii hidrostatice cu nivelul
Traductoarele din această categorie se bazează pe variaţia presiunii hidrostatice, într-un
punct din lichidul în repaus, cu înălţimea coloanei de deasupra. Astfel, presiunea de la baza
vasului din figura 5.25 poate fi exprimată funcţie de nivelul h prin relaţia:
P1 = P2 + ρ g h
(5.27)
Prin determinarea diferenţei de presiune P1 – P2 se poate stabili înălţimea coloanei de
lichid:
h=

P − P2
1
ρ⋅g

(5.28)

Pe această relaţie se bazează traductorul de nivel de tipul manometru diferenţial prezentat
în figura 5.25.

Fig. 5.25

Fig. 5.26

Pentru evitarea erorilor datorită condensărilor pe ramura legată de zona de gaze, se
creează prin umplerea cu lichid a vasului 3, un nivel constant de reper.
Pentru măsurarea nivelului în vasele cu soluţii chimice, acizi, baze, produse corozive etc. se
utilizează cu succes traductorul pneumometric (cu barbotare de gaz) (figura 5.28).

Fig. 5.27.
Menţinându-se constantă presiunea de alimentare Pa, presiunea P, după duză devine o
funcţie de nivelul h din vas. Pentru debite de aer foarte mici, de ordinul a câteva bule pe secundă,
pierderile de presiune prin frecarea aerului de pereţii tubului de barbotare sunt neglijabile, fapt
pentru care se poate scrie relaţia:
P ≈ ρg h
(5.29)
care indică dependenţa dintre nivelul lichidului şi presiunea P.

Dintre diferitele surse de erori asociate traductoarelor de barbotare din acest paragraf,
variaţia densităţii mediului căruia i se măsoară nivelul este cea mai importantă, fapt pentru care
trebuie luată în permanenţă în considerare.
5.2.7.Traductoare de densitate
Densitatea fluidelor variază cu temperatura şi presiunea, fapt pentru care exprimarea
acesteia raportată întotdeauna la o anumită stare implică efectuarea corecţiilor de temperatură şi
presiune. În general traductoarele de densitate au inclus în construcţia lor

Fig. 5.28
şi elemente fizice pentru corectarea automată a variaţiilor datorate acestor factori.
Cele mai utilizate traductoare de densitate sunt cele areometrice, care-şi bazează
funcţionarea pe variaţia adâncimii de cufundare a unui plutitor cu densitatea fluidului.
În figura 5.28 este prezentată schema unui traductor areometric cu mărime de ieşire
electrică (Ue), prevăzut cu o schemă de compensare a influenţei temperaturii asupra densităţii.
Această schemă foloseşte o punte conectată în serie pe circuitul de preluare a tensiunii de
dezechilibru al transformatorului diferenţial. Într-unul din braţele acesteia este conectat un
termistor a cărui rezistenţă RT variază cu temperatura lichidului. În acest caz, în diagonala punţii
apare o tensiune de dezechilibru care compensează variaţia la ieşire traductorului provenită din
influenţa temperaturii. Mărimea de intrare a traductorului este densitatea ρ, iar mărimea de ieşire
tensiunea Ue.
5.2.8. Traductoare conductometrice
Soluţiile bazice şi acide fac parte, cu puţine excepţii, din categoria conductoarelor ionice.
La acest tip de conductoare, electricitatea este transportată de ioni.
Ca şi la conductorii metalici, rezistenţa opusă de soluţii trecerii curentului electric este
exprimată cu ajutorul relaţiei:
R= ρ⋅

L
A

[ Ω]

(5.30)

în care: ρ – rezistivitatea soluţiei; L – lungimea tubului de soluţie; A – aria secţiunii transversale a
tubului de soluţie.
Inversul rezistivităţii reprezintă conductivitatea electrică:
σ = 1 / ρ [ 1 / Ωm ]
(5.31)
-1
Unitatea de măsurare în Siemens pe metru (S/m), unde 1 S=1 Ω , este admisă pentru
conductivitate.
Conductivitatea electrică a diferitelor soluţii depinde de concentraţia diferitelor substanţe
dizolvate. Astfel în soluţii concentrate, figura 5.29, conductivitatea creşte odată cu creşterea
concentraţiei până la o anumită valoare, după care scade, iar în soluţii diluate, figura 5.30,
conductivitatea creşte liniar cu concentraţia.

Fig. 5.29

Fig. 5.30

Conductivitatea soluţiilor depinde de concentraţia C şi de conductivitatea echivalentă Λ:
σ = ΛC

 1 
Ωm 



(5.32)

Prin conductivitate echivalentă se înţelege conductivitatea soluţiei care conţine un
echivalent gram de electrolit, determinată cu electrozi paraleli, dispuşi la distanţa de 1 m.
Conductivitatea echivalentă Λ este funcţie de mobilităţile relative a ionilor (care depind de
temperatură) şi de gradul de disociere.
În figura 5.31 este reprezentată schema principială a unui traductor conductometric.
Detectorul conductometric 1, străbătut de
soluţia a cărei conductivitate se determină,
constituie o rezistenţă electrică variabilă, montată
în unul din braţele punţii electrice alimentată în
curent alternativ. Alimentarea în curent alternativ
se face cu scopul de a elimina efectul de polarizare
al electrozilor detectorului. Pentru compensarea
variaţiei conductivităţii cu temperatura este utilizată
termorezistenţa RT, montată în fluxul soluţiei de
analizat în apropierea electrozilor detectorului şi
conectată în paralel cu detectorul în braţul punţii.
Fig. 5.31
Compensarea se bazează pe faptul că la creşterea temperaturii creşte conductivitatea
soluţiei, respectiv scade rezistivitatea, iar valoarea termorezistenţei R T creşte. Rezistenţele R2 şi R3
servesc la ajustarea caracteristicii corespunzător dependenţei de temperatură a conductivităţii.
Semnalul de ieşire al traductorului se culege din diagonala redresorului 2.

5.2.9. Traductoare pentru analiza compoziţiei chimice a amestecurilor gazoase
Traductoare termoconductometrice
Aceste traductoare se bazează pe diferenţa dintre conductivităţile termice ale diferitelor
gaze. Datorită acestei diferenţe, la majoritatea amestecurilor de gaze există o dependenţă univocă
între concentraţia unei componente şi conductivitatea termică a amestecului. Această dependenţă
este liniară numai în cazul a câtorva amestecuri binare (CO 2 – aer, CO – aer etc.), la care
conductivitatea termică se supune legii aditivităţii:
λ = m1 λ1 + m2 λ2
(5.33)
în care: λ, λ1, λ2 – coeficienţi de conductivitate termică ai amestecului, respectiv ai celor doi
componenţi;
m1, m2 – fracţiile molare ale componenţilor.
În cazul, spre exemplu, amestecului CO2 – aer, λCO2 < λaer, prin urmare conductivitatea
termică a amestecului celor două componente scade cu creşterea conţinutului în CO2.
Schema unui traductor termoconductometric diferenţial în punte este prezentată în figura 5.32.

Fig. 5.32.
Într-un bloc din metal bun conductor de căldură sunt incluse două celule de măsurare 1 şi 3,
precum şi celulele de comparaţie 2 şi 4. Toate celulele conţin câte o rezistenţă de platină, care
este încălzită electric. Celulele 1 şi 3 sunt străbătute de gazul de analizat, iar celulele 2 şi 4
sunt umplute cu gazul de referinţă (azot, aer, hidrogen etc.). Curentul ce străbate puntea
constituie în acelaşi timp şi curent de încălzire a rezistenţelor. Reostatul 5 serveşte la
menţinerea constantă a curentului sursei, miliampermetrul 6 serveşte la supravegherea
curentului din punte, iar cu potenţiometrul 8 se face ajustarea nulului. Dacă se modifică
compoziţia amestecului de gaze analizat şi deci şi conductibilitatea termică a acestuia, atunci
se transmite mai multă sau mai puţină căldură la pereţii celulelor 1 şi 3. acest lucru produce
modificarea temperaturii rezistenţelor de platină, deci modificarea valorii acestora, ceea ce
conduce la dezechilibrarea punţii, fenomen pus în evidenţă de instrumentul 9, care poate fi
etalonat direct în unităţi de compoziţie ale amestecului binar de analizat.
Ecuaţia de funcţionare a acestui traductor este:
K ⋅m
U =Ua 1 1
(5.34)
K 2 − m1
în care: U – tensiunea de dezechilibru a punţii;
Ua – tensiunea de alimentare a punţii;
K1, K2 – mărimi constante.
19. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Măsurarea turaţiei. Măsurarea
deplasărilor liniare şi unghiulare

5.2.10. Măsurarea turaţiei
Principale aparate care permit măsurarea pe cale electrică a turaţiilor sau vitezelor
unghiulare sunt:
tahometrul cu curenţi turbionari,
tahogeneratorul,
tahometre cu impulsuri,
stroposcopul de turaţii,
giroscopul cu fibră optică si laser.
Tahometrele cu curenţi turbionari
Se construiesc pentru intervale de măsurare 20-10000 rot/min. Sunt construite dintr-un
dispozitiv mobil format din unul sau doi magneţi permanenţi ce se pot roti în interiorul unui tambur
de aluminiu sau cupru. Tamburul este solitar cu un ac indicator si se poate roti la rândul său între
două paliere fiind însă menţinut în poziţia initială datorită unui arc spiral. Arcul spiral are capătul
exterior fix si capătul interior solitar cu tamburul. Arborele a cărui turaţie se măsoară pune în
mişcare de rotaţie dispozitivul mobil si prin aceasta liniile de câmp magnetic produse de magneţi
permanenţi, taie tamburul. În tambur vor fi induse tensiuni electromotoare proporţionale cu
turatia. Între curenţii induşi în tambur si fluxul magneţilor permanenţi apare o interacţiune care se
manifestă prin apariţia unui cuplu activ:

M a = k1 ⋅ n

(5.35)

unde: n- este viteza de turaţie unghiulară (turaţia).

N

S

M r
M a

n

Fig.5.33. Tahogenerator – principiu constructiv
Tahogeneratoarele
Sunt traductoare de turaţie şi ele sunt microgeneratoare de curent continuu sau alternativ
care generează tensiuni electrice proporţionale cu viteza de rotaţie a arborelui cu care sunt
cuplate. Există tohogeneratoare de c.c. şi de c.a.
Tahogeneratoarele consuma o putere de 1-50 W care este neglijabila la puteri mari de
antrenare, dar la puteri mici apar erori de masurare a turatiei.
Stroboscopul
De turaţii permite măsurarea turaţiei fără un contact mecanic cu obiectul aflat în rotaţie. Se
foloseşte inerţia ochiului omenesc, prin care un corp în vibraţie sau rotaţie pare imobil dacă este
iluminat cu impulsuri scurte, a căror frecvenţă de repetiţie este egală cu frecvenţa de vibraţie sau
rotaţie a corpului sau este un multiplu întreg al acesteia.

Metoda stroboscopică permite măsurarea celor mai mici turaţii care se întâlnesc în tehnică.
Frecvenţa impulsurilor poate atinge valoarea de 1000 Hz, la care corespunde turaţia de 60.000
rot/min.
Tahometrul de impulsuri
Se realizează pe baza traductorului digital electromagnetic pentru viteza unghiulară ce
converteşte turaţia în trenuri de impulsuri. Solitar cu axul a cărei viteză unghiulară se măsoară se
află o roată dinţată din material feromagnetic. Un magnet permanent situat în interiorul unei
bobine se termină cu un capăt din material feromagnetic care se află la o foarte mică distanţă de
periferia dinţilor. Când un dinte se aproprie sau se depărtează de magnet, variază lungimea
întrefierului, deci reluctanţa circuitului magnetic, ceea ce conduce la o variaţie a fluxului si la
generarea unui impuls în bobină.
Pentru obţinerea vitezei unghiulare se poate măsura intervalul de timp dintre două
impulsuri sau numărul de impulsuri pentru un anumit interval.
Precizia depinde de numărul de dinţi, de precizia cu care s-a realizat pasul dinţilor şi de
precizia cu care se măsoară intervalul de timp. Aceste traductoare pot fi utilizate pentru viteze
unghiulare care generează frecvenţe între 10 Hz si 10 kHz.

1

N

S

2

3

Fig.5.34. Tahometrul de impulsuri
Traductor digital elecromagnetic pentru viteză.
1. bobină;
2. magnet permanent;
3. roată dinţată.
5.2.11. Măsurarea deplasării liniare sau unghiulare
Traductoarele electrice utilizate pentru măsurarea deplasării liniare permit măsurarea
deplasării într-un interval cuprins de la câţiva microni până la deplasări de ordinul metrilor, iar
cele pentru deplasări unghiulare într-un interval de la câteva secunde la 3600.
Pentru conversia deplasării într-o mărime electrică traductoarele de deplasare pot
cuprinde senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, optici sau digitali.
Traductori rezistivi
Traductoarele rezistive de deplasare sunt constituite dintr-un senzor potenţiometric a cărui
rezistenţă se modifică datorită unui cursor ce se deplasează sub acţiunea mărimii de măsurat,
deplasarea putând fi liniară sau circulară. Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a
lungimii l din senzor, care este inclusă în circuitul de măsurare, ceea ce conduce la relaţia:

R = Rt
unde:
-

l
= a ⋅ Rt
lt

Rt
R
lt
l
a=l/lt

–
–
–
–
–

(5.36)
rezistenţa totală a senzorului;
rezistenţa între cursor si un capăt;
lungimea totală;
lungimea corespunzătoare deplasării cursorului,
deplasarea relativă.

Traductoarele potenţiometrice se realizează sub formă liniară sau circulară.

α
αt

lt
B
C
A

l

R

B
C

t

B

R

C
A

A
Fig.5.35. Traductori rezistivi

Traductori capacitivi
Traductoarele capacitive utilizate pentru măsurarea electrică a deplasării liniare sau
unghiulare se bazează pe modificarea ariei de suprapunere a electrozilor.
Traductoarele capacitive de deplasare unghiulară sunt construite din doi senzori capacitivi
cu un electrod comun. Cei trei electrozi sunt formaţi din plăci de formă dreptunghiulară cu laturile
de ordinul a 20-30 mm şi grosime de 1-2 mm. Electrozii inferiori sunt ficşi şi sunt separaţi cu o
mică distanţă (1 mm).

U

l

a

U

0

Fig.5.36. Traductor capacitiv de deplasare liniară
Electrodul superior este electrodul comun si sub acţiunea mărimii de măsurat se poate
deplasa paralel cu electrozii ficşi păstrând o distanţă constantă. Prin aceasta se modifică aria
comună dintre electrozii.

Cei doi electrozi ficşi sunt alimentaţi prin intermediul unui transformator cu priză mediană.
Când electrodul mobil este situat simetric în raport cu cei doi electrozi ficşi tensiunea rezultantă U
este nulă si capacităţile celor doi senzori sunt egale
C1=C2=C.
(5.37)
Traductoarele capacitive se utilizează pentru măsurarea deplasărilor liniare pentru lungimi
până la 20mm (egale cu lungimea electrozilor).
Traductori inductivi
Funcţionarea senzorului inductiv se bazează pe variaţia inductanţei unei bobine alimentate
în curent alternativ. Modificarea inductanţei are loc datorită modificării circuitului magnetic prin
deplasarea miezului bobinei sau a unei părţi din miez.
Senzorii inductivi utilizaţi pentru realizarea traductoarelor de deplasare pot fi clasificaţi în:
senzori inductivi la care este influenţată o singură inductivitate;
senzori inductivi la care sunt influenţate două inductivităţi;
senzori inductivi la care sunt influenţate inductivităţi mutuale.

L

Lmax

L0
x

a.circuitul magnetic

b.caracteristica de conversie
Fig.5.37. Traductori inductiv

Dependenţa inductivităţii L a bobinei în funcţie de deplasarea x a miezului feromagnetic
faţă de poziţia de inductivitate maximă se poate exprima prin relaţia:

L = ( Lmax − L0 ) ⋅ e


−k


x

l

+ L0

(5.38)
Caracteristica de conversie L=f(x), exprimată de ecuaţia de mai sus este neliniară. Caracteristica
de conversie se poate liniariza pe un interval larg, realizându-se o distribuţie neuniformă a spirelor
pe lungimea bobinei. Traductorul este robust, simplu şi se utilizează la măsurarea deplasărilor
medii si mari pentru intervale de la 0 - 100 mm până la 0 - 2000 mm.
20. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Senzori de proximitate. Senzori
pentru măsurarea umidităţii. Măsurarea forţei. Măsurarea electrică a grosimii
5.2.12. Senzori de proximitate
În general, proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care
unul reprezintă sistemul de referinţă. Senzorii de proximitate sunt senzori de investigare, a căror
particularităţi constau în distanţele mici de acţiune (zecimi de mm si mm), şi în faptul că în multe
cazuri sunt utilizaţi la sesizarea prezenţei în zona de acţiune.
Senzori de proximitate inductivi
Sunt cei mai răspândiţi, fiind realizaţi într-o plajă largă de variante şi tipodimensiuni.
Elementul activ al unui astfel de senzor este un sistem format dintr-o bobină şi un miez de ferită.

Obiectul a cărui prezenţă se semnalează trebuie sa fie metalic. Mărimea de ieşire poate fi
analogică (proporţională cu distanţa dintre suprafaţa activă şi obiect), sau statică (aceeaşi valoare
atât timp cât senzorul este activat).

Fig.5.38. Senzori de proximitate inductivi
Înfăşurând N spire pe un miez magnetic se obţine o bobină a cărei inductanţă este:
L = N2 /Rm , [L]SI =H
(5.39)
unde Rm este reluctanţa circuitului magnetic:
Rm = (l1+l2)/(mo×m r×Sf) + d/(mo×Sa)
(5.40)
unde :
l1 şi l2 lungimea circuitului magnetic din miezul feromagnetic;
d
distanţa parcursă de liniile de câmp magnetic prin aer;
Sf
aria secţiunii miezului;
Sa
aria secţiunii întrefierului;
N
numărul de spire al bobinei;
mo
permeabilitatea magnetică a vidului (=4xpi× 10-7 H/m);
mr
permeabilitatea relativă a miezului magnetic.
Senzori inductivi cu curenţi turbionari
Se bazează pe variaţia capacităţii electrice într-un circuit, şi au avantajul că pot detecta şi
obiecte nemetalice, însă sunt sensibili - murdărirea feţei active.

Fig.5.39. Senzor inductiv cu curenţi turbionari
Câmpul magnetic alternativ generat de o bobină alimentată cu tensiune alternativă crează
curenţi turbionari (Foucault) în plăcile conductoare plasate lângă bobină.
Adancimea de pătrundere a câmpului magnetic în materialul conductor (efect pelicular sau
efect skin) este dată de relaţia:
d = [2/(w ·m ·s )]1/2 .
(5.41)
unde : w
2·p ·f este pulsaţia curentului alternativ;
m
permeabilitatea magnetică a materialului conductor;
s
conductivitatea electrică a materialului.

Dacă adâncimea de pătrundere este mai mare decât grosimea materialului atunci
dispozitivul se poate folosi pentru măsurarea grosimii stratului metalic, dacă nu, poate fi folosit
pentru aprecierea diametrului conductoarelor plasate pe axa bobinei sau a distanţei dintre bobină
si corpul metalic (detector de metale).
Senzori Reed

Fig.5.40. Senzor Reed
Senzorul reed este alcătuit din două lamele feromagnetice, de obicei aurite, iar zona de
contact electric este amalgamată cu mercur. Lamelele sunt închise ermetic într-un tub de sticlă din
care ies către exterior două sârme pentru legături electrice. În prezenţa câmpului magnetic, liniile
de câmp se concentrează în zona lamelelor, care constituie o cale de reluctanţă mică. Între lamele
apare o forţă de atracţie magnetică. Cand forţa este suficient de puternică pune în contact lamele
şi închide contactul electric.
Senzori de proximitate ultrasonici
Funcţionarea se bazează pe măsurarea duratei de propagare a unui semnal ultrasonor între
emiţător şi obiect, iar distanţa maximă de lucru este în funcţie de natura traductorului
piezoceramic, electrostatic etc.) şi de frecvenţă.
Senzori de proximitate optici
În cazul în care obiectele investigate se găsesc la distanţe mai mari, senzorii inductivi si
capacitivi devin inutilizabili, domeniul fiind acoperit cu bune rezultate de senzorii optici. Acestia
funcţionează fie pe principiul transmisiei unui fascicul de lumină, fie pe principiul reflexiei.
5.2.13. Senzori pentru măsurarea umidităţii
Senzori capacitivi
Acest tip de senzor este alcătuit dintr-o folie dielectrică specială pe care s-au depus, pe
ambele părţi, o peliculă subţire de aur, întreg ansamblul fiind încapsulat intr-o carcasă din masă
plastică perforată. Ansamblul astfel format se constituie într-un condensator plan al cărui
dielectric îşi modifică constanta dielectrică sub influenţa umidităţii mediului ambiant, astfel
modificându-se capacitatea electrică. Introducând acest condensator într-un circuit electric
oscilant variatia capacităţii duce în final la o variaţie a frecvenţei de oscilaţie.
Mărimile fizice care descriu cantitativ umiditatea sunt :
umiditatea absoluta - Habs - reprezinta cantitatea de apa continuta într-un volum definit
de aer.
(5.42)

-

umiditatea de saturatie - Hsat(J ) - reprezinta cantitatea maxima de apa ce poate fi
continuta într-un volum definit de aer.
(5.43)

-

umiditatea relativă - Hrel - reprezintă raportul dintre umiditatea absolută şi cea de
saturaţie.
(5.44)
5.2.14. Măsurarea forţei

În principiu forţele pot fi măsurate cu orice traductor de deplasare dacă i se ataşează un
element elastic în seri cu forţa ce trebuie măsurată.
Traductoare de forţă tensometrice rezistive sunt formate dintr-un fir conductor subţire, lipit
pe un suport de hârtie sau alt material izolant. Traductorul se lipeşte pe un suport elastic ce se
deformează sub acţiunea forţei determinând o modificare a lungimii conductorul şi implicit o
modificare a rezistenţei electrice modificare rezistenţei electrice este pusă în evidenţă prin
montarea firului într-o punte Wheatstone piezoelectrice sunt realizate din materiale piezoelectrice
sunt utilizate la determinarea forţelor dinamice magnetostrictive funcţionează pe baza variaţiei
permeabilităţii magnetice a unor materiale feromagneticce, datorită tensiunilor mecanice.
5.2.15. Măsurarea electrică a grosimii
În cazul traductorului capacitiv din fig.5.41 este utilizat pentru măsurarea grosimii g a unei
benzi metalice, capacitatea echivalentă are expresia dată de relaţia:

Fig. 5.41.
a
a
1
1
1
a−g
=
+
= 1 + 2 =
(5.45)
C C1 C 2 ε 0 S ε 0 S
ε0S
care arată dependenţa capacităţii C a traductorului de grosimea g.
Dacă banda este dintr-un material dielectric cu permitivitatea relativă εr , atunci
capacitatea echivalentă a traductorului are expresia:
1
1
1
1
a−g
g
a
=
+
+
=
+
=
C C1 C 2 C 3
ε o S ε 0ε r S ε 0 S


g
g 
1 − +
 ,
a aε r 


(5.46)

de asemenea dependentă de grosimea g.
Pentru măsurarea grosimii benzilor
metalice nemagnetice (din Cu, Al, etc.) se
poate utiliza un traductor cu curenţi
turbionari, Fig.5.42, constituit dintr-o

Fig. 5.42.

bobină primară 1 (transmiter), alimentată la un generator de frecvenţă, şi o bobină secundară 2
(receiver). Între cele două bobine se plasează banda a cărei grosime g se măsoară. Pentru o
valoare dată a curentului prin bobina primară, fluxul magnetic care străbate bobina secundară,
respectiv tensiunea electromotoare indusă în aceasta, sunt dependente de distanţa a dintre bobine,
care este o mărime fixă, de conductivitate electrică σ a materialului benzii şi de grosimea g a
acesteia. De fapt curenţii turbionari induşi în bandă provoacă o reducere a tensiunii induse în
bobina 2 în raport cu valoare acesteia în absenţa benzii, reducere cu atât mai importantă (pentru
valori a , σ date) cu cât grosimea benzii este mai mare.
21. SCADA în electroenergetică. Introducere. Sisteme SCADA
6.1. Introducere
Consecinţă a cerinţei justificate de continuitate şi siguranţă în alimentarea cu energie electrică
a consumatorilor, apare necesitatea tot mai mare de îmbunătăţire a fiabilităţii şi siguranţei în
funcţionare a echipamentelor. Una din soluţiile cu potenţial ridicat în rezolvarea cerinţei de mai
sus este implementarea sistemelor de monitorizare şi utilizare a tehnicilor de diagnoză automată a
echipamentelor primare.
Supravegherea continuă a principalilor parametri ai echipamentelor poate conduce, atunci
când este corect implementată şi utilizată, la identificarea precoce a tendinţei de defectare, la
identificarea şi izolarea rapidă a componentelor defecte, prevenind astfel o cădere a întregului
echipament sau, chiar mai grav, a unei instalaţii.
6.1.1.Scopul şi obiectivele monitorizării echipamentelor primare în staţiile de transformare
Principalele obiective ale monitorizării echipamentelor primare
din staţiile de
transformare sunt următoarele:
a) identificarea echipamentelor supuse monitorizării:
• întreruptoare şi separatoare;
• transformatoare de măsură de curent şi de tensiune.
b) analiza căderilor şi a stărilor anormale:
• identificarea stărilor anormale;
• analiza defectelor;
• analiza parametrilor de fiabilitate.
c) identificarea principalilor parametri care trebuie supravegheaţi.
d) mentenanţă:
• evoluţia principalilor parametri ai echipamentelor;
• adaptarea metodelor de mentenanţă la starea reală a echipamentelor;
• îmbunătăţirea procedurilor de mentenanţă.
Identificarea parametrilor supuşi monitorizării este una din cele mai importante etape în
proiectarea unui sistem de monitorizare. Apare drept justificată dorinţa de a colecta cât mai
multe date, în scopul reconstituirii unei imagini complete a stării de sănătate a unui
echipament. Aportul datelor colectate este însă foarte diferit în calitatea analizei efectuate.
6.1.2.Oportunitatea integrării monitorizării cu funcţiile de protecţie şi control
Sistemul de monitorizare se bazează pe diverse dispozitive electronice inteligente (DEI), care
au rolul de achiziţie şi prelucrare a mărimilor supravegheate.
Reducând numărul de interfeţe între echipamentele primare şi echipamentele secundare,
costul total al sistemului se reduce substanţial prin reducerea cablajelor.
Progresul tehnologic realizat în domeniul tehnicii de calcul şi al comunicaţiilor de date
permite azi utilizarea soluţiilor distribuite în realizarea sistemelor de achiziţie, comandă, control,
monitorizare şi chiar de protecţie. Pe de altă parte, multe alte domenii industriale utilizează

platforme hardware universale, care integrează prin rutinele sale software implementate toate
funcţiile de supraveghere, control şi automatizare de proces necesare.
Azi este acceptat în general că funcţiile de protecţie şi automatizare locală sunt integrabile
într-un singur DEI. Funcţiile de supraveghere şi control sunt încă în general alocate în DEI
distincte de cele de protecţie. Decizia alocării funcţiilor de monitorizare în echipamentele de
protecţie sau cele de supraveghere, comandă, ţine cont în principal de aspecte economice.
Structura unui sistem care integrează funcţiile de protecţie, automatizare, comandă şi
monitorizare este arătată în continuare. Structura unui sistem SCADA în arhitectură distribuită
poate fi completată cu echipamentele şi funcţiile cerute de monitorizarea echipamentelor primare.

6.2. Sisteme SCADA
EMS (Energy Management System), DMS (Distribution Management System) si SCADA
(Supervisory Control And Data Aquisition) reprezinta instrumente bazate pe calculator,
utilizate de dispecerii energetici pentru a-i asista în controlul functionarii sistemelor
energetice complexe. Baza întregului esafodaj care concura la supravegherea, controlul si
monitorizarea echipamentelor electrice din statiile si retelele electrice o constituie
echipamentele de achizitie si comanda. Pe de alta parte, între instrumentele enumerate mai sus
exista o strânsa colaborare - practic nu putem concepe functiuni EMS sau DMS, fara a avea la
dispozitie un sistem SCADA care sa ofere, pe de-o parte, informatii din procesul tehnologic,iar
pe de alta parte posibilitatea comenzii de la distanta a procesului tehnologic.
În continuare, se trecere în revista a functiunilor principale SCADA, EMS si DMS. Este
descrisa legatura cu echipamentele electrice din statii pornind de la schema de principiu a
lantului functional de teleconducere.

6.1. Structura SCADA
6.2.1. Functiile sistemelor SCADA
6.2.1.1. Functii principale ale sistemelor SCADA
În cazul concret al implementarilor de sisteme SCADA care deservesc instalatii, retele sau
sisteme electroenergetice se întâlnesc urmatoarele functii de baza:
• Supravegherea si controlul de la distanta al instalatiilor si retelelor
electroenergetice.
In acest scop, se realizeaza: culegerea de informatii asupra starii sistemului energetic, prin
intermediul interfetelor de achizitie corespunzatoare; transferul informatiilor catre punctele de
comanda si control; comanda de la distanta a proceselor electroenergetice; înregistrarea
modificarilor semnificative ale procesului controlat. Operatiunile de comutare (conectare /
deconectare) ale echipamentelor primare pot fi comandate de la distanta de la un centru de control
(dispecer energetic). Starile întreruptoarelor si separatoarelor, valorile masurilor de tensiuni,
curenti etc. sunt permanent cunoscute la centrul de control, fiind la îndemâna dispecerului
energetic. Acest lucru face sa creasca eficienta operationala la postul de dispecer, prin cresterea
numarului de informatii disponibile si prin reducerea timpilor de actualizare a acestor informatii.
Informatiile provenite de la instalatiile electroenergetice pot fi grupate si dirijate catre postul de
comanda sub autoritatea caruia se gasesc aceste instalatii, de asemenea ele pot fi utilizate pentru
analize globale ale retelelor electrice.
• Alarmarea. Sistemul recunoaste starile de functionare necorespunzatoare ale
echipamentelor si retelelor electrice (suprasarcini, nivele de tensiune în afara limitelor, actionarea
sistemelor de protectie, modificarea nedorita a starii întreruptoarelor si separatoarelor, etc. ) si
avertizeaza optic / acustic dispecerul asupra celor întâmplate. Alarmele de sistem sunt prelucrate
astfel incat acestea sa fie prezentate dispecerului intr-o maniera concisa, clara, in timp util si
numai la operatorii care au nevoie de aceste informatii. Modul in care o alarma este anuntata
depinde de aria sa de interes cat si de nivelul sau de prioritate. Sistemele moderne contin functii de
alarmare performante, realizate cu elemente de inteligenta artificial, capabile sa identifice cauza
primara a unui set de evenimente si sa prezinte astfel dispecerului o situatie cat mai clara a
avariei. Functia de alarmare presupune si memorarea tuturor evenimentelor eferente alarmelor
inclusiv momentele de timp ale producerii acestora, in fisiere de date pe discuri magnetice, pentru
a putea fi analizate ulterior.
• Analiza post avarie. Sistemul întretine un istoric al modificarii starilor
echipamentelor si retelelor electrice, punând la dispozitia dispecerului informatiile necesare unei
analize pertinente a evenimentelor petrecute. Toate evenimentele sunt memorate alaturi de
localizarea lor în timp si spatiu, fiind prezentate dispecerului, în general, în ordine cronologica,
grupate pe categorii de instalatii. Totodata, aceste informatii pot constitui "materia prima" pentru
sisteme expert de analiza post avarie asistata de calculator precum si pentru sisteme expert de
restaurare a sistemelor electrice dupa caderi (care pot asista dispecerul sau pot intra în functiune
în mod automat) .
• Informarea de ansamblu a dispecerului asupra topologiei si starii sistemului energetic
condus, prin intermediul interfetelor om-masina (MMI: Man-Machine Interface). Functia de
interfatare cu operatorul uman este de o importanta deosebita în asigurarea unei activitati
eficiente a dispecerului. Sunt urmarite cu deosebire: claritatea si conciziunea prezentarii
informatiilor despre procesul tehnologic condus (evitarea confuziilor), comoditatea în obtinerea
informatiilor dorite, comoditatea si inconfundabilitatea comenzii catre proces, etc. Toate aceste
deziderate sunt bazate pe utilizarea unei interfete grafice puternice la postul de lucru dispecer.
• Urmarirea încarcarii retelelor. În scopul optimizarii functionarii retelelor electrice, este
memorata evolutia circulatiilor de puteri. Aceste informatii pot asista la o mai buna planificare a
resurselor, precum si a schemelor retelei si a reglajelor tensiunii transformatoarelor.

• Planificarea si urmarirea reviziilor si reparatiilor în scopul evitarii caderilor.
Monitorizarea evolutiei functionarii diferitelor echipamente ofera informatii care, analizate
corespunzator pot duce la necesitatea reviziilor / reparatiilor acestor echipamente sau instalatii.
Aceasta analiza poate fi asistata de sisteme expert.
6.2.2. Arhitectura sistemelor SCADA
Un sistem SCADA modern trebuie sa se conformeze cerintelor sistemelor deschise. În
momentul de fata, se folosesc mai multe concepte de "deschidere". In 1989, comitetul IEEE 1003 a
definit sistemul deschis este:
"Un sistem deschis dispune de posibilitati care permit implementarea aplicatiilor astfel încât:
• sa poata fi executate pe sisteme provenind de la mai multi furnizori;
• sa poata conlucra cu alte aplicatii realizate pe sisteme deschise (inclusiv la distanta) ;
• sa prezinte un stil consistent de interactiune cu utilizatorul. Aceste posibilitati sunt descrise
ca specificatii extensibile de interfete, service si formate admise. În plus, acestea sunt
specificatii publice mentinute prin consens. "
Obiectivul major în utilizarea sistemelor deschise este reducerea investitiei în software-ul de
aplicatie si în deci o mai buna utilizare a resurselor umane.
Cea mai mare deschidere pe care conceptul open-system o aduce în proiectarea sistemelor
EMS/DMS/SCADA este posibilitatea de a distribui functiunile în diferite noduri deprelucrare.
Fiecare nod functional este independent ca resursa hardware. Statiile de lucru (workstations)
constituie astfel de noduri care elibereaza sistemul de interfata om-masina. Alte noduri
functionale sunt cele de achizitie de date, prelucrarea bazei de date relationale si istorice si
editarea rapoartelor, procesoarele de aplicatie etc.
Gradul de dependenta între noduri este variabil. Totusi, prin hardware trebuie asigurata o
independenta cât mai mare deoarece, pe aceasta cale, se obtine posibilitatea de extindere sau de
înlocuire. De asemenea, independenta nodurilor de prelucrare serveste la minimizarea mesajelor si
încarcarii retelei de transmisie date. Redundanta în cadrul nodului mareste gradul de
disponibilitate si micsoreaza riscul pierderii lui si a distribuirii functiunilor pierdute în alte noduri.
O caracteristica importanta a sistemelor deschise este faptul ca nodurile pot fi situate la orice
distanta. Arhitectura distribuita devine o necesitate si foloseste ca suport de comunicatie retelele de
date locale (LAN - Local Area Network) si cele la distanta (WAN - Wide Area Network) realizate
pe baza unor proceduri si interfete standard. Practic, se vorbeste tot mai mult de functiunile pe
care un sistem distribuit trebuie sa le îndeplineasca, în contextul conlucrarii mai multor
componente ale sistemului situate în noduri informationale diferite.

Fig.6.2. Reţele LAN şi WAN
In figura anterioara (fig.6.2) este prezentata o arhitectura posibila pentru un sistem
SCADA distribuit, în care observam ca elementul cheie îl constituie conectarea diferitelor
componente prin intermediul unor retele de comunicatie.
La nivelul legaturii cu procesul tehnologic (echipamentele din statia de transformare),
gasim echipamente de achizitie date si comanda (EAC) destinate interfatarii cu instalatiile
electroenergetice, distribuite în punctele de interes. Acestea asigura preluarea informatiilor
din proces precum si transmiterea comenzilor catre proces. În sistemele moderne se asigura
un grad înalt de prelucrare locala - la nivelul EAC, cu functiuni de automatizare, protectie si
masura. Echipamentele EAC sunt interconectate prin magistrale locale (LAN) cu calculatoare
cu rol de procesare a datelor la nivelul întregului proces (de exemplu la nivelul statiei de
transformare). Legatura de date între statiile de transformare si punctul de comanda si control
se realizeaza prin retele de date specifice trasmisiei la distanta (WAN). Transferul de date
între WAN si retelele locale de date situate la punctul (punctele) de comanda si control este
asigurata de calculatoare cu rol de concentrator de date (Front End Processor - FEP). În
reteaua de la punctul central, se gasesc calculatoare care asigura functiuni de procesare
specifice EMS-SCADA (servere de aplicatie, sisteme expert, interfete grafice etc.)
Din cele prezentate anterior, rezulta faptul ca se schimba fundamental si modul de
programare. În sistemele clasice, utilizatorul îsi definea cerintele iar echipa de programare realiza
sistemul de programe de aplicatie. În momentul de fata, programarea trebuie sa urmareasca
realizarea functiunilor necesare, prevazând de la început posibilitatea modificarii lor în timp
precum si extinderea acestora.
6.2.3. Prezentarea principalelor semnale din procesul tehnologic
Instalatiile electroenergetice dintr-o statie de transformare sunt împartite în echipamente
primare, care contribuie nemijlocit la transportul si distributia energiei electrice (linii de înalta si
medie tensiune, întreruptori, separatori, transformatoare, etc.) si echipamente auxiliare, care
asigura controlul si protectia echipamentelor primare.
Într-o statie de transformare, întâlnim urmatoarele grupe de semnale primare, care trebuiesc
considerate atunci când se doreste conducerea de la distanta a procesului:
· Semnalizari de pozitie (întreruptoare, separatoare, automatizari, pozitii extreme);
· Semnalizari preventive;
· Semnalizari de incident (de avarie);

· Comenzi;
· Masuri (tensiuni, curenti, puteri, frecventa);
· Contorizari (energie activa, energie reactiva).
Din punct de vedere al tipului si formei semnalului, întâlnim:
· Semnale numerice - semnale care reflecta stari discrete ale elementelor de la care provin.
Majoritatea semnalelor de acest tip provin de la contacte electrice. Starile posibile sunt
întotdeauna complementare (conectat / deconectat, închis / deschis, adevarat / fals,etc.).
· Impulsuri pentru contorizare - un caz particular al semnalelor numerice.
· Semnale analogice (tensiuni alternative si continue, curenti alternativi sau continui).
Din punct de vedere al localizarii semnalelor, întâlnim:
· semnale grupate la nivelul celulei;
· semnale pe grupuri de celule;
· semnale generale pe statie de transformare.
În cele ce urmeaza sunt prezentate semnalele cu relevanta în supravegherea si controlul unei
statii de transformare tipice de 110/20 kV. Lista nu este exhaustiva, ci are rolul de a face inventarul
principalelor tipuri de semnale.
Celula de linie de 110kV
· Semnalizari de pozitie: întreruptor (anclansat / declansat) ; separatoare de linie,
separatoare de bare (închis / deschis) ; cutite de legare la pamânt (închis / deschis) ; pozitie
automatizare RAR - Reanclansare Automata Rapida (pus în functie / scos din functie);
· Semnalizari de alarma: defect întreruptor cu: blocaj la închidere; presiune scazuta;
întreruptor USOL-MOP (Mecanism Oleo-Pneumatic); neconcordanta; ardere sigurante comanda
sau semnalizare; USOL transformator tensiune (TT) deconectat; lipsa tensiune protectie de
distanta; functionat protectia de distanta, homopolara, PDL - Protectia Diferentiala de Linie;
functionat RAR;
· Masuri: tensiune linie; putere activa, reactiva (emisa / primita) ; curent linie;
· Contorizari: Energie activa, reactiva (emisa / primita) ;
· Comenzi: anclansare / declansare întreruptor; închidere / deschidere separatoare de bare;
anulare semnalizari în statie; punere în functie / scoatere din functie RAR;
Celula cupla 110kV
· Semnalizari de pozitie: întreruptor (anclansat / declansat) ; separatoare de linie,
separatoare de bare (închis / deschis);
· Semnalizari de alarma: defect întreruptor cu: blocaj la închidere; presiune scazuta; USOL
MOP - Mecanism OleoPneumatic; neconcordanta; ardere sigurante comanda, semnalizare;
lipsa tensiune protectie de distanta; functionat protectia de distanta, homopolara; blocare
declansare cupla;
· Masuri: putere activa, reactiva (emisa / primita); curent;
· Comenzi: anclansare / declansare întreruptor; închidere / deschidere separatoare de bare;
anulare semnalizari în statie;
Celula TRAFO 110/MT
· Semnalizari de pozitie: întreruptor 110kV (anclansat / declansat) ; separatoare bare
110kV
(închis / deschis) ; separator Trafo 110kV (închis / deschis) ; întreruptor MT (anclansat /
declansat) ; separatoare bare MT (închis / deschis) ; separator borne Trafo MT (închis / deschis) ;
plot maxim / minim;
· Semnalizari de alarma: defect întreruptor cu: blocaj la închidere, presiune scazuta;
USOL-MOP; ardere sigurante semnalizare, comanda; functionat protectie gaze Trafo, diferentiala;
semnalizare preventiva gaze Trafo; suprasarcina; supratemperatura; functionat protectie
maximala de rezerva; nivel ulei anormal;

· Masuri: putere activa / reactiva (110kV /MT; 110kV /MT); pozitie plot Trafo;
· Contorizari: Energie activa / reactiva (110kV /MT; 110kV /MT) ;
· Comenzi: întreruptor 110kV (anclansare / declansare) ; separatoare bare 110kV
(închidere / deschidere); separator Trafo 110kV (închidere / deschidere) ; plot: creste plot / scade
plot; întreruptor MT (anclansare / declansare); separatoare bare MT (închis / deschis) separator
borne Trafo MT (închis / deschis);
Celule de linie MT si cupla MT
· Semnalizari de pozitie: întreruptor MT (anclansat / declansat) ; separatoare bare MT
(închis / deschis) ; cutite de legare la pamânt (închis / deschis) ; pozitie RAR (pus în functie /
anulat);
· Semnalizari de alarma: functionat protectia maximala rapida, maximala
temporizata;functionat RAR; functionat protectia de distanta;
· Masuri: putere activa / reactiva (primita / emisa); curent;
· Comenzi: întreruptor anclansare / declansare; separatoare bare MT (închidere /
deschidere); pozitie RAR (punere în functie / scoatere din functie);
Celula MT Trafo Servicii Interne si Bobina de Stingere
· Semnalizari pozitie: întreruptor (anclansat / declansat) ; separatoare bare MT (închis /
deschis); separator bara BS închis / deschis;
· Semnalizari alarma: functionat protectia: de gaze TSI, de gaze BS, maximala rapida,
maximala temporizata; semnalizare preventiva gaze la TSI, la BS; miez BS în pozitie limita
maxima, minima;
· Comenzi: întreruptor (anclansare / declansare); separatoare bare (închis / deschis);
· Masuri: tensiune deplasare BS (pozitie miez); putere activa / reactiva TSI;
Celula masura MT
· Semnalizari alarma: sigurante arse TT; punere la pamânt bara MT;
· Masuri: tensiune bara MT;
Celula baterie condensatori BC
· Semnalizari pozitie: întreruptor anclansat / declansat; separatoare bare închis / deschis;
· Semnalizari alarma: functionat protectia: maximala rapida, maximala temporizata,
tensiune minima, diferentiala;
· Comenzi: întreruptor: anclansare / declansare; separatoare: închidere / deschidere;
anulare
semnalizari;
Semnale generale statie
· Semnalizari: Declansare Automata a Sarcinii la Frecventa minima transe 1,2,3 în functie /
anulat; functionat DAS Fmin transa 1. . 3; sigurante arse DAS Fmin; DAS tensiune în functie /
anulat; functionat DAS U; ardere sigurante DAS U; sigurante Declansare de Rezerva la Refuz
Întreruptor; Anclasare Automata de Rezerva MT în functie pe Trafo 1; Trafo 2; Trafo 1 + Trafo 2;
functionat AAR MT; AAR JT; deranjat AAR MT; AAR JT în functie / anulat; functionat
osciloperturbograf; punere la pamânt bara 1, 2; avarie statie; USOL baterie deconectat; punere la
pamânt în c. c.;
· Comenzi: DAS Fmin 1. . 3 pus în functie / scos din functie; DAS U pus în functie / scos din
functie; AAR MT pus în functie T1/T2/T1+T2/anulat; AAR JT pus în functie / anulat;
6.2.4. Achizitia semnalelor si comanda
6.2.4.1. Intrari numerice

Preluarea semnalelor de natura numerica se realizeaza prin citirea starii unor contacte
auxiliare din proces, care copiaza starea echipamentelor supravegheate cu ajutorul unor interfete
cu separare galvanica (optoizolate).
Comutarea contactelor supravegheate este supusa unui regim tranzitoriu (vibratia
contactelor) de care trebuie tinut seama la prelucrarea informatiilor de natura numerica. Astfel,
interfata de achizitie trebuie sa aplice un algoritm de filtrare software care sa anuleze efectul
vibratiilor (durate de ordinul 1-2 ms), interpretând numai comutarile ferme.
Interfata de achizitie asigura, pe lânga interpretarea modificarii starii contactului
supravegheat, si memorarea momentului de timp la care s-a produs aceasta modificare.
Pentru a mari gradul de încredere al informatiilor preluate, EAC trebuie sa asigure câteva
functiuni suplimentare cum sunt:
· blocarea automata a transmiterii catre nivelul superior în cazul în care intrarea numerica
are un numar prea mare (neplauzibil) de tranzitii în unitatea de timp. Aceasta situatie este frecvent
întâlnita în cazul unor contacte imperfecte în circuitele de preluare a semnalizarii iar ignorarea
acestui aspect ar avea ca efect "poluarea" informationala a nivelului de conducere superior,
precum si aglomerarea circuitelor de transmisie.
· blocarea la cerere a intrarii numerice, în situatiile când urmeaza a se interveni în
instalatia supravegheata pentru revizii si reparatii.
· posibilitatea verificarii automate a circuitelor de preluare a semnalelor (integritatea
firelor de legatura pâna la contactul electric supravegheat) .
Semnalizari de pozitie monopolare
Citirea pozitiei separatoarelor, cutitelor de legare la pamânt, starii automatizarilor, precum
si a altor echipamente, altele decât întreruptoare, se realizeaza utilizând un singur contact ce
copiaza starea acestor echipamente. De regula starea "închis" a contactului semnifica starea
"închis”, “pus în functie" etc. a echipamentului corespunzator, iar starea "deschis" a contactului
înseamna ca echipamentul corespunzator este în starea "deschis", "scos din functie", etc.
Semnalizari de pozitie bipolare
Pozitia anclansat / declansat a întreruptoarelor este preluata utilizând doua contacte, care
în cazuri normale respecta conditia de excluziune reciproca.
Deoarece comutarea celor doua contacte nu se face simultan, interfata de achizitie trebuie
sa implementeze un algoritm care sa tina cont de întârzierile admisibile în schimbarea starilor
celor doua contacte.
Semnalizari de alarma sunt semnalizari monopolare si pot fi:
-semnalizari de tipul "apare / dispare" la care sunt semnificative atât momentul închiderii
contactului cât si momentul deschiderii acestuia (ex. punere la pamânt, tensiune minima baterie
etc. ).
- semnalizari de tipul "a functionat protectia" la care este semnificativ numai momentul
aparitiei semnalizarii nu si momentul disparitiei acesteia. Impulsuri de contorizare sunt semnale
provenite de la contoare de energie electrica cu generator de impulsuri. Interfata de achizitie are
rolul de numarare a acestor impulsuri, întretinând un "index" software în memoria proprie.
Asociind fiecarui index o constanta corespunzatoare (impulsuri/kWh respectiv impulsuri/kVAR) se
poate reconstitui valoarea energiei electrice cedate (primite) pentru linia masurata.
6.2.4.2. Intrari analogice
Principalele marimi analogice cu relevanta pentru conducerea de la distanta a statiei de
transformare sunt tensiunile, curentii, puteri active / reactive.

Fig.6.3. Prelucrarea semnalului analogic în semnal numeric
Schema lantului de masura pentru intrarile analogice este prezentata mai sus. Marimea
analogica este adaptata la un nivel corespunzator prelucrarii în circuitele de masura, care au la
baza transformatoare de tensiune si de curent. Totodata se realizeaza protectia intrarii analogice
contra valorilor accidentale ale semnalului analogic de masurat precum si separarea galvanica a
interfetei fata de procesul tehnologic. Semnalului rezultat i se aplica o filtrare în filtre trece - jos
pentru eliminarea efectului perturbatiilor. Un modul multiplexor asigura selectia canalului
analogic de masurat, a carui valoare este transmisa modulelor de esantionare / memorare si
conversie analog / numerica. Sirului de valori numerice obtinut (la intervale regulate de timp
pentru fiecare canal analogic în parte) îi sunt aplicati algoritmi de filtrare numerica si de calcul a
marimilor caracteristice dorite (ex. valori efective).
Semnalele analogice (masurile) cum sunt tensiunile si curentii alternativi (50Hz) ,
tensiuni si curenti continui, puterile active, reactive pot fi preluate din proces în doua moduri:
- utilizând traductori externi corespunzatori, caz în care EAC are intrari analogice în semnal
unificat;
- tensiunile, curentii sunt preluati direct de EAC prin interfete corespunzatoare de tensiune si
curent.
A doua solutie este net superioara celei dintâi atât din punct de vedere tehnic cât si
economic, motiv pentru care este preferata în sistemele SCADA moderne. EAC va esantiona si
converti din analogic în numeric valorile instantanee ale tensiunilor si curentilor, aplicând apoi
algoritmi de calcul pentru:
- valoare efectiva (tensiune, curent);
- defazaj tensiune - curent;
- putere activa si reactiva monofazata pentru perechea U, I considerata.
Calculul puterilor active si reactive trifazate se face aplicând corespunzator formulele pentru
metodele de masura cu wattmetre (VARmetre) monofazate.
Transmisia valorilor intrarilor analogice catre nivelul superior EAC se face în trei cazuri:
- EAC este interogat de catre nivelul ierarhic asupra valorilor analogice;
- Intrarea analogica îsi modifica semnificativ valoarea, noua valoare fiind diferita cu cel putin o
cantitate - considerata semnificativa - fata de vechea valoare.
- Valoarea marimii analogice depaseste niste limite prestabilite - de prealarmare, alarmare, sau
limite tehnologice.
6.2.4.3. Comenzi catre procesul tehnologic
Pentru a putea comanda instalatiile electroenergetice din statiile de transformare,
interfetele de proces (EAC) sunt prevazute cu posibilitatea emiterii de semnale electrice de
comanda. Exista doua tipuri de semnale de comanda:

- comenzi în impulsuri, cu durate de 0,5 - 3 secunde, pentru comanda întreruptoarelor
comutatoarelor de ploturi etc.
- comenzi permanente, la care EAC mentine semnalul de comanda pâna la o noua comanda, cu
semnificatie contrara celei dintâi (de exemplu pentru comanda punerii în functie respectiv a
scoaterii din functie a automatizarilor).
În ambele cazuri, EAC trebuie sa livreze contacte electrice comandate care vor fi integrate
în schemele de comanda ale circuitelor secundare ale statiei.
În scopul cresterii gradului de fiabilitate al comenzilor, EAC trebuie sa asigure câteva
cerinte referitoare la comenzi:
- eliminarea riscului confuziei unei comenzi, datorita erorilor de transmisie;
- eliminarea riscului comenzilor multiple (simultan cu comanda dorita se emit una sau mai multe
comenzi nedorite, datorate unor eventuale defecte interne ale EAC sau atingerilor accidentale în
circuitele secundare de comanda);
- eliminarea riscului de emisie intempestiva a unor comenzi, datorate defectelor interne ale EAC.
Se utilizeaza scheme de conectare hardware si algoritmi de verificare si validare a comenzii.
- semnalizarea situatiilor de functionare incorecta a lantului de comanda (de exemplu fir
întrerupt).
6.2.5. Functii locale
Principalele functii care trebuie asigurate într-o statie de transformare pot fi grupate în
doua categorii:
- functiuni la nivelul celulei.
- functiuni la nivelul statiei.
Într-o arhitectura centralizata, toate aceste functiuni sunt asigurate de un singur EAC.
În arhitectura distribuita, majoritatea functiunilor de la nivelul celulei sunt preluate de
catre echipamentul de achizitie si comanda al celulei, iar functiunile referitoare la grupe de celule
– si în general cele care reclama informatii dintr-o arie mai larga decât celula - sunt preluate de
calculatorul de la nivelul statiei.
6.2.5.1. La nivelul celulei
Pe lânga functiunile de achizitie si comanda amintite deja, mai distingem la nivelul celulei
urmatoarele functiuni:
- Istoric local de evenimente - Principalele evenimente survenite în functionarea echipamentelor
din celula trebuiesc memorate împreuna cu momentul de timp al producerii lor. Aceasta functie o
regasim la nivelul celulei numai în cazul arhitecturii distribuite.
- Interfata om-masina - care preia functionalitatea panoului local de comanda si supraveghere.
- Blocaje - evitarea emiterii de comenzi nepermise datorate fie greselilor de operare fie erorilor în
functionarea diferitelor echipamente.
6.2.5.2. La nivelul statiei de transformare
- Istoric de evenimente la nivelul statiei si filtrarea evenimentelor (transmiterea catre nivelul
ierarhic superior numai a evenimentelor cu relevanta pentru dispecer) .
- Înregistrarea evolutiei masurilor (tensiuni, curenti, puteri) si arhivarea acestora pe o perioada
determinata.
- Blocaje (conditionari) la nivelul statiei.
- Supravegherea functionarii echipamentelor de achizitie si comanda.
- Interfata om - masina pentru operatorul statiei sau operatiuni de mentenanta.
6.2.5.3. Sincronizarea timpului

Majoritatea algoritmilor de prelucrare a semnalelor (numerice si analogice) se bazeaza pe
intervale precise de timp la care trebuiesc facute achizitiile si prelucrarile. Totodata, memorarea
modificarilor de stare presupune si asocierea timpului la care acestea s-au produs.
De precizia determinarii timpului depind în mare masura prelucrarile si analizele
ulterioare ale evolutiei procesului tehnologic “Ora exacta” este asigurata prin:
-ceas local la nivelul EAC care trebuie sa aiba la baza elemente oscilatorii cu o buna stabilitate
(cuartz termostatat) ;
-mecanism de resincronizare periodica dupa un ceas unic. Sa remarcam ca exista doua probleme
sensibil diferite în aceasta privinta. Sincronizarea echipamentelor de achizitie dupa un ceas unic la
nivelul statiei, respectiv dupa un ceas unic la nivelul întregului sistem SCADA. În cel de-al doilea
caz dificultatea apare datorita distantelor mari între statiile de transformare si punctul unde este
amplasat ceasul etalon.
Principalele metode de sincronizare au la baza:
-Utilizarea semnalelor de timp etalon - provenite de la sisteme specializate.
-Utilizarea canalului de comunicatie - precizia metodei este puternic afectata de viteza de
comunicatie si eventualele întârzieri (inpredictibile în general) introduse de protocoalele de
comunicatie.
-Utilizarea unui semnal dedicat - metoda aplicabila pe arii restrânse cum ar fi teritoriul
unei statii de transformare.
6.2.6. Analiza si prelucrarea datelor la nivelul PCC
Structura unui punct de comanda si control - PCC - în arhitectura distribuita ar putea arata
ca în fig.6.4 de mai jos.

Fig.6.4. Structura unui punct de comanda si control
În structura prezentata, pot fi implementate diferite scheme de redundanta ale
componentelor importante (LAN, Servere) .
Întrucât comunicatia de date între componenetele PCC trebuie atent echilibrata, se
sugereaza separarea componentelor care utilizeaza pachete mici de date, dar cu timpi de raspuns
foarte mici, de componentele si aplicatiile care utilizeaza transferuri mari de date, la care timpii de
raspuns nu sunt atât de importanti (LAN 1 respectiv 2 din fig. de mai sus, separate de un router).
Pentru asigurarea disponibilitatii PCC în conditiile caderii LAN, frecvent se procedeaza la
dublarea magistralei locale de comunicatie, iar aplicatiile importante au acces la ambele

magistrale. Legatura de date cu procesul tehnologic condus se realizeaza prin intermediul
serverelor de comunicatie. Acestea asigura controlul transferului de date între PCC si sistemele de
achizitie-comanda statiile de transformare.
Anumite aplicatii necesare la PCC au nevoie de informatii provenite din retelele de
transport si distributie vecine. Un calculator special cu rolul de router asigura transferul de date
spre / dinspre centrele de comanda-control care coordoneaza sistemele învecinate. Protocoalele de
comunicatie cele mai utilizate sunt ELCOM 90 (raspândire în principal în Europa) si ICCP/TASE.
2 (actualmente raspândit mai ales în America, dar tinde sa devina unanim utilizat).
Acelasi calculator asigura si securitatea accesului din exterior la reteaua de date a PCC.
Reteaua PCC este separata de sistemul informational al intreprinderii printr-un router,
care controleaza accesul la informatiile si resursele PCC. Baza de date de timp real este întretinuta
de serverul de achizitie date. Aplicatiile care ruleaza pe acest calculator au rolul de a prelua
informatiile actuale despre procesul tehnologic condus si a le pune la dispozitia celorlalte aplicatii
ale PCC.
Dupa anumite criterii (intervale de timp precizate, anumite evenimente), baza de date de
timp real se arhiveaza pe serverul de arhivare, întretinându-se astfel istoricul evolutiei procesului
tehnologic. Tot serverul de achizitie date realizeaza si anumite prelucrari asupra informatiilor
provenite de la EAC:
· filtrarea datelor;
· conversia unitatilor de masura;
· controlul încadrarii în limite, pentru generarea alarmelor.
Serverele de aplicatii SCADA gazduiesc programele specifice pentru controlul
echipamentelor din statiile de transformare si al retelelor de transport / distributie, cum sunt:
· Interfetele operator - asigura împrospatarea cu date a statiilor de lucru de la dispecerii
energetici sau alti utilizatori ai sistemului;
· Managementul evenimentelor - functii de procesare inteligenta a alarmelor, de urmarire si
achitare a acestora;
· Managementul autoritatii. Dreptul asupra controlului echipamentelor dintr-o statie de
transformare corespunde unei scheme de autoritate si este strict reglementata. Reciproc, alarmele
provenite de la diferitele echipamente trebuiesc dirijate spre autoritatea corespunzatoare.
Alte aplicatii, care nu sunt supuse restrictiilor de timp real:
· Calculul circulatiilor de puteri în retea;
· Calculul curentilor de scurtircuit;
· Regasirea informatiilor pe hartile sistemelor informatice geografice, utile mai ales
în
aplicatiile DMS (AM/GIS - Automated Mapping/Geographical Information System).
· Interfete pentru informatii despre / catre consumatori, incluzând evidenta deranjamentelor,
profilul încarcarii etc.
22. SCADA în electroenergetică. Integrarea funcţiilor de protecţie, automatizare, măsură, control.
Funcţii de conducere operativă
6. 3. Integrarea functiilor de protectie, automatizare, masura, control
6.3.1. Sisteme integrate de protectie, automatizare, masura si control a statiilor electrice
Dezvoltarea sistemelor de protectie si automatizare ale instalatiilor electroenergetice si în
mod special aparitia echipamentelor digitale de automatizare si protectie este un fenomen de
actualitate. Unele protectii au nevoie nu numai de informatii locale, din zona de proces cu care se
interfateaza în mod direct, dar si de informatii globale, care pot fi cunoscute numai prin prelungiri
ale interfatarii în alte zone ale procesului tehnologic. Astfel, echipamentul de protectie devine
foarte complicat, odata cu luarea în considerare a unei mai mari cantitati de informatii globale,
pierzându-si din flexibilitate si disponibilitate.

Multiplicarea interfetelor de achizitie precum si raspândirea lor în spatiu este un fenomen
nedorit, cu atât mai mult cu cât diferitele sisteme de protectie folosesc adesea aceleasi marimi de
intrare dinspre proces.
În mod normal releele numerice au o interfata seriala. Sistemele de control al statiei bazate pe
microprocesor prevad deopotriva informatii globale despre proces cât si legaturi de comunicatie.
Apare astfel naturala preocuparea pentru conlucrarea între sistemele de protectie si cele de
control.
Preocuparile actuale privind tratarea unitara a protectiei si controlului, se pot împartii în
doua categorii majore, si anume:
a) Sisteme coordonate de protectie si de control. Sistemele de control si de protectie îsi
pastreaza autonomia unele fata de celelalte, însa prevad functiuni de "colaborare" reciproca. Întrun asemenea concept, functia de protectie este localizata în general în echipamente distincte de
cele de comanda / control. Cele doua subsisteme sisteme comunica însa, transmitându-si reciproc
informatii globale, în general rezultate în urma prelucrarii marimilor din proces.
b) Sisteme integrate de protectie si control. Subsistemele de control si de protectie sunt
concepute ca un tot unitar, utilizând în comun anumite resurse hardware si software. În acest caz
asistam la o descentralizare foarte puternica a functiunilor de comanda, control si protectie,
elementul cheie în acest concept fiind comunicatia de mare viteza între modulele componente.
6.3.1.1. Sisteme coordonate de protectie si comanda
Coordonarea sistemelor de protectie si comanda este realizata cu ajutorul sistemului de
comunicatie, folosind informatia suplimentara din sistemul complet (întreg). Motivul principal
pentru un asemenea concept coordonat nu este doar de a înlocui protectia conventionala cu
dispozitivele de control bazate pe microprocesoare ci de a exploata toate facilitatile acestei noi
tehnologii pentru o mai buna performanta a protectiei si controlului în statie si pentru un control
îmbunatatit al retelei. Este prevazut un sistem unificat care coordoneaza controlul statiei si
protectia statiei, bazate pe microprocesoare, într-o arhitectura descentralizata.
Coordonarea consta în combinarea controlului si a protectiei fara a se pierde autonomia
protectiei. Unificarea înseamna, ca toate datele si informatiile în sistem sunt accesibile în acelasi
mod prin sistemul comun de comunicatie. Descentralizarea înseamna ca atât informatiile (datele
achizitionate sau calculate) cât si functiile sunt distribuite si sunt folosite, procesate, în cel mai
apropiat loc de procesul tehnologic la care se refera.
Structura functiunilor unui sistem de control si protectie coordonat la nivelul unei statii de
transformare este reprezentata urmatoare (fig.6.5).

Fig.6.5. Structura unui sistem de control si protectie

O statie de transformare este întotdeauna constituita din celule, continând conexiunile de intrareiesire la una sau mai multe bare, care functioneaza ca si noduri electrice si definesc întreaga statie.
Exista diferite sarcini de control si de protectie realizate la nivelul celulei.
Astfel, structura de baza este ierarhica si consta în doua nivele: nivelul celulei si nivelul statiei.
La nivelul celulei sunt realizate acele sarcini care reclama informatii (date) numai de la nivelul
celulei, si emit comenzi catre dispozitivele si echipamentele din aceasta celula. Aceste sarcini sunt:
controlul celulei (comenzi, blocaje la nivelul celulei); interfata om -masina, daca este necesar;
masuratori si monitorizare la nivelul celulei (I, U, P, Q, evenimente, defecte); protectia celulei
(eliminarea defectelor si masuri preventive). Aceste sarcini se refera nu numai la întreruptoare si
separatoare dar si la schimbatorul de ploturi al transformatorului deputere, controlul bateriilor de
condensatori, proceduri automate de comutatie cu/fara conditionare din partea protectiei,
semnalizari si altele.
La nivelul statiei se executa acele sarcini care au nevoie de informatii de la mai mult de o celula, si
emit comenzi catre dispozitivele situate în mai multe celule. Aceste sarcini sunt:
-controlul statiei (baza de date centrala, supervizoare, coordonare comunicatie, interblocaje
la nivelul statiei, procesare centrala a datelor culese din celule);
-protectii la nivel de statie (exemplu protectia diferentiala de bare) ; interfata om-masina
pentru operatorul statiei;
-comunicatia dintre statie si nivelul superior de comanda si control.
În conformitate cu definitia celulei de mai sus, nivelul statiei nu presupune acces direct la
proces. În acest context, protectia de bare, de exemplu, este o functie la nivelul statiei cu interfete
de intrare/iesire situate la distanta, în celule.
6.3.1.2. Sisteme integrate de control si protectie
Privite ca un întreg, sistemele de control, protectie, automatizare si masura, constau în
unitati de achizitie date (UAD) relee digitale de protectie, unitati de procesare la nivelul
celulei si statiei si canale de comunicatie prin care aceste echipamente sunt interconectate.
Daca în sistemele clasice remarcam existenta unor echipamente distincte de control si
respectiv de protectie, sistemele integrate îsi propun sa distribuie si mai puternic functiunile de
achizitie poate apare în mai multe echipamente).
Subsistemul secundar din statiile moderne se bazeaza din ce în ce mai mult pe un numar de
echipamente digitale multifunctionale. Tendinta este de a integra functiuni care istoric sunt
separate - protectia, controlul, comunicatia si masura.
Pentru a raspunde necesitatilor tehnice, cele mai multe functiuni trebuie sa opereze în timp
real, fapt de care trebuie sa se tina seama în proiectare. Pentru utilizarea la maximum a acestor
resurse de calcul, functiunile software se împart în diferite categorii dupa timpul de raspuns, astfel
încât o platforma hardware sa poata efectua atât functiuni cu timpi critici foarte mici, cât si
functiuni la care timpul de îndeplinire nu este esential. Se poate face o clasificare a prioritatilor de
executie a functiunilor dupa cum urmeaza:
· P1 corespunzatoare sarcinilor cu timpi de raspuns de maximum 250 ms.
· P2 corespunzatoare gamei de timp de pâna la câteva secunde.
· P3 pentru celelalte functiuni mai lente.
6.3.1.3. Principalele cerinte ale subsistemelor secundare moderne.
Tendintele actuale în domeniul protectiei si controlului în statiile de transformare elimina
din ce în ce mai mult granitele traditionale dintre subsistemele de protectie, control, comunicatie si
masura care exista actualmente. Gradul de integrare a diverselor functiuni alesubsistemului
secundar, pe de o parte si a echipamentelor primare si celor secundare pe de alta parte, devine o
preocupare importanta a companiilor de electricitate, nivelul de acceptare fiind determinat de
consideratiile privind costul, fiabilitatea, mentenanta si functionalitatea.

Subsistemul secundar dintr-o statie de transformare trebuie sa asigure:
· Deconectarea portiunilor defecte din retea la aparitia unui defect - izolarea defectului. Astfel,
sistemul de protectie trebuie sa determine portiunea defecta si sa comande corespunzator
întreruptoarele pentru a izola defectul cât mai repede posibil.
· Echipamentul primar trebuie corect întretinut pentru a ramâne operational. Subsistemul secundar
trebuie sa colecteze informatii despre starea echipamentelor primare si sa ofere suport pentru
mentenanta acestora.
· Dispeceratele energetice de la diferite nivele (local, teritorial, national) trebuie sa primeasca
informatiile de stare din statie. Subsistemul secundar al statiei are datoria de a face posibil
transferul datelor spre centrele de control si respectiv de a transmite comenzile catre procesul
tehnologic controlat.
· Controlul local. Subsistemul secundar trebuie sa asigure functiunile de control local ale statiei fie
ca o rezerva la caderea sistemului de teleconducere fie ca o functiune de sine statatoare în cazul
statiilor necuprinse în sistemul de teleconducere.
Pornind de la cerintele enumerate mai sus, principalele functiuni ale subsistemului secundar
al statiei sunt:
· Protectia împotriva defectelor în sistemul primar;
· Stapânirea starilor anormale ale echipamentelor primare;
· Automatizari;
· Suport pentru conducere locala;
· Teleconducere;
· Masura locala si telemasura;
· Monitorizarea retelei si a echipamentelor primare;
· Analiza automata a datelor.
6.3.2. Echipamente multifunctionale de protectie si control
Utilizând cele mai noi realizari în domeniul tehnicii de prelucrare digitala si mai ales cele în
domeniul comunicatiilor de mare viteza, putem imagina un echipament complex de control si
protectie la nivelul celulei (fig. 6.6), care se interconecteaza în acceasi retea de date cu
echipamentele de prelucrare de la nivelul statiei (fig. 6.7).

Fig. 6.6. Echipament complex de control si protectie la nivelul celulei

Fig. 6.7. Echipament complex de control si protectie la nivelul staţiei
Echipamentele de la nivelul celulei, îndeplinesc functii de protectie si comanda ale
transformatoarelor si liniilor electrice si receptioneaza cererile de comanda de la nivelul statiei.
La nivelul statiei sunt implementate functii de protectie (ex. protectia diferentiala de bare) în care
informatiile de curent sunt prelevate la nivelul celulelor si transmise prin reteaua de date a statiei.
Functionarea protectiei de linie si trafo se bazeaza pe informatii locale, astfel încât acestea sunt
independente de caderile retelei de comunicatie. În acelasi timp este recomandabil sa fie
implementata o magistrala duala de comunicatie, pentru a îmbunatatii fiabilitatea protectiei de
bare.
Informatia curenta culeasa (esantionata) de echipamentele de la nivelul celulelor trebuie
transmisa în câteva milisecunde în retea, pentru o functionare corecta a protectiei de bare. Acest
lucru reclama legaturi de comunicatie de mare viteza, de timp real, între echipamentele celulei si
echipamentul de la nivelul statiei.
În cazul echipamentelor de protectie si control digitale, toate functiunile sunt implementate
software, adesea pe platforme hardware asemanatoare.
Devine justificata astfel preocuparea de a configura aceeasi platforma hardware astfel încât sa
poata duce la îndeplinire diferite sarcini, fie ele de protectie, control sau monitorizare. Într-o
oarecare masura, echipamentele digitale multifunctionale pot fi privite ele însele ca sisteme
deschise.
O atentie speciala trebuie acordata independentei diverselor functiuni de protectie si control, atâta
timp cât ele sunt procesate în acelasi dispozitiv. Astfel, ca si în cazul echipamentelor clasice de
protectie, trebuie asigurata redundanta în cazul functiunilor importante de protectie.
6.4. Functiuni de conducere operativa
In cele ce urmeaza se vor prezenta atat functiunile de conducere operativa ale DED cat si
pentru personalul operativ din statiile electrice.
6.4.1. Functiunile Dispecerului Energetic de Distribuţie (DED)
DED asigura supravegherea si conducerea operativa a instalatiilor si retelelor electrice de
distributie de 110 kV si medie tensiune.
In scopul realizarii functiunilor sale, DED realizeaza sarcinile operative (regimuri si
manevre) coordonate si/sau dispuse de treptele superioare de dispecer, stabileste regimurile de
functionare si coordoneaza manevrele pentru instalatiile si retelele din raza lor de activitate care
se afla in autoritatea sa de decizie.
Conducerea operativa in timp real la nivel de DED consta in:

a) Supravegherea si asigurarea continuitatii in functionare a instalatiilor de distibutie
de 110 kV si MT
- Urmarirea schemelor de functionare a instalatiilor si a marimilor de stare.
- Verificarea incadrarii marimilor in limite.
- Calcului puterilor si energiilor absorbite de consumatori, achizitionate din reteaua
de transport a sistemului energetic naţional (SEN) si schimbate cu retelele de distributie vecine
si respectiv, produse in centrale.
- Calcului puterilor totale.
- Prognoza consumului in zona.
b) Reglajul curbei de consum pentru prevenirea extinderii incidentelor.
c) Urmarirea bilantului de energie electrica.
d) Optimizarea functionarii instalatiilor de distibutie de 110 kV si MT (medie tensiune):
- Determinarea numarului si incarcarii transformatoarelor de 110 kV si MT.
- Determinarea, prin calcul, a pierderilor pe linii, in transformatoare si pe total DED.
- Determinarea bilanturilor de putere pe total DED si pe statii.
e) Reglajul tensiunii in retelele de distributie de 110 kV si de MT si a nivelului de
compensare a puterii reactive:
- Determinarea nivelurilor de tensiune optime in retelele de 110 kV siu MT.
- Compensarea optima a puterii reactive.
f) Urmareste regimul de tratare a neutrului in retelele de MT si realizeaza reglajul
compensarii curentilor capacitivi.
g) Comanda porniri si opriri de grupuri ale microhidrocentralelor.
h) Comanda nemijlocita a instalatiilor de distributie de 110 kV si de MT si a
automatizarilor din retea
i) Supravegherea starii instalatiilor componente ale SCADA
Pentru realizarea acestor functiuni, DED realizează:
- Urmareste si realizeaza programul de incarcare a centralelor electrice din
comanda operativa (corelat cu treptele superioare de dispecer)
- Urmareste:
- Injectiile din reteaua de transport, din retelele de 110 kV si de MT ale DED vecine
si din centralele electrice racordate la reteaua electrica condusa operativ;
- Incarcarile pe statiile de 110 kV/MT si posturile de transformare;
- Generarea de putere reactiva;
- Nivelurile de tensiune (110 kV si MT );
- Consumul propriu tehnologic in retelele de 110 kV si de MT;
- Reglajul compensarii capacitive al retelelor de MT;
- Incadrarea consumatorilor in puterile si energiile programate pe perioade de deficit
in SEN;
- Verificarea sigurantei de functionare;
- Verificarea prealabila a conditiilor de efectuare a manevrelor.
Inregistreaza si consemneaza:
- valorile parametrilor electrici si schimbarile de stare, semnalizarile si evenimentele
in toate regimurile de functionare;
informatiile care au stat la baza luarii deciziilor de efectuare a manevrelor,
stabilirii sau schimbarii regimurilor de functionare a echipamentelor si retelelor.
Alte functiuni:
a)
Supravegherea instalatiilor de electroalimentare a punctului central DED.
Echipamentele de distributie electrica de la parterul cladirii sunt supravegheate in prezent
printr-un sistem de calcul independent, realizat pe plan local.

In afara acestor functiuni principale, realizate in timp – real, la DED se realizeaza si
functiuni in afara timpului –real si anume:
b)
Planificarea exploatarii si analize in afara timpului – real:
pregatirea regimurilor de functionare pe zi si saptamana;
actualizarea schemelor retelei de distributie (110 kV si MT);
analiza post factum a functionarii retelei;
analiza incidentelor;
evaluarea sigurantei in functionare pe baza calculului indicatorilor de stare;
elaborarea ghidului operator;
dezvoltarea software de aplicatie pentru timp – real si inafara timpului – real.
6.4.2. Functiunile personalului operativ din statiile electrice
Personalul operativ din statiile electrice trebuie sa asigura functionarea continua, in
conditii de siguranta si economicitate a instalatiilor pe care le are in gestiune si exploatare. In
acest scop:
supravegheaza si inregistreaza parametrii tehnici ai echipamentelor;
supravegheaza marimile si semnalizarile de stare aferente schemei de functionare a
statiei (inclusiv cele aferente protectiilor si automatizarilor).
executa manevre, inclusiv reglajul de poturi la transformatoare, dispuse de treptele
de dispecer ierarhic superioare;
urmareste functionarea instalatiilor de compensare (baterii de condensatoare,
condensatoare sincrone, acordul bobinelor de compensare a curentului capacitiv );
- executa manevrele pentru lichidarea rapida a incidentelor;
transmite datele si informatiile necesare la diferitele trepte de dispecer si la unitatea
de care apartine din punct de vedere administativ ;
supravegheaza starea instalatiilor companente al sistemului SCADA din dotare.
In statiile telecomandate (integrate in sistemul SCADA) aceste functiuni ale postului din statii sunt
preluate si realizate de catre dispecerul de la punctul de comanda.
23. SCADA în electroenergetică. Tipuri de informaţii necesare conducerii operative. Funcţiunile
sistemelor SCADA dedicate conducerii operative la nivel de dispecer energetic de distribuţie
6.5. Tipuri de informatii necesare conducerii operative
6.5.1. Tipuri de informatii la nivel DED
Conform normelor RENEL principalele informatii necesare conducerii oeprative la nivel DED
sunt:
6.5.1.1. Marimi
a)
marimi principale, conditionand cunoasterea starii de ansamblu a instalatiilor si
anume:
puterile active si reactive pe:
- partea de 110 kV a autotransformatoarelor de 220/110 kV si transformatoarelor de
110 kV/ MT;
- liniile de 110 kV si MT de legatura cu alte DED- uri;
- plecarile ce alimenteaza consumatori nominalizati;
suma puterilor active si reactive pe:
- centralele electrice racordate la retelele de 110 kV si de MT;
- platforme industiale, statii de tractiune C. F. R.;
tensiunile pe barele statiilor de 110 kV si de MT;
frecventa in cateva noduri;

Toate aceste marimi vor fi protocolate automat la ore caracteristice fixate (minimum la gol
de noapte, varf de dimineata si varf de seara ) si la cererea operatorului.
b)
marimi secundare, caracterizand starea unor elemente ale instalatiilor de
importanta locala si informatii cu necesitate de actualizare mai redusa si anume:
tensiunile pe liniile de 110 kV si MT;
puterile active si reactive pe:
- partea de medie tensiune a transformatoarelor de 110 kV/MT si posturilor de MT/JT;
- linii de 110 kV si de MT radiale spre consumatori;
- cuplele de 110 kV;
- liniile si cuplele de MT;
tensiunile si curentii pe bobinele de compensare a curentului capacitiv;
puterea reactiva pe instalatiile de compensare;
tensiunea pe sectiile de bare de servicii proprii, de curent continuu si pe sectiile de
bare de curent alternativ de 230 V;
energia activa si reactiva de la contoare pe:
- liniile de legatura cu alte DED-uri;
- transformatoarele si autotransformatoarele de injectie in reteaua de distributie din
responsabilitatea DED (din reteaua de transport a SEN si centrale electrice racordate la reteaua
de distributie a DED –ului) ;
- pe liniile ce alimenteaza consumatori nominalizati (pe liniile de 110 kV si de MT radiale).
6.5.1.2. Semnalizari
a)
Semnalizari de stare, necesare pentru stabilirea configuratiei de functionare a
retelei in maximum 3 secunde de la modificarea pozitiei echipamentelor ca urmare a unor actiuni
dorite de operator:
pozitia echipamentelor de comutatie (intreruptoare, separatoare);
pozitia comutatoarelor de ploturi la transformatoare, bobine de compensare cu
reglaj continuu;
pozitii la RAR, AAR, DAS, etc.
b)
De alarmare (preventive), necesare petnru luarea unor masuri preventive privind
regimul de functionarea a reletei electrice conduse operativ , cu aducerea la cunostinta
operatorului in maxim 5 secunde, ca de exemplu depasirii de limite.
c)
De incident, necesare pentru luarea unor masuri rapide de remediere cu aducerea
la cunostinta operatorului in maxim 3 secunde. Aceste semnalizari corespund actionarii
protectiilor si automatizarilor (RAR, AAR, DAS) si schimbarilor de configuratie a retelei conduse
operativ ca urmare a a cestor actionari, precum si semnalizari de tipul: arderea sigurantei
generale pe balteria de acumulatoare, avarie redresori, punere la pamant, semnalul ” Incendiu in
statie “ (pentru statiile electrice fara personal in tura) .
d)
De stare a sistemului SCADA, cuprinzand informatii asupra elementelor de culegere
si transmitere a datelor si statiile electrice.
6.5.1.3. Telecomenzi pentru:
- echipamente de comutatie (intreruptoare de 110 kV si MT, separatoare de 110 kV actionate
electric) ;
- comutatoare de ploturi ale transformatoarelor de 110 kV/MT,
- bobine de compensare cu reglaj continuu,
- trepte de baterii de condensatoare;
- instalatii de automatizare (AAR, RAR, DAS) .
6.5.2. Tipurile de informatii la nivelul camerelor de comanda din statiile electrice

Volumul de instalatii necesar supravegherii si conducerii operative la nivelul camerelor de
comanda, a statiilor electrice se diferentiaza in functie de nivelul de tensiune al statiei si de modul
de exploatare al acesteia (cu personal sau fara personal in tura permanenta).
Volumul de informatii trebuie sa asigure realizarea functiunilor atribuite personalului in
toate starile (normala, de alarma, de incident, de postincident).
6.5.2.1. Marimi
tensiunile pe barele statiei (110kV, medie tensiune);
circulatii de putere (activa si reactiva);
tensiuni si curenti pe partea de 0,4 kV (servicii proprii curent alternativ);
tensiuni si incarcari ale bateriilor de acumulatoare (230 V si 24 V);
tensiunea de deplasare a neutrului la bobinele de stingere;
indicatia locatorului de defecte.
6.5.2. 2. Semnalizari
de stare :
pozitia cheii de selectare a comenzilor;
starea echipamentelor (conectat, deconectat);
de alarmare (preventive), necesare pentru luarea unor masuri preventive privind
regimul de functionare al statiei ca de exemplu:
- depasiri de limite;
- defect la intreruptoare;
- defect in circuitele secundare;
- defect in serviciile proprii de cc/ca:
- punere la pamant in serviciile proprii de cc;
- semnalizari de gaze, temperatura, suprasarcina la transformatoare;
- ardere, distrugerea sigurantelor;
- defect in echipamentele de culegere a datelor sau pe calea de transmisie;
- numarul de actionari ale pompelor, mecanismelor oleopneomatice ale intreruptoarelor;
- numarul de deconectari ale intreruptoarelor pe scurt circuit.

-

6.5.2. 3. Comenzi
conectari/deconectari intreruptoare si separatoare;
actionare comutatoare de ploturi;
actionare bobine de compensare cu reglaj continuu;
conecatre/deconectare trepte de baterii de condensatoare;
conectari/deconectari a instalatiilo de automaticare locala (AAR, RAR, DAS, etc );
actionare intreruptoare automate pentru serviciile proprii de cc si ca;
descarcari de sarcina;
anularea semnalelor autoretinute.

6.6. Functiunile sistemelor SCADA dedicate conducerii operative la nivel de Dispecer
Energetic de Distributie (DED )
In conformitate cu normele RENEL, sistemele informatice dedeicate conducerii operative a
retelelor de distributie trebuie sa realizeze urmatoarele functiuni operationale:
- functiuni SCADA;
- functiuni DMS (aplicatii pentru retelele de distributie a energiei electrice).
Denumirile si continutul acestor functiuni sunt, in general, standardizate pe plan mondial si
software – ul aferent acestora este disponibil a fi cumparate pe piata libera. In cele ce urmeaza se

prezinta unele detalii privind functiunile de tip SCADA specifice sistemelor informatice destinate
conducerii operative prin dispecer a retelelor de distributie a energiei electrice.
6.6.1.

Functiuni tip SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition )

Un sistem tipic SCADA realizeaza in principal urmatoarele functiuni:
culegerea si schimbul de date;
validarea, prelucrarea, afisarea, arhivarea de date;
initierea si executatea telecomenzilor in instalatii.
Aceste functiuni permit personalului operativ de la punctul de dispecer sa suprevegheze
functionarea instalatiilor in timp real si in acest context sa decida actiunile care trebuie intreprinse
si, daca este necesar, sa dea comenzi operative sau sa realizeze telecomenzi.
Sistemele SCASA include, in principal urmatoarele functiuni:

-

6.6.1.1.

Achizitie si Schimb de Date (data Acquisition and Exchange)

Functiunea de Achizitie si Schimb de date este utilizata pentru a se utiliza interfata dintre
sistemul SCADA si echipamentele de achizitie de date si sisteme informatice externe. Utilizand
aceasta functiune se realizeaza:
culegerea si transmiterea informatiilor din /in instalatii (statii electrice, centrale);
schimbul de date cu alte trepte de dispecer sau alte sisteme informatice. Tipurile de
informatii ce pot fi schimbate cu alte sisteme SCADA pot include:
- stari ale retelei electrice si marimi masurate (puteri, tensiuni) in zona de contur necesare
pentru Estimatorul de Stare si pentru analizarea sigurantei in functionarea retelei;
- marimi ale retelelor electrice (MWh ) de pe interconexiuni pentru gestiunea energiei;
- telecomenzi (pentru a fi transmise la RTU ) ;
- fisiere (baze de date, imagini, rapoarte, software, tabele diagrame, etc.);
- actualizari de baze de date;
- mesaje operative (informatii privind iesiri din functiune, energii/capacitati disponibile,
preturi, etc.);
- controlul plauzabilitatii si validarea informatiilor.
6.6.1.2. Inregistrarea Secventiala a Evenimentelor (Sequence of Events Recording)
O serie de elemente predefinite din statii si centrale electrice (de exemplu intreruptoare )
pot fi selectate pentru o inregistrare secventiala a modificarii starii acestora, modificare care este
considerata ca fiind un eveniment. Mesajele din Inregistrarea Secventiala a evenimentelor sunt
tratate separat de cele referitoare la schimbarile normale de stare, mesajele aferente secventei de
evenimente nefacand parte din procesul de tratare a alarmelor. Mesajele de la inregistrarea
secventiala a avenimentelor sunt stocate si raportate separat. Aceste informatii sunt in mod normal
utilizate postfactum petnru analiza functionarii echipamentelor si instalatiilor.
6.6.1.3. Prelucrarea datelor (data Processing )
Functiunea de prelucrare a datelor include urmatoarele:
- prelucrarea de date analogice scanate – realizeaza conversia acestora in unitati ingineresti si
verificarea incadrarii lor in limitele prestabilite.
- prelucrarea de date privind starile scanate - detecteaza schimbarea starii intreruptoarelor si
separatoarelor.
- prelucrarea de tip acumulare – scanare (de exemplu energii ) - de exemplu convertirea
numarului de impulsuri in MVh.
- calcule in timp: sumari, scaderi, inmultiri, impartiri, medii orare, maxime si minime orare,
determinarea de energii prin integrarea marimilor masurate, bilanturi de energii si puterii pe

contur etc. , inclusiv determinarea puterilor si energiilor absorbite de consumatori pentru
compararea cu valorile contractate.
- Verificarea consistentei informatiilor referitoare la topologie se poate face fie in cadrul acestei
functiuni fie ca o functiune separata.
Functiunea de Prelucrare a Datelor asigura stocarea datelor de timp – real in baza de
date, precum si verificarea si evaluarea calitatii si plauzibilitatii imformatiei codate, (de exemplu:
telemasura corecta, suprascriere manuala, iesire din functiune, depasire de limita, informatie
eronata etc ).
6.6.1.4. Revista Post Factum (Post Disturbance Review )
La fiecare 10 secunde se stocheaza un “ snapshot” (o citire instantanee ) a unor puncte
selectate de dispecer sau a intregii baze de date intr-un fisier circular ce contine ultimele 10 “
snapshot “ –uri. In cazul unui eveniment de declansare/actionare sau la cerere, fisierul circular se
ingheata si aditional se memoreaza inca 30 de “ snapshot” – uri consecutive luate fiecare la 10
secunde dupa producerea evenimentului. Acest set de date stocate este denumit “ set de revista”.
Multiplele “seturi de revista“ sunt inregistrate pe discuri, pentru a fi revazute pe display
sau printate pe hardcopy. Ele sunt arhivate la cerere in vederea unor analize ulterioare. “
Snapshot” – rile unor baze de date complete pot fi utilizate pentru initierea unui caz de baza pentru
scenariul de pregatire a operatorilor pe simulator.
6.6.1.5. Inregistrare instantanee de date (Database Snapshot )
Un “Snapshot” al unei baze de date complete este stocat pe disc pentru a fi arhivat mai
tarziu si/sau a fi utilizat fie pentru scenariu pe simulator pentru pregatirea operatorilor fie pentru
analize de retea. Aceste “ Snapshot’’ – uri pot fi efectuate la cerere sau ca urmare a producerii
unor tipuri de evenimente externe preselectate.
6.6.1.6. Sistem de Informatii Istorice ( Historical Information System - HIS )
Functiunea HIS realizeaza actualizarea si completarea bazelor de date. HIS ete depozitarul
central pentru informatii. In mod normal se utilizeaza un sistem de management de baze de date
rational accesibil comercial (relational database management system – RDBMS), ca de exemplu
ORACLE, care este in mod normal utilizat pentru crearea, intretinerea si accesul in baza de date a
HIS.
Accesul la baza de date HIS este in mod obisnuit restrictionat datorita importantei
informatiilor stocate.
6.6.1.7. Telecomanda, telereglaj in instalatii (Supervisory Control )
Prin intermediul Sistemului SCADA, un dispecer poate telecomanda echipamentele aflate
in statii electrice, prin intermediul RTU – urilor, ca de exemplu:
- intreruptoare (conectat/deconectat );
- separatoare actionate cu motor (conectat/deconectat );
- baterii de condensatoare (conectat/deconectat );
- pozitie comutator de ploturi la transformatoare (creste/scade );
- valori de consemn;
- reglajul bobinelor de stingere.
Echipamentele cu doua stari sunt mai intai selectate, telecomanda data fiind o comanda
nemijlocita.
6.6.1.8. Marcarea (Tagging )
Un echipament “ marcat” reprezinta o actiune a operatorului pentru a atrage vizual atentia
asupra unui simbol de echipament de pe o schema reprezentata de display ca este fie interzisa
comanda acestui echipament fie ca trebuie sa se execute cu atentie. In mod uzual este posibil a se
” marca” un echipament cu pana la patru niveluri de marcare si anume:
- interzisa comanda;

- interzisa comanda de inchidere;
- interzisa comanda de deschidere;
- comanda permisa, dar se recomanda atentie.
“ Marcarile” sunt inregistrate ca evenimente. Este posibil ca operatorul sa adnoteze
intrarile din Lista de “ Marcari” cu comentarii care sa descrie marcarea.
Marcarea este utilizata in mod traditional ca o masura de siguranta pentru a se asigura ca
o echipa de interventie, care lucreaza la un echipament, este protejata impotriva unor actionari
inadecvate.
6.6.1.9. Interfata cu utilizatorii (User Interface )
Interfata cu utilizatorii include urmatoarele:
A. Console CRT cu grafica completa (Full Graphics CRT Consoles )
Console CRT cu grafica completa sunt echipate uzual cu unul, doua sau trei monitoare (CRT )
color de mare rezolutie (1280 pixel x 1024 pixel ):
- consola operator – doua sau trei monitoare;
- consola de programare/planificare – un monitor;
- consola programator – unul sau doua monitoare;
- consola pentru baza de date – un monitor;
- consola pentru intretinerea imaginilor – un monitor;
- consola pentru management – un monit.
B. Echipamente de inregistrare (Loggers )
In mod obisnuit sunt plasate doua astfel de echipamente in zona operationala si cate unul in
zona de planificare, zona de programare, zona de creare a bazelor de date si zona de creare a
imaginilor.
C. Imprimante
In mod obisnuit, in aria operationala sunt amplasate doua echipamente hardcopy, capabile
sa reproduca imagini grafice color de pe oricare din display – uri.
6.6.1.10. Prelucrarea si gestiunea alarmelor (Alarming )
Alarmele detectate de Sistemul SCADA sunt prelucrate astfel incat conditiile de alarma
importante sa fie raportate intr-o maniera clara, concisa si cu timpul asociat numai la consolele
care au nevoie de aceasta informatie. Alarmele multiple sunt tratate in raport cu nivelul lor de
prioritate.
Alarmele si evenimentele sunt stocate intr-o baza de date zilnica intr-un fisier de
dimensiuni mari pe disc. Alarmele si evenimentele dintr-o zi pot fi arhivate pentru o referire
ulterioara.
6.6.1.11. Afisarea pe panou (Wallboard Display )
“ Afisarea pe Panou”, consta dintr-un sistem sau un grup de sisteme de protectie video,
amplasate in zona operationala si, eventual daca este necesar, altul in zona de pregatire/vizitare.
Acest lucru permite comentarea imaginilor de pe display fara a se crea aglomeratie la consola.
6.6.1.12. Prelucrarea parolelor (Word Processing )
Functiunea de Prelucrare a Parolelor asigura gestionarea accesului utilizatorilor potentiali
in sistemul informatic dedicat conducerii operative a instalatiilor de distributie sau in anumite
zone particulare ale sistemului. Utilizand o permisie acceptata, chiar si un utilizator extern poate
efectua aceleasi activitati ca si un utilizator local – de la o statie de lucru a sistemului si
viceversa.
6.6.1.13. Supravegherea starii Sistemului Informatic
Functiunea asigura supravegherea starii de functionare a diferitor componente si a
intregului sistem informatic. Vor fi semnalizate operatorului si administratorului de retea starile

anormale de functionare ale sistemului informatic, inclusiv iesirea din functiune a diferitelor
echipamente, precum si diagnosticarea defectelor.
6.6.1.14. Supravegherea sistemului de electroalimentare a Sistemului de la DED
Vor fi semnalizate operatorului starile anormale de functionare ale echipamentelor
sistemului de electroalimentare (redresoare, invertoare, baterii de acumulatori etc.) respectiv :
- declansarea oricarui intrerupator de 0,4kV;
- tensiuni inafara limitelor admise;
- lipsa tensiunii operative pentru alimentarea echipamentelor.
6.6.2. Functiuni DMS (Distribution Management System – aplicatii pentru retelele electrice
de distributie a energiei electrice)
Intr-un Sistem de Management a Distributiei energiei electrice (DMS), prezentarea geografica a
informatiilor si a componentelor retelelor de distributie joaca un rol principal. Prin urmare,
conectivitatea componentelor retelei de distributie intr-o prezentare geografica este de importanta
majora. Din aceasta cauza, orientarea in tehnologia DMS este de a utiliza produse GIS
(Geographic Information System) pentru a se crea structuri de baze de date care faciliteaza
adaugarea sau stergerea echipamentelor intr-un mod interactiv, cartarea informatiilor aferente
echipamentelor intr-o baza de date geografica si afisarea conectivitatii pe harti geografice.
24. Cerinţe pentru un sistem de conducere centralizat al unei centrale hidroelectrice
7.1. Introducere
Aplicaţia prezintă cerinţele minimale pentru un sistem de conducere centralizat ,,propriu
zis’’ al unei centrale hidroelectrice de putere mică/medie, nefiind luate în discuţie elementele care
definesc sistemul SCADA Dispecer Hidro şi comunicaţia cu acesta.
Rolul sistemelor informatice în conducerea unui proces tehnologic trebuie să cuprindă
următoarele aspecte :
- urmărirea operativă în timp real a desfăşurări procesului tehnologic;
- îmbunătaţirea activităţii pe baza informaţiilor injectate prin feed-back;
- crearea unor canale de comunicaţie pe verticală şi pe orizontală;
- disponibilitatea si utilizarea capacitatilor tehnologice;
- analiza avariilor şi a stărilor post avarie;
- evidenţa tehnico-operativă privind starea instalaţiilor, a manevrelor, a regimului de
funcţionare realizat, a perturbaţiilor de proces, a comenzilor şi a rezultatelor obţinute;
- remedierea deranjamentelor la nivelul tuturor instalaţiilor tehnologice;
- verificarea prin adaptare şi integrare a aplicaţiilor în funcţiune sau în curs de realizare;
- asigurarea setului de informaţii pentru un management performant;
- asistarea conducerii la fundamentarea deciziilor.
Cerinţele prezentate pentru sistemul de conducere centralizat ,,propriu-zis’’ presupun ca
elemente hardware:
- utilizarea echipamentelor de fortă şi comandă existente în centrală;
- două calculatoare de automatizare pentru Servicii generale, unul de bază şi unul
redundant, în care se introduc module specializate de intrare (pentru sesizoare şi
traductoare) şi de ieşire (pentru elementele de execuţie) calculatorul redundant
asigurând oprirea în condiţii de siguranţă a instalaţiilor aferente în cazul defectării
calculatorului principal;
- două calculatoare de automatizare pentru Servicii agregat, unul de bază şi unul
redundant, în care se introduc module specializate de intrare (pentru sesizoare şi
traductoare) şi de ieşire (pentru elementele de execuţie) calculatorul redundant
asigurând oprirea în condiţii de siguranţă a hidroagregatului în cazul defectării
calculatorului principal;
- PLC pentru centrala de control termic;

-

osciloperturbograf pentru supravegherea protecţiilor electrice;
traductoare cu ieşire în semnal unificat;
menţinerea regimului ,, manual ’’ de funcţionare pentru toate instalaţiile.
7.2.

Caracteristicile sistemului SCADA

7.2.1.Funcţiile SCADA
Funcţiile SCADA care trebuie asigurate sunt:
- achiziţia de date;
- procesarea datelor;
- procesarea alarmelor şi evenimentelor;
- controlul supervizor;
- verificarea validităţii operaţiunilor executate;
- execuţia comenzilor secvenţiale;
- procesarea istoricului de date;
- analiza datelor perturbatorii;
- baza de date pentru exploatare şi mentenanţă;
- monitorizarea şi managementul sistemului computerizat;
- realizarea comunicaţiei în reţea;
- monitorizarea sistemului de comunicaţii;
- vizualizarea schemelor sinoptice;
- elaborarea pe baza datelor înregistrate a unor analize privind tendinţele anumitor
parametrii supravegheaţi.
7.2.2. Sistemul de securitate
Sistemul de securitate trebuie să permită urmatoarele:
- activarea si dezactivarea sistemului de securitate;
- crearea, modificarea şi stergerea conturilor utilizatorilor;
- restricţionarea accesului utilizatorilor la anumite programe sau ecrane operator;
- furnizarea protecţiei la scris pentru baza de date;
- gruparea utilizatorilor în conturi de grup;
- alocarea de drepturi la nivel de funcţie de aplicaţie ( de ex. părăsirea unui ecran,
desenarea unui obiect etc.);
- definirea unor arii de securitate la nivel funcţional sau fizic, care pot restricţiona
accesul la resursele sistemului SCADA;
- crearea unui mediu sigur în care utilizatorul să poată fi impiedicat să facă următoarele
operaţii:
o să starteze alte task-uri;
o să comute către task-uri neautorizate;
o să părăsească ecranul curent;
o să deschidă ecrane în care nu este autorizat;
o să restarteze calculatorul.
7.2.3. Colectarea datelor pe termen lung (istoricul de date)
Sistemul de colectare a datelor pe termen lung trebuie să asigure:
- un mod automat, cuprinzător şi pe termen lung de eşantionare, stocare şi afişare a
datelor din proces;
- analiza tendinţelor procesului monitorizat;
- arhivarea variabilelor din proces conform standardelor în vigoare;

-

analiza post-avarie;
stabilirea strategiei de colectare a datelor;
crearea de grafice bazate pe datele colectate, tipărirea şi exportarea sub formă de
fişiere ASCII a datelor colectate.

7.2.4. Generarea de rapoarte
Generarea de rapoarte trebuie să asigure:
- producerea rapoartelor bazate pe valorile din baza de date, din datele istorice culese
sau pe valorile culese în timp real;
- definirea şi stocarea rapoartelor în fişiere Excel;
- generarea rapoartelor la momente de timp stabilite, la nivel de zi din săptămână şi oră
din zi şi repetarea acestui lucru la intervale de timp fixe;
- trimiterea raportului, după generare, într-un fişier prestabilit sau direct la imprimantă.
7.2.5. Lucrul cu baze de date externe
Sistemul SCADA trebuie să permita scrierea şi citirea de date dintr-o bază de date externă la
momente de timp stabilite sau declanşate de un anumit eveniment.
7.2.6. Sistemul de alarme si mesaje
Sistemul de alarme şi mesaje trebuie să asigure:
- semnalizare la depăşirea unei limite stabilite de catre o valoare din proces prin
declanşarea unei alarme;
- afişarea alarmei până când condiţia care a declanşat-o dispare şi operatorul o
confirmă;
- generarea de mesaje despre activitatea sistemului, a operatorului şi a bazei de date,
mesaje care pot fi inspectate ulterior;
- atribuirea de priorităţi alarmelor şi generarea de mesaje acustice la apariţia acestora;
- salvarea alarmelor şi mesajelor într-un fişier;
- asigurarea unui serviciu de istoric al alarmelor şi afişarea la cerere pe ecran a listei de
alarme şi mesaje.
7.2.7.Baza de date în timp real
Baza de date în timp real trebuie să fie formată din blocuri care vor îndeplini una din
următoarele funcţii:
- prelucrarea datelor conform instrucţiunilor utilizatorului ( conform strategiei de
control);
- compararea valorilor citite cu limitele de alarmare definite;
- transmiterea semnalelor de alarmare către ecranele operator, imprimantă, fişiere şi
dispozitive de alarmare.
Pentru a împiedica pe operator să facă schimbări neautorizate, sistemul SCADA trebuie să
asigure un sistem de securitate care să permită administratorului de sistem să acorde dreptul
numai la acele blocuri din baza de date la care utilizatorul are dreptul. Pentru a avea acces la
anumite date, operatorul trebuie să se instaleze în sistem cu numele şi parola corespunzătoare.
7.2.8. Limbajul de comandă

Limbajul de comandă trebuie să fie un limbaj de scriptare foarte puternic, care să permită
automatizarea activităţilor operatorului prin intermediul unei serii de comenzi şi a unor
parametrii. Aceste scripturi vor fi utilizate pentru:
- manipularea fişierelor;
- tratarea alarmelor;
- controlul blocurilor bazei de date;
- rularea automată a altor aplicaţii;
- încorporarea de profile de securitate particulare;
- elaborarea de casete de dialog şi mesaje specializate pentru operator;
- executarea de comenzi în alte aplicaţii folosind un server local sau aflat în reţea (ex.
generarea unui raport în Microsoft Excel);
- lansarea în execuţie a unor programe externe ( ex. un program care culege la fiecare
sfert de oră datele privitoare la energia furnizată şi transmiterea acestora prin poşta
electronică la o autoritate tutelară).
Executarea scripturilor va puea fi declansată de mai multe surse :
- o combinaţie de taste;
- închiderea şi deschiderea ecranelor operator;
- selectarea unui buton;
- selectarea unui obiect prin legarea scriptului de proprietăţile dinamice ale acestuia.
7.3. Centrala hidroelectrică
Arhitectura sistemului informatic de proces la nivelul centralei hidroelectrice va cuprinde:
- calculatoarele de automatizare de bază şi redundante;
- centrala de protecţie termică;
- osciloperturbograful;
- consola operator.
Elementele sistemului informatic vor fi cuplate între ele prin reţea locala Ethernet sau prin
magistrale de câmp.
Va fi asigurată citirea automată a contoarelor.
Sistemul informatic de proces va fi cuplat la instalaţia de automatizare cu relee existentă si va
asigura de asemenea integrarea contoarelor electrice inteligente şi a altor traductoare inteligente
ce urmeaza a fi instalate.
7.3.1. Consola operator
Cerinţe:
- va fi realizată cu o staţie industrială compatibilă IBM PC, care va asigura protecţia
monitorului VGA contra câmpului electromagnetic din centrala hidroelectrică;
- cuplarea la calculatorul de automatizare va fi facută prin intermediul unei reţele locale
Ethernet, utilizând protocolul TCP/IP;
- sistemul de operare va fi Windows XP;
- pentru dezvoltarea aplicaţiei va fi folosit un sistem SCADA performant.
7.3.2. Calculatorul de automatizare
Calculatorul de automatizare trebuie să aibe următoarele caracteristici generale:
- arhitectură deschisă care să permită atât procesarea distribuită, cât şi centralizată a
datelor;
- capacitatea de procesare a volumului de date necesar aplicaţiei de comandă şi control
grupuri hidro;
- arhitectură modulară, care să permită extinderi în viitor;

-

-

-

operare robustă, pentru ca defectarea unui modul periferic să nu blocheze funcţionarea
sistemului;
posibilitatea de înlocuire a modulelor prin scoaterea acestora în timpul funcţionării;
asigurarea răcirii sistemului ( inclusiv unitatea centrală) prin convecţie naturală;
capacitate de autotestarea a sistemului în timpul funcţionării;
software de aplicaţie rezident atât pe suport magnetic cât şi pe disc FLASH;
asigurarea comunicării cu modulele distribuite de I/O cu diverse protocoale:
o IEC 1107 pentru contoare inteligente;
o MODBUS ( serial si Ethernet folosind TCP/IP);
o PROFIBUS DP;
indicatori luminoşi (LED) la nivelul fiecărui modul pentru specificarea activităţii
modulului, starea intrării/ieşirilor şi starea de alarmă ( în funcţie de tipul modulului);
alimentarea sistemului la 230 V cc şi asigurarea unei autonomii de funcţionare de 1-2
ore;
îndeplinirea cerinţelor, conform standardelor în vigoare, referitoarea la:
o compatibilitate electromagnetică;
o perturbaţii radioelectrice;
o imunitate pentru echipamente montate în staţii electrice-medii industriale;
o teste de perturbaţii la impulsuri de înaltă frecvenţă;
o şocuri mecanice;
o şocuri de înaltă frecvenţă.
calculatorul de automatizare va consta dintr-o unitate centrală şi un număr de module
periferice care au propria capacitate de procesare, module care vor asigura procesarea
locală a informaţiei;
sistemul va permite atât configuraţii centralizate, cât şi culegerea de date în mod
distribuit;
calculatorul de automatizare va permite:
o
administrarea programului de aplicaţie de la distanţă, cum ar fi
oprirea/pornirea aplicaţiei, descărcarea unei noi versiuni a aplicaţiei,
efectuarea de comenzi la nivelul sistemului de operare, etc.;
o integrarea de dispozitive inteligente de intrare/ ieşire, cum ar fi contoare
electronice, protecţii termice hidroagregat, etc.;
o sincronizarea standard a ceasului de timp real prin GPS.

7.3.3. Unitatea centrală
Cerinţe pentru unitatea centrală :
- să fie compatibilă IBM PC;
- sa conţină minimum 4 porturi seriale pentru conectarea cu controllere logice
programabile (PLC), dispozitive inteligente de I/O, contoare electronice, etc., cu
posibilitatea comunicaţiei pe fibră optică sau prin legatură GSM şi/sau satelit;
- să posede o interfaţă Ethernet pentru conectarea cu consola operator şi cu alte
dispozitive care posedă interfeţe asemănătoare;
- dacă se consideră necesar, calculatoarele pot fi cuplate la reţea prin intermediul unui
hub comutat;
- consola locală va fi alcătuită dintr-un monitor VGA şi o tastatură cu 101 taste care va
permite:
o parametrizarea programului de aplicaţie ( configurarea bazei de date);
o vizualizarea datelor din procesul industrial;
o comanda grupurilor conectate ( pornire, oprire, modificare consemn).
sistemul de operare va prezenta:

-

o multitasking integrat;
o comunicaţie şi sincronizare interprocese;
o alocare dinamică a memoriei;
o timere şi semnale.
controlerul de întrerupere va asigura un nivel pentru fiecare modul conectat;
ceasul intern al unităţii centrale va funcţiona cu rezoluţia de 1 ms, va sincroniza ceasul
de timp real al modulelor periferice şi va fi sincronizat prin GPS;
unitatea centrală va avea watch-dog propriu iar driverele modulelor periferice vor
asigura această funcţie fată de modulele periferice gestionate;
domeniul de temperatură de funcţionare va fi 0-50 0C, unitatea centrală trebuind să
posede sistem de supraveghere a atingerii temperaturii maxime în sertarul echipat şi să
semnalizeze programului de aplicaţie depăşirea acestei temperaturi.

7.3.4. Modulele de intrare/ieşire
Modulele de intrare/ieşire trebuie să posede capacitate proprie de procesare şi să permită
achiziţia şi procesarea unor tipuri de semnale specifice, furnizând în acest scop funcţii de
procesare şi stocare/bufferare specifice.
Aceste module vor fi, în consecinţă, module inteligente, vor conţine microcontrolere şi vor fi
configurate ca ,,slave’’ faţă de unitatea centrală.
7.3.4.1. Modulul de intrări digitale
Modulul de intrări digitale realizează :
- sesizarea schimbării de stare la nivelul canalelor de intrare;
- memorarea acestor schimbări împreună cu momentul de timp al producerii lor.
Cerinţe :
- izolaţie galvanică între canalele de intrare şi între canalele de intrare şi masa logică de
pe modul;
- nivel 0L la intrare : 0-5 V;
- nivel 1L la intrare : 19-24 V;
- toate intrările digitale vor fi scanate la intervale de 10 ms, conform standardului IEC
870-3;
- filtrarea locală a vibraţiilor contactelor, parametrii filtrării fiind programabili la
nivelul fiecărui punct de intrare;
- pentru a nu pierde informaţia în cazul aparitiei unui număr foarte mare de schimbări de
stare, modulul trebuie sa fie capabil să memoreze un număr cât mai mare de asemenea
evenimente;
- pentru a păstra secvenţa evenimentelor, modulul trebuie să menţină un ceas de timp real
sincronizat de către unitatea centrală şi să ataşeze o marca de timp fiecărui eveniment;
- watch-dog pentru supravegherea microcontrolerului;
- circuit de monitorizare a tensiunii de alimentare;
- monitorizarea prezenţei conectorilor de proces;
- indicatoare luminoase (LED) care să semnalizeze:
o starea de activitate a plăcii;
o starea intrărilor;
o comunicaţia cu unitatea centrală;
o apariţia unor modificări a stării intrării, etc.

7.3.4.2. Modulul de intrări analogice
Modulul de intrări analogice are rolul de a culege din proces valorile unor semnale
analogice bipolare.
Cerinţe :
pe placă;
- rezoluţia convertorului A/D : 12 biţi;
- precizia : 2% din scală;
- domeniul tensiunii de intrare :+/- 2V ( conversia de la semnal unificat în curent prin
rezistenţe de precizie puse în paralel cu intrările);
- scanare automată a canalelor de intrare la un interval de timp programabil de către
utilizator în gama 1-255 sec (default 3 sec.);
- filtrare hardware a semnalelor de intrare în scopul eliminării zgomotelor;
- timp de citire a unui canal :1,5 ms;
○ executarea conversiei analog/numerice.
7.3.4.3. Modulul de intrări impulsuri (opţional)
Modulul de intrări impulsuri trebuie să culeagă impulsuri de la contoarele elecromecanice de
energie electrica care se mai găsesc în centrala hidroelectrică.
Cerinţe:
- frecvenţa maximă a impulsurilor : 400 Hz;
- durata minimă a unui impuls : 50μs;
pe placă;
- 0 L nivel la intrare : 0-3 V;
- nivel 1 L la intrare : 9-12 V;
- modulul să furnizeze, la cerere:
o numărul total de impulsuri pentru fiecare canal;
o numărul de impulsuri pe minut pentru fiecare canal;
o numărul de impulsuri pe sfert de oră şi pe oră pentru fiecare canal;
- watch-dog pentru supravegherea microcontrollerului;
o existenţa impulsurilor pe oricare din canalele de intrare ale modulului.
7.3.4.4. Modulul de ieşiri numerice

Modulul de ieşiri numerice are rolul de a executa comenzile date către instalaţia de
automatizare din centrala hidroelectrică.
Cerinţe :
- ieşiri pe contact de releu reed;
- caracteristicile electrice ale ieşirii numerice pe sarcină rezistivă : 24 V/300mA;
- protectia contactului în regim de comandă cu siguranţă;
- confirmarea executării comenzii cu ajutorul unui contact auxiliar;
- alimentare comandată prin microcontroller a releelor de ieşire, pentru a putea deschide
contactul de ieşire în cazul refuzului de comandă, caz în care se blochează ieşirile plăcii
în starea contact deschis ( eroare de tip refuz de comandă);
- posibilitatea executării de comenzi simple de tip contact închis/contact deschis;
- posibilitatea executării de comenzi de tip monostabil sau de comenzi tip tren de
impulsuri, cu posibilitatea parametrizării de către utilizator a caracteristicilor
comenzilor;
- durata minimă a unei comenzi : 10 ms;
o starea logică a canalelor de iesire;
o starea de eroare a plăcii;
- în cazul în care comunicaţia cu unitatea centrală nu mai funcţionează să se realizeze
blocarea ieşirilor în starea de contact deschis.
7.4. Centrala de protectie termică
Centrala de protecţie termică se va cupla la calculatorul de automatizare la nivelel unei
magistrale de câmp şi va comunica acestuia parametrii şi valorile din procesul industrial.
Cerinţe:
- să fie realizată cu un Controller Logic Programabil compatibil IBM PC (OPEN PLC);
- domeniul maxim de măsură :0-200 0C;
- clasa de precizie :0,5%;
- timpul maxim de scanare a valorilor canalelor de intrare faţă de limitele prescrise :
max. 30 sec.;
- alimentare la 230 Vcc;
- separaţia galvanică între sursa de alimentare şi traductoarele de temperatură să fie de
100 Vcc ;
- temperatura de lucru a sistemulu : 0-500C;
- posibilitatea de conectare a 60 de traductoare de temperatură Pt 100;
- semnalizare termorezistenţă întreruptă sau în scurt circuit, caz în care nu va declanşa
hidroagregatul (HA);
- pentru fiecare grup de măsură se vor semnaliza 2 praguri de temperatură (semnalizare
si protecţie) precum şi depăşirea creşterii maxime a temperaturii pe un interval de
temperatura dat, valorile acestora fiind setabile de către utilizator;
- canalele care produc declanşarea să fie incluse într-un grup de declanşare;
- fiecare canal de măsură sa fie validat individual;
- sistemul să permită validarea generala a declanşării HA;

-

memorarea de către sistem a timpului pe care fiecare canal l-a petrecut în starea de
alarmă;
- memorarea ultimelor 30 de alarme ( depăşiri ale valorilor limită);
- memorarea valorilor canalelor de intrare pe ultimele 7 zile, din oră în oră;
- afişarea temperaturii şi a variatiei mărimii acesteia pe un interval de timp dat (să poată
fi definită de catre utilizator) pentru fiecare punct în parte prin baleiere sau afişare la
cerere;
- autotestare ciclică, cu semnalizarea stării de funcţionare;
- semnalizare hard a funcţionării PLC;
- compensare conexiune termorezistenţă ( traseu cu 3 sau 4 fire);
- consolă de afişare conectabilă la sistemul de monitorizare care să permită:
o parametrizarea sistemului;
o afişarea valorilor măsurate;
o afisarea parametrilor de funcţionare;
o afişarea alarmelor;
- procesor de comunicaţie în standard MODBUS, cu viteza setabilă la 9600 bps sau
19200 bps, adresa setabilă în intervalul 1-32, interfaţa RS 422/485 şi RS 232
(selectabilă);
- posibilitatea de personalizare a denumirii canalelor de intrare (max 8 caractere) fie de
către producător, fie de către beneficiar prin intermediul consolei de programare;
- indeplinirea cerinţelor, conform standardelor în vigoare, referitoarea la:
o compatibilitate electromagnetică;
o perturbaţii radioelectrice;
o imunitate pentru echipamente montate în staţii electrice-medii industriale;
o teste de perturbaţii la impulsuri de înaltă frecvenţă;
o şocuri mecanice;
şocuri de înaltă frecvenţă.
25. Standarde industriale: RS 232, RS 423
26.Standarde industriale: RS 422, RS 485
→ Subiectul 25 & 26, trebuie căutate pe Google!

Subiecte scada

More Related Content

Similar to Subiecte scada (15)

Subiecte scada