Тема 2
1. Датчики
Датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам (см. таблицу 1).
В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:
Электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;
Электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
Они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрически. Отдельную группу составляют радиоактивные датчики. Радиоактивные датчики - это такие датчики, в которых используются такие явления, как изменение параметров под действием g и b - лучей; ионизации и люминисцентности некоторых веществ под действием радиоактивного облучения. Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
Аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
Цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
Бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (0 или 1).
Рисунок 1 – Классификация датчиков систем автоматизации горных машин
Требования, предъявляемые к датчикам:
Однозначная зависимость выходной величины от входной;
Стабильность характеристик во времени;
Высокая чувствительность;
Малые размеры и масса;
Отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;
Работа при различных условиях эксплуатации;
Различные варианты монтажа.
Параметрические датчики
Параметрическими называют датчики, преобразующие входные сигналы в изменение какого-либо параметра электрической цепи (R, L или C). В соответствии с этим различают датчики активного сопротивления, индуктивные, емкостные.
Характерной особенностью этих датчиков является то, что они используются только при наличии внешнего источника питания.
В современной аппаратуре автоматизации широко используют различные параметрические датчики активного сопротивления - контактные, реостатные, потенциометрические датчики.
Контактные датчики . Наиболее надежными с контактных датчиков считаются магнитоуправляемые герметичные контакты (герконы).
|
Рисунок 1 – Принципиальная электрическсая схема герконового датчика
Воспринимающий элемент датчика – геркон представляет собой ампулу 1, внутри которой запаяны контактные пружины (электроды) 2, изготовленные из ферромагнитного материала. Стеклянная ампула заполнена защитным газом (аргон, азот и др.). Герметичность ампулы исключает вредное влияние (воздействие) среды на контакты, повышая надежность их работы. Контакты геркона, расположенного в контролируемой точке пространства, замыкаются под действием магнитного поля, которое создается постоянным магнитом (электромагнитом), установленным на подвижном объекте. При разомкнутом состоянии контактов геркона его активное сопротивление равно бесконечности, а при замкнутом - почти нулю.
Выходной сигнал датчика (U вых на нагрузке R1) равен напряжению U п источника питания при наличии магнита (объекта) в точке контроля и нулю при его отсутствии.
Герконы выпускаются как с замыкающими контактами, так и с размыкающими контактами, а так же переключающимися и поляризованными контактами. Некоторые типы герконов - КЭМ, МКС, МКА.
Достоинствагерконовых датчиков - высокая надежность и наработка на отказ (порядка 10 7 срабатываний). Недостаток герконовых датчиков – существенное изменение чувствительности при незначительном смещении магнита в направлении перпендикулярном движению объекта.
Герконовые датчики используются, как правило, при автоматизации подъемных, водоотливных, вентиляционных и конвейерных установок.
Потенциометрические датчики . Потенциометрические датчики представляют собой переменный резистор (потенциометр), состоящий из плоского (полоски), цилиндрического или кольцевого каркаса на который намотана тонкая проволока из константана или нихрома с высоким удельным сопротивлением. По каркасу передвигается ползунок - скользящий контакт, связанный механически с объектом (см. рисунок 2).
Передвигая ползунок с помощью соответствующего привода, можно изменять сопротивление резистора от нулевого значения до максимального. Причем сопротивление датчика может изменяться как по линейному закону, так и по другим, чаще логарифмическим, законам. Применяют такие датчики в тех случаях, когда нужно менять напряжение или ток в цепи нагрузки.
|
Рисунок 2 - Потенциометрический датчик
Для линейного потенциометра (см. рисунок 2) длиной l выходное напряжение определяется выражением:
,
где x - перемещение щетки; k=U п / l - передаточный коэффициент; U п – напряжение питания.
Потенциометрические датчики используются для измерения различных технологических параметров – давления, уровня и т. д., преобразованных предварительно воспринимающим элементом в перемещении.
Достоинства потенциометрических датчиков – конструктивная простота, небольшие размеры, а также в возможности питания как постоянным, так и переменным током.
Недостаток потенциометрических датчиков – наличие скользящего электрического контакта, снижающего надежность работы.
Индуктивные датчики . Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности L катушки 1, размещенной на ферромагнитном сердечнике 2, при перемещении x якоря 3 (см. рисунок 3).
|
Рисунок 3 - Индуктивный датчик
Питание схемы датчиков осуществляется от источника переменного тока.
Управляющим элементом датчиков является переменное реактивное сопротивление – дроссель с переменным воздушным зазором.
Датчик работает следующим образом. Под воздействием объекта якорь, приближаясь к сердечнику, вызывает увеличение потокосцепления и, следовательно, индуктивности катушки. С уменьшением зазора d до минимального значения индуктивное сопротивление катушки х L = wL = 2pfL возрастает до максимального, уменьшая ток нагрузки RL, в качестве которой обычно применяется электромагнитное реле. Последние своими контактами коммутируют цепи управления, защиты, контроля и т.д.
Достоинства индуктивных датчиков – простота устройства и надежность работы благодаря отсутствию механической связи между сердечником и якорем, закрепленным обычно на подвижном объекте, положение которого контролируется. Функции якоря может выполнять сам объект, имеющий ферромагнитные детали, например скип при контроле его положения в стволе.
Недостатки индуктивных датчиков – нелинейность характиристики и значительное электромагнитное притяженое усилие притяжения якоря к сердечнику. Для уменьшения усилий и непрерывного измерения перемещений применяют датчики солиноидного типа или их называют дифференциальными.
Емкостные датчики. Емкостные датчики конструктивно представляют собой конденсаторы переменной емкости различных конструкций и форм, но обязательно с двумя пластинами, между которыми находится диэлектрическая среда. Служат такие датчики для преобразования механических линейных или угловых перемещений, а также давления, влажности или уровня среды в изменение емкости. При этом для контроля малых линейных перемещений используют конденсаторы, в которых меняется воздушный зазор между пластинами. Для контроля угловых перемещений используют конденсаторы с постоянным зазором и переменной рабочей площадью пластин. Для контроля уровней заполнения резервуаров сыпучими материалами или жидкостями при постоянных зазорах и рабочих площадях пластин - конденсаторы с диэлектрической проницаемостью среды контролируется. Электроемкость такого конденсатора вычисляется по формуле
где: S - Общая площадь пересечения пластин; δ - расстояние между пластинами; ε - диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; ε 0 -диэлектрическая постоянная.
По форме пластин различают плоские, цилиндрические и другие типы конденсаторов переменной емкости.
Емкостные датчики работают только при частотах, превышающих 1000Гц. Использования при промышленной частоте практически невозможно из-за большого емкостного сопротивления (Хс = = ).
Генераторные датчики
Генераторные датчики – это такие датчики, которые осуществляют непосредственное преобразование различных видов энергии в электрическую. Они не требуют внешних источников питания, потому что сами производят э.д.с.. В генераторных датчиках используются известные физические явления: возникновение ЭДС в термопарах при нагреве, в фотоэлементах с запирающем слоем при освещении, пьезоэлектрический эффект и явление электромагнитной индукции.
Индукционные датчики . В индукционных датчиках преобразование входной неэлектрической величины в индуцированную э.д.с. используется для измерения скорости движения, линейных или угловых перемещений. Э.д.с. в таких датчиках индуцируется в катушках или обмотках, изготовленных из медного изолированного провода и размещённых на магнитопроводах, изготовленных из электротехнической стали.
Малогабаритные микрогенераторы, которые превращают угловую скорость объекта в э.д.с, величина которой прямо пропорциональна скорости вращения выходного вала объекта контроля, получили название тахогенераторов постоянного и переменного токов. Схемы тахогенераторов с независимой обмоткой возбуждения и без нее приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схемы тахогенераторов с независимой обмоткой возбуждения и без нее
Тахогенераторы постоянного тока представляют собой коллекторную электрическую машину с якорем и обмоткой возбуждения или постоянным магнитом. Последние не требуют дополнительного источника питания. Принцип действия таких тахогенераторов заключается в том, что в якоре, который вращается в магнитном потоке (Ф) постоянного магнита или обмотки возбуждения, индуцируется э.д.с. (Е), величина которой пропорциональна частоте вращение (ω) объекта:
Е = cФn = сФω
Для сохранения линейной зависимости э.д.с. от частоты вращения якоря необходимо, чтобы сопротивление нагрузки тахогенератора всегда оставался неизменным и во много раз превышал сопротивление обмотки якоря. Недостатком тахогенераторов постоянного тока является наличие коллектора и щеток, что значительно снижает его надежность. Коллектор обеспечивает преобразование переменного э.д.с. якоря в постоянный ток.
Более надежным является тахогенератор переменного тока, у которого выходная искробезопасная обмотка размещена на статоре, а ротор представляет собой постоянный магнит с соответствующим постоянным магнитным потоком. Такой тахогенератор не требует коллектора, но его переменную э.д.с. превращают в постоянный ток с помощью мостовых диодных схем. Принцип действия синхронного тахогенератора переменного тока заключается в том, что при вращении ротора объектом контроля в его обмотке индуцируется переменная э.д.с., амплитуда и частота которой прямо пропорциональны частоте вращения ротора. Из-за того, что магнитный поток ротора вращается с той же частотой, что и сам ротор, такой тахогенератор называют синхронным. Недостатком синхронного генератора является то, что он имеет подшипниковые узлы, что для рудничных условий не является уместным. Схема контроля скорости ленты конвейера синхронным тахогенератором приведена на рисунке 5. На рисунке 5 обозначено: 1 - магнитный ротор тахогенератора, 2 – приводной ролик с протектором, 3 - лента конвейера, 4 - статорная обмотка тахогенератора.
Рисунок 5 - Схема контроля скорости ленты конвейера синхронным
тахогенератором
Для измерения линейной скорости движения рабочих органов скребковых конвейеров используются магнитоиндукционные датчики, в которых вообще отсутствуют подвижные части. Подвижной частью (якорем) в этом случае являются стальные скребки конвейера, движущиеся в магнитном потоке постоянного магнита датчика с искробезопасным катушкой. При пересечении стальными скребками магнитного потока в катушке индуцируется переменная э.д.с, прямо пропорциональна скорости перемещения и обратно пропорциональна зазора между стальным сердечником катушки и скребком. Магнитный поток, что приводит э.д.с, в катушке в данном случае изменяется под влиянием стальных скребков, что, двигаясь над датчиком, вызывают колебания магнитного сопротивления на пути замыкания магнитного потока, образованного постоянным магнитом. Схема контроля скорости движения рабочего органа скребкового конвейера магнитоиндукционным датчиком показана на рисунке 6. На рисунке 6 обозначено: 1 - скребковый конвейер, 2 - стальная сердцевина, 3 - стальная шайба, 4 -пластмассовая шайба, 5 - кольцевой постоянный магнит, 6 - катушка датчика
Рисунок 6 - Схема контроля скорости движения рабочего органа
скребкового конвейера магнитоиндукционным датчиком
Магнитоупругие датчики. Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость m при их деформации. Это свойство называется магнитоупругостью, которое характеризуется магнитоупругой чувствительностью
Наибольшим значением S m = 200 Гн/м2 облядает пермаллай (железоникелевый сплав). Некоторые сорта пермаллая при удлиненнии на 0,1% увеличивает коэффициент магнитной проницаемости до 20%. Однако для получения даже столь малых удлинений требуется нагрузка порядка 100 – 200 Н/мм, что очнь неудобно и приводит к необходимости уменьшения сечения ферромагнитного материала и требуется источник питания с частотой порядка килоГерц.
Конструктивно магнитоупругий датчик представляет собой катушку 1 с замкнутым магнивопроводом 2 (см. рисунок 7). Контролируемое усилие Р, деформируя сердечник, изменяет его магнитную проницаемость и, следовательно, индуктивное сопротивление катушки. Ток нагрузки RL, например, реле определяется сопротивлением катушки.
Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий (например, при загрузке скипов и посадке клетей на кулаки), горных давлений и т.д.
Достоинства магнитоупругих датчиов – простота и надежность.
Недостатки магнитоупругих датчиов – требуются дорогие материалы для магнитопроводов и специальная их обработка.
Рисунок 7 – Магнитоупругий датчик
Пьезоэлектрические датчики. Пьезоэлектрический эффект присущ монокристаллам некоторых диэлектрических веществ (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.). Суть эффекта состоит в том, что под действием динамических механических усилий на кристалл на его поверхностях возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна упругой деформации кристалла. Размеры и количество пластин кристаллов выбираются из расчета прочности и необходимой величины заряда. Пьезоэлектрические датчики в большинстве случаев служат для измерения динамических процессов и ударных нагрузок, вибрации и т.п.
Термоэлектрические датчики . Для измерения температур в широких пределах 200-2500 °С используют термоэлектрические датчики - термопары, которые обеспечивают преобразование тепловой энергии в электрическую э.д.с. Принцип действия термопары основан на явлении термоэлектрического эффекта, который заключается в том, что при размещении спая и концов термоэлектродов в среде с различными температурами t 1 и t 2 в кругу, образованном термопарой и милливольтметром возникает термо э.д.с., пропорциональная разности этих температур.
Рисунок 8 - Схема термопары
Проводники А и В термопары изготавливают из разнородных металлов и их сплавов. Явление термоэлектрического эффекта дают сочетание таких проводников А и В, медь-константан (до 300 ° С), медь - копель (до 600 ° С), хромель - копель (до 800 ° С), железо - копель (до 800 ° С), хромель - алюмель (до 1300 ° С), платина - платино-родий (до 1600 ° С) и т.д..
Значение термо-э.д.с для различных типов термопар составляет от десятых долей до десятков милливольт. Например, для термопары медь-константан она изменяется от 4,3 до –6,18 mB при изменении температуры спая от + 100 до – 260 о С.
Терморезисторные датчики. Принцип действия терморезисторных датчиков основан на свойстве воспринимающего элемента – терморезистора менять сопротивление при изменении температуры. Терморезисторы изготавливают из металлов (медь, никель, атина и т.д.) и полупроводников (смеси окислов металлов – меди, марганца и т.д.). Металлический терморезистор выполняется из проволоки, например, медной диаметром примерно 0,1 мм, намотанной в виде спирали на слюдяной, фарфоровый или кварцевый каркас. Такой терморе-зистор заключен в защитную трубку с выводными зажимами, которая размещается в точке контроля температуры объекта.
Полупроводниковые терморезисторы изготавливаются в виде небольших стержней и дисков с выводами.
С ростом температуры сопротивление металлических терморезисторов возрастает, а у большинства полупроводниковых – уменьшается.
Достоинством полупроводниковых терморезисторов является их высокая термочувствительность (в 30 раз больше, чем у металлических).
Недостатком полупроводниковых терморезисторов является большой разброс сопротивлений и малая стабильность, что затрудняет их использование для измерений. Поэтому полупроводниковые терморезисторы в системах автоматизации шахтных технологических установок в основном используются для контроля значений температуры объектов и их тепловой защиты. При этом они обычно включаются последовательно с электромагнитным реле на источник питания.
Для измерения температуры терморезистор RK включается в схему моста, который преобразует измерение сопротивления в напряжение на выходе Uвых, используемое в САУ или измерительной системе.
Мост может быть уравновешенный и не уравновешенный.
Уравновешенный мост применяют при нулевом методе измерений. В этом случае изменяется сопротивление R3 (например, специальным автоматическом устройством) вслед за изменением сопротивления терморезистора Rт таким образом, чтобы обеспечивалось равенство потенциалов в точках А и В. Если шкалу резистора R3 градуировать в градусах, то по положению его движка можно производить отсчет температуры. Достоинство такого метода – высокая точность, а недостаток – сложность измерительного устройства, представляющего собой следящую автоматическую систему.
Неуравновешенный мост выдает сигнал Uвых, пропорциональный перегреву объекта. Подбором сопротивлений резисторов R1, R2 , R3 добиваются равновесия моста при начальной величине температуры, обеспечивая выполнение условия
Rт / R1= R3 / R2
При изменении величины контролируемой температуры и соответственно сопротивления Rт равновесие моста нарушится. Если к его выходу подключить прибор mV со шкалой, отградуированной в градусах, стрелка прибора будет показывать измеряемую температуру.
Индукционный расходомер
Для контроля подачи насосной установки водоотлива возможно примене-ние индукционных расходомеров, например типа ИР-61М. Принцип действия индукционного расходомера основан на законе Фарадея (закон электромагнитной индукции).
Конструктивная схема индукционного расходомера приведена на рисунке 9. При протекании в трубопроводе проводящей жидкости между полюсами магнита, то в направлении перпендикулярном направлению жидкости и в направлении основного магнитного потока возникает э.д.с. U на электродах, пропорциональная скорости движения жидкости v:
где B – магнитная индукция в зазоре полюсов магнита; d – внутренний диаметр трубопровода.
Рисунок 9 – Конструктивная схема индукционного расходомера
Если выразить через объемный расход Q скорость v, т.е.
Достоинства индукционного расходомера:
Обладают незначительной инерционностью показаний;
Нет частей, находящихся внутри рабочего трубопровода (поэтому они имеют минимальные гидравлические потери).
Недостатки расходомера:
Показания зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкость, плотность) и характера потока (ламинарный, турбулентный);
Ультразвуковые расходомеры
Принцип действия ультразвуковых расходомеров заключается в том, что
скорость распространения ультразвука в движущейся среде газа или жидкости равна геометрической сумме средней скорости движения среды v и собственного скорости звука в этой среде .
Конструктивная схема ультразвукового расходомера привежена на рисунке 10 .
Рисунок 10 - Конструктивная схема ультразвукового расходомера
Излучатель И создает ультразвуковые колебания частотой от 20Гц и выше, которые попадают на приемник П, регистрирующий эти колебания (он расположен на расстоянии l). Расход потока F равен
где S – площадь сечения потока жидкости; С – скорость звука в среде (для жидкости 1000-1500 м/с);
t1 – продолжительность распространения звуковой волны по направлению движения потока от излучателя И1 до приемника П1;
t 2 – продолжительность распространения звуковой волны против движе-ния потока от излучателя И2 до приемника П2;
l – расстояние между излучателем И и приемником П;
k – коэффициент, учитывающий распределение скоростей в потоке.
Достоинства ультразвукового расходомера:
а) высокая надежность и быстродействие;
б) возможность измерения неэлектропроводных жидкостей.
Недостаток – повышенные требования к загрязненности контролируемого потока воды.
2. Устройства передачи данных
Передача информации от объекта автоматизации к устройству управления осуществляется по линиям (каналам) связи. В зависимости от физической среды, по которой происходит передача информации каналы связи можно разделить на следующие типы:
– кабельные линии – электрические (симметричные, коаксиальные, «витая пара» и т.д.), волоконно-оптические и комбинированные электрические кабели с волоконно-оптическими жилами;
–силовая низковольтная и высоковольтные электрические сети;
–инфракрасные каналы;
–радиоканалы.
Передача информации по каналам связи может передаваться без уплотнения информации, т.е. по одному каналу передается один информационный сигнал (аналоговый или дискретный) и с уплотнением информации – по каналу связи передается множество информационных сигналов. Уплотнение информации применяется для дистанционной передачи информации на значительное расстояние (например от аппаратуры автоматизации, расположенной на штреке к очистному комбайну или от участка шахты на поверхность к диспетчеру) и может производиться при помощи различного рода кодирования сигналов.
Технические системы, которые обеспечивают передачу информации о состоянии объекта и команд управления на расстояние по каналам связи могут быть системами дистанционного управления и измерения или телемеханическими системами . В системах дистанционного управления и измерения для каждого сигнала используется своя линия - канал связи. Сколько сигналов, столько требуется и каналов связи. Поэтому при дистанционном управлении и измерении число управляемых объектов, особенно на больших расстояниях, обычно ограничено. В телемеханических системах для передачи многих сообщений большому числу объектов используется всего одна линия, или один канал связи. Информация передается в закодированном виде, и каждый объект «знает» свой код, поэтому число контролируемых или управляемых объектов практически не ограничивается, только код будет сложнее. Системы телемеханики делятся на дискретные и аналоговые. Системы дискретного телеконтроля называют системами телесигнализации (ТС), они обеспечивают передачу конечного числа состояний объекта (например, «включено», «отключено»). Системы аналогового телеконтроля называют системами телеизмерения (ТИ), они обеспечивают передачу непрерывного изменения каких-либо параметров, характеризующих состояние объекта (например, изменение напряжения, тока, скорости и т.д.).
Элементы, из которых состоят дискретные сигналы, обладают различными качественными признаками: амплитудой импульса, полярностью и длительностью импульса, частотой или фазой переменного тока, кодом в посылке серии импульсов. Более подробно телемеханические системы рассмотрены в .
Для обмена информацией между микропроцессорными контроллерами различных устройств системы автоматизации, в том числе и управляющими компьютерами используются специальные средства, методы и правила взаимодействия – интерфейсы . В зависимости от способа передачи данных различают параллельный и последовательный интерфейс. В параллельном интерфейсе q разрядов данных передаются по q линиям связи. В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется обычно по двум линиям: по одной передаются непрерывно тактовые (синхронизирующие) импульсы от таймера, по второй - информационные.
В системах автоматизации горных машин наиболее часто используют последовательные интерфейсы стандартов RS232 и RS485.
Интерфейс RS232 обеспечивает связь между двумя компьютерами, управляющим компьютером и микроконтроллером или связь между двумя микроконтроллерами со скоростью до 19600 бит/с на расстояние до 15м.
Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Интерфейс RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная дальность передачи зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии - 120 м, при скорости 100 кбит/с - 1200 м. Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256. Передача данных между контроллерами производится по правилам, которые называются протоколами. Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу "ведущий"-"ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus.
2. Исполнительные устройства
Исполнение решения, т.е. реализацию управляющего воздействия, соответствующего выработанному сигналу управления, осуществляют исполнительные устройства (ИУ). В общем, исполнительное устройство это совокупность исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Расположение исполнительных механизмов в структурной схеме локальной САУ показано на рисунке 11.
Рисунок 11 - Расположение исполнительных механизмов в структурной схеме локальной САУ
Исполнительный механизм (ИМ) – устройство, предназначенное для преобразования сигналов управления, сформированных УУ (PLC) , в сигналы, удобные для воздействия на конечное звено САУ – регулирующий орган (РО).
Исполнительный механизм состоит из следующих базовых элементов:
исполнительный двигатель (электродвигатель, поршень, мембрана);
элемент сцепления (муфта, шарнир);
передаточно-преобразующий элемент (редуктор с выходным рычагом или штоком);
усилитель мощности (электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные)
В конкретной модели ИМ ряд элементов (кроме исполнительного двигателя) может отсутствовать.
Основное требование к ИМ: перемещения РО с возможно меньшим искажением законов регулирования формируемых PLC, т.е. ИМ должен обладать достаточным быстродействием и точностью.
Основные характеристики:
а) номинальное и максимальное значение вращающего момента
на выходном валу (поворотные) или усилия на выходном штоке;
б) время оборота выходного вала ИМ или хода его штока;
в) максимальная величина угла поворота выходного вала или хода
г) зона нечувствительности.
Исполнительные механизмы классифицируют по следующим признакам:
1) перемещение регулирующего органа (поворотные и прямоходные);
2) конструктивное исполнение (электрические, гидравлические, пневматические);
Электрические – с приводами электрического двигателя и элек-тромагнита;
Гидравлические – с приводами: поршневыми, плунжерными, от гидродвигателя;
Пневматические – с приводами: поршневыми, плунжерными, мембранным, диафрагменным, от пневмодвигателя.
На практике наибольшее распространение получили электрические ИМ. Электрические ИМ классифицируются как:
электромагнитные;
электродвигательные.
Электромагнитные ИМ подразделяются на:
ИМ с приводами от электромагнитных муфт предназначены для передачи вращательного движения (муфты фрикционные и скольжения;
ИМ с соленоидным приводом являются 2-х позиционными устройствами (т. е. предназначены для 2-х позиционного регулирования)осуществляющими поступательное движение приводных органов по дискретному принципу: «включено – выключено».
Электродвигательные ИМ подразделяются на:
однооборотные – угол поворота выходного вала не превышает 360 0 . Пример: МЭО (механизм электрический однооборотный). В них используются однофазные и трехфазные (МЭОК,МЭОБ) асинхронные двигатели.
многооборотные – для дистанционного и местного управления трубопроводной арматурой (вентили).
В системах автоматизации горных машин, в качестве исполнительных механизмов, широко применяются электрогидрораспределители, например типа ГСД и 1РП2. Электрогидрораспределитель 1РП2 предназначен для управления скоростью подачи и режущими органами комбайна в составе автоматических регуляторов нагрузки УРАН.1М и системы автоматизации САУК02.2М. Электрогидрораспределитель 1РП2 представляет собой гидравлический золотниковый распределитель с электромагнитным приводом тянущего типа.
Регулирующий орган (РО) – конечный элемент САУ, осуществляющий непосредственное управляющее воздействие на ОУ. РО изменяет поток материала, энергии, взаимное расположение частей аппаратов, станков или механизмов в направлении нормального протекания хода технологического процесса.
Основной характеристикой РО является его статическая характеристика, т.е. зависимость между выходным параметром Y (расход, давление, напряжение) и величиной хода регулирующего органа в процентах.
РО обеспечивают:
а) двухпозиционное регулирование – затвор РО быстро перемещается из одного крайнего положения в другое.
б) непрерывное – этом случае необходимо, чтобы пропускная характеристика РО была строго определенной (шибер, кран, поворотная заслонка).
Средства автоматизации производства включают в себя технические средства автоматизации (ТСА) - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса. Системы обеспечения безопасности на современном предприятии включают в свой состав технические средства автоматизации. Наиболее часто ТСА – это базовый элемент системы комплексной безопасности.
Технические средства автоматизации включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства.
Системы обеспечения безопасности осуществляют контроль над производственным процессом с помощью разнообразных датчиков. В них входят датчики давления, фотодатчики, индуктивные датчики, датчики емкостные, лазерные и т.д.
Датчики служат для автоматического извлечения информации, и первичного ее преобразования. Датчики различаются по принципам действия и по чувствительности к параметрам, которые они контролируют. Технические средства безопасности включают в себя самый широкий спектр сенсоров. Именно комплексное использование датчиков позволяет создавать системы комплексной безопасности, которые контролируют множество факторов.
Технические средства информации включают в себя и передающие устройства, которые обеспечивают связь датчиков с контрольным оборудованием. При получении сигнала от датчиков контрольное оборудование приостанавливает процесс производства и ликвидирует причину аварии. В случае невозможности устранения аварийной ситуации технические средства безопасности дают сигнал о неисправности оператору.
Наиболее распространенными датчиками, которые включают в состав любой системы комплексной безопасности, являются датчики емкостные.
Они позволяют бесконтактно определить присутствие объектов на расстоянии до 25 мм. Датчики емкостные действуют по следующему принципу. Датчики снабжены двумя электродами, между которыми фиксируется проводимость. Если в зоне контроля присутствует какой-либо объект, это вызывает изменение амплитуды колебаний генератора, входящего в состав сенсора. При этом датчики емкостные срабатывают, что предотвращает попадание в оборудование нежелательных предметов.
Датчики емкостные отличаются простотой устройства и высокой надежностью, что позволяет использовать их в самых разных сферах производства. Единственным недостатком является малая зона контроля таких датчиков.
Посетители также читают:
Промышленная безопасность
На большинстве современных автоматизированных предприятий промышленная безопасность обеспечивается за счет внедрения комплексных систем безопасности и контроля производства
К средствам формирования и первичной обработки информации относятся клавишные устройства для нанесения данных на карты, ленты или другие носители информации механическим (перфорированием) или магнитным способами; накопленная информация передаётся на последующую обработку или воспроизведение. Из клавишных устройств, перфорирующих или магнитных блоков и трансмиттеров составляются регистраторы производства локального и системного назначения, которые формируют первичную информацию в цехах, на складах и в других местах производства.
Для автоматического извлечения информации служат датчики (первичные преобразователи). Они представляют собой весьма разнообразные по принципам действия устройства, воспринимающие изменения контролируемых параметров технологических процессов. Современная измерительная техника может непосредственно оценивать более 300 различных физических, химических и других величин, но этого для автоматизации ряда новых областей человеческой деятельности бывает недостаточно. Экономически целесообразное расширение номенклатуры датчиков в ГСП достигается унификацией чувствительных элементов. Чувствительные элементы, реагирующие на давление, силу, вес, скорость, ускорение, звук, свет, тепловое и радиоактивное излучения, применяются в датчиках для контроля загрузки оборудования и его рабочих режимов, качества обработки, учёта выпуска изделий, контроля за их перемещениями на конвейерах, запасами и расходом материалов, заготовок, инструмента и др. Выходные сигналы всех этих датчиков преобразуются в стандартные электрические или пневматические сигналы, которые передаются другими устройствами.
В состав устройств для передачи информации входят преобразователи сигналов в удобные для транслирования виды энергии, аппаратура телемеханики для передачи сигналов по каналам связи на большие расстояния, коммутаторы для распределения сигналов по местам обработки или представления информации. Этими устройствами связываются все периферийные источники информации (клавишные устройства, датчики) с центральной частью системы управления. Их назначение - эффективное использование каналов связи, устранение искажений сигналов и влияния возможных помех при передаче по проводным и беспроводным линиям.
К устройствам для логической и математической обработки информации относятся функциональные преобразователи, изменяющие характер, форму или сочетание сигналов информации, а также устройства для переработки информации по заданным алгоритмам (в т.ч. вычислительные машины) с целью осуществления законов и режимов управления (регулирования).
Вычислительные машины для связи с другими частями системы управления снабжаются устройствами ввода и вывода информации, а также запоминающими устройствами для временного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений и др. (см. Ввод данных. Вывод данных, Запоминающее устройство).
Устройства для представления информации показывают человеку-оператору состояние процессов производства и фиксируют его важнейшие параметры. Такими устройствами служат сигнальные табло, мнемонические схемы с наглядными символами на щитах или пультах управления, вторичные стрелочные и цифровые показывающие и регистрирующие приборы, электроннолучевые трубки, алфавитные и цифровые печатные машинки.
Устройства выработки управляющих воздействий преобразуют слабые сигналы информации в более мощные энергетические импульсы требуемой формы, необходимые для приведения в действие исполнительных устройств защиты, регулирования или управления.
Обеспечение высокого качества изделий связано с автоматизацией контроля на всех основных этапах производства. Субъективные оценки со стороны человека заменяются объективными показателями автоматических измерительных постов, связанных с центральными пунктами, где определяется источник брака и откуда направляются команды для предотвращения отклонений за пределы допусков. Особое значение приобретает автоматический контроль с применением ЭВМ на производствах радиотехнических и радиоэлектронных изделий вследствие их массовости и значительного количества контролируемых параметров. Не менее важны и выпускные испытания готовых изделий на надёжность (см. Надёжность технических устройств). Автоматизированные стенды для функциональных, прочностных, климатических, энергетических и специализированных испытаний позволяют быстро и идентично проверять технические и экономические характеристики изделий (продукции).
Исполнительные устройства состоят из пусковой аппаратуры, исполнительных гидравлических, пневматических или электрических механизмов (сервомоторов) и регулирующих органов, воздействующих непосредственно на автоматизируемый процесс. Важно, чтобы их работа не вызывала излишних потерь энергии и снижения кпд процесса. Так, например, дросселирование, которым обычно пользуются для регулирования потоков пара и жидкостей, основанное на увеличении гидравлического сопротивления в трубопроводах, заменяют воздействием на потокообразующие машины или иными, более совершенными способами изменения скорости потоков без потерь напора. Большое значение имеет экономичное и надёжное регулирование электропривода переменного тока, применение безредукторных электрических исполнительных механизмов, бесконтактной пускорегулирующей аппаратуры для управления электродвигателями.
Реализованная в ГСП идея построения приборов для контроля, регулирования и управления в виде агрегатов, состоящих из самостоятельных блоков, выполняющих определённые функции, позволила путём различных сочетаний этих блоков получить широкую номенклатуру устройств для решения многообразных задач одними и теми же средствами. Унификация входных и выходных сигналов обеспечивает сочетание блоков с различными функциями и их взаимозаменяемость.
В состав ГСП входят пневматические, гидравлические и электрические приборы и устройства. Наибольшей универсальностью отличаются электрические устройства, предназначенные для получения, передачи и воспроизведения информации.
Применение универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) позволило свести разработку пневматических приборов в основном к сборке их из стандартных узлов и деталей с небольшим количеством соединений. Пневматические устройства широко применяются для контроля и регулирования на многих пожарои взрывоопасных производствах.
Гидравлические устройства ГСП также комплектуются из блоков. Гидравлические приборы и устройства управляют оборудованием, требующим для перестановки регулирующих органов больших скоростей при значительных усилиях и высокой точности, что особенно важно в станках и автоматических линиях.
С целью наиболее рациональной систематизации средств ГСП и для повышения эффективности их производства, а также для упрощения проектирования и комплектации АСУ устройства ГСП при разработке объединяются в агрегатные комплексы. Агрегатные комплексы, благодаря стандартизации входных-выходных параметров и блочной конструкции устройств, наиболее удобно, надёжно и экономно объединяют различные технические средства в автоматизированных системах управления и позволяют собирать разнообразные специализированные установки из блоков автоматики широкого назначения.
Целевое агрегатирование аналитической аппаратуры, испытательных машин, массодозировочных механизмов с унифицированными устройствами измерительной, вычислительной техники и оргатехники облегчает и ускоряет создание базовых конструкций этого оборудования и специализацию заводов по их изготовлению.
Технические средства автоматизации (ТСА) предназначены для создания систем, выполняющих заданные технологические операции, в которых человеку отводятся, в основном, функции контроля и управления.
По виду используемой энергии технические средства автоматизации классифицируются на электрические , пневматические , гидравлические и комбинированные . Электронные средства автоматизации выделяют в отдельную группу, так как они, используя электрическую энергию, предназначены для выполнения специальных вычислительных и измерительных функций.
По функциональному назначению технические средства автоматизации можно подразделить в соответствии с типовой схемой системы автоматического регулирования на исполнительные механизмы , усилительные , корректирующие и измерительные устройства , преобразователи, вычислительные и интерфейсные устройства .
Исполнительный элемент - это устройство в системе автоматического регулирования или управления, воздействующее непосредственно или через согласующее устройство на регулирующий элемент или объект системы.
Регулирующий элемент осуществляет изменение режима функционирования управляемого объекта.
Электрический исполнительный элемент с механическим выходом - электродвигатель - применяется в качестве оконечного усилителя механической мощности. Эффект, оказываемый объектом или механической нагрузкой на исполнительный элемент, эквивалентен действию внутренних, или естественных, обратных связей. Такой подход используется в тех случаях, когда необходим детальный структурный анализ свойств и динамических особенностей исполнительных элементов с учетом действия нагрузки. Электрический исполнительный элемент с механическим выходом является составной частью автоматического привода.
Электрический привод - это электрическое исполнительное устройство, преобразующее управляющий сигнал в механическое воздействие с одновременным усилением его по мощности за счет внешнего источника энергии. Привод не имеет специального звена главной обратной связи и представляет собой совокупность усилителя мощности, электрического исполнительного элемента, механической передачи, источника питания и вспомогательных элементов, объединенных определенными функциональными связями. Выходными величинами электрического привода являются линейная или угловая скорость, тяговое усилие или вращающий момент, механическая мощность и т. д. Электрический привод должен располагать соответствующим запасом по мощности, необходимым для воздействия на управляемый объект в форсированном режиме.
Электрический сервомеханизм представляет собой следящий привод, который отрабатывает входной управляющий сигнал с усилением его по мощности. Элементы электрического сервомеханизма охватываются специальными элементами обратной связи и могут иметь внутренние обратные связи за счет нагрузки.
Механическая передача электрического привода или сервомеханизма осуществляет согласование внутреннего механического сопротивления исполнительного элемента с механической нагрузкой - регулирующим органом или объектом управления. К механическим передачам относятся различные редукторы, кривошипно-шатунные, рычажные механизмы и другие кинематические элементы, в том числе передачи с гидравлическими, пневматическими и магнитными опорами.
Электрические источники питания исполнительных элементов, устройств и сервомеханизмов подразделяются на источники с практически бесконечной мощностью, со значением их внутреннего сопротивления, близким к нулю, и источники с ограниченной мощностью со значением внутреннего сопротивления, отличным от нуля.
Пневматические и гидравлические исполнительные устройства - это устройства, в которых в качестве энергоносителя используется соответственно газ и жидкость под определенным давлением. Эти системы занимают прочное место среди других средств автоматизации благодаря своим преимуществам, к которым, в первую очередь, относятся надежность, устойчивость к механическим и электромагнитным воздействиям, высокий коэффициент отношения развиваемой мощности приводов к собственному весу и пожаровзрывобезопасность.
Основная задача исполнительного устройства состоит в том, чтобы усилить сигнал, поступающий на его вход, до уровня мощности, достаточного для того, чтобы оказать требуемое воздействие на объект в соответствии с поставленной целью управления.
Важным фактором при выборе исполнительного элемента является обеспечение заданных показателей качества системы при имеющихся энергетических ресурсах и допустимых перегрузках.
Характеристики исполнительного устройства должны определяться из анализа автоматизируемого процесса. Такого рода характеристиками исполнительных устройств и сервомеханизмов являются энергетические, статические, динамические характеристики, а также технико-экономические и эксплуатационные характеристики.
Обязательным требованием к исполнительному приводу является минимизация мощности двигателя при обеспечении требуемых значений скоростей и моментов. Это приводит к минимизации энергетических затрат. Весьма важными факторами при выборе исполнительного устройства или сервомеханизма являются ограничения по массе, габаритным размерам и надежности.
Важными составляющими систем автоматизации являются усилительные и корректирующие устройства. Общими задачами, решаемыми корректирующими и усилительными устройствами систем автоматики, являются формирование требуемых статической и частотной характеристик, синтез обратных связей, согласование с нагрузкой, обеспечение высокой надежности и унификация устройств.
Усилительные устройства усиливают по мощности сигнал до уровня, необходимого для управления исполнительным устройством.
Особые требования, предъявляемые к корректирующим элементам систем с переменными параметрами - возможность и простота перестройки структуры, программы и параметров корректирующих элементов. Усилительные устройства должны удовлетворять определенным техническим условиям по удельной и максимальной выходной мощности.
По структуре усилительное устройство представляет собой, как правило, многокаскадный усилитель со сложными обратными связями, которые вводятся для улучшения его статических, динамических и эксплуатационных характеристик.
Усилительные устройства, применяемые в системах автоматизации, можно подразделить на две группы:
1) электрические усилители, имеющие электрические источники питания;
2) гидравлические и пневматические усилители, использующие в качестве основного энергоносителя соответственно жидкость или газ.
Источник питания или энергоноситель определяет наиболее существенные особенности усилительных устройств автоматики: статические и динамические характеристики, удельную и максимальную мощность, надежность, эксплуатационные и технико-экономические показатели.
К электрическим усилителям относятся электронные вакуумные, ионные, полупроводниковые, диэлектрические, магнитные, магнитно-полупроводниковые, электромашинные и электромеханические усилители.
Квантовые усилители и генераторы составляют особую подгруппу устройств, используемых в качестве усилителей и преобразователей слабых радиотехнических и других сигналов.
Корректирующие устройства формируют сигналы коррекции статических и динамических характеристик системы.
В зависимости от вида включения в систему линейные корректирующие устройства подразделяются на три типа: последовательные, параллельные корректирующие элементы и корректирующие обратные связи. Использование того или иного типа корректирующих устройств определяется удобством технической реализации и эксплуатационными требованиями.
Корректирующие элементы последовательного типа целесообразно применять, если сигнал, величина которого функционально связана с сигналом ошибки, является немодулированным электрическим сигналом. Синтез последовательного корректирующего устройства в процессе проектирования системы управления наиболее прост.
Корректирующие элементы параллельного типа удобно использовать при формировании сложного закона регулирования с введением интеграла и производных от сигнала ошибки.
Корректирующие обратные связи, охватывающие усилительные или исполнительные устройства, находят наиболее широкое применение благодаря простоте технической реализации. В этом случае на вход элемента обратной связи поступает сигнал сравнительно высокого уровня, например, с выходного каскада усилителя или двигателя. Использование корректирующей обратной связи позволяет уменьшать влияние нелинейностей тех устройств системы, которые ими охватываются, следовательно, в ряде случаев удается улучшить качество процесса регулирования. Корректирующая обратная связь стабилизирует статические коэффициенты охватываемых устройств в условиях действия помех.
В системах автоматического регулирования и управления используются электрические, электромеханические, гидравлические и пневматические корректирующие элементы и устройства. Наиболее просто электрические корректирующие устройства реализуются на пассивных четырехполюсниках, которые состоят из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Сложные электрические корректирующие устройства включают также разделительные и согласующие электронные элементы.
В электромеханические корректирующие устройства, кроме пассивных четырехполюсников, входят тахогенераторы, импеллеры, дифференцирующие и интегрирующие гироскопы. В ряде случаев электромеханическое корректирующее устройство может быть реализовано в виде мостовой схемы, в одну из плеч которой включен электрический двигатель исполнительного устройства.
Гидравлические и пневматические корректирующие устройства могут состоять из специальных гидравлических и пневматических фильтров, включаемых в обратные связи основных элементов системы, или в виде гибких обратных связей по давлению (перепаду давлений), расходу рабочей жидкости, воздуха.
Корректирующие элементы с перестраиваемыми параметрами обеспечивают адаптивность систем. Реализация таких элементов осуществляется с помощью релейных и дискретных устройств, а также ЭВМ. Подобные элементы принято относить к логическим корректирующим элементам.
ЭВМ, функционирующая в реальном масштабе времени в замкнутом контуре управления, имеет практически неограниченные вычислительные и логические возможности. Основной функцией управляющей ЭВМ является вычисление оптимальных управлений и законов, оптимизирующих поведение системы в соответствии с тем или иным критерием качества в процессе ее нормальной эксплуатации. Высокое быстродействие управляющей ЭВМ позволяет, наряду с основной функцией, выполнять целый ряд вспомогательных задач, например, с реализацией сложного линейного или нелинейного цифрового корректирующего фильтра.
При отсутствии ЭВМ в системах наиболее целесообразно применять нелинейные корректирующие устройства как обладающие наибольшими функциональными и логическими возможностями.
Регулирующие устройства представляют собой сочетание исполнительных механизмов, усилительных и корректирующих устройств, преобразователей, а также вычислительных и интерфейсных блоков.
Информация о параметрах объекта управления и о возможных внешних воздействиях, оказывающих на него влияние, поступает на регулирующее устройство от измерительного устройства. Измерительные устройства в общем случае состоят из чувствительных элементов, воспринимающих изменения параметров, по которым производится регулирование или управление процессом, а также из дополнительных преобразователей, часто выполняющих функции усиления сигналов. Вместе с чувствительными элементами эти преобразователи предназначены для преобразования сигналов одной физической природы в другую, соответствующую виду энергии, используемой в системе автоматического регулирования или управления.
В автоматике преобразующими устройствами или преобразователями называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения регулируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства в этом смысле являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования регулирующего воздействия или с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства.
Вычислительные устройства средств автоматизации, как правило, строятся на базе микропроцессорных средств.
Микропроцессор - программно управляемое средство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одной или нескольких интегральных микросхемах.
Основными техническими параметрами микропроцессоров являются разрядность, емкость адресуемой памяти, универсальность, число внутренних регистров, наличие микропрограммного управления, число уровней прерывания, тип стековой памяти и число основных регистров, а также состав программного обеспечения. По разрядности микропроцессоры подразделяются на микропроцессоры с фиксированной разрядностью и модульные микропроцессоры с изменяемой разрядностью слова.
Микропроцессорными средствами называются конструктивно и функционально законченные изделия вычислительной и управляющей техники, построенные в виде или на основе микропроцессорных интегральных микросхем, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке и поставке рассматриваются как единое целое и применяются при построении более сложных микропроцессорных средств или микропроцессорных систем.
Конструктивно микропроцессорные средства выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока или типового комплекса, причем изделия нижнего уровня конструктивной иерархии могут использоваться в изделиях высшего уровня.
Микропроцессорные системы - это вычислительные или управляющие системы, построенные на основе микропроцессорных средств, которые могут применяться автономно или встраиваться в управляемый объект. Конструктивно микропроцессорные системы выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока комплекса или нескольких изделий указанных типов, встроенных в аппаратуру управляемого объекта или выполненных автономно.
По области применения технические средства автоматизации можно подразделить на технические средства автоматизации работ на промышленных производствах и технические средства автоматизации других работ, важнейшим составляющим которых являются работы в экстремальных условиях, где присутствие человека опасно для жизни или невозможно. В последнем случае автоматизация осуществляется на базе специальных стационарных и мобильных роботов.
Технические средства автоматизации химических производств: Справ. изд./В.С.Балакирев, Л.А.Барский, А.В.Бугров и др.-М.: Химия, 1991. –272 с.
Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.
Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, автоматизированный участок, цех и т. д.), нуждающийся в автоматическом или автоматизированном
управлении, называется объектом управления (ОУ) или техническим объектом управления
(ТОУ).
Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой
автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).
Ниже приведены наиболее широко используемые термины и их определения:
элемент - простейшая составная часть устройств, приборов и других средств, в которой
осуществляется одно преобразование какой-либо величины;(мы в дальнейшем дадим более
точное определение)
узел - часть прибора, состоящая из нескольких более простых элементов (деталей);
преобразователь - устройство, преобразующее один вид сигнала в другой по форме или виду
энергии;
устройство - совокупность некоторого числа элементов, соединенных между собой
соответствующим образом, служащая для переработки информации;
прибор - общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений,
производственного контроля, вычислений, учета, сбыта и др.;
блок - часть прибора, представляющая собой совокупность функционально объединенных
элементов.
сбор информации о текущем состоянии технологического объекта
управления (ОУ);
определение критериев качества работы ОУ;
нахождение оптимального режима функционирования ОУ и оптимальных
управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев
качества;
реализация найденного оптимального режима на ОУ.
Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА.
Различают четыре типа систем управления (СУ):
информационные;
автоматического управления;
централизованного контроля и регулирования;
автоматизированные системы управления технологическими процессами.В САУ все функции выполняются автоматически
при помощи соответствующих технических
средств.
Функции оператора включают в себя:
- техническую диагностику состояния САУ и
восстановление отказавших элементов системы;
- коррекцию законов регулирования;
- изменение задания;
- переход на ручное управление;
- техническое обслуживание оборудования.ОПУ - операторский пункт управления;
Д - датчик;
НП - нормирующий преобразователь;
КП - кодирующие и декодирующие
преобразователи;
ЦР - центральные регуляторы;
MP - многоканальное средство
регистрации (печать);
С - устройство сигнализации
предаварийного режима;
МПП - многоканальные показывающие
приборы (дисплеи);
МС - мнемосхема;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
К – контроллер.Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП) - это машинная система, в которой ТСА
осуществляют получение информации о состоянии объектов,
вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки
управления.
Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и
реализации с помощью локальных АСР или дистанционного
управления РО.
Различают следующие типы АСУТП:
- централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и
управления выполняет один компьютер;
- супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на
базе ТСА индивидуального пользования и центральным
компьютером, имеющим информационную линию связи с
локальными системами) ;
- распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций
контроля обработки информации и управления между несколькими
территориально распределенными объектами и компьютерами.Типовые средства автоматизации могут
быть:
-техническими;
-аппаратными;
-программно-техническими;
- общесистемными.РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТСА ПО УРОВНЯМ ИЕРАРХИИ АСУ
Информационно-управляющие вычислительные комплексы (ИУВК)
Централизованные информационные управляющие системы (ЦИУС)
Локальные информационно-управляющие системы (ЛИУС)
Регулирующие устройства и устройства управления (РУ и УУ)
Вторичный
преобразователь (ВП)
Первичный преобразователь (ПП)
Чувствительный элемент (ЧЭ)
Исполнительный
механизм (ИМ)
Рабочий
орган (РО)
ОУИУВК: ЛВС, серверы, ERP-, MES-системы. Здесь реализуются все цели АСУП,
вычисляется себестоимость продукции, издержки на производство.
ЦИУС: промышленные компьютеры, пульты управления, управляющие
комплексы, средства защиты и сигнализации.
ЛИУС: промышленные контроллеры, интеллектуальные контроллеры.
РУ и УУ: микроконтроллеры, регуляторы, регулирующие и сигнализирующие
устройства.
ВП: показывающие, регистрирующие (вольтметры, амперметры,
потенциометры, мосты), интегрирующие счетчики.
ИМ: двигатель, редуктор, электромагниты, электромагнитные муфты и пр.
ЧЭ: датчики тепло-технологических параметров, перемещения, скорости,
ускорения.
РО: механическое устройство, изменяющее количество вещества или
энергии, поступающей на ОУ, и несущее информацию об управляющем
воздействии. РО могут быть вентили, клапаны, нагреватели, затворы,
задвижки, заслонки.
ОУ: механизм, агрегат, процесс.К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:
датчики;
исполнительные механизмы;
регулирующие органы (РО);
линии связи;
вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
устройства аналогового и цифрового регулирования;
программно-задающие блоки;
устройства логико-командного управления;
модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния
технологического объекта управления (ТОУ);
модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
преобразователи сигналов из одной формы в другую;
модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов
управления;
буферные запоминающие устройства;
программируемые таймеры;
специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной
подготовки.К программно-техническим средствам автоматизации относят:
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
управляющие средства;
блоки многоконтурного, аналогового и аналого-цифрового регулирования;
устройства многосвязного программного логического управления;
программируемые микроконтроллеры;
локально-вычислительные сети.
К общесистемным средствам автоматизации относят:
устройства сопряжения и адаптеры связи;
блоки общей памяти;
магистрали (шины);
устройства общесистемной диагностики;
процессоры прямого доступа для накопления информации;
пульты оператора.В системах автоматического управления в качестве
сигналов обычно используются электрические и
механические величины (например, постоянный ток,
напряжение, давление сжатого газа или жидкости,
усилие и т.п.), так как они позволяют легко
осуществлять преобразование, сравнение, передачу на
расстояние и хранение информации. В одних случаях
сигналы возникают непосредственно вследствие
протекающих при управлении процессов (изменения
тока, напряжения, температуры, давления, наличия
механических перемещений и т.д.), в других случаях
они вырабатываются чувствительными элементами
или датчиками.Элементом автоматики называется простейшая конструктивно законченная в
функциональном отношении ячейка (устройство, схема), выполняющая определенную
самостоятельную функцию преобразования сигнала (информации) в системах
автоматического управления:
преобразование контролируемой величины в сигнал, функционально связанный с
информацией об этой величине (чувствительные элементы, датчики);
преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии: электрической
в неэлектрическую, неэлектрической в электрическую, неэлектрической в неэлектрическую
(электромеханические, термоэлектрические, электропневматические, фотоэлектрические и
другие преобразователи);
преобразование сигнала по значению энергии (усилители);
преобразование сигнала по виду, т.е. непрерывного в дискретный или обратно
(аналогоцифровые, цифроаналоговые и другие преобразователи);
преобразование сигнала по форме, т.е. сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока
и наоборот (модуляторы, демодуляторы);
функциональное преобразование сигналов (счетно-решающие элементы, функциональные
элементы);
сравнение сигналов и создание командного управляющего сигнала (элементы сравнения,
нуль-органы);
выполнение логических операций с сигналами (логические элементы);
распределение сигналов по различным цепям (распределители, коммутаторы);
хранение сигналов (элементы памяти, накопители);
использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные
элементы).Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы
управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на
чертежах изображают в виде различных схем:
электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.
Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о
составе и связях любого устройства или системы.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические
схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы
соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.
Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и
взаимосвязей.
Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих
в отдельных функциональных цепях или установке в целом.
Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все
связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей
установки.
Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью
проводов, кабелей, трубопроводов.
Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.
Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения
на месте эксплуатации.
Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного
раскрытия содержания и связей элементов установки.Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой
величины, т. е. у(t) - регулируемая величина.
Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения.
Величину g(t) будем называть задающим воздействием.
Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства
y(t)=g(t). Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на
элемент сравнения (ЭС).
На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g(t).
В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается у (t). На выходе ЭС
формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка
∆ = g(t) – y(t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный
элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования
(ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у (t) не
станет равна заданной g(t).
На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия:
нагрузка объекта, внешние факторы и др.
Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t).
Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал,
стремящийся свести это отклонение к нулю.По выполняемым функциям основные элементы
автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы,
реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы
импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).
По роду физических процессов, используемых в основе
устройств, элементы автоматики делятся на электрические,
ферромагнитные, электротепловые, электромашинные,
радиоактивные, электронные, ионные и др.Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) -
устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую
на его вход в виде некоторой физической величины, функционально
преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную
для воздействия на последующие элементы (блоки).Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий
количественное преобразование (чаще всего усиление)
поступающей на его вход физической величины (тока,
мощности, напряжения, давления и т.п.).Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство
выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных
пределах.
Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины
х определенного значения выходная величина у изменяется скачком.Распределитель (шаговый искатель) - элемент
автоматики, осуществляющий поочередное подключение
одной величины к ряду цепей.
Исполнительные устройства - электромагниты с втяжным
и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также
электродвигатели, относящиеся к электромеханическим
исполнительным элементам автоматических устройств.
Электродвигатель - это устройство, обеспечивающее
преобразование электрической энергии в механическую и
преодолевающее при этом значительное механическое
сопротивление со стороны перемещаемых устройств.ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
Основные понятия и определения
Каждый из элементов характеризуется какими-либо свойствами, которые
определяются соответствующими характеристиками. Некоторые из этих
характеристик являются общими для большинства элементов.
Главной общей характеристикой элементов является коэффициент
преобразования (или коэффициент передачи, представляющий собой
отношение выходной величины элемента у к входной величине х, или
отношение приращения выходной величины ∆у или dy к приращению
входной величины ∆х или dx.
В первом случае К=у/х называется статическим коэффициентом
преобразования, а во втором случае К" = ∆у/∆х≈ dy/dx при ∆х →0 -
динамическим коэффициентом преобразования.
Связь между значениями х и у определяется функциональной
зависимостью; значения коэффициентов К и К" зависят от формы
характеристики элемента или вида функции у =f(х), а также от того, при
каких значениях величин подсчитываются К и К". В большинстве случаев
выходная величина изменяется пропорционально входной и
коэффициенты преобразования равны между собой, т.е. К= К" = const.Величина, представляющая собой отношение относительного приращения
выходной величины ∆у/у к относительному приращению входной величины
∆х/х, называется относительным коэффициентом преобразования η∆ .
Например, если изменение входной величины на 2 % вызывает изменение
выходной величины на
3 %, то относительный коэффициент преобразования η∆ = 1,5.
Применительно к различным элементам автоматики коэффициенты
преобразования К", К, η∆ и η имеют определенный физический смысл и свое
название. Например, применительно к датчику коэффициент
преобразования называется чувствительностью (статической, динамической,
относительной); желательно, чтобы она была как можно больше. Для
усилителей коэффициент преобразования принято называть коэффициентом
усиления; желательно, чтобы он был также как можно больше. Для
большинства усилителей (в том числе и электрических) величины х и у
являются однородными, и поэтому коэффициент усиления представляет
собой безразмерную величину.При работе элементов выходная величина у может отклоняться от требуемого
значения за счет изменения их внутренних свойств (износа, старения материалов и
т.п.) или за счет изменения внешних факторов (колебания напряжения питания,
окружающей температуры и др.), при этом происходит изменение характеристики
элемента (кривая у" на рис. 2.1). Это отклонение называется погрешностью, которая
может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между полученным
значением выходной величины у" и расчетным (желаемым) ее значением ∆у = у"- у.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ∆у к
номинальному (расчетному) значению выходной величины у. В процентах
относительная погрешность определяется как γ = ∆ у 100/у.
В зависимости от причин, вызывающих отклонение, различают температурную,
частотную, токовую и другие погрешности.
Иногда пользуются приведенной погрешностью, под которой понимается
отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины.
В процентах приведенная погрешность
γприв = ∆y 100/уmax
Если абсолютная погрешность постоянна, то приведенная погрешность также
постоянна.
Погрешность, вызванная изменением характеристик элемента со временем,
называется нестабильностью элемента.Порогом чувствительности называется минимальная
величина на входе элемента, которая вызывает изменение
выходной величины (т.е. уверенно обнаруживается с помощью
данного датчика). Появление порога чувствительности
вызывают как внешние, так и внутренние факторы (трение,
люфты, гистерезис, внутренние шумы, помехи и др.).
При наличии релейных свойств характеристика элемента
может приобретать реверсивный характер. В этом случае она
также обладает порогом чувствительности и зоной
нечувствительности.Динамический режим работы элементов.
Динамическим режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного
установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а
следовательно, и выходная величина у изменяются во времени. Процесс изменения величин х и у
начинается с некоторого порогового времени t = tп и может протекать в инерционном и
безинерционном режимах.
При наличии инерционности наблюдается запаздывание изменения у по отношению к изменению
х. Тогда при скачкообразном изменении входной величины от 0 до х0 выходная величина у достигает
установившегося Yуст не сразу, а по истечении промежутка времени, в течение которого происходит
переходный процесс. При этом переходный процесс может быть апериодическим (неколебательным) затухающим или колебательным затухающим.Время tуст(время установления), в течение
которого выходная величина у достигает установившегося значения, зависит от инерционности
элемента, характеризуемой постоянной времени Т.
В простейшем случае установление величины у происходит по показательному закону:
где Т - постоянная времени элемента, зависящая от параметров, связанных с его инерционностью.
Установление выходной величины у тем продолжительнее, чем больше значение Т. Время установления tycт выбирается в зависимости от необходимой точности измерения датчика и составляет
обычно (3... 5) Т, что дает ошибку в динамическом режиме не более 5... 1 %. Степень приближения ∆у
обычно оговаривается и в большинстве случаев составляет от 1 до 10 % от установившегося значения.
Разность между значениями выходной величины в динамическом и статическом режимах называется динамической погрешностью. Желательно, чтобы она была как можно меньше. В электромеханических и электромашинных элементах инерционность в основном определяется механической
инерцией движущихся и вращающихся частей. В электрических элементах инерционность
определяется электромагнитной инерцией или другими подобными факторами. Инерционность
может быть причиной нарушения устойчивой работы элемента или системы в целом.
