Классификация технических средств автоматизации не является чем-то, уж слишком, сложным и нагруженным. Однако, в целом технологические средства автоматизации имеют достаточно разветвленную структуру классификации. Попробуем разобраться с ней.

Современные средства автоматизации делятся на две группы: коммутированные и некоммутированные (программированные) технические средства автоматизации:

1) Коммутированные средства автоматизации

Регуляторы

Релейные схемы

2) Программированные средства автоматизации

ADSP процессоры

ADSP процессоры – средство автоматизации, которое используются для сложного математического анализа процессов в системе. Эти процессоры имеют быстродействующие модули ввода/вывода, которые с высокой частотой могут передавать данные на центральный процессор, который с помощью сложного математического аппарата анализирует работу системы. Пример – системы вибродиагностики, которые используют для анализа ряды Фурье, спектральный анализ и счетчик импульсов. Как правило, такие процессоры исполняются в виде отдельной PCI платы, которая монтируется в соответствующий слот компьютера и использует ЦП для математической обработки.

ПЛК (программируемый логический контроллер)

ПЛК – самые распространенные средства автоматизации. Имеют собственный блок питания, центральный процессор, оперативную память, сетевую карту, модули ввода/вывода. Преимущество – высокая надежность работы системы, адаптация к промышленным условиям. Кроме того используются программы, которые выполняются циклически и имеют так называемый Watch Dog, который используется для предотвращения зависания программы. Также программа выполняется последовательно и не имеет параллельных связей и этапов обработки, которые могли бы привести к негативным последствиям.

ПКК (Программируемые компьютерные контроллеры)

ПКК – компьютер с платами ввода/вывода, сетевыми картами, которые служат для ввода/вывода информации.

ПАК

ПАК (программированные автоматизированные контроллеры ) – ПЛК+ПКК. Имеют распределенную сетевую структуру для обработки данных (несколько ПЛК и ПКК).

· Специализированные контроллеры

Специализированные контроллеры – не являются свободно программируемыми средствами автоматизации, а используют стандартные программы, в которых можно изменить только некоторые коэффициенты (параметры ПИД-регулятора, время хода исполнительного механизма, задержки и т.д.). Такие контроллеры ориентированы на заранее известную систему регулирования (вентиляция, отопление, ГВС). В начале нового тысячелетия эти технические средства автоматизации получили большое распространение.

Особенностью ADSP и ПКК является использование стандартных языков программирования: C, C++, Assembler, Pascal , - так как они созданы на базе ПК. Эта особенность средств автоматизации является одновременно и достоинством и недостатком.

Преимущество в том, что с помощью стандартных языков программирования можно написать более сложный и гибкий алгоритм. Недостаток – для работы с ними необходимо создавать драйверы и использовать язык программирования, который является более сложным. Преимуществом ПЛК и ПАК является использование инженерных языков программирования, которые стандартизованы IEC 61131-3 . Эти языки рассчитаны не на программиста, а на инженера-электрика.

Принцип преобразования информации

Принципы управления основаны на принципе преобразования информации.

Преобразователи – устройства, использующиеся в преобразовании величин одной физической природы в другую и обратно.

Датчики – устройства, вырабатывающие дискретный сигнал в зависимости от кода технологического процесса или воздействия на них информации.

Информация и способы её преобразования

Информация должна обладать следующими свойствами :

1. Информация должна быть понятной в соответствии с принятой системой кодирования или её представлении.

2. Каналы передачи информации должны быть помехозащищенными и не допускать проникновение ложной информации.

3. Информация должна быть удобной для её обработки.

4. Информация должна быть удобной для её хранения.

Для передачи информации используются каналы связи, которые могут быть искусственными, естественными, смешанными.

Рис. 3. Каналы связи

По-подробнее о каналах связи мы будем говорить чуть позже.

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).

Общие сведения об автоматизации технологических

Процессов пищевых производств

Основные понятия и определения автоматики

Автомат (греч. automatos – самодействующий) – это устройство (совокупность устройств), функционирующее без участия человека.

Автоматизация – это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.

Цель автоматизации – повышение производительности эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация планирования и управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.

Автоматизация – одно из основных направлений научно-технического прогресса.

Автоматика как учебная дисциплина –это область теоретических и прикладных знаний об автоматически действующих устройствах и системах.

История автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматика опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце первой половины XX века вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.

Вторая половина XX века ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматики и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Особенностью является использование автоматики на объектах, территориально удаленных друг от друга, например, крупные промышленные и энергетические комплексы, аграрные объекты по производству и переработке сельскохозяйственной продукции и т.д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в том числе телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, так как многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.

Введение автоматизации на производстве позволило значительно повысить производительность труда, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства. До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посредством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался немеханизированным. В настоящее время операции интеллектуального труда становятся объектом механизации и автоматизации.

Существуют различные виды автоматизации.

1. Автоматический контроль включает автоматическую сигнализацию, измерение, сбор и сортировку информации.

2. Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения о предельных или аварийных значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений ТП.

3. Автоматическое измерение обеспечивает измерение и передачу на специальные регистрирующие приборы значений контролируемых физических величин.

4. Автоматическая сортировка осуществляет контроль и разделение продуктов и сырья по размеру, вязкости и другим показателям.

5. Автоматическая защита это совокупность технических средств, обеспечивающих прекращение контролируемого ТП при возникновении ненормальных или аварийных режимов.

6. Автоматическое управление включает комплекс технических средств и методов по управлению оптимальным ходом ТП.

7. Автоматическое регулирование поддерживает значения физических величин на определенном уровне или изменение их по требуемому закону без непосредственного участия человека.

Эти и другие понятия, относящиеся к автоматизации и управлению, объединяет кибернетика – наука об управлении сложными развивающимися системами и процессами, изучающая общие математические законы управления объектами различной природы (kibernetas (греч.) – управляющий, рулевой, кормчий).

Система автоматического управления (САУ) - это совокупность объекта управления (ОУ ) и устройства управления (УУ ), взаимодействующих между собой без участия человека, действие которой направлено на достижение определенной цели.

Система автоматического регулирования (САР) – совокупность ОУ и автоматического регулятора, взаимодействующих между собой, обеспечивает поддержание параметров ТП на заданном уровне или их изменение по требуемому закону, действуюет также без участия человека. САР является разновидностью САУ.

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.

Любая система управления должна выполнять следующие функции:
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)
ОУ

ИУВК: 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.

Список литературы 1. Кремлевский П. П. – Расходомеры и счетчики количества веществ (2 е книги) – С П. : Политехника, 2002 г. 2. Ранев Г. Г, Тарасенко А. П. , Методы и средства измерений. – М. : Издательский центр «Аккадемия» , 2004 г. – 336 с. 3. Исакович Р. Я. , Кучин Б. Л. , Контроль и автоматизация добычи нефти и газа. – М. : Недра, 1976. – 343 с. 4. Мовсумзаде А. Э. , Сощенко А. Е. , Развитие систем автоматизации и телемеханизации в нефтегазовой промышленности. – М. : Недра, 2004 – 331 с. 5. Коршак А. А. , Шаммазов А. М. , Основы нефтегазового дела, учебник для вузов. – Уфа: ООО «Дизайн. Полиграф. Сервис» , 2005 – 528 с. : ил.

Список литературы 6. Логачев В. Г. , Разработка средств автоматического контроля размеров движущихся изделий с неустойчивыми и сложными геометрическими формами. – Тюмень: Вектор Бук, 2001. – 311 с. 7. В. Г. Домрачев, В. Р. Матвеевский, Ю. С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие, М: Энергоавтомиздат, 1987. 8. Самхарадзе Т. Г. – Каталог. Приборы и средства автоматизации. Том 6 – Приборы вторичные – М. : ООО «Научтехлитиздат» , 2005 г. 9. Самхарадзе Т. Г. – Каталог. Приборы и средства автоматизации. Том 7 – Приборы регулирующие. Сигнализаторы температуры, давления, уровня. Датчики реле. Исполнительные механизмы – М. : ООО «Научтехлитиздат» , 2005 г. 10. Самхарадзе Т. Г. – Каталог. Приборы и средства автоматизации. Том 8 – Программно логические контроллеры (ПЛК) и программно технические комплексы (ПТК) – М. : ООО «Научтехлитиздат» , 2005 г.

Первичные преобразователи Первичным преобразователем (ПП) перемещения называется устройство, воспринимающее контролируемое входное перемещение (линейное или угловое) и преобразующее его в выходной сигнал (как правило, электрический), удобный для дальнейшей обработки, преобразования и, если это необходимо, передачи по каналу связи на большие расстояния. Являясь важнейшей составной частью цифровых преобразователей, первичные преобразователи перемещений во многом предопределяют параметры ЦПП в целом, поскольку именно первый этап преобразования перемещение – электрический параметр в основном определяет такие характеристики ЦПП, как точность, быстродействие, линейность управления и т. д. Основные требования, которые предъявляются при разработке конструировании к ПП перемещений: высокая точность измерения (или контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость информативного параметра, малые нелинейные искажения, высокая технологичность, небольшая стоимость, малые теплоотдача, габариты, масса и т. д. , что достаточно важно в условиях производства.

Классификация первичных преобразователей ¢ ¢ ¢ ¢ ПП могут классифицироваться по различным признакам, основными из которых являются: характер измеряемых перемещений, физический принцип действия чувствительного элемента, структура построения, вид выходного сигнала. По характеру измеряемых перемещений различают ПП линейных и угловых перемещений. По физическому принципу действия чувствительного элемента ПП можно разделить на: фотоэлектрические (оптоэлектронные), использующие эффект периодического изменения освещенности; электростатические: l емкостные (основанные на эффекте периодического изменения емкости); l пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент деформации); электромагнитные (использующие, например, эффект периодического изменения индуктивности или взаимоиндуктивности); электроакустические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной акустической волны);

Классификация первичных преобразователей ¢ электромеханические: l электроконтактные (основанные на эффекте резкого изменения сопротивления парных электроконтактов при их замыкании и размыкании); l реостатные (использующие эффект линейного изменения сопротивления); l механотронные (основанные на механическом управлении электронным током электровакуумных приборов путем непосредственного механического перемещения их электродов). l По структуре построения в зависимости от способа соединения элементов ПП различают три основные структурные схемы: с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные. l По характеру изменения во времени выходного сигнала различают ПП непрерывного и дискретного действия. l В зависимости от вида параметра выходного сигнала, находящегося в линейной зависимости от измеряемого перемещения, ПП непрерывного действия подразделяются на амплитудные, частотные и фазовые. Соответственно ПП дискретного действия могут быть амплитудно импульсными, частотно импульсными, кодоимпульсными и др.

Классификация измерений ¢ ¢ ¢ Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно. Например, измерение температуры воздуха термометром, давления – манометром. Косвенное измерение – измерение, при котором значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой. Например, нахождение плотности тела по его массе и геометрическим размерам. Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких неоднородных величин для установления зависимости между ними. Точность результата измерения – характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата (чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность). Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Средства измерений Средство измерений – это техническое средство (или комплекс технических средств), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее или хранящее одну или несколько единиц физических величин, размеры которых принимаются неизменными в течение известного промежутка времени. ¢ Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне. Как правило, измерительный прибор имеет устройства для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Различают следующие типы приборов: показывающие, регистрирующие, суммирующие, прямого действия, сравнения. ¢ Класс точности – обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющими на его точность. ¢ Погрешность средства измерений – разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. ¢

Запорная арматура ¢ ¢ ¢ Трубопроводная арматура предназначена для управления потоками нефти, транспортируемыми по трубопроводам. По принципу действия арматура делится на три класса: запорная, регулирующая и предохранительная. Запорная арматура (задвижки) служит для полного перекрытия сечения трубопровода, регулирующая (регуляторы давления) - для изменения давления или расхода перекачиваемой жидкости, предохранительная (обратные и предохранительные клапаны) - для защиты трубопроводов и оборудования при превышении допустимого давления, а так же предотвращения обратных токов жидкости. Задвижками называются запорные устройства, в которых проходное сечение перекрывается поступательным перемещением затвора в направ лении, перпендикулярном направлению движения нефти.

Запорная арматура Регуляторами давления называются устройства, служащие для автоматического поддержания давления на требуемом уровне. В соответствии с тем, где поддерживается давление до или после регулятора, различают регуляторы типа «до себя» и «после себя» . ¢ Предохранительными клапанами называются устройства, предотвращающие повышение давления в трубопроводе сверх установленной величины. На нефтепроводах применяют мало и полноподъемные предохранительные клапаны закрытого типа, работающие по принципу сброса части жидкости из места возникновения повышенного давления в специальный сборный коллектор. ¢ Обратным клапаном называется устройство для предотвращения обратного движения среды в трубопроводе. При перекачке нефти применяют клапаны обратные поворотные с затвором, вращающимся относительно горизонтальной оси. Арматура магистральных нефтепроводов рассчитана на рабочее давление 6, 4 МПа. ¢

Автоматизация производства процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Автоматизация производства основа развития современной промышленности, генеральное направление технического прогресса. Основная ее цель заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства. Различают А. п. : частичную, комплексную и полную.

Методы автоматизации производства ¢ Во первых, разрабатывают методы эффективного изучения закономерностей объектов управления, их динамики, устойчивости, зависимости поведения от воздействия внешних факторов. Эти задачи решаются исследователями, конструкторами и технологами специалистами конкретных областей науки и производства. Сложные процессы и объекты изучают методами физического и математического моделирования, исследования операций с использованием аналоговых и цифровых вычислительных машин.

Методы автоматизации производства ¢ Во вторых, определяют экономически целесообразные методы управления, тщательно обосновывают цель и оценочную функцию управления, выбор наиболее эффективной зависимости между измеряемыми и управляющими параметрами процесса. На этой основе устанавливают правила принятия решений по управлению и выбирают стратегию поведения руководителей производства с учётом результатов экономических исследований, направленных на выявление рациональных закономерностей системы управления. Конкретные цели управления зависят от технико экономических, социальных и других условий. Они состоят в достижении максимальной производительности процесса, стабилизации высокого качества выпускаемой продукции, наибольшего коэффициента использования топлива, сырья и оборудования, максимального объёма реализованной продукции и снижении затрат на единицу изделия и др.

Методы автоматизации производства ¢ В третьих, ставится задача создания инженерных методов наиболее простого, надёжного и эффективного воплощения структуры и конструкции средств автоматизации, осуществляющих заданные функции измерения, обработки полученных результатов и управления. При разработке рациональных структур управления и технических средств их осуществления применяют теорию алгоритмов, автоматов, математическую логику и теорию релейных устройств. С помощью вычислительной техники автоматизируют многие процессы расчёта, проектирования и проверки устройств управления. Выбор оптимальных решений по сбору, передаче и обработке данных основывается на методах теории информации. При необходимости многоцелевого использования больших потоков информации применяются централизованные (интегральные) методы её обработки.

Средства автоматизации Технические средства автоматизации приборы, устройства и технические системы, предназначенные для автоматизации производства. Т. с. а. обеспечивают автоматическое получение, передачу, преобразование, сравнение и использование информации в целях контроля и управления производственными процессами. Датчик первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Методы и приборы измерения температуры Под температурой понимают степень нагретости вещества. Физические свойства нефти (плотность, вязкость, количество газа и парафина, растворенных в нефти, и фазовые состояния нефти) в значительной степени зависят от ее температуры. Технология процесса добычи нефти, промыслового сбора и первичной подготовки ее на промыслах, транспорт нефти и нефтепродуктов в значительной степени зависят от температурных факторов, при которых протекают эти процессы. Так как температура является активной величиной, то измерять ее можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению (термо. ЭДС, электрическое сопротивление, плотность и т. д.). Температуру необходимо измерять в трубопроводах с теплоносителем, в водоносных, нефтеносных и компрессорных станциях для контроля состояния подшипников. Измерения температуры в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами являются необходимым элементом количественного учета.

Датчик температуры Метран - 274 Датчик состоит из электронного преобразователя с выходным сигналом 4 20 м. А и термозондов с различными длинами погружаемой части. Измеряемый параметр температура линейно преобразуется в пропорциональное изменение омического сопротивления терморезистора, размещенного в термозонде. Электронный преобразователь преобразует напряжение, возникающее на термочувствительном элементе, в токовый выходной сигнал. Термочувствительным элементом датчика является терморезистор с номинальной статической характеристикой преобразования 100 М, размещенный в герметической оболочке термозонда.

Датчик температуры ТС 5008 Датчик предназначен для непрерывного преобразования температуры жидкостей и газов в унифицированный токовый выходной сигнал в условиях неагрессивных сред в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Электронный преобразователь преобразует напряжение, возникающее на термочувствительном элементе, в токовый выходной сигнал.

Датчики температуры ТСМУ 0104, ТСПУ 0104 Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом ТСМУ 0104, ТСПУ 0104 предназначены для измерения и непрерывного преобразования температуры, твердых, жидких, газообразных и сыпучих веществ. ТСМУ 0104, ТСПУ 0104 предназначены для замены термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом серии ТСМУ 205, ТСПУ 205. Отличаются возможностью смены термозонда и выбора нижнего и верхнего пределов диапазона измеряемой температуры с помощью переключателей (свитчи). В соответствии с ГОСТ 14254 степень защиты от проникновения твердых тел, пыли и воды: IP 54, IP 65, IP 67 в зависимости от исполнения клемной головки и типа присоединения.

Основные технические характеристики датчиков температуры ТС 5008, Метран-274, ТСМУ 0104 (ТСПУ 0104) Наименование прибора Параметры ТС 5008 Метран 274 ТСМУ 0104, ТСПУ 0104 ± 0, 5 ± 0, 25 ± 0, 1 50 до +350 50 до +180 50 до 550 Используемый выходной сигнал, м. А 4 20 Напряжение питания, В 17 42 15 42 Защита взрывозащ. Срок службы, лет 5 5 6 1, 5 1, 8 1, 08 Предел допустимой погрешности, % Диапазон измеряемых температур, ºС Цена, тыс. руб

Классификация приборов для измерения давления и разряжения Все приборы для измерения давления и разрежения можно разделить на следующие группы: 1. По роду измеряемой величины: барометры - для измерения атмосферного давления; манометры - для измерения избыточного давления; вакуумметры - для измерения разрежения; мановакуумметры - для измерения давления и разрежения; дифференциальные манометры - для измерения разности (пере пада) давления.

Классификация приборов для измерения давления и разряжения 2. По принципу действия: жидкостные - измеряемое давление уравновешивается стол бом жидкости; поршневые - измеряемое давление, действуя по одну сто рону поршня, уравновешивается давлением, создаваемым силой, приложенной с противоположной стороны. В качестве уравновеши вающей силы используют непосредственную нагрузку (грузы); пружинные - измеряемое давление деформирует различного рода пружины. Деформация, увеличенная при помощи переда точного механизма и преобразованная в перемещение указателя, является мерой измеряемого давления; электрические, основанные на изменении электрических свойств некоторых материалов при воздействии на них давления; радиоактивные - измеряемое давление вызывает соответст вующее изменение ионизации, производимой излучениями и ре комбинацией ионов. Жидкостные приборы применяются преимущественно в лабо раторных условиях, поршневые манометры - для градуировки приборов. На промышленных объектах применяются преимущественно пружинные и электрические манометры различных типов.

Датчик давления Сапфир– 22–ДИ–Ex Измерительные преобразователи Сапфир– 22–ДИ–Ex предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра – избыточного давления в унифицированный токовый выходной сигнал. Преобразователи предназначены для работы со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратуры, регуляторами и другими устройствами автоматики, системами управления, работающими от стандартного выходного сигнала 4 20 м. А постоянного тока. Принцип работы преобразователя Сапфир– 22–ДИ–Ex основан на применении тензорезисторов. Преобразователи Сапфир– 22–ДИ–Ex обладают высокой точностью, стабильностью работы, малой инерционностью. Датчики изготавливают в виде многопредельных приборов с возможностью регулировки диапазона измерения.

Датчик давления Метран– 43 ДИ–Ех Датчики этого типа предназначены для работы в системе автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра – давления избыточного в стандартный токовый выходной сигнал дистанционной передачи. Работа измерительных преобразователей Метран– 43 ДИ–Ех основано на тензорезисторном эффекте. Преобразователи данной модели обладают высокой точностью, стабильностью работы, малой инерционностью. Датчики изготавливают в виде многопредельных приборов с возможностью регулировки диапазона измерения: каждый преобразователь может быть перенастроен на любой верхний диапазон измерений. От измеряемой среды чувствительный элемент защищён гофрированными металлическими мембранами, изготовленными из антикоррозийных материалов. Основными достоинствами является повышенная точность, однако, применение данного датчика в условиях автоматизируемого технологического процесса осложнено большими габаритами и узким диапазоном рабочих температур.

Датчик измерения перепада давления САПФИР - 22 -Ех-М-ДД Преобразователи разности давлений могут использоваться для преобразования значений уровня жидкости, расхода жидкости или газа, преобразование гидростатического давления для преобразования значений уровня жидкости в унифицированный токовый сигнал. Каждый преобразователь имеет регулировку диапазона измерений и может быть настроен на любой верхний предел измерения, указанный для данной модели. Предел допускаемой основной погрешности до 0. 5%. Преобразователи «САПФИР 22 Ех М ДД» выполняются с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» с уровнем взрывозащиты «особовзрывобезопасный» . Могут работать во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок. Принцип работы преобразователей основан на свойствах материалов менять свои электрические параметры (емкость, сопротивление) при изменении их геометрии. В качестве чувствительного элемента в преобразователях используется слой тензосопротивлений напыленных методом вакуумной диффузии на пластину из сапфира (так называемая структура КНС «кремний на сапфире») соединенных с металлической пластиной. При изменении давления, оказываемого на пластину, происходит изменение сопротивления тензорезисторов, включенных в одно из плеч уравнительного моста, в результате чего появляется разбаланс мостовой схемы. Таким образом, изменение давления или перепада давления преобразуется в выходной токовый сигнал 4 20 м. А. Предельно допускаемое рабочее избыточное давление до 40 МПа.

Основные технические характеристики датчиков давления Сапфир– 22–ДИ–Ex, Метран– 43 ДИ–Ех, Сапфир - 22 -Ех-М-ДД Наименование прибора Параметры Сапфир 22 ДИ Ех Метран 43 ДИ Ех Сапфир 22 Ех М ДД ± 0, 5 ± 0, 25 ± 0, 5 от 0 до 2, 5 50 до +80 50 до +70 50 до 550 Используемый выходной сигнал, м. А 4 20 Напряжение питания, В 15 42 взрывозащ. Срок службы, лет 10 8 12 Цена, тыс. руб. 13 8 17 Предел допустимой погрешности, % Предел измерений, МПа Диапазон измеряемых температур, ºС Защита

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров Ультразвуковые бесконтактные уровнемеры осуществляют зондирование рабочей зоны волнами ультразвука, т. е. волнами давления с частотой свыше 20 КГц. Они используют свойство ультразвуковых волн отражаться при прохождении границы двух сред с различными физическими свойствами. Поэтому, чувствительный элемент ультразвукового уровнемера состоит из излучателя и приемника колебаний, которые, как правило, конструктивно совмещены и представляют собой кварцевую пластину. При подаче на пластину переменного напряжения возникают деформации пластины, передающие колебания воздушной среде. Подача напряжения производиться импульсами и по завершении передачи, пластина превращается в приемник отраженных ультразвуковых колебаний, вызывающих колебания пластины и, как следствие, появление выходного напряжения (обратный пьезоэффект). Расстояние до границы раздела двух сред вычисляется по формуле: Н= V * t /2 , где V – скорость ультразвуковых волн в данной среде, t – время между началом излучения и приходом отраженного сигнала, определяемое электронным блоком уровнемера.

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров Как правило, наиболее распространен вариант установки ультразвукового датчика в верхней части емкости. При этом сигнал проходит через воздушную среду, отражаясь от границы с твердой (жидкой) средой. Уровнемер в этом случае называется акустическим. Существует, также, вариант установки датчика в дно емкости. Сигнал в этом случае отражается от границы с менее плотной средой. Скорость распространения ультразвука зависит от температуры около 0, 18% на 1ºС. Для устранения этого влияния в уз уровнемерах применяется термокомпенсация с помощью встроенного термодатчика. Диапазон работы УЗ уровнемеров – до 25 м. при неизмеряемом уровне – около 1 м. Температура рабочей среды: 30. . +80(120) ºС, давление – до 4 МПа. Ультразвуковые уровнемеры позволяют достигать погрешности измерения уровня в 1%. Они могут использоваться для агрессивных сред и для сред с самыми различными физическими свойствами, за исключением сильнопарящих, сильнопенящихся жидкостей и мелкодисперсных и пористых гранулированных сыпучих продуктов. Вместе с тем, они существенно дешевле радарных микроволновых уровнемеров. УЗ уровнемеры часто используются для измерения расхода в профилированных каналах. Примерами распространенных ультразвуковых уровнемеров являются: ЭХО-5, ЭХО-АС 01, Prosonic M.

Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля здесь используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона. В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и FMCW (frequency modulated continuous wave). В уровнемерах FMCW происходит постоянное непрерывное излучение линейно частотно модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямопропорциональна расстоянию до контролируемого объекта. Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности.

Микроволновые радарные уровнемеры Радарные уровнемеры наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а также большая устойчивость к таким явлениям как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до +/ 1 мм.), что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем существенным лимитирующим фактором применения радарных уровнемеров остается высокая стоимость данных приборов.

Принцип действия буйковых уровнемеров Метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек используют буйковые уровнемеры. На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь (уровнемеры типа Сапфир ДУ), либо индуктивный преобразователь (УБ ЭМ), либо заслонка, перекрывающая сопло (пневматические уровнемеры типа ПИУП). Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м. при температурах – 50. . +120ºС (в диапазоне +60. . 120ºС при наличии теплоотводящего патрубка, при температурах 120. . 400°С приборы работают как индикаторы уровня) и давлении до 20 МПа, обеспечивая точность 0, 25. . 1, 5%. Плотность контролируемой жидкости: 0, 4… 2 г/см 3. Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

Технические характеристики ПИУП Условное обозначение модификаций преобразоват еля Предельно допускаемое рабочее избыточное давление, МПа Верхний Диапазон предел плотности измерения, м измеряемой жидкости, г/см³ Диапазон температур измеряемой среды, °С ПИУП 11 10; 16 0, 25 16, 0 50 +100 0, 5 1, 2 или 1, 0 2, 0

Преобразователь уровня буйковый пневматический ПИУП Назначение: прибор предназначен для контроля уровня жидкости или уровня раздела двух несмешивающихся жидкостей в системах автоматического контроля технологических процессов с повышенными требованиями к пожаробезопасности. Приборы используются в химической, нефте и газодобывающих отраслях промышленности совместно с регистраторами и исполнительными механизмами, работающими от стандартного пневматического сигнала 20 100 КПа. В состав прибора входят: буек с тросовой подвеской, комплект ЗИП, флакон с демпферной жидкостью. Для модели ПИУП 13 и ПИУП 15 - комплект монтажных частей с теплоотводящим патрубком.

Гидростатические уровнемеры Гидростатические уровнемеры измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход соединяется с атмосферой в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением. Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: мембранные и колокольные (погружные). В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится внизу емкости, как правило, сбоку на фланце, при этом расположение ЧЭ (мембраны) соответствует минимальному уровню. (Сапфир-ДГ, Метран 100 ДГ, 3051 L). В случае колокольного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке.

Гидростатические уровнемеры Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 КПа, что соответствует (для воды) 25 и метрам, с точностью до 0, 1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40. . +120°С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.

Интеллектуальные приборы Термин "интеллектуальные" для первичных устройств был введен для тех первичных устройств, внутри которых содержится микропроцессор. Обычно это добавляет новые функциональные возможности, которых не было в аналогичных устройствах без микропроцессора. Например, интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости. Интеллектуальный датчик имеет возможность работать с большой разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также составлять одно или несколько измерений в одно новое измерение (например, объемный расход и температуру в весовой расход). И наконец, интеллектуальный датчик позволяет производить настройку на другой диапазон измерений или полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.

Контроллеры В настоящее время на рынке средств автоматизации представлено огромное количество различных программируемых логических контроллеров. Они производятся многими известными фирмами, занимающимися разработками средств автоматизации. В настоящие время PLC выпускается более 50 производителями: Siemens, Allen Bradley, Octagon Systems, GE, Koyo, ABB, Advantech и т. д.

Контроллеры Контроллер (англ. controller регулятор, управляющее устройство) - электрический прибор, с помощью которого в телемеханике и системах управления измеряют токи, напряжения, температуру и другие физические параметры объекта, передают и принимают данные по каналам связи, передают на объект управляющие воздействия, используют в качестве локального автоматического регулятора. В настоящее время контроллеры - достаточно малогабаритные устройства, поэтому часто встречается название микроконтроллеры. Как правило, контроллеры оснащены микропроцессорной начинкой, позволяющей программировать контроллер на решение заданного круга задач, отсюда другие названия: программируемые контроллеры и программируемые логические контроллеры, которые обычно сокращают до ПЛК в русских описаниях и PLC в английских. Современный контроллер может обладать достаточно мощным процессором, класса Pentium, обычно с небольшим энергопотреблением. Контроллеры могут быть специализированными, рассчитанными на эффективное решение определённой задачи (например, контроллер релейной защиты) или универсальными, которые могут решать разноплановые задачи в соответствии с установленным набором блоков и вариантом программного обеспечения - например, задачу съёма показаний с приборов учета.

Контроллеры Контроллер SIMATIC S 7 400 компании SIEMENS Контроллер SIMATIC S 7 300 компании SIEMENS Контроллер Micro. PC компании Octagon Systems

Исполнительные механизмы Исполнительный механизм сервопривод, устройство, предназначенное для перемещения регулирующего органа (регулирующий орган может быть выполнен в виде вентиля, клапана, задвижки, крана, шибера, заслонки и др.) в системах автоматического регулирования или дистанционного управления, а также в качестве вспомогательного привода элементов следящих систем, рулевых устройств транспортных машин и т, п.

Классификация исполнительных механизмов И. м. обычно состоит из двигателя, передачи и элементов управления, а также элементов обратной связи, сигнализации, блокировки, выключения. И. м. для регулирования потока жидкостей и газов представляет собой клапан, задвижку или затвор, перемещаемые гидравлическим, пневматическим или электрическим приводом. В пневматических исполнительных механизмах перестановочное усилие создается за счет действия сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон. В соответствии с этим конструктивно И. м. подразделяют на мембранные поршневые сильфонные

Классификация исполнительных механизмов В гидравлических исполнительных механизмах перестановочное усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть. В соответствии с этим конструктивно И. м. подразделяют на мембранные поршневые лопастные

Классификация исполнительных механизмов Отдельный подкласс гидравлических И. м. составляют гидравлические И. м. с гидромуфтами. Мембранные и поршневые пневматические и гидравлические И. м. подразделяются на пружинные беспружинные В пружинных И. м. перестановочные усилия в одном направлении создаются давлением в рабочей полости И. м. , а в обратном направлении сплои упругости сжатой пружины. В беспружинных И. м. рабочее давление на поршень или мембрану действует с обеих сторон поршня или мембраны. Электрические И. м. характеризуются: а) разнообразием типов электродвигателей; б) простотой питания в промышленных условиях; в) легкостью получения больших скоростей.

Классификация исполнительных механизмов Электрические И. м. по принципу действия подразделяются на электродвигательные электромагнитные а по характеру движения выходного органа делятся на прямоходные (поступательное движение) поворотное (вращательное движение) поворотные в свою очередь делятся на однооборотные многооборотные

HART-протокол Обмен данными между системой управления и интеллектуальными первичными датчиками легко осуществляется с помощью стандартного коммуникационного протокола HART® (Highway Addressable Remote Transducer Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь). HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Для передачи логической "1" HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4 20 м. А. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4 20 м. А. HART протокол построен по принципу "главный подчиненный", то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Архитектура HART Протокол HART может применяться в двух режимах подключения. Один представляет собой соединение «точка» , и применяется в системах с одним ведомым устройством и максимум двумя ведущими. Ведущим устройством может быть устройство связи с объектом или программируемый логический контроллер. В качестве вторичного – HART терминал или любое другое устройство с HART модемом. Передача информации может осуществляться в обоих направлениях, причем передача аналоговой информации по этому же каналу не прерывается. Второй тип подключения – «шина» предполагает соединение друг с другом до 15 ведомых устройств с теми же двумя ведущими устройствами. В этом случае предполагается обмен только данными в цифровой форме. Причем, в цепи контроллеров предусмотрен дополнительный источник тока, обеспечивающий по 4 м. А на каждого потребителя.

Команды HART-протокола Команды протокола подразделяются на три основные группы: Универсальные – основные команды, поддерживаемые ведомыми устройствами. Используются для считывания стандартных, общих для всех устройств параметров, таких как тип устройства, диапазон измерений, текущее значение и пр. Стандартные – использующиеся практических во всех HART устройствах команды. Настраивают работу устройств. Например, запись/считывание стандартных и приборных параметров. Специфические – команды настройки специфических, индивидуальных параметров какого либо устройства, например, калибровка ультразвукового датчика или считывание базовых данных прибора.

Команды HART-протокола 1. Универсальные ¢ Прочитать производителя и тип устройства ¢ Прочитать главную переменную (ГП), единицы измерения ¢ Прочитать текущее значение и процент от диапазона ¢ Прочитать до четырех предопределенных переменных ¢ Прочитать/записать 8 символьный идентификатор и 16 символьное описание ¢ Прочитать/записать 32 символьное сообщение ¢ Прочитать диапазон значений устройства, ед. измерения и время выборки ¢ Прочитать серийный номер датчика и ограничения ¢ Прочитать/записать последний шифр комплекта устройств ¢ Записать адрес запроса

Команды HART-протокола 2. Стандартные ¢ ¢ ¢ ¢ Прочитать выборку из максимум четырех динамических переменных Записать константу времени выборки Записать диапазон значений устройства Калибровать (установка нуля, диапазона) Установить постоянное значение выходного тока Выполнить самотестирование Выполнить перезапуск Установить ГП в нуль Записать единицы измерения ГП Установить нулевое значение ЦАП и коэф. усиления Записать функцию преобразования (кв. корень и др) Записать серийный номер датчика Прочитать/записать установки динамических переменных

Сетевая технология Ethernet Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъёмов), достаточный для построения вычислительной сети. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Стандарт Ethernet был принят в 1980 году. Число сетей, построенных на основе этой технологии, к настоящему моменту оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих в таких сетях, в 50 миллионов. Основной принцип, положенный в основу Ethernet, случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных.

Команды HART-протокола 3. Специфические команды устройств ¢ ¢ ¢ Прочитать/записать уровень обрезки малых значений Пуск, останов или общий сброс Прочитать/записать фактор точности калибровки Прочитать/записать информации о материалах и строительстве Калибровать сенсор Включить ПИД регулятор Установить заданное значение ПИД регулятора Характеристика вентиля Заданное значение вентиля Границы перемещения Единицы измерения пользователя Информация локального дисплея

Преимущества Ethernet ¢ ¢ ¢ Главным преимуществом сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведёт к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надёжностью. И наконец, ещё одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть лёгкость подключения новых узлов.