Элементы и устройства автоматики


2 лекция. Типовые структуры и средства АСУ ТП. Локальные системы контроля, регулирования и управления. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Содержание лекции: типовые структуры и средства АСУ ТП, обобщенная блок-схема АСУТП.

Цель лекции: изучить основные цели и задачи обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами.

В соответствии с ГОСТ 20.003--84 Автоматизированные системы управления технологическими процессами предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляют собой человекомашинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием.

Технологический объект управления (ТОУ) -- это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. В зависимости от уровня АСУ ТП в качестве ТОУ можно рассматривать: технологические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (цехи, участки), реализующие самостоятельный технологический процесс; производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им заключается в рациональном выборе и согласовании режимов ра-боты агрегатов, участков и производств.

Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют Автоматизированный технологический комплекс (АТК).

АСУ ТП являются частным видом систем управления, которые представляют, в свою очередь, особый класс систем, характеризующихся наличием самостоятельных функций и целей управления и необходимой для реализации этого специальной системной организацией. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью Критерия управления. Критерием может быть технико-экономический показатель, например, себестоимость выходного продукта при заданном качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта, технологические показатели -- параметры процесса, характеристики выходного продукта и т. п.

Отметим, что определение АСУ ТП как системы отличается от классического определения системы управления из теории автоматического управления, согласно которому система автоматического управления -- это совокупность объекта управления и регулятора. В этом смысле понятие АТК подпадает под классическое определение системы управления, где в роли объекта выступает ТОУ, а в роли регулятора -- АСУ ТП. Обобщенная блок-схема АСУ ТП изображена на рисунке 2.1.

обобщенная блок-схема асу тп

Рисунок 2.1 - Обобщенная блок-схема АСУ ТП

Сформулированное выше определение подчеркивает, во-первых, наличие в составе АСУ ТП современных автоматических средств сбора и переработки информации (в первую очередь средств вычислительной техники); во-вторых, роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке ре-шений по управлению; в-третьих, что АСУ ТП -- это система, осуществляющая переработку технологической и другой информации.

Еще один важный признак АСУ ТП -- это осуществление управления в темпе протекания технологического процесса, т. е. В реальном масштабе времени.

АСУ ТП как компонент общей системы управления промышлен-ным предприятием (АСУП) предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и выше-стоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют низовой уровень автоматизированных систем управления производством.

Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУ ТП и другими взаимосвязанными с ней системами управления определяется в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и структуры управления им [3].

Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выполнением в них определенной последовательности операций и вычислительных процедур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в Комплекс типовых функций АСУ ТП. Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.

Управляющие функции АСУ ТП -- это функции, результатами которых является выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. К управляющим функциям АСУ ТП относятся: регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных; однотактное логическое управление операциями или аппаратами; программное логическое управление группой оборудо-вания; оптимальное управление установившимися или переходными режимами или отдельными стадиями процесса; адаптивное управление объектом в целом, например, управление участком станков с ЧПУ.

Информационные функции АСУ ТП -- это функции системы, содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относятся: централизованный контроль и изме-рение технологических параметров; косвенное измерение; вычисление параметров процесса (технико-экономических, внутренних переменных); формирование и выдача данных оперативному персона-лу АСУ ТП или АТК; подготовка и передача информации в смежные системы управления; обобщенная оценка и проверка состояния АТК и его оборудования. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУ ТП -- их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).

Вспомогательные функции АСУ ТП состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы.

Локальные системы контроля, регулирования и управления ЛСКРУ (см. рисунок 2.2) эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.

Локальные регуляторы (ЛР) могут быть аналоговыми, цифровыми, одно - или многоканальными. Наличие человека-оператора в системе позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществлять общий контроль за выполнением технологического процесса и ручное управление (РУ) [1]. Структура ЛСКРУ соответствует классической структуре систем управления: содержит датчи-ки измеряемых переменных (Д) на выходе ТОУ, автоматические регуляторы, исполнительные устройства (ИУ), передающие команды управления (в том числе, оператор в режиме ручного управле-ния) на регулирующие органы ТОУ. Устройство связи с оператором состоит, как правило, из измерительных, сигнализирующих и регистрирующих приборов.

 типовая структура лскру

Рисунок 2.2 -- Типовая структура ЛСКРУ

Развитие экономико-математических методов управления с широким использованием современной вычислительной техники позволило существенно облегчить работу оператора при управлении сложными технологическими объектами. В результате появились человеко-машинные системы управления технологическими процессами, в которых обработка информации и формиро-вание оптимальных управлений осуществляются человеком с помощью управляющей вычисли-тельной машины (УВМ). УВМ в этом случае является многоканальным информационно-управляющим устройством в системе автоматизированного управления технологическим процессом.

В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между человеком и УВМ, между УВМ и средствами контроля и регулирования возможны различные принципы построе-ния АСУ ТП. Наибольшее распространение в промышленной прак-тике нашли три принципа построения АСУ ТП: централизованные АСУ ТП, АСУ ТП с супервизорным управлением и децентрализо-ванные распределенные АСУ ТП.

Типовая структура централизованной АСУ ТП (см. рисунок 2.3) включает в себя устройство связи с объектом (УСО) и УВМ, осуществляющую централизованное управление одним или несколькими технологическими процессами. Надежность всего комплекса определяется в этом случае надежностью УСО и УВМ, и при выходе их из строя нормальное функционирование технологического оборудо-вания невозможно.

типовая структура централизованной асу тп

Рисунок 2.3 -- Типовая структура централизованной АСУ ТП

Характерным примером централизованной АСУ ТП является система, УВМ которой непосредственно вырабатывает оптимальные регулирующие воздействия и с помощью соответствующих преоб-разователей передает команды управления на исполнительные устройства (механизмы). Централизованные АСУ ТП, УВМ которых работают в таком режиме, называются системами с непосредствен-ным или прямым цифровым управлением (ПЦУ).

В АСУ ТП с ПЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать избранные переменные, варьировать диапазоны допусти-мого изменения переменных, изменять параметры настройки и иметь доступ к управляющей программе. Для обеспечения этих функций необходимо иметь сопряжение (человек -- машина) в виде пульта оператора и средств отображения информации [2].

Применение УВМ в режиме ПЦУ позволяет строить програм-мным путем системы регулирования по возмущению, комбинированные системы каскадного и многосвязного регулирования, учитывающие связи между отдельными частями объекта управления. ПЦУ позволяет реализовать не только оптимизирующие функции, но и адаптацию к изменению внешней среды и перемен-ным параметрам объекта. В системах с ПЦУ упрощается реализация режимов пуска и остановки процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов.

Главный недостаток систем с ПЦУ заключается в том, что при отказе в работе УВМ объект теряет управление. Несмотря на высокую надежность всех средств системы, отказы в УВМ возможны, и это обстоятельство необходимо особо учитывать при построении АСУ ТП с ПЦУ.

3 лекция. Типизация, унификация и агрегатирование средств АСУТП

Содержание лекции: типизация, унификация и агрегатирование средств АСУТП.

Цель лекции: изучить основные цели и задачи передачи данных.

3.1 Основные сведения

Прежде чем определить принципы построения комплекса технических средств (КТС) для автоматизации технологических процессов на основе системного подхода, остановимся на содержании используемых в технической литературе терминов "типизация", "унификация", "параметризация" и других понятий, которые будут использоваться ниже.

Типизацию определим как обоснованное сведение многообразия избранных типов конструкций машин, оборудования, приборов и устройств автоматизации к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. Например, типизация технологических процессов заключается в выборе для внедрения из всей массы действующих технологий только наиболее производительных и рентабельных. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий (или их составных частей) базовые элементы и конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов в ограниченный ряд типов с учетом реально действующих ограничений, целей типизации; другими словами, типизация является оптимизационной задачей с ограничениями.

Типизация предшествует унификации -- приведению различных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т. п. Унификация вносит единообразие в основные параметры типовых решений технических средств, необходимое для их совместного использования в АСУ ТП, и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей.

Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки, модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет за счет применения общих и типовых конструктивных решений использовать принцип агрегатирования, создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать технические средства одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками, удовлетворяющими потребностям того или иного производства, технологии. Такие изделия одного типа, но с различными техническими параметрами образуют параметрический ряд.

Агрегатирование предусматривает разработку и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных установок и комплексов, технические параметры которых в значительной степени удовлетворяют потребительским целям. Типизация, унификация и агрегатирование являются основополагающими принципами построения агрегатных комплексов для комплексной автоматизации производства и, в частности, при проектировании и внедрении АСУ технологическими объектами и агрегатами.

Принципы типизации, унификации и агрегатирования получили в свое время развитие в Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), созданной в СССР и предназначенной для создания автоматических и автоматизированных информационно-управляю-щих систем. Изделия ГСП компоновались в агрегатные комплексы технических средств, ориентированные на решение типового состава функциональных задач, и вместе с типовыми проектными решениями значительно упрощали проектирование АСУ ТП, создавали основу для "индустриализации" проектирования, что весьма важно для ускорения темпов внедрения АСУ ТП. Являясь частью такой сложной системы, как АСУ ТП, комплекс технических средств также представляет собой сложную систему аппаратных и аппаратно-программных средств. Понятие "сложная система" здесь понимается как множество взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции и имеющих собственные и общие цели. Поэтому представляется необходимым решать проблемы проектирования комплекса технических средств для АСУ ТП с единой методологической позиции -- позиции системного подхода, что в данном случае означает:

    -- использование концепций теории систем управления (общесистемные функции и цели, распределенность, многоуровневость и иерархичность структуры АСУ ТП); -- исследование технологических объектов управления и учет особенностей их эксплуатации с целью выбора ограничений при формировании типового состава функциональных задач КТС и состава индивидуальных задач данного объекта автоматизации; -- организацию внутренней структуры КТС (с учетом распреде-ленности, иерархичности и многоуровневости АСУ ТП) на основе принципов типизации, унификации и агрегатирования; -- оптимизацию системотехнических, схемных, конструктивных и программных решений для упорядочения номенклатуры КТС (в том числе оптимизацию распределения функциональных задач, решаемых аппаратными и программными средствами); -- прогнозирование развития функционально-алгоритмической структуры АСУ ТП в процессе эксплуатации и эволюции технического обеспечения.

Анализ задач автоматизации в различных отраслях промышленности показывают, что в настоящее время только в группе датчиков имеется потенциальный спрос на преобразователи для измерения более 2000 физических величин. С учетом известных методов измерений, диапазонов значений измеряемых величин и условий эксплуатации это может привести к необходимости изготовления нескольких десятков тысяч модификаций датчиков. Поскольку даже простейшая локальная система регулирования, кроме датчика, включает в себя ряд других устройств, то индивидуальный подход к разработке средств для АСУ ТП, приводящий к неоправданному многообразию этих средств, нецелесообразен. Следовательно, одна из главнейших задач, решаемых агрегатными комплексами, состоит в создании ограниченной номенклатуры унифицированных устройств, способных максимально удовлетворять потребностям производства.

Сокращение номенклатуры средств автоматизации достигается объединением их в отдельные функциональные группы путем сведения функций этих устройств к ограниченному числу типовых функций. Оптимизация состава каждой группы обеспечивается разработкой параметрических рядов изделий. В основу ряда заложены более узкая специализация выполняемых функций (типизация инструментальных методик измерения или метода преобразования информации), ограничения по видам и параметрам сигналов, несущих информацию о контролируемой величине или команде управления, ограничения по техническим параметрам изделий, пределам измерений, классам точности, параметрам питания и т. д., наконец, унификация конструктивного исполнения изделий. Существенное сокращение числа различных функциональных устройств достигается обеспечением их совместимости в АСУ ТП. Концепция совместимости, включающая в себя требования информационного, энергетического, конструктивного, метрологического и эксплуатационного сопряжений между различными изделиями, основана на последовательной унификации и стандартизации свойств и характеристик изделий [3].

Применительно к информационным связям термин "унификация" означает введение ограничений, налагаемых на сигналы, несущие сведения о контролируемой величине или команде. Унифицируются виды носителей нормированной информации (электрические -- сигналы, коды и согласование входов и выходов; вещественные -- с механическим носителем на перфокартах, перфолентах, бланках для записи и печати, с магнитными носителями). Определяется также способ представления информации в устройствах автоматизации -- аналоговый и дискретный.

Конструктивная совместимость изделий предусматривает прежде всего унификацию присоединительных размеров отдельных узлов, деталей, модулей, введение типовых конструкций, создание единой элементной базы, разработку общих принципов конструирования приборов. При конструировании устройств автоматизации рекомендуется Блочно-модульный принцип построения изделий. Применение этого принципа делает приборы более универсальными, позволяет ис-пользовать при их создании рациональный минимум конструктивных элементов (сокращается количество наименований деталей). Вместе с тем возможность простой и легкой замены отдельных узлов позволяет модернизировать эти приборы в процессе эксплуатации, повышает их ремонтопригодность и расширяет круг ре-шаемых ими задач (путем различных сочетаний функциональных звеньев и введением специализированных деталей). Блочно-модульное построение приборов позволяет широко применять при их изготовлении современную технологию и максимально использовать кооперацию и специализацию предприятий.

Стандартизируются также общие технические требования к устройствам автоматизации и условиям их работы в АСУ ТП. Ввиду многообразия производств и технологических процессов, важное место отводится разделению приборов и устройств по группам условий эксплуатации. По защищенности от воздействия окружающей среды устройства автоматизации подразделяются на следующие исполнения: Обыкновенное, пылезащищенное, взрывозащищенное, герметическое, водозащищенное, защищенное от агрессивной среды. В зависимости от предполагаемых механических воздействий также предусматриваются Обыкновенное и Виброустойчивое исполнение.

Нормируются Метрологические характеристики изделий (виды погрешностей, методы нормирования погрешностей отдельных устройств, погрешностей совокупности звеньев и систем, классы точности и методы аттестации). Этим достигается Метрологическая совместимость различных технических средств АСУ ТП [3].

4 лекция. Функциональные схемы автоматизации

Содержание лекции: функциональные схемы автоматизации.

Цель лекции: изучить определения и понятия функциональных схем автоматизации.

4.1 Общие сведения

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, определяющим функциональную структуру и объем автоматизации технологических установок, отдельных машин, механизмов и агрегатов, выполняющих технологический процесс.

Функциональная схема автоматизации представляет собой чертеж, на котором схематически, условными обозначениями изображены: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации (приборы, регуляторы, вычислительные устройства, элементы телемеханики) с указанием связей между технологическим оборудованием и элементами автоматики, а также связей между отдельными элементами автоматизации. Вспомогательные устройства такие, как редукторы и фильтры для воздуха, источники питания, автоматические выключатели и предохранители в цепях питания, соединительные коробки и другие устройства и монтажные элементы, на функциональных схемах автоматизации не показываются.

Функциональную схему автоматизации технологической установки выполняют, как правило, на одном чертеже, на котором изображают аппаратуру всех систем, контроля, регулирования, управления и сигнализации, относящуюся к данной технологической установке.

Для сложных технологических процессов с большим объемом автоматизации схемы могут быть выполнены раздельно по видам технологического контроля и управления, т. е. отдельно выполняют схемы автоматического управления, контроля и сигнализации.

Прочитать функциональную схему автоматизации означает определить из нее:

    1) Параметры технологического процесса, которые подлежат автоматическому контролю и регулированию. 2) Наличие защиты и аварийной сигнализации. 3) Принятую блокировку механизмов. 4) Организацию пунктов контроля и управления. 5) Функциональную структуру каждого узла контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления. 6) Технические средства, с помощью которых решается тот или иной функциональный узел контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления.

Технологическое оборудование и коммуникации на функциональных схемах автоматизации изображают, как правило, упрощенно и в сокращенном виде, без указания отдельных технологических аппаратов и трубопроводов вспомогательного назначения. Изображенная таким образом технологическая схема дает ясное представление о принципе ее работы и взаимодействии со средствами автоматизации.

На технологических трубопроводах обычно показывают ту регулирующую и запорную арматуру, которая непосредственно участвует в контроле и управлении процессом, а также запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора импульсов или поясняющие необходимость измерений.

В отдельных случаях некоторые элементы технологического оборудования изображают на функциональных схемах в виде прямоугольников с указанием наименования этих элементов или не показывают вообще. При этом около датчиков, отборных, приемных и других подобных по назначению устройств указывают наименование того технологического оборудования, к которому они относятся.

Приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники на функциональных схемах автоматизации показывают в соответствии с действующим ГОСТ 21.404-85.

В отдельных случаях при отсутствии в стандартах необходимых изображений могут быть использованы нестандартные изображения, которые, выполняют на основе характерных признаков изображаемых устройств.

В ГОСТ 21.404-85 принята система обозначений по функциональному признаку, выполняемому данным прибором или средством автоматизации.

Регулирующие органы такие, как горелки, форсунки, направляющие аппараты, гидромуфты, вариаторы и реостаты, показывают непосредственно на местах их установки в виде условных изображений, принятых для технологического оборудования. Для датчиков и приборов, указывающих положение регулирующих органов, исполнительных механизмов и т. п., показывают существующую механическую связь [4].

Изображение приборов и средств автоматизации на функциональных схемах может быть выполнено упрощенным или развернутым способом (см. рисунок 4.1).

Пример. На рисунке 4.1,а изображен участок технологического трубопровода, на котором упрощенным способом показан функциональный узел автоматического регулирования расхода технологического сырья. Первичный измерительный преобразователь (диафрагма или сопло) в данном случае не показан. Место установки первичного преобразователя обозначено пересечением линий технологического трубопровода с линией, связывающей этот преобразователь с условным обозначением прибора, осуществляющего сложные функции. На рисунке 4.1,б тот же узел изображен развернутым способом.

примеры изображения условных обозначений приборов и средств автоматизации упрощенным (а) и развернутым (б) способами

Рисунок 4.1 -- Примеры изображения условных обозначений приборов и средств автоматизации упрощенным (а) и развернутым (б) способами

Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на функциональных схемах автоматизации, присваивают позиционные обозначения (позиции), сохраняющиеся во всех материалах проекта. На стадии проекта позиционные обозначения выполняют арабскими цифрами в соответствии с нумерацией в заявочной ведомости приборов, средств автоматизации и электроаппаратуры. На стадии рабочей документации и при одностадийном проектировании позиционные обозначения приборов и средств автоматизации образуются из двух частей: арабских цифр -- номера функциональной группы и строчных букв русского алфавита -- номера прибора и средств автоматизации в данной функциональной группе.

Буквенные обозначения присваивают каждому элементу функциональной группы в порядке алфавита в зависимости от последовательности прохождения сигнала -- от устройств получения информации к устройствам воздействия на управляемый процесс (например, приемное устройство-датчик, вторичный преобразователь, задатчик, регулятор, указатель положения, исполнительный механизм, регулирующий орган).

Позиционные обозначения в функциональных схемах автоматизации проставляют, как правило, в нижней части окружности, обозначающей прибор, или рядом с условными графическими обозначениями приборов и средств автоматизации с правой стороны или над ним.

Функциональные схемы автоматизации разрабатывают с большей или меньшей степенью детализации.

Функциональные схемы автоматизации могут быть выполнены двумя способами:

    1) С изображением щитов и пультов управления при помощи условных прямоугольников (как правило, в нижней части чертежа), в пределах которых указывают устанавливаемые на них средства автоматизации. 2) С изображением средств автоматизации на технологических схемах вблизи отборных и приемных устройств без построения прямоугольников, условно изображающих щиты, пульты, пункты контроля и управления.

При выполнении схемы по первому способу на ней показывают все приборы и средства автоматизации, входящие в состав функционального блока или группы, а также место их установки. Преимуществом этого способа является большая наглядность, в значительной степени облегчающая чтение схемы и работу с проектными материалами.

Прямоугольники щитов и пультов располагают в такой последовательности, чтобы при размещении в их пределах обозначений приборов и средств автоматизации обеспечивалась наибольшая простота и ясность схемы и минимум пересечений линий связи. В прямоугольниках могут быть даны номера чертежей общих видов щитов и пультов. В каждом прямоугольнике с левой стороны указывают его наименование.

Приборы и средства автоматизации, которые расположены вне щитов и не связаны непосредственно с технологическим оборудованием и трубопроводами, условно показывают в прямоугольнике "Приборы местные".

Для облегчения понимания существа автоматизируемого объекта и возможности выбора диапазона измерения и шкал приборов, а также уставок регуляторов на участках линий связи над верхним прямоугольником ("Приборы местные") указывают предельные рабочие (максимальные и минимальные) значения измеряемых или регулируемых технологических параметров при установившихся режимах работы. Эти значения дают в единицах шкалы выбираемого прибора или в международной системе единиц без буквенных обозначений.

При построении схем по второму способу, хотя он и дает только общее представление о принятых решениях по автоматизации объекта, достигается сокращение объема документации. Чтение схем автоматизации, выполненных таким образом, затруднено, так как они не отображают организацию пунктов контроля и управления объектом. При втором способе позиционные обозначения элементов схемы в каждом контуре регулирования выполняют арабскими цифрами, а исполнительные механизмы обозначения не имеют.

Для работы по схемам автоматизации необходимо иметь пояснительную записку к проекту, опись чертежей и спецификацию на приборы, средства автоматизации и электроаппаратуру.

При чтении схем автоматизации рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

    1) Прочитать все надписи -- основную надпись (штамп), примечания, ссылки на относящиеся чертежи и другие дополнительные пояснения, имеющиеся на чертеже. 2) Изучить технологический процесс и взаимодействие всех участвующих в нем аппаратов, агрегатов и установок, начиная с ознакомления с пояснительными записками к проекту автоматизации и технологической части. 3) Определить организацию пунктов контроля и управления данным технологическим процессом. 4) Установить перечень узлов контроля, сигнализации и автоматического регулирования и управления электроприводами, предусмотренных данной схемой [5].

5 лекция. Автоматические регуляторы систем автоматики

Содержание лекции: автоматические регуляторы систем автоматики.

Цель лекции: изучить определения и понятия автоматических регуляторов с типовыми алгоритмами регулирования.

Автоматический регулятор -- это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменения ее значения регулируемой величины или изменения ее значения по заданному закону (алгоритму).

Автоматические регуляторы с типовыми алгоритмами регулирования -- релейными, пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ), пропорционально-дифференциальным (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) -- составляют основную группу регуляторов, используемых в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Несмотря на широкое использование управляющих вычислительных машин, микропроцессорных средств контроля и управления, автоматические регуляторы являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных систем контроля и регулирования с числом контуров регулирования от 1 до 8--16, подсистем нижнего уровня иерархии управления в распределенных АСУ ТП и систем с супервизорным управлением.

Главная функция регулятора -- формирование сигнала рассогласования между регулируемой величиной и ее заданным значением (установкой) и динамическое преобразование сигнала рассогласования по типовым алгоритмам (законам) регулирования. Управляющий сигнал с выхода регулятора поступает непосредственно на вход исполнительного устройства автоматической системы.

Однако к современным автоматическим регуляторам предъявляется ряд дополнительных эксплуатационных требований, основными из которых являются:

    - безударный переход (т. е. без дополнительных переходных процессоров в цепях) с режима ручного управления на автоматический и обратно; - в режиме автоматического управления безударный переход с внешнего источника сигнала задания на внутренний (необходимый, например, в супервизорном управлении); - ограничение выходного аналогового сигнала по верхнему и нижнему уровням и сигнализации предельных значений этих уровней; - гальваническое разделение входных и выходных цепей; - связь с УВМ верхнего уровня иерархии управления; - аналоговая и дискретная автоподстройка динамических параметров регулятора, необходимая для построения адаптивных систем управления.

Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от назначения, принципа действия, конструктивных особенностей, вида используемой энергии и др.

По конструктивным признакам автоматические регуляторы подразделяются на аппаратные, приборные, агрегатные и модульные.

Регуляторы аппаратного типа конструктивно представляют собой техническое устройство, работающее в комплексе с первичным измерительным преобразователем. Такие регуляторы работают независимо (параллельно) от средств измерения данного технологического параметра.

Регуляторы приборного типа работают только в комплексе со вторичным измерительным прибором. Приборные регуляторы не имеют непосредственной связи с первичным измерительным преобразователем.

Автоматические регуляторы, построенные по агрегатному (блочному) принципу, состоят из отдельных унифицированных блоков, выполняющих определенные функции. Входные и выходные сигналы этих блоков унифицированы. Это позволяет из блоков проектировать автоматические регуляторы различного функционального назначения.

Автоматические регуляторы, построенные по модульному (элементному) принципу, состоят из отдельных модулей (элементов), выполняющих простейшие операции. Входные и выходные сигналы модулей унифицированы. Это позволяет, как и в случае использования агрегатных регуляторов, собирать автоматические регуляторы различного функционального назначения.

В зависимости от вида используемой энергии регуляторы подразделяются на электрические (электромеханические, электронные), пневматические, гидравлические и комбинированные (электропневматические, электрогидравлические и т. д.).

Выбор регулятора по виду используемой энергии определяется характером объекта регулирования и особенностями автоматической системы.

Так, пневматические автоматические регуляторы применяются во взрыво-- и пожароопасных зонах при небольших расстояниях (до 400 м) от пункта управления до объекта регулирования. Следует отметить, что гидравлические регуляторы надежны в работе, а их исполнительные механизмы при относительно небольших размерах развивают большие усилия.

Однако и пневматические, и гидравлические регуляторы имеют ряд недостатков:

    - необходимость в специальных источниках питания; - ограниченность радиуса действия; - требования полной герметизации всех элементов регулятора и линии связи; - большая инерционность элементов и линий связи по сравнению с инерционностью электрических регуляторов и т. д.

Автоматические регуляторы электрической ветви в зависимости от вида электрического сигнала разделяются на аналоговые, дискретные и гибридные (аналого-дискретные). В свою очередь, дискретные регуляторы могут быть импульсными и цифровыми. В аналоговых регуляторах информационный сигнал непрерывен на всем тракте формирования сигнала регулирования. В дискретных регуляторах в одной или нескольких точках тракта формирования регулирующего сигнала происходит импульсная модуляция сигнала либо поамплитуде (АИМ), либо по длительности (ширине) импульсов (ШИМ), либо по частоте импульсов (ЧИМ); модуляция по уровню в релейных регуляторах и модуляция по уровню и амплитуде в цифровых регуляторах. В гибридных регуляторах информационные сигналы имеют как аналоговую, так и дискретную природу в различных точках тракта формирования регулирующего сигнала (см. рисунок 5.1).

Структурные схемы автоматических регуляторов -- аналоговых и дискретных -- с типовыми алгоритмами регулирования могут быть получены на основе известных в теории автоматического регулирования методов коррекции, когда желаемые динамические характеристики (алгоритмы) достигаются с помощью последовательных и параллельных корректирующих цепей (активных и пассивных) и обратных связей. В ряде случаев исполнительные механизмы также участвуют в формировании необходимого алгоритма.

На рисунке 5.1 изображены основные структуры, в соответствии с которыми построено большинство промышленных регуляторов с типовыми алгоритмами. На структурных схемах приняты следующие обозначения: 1 -- преобразователь входной величины х; 2 -- усилительное устройство; 3 -- функциональная обратная связь; 4 -- исполнительное устройство (механизм), сигнал, с выхода которого управляет объектом.

типовые структурные схемы промышленных регуляторов

Рисунок 5.1 -- Типовые структурные схемы промышленных регуляторов

6 лекция. Электронные элементы систем автоматики

Содержание лекции: электронные элементы систем автоматики.

Цель лекции: изучить различные виды электронных элементов систем автоматики.

Полупроводниковый диод -- это полупроводниковый прибор, содержащий один Р-n переход. Как правило, области прибора с Р- и N-Проводимостями имеют неодинаковые концентрации основных носителей. Область с более высокой концентрацией называется эмиттером, с более низкой -- базой. В настоящее время используются два основных типа диодов: точечный (см. рисунок 6.1) и плоскостной (см. рисунок 6.2).

    1,3 -- металлические торцы; 2 -- керамическая трубка; 4 -- проволочный вывод; 5 -- кристаллодержатель; 6 -- кристалл германия; 7 -- вольфрамовая проволока.

Рисунок 6.1 -- Конструкция точечного полупроводникового диода

В точечном диоде к кристаллическому полупроводнику 6 с одним типом проводимости вплавляется конец вольфрамовой проволоки 7, на которую нанесен слой акцептора (если кристалл имеет N-Проводимость) или донора (в случае Р-Проводимости). В процессе приплавки атомы примеси с поверхности проволоки диффундируют в кристалл, и в нем образуетсяР--n переход. В плоскостных диодах Р--n переход образуется путем наплавки кусочка индия 8 на германиевый или кремниевый кристалл 9 с N-Проводимостью. Детали конструкций ясны из рисунков.

Из рисунка видно, что при малых значениях напряжения (как обратного, так и прямого) сопротивление диода R = ДU/ДI велико (ток нарастает полого). Когда значение прямого напряжения больше потенциального барьера, ток нарастает круто и почти по прямой; сопротивление диода резко падает и, достигнув некоторого значения RO, остается неизменным.

Точечные диоды благодаря малой площади Р--n перехода имеют очень малую емкость и поэтому широко применяются в высокочастотных схемах детектирования и преобразования сигналов, а также в различных измерительных и логических схемах.

Основными параметрами, характеризующими точечные диоды, являются:

    А) прямой ток, соответствующий указанному напряжению (обычно 1--2 В); Б) допустимая амплитуда обратного напряжения; в) минимальное пробивное напряжение; Г) обратный ток, соответствующий указанному обратному напряжению; Д) проходная емкость.

Обратные ток и напряжение указываются при различных температурах.

Выше было сказано о том, что при пробое Р--n перехода обратным напряжением лавинообразное нарастание тока обусловлено ударной ионизацией и массовым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Полупроводниковый транзистор представляет собой прибор с двумя последовательно включенными Р-n переходами. Он состоит из трех областей с чередующимися типами проводимостей.

Одна из крайних областей транзистора называется эмиттером, средняя область -- базой и вторая крайняя область -- коллектором, Р-n переход со стороны эмиттера называется эмиттерным, а со стороны коллектора -- коллекторным. Эмиттер, база и коллектор отличаются не только характером проводимости, но и концентрацией носителей. В базе она на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, а в коллекторе -- почти такая же, как в эмиттере.

В настоящее время подобные приборы принято называть биполярными транзисторами, поскольку в них используются носители обоих типов -- электроны и дырки. Введение этого термина связано с появлением новых типов трехэлектродных полупроводниковых приборов -- униполярных (полевых) транзисторов. В зависимости от типа проводимости различают транзисторы Р-n-р и N-р-n структур.

В практических схемах транзистор используется как четырехполюсник -- прибор с двумя входными и двумя выходными зажимами, поэтому один из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. Различают схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Усилительные свойства транзистора основаны на резком изменении сопротивления участка "эмиттер -- коллектор" под действием поступающего на базу управляющего сигнала.

Важной особенностью транзисторов является взаимосвязь токов базы, эмиттера и коллектора. Поэтому характер зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе зависит от того, как включены относительно друг друга источники питания эмиттерного и коллекторного переходов транзистора. Графики зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе называются Вольт-амперными характеристиками или просто Характеристиками транзистора.

При включении транзистора по схеме с ОЭ Входной статической характеристикой называют зависимость тока базы от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторе.

Выходной статической характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, называют зависимость коллекторного тока от напряжения на коллекторе при неизменном токе базы (см. рисунок 6.2).

На примере включения транзистора по схеме с ОЭ рассмотрим четыре характерных рабочих режима транзистора.

Режим насыщения (1) имеет место при напряжении UK = 0, а также при |UК| < |UБ|. В этом режиме оба перехода включены в прямом направлении и обе крайние области транзистора служат одновременно эмиттерами и коллекторами (инжектируют и собирают носители). При данном режиме база насыщена носителями, инжектируемыми через оба перехода. Поэтому сопротивление между двумя любыми выводами транзистора очень мало. При UK=0 результирующий ток коллектора равен нулю. По мере увеличения напряжения UККоллекторный переход, хотя по-прежнему и смещен в прямом направлении, но прямое напряжение на участке "база -- коллектор" транзистора уменьшается. Инжекция носителей из коллектора в базу значительно слабее, чем из эмиттера, что приводит к резкому росту коллекторного тока с увеличением UК. Начиная с |UК|=|UБ|, коллектор уже не инжектирует дырки в базу, транзистор переходит в Активный режим (2), который характеризуется плавным ростом коллекторного тока с увеличением UK, что обусловлено главным образом сужением базы. При больших напряжениях на коллекторе возникает пробой коллекторного перехода (Режим лавинного пробоя 4). Режим отсечки (3) имеет место при UЭБ < 0. В этом режиме ток эмиттера отсутствует, а коллекторный ток равен току базы и представляет собой обратный ток коллекторного перехода IКо.

выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с оэ

Рисунок 6.2 -- Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ

При расчете усилительных схем на транзисторах (при условии, что напряжение сигнала намного меньше напряжения питания) транзистор представляют в виде четырехполюсника; соотношения между токами и напряжениями на входе и выходе его (IВХ, UВX, IВЫХ, UВЫХ) при этом могут выражаться тремя различными системами уравнений. Коэффициенты, входящие в состав этих уравнений, называются первичными параметрами транзистора, поскольку они характеризуют основные электрические свойства транзистора как линейного четырехполюсника.

Наибольшее распространение получила система уравнений с так называемыми Гибридными параметрами (их называют еще H-napaметрами), которая имеет вид:

UВХ = h11IВХ+ h12UВЫХ

IВХ = h21IВХ+ h22UВЫХ

Здесь под IВХ, UВX, IВЫХ, UВЫХ понимаются переменные напряжения и токи на входе и выходе транзистора. По физическому смыслу H-параметры представляют собой следующие величины:

H11 -- входное сопротивление при короткозамкнутом по переменному току выходе, т. е. при UВЫХ = 0. Так, например, для схемы с ОБ H11 = UЭ/IЭ при UК = 0.

H12 -- отношение напряжения на входе к напряжению на выходе (коэффициент обратной связи) при разомкнутом по переменному току входе, т. е. при IВХ = 0. Так, например, для схемы с ОБ H12 = UЭ/UK при IЭ = 0;

H21 -- отношение тока на выходе к току на входе (коэффициент передачи тока) при UВЫХ = 0. Так, например, для схемы с ОБ H21 = IК/IЭ при UK = 0;

H22 -- выходная проводимость, т. е. отношение IВЫX/UВЫХ при IВХ = 0.

Помимо рассмотренных, транзисторы характеризует еще Ряд параметров:

    1) Предельно допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, PKmax. Определяется она предельно допустимой температурой нагрева полупроводникового прибора (около 100°С для германиевых и 150 °С для кремниевых транзисторов). Для улучшения теплоотдачи в мощных транзисторах корпус их закрепляют на ребристом радиаторе. Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе различных типов транзисторов, находится в пределах от единиц милливатт до десятков ватт. 2) Предельно допустимое обратное напряжение коллекторного перехода UKmaX, т. е. напряжение, при котором еще не наступает пробой коллекторного перехода. Практически UKmax = 10...50 В. 3) Обратный ток коллекторного перехода (подобен обратному току диода) IKo. В обычных условиях I не превышает единиц микроампер. 4) Предельно допустимая частота. Принято считать, что транзистор работоспособен, если коэффициент усиления по току уменьшается не более чем в 2 раза по сравнению с рассчитанным для низкой частоты. В зависимости от типа транзистора предельная частота его может изменяться в широких пределах (от сотен килогерц до единиц гигагерц). 5) Диапазон рабочих температур. Транзисторы, как и все полупроводниковые приборы, в большой степени подвержены влияниям температуры. С повышением температуры резко увеличивается количество основных и неосновных носителей в полупроводнике, что приводит к увеличению токов транзистора. Особенно сильно влияет на работу транзистора температурное изменение обратного тока коллекторного перехода, которое происходит по экспоненциальному закону. Можно приближенно считать, что при повышении температуры на 10С обратный ток коллектора возрастает вдвое.

Из сказанного следует, что при эксплуатации транзисторов нужно, по возможности, добиваться того, чтобы они работали в относительно узком диапазоне температур, или принимать специальные меры для компенсации влияния изменений температуры.

Только при этих условиях схемы на транзисторах работают стабильно. Диапазон допустимых температур окружающей среды для различных образцов транзисторов неодинаков, однако максималь-но допустимая температура в лучшем случае не превышает +125 °С, а минимальная -- не ниже -30 °С.

В настоящее время широкое распространение на производстве получают промышленные контроллеры и ПЛК (программируемые логические контроллеры, на Западе называемые "программируемыми реле"), предназначенные для применения в системах автоматизации там, где использование других средств автоматики не удовлетворяет современным требованиям.

Фирма Siemens была пионером в области разработки промышленных контроллеров и ПЛК, начав их массовое производство в 1996 году. Логический модуль LOGO! изначально задумывался как промежуточное звено между традиционными релейными элементами автоматики (контакторы, реле времени и т. п.) и программируемыми контроллерами. В нем вместо соединения проводов должно было использоваться логическое соединение функций, обычно реализуемых аппаратно с помощью отдельных устройств. Но в отличие от программируемых контроллеров сложность устройств должна была позволять работать с ними персоналу без специальных знаний в области программирования. С этой же целью ввод программы в LOGO! осуществляется непосредственно со встроенных индикатора и клавиатуры. Для подключения к источникам сигналов и исполнительным устройствам модули LOGO! первых поколений имели 6 или 12 дискретных входов и 4 или 8 дискретных выходов (варианты Basic и Long соответственно). Затем к дискретным входам добавилось два аналоговых.

В 2001 году фирма Siemens выпустила модульный LOGO!, в котором увеличение числа обслуживаемых входов и выходов обеспечивается с помощью дополнительных модулей расширения. Подключение разных модулей расширения к базовой модели LOGO! позволяет расширить возможности контроллера. Модуль закрепляется на стандартной профильной шине и подключается к LOGO!

В распоряжении разработчика имеются следующие типы модулей:

    - дискретный модуль LOGO! DM8; - аналоговый модуль LOGO! AM2; - коммуникационный модуль LOGO! CM AS-i.

В модульном варианте ПЛК LOGO! (см. рисунок 6.3) можно реализовать максимум с 24 дискретными и 8 аналоговыми входами, а также 16 дискретными выходами. Напряжение питания входных цепей в LOGO! соответствует напряжению питания модуля, которое может быть 12/24 В постоянного тока, 24 и 230 В переменного тока. Выходы могут быть транзисторными или релейными. Нагрузочная способность последних (до 10 А) обеспечивает непосредственное подключение достаточно мощных исполнительных устройств.

Новые модули расширения делают LOGO! способным быстро реагировать на изменения и занимают в два раза меньше места, чем сам LOGO! Кроме того, к такому микроконтроллеру можно подключить коммуникационные модули для работы в сетях AS-interface, EIB Instabus или LON. Существуют и логические модули без дисплея и клавиатуры, благодаря чему они почти на 20 процентов дешевле.

Главной особенностью ПЛК LOGO! является то, что схема релейной автоматики собирается из программно реализованных функциональных блоков. В распоряжении пользователя имеется восемь логических функций типа И, ИЛИ и т. п., большое число типов реле, в том числе, реле с задержкой включения и выключения, импульсное реле, реле с самоблокировкой, выключатель с часовым механизмом, тактовый генератор, календарь, часы реального времени с возможностью автоматического перехода на летнее/зимнее время и др.

Программирование модулей LOGO! может выполняться с помощью встроенных клавиатуры и дисплея. Оно сводится к выбору необходимых функциональных блоков, соединению их между собой и заданию параметров настройки блоков (задержек включения/выключения, значений счетчиков и т. д.). Для хранения управляющей программы в модуле имеется встроенное энергонезависимое запоминающее устройство. Создание резервной копии программы, а также перенос ее в другие LOGO! может быть осуществлено с помощью специальных модулей памяти, устанавливаемых в интерфейсное гнездо. Модули памяти так и называются по цвету корпуса -- "желтый" и "красный". При использовании желтого модуля программа может быть свободно перенесена из него в LOGO! и обратно. Если же программа переносится из красного модуля, то она может исполняться только в том случае, если модуль памяти остается вставленным в LOGO! Копирование ее на другой модуль памяти невозможно. Таким способом обеспечивается защита управляющей программы от несанкционированного размножения.

Однако ввод программы с панели управления может быть оправдан только для небольших по объему программ или в случае острой необходимости внесения корректив в уже работающую программу непосредственно на объекте. Для относительно сложных схем очевидна необходимость использования программного пакета LOGO! SoftComfort. Этот пакет позволяет разрабатывать в графической форме и документировать программы для LOGO! на компьютере и отлаживать их в режиме эмуляции логического модуля. Принцип работы аналогичен используемому при ручном вводе, но эффективность во много раз выше. Выбранные функциональные блоки мышью перетаскиваются на рабочее поле, затем соединяются и параметрируются. Для каждого функционального блока может быть написан комментарий, который существенно облегчит понимание принципа работы программы другому пользователю или поможет самому разработчику через некоторое время вспомнить собственные замыслы. Если по результатам эмулирования корректировка программы не требуется, то ее можно загрузить в память LOGO! с помощью специального кабеля, подключаемого к тому же интерфейсному гнезду, что и модули памяти.

На рисунке 6.4 приведен пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort.

Зачастую при решении задачи автоматизации возникает потребность в контроле температуры. С появлением специализированного аналогового модуля LOGO! АМ2 Pt100, предназначенного для непосредственного подключения двух термометров сопротивления Pt100, процесс контроля температуры в диапазоне от --50 до +200°С заметно упрощается. С помощью LOGO! можно обеспечить и регулирование температуры. Такая задача решается с помощью обычного двухпозиционного регулятора, реализуемого с помощью платинового термометра сопротивления, аналогового модуля АМ2 Pt100 и функционального блока "Аналоговый триггер". Сигнал с выхода этого блока будет являться управляющим для электрического нагревателя. Конечно, качество регулирования будет далеко не идеальным, но для многих применений оно может оказаться вполне приемлемым.

пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе logo! softcomfort

Рисунок 6.4 -- Пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort

7 лекция. Электромагнитные устройства автоматики

Содержание лекции: электромагнитные устройства автоматики.

Цель лекции: основные сведения об электромагнитных устройствах автоматики.

Электромагнит (ЭМ) является наиболее распространенным преобразователем электрического сигнала в механическое движение. ЭМ получили применение в системах автоматики в качестве приводных и управляющих устройств. Например, в подъемных и тормозных устройствах, приводах для включения и выключения коммутационных аппаратов, электромагнитных контакторах, автоматических регуляторах, приводах для включения и отключения механических, пневматических, гидравлических цепей, а также для сцепления и расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, заслонок, золотников на небольшое расстояние с усилием в несколько десятков ньютонов.

По назначению различают электромагниты:

    - удерживающие, которые служат для фиксации положения ферромагнитных тел (например, предназначенные для подъема предметов из ферромагнитного материала, электромагнитные плиты для фиксации деталей на металлообрабатывающих станках, электромагнитные станки); - приводные, которые служат для перемещений исполнительных устройств (например, клапанов, золотников, заслонок, железнодорожных стрелок), а также используются в контакторах, электромагнитных муфтах и др.; - специальные, которые используются в ускорителях элементарных частиц, медицинской аппаратуре и др.

По роду тока в обмотке различают ЭМ постоянного и переменного токов. ЭМ постоянного тока делят на нейтральные, не реагирующие на полярность управляющего сигнала, и поляризованные, реагирующие на полярность сигнала (когда на якорь действуют два независящих друг от друга потока).

По конструктивному исполнению различают следующие типы ЭМ.

Клапанные -- с внешним притягивающим якорем (см. рисунок 7.1, а-г), при этом магнитные системы могут иметь различную форму:

    - П-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения; - П-образный магнитопровод и плоский якорь-ярмо; - Ш-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения; - цилиндрический магнитопровод.

В клапанных ЭМ происходит небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров), благодаря чему они развивают большие усилия и имеют высокую чувствительность.

Прямоходовые - с поступательным движением якоря. Используются, как правило, в виде соленоидов и поэтому часто называются соленоидными ЭМ (см. рисунок 7.1, д, е). Прямоходовые ЭМ имеют большой ход якоря, меньшие, чем клапанные, размеры и большее быстродействие, однако чувствительность у них меньше. По своему назначению прямоходовые ЭМ выполняются в двух вариантах: с неподвижным сердечником-"стопом" (см. рисунок 7.1, д, е) и без сердечника со сквозным отверстием по оси катушки -- так называемые длинноходовые электромагниты (см. рисунок 7.1, е).

ЭМ с неподвижным сердечником создает большое усилие, значение которого возрастает по мере приближения якоря к сердечнику. Длинноходовые системы позволяют получить относительно большой ход якоря (до 200 мм) за счет удлинения катушки.

Эти ЭМ применяются в установках, работающих в режиме кратковременной нагрузки, т. е. когда ток, проходящий через катушку, имеет большое значение, но не вызывает ее перегрева.

С поперечным движением -- якорь движется в поперечном направлении к средней линии между полюсами. Практическое использование получили следующие формы магнитных систем:

    - с выступающим якорем (см. рисунок 7.1, ж) -- применяется при углах поворота якоря 25...40°; - с вытягивающимся якорем (см. рисунок 7.1, з) -- применяют при углах поворота якоря 10... 15°. Позволяют получить тяговую характеристику любой формы (возрастающую, спадающую с любым углом наклона), что обеспечивается соответствующим выбора профиля якоря.

А... г -- клапанные; д, е -- прямоходовые;

Ж, и -- с поперечным движением якоря;

    1 -- сердечник; 2 -- якорь; 3 -- полюсный наконечник; 4 -- катушка; 5 -- ярмо; 6 -- направляющая трубка; 7 -- пружина; дН -- начальный воздушный зазор.

Рисунок 7.1 -- Нейтральные электромагниты различных конструкций

В этих системах якорь подвешивается на пружине, а рабочий угол поворота якоря выбирается таким, чтобы он не занимал крайних положений против полюсов.

Рассмотренные системы с движущимся в поперечном направлении якорем применяются в автоматических регуляторах, когда требуется получить большое значение коэффициента возврата. Кроме того, их удобно использовать в устройствах, работающих на постоянном токе (при переменном токе могут возникнуть вибрации якоря, в то время как зазор между полюсами и якорем должен быть постоянным).

ЭМ состоит из магнитопровода и собственно катушки.

Поведение якоря электромагнита после прекращения тока в обмотке во многом зависит от магнитных свойств магнитопровода, а именно: от величины его остаточной индукции BТ и коэрцитивной силы HC. При перемагничивании ферромагнетика полем обратного знака остаточная индукция BТ Уменьшается и при значении поля HС индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная HС, называется коэрцитивной силой. Доводя внешнее поле до --HS, можно получить нижнюю ветвь кривой намагничивания, а, изменяя поле от --HS до +HS, получить замкнутую петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей, пропорциональна работе, которая затрачивается на нагревание ферромагнетика, и определяет потери энергии на перемагничивание [6].

Наиболее широкое применение получили следующие типовые релейные схемы:

    - самоблокировки; - взаимной блокировки; - экономичного включения; - искробезопасного включения; - замедления (реле времени).

В схеме самоблокировки реле при кратковременном замыкании кнопки SB1 Пуск реле срабатывает (см. рисунок 7.2) и своим замыкающим контактом блокирует цепь питания этой кнопки, благодаря чему последующее отпускание кнопки SB1 не приведет к отключению реле. Для отключения реле необходимо разорвать общую цепь питания нажатием кнопки SB2.

релейная схема самоблокировки

Рисунок 7.2 -- Релейная схема самоблокировки

Схема взаимной блокировки, показанная на рисунке 7.3, не допускает одновременного включения реле, так как в цепь обмотки каждого реле введен размыкающий контакт другого реле.

Необходимость взаимной блокировки встречается в схемах, предохраняющих от возможной аварии. Например, одно реле служит для включения двигателя в прямом направлении вращения, а другое -- на реверс.

релейная схема взаимной блокировки

Рисунок 7.3 -- Релейная схема взаимной блокировки

На рисунке 7.4 показаны схема и график экономичного включения реле. Если в обычных схемах реле срабатывает при напряжении срабатывания UСР и остается в этом состоянии при таком напряжении за счет цепи самоблокировки, то в рассматриваемой схеме реле, срабатывающее также при напряжении UСР, при отпускании кнопки SB1 остается в рабочем состоянии через цепь резистора R при напряжении UР. На графике видно, что UСР> UР, поэтому и потребление энергии в рабочем состоянии реле намного меньше, чем в ранее рассмотренных схемах. Необходимым условием работы схемы является UР> UОТ, в противном случае при отпускании кнопки SB1 реле будет отключаться.

Отличительная особенность схемы искробезопасного включения реле, широко применяющейся в различной рудничной и шахтной аппаратуре автоматизации (см. рисунок 7.5), заключается в том, что цепь питания реле осуществляется искробезопасным напряжением UИСК.

Искробезопасные параметры цепи питания достигаются выполнением обмотки II проводом высокого удельного сопротивления или включением в цепь питания ограничительного резистора R2. В исходном положении при поданном питании реле К не работает, так как UСР> UР. При нажатии кнопки SB1 реле срабатывает и остается во включенном состоянии. При этом выполняется соотношение UСР> UР > UОТ. Через обмотку реле протекает однополупериодный постоянный ток, второй полупериод закорачивается в цепи искробезопасного напряжения через диод VD1. Сопротивление обмотки реле однополупериодному току мало, и реле работает устойчиво.

схема и график экономичного включения реле

Рисунок 7.4 -- Схема и график экономичного включения реле

схема искробезопасного включения реле

Рисунок 7.5 -- Схема искробезопасного включения реле

При нажатии кнопки SB2 сопротивление обмотки реле для переменного тока возрастает, реле отключается и схема возвращается в исходное положение. Следует отметить, что, когда работает реле К, диод VD1 переводит его в режим замедления -- реле времени (за счет ЭДС самоиндукции, которая действует от однополупериодного тока в обмотке), что предотвращает вибрацию якоря реле.

На рисунке 7.6 показана схема замедления срабатывания реле с помощью шунтирования его обмотки конденсатором. В этом случае при замыкании ключа заряд конденсатора происходит за определенный промежуток времени.

схема замедления срабатывания реле

Рисунок 7.6 -- Схема замедления срабатывания реле

В схеме на рисунке 7.7 время отпускания реле увеличивается за счет того, что при размыкании ключа в цепи, состоящей из параллельного соединения обмотки реле, конденсатора и резистора, некоторое время сохраняется ток разряда конденсатора.

схема увеличения времени отпускания реле

Рисунок 7.7 -- Схема увеличения времени отпускания реле

Чтобы переходный процесс в этой цепи имел апериодический характер, применяют достаточно большую емкость конденсатора и большое значение сопротивления резистора [7].

8 лекция. Выбор элементов систем автоматики

Содержание лекции: выбор промышленных приборов и средств автоматизации.

Цель лекции: Изучить определения и понятия выбора элементов систем автоматики.

На основе анализа технологической схемы и существующих приборов и средств автоматизации, применяемых в заданном технологическом процессе, формулируются основные требования к приборам и средствам автоматизации, которые можно подразделить на следующие основные:

    А) функциональные требования, включая технические характеристики; Б) требования, выдвигаемые физическими условиями работы (искро - и взрывобезопасность, вибростойкость, влагонепроницаемость, защищенность от агрессивной среды и т. п.); В) требования по надежности и ремонтопригодности; Г) весовые и габаритные требования на всю систему автоматизации в целом и на отдельные ее элементы (приборы и средства автоматизации); Д) требования инженерной психологии, связанные с недопустимостью ошибок при эксплуатации системы автоматизации человеком, организация рабочего места оператора и т. п.

Следует иметь в виду, что условия окружающей среды в местах установки средств автоматизации определяют возможность их применения, особенность работы службы эксплуатации, а в отдельных случаях и работоспособность агрегатов, линий и производств.

Условия пожароопастности, взрывоопасности объекта и агрессивности окружающей среды, а также требования к быстродействию, дальности передачи сигналов информации и управления являются определяющими при выборе средств автоматизации по виду энергии носителя сигналов (электрической, пневматической, гидравлической и др.) в канале связи. Так, для пожаро - и взрывоопасных технологических процессов (установок) в большинстве случаев применяют пневматические средств автоматизации; при высоких требованиях к быстродействию и значительных расстояниях между источниками и приемниками сигналов информации применяют, как правило, электрические и комбинированные средств автоматизации.

Также необходимо ориентироваться на использование серийно выпускаемых средств; при этом следует учитывать, что средства автоматизации общепромышленного применения предназначены для усредненных промышленных условий эксплуатации и не все они могут удовлетворять работе отдельных предприятий.

Следует стремиться к применению однотипных приборов и ТСА, предпочтительно унифицированных комплексов, характеризующихся простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах автоматики. Использование однотипных (унифицированных) средств дает значительные эксплуатационные преимущества как с точки зрения их настройки, так и при техническом обслуживании и ремонте.

В проектируемые системы автоматизации необходимо закладывать средства автоматизации с тем классом точности, который определяется действительными требованиями объекта автоматизации. Как известно, чем выше класс средства измерения, тем более сложной является конструкция прибора, тем выше его стоимость, сложнее эксплуатация.

Количество приборов и средств автоматизации на оперативных щитах и пультах должно быть ограниченным. Излишек аппаратуры является не менее вредным, чем ее недостаток: усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание обслуживающего персонала от наблюдений за основными приборами, определяющими ход технологического процесса, удлиняет сроки монтажных работ, увеличивает стоимость автоматизируемого объекта.

Выбору промышленных приборов и средств автоматизации предшествует определение необходимого состава и составление функциональной схемы автоматизации технологического процесса (объекта), исходя из принятого принципа регулирования (управления), функциональных задач, которые должна выполнять система, и конструктивных особенностей серийных приборов.

При составлении функциональной схемы автоматизации приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники необходимо показывать в соответствии с ГОСТ 21.404-85 и отраслевыми нормативными документами.

При определении состава функциональной схемы необходимо руководствоваться следующим порядком действий:

    А) определяются возможные варианты использования сигнала датчика. Информация от датчика (чувствительного элемента) может использоваться несколькими системами контроля и регулирования. В современных системах сигнал датчика часто вводится непосредственно в управляющую вычислительную машину. Это вызывает необходимость выбирать датчики с несколькими выходными преобразователями и комплектовать их первичными приборами с высокоомным усилителем; Б) анализируется возможность использования в системе автоматизации единого сигнала связи (например, сигнала постоянного тока 4...20 мА). Если современные технические средства контроля и регулирования не дают возможности использовать единый сигнал связи по выбранному каналу управления, то необходимо ввести в состав системы автоматизации нормирующий преобразователь (например, преобразователь напряжения переменного тока 0...1 В в сигнал постоянного тока 4...20 мА); В) определяется состав информационной аппаратуры (вторичных приборов, сигнальных устройств и др.), устанавливаемой по месту измерения и регулирования, на операторском пульте, на местном щите управления ит. д.; Г) исходя из функций системы автоматизации и иерархического структурного построения системы, определяется наличие ключей, кнопок управления, источников питания, блоков или пультов управления и т. д.; Д) в зависимости от количества регулирующих органов, на которые будет воздействовать система регулирования, определяется соответствующее количество аппаратуры для реализации команд управления (магнитных пускателей, исполнительных механизмов и т. д.); Е) на основе характеристики условий работы проектируемой системы автоматизации выбирается соответствующая ветвь средств автоматизации (электрическая, пневматическая, гидравлическая). Кроме того, необходимо учитывать эксплуатационную надежность элементов системы в данной среде, возможность реализации системы с минимальными затратами, необходимое быстродействие, протяженность каналов связи от датчика и до исполнительного механизма, используемого на данном предприятии или принятого в проекте автоматизации род энергии и т. д [8].

После определения состава функциональной схемы автоматизации следует приступить к выбору отдельных элементов (комплектованию системы).

Рассмотрим подробнее выбор средств автоматизации на примере датчика.

Пример. Выбор датчика технологического параметра определяется физической природой этого параметра. При этом анализируются технические характеристики и возможности всего ряда датчиков, пригодных для измерения регулируемой (контролируемой) величины.

В процессе выбора датчика в первую очередь необходимо учитывать характеристики контролируемой и окружающей сред (температуру, влажность, давление и т. д.), в которых придется работать датчику. Также учитываются условия, в которых находится контролируемый параметр (в трубопроводах, в открытых емкостях под атмосферным давлением, в закрытых емкостях под избыточным давлением и т. д.). В зависимости от условий окружающей среды выбирают исполнение датчика (уровень искробезопасности, степень взрывобезопасности, климатическое исполнение и т. д.).

Диапазон действия датчика выбирается с учетом минимальных и максимальных длительных значений регулируемой величины. Здесь необходимо учитывать, что необоснованно завышенный диапазон действия датчика снижает точность контроля (измерения).

Погрешность датчика не должна превышать допустимой погрешности контроля (измерения) регулируемой величины, которая определяется технологией производства и погрешностью регулирования по выбранному каналу управления.

Датчик должен выбираться с учетом передачи сигнала в последующие элементы системы автоматизации. Это значит, что выходной сигнал датчика должен соответствовать сигналу связи, принятому в проектируемой системе. Число выходных сигналов датчика (количество выходных преобразователей) определяется принятым составом функциональной схемы автоматизации.

При выборе датчика необходимо установить возможность обеспечения условий для нормальной работы выбранного датчика, обеспечивающих паспортные параметры датчика в предлагаемом месте его установки. Так, например, для обеспечения нормальной работы диафрагменного расходомера объемного расхода необходимо иметь длину прямолинейного участка трубопровода 10 D до и 20 D после расходомера, где D -- диаметр трубопровода. Для нормальной работы щелевого расходомера объемного расхода необходимо обеспечить перепад высот (уровней) трубопровода и т. д.

В ряде случаев следует учитывать электромагнитную (магнитную) совместимость датчика с другими элементами системы автоматизации и технологического оборудования.

Немаловажное значение имеет стоимость датчика, зависящая от сложности его изготовления, стоимости чувствительного элемента, протяженности необходимых линий связи и масштабов производства (крупносерийные изделия предпочтительнее).

Наконец, необходимо учитывать также фактор морального устаревания технических средств за промежуток времени между созданием проекта системы автоматизации и его воплощением, что вынуждает предъявлять более жесткие требования в отношении новизны и перспективности применяемых датчиков и других технических средств автоматизации.

9 лекция. Трансформаторы

Содержание лекции: принцип действия и конструкции трансформаторов.

Цель лекции: изучить определения и понятия принципа действия и конструкций трансформаторов.

Трансформатор - это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, который преобразует параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту.

Преимущественное применение в электрических установках получили силовые трансформаторы, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы для преобразования не только напряжения переменного тока, но и его частоты, числа фаз и т. д. называют трансформаторными устройствами специального назначения.

Трансформаторы разделяются в зависимости от:

    - числа фаз преобразуемого напряжения на однофазные и многофазные; - числа обмоток, приходящихся на одну фазу трансформируемого напряжения, на двухобмоточные и многообмоточные; - способа охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) и масляные (погруженные в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом).

Рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор. Его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток, первичная, подключается к источнику переменного тока с напряжением U1 и частотой f (см. рисунок 9.1). Переменный ток, проходящий по виткам этой обмотки, создает МДС, которая наводит в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с витками обмоток трансформатора и индуцирует, соответственно, в первичной W1 и вторичной W2 обмотках ЭДС.

Е1=-w1DФ/dt, (9.1)

E2=-w2DФ/dt. (9.2)

электромагнитная схема двухобмоточного трансформатора

Рисунок 9.1 -- Электромагнитная схема двухобмоточного трансформатора

Если магнитный поток трансформатора -- синусоидальная функция времени Ф=ФMaxSinwt, изменяющаяся с угловой частотой W = 2pf, то после подстановки его в (9.1) и (9.2), дифференцирования и преобразования, получим действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток:

E1=4,44fw1 ФMах, (9.3)

E2=4,44fw2 ФMах. (9.4)

В режиме холостого хода трансформатора, когда ток во вторичной обмотке отсутствует (обмотка разомкнута), напряжение на выводах вторичной обмотки равно ЭДС вторичной обмотки E2 = U20, а ЭДС первичной обмотки столь незначительно отличается от первичного напряжения, что этой разницей можно пренебречь: E1 >> U1.

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения (ВН) к ЭДС обмотки низшего напряжения (НН) называют коэффициентом трансформации K. Для режима холостого хода трансформатора отношение указанных ЭДС практически равно отношению напряжений:

K = E1/E2=w1/w2>>U1/U20. (9.5)

Если W2<w1 и U2<U1, то трансформатор называется понижающим. Если W2 > w1, и U2>U1, то трансформатор называется повышающим. Один и тот же трансформатор в зависимости от того, к какой из обмоток подводится напряжение, может быть понижающим или повышающим.

Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением ZH, то в обмотке появится ток нагрузки I2. При этом мощность на выходе трансформатора определяется произведением вторичного напряжения U2 на ток нагрузки I2. С некоторым приближением можно принять мощности на входе и выходе трансформатора одинаковыми, т. е. U1I1 U2I2. Из этого следует, что отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений:

I1 /I2.U2 /U1 1/k. (9.6)

Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением rН, то, так как мощности на входе P1=I12R'H и выходе P2=I22RH трансформатора приблизительно равны, из уравнения:

I12R'H =I22RH , (9.7)

Определим сопротивление нагрузки, измеренное на выводах первичной обмотки:

R'H ? rH I22/I12RHK2 , (9.8)

Т. е. оно изменится в K2 раз по сравнению с сопротивлением RН.

Это свойство трансформаторов используется в межкаскадных трансформаторах для согласования входного сопротивления какого-либо каскада (блока) с выходным сопротивлением предыдущего каскада (блока).

Трансформатор является аппаратом переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе этого трансформатора окажется постоянным как по величине, так и по направлению, т. е. DФ/dt = 0. Такой поток не будет индуцировать ЭДС в обмотках трансформатора, что исключит передачу электроэнергии из первичной цепи во вторичную. Кроме того, отсутствие ЭДС в первичной обмотке трансформатора приведет к возникновению в ней тока недопустимо большой величины, следствием чего будет выход из строя этого трансформатора.

Основные части трансформаторов -- обмотки и магнитопровод. Магнитопровод состоит из стержней и ярм. На стержнях располагают обмотки, а ярма служат для соединения магнитопровода в замкнутую систему. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов применяют тонколистовую электротехническую сталь. При частоте переменного тока 50 Гц применяют листы (полосы) толщиной 0,5 или 0,35 мм. При частотах 400 Гц и более применяют листы (полосы) толщиной 0,2-0,08 мм. При частотах 1000 Гц и выше магнитопроводы изготавливают из железоникелевых сплавов типа пермаллой, характеризующихся улучшенными по сравнению с электротехническими сталями свойствами: более высокой магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой.

В зависимости от способа изготовления магнитопроводы трансформаторов бывают пластинчатые и ленточные. Магнитопроводы однофазных трансформаторов бывают трех основных видов: стержневые, броневые и тороидальные.

Пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, а-в) собирают из отдельных пластин, полученных путем штамповки или резки листовой электротехнической стали. Для уменьшения вихревых токов пластины изолируют друг от друга слоем изоляционного лака или оксидной пленкой. Стержневые пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, а) собирают из пластин (полос) прямоугольной формы. Пластины магнитопровода скрепляют в пакет либо посредством шпилек, электрически изолированных от пластин специальными втулками и шайбами, либо посредством бандажа из стеклянной нетканой ленты или ниток. Броневые пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, б) собирают из пластин Ш-образной формы. Они имеют лишь один стержень, на котором располагают все обмотки трансформатора. Тороидальные пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, в) собирают из отдельных штампованных колец.

магнитопроводы трансформаторов

Рисунок 9.2 -- Магнитопроводы трансформаторов

Ленточные разрезные магнитопроводы стержневого (см. рисунок 9.2, г) и броневого (см. рисунок 9.2, д) типов состоят из отдельных частей подковообразной формы. После установки заранее изготовленных обмоток эти подковообразные части соединяют встык и скрепляют стяжками. Тороидальные ленточные магнитопроводы (см. рисунок 9.2, е) изготавливают путем навивки ленты. Преимущества таких магнитопроводов -- отсутствие стыков, т. е. мест с повышенным магнитным сопротивлением.

Магнитопроводы броневого типа обеспечивают трансформаторам следующие достоинства: лучшее заполнение окна магнитопровода обмоточным проводом; частичную защиту обмотки ярмами от механических повреждений. Однако при броневом магнитопроводе ухудшаются условия охлаждения обмоток [8].

Кроме обмоток и магнитопровода, трансформаторы низкого напряжения имеют кожух, клеммную колодку и крепежные элементы. Металлический кожух соединяют с магнитопроводом и заземляют -- мера, необходимая по условиям техники безопасности. Высоковольтные трансформаторы делают масляными -- магнитопровод с обмотками помещают в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом, которое увеличивает электрическую прочность изоляции обмоток и способствует лучшему охлаждению трансформатора.

10 лекция. Измерительные преобразователи

Содержание лекции: принцип действия и конструкция измерительных преобразователей.

Цель лекции: изучить принцип действия и конструкцию измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи -- элементы систем автоматики, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не всегда поддающейся восприятию наблюдателем.

Измерительный преобразователь с высокой точностью реализует однозначную функциональную зависимость между двумя физическими величинами Y = f (x), Где X = f (t) и Y = f (t) -- сигналы на входе и выходе измерительного преобразователя.

Измерительные преобразователи подразделяют на первичные, нормирующие преобразователи, и вторичные приборы.

Первичные измерительные преобразователи часто называют также датчиками либо чувствительными элементами.

В зависимости от рода измеряемой величины на входе преобразователя различают преобразователи электрических и неэлектрических величин. К первым относятся усилители напряжения, делители напряжения, электроизмерительные шунты и т. д. К преобразователям неэлектрических величин -- терморезисторы, тензопреобразователи, тахогенераторы и др.

К первичным преобразователям также относят отборные и приемные устройства. Под отборными и приемными устройствами понимают устройства, встраиваемые в технологические аппараты, и трубопроводы для отбора контролируемой среды и измерения ее параметров.

Основное назначение нормирующего преобразователя -- преобразование выходного сигнала первичного измерительного преобразователя с естественным выходом сигнала в унифицированный электрический или пневматический сигналы для связи с устройствами регулирования, индикации, регистрации и с системами централизованного сбора данных. Примером нормирующего преобразователя может служить преобразователь сигнала постоянного тока в цифровой сигнал интерфейса RS-485.

Вторичным преобразователем (измерительным прибором) называют средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы могут быть показывающими, регистрирующими, интегрирующими и т. д. Кроме того, в них могут быть встроены регулирующие, преобразующие и сигнализирующие устройства.

К основным характеристикам первичных измерительных преобразователей относятся: входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком; выходная величина, используемая для передачи информации; статическая характеристика датчика; динамическая характеристика датчика; порог чувствительности; основная и дополнительные погрешности.

Входные величины датчиков подразделяют на два класса:

    А) величины, характеризующие протекание процессов (ток, напряжение, расход, давление и др.); Б) величины, характеризующие свойства и состав веществ (концентрация, PH-уровень, влажность и др.).

Выходная величина, используемая для передачи информации, обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (частота, фаза и др.), по кодовому признаку, а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).

Статическая характеристика -- зависимость выходной величины от входной в статическом режиме (равновесном состоянии), когда каждому значению входной величины соответствует определенное значение выходной.

Наиболее приемлемой статической характеристикой для большинства датчиков является линейная характеристика. Для линеаризации характеристик датчиков, которые могут быть представлены аналитическими (гладкими) нелинейностями, используются усилители-линеаризаторы. Наряду с линейными, широкое распространение нашли датчики с различными видами нелинейных характеристик (релейных, с зоной нечувствительности, с ограничением по амплитуде и др.).

Динамическая характеристика описывает во времени поведение датчика при изменениях входной величины в переходных режимах и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков могут быть определены передаточными функциями, переходными, импульсно-переходными (весовыми), амплитудно-частотными, амплитудно-фазовыми и др.

Порог чувствительности датчика - это минимальное изменение входной величины, вызывающее заметно различимое изменение выходного сигнала.

Основная погрешность датчика -- максимальная разность между получаемой в нормальных эксплуатационных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах.

Для наиболее распространенных типов датчиков статические характеристики стандартизируются с указанием допустимых отклонений статических характеристик от номинальных значений. Так, номинальные статические характеристики (НСХ) для стандартных типов термоэлектрических преобразователей - термопар - установлены ГОСТ 3044-84, согласованным со стандартом Международной электротехнической комиссии МЭК 584-1.1977 [9].

Дополнительные погрешности датчика - погрешности, вызываемые изменениями внешних условий по сравнению с нормальными эксплуатационными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, 1,5 % на 10 0С).

11 лекция. Исполнительные механизмы и устройства систем автоматики

Содержание лекции: принцип действия и конструкция исполнительных механизмов и устройств систем автоматики.

Цель лекции: изучить исполнительных механизмов и устройств систем автоматики.

Исполнительные механизмы и Устройства (ИМ, ИУ) промышленных систем автоматики входят в четвертую функциональную группу изделий ГСП в соответствии с ГОСТ 12997-84 -- группу устройств использования командной информации в целях воздействия на процесс и для связи с оператором (сюда же входят рас-сматриваемые в следующей лекции устройства сбора, регистрации, передачи и отображения информации). Термины "исполнительное устройство" и "исполнительный механизм" иногда употребляются как синонимы. В дальнейшем будем преимущественно использовать термин "исполнительное устройство", понимая под этим силовое устройство, назначение которого состоит в изменении регулирую-щего воздействия на объект управления в соответствии с сигналом (командной информацией), подаваемым на его вход от командного устройства (регулятора, ручного дистанционного задатчика, УВМ).

К основным блокам ИУ относятся исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (РО), которые кон-структивно могут быть объединены в едином изделии или собираются из индивидуально выпускаемых блоков. В некоторых случаях ИУ может состоять из одного блока, выполняющего функции исполнительного механизма. Под Исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок ИУ, преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регулирования. Регулирующим органом называют блок ИУ, с помощью которого производится регулирующее воздействие на объект регулирования. Классификация исполнительных механизмов приведена на рисунке 11.1.

классификация исполнительных механизмов

Рисунок 11.1 - Классификация исполнительных механизмов

Одной из основных характеристик ИУ является Величина перестановочного усилия (момента), передаваемого выходным органом исполнительного механизма на регулирующий орган. Эта величина обычно указывается в паспорте и является основной при энергетическом расчете и выборе ИУ.

По виду энергии, создающей перестановочное усилие, ИМ подразделяются на Пневматические, гидравлические и Электрические. Существуют ИМ, в которых используются одновременно два вида энергии: Электропневматические, электрогидравлические и Пневмогидравлические. Наиболее распространенными из них являются Электрогидравлические ИМ. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, соз-дающей перестановочное усилие.

В Пневматических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон. В соответствии с этим пневматические подразделяются на мембранные, поршневые и сильфонные. Давление сжатого воздуха в пневматических ИУ обычно не превышает 103 кПа.

В Гидравлических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть. В соответствии с этим различают мембранные, поршневые и лопастные гидравлические ИМ. Давление жидкости в них обычно находится в пределах (2,5-20) 103 кПа. Отдельный подкласс гидравлических ИУ составляют ИУ с гидромуфтами. Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных ИМ перестановочное усилие в одном направлении создается давлением в рабочей поло-сти ИМ, а в обратном направлении -- силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ИМ перестановочное усилие в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.

Электрические ИМ по принципу действия подразделяются на электродвигательные и электромагнитные; по характеру движения выходного элемента -- на прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° (однооборотные) и с вращательным движением на угол более 360° (многооборотные).

Как было отмечено ранее, вторым основным блоком исполнительного устройства является регулирующий орган (РО). Различные РО по виду воздействия на объект подразделяются на два основных типа: Дросселирующие и Дозирующие. Ниже приводится классификация исполнительных органов (см. таблица 11.1).

Дросселирующие регулирующие органы изменяют гидравлическое сопротивление в системе, воздействующее на расход вещества путем изменения своего проходного сечения. В дозирующих регули-рующих органах осуществляется заданное дозирование поступающего вещества или энергии или изменение расхода вещества путем изменения производительности агрегатов. В настоящее время широкое распространение в АСУ ТП получили дросселирующие РО, хотя применение дозирующих РО экономически более оправдано.

К Вспомогательным блокам исполнительных устройств относят блоки, расширяющие область применения ИУ и обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций. К вспомогательным блокам относятся блок ручного управления для механического (ручного) управления регулирующим органом, блок сигнализации конечных положений для выдачи информации о положении выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа, фиксаторы положения для фикса-ции положения выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа, блок дистанционного управления, блок обратной связи для улучшения статических и динамических характеристик ИУ или всей замкнутой системы регулирования.

Таблица 11.1 -- Классификация исполнительных органов

I. Дросселирующие

II. Дозирующие

Для стандартных исполнительных устройств:

Заслоночные

Односедельные

Трехходовые

Двухседельные

Диафрагмовые шланговые

Механические:

Плужковые сбрасыватели

Дозаторы

Насосы

Питатели

Компрессоры

Для специальных исполнительных устройств: 2. Электрические:

Задвижные

Крановые

Клапаны с поворотными створками

Шиберные

Направляющие аппараты

Специальные

Электрические:

Реостатные

Автотрансформаторы

Специальные

12 лекция. Электрические машины постоянного тока

Содержание лекции: принцип действия и конструкция электрических машин постоянного тока.

Цель лекции: изучить принцип действия и конструкцию электрических машин постоянного тока.

Двигатели постоянного тока в зависимости от способа возбуждения в них подразделяются на три типа:

    А) двигатели с независимым возбуждением (параллельным возбуждением); Б) двигатели с последовательным возбуждением; В) двигатели со смешанным возбуждением.

Машина постоянного тока (см. рисунок 12.1) состоит из статора, который обычно является индуктором, и ротора (якоря).

электрическая машина постоянного тока

Рисунок 12.1 -- Электрическая машина постоянного тока

Статор содержит:

    - стальной корпус; - полюсные наконечники вместе с полюсными сердечниками; - обмотку возбуждения; - траверсу со щеткодержателями для крепления щеток; - подшипниковые щиты с подшипниками.

Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения на электрических схемах приведено на рисунке 12.2, 12.3

При вращении якоря его обмотка пересекает ФОст и в ней индуцируется небольшая по величине остаточная ЭДС ЕОст. Под действием этой ЭДС по обмотке возбуждения потечет ток возбуждения, который создаст небольшой магнитный поток. Если обмотка возбуждения включена правильно, то этот магнитный поток совпадет с остаточным магнитным потоком.

условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

Рисунок 12.2 -- Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

В результате общий магнитный поток возрастает, увеличится и ЭДС, наводимая этим потоком в обмотке якоря. Поскольку возросла ЭДС якоря, возрастает и ток возбуждения, что в свою очередь ведет к новому увеличению магнитного потока и ЭДС якоря. Процесс продолжается до тех пор, пока ЭДС якоря не станет равной падению напряжения в цепи возбуждения [11, 12].

условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

Рисунок 12.3 -- Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

Запишем уравнение согласно второму закону Кирхгофа для контура, включающего в себя цепь якоря и цепь возбуждения:

ЕЯ=IВ RОв+IВRЯ+IВRВ=IВRЦв.

Здесь:

RОв-- сопротивление обмотки возбуждения;

RЯ -- сопротивление обмотки якоря;

RВ -- сопротивление реостата;

RЦв= RОв + RЯ+ IЯ RЯ -- сопротивление цепи возбуждения.

Если ЕЯ> IВRЦв, то процесс самовозбуждения проходит.

Если ЕЯ= IВRЦв, то процесс самовозбуждения останавливается.

Если ЕЯ< IВRЦв, то процесса самовозбуждения нет и машина не возбуждается.

Таким образом, для обеспечения процесса самовозбуждения генератора постоянного тока необходимо три условия:

    А) наличие остаточного магнитного потока в магнитной системе машины; Б) правильное включение обмотки возбуждения; В) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.

Аналогично процесс возбуждения происходит у генераторов с последовательным возбуждением, но для этого к ним необходимо подключить нагрузку.

Список литературы

    1. Васюра А. С. Элементы и устройства систем управления и автоматики. - Винница.: ВДТУ, 1999. - 157 с. 2. Васюра А. С. Электромагнитные элементы аналоговых устройств. - В.: ВДТУ, 2000. - 146 с. 3. Васюра А. С. Электромагнитные элементы цифровой техники. - В.: ВДТУ, 2000. - 161 с. 4. Васюра А. С. Электромагнитные механизмы и исполнительные устройства автоматики. - В.: ВДТУ,2001, - 132 с. 5. Васюра А. С., Кривогубченко С. Г. и др. Элементы локальных систем автоматики. - В.: ВДТУ,1998. - 103 с. 6. Подлипенский В. С. и др. Элементы и устройства автоматики. - С.-П., Политехника, 1995. - 431 с. 7. Корнийчук А. И., Подчашинский Ю. О. Компьютеризованное проектирование элементов СУ. - Житомир,2001. - 455 с. 8. Алексеев О. В., Китаев В. Е., Шихин А. Я. Электротехнические устройства. - М.: Энергоатомиздат., 1981. - 243 с. 9. Келим Ю. М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. - М.: В. шк. 1991. - 304 с. 10. Миловзоров В. П. Элементы информационных систем. - М.: В. шк., 1989. - 440 с. 11. Сабинин Н. И. Электромашинные устройства автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 311 с. 12. Кацман М. М. Электрические машины и электропривод автоматизации устройств. - М.: В. шк., 1987. - 335 с.

Сводный план 2013 г., поз. 255

Похожие статьи




Элементы и устройства автоматики

Предыдущая | Следующая