Автоматизация технологических процессов и производств. Технологии автоматизация производства. Технические средства автоматизации конспект лекций Общие сведения об автоматизации технологических

Менеджмент, консалтинг и предпринимательство

Лекция 2. Общие сведения о технических средствах автоматизации. Необходимость изучения общих вопросов касающихся технических средств автоматизации и государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации ГСП диктуется тем что технические средств

Лекция 2.

Общие сведения о технических средствах автоматизации.

Необходимость изучения общих вопросов, касающихся технических средств автоматизации и государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), диктуется тем, что технические средства автоматизации являются неотъемлемой частью ГСП. Технические средства автоматизации представляют собой основу при реализации информационно-управляющих систем в промышленной и непромышленной сферах производства. Принципы организации ГСП в значительной мере определяют содержание этапа проектирования технического обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). В свою очередь, основу ГСП составляют проблемно-ориентированные агрегатные комплексы технических средств.

Типовые средства автоматизации могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными .

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:

• датчики;
• исполнительные механизмы;
• регулирующие органы (РО);
• линии связи;
• вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
• устройства аналогового и цифрового регулирования;
• программно-задающие блоки;
• устройства логико-командного управления;
• модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объекта управления (ТОУ);
• модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
• преобразователи сигналов из одной формы в другую;
• модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;
• буферные запоминающие устройства;
• программируемые таймеры;
• специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:

• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• управляющие средства;
• блоки многоконтурного аналогового и аналого-цифрового регулирования;
• устройства многосвязного программного логического управления;
• программируемые микроконтроллеры;
• локально-вычислительные сети.

К общесистемным средствам автоматизации относят:

• устройства сопряжения и адаптеры связи;
• блоки общей памяти;
• магистрали (шины);
• устройства общесистемной диагностики;
• процессоры прямого доступа для накопления информации;
• пульты оператора.

Технические средства автоматизации в системах управления

Любая система управления должна выполнять следующие функции :

• сбор информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ);
• определение критериев качества работы ТОУ;
• нахождение оптимального режима функционирования ТОУ и оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев качества;
• реализация найденного оптимального режима на ТОУ.

Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА. Различают четыре типа систем управления (СУ):

1) информационные;

2) автоматического управления;

3) централизованного контроля и регулирования;

4) автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Информационные (неавтоматизированные ) системы управления (рис. 1.1) применяются редко, только для надежно функционирующих, простых технологических объектов управления ТОУ.

Рис. 1.1. Структура информационной системы управления:

Д - датчик (первичный измерительный преобразователь);

ВП - вторичный показывающий прибор;

ОПУ- операторский пункт управления (щиты, пульты, мнемосхемы, устройства сигнализации);

УДУ – устройства дистанционного управления (кнопки, ключи, байпасные панели управления и др.);

ИМ – исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

С - устройства сигнализации;

МС – мнемосхемы.

В некоторых случаях в состав информационной СУ входят регуляторы прямого действия и встроенные в технологическое оборудование регуляторы.

В системах автоматического управления (рис. 1.2) все функции выполняются автоматически при помощи соответствующих технических средств.

Функции оператора включают в себя:

• техническую диагностику состояния САУ и восстановление отказавших элементов системы;
• коррекцию законов регулирования;
• изменение задания;
• переход на ручное управление;
• техническое обслуживание оборудования.

Рис. 1.2. Структура системы автоматического управления (САУ):

КП - кодирующий преобразователь;

ЛС - линии связи (провода, импульсные трубки);

ВУ - вычислительные устройства

Системы централизованного контроля и регулирования (СЦКР) (рис. 1.3). САУ применяются для простых ТОУ, режимы функционирования которых характеризуются небольшим числом координат, а качество работы одним легко вычисляемым критерием. Частным случаем САУ является автоматическая система регулирования (АСР).

Система управления, автоматически поддерживающая экстремальное значение ТОУ, относится к классу систем экстремального регулирования.

Рис. 1.3. Структура системы централизованного контроля и регулирования:

ОПУ - операторский пункт управления;

Д - датчик;

НП – нормирующий преобразователь;

КП - кодирующие и декодирующие преобразователи;

ЦР - центральные регуляторы;

МР – многоканальное средство регистрации (печать);

С - устройство сигнализации предаварийного режима;

МПП - многоканальные показывающие приборы (дисплеи);

МС - мнемосхема;

ИМ - исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

К – контроллер

АСР, поддерживающие заданное значение выходной регулируемой координаты ТОУ, подразделяются на:

• стабилизирующие;
• программные;
• следящие;
• адаптивные.

Экстремальные регуляторы применяются крайне редко.

Технические структуры СЦКР могут быть двух типов:

1) с индивидуальными ТСА;

2) с коллективными ТСА.

В системе первого типа каждый канал конструируют из ТСА индивидуального пользования. К ним относятся датчики, нормирующие преобразователи, регуляторы, вторичные приборы, исполнительные механизмы, регулирующие органы.

Выход из строя одного канала регулирования не приводит к остановке технологического объекта.

Такое построение увеличивает стоимость системы, но повышает ее надежность.

Система второго типа состоит из ТСА индивидуального и коллективного пользования. К ТСА коллективного пользования относят: коммутатор, КП (кодирующие и декодирующие преобразователи), ЦР (центральные регуляторы), МР (многоканальное средство регистрации (печать)), МПП (многоканальные показывающие приборы (дисплеи)).

Стоимость коллективной системы несколько ниже, но надежность в сильной степени зависит от надежности коллективных ТСА.

При значительной длине линии связи применяют индивидуальные кодирующие и декодирующие преобразователи, размещенные около датчиков и исполнительных механизмов. Это повышает стоимость системы, но улучшает помехозащищенность линии связи.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) (рис. 1.4) - это машинная система, в которой ТСА осуществляют получение информации о состоянии объектов, вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки управления. Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и реализации с помощью локальных АСР или дистанционного управления РО.

Различают следующие типы АСУТП:

• централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и управления выполняет одна управляющая вычислительная машина УВМ) (рис.1.4);

Рис. 1.4. Структура централизованной АСУ ТП:

УСО - устройство связи с объектом;

ДУ - дистанционное управление;

СОИ - средство отображения информации

• супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на базе ТСА индивидуального пользования и центральной УВМ (ЦУВМ), имеющей информационную линию связи с локальными системами) (рис. 1.5);

Рис. 1.5. Структура супервизорной АСУТП: ЛР - локальные регуляторы

• распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций контроля обработки информации и управления между несколькими территориально распределенными объектами и вычислительными машинами (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Иерархическая структура технических средств ГСП

PAGE 7

Средства автоматизации производства включают в себя технические средства автоматизации (ТСА) - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса. Системы обеспечения безопасности на современном предприятии включают в свой состав технические средства автоматизации. Наиболее часто ТСА – это базовый элемент системы комплексной безопасности.

Технические средства автоматизации включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства.

Системы обеспечения безопасности осуществляют контроль над производственным процессом с помощью разнообразных датчиков. В них входят датчики давления, фотодатчики, индуктивные датчики, датчики емкостные, лазерные и т.д.

Датчики служат для автоматического извлечения информации, и первичного ее преобразования. Датчики различаются по принципам действия и по чувствительности к параметрам, которые они контролируют. Технические средства безопасности включают в себя самый широкий спектр сенсоров. Именно комплексное использование датчиков позволяет создавать системы комплексной безопасности, которые контролируют множество факторов.

Технические средства информации включают в себя и передающие устройства, которые обеспечивают связь датчиков с контрольным оборудованием. При получении сигнала от датчиков контрольное оборудование приостанавливает процесс производства и ликвидирует причину аварии. В случае невозможности устранения аварийной ситуации технические средства безопасности дают сигнал о неисправности оператору.

Наиболее распространенными датчиками, которые включают в состав любой системы комплексной безопасности, являются датчики емкостные.

Они позволяют бесконтактно определить присутствие объектов на расстоянии до 25 мм. Датчики емкостные действуют по следующему принципу. Датчики снабжены двумя электродами, между которыми фиксируется проводимость. Если в зоне контроля присутствует какой-либо объект, это вызывает изменение амплитуды колебаний генератора, входящего в состав сенсора. При этом датчики емкостные срабатывают, что предотвращает попадание в оборудование нежелательных предметов.

Датчики емкостные отличаются простотой устройства и высокой надежностью, что позволяет использовать их в самых разных сферах производства. Единственным недостатком является малая зона контроля таких датчиков.

Посетители также читают:

Промышленная безопасность
На большинстве современных автоматизированных предприятий промышленная безопасность обеспечивается за счет внедрения комплексных систем безопасности и контроля производства

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Конспект лекций

Омск 2006
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

Г
Р е ц е н з е н т ы:
Н.С. Галдин, д.т.н., профессор кафедры «ПТТМ и Г» СибАДИ,

В.В. Захаров, начальник отдела автоматизации ЗАО «НОМБУС».
Гудинов В.Н., Корнейчук А.П.

Г Технические средства автоматизации: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 52 с.
В конспекте лекций даны основные сведения о современных технических и программно-технических средствах автоматизации (ТСА) и программно-технических комплексах (ПТК), о принципах их построения, классификации, составе, назначении, характеристиках и особенностях применения в различных автоматизированных системах управления и регулирования технологическими процессами (АСУ ТП).

Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

© В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Целью курса «Технические средства автоматизации» (ТСА) является изучение элементной базы систем автоматического управления технологическими процессами. Вначале приведем основные понятия и определения.

Элемент (устройство) – конструктивно законченное техническое изделие, предназначенное для выполнения определённых функций в системах автоматизации (измерение, передача сигнала, хранение информации, ее обработка, выработка команд управления и т.п.).

Система автоматического управления (САУ) – совокупность технических устройств и программно-технических средств, взаимодействующих между собой с целью реализации некоторого закона (алгоритма) управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – система, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляющая собой человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку информации, необходимую для управления этим технологическим объектом в соответствии с принятыми критериями (техническими, технологическими, экономическими).

Технологический объект управления (ТОУ) - совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая инте­грация и унификация технических решений. Основное требова­ние современных САУ – это открытость системы, когда для нее определены и описаны используе­мые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет под­ключить к ней «внешние» независимо разработанные устройства и приборы. За последние годы рынок ТСА су­щественно изменился, создано много отечественных предприятий, выпус­кающих средства и системы автоматизации, появились фирмы – системные инте­граторы. С начала 90-х годов ведущие зарубежные производители ТСА, начали широкое внедрение своей продукции в страны СНГ через торговые представительства, филиалы, со­вместные предприятия и фирмы-дилеры.

Интенсивное развитие и быстрая динамика рынка современной техники управления требуют появления литературы, отражающей со­временное состояние ТСА. В настоя­щее время свежая информация о средствах автоматизации оте­чественных и зарубежных фирм имеет разрозненный характер и в основном представлена в периодической печати либо в глобальной сети Internet на сайтах фирм-производителей или на специализиро­ванных информационных порталах, таких как www.asutp.ru, www.mka.ru, www.industrialauto.ru. Целью настоящего конспекта лекций является систематизированное представление материала о элементах и про­мышленных комплексах ТСА. Конспект предназначен для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», изучающих дисциплину «Технические средства автоматизации».

1.1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ

В соответствии с ГОСТ 12997-84 весь комплекс ТСА по их функциональному назначению в САУ делят на следующие семь групп (рис.1).

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ:

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки информации;

УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные преобразователи

1.2. Тенденции развития ТСА
1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств).

2. Усложнение элементной базы – означает переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции (рис.2).

Рис. 2. Этапы развития электрических ТСА
3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

1.3. Методы изображения ТСА
В процессе изучения данного курса могут применяться разнообразные методы изображения и представления ТСА и их составных частей. Наиболее часто используются следующие:

1. Конструктивный метод (рис. 7-13) предполагает изображение приборов и устройств методами машиностроительного черчения в виде технических рисунков, компоновок, общих видов, проекций (в том числе и аксонометрических), сечений, разрезов и т.п. .

2. Схемный метод (рис. 14,16-21,23) предполагает в соответствии с ГОСТами ЕСКД представление ТСА схемами различных видов (электрических, пневматических, гидравлических, кинематических) и типов (структурных, функциональных, принципиальных, монтажных и др.) .

3. Математическая модель применяется чаще для программно-реализуемых ТСА и может быть представлена:

– передаточными функциями типовых динамических звеньев;

– дифференциальными уравнениями протекающих процессов;

– логическими функциями управления выходов и переходов;

– графами состояния, циклограммами, временными диаграммами (рис. 14, 28);

– блок-схемами алгоритмов функционирования (рис. 40) и т.п.
1.4. Основные принципы построения ТСА
Для построения современных АСУ ТП требуются разнообразные устройства и элементы. Удовлетворение потребностей столь различных по качеству и сложности СУ в средствах автоматизации при их индивидуальной разработке и изготовлении сделало бы проблему автоматизации необозримой, а номенклатуру приборов и устройств автоматики практически беспредельной.

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. А с 70-х годов ГСП охватывает и непромышленные сферы деятельности человека, такие как: научные исследования, испытания, медицина и др.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств. Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ

И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

ГСП представляет собой сложную развивающуюся систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Рассмотрим функционально-иерархическую и конструктивно-технологическую структуры технических средств ГСП.
2.1. Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП
Отличительными особенностями современных структур построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями являются: проникновение вычислительных средств и внедрение сетевых технологий на все уровни управления.

В мировой практике специалисты по комплексной автоматизации производства также выделяют пять уровней управления современным предприятием (рис. 4), что полностью совпадает с выше приведенной иерархической структурой ГСП.

На уровне Е RP – Enterprise Resource Planning (планирования ресурсов предприятия) осуществляют­ся расчет и анализ финансово-эко­номических показателей, решают­ся стратегические административные и логисти­ческие задачи.

На уровне MES – Manufacturing Execution Systems (системы исполнения производством) – задачи управления качеством про­дукции, планирования и контро­ля последовательности операций технологического процесса, уп­равления производственными и людскими ресурсами в рамках тех­нологического процесса, техничес­кого обслуживания производ­ственного оборудования.

Эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированным системам управления предприятием) и технические средства, с помощью которых эти задачи реализуются – это офисные персональные компьютеры (ПК) и рабочие станции на их основе в службах главных специалистов предприятия.


Рис. 4. Пирамида управления современным производством.
На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами).

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (система сбора данных и супервизорного (диспетчерского) управления) – это уровень тактического оперативного управления, на котором решаются задачи оптимизации, диагностики, адаптации и т.п.

Control - level – уровень непосредственного (локального) управления, который реализуется на таких ТСА как: ПО – панели (пульты) операторов, ПЛК – программируемые логические контроллеры, УСО – устройства связи с объектом.

HMI – Human-Machine Interface (человеко-машинная связь) – осуществляет визуализацию (отображение информации) хода технологического процесса.

Input / Output – Входы/Выходы объекта управления представляют собой

датчики и исполнительные механизмы (Д/ИМ) конкретных технологических установок и рабочих машин.

2.2. Конструктивно-технологическая структура ГСП


Рис. 5. Структура ГСП
УКТС (унифицированный комплекс технических средств) – это совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатныйкомплекс технических средств) – это совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу. Примеры известных отечественных УКТС и АКТС приведены в табл. 1.

ПТК (программно-технический комплекс) – этосовокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Примеры современных отечественных и зарубежных ПТК приведены в табл. 2.

Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и устройств.

Тип изделия – это совокупность технических изделий, одинаковых по функциональному назначению, единого принципа действия, имеющие одинаковую номенклатуру главного параметра.

Типоразмер – изделия одного и того же типа, но имеющие свои конкретные значения главного параметра.

Модификация – это совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструктивные особенности.

Исполнение – конструктивные особенности, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Комплексы ТСА Таблица 1

Тема 2

1. Датчики

Датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам (см. таблицу 1).

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

Электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

Электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

Они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрически. Отдельную группу составляют радиоактивные датчики. Радиоактивные датчики - это такие датчики, в которых используются такие явления, как изменение параметров под действием g и b - лучей; ионизации и люминисцентности некоторых веществ под действием радиоактивного облучения. Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

Аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

Цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

Бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (0 или 1).

Рисунок 1 – Классификация датчиков систем автоматизации горных машин

Требования, предъявляемые к датчикам:

Однозначная зависимость выходной величины от входной;

Стабильность характеристик во времени;

Высокая чувствительность;

Малые размеры и масса;

Отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

Работа при различных условиях эксплуатации;

Различные варианты монтажа.

Параметрические датчики

Параметрическими называют датчики, преобразующие входные сигналы в изменение какого-либо параметра электрической цепи (R, L или C). В соответствии с этим различают датчики активного сопротивления, индуктивные, емкостные.

Характерной особенностью этих датчиков является то, что они используются только при наличии внешнего источника питания.

В современной аппаратуре автоматизации широко используют различные параметрические датчики активного сопротивления - контактные, реостатные, потенциометрические датчики.

Контактные датчики . Наиболее надежными с контактных датчиков считаются магнитоуправляемые герметичные контакты (герконы).

Рисунок 1 – Принципиальная электрическсая схема герконового датчика

Воспринимающий элемент датчика – геркон представляет собой ампулу 1, внутри которой запаяны контактные пружины (электроды) 2, изготовленные из ферромагнитного материала. Стеклянная ампула заполнена защитным газом (аргон, азот и др.). Герметичность ампулы исключает вредное влияние (воздействие) среды на контакты, повышая надежность их работы. Контакты геркона, расположенного в контролируемой точке пространства, замыкаются под действием магнитного поля, которое создается постоянным магнитом (электромагнитом), установленным на подвижном объекте. При разомкнутом состоянии контактов геркона его активное сопротивление равно бесконечности, а при замкнутом - почти нулю.

Выходной сигнал датчика (U вых на нагрузке R1) равен напряжению U п источника питания при наличии магнита (объекта) в точке контроля и нулю при его отсутствии.

Герконы выпускаются как с замыкающими контактами, так и с размыкающими контактами, а так же переключающимися и поляризованными контактами. Некоторые типы герконов - КЭМ, МКС, МКА.

Достоинствагерконовых датчиков - высокая надежность и наработка на отказ (порядка 10 7 срабатываний). Недостаток герконовых датчиков – существенное изменение чувствительности при незначительном смещении магнита в направлении перпендикулярном движению объекта.

Герконовые датчики используются, как правило, при автоматизации подъемных, водоотливных, вентиляционных и конвейерных установок.

Потенциометрические датчики . Потенциометрические датчики представляют собой переменный резистор (потенциометр), состоящий из плоского (полоски), цилиндрического или кольцевого каркаса на который намотана тонкая проволока из константана или нихрома с высоким удельным сопротивлением. По каркасу передвигается ползунок - скользящий контакт, связанный механически с объектом (см. рисунок 2).

Передвигая ползунок с помощью соответствующего привода, можно изменять сопротивление резистора от нулевого значения до максимального. Причем сопротивление датчика может изменяться как по линейному закону, так и по другим, чаще логарифмическим, законам. Применяют такие датчики в тех случаях, когда нужно менять напряжение или ток в цепи нагрузки.

Рисунок 2 - Потенциометрический датчик

Для линейного потенциометра (см. рисунок 2) длиной l выходное напряжение определяется выражением:

,

где x - перемещение щетки; k=U п / l - передаточный коэффициент; U п – напряжение питания.

Потенциометрические датчики используются для измерения различных технологических параметров – давления, уровня и т. д., преобразованных предварительно воспринимающим элементом в перемещении.

Достоинства потенциометрических датчиков – конструктивная простота, небольшие размеры, а также в возможности питания как постоянным, так и переменным током.

Недостаток потенциометрических датчиков – наличие скользящего электрического контакта, снижающего надежность работы.

Индуктивные датчики . Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности L катушки 1, размещенной на ферромагнитном сердечнике 2, при перемещении x якоря 3 (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Индуктивный датчик

Питание схемы датчиков осуществляется от источника переменного тока.

Управляющим элементом датчиков является переменное реактивное сопротивление – дроссель с переменным воздушным зазором.

Датчик работает следующим образом. Под воздействием объекта якорь, приближаясь к сердечнику, вызывает увеличение потокосцепления и, следовательно, индуктивности катушки. С уменьшением зазора d до минимального значения индуктивное сопротивление катушки х L = wL = 2pfL возрастает до максимального, уменьшая ток нагрузки RL, в качестве которой обычно применяется электромагнитное реле. Последние своими контактами коммутируют цепи управления, защиты, контроля и т.д.

Достоинства индуктивных датчиков – простота устройства и надежность работы благодаря отсутствию механической связи между сердечником и якорем, закрепленным обычно на подвижном объекте, положение которого контролируется. Функции якоря может выполнять сам объект, имеющий ферромагнитные детали, например скип при контроле его положения в стволе.

Недостатки индуктивных датчиков – нелинейность характиристики и значительное электромагнитное притяженое усилие притяжения якоря к сердечнику. Для уменьшения усилий и непрерывного измерения перемещений применяют датчики солиноидного типа или их называют дифференциальными.

Емкостные датчики. Емкостные датчики конструктивно представляют собой конденсаторы переменной емкости различных конструкций и форм, но обязательно с двумя пластинами, между которыми находится диэлектрическая среда. Служат такие датчики для преобразования механических линейных или угловых перемещений, а также давления, влажности или уровня среды в изменение емкости. При этом для контроля малых линейных перемещений используют конденсаторы, в которых меняется воздушный зазор между пластинами. Для контроля угловых перемещений используют конденсаторы с постоянным зазором и переменной рабочей площадью пластин. Для контроля уровней заполнения резервуаров сыпучими материалами или жидкостями при постоянных зазорах и рабочих площадях пластин - конденсаторы с диэлектрической проницаемостью среды контролируется. Электроемкость такого конденсатора вычисляется по формуле

где: S - Общая площадь пересечения пластин; δ - расстояние между пластинами; ε - диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; ε 0 -диэлектрическая постоянная.

По форме пластин различают плоские, цилиндрические и другие типы конденсаторов переменной емкости.

Емкостные датчики работают только при частотах, превышающих 1000Гц. Использования при промышленной частоте практически невозможно из-за большого емкостного сопротивления (Хс = = ).

Генераторные датчики

Генераторные датчики – это такие датчики, которые осуществляют непосредственное преобразование различных видов энергии в электрическую. Они не требуют внешних источников питания, потому что сами производят э.д.с.. В генераторных датчиках используются известные физические явления: возникновение ЭДС в термопарах при нагреве, в фотоэлементах с запирающем слоем при освещении, пьезоэлектрический эффект и явление электромагнитной индукции.

Индукционные датчики . В индукционных датчиках преобразование входной неэлектрической величины в индуцированную э.д.с. используется для измерения скорости движения, линейных или угловых перемещений. Э.д.с. в таких датчиках индуцируется в катушках или обмотках, изготовленных из медного изолированного провода и размещённых на магнитопроводах, изготовленных из электротехнической стали.

Малогабаритные микрогенераторы, которые превращают угловую скорость объекта в э.д.с, величина которой прямо пропорциональна скорости вращения выходного вала объекта контроля, получили название тахогенераторов постоянного и переменного токов. Схемы тахогенераторов с независимой обмоткой возбуждения и без нее приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схемы тахогенераторов с независимой обмоткой возбуждения и без нее

Тахогенераторы постоянного тока представляют собой коллекторную электрическую машину с якорем и обмоткой возбуждения или постоянным магнитом. Последние не требуют дополнительного источника питания. Принцип действия таких тахогенераторов заключается в том, что в якоре, который вращается в магнитном потоке (Ф) постоянного магнита или обмотки возбуждения, индуцируется э.д.с. (Е), величина которой пропорциональна частоте вращение (ω) объекта:

Е = cФn = сФω

Для сохранения линейной зависимости э.д.с. от частоты вращения якоря необходимо, чтобы сопротивление нагрузки тахогенератора всегда оставался неизменным и во много раз превышал сопротивление обмотки якоря. Недостатком тахогенераторов постоянного тока является наличие коллектора и щеток, что значительно снижает его надежность. Коллектор обеспечивает преобразование переменного э.д.с. якоря в постоянный ток.

Более надежным является тахогенератор переменного тока, у которого выходная искробезопасная обмотка размещена на статоре, а ротор представляет собой постоянный магнит с соответствующим постоянным магнитным потоком. Такой тахогенератор не требует коллектора, но его переменную э.д.с. превращают в постоянный ток с помощью мостовых диодных схем. Принцип действия синхронного тахогенератора переменного тока заключается в том, что при вращении ротора объектом контроля в его обмотке индуцируется переменная э.д.с., амплитуда и частота которой прямо пропорциональны частоте вращения ротора. Из-за того, что магнитный поток ротора вращается с той же частотой, что и сам ротор, такой тахогенератор называют синхронным. Недостатком синхронного генератора является то, что он имеет подшипниковые узлы, что для рудничных условий не является уместным. Схема контроля скорости ленты конвейера синхронным тахогенератором приведена на рисунке 5. На рисунке 5 обозначено: 1 - магнитный ротор тахогенератора, 2 – приводной ролик с протектором, 3 - лента конвейера, 4 - статорная обмотка тахогенератора.

Рисунок 5 - Схема контроля скорости ленты конвейера синхронным

тахогенератором

Для измерения линейной скорости движения рабочих органов скребковых конвейеров используются магнитоиндукционные датчики, в которых вообще отсутствуют подвижные части. Подвижной частью (якорем) в этом случае являются стальные скребки конвейера, движущиеся в магнитном потоке постоянного магнита датчика с искробезопасным катушкой. При пересечении стальными скребками магнитного потока в катушке индуцируется переменная э.д.с, прямо пропорциональна скорости перемещения и обратно пропорциональна зазора между стальным сердечником катушки и скребком. Магнитный поток, что приводит э.д.с, в катушке в данном случае изменяется под влиянием стальных скребков, что, двигаясь над датчиком, вызывают колебания магнитного сопротивления на пути замыкания магнитного потока, образованного постоянным магнитом. Схема контроля скорости движения рабочего органа скребкового конвейера магнитоиндукционным датчиком показана на рисунке 6. На рисунке 6 обозначено: 1 - скребковый конвейер, 2 - стальная сердцевина, 3 - стальная шайба, 4 -пластмассовая шайба, 5 - кольцевой постоянный магнит, 6 - катушка датчика

Рисунок 6 - Схема контроля скорости движения рабочего органа

скребкового конвейера магнитоиндукционным датчиком

Магнитоупругие датчики. Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость m при их деформации. Это свойство называется магнитоупругостью, которое характеризуется магнитоупругой чувствительностью

Наибольшим значением S m = 200 Гн/м2 облядает пермаллай (железоникелевый сплав). Некоторые сорта пермаллая при удлиненнии на 0,1% увеличивает коэффициент магнитной проницаемости до 20%. Однако для получения даже столь малых удлинений требуется нагрузка порядка 100 – 200 Н/мм, что очнь неудобно и приводит к необходимости уменьшения сечения ферромагнитного материала и требуется источник питания с частотой порядка килоГерц.

Конструктивно магнитоупругий датчик представляет собой катушку 1 с замкнутым магнивопроводом 2 (см. рисунок 7). Контролируемое усилие Р, деформируя сердечник, изменяет его магнитную проницаемость и, следовательно, индуктивное сопротивление катушки. Ток нагрузки RL, например, реле определяется сопротивлением катушки.

Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий (например, при загрузке скипов и посадке клетей на кулаки), горных давлений и т.д.

Достоинства магнитоупругих датчиов – простота и надежность.

Недостатки магнитоупругих датчиов – требуются дорогие материалы для магнитопроводов и специальная их обработка.

Рисунок 7 – Магнитоупругий датчик

Пьезоэлектрические датчики. Пьезоэлектрический эффект присущ монокристаллам некоторых диэлектрических веществ (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.). Суть эффекта состоит в том, что под действием динамических механических усилий на кристалл на его поверхностях возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна упругой деформации кристалла. Размеры и количество пластин кристаллов выбираются из расчета прочности и необходимой величины заряда. Пьезоэлектрические датчики в большинстве случаев служат для измерения динамических процессов и ударных нагрузок, вибрации и т.п.

Термоэлектрические датчики . Для измерения температур в широких пределах 200-2500 °С используют термоэлектрические датчики - термопары, которые обеспечивают преобразование тепловой энергии в электрическую э.д.с. Принцип действия термопары основан на явлении термоэлектрического эффекта, который заключается в том, что при размещении спая и концов термоэлектродов в среде с различными температурами t 1 и t 2 в кругу, образованном термопарой и милливольтметром возникает термо э.д.с., пропорциональная разности этих температур.

Рисунок 8 - Схема термопары

Проводники А и В термопары изготавливают из разнородных металлов и их сплавов. Явление термоэлектрического эффекта дают сочетание таких проводников А и В, медь-константан (до 300 ° С), медь - копель (до 600 ° С), хромель - копель (до 800 ° С), железо - копель (до 800 ° С), хромель - алюмель (до 1300 ° С), платина - платино-родий (до 1600 ° С) и т.д..

Значение термо-э.д.с для различных типов термопар составляет от десятых долей до десятков милливольт. Например, для термопары медь-константан она изменяется от 4,3 до –6,18 mB при изменении температуры спая от + 100 до – 260 о С.

Терморезисторные датчики. Принцип действия терморезисторных датчиков основан на свойстве воспринимающего элемента – терморезистора менять сопротивление при изменении температуры. Терморезисторы изготавливают из металлов (медь, никель, атина и т.д.) и полупроводников (смеси окислов металлов – меди, марганца и т.д.). Металлический терморезистор выполняется из проволоки, например, медной диаметром примерно 0,1 мм, намотанной в виде спирали на слюдяной, фарфоровый или кварцевый каркас. Такой терморе-зистор заключен в защитную трубку с выводными зажимами, которая размещается в точке контроля температуры объекта.

Полупроводниковые терморезисторы изготавливаются в виде небольших стержней и дисков с выводами.

С ростом температуры сопротивление металлических терморезисторов возрастает, а у большинства полупроводниковых – уменьшается.

Достоинством полупроводниковых терморезисторов является их высокая термочувствительность (в 30 раз больше, чем у металлических).

Недостатком полупроводниковых терморезисторов является большой разброс сопротивлений и малая стабильность, что затрудняет их использование для измерений. Поэтому полупроводниковые терморезисторы в системах автоматизации шахтных технологических установок в основном используются для контроля значений температуры объектов и их тепловой защиты. При этом они обычно включаются последовательно с электромагнитным реле на источник питания.

Для измерения температуры терморезистор RK включается в схему моста, который преобразует измерение сопротивления в напряжение на выходе Uвых, используемое в САУ или измерительной системе.

Мост может быть уравновешенный и не уравновешенный.

Уравновешенный мост применяют при нулевом методе измерений. В этом случае изменяется сопротивление R3 (например, специальным автоматическом устройством) вслед за изменением сопротивления терморезистора Rт таким образом, чтобы обеспечивалось равенство потенциалов в точках А и В. Если шкалу резистора R3 градуировать в градусах, то по положению его движка можно производить отсчет температуры. Достоинство такого метода – высокая точность, а недостаток – сложность измерительного устройства, представляющего собой следящую автоматическую систему.

Неуравновешенный мост выдает сигнал Uвых, пропорциональный перегреву объекта. Подбором сопротивлений резисторов R1, R2 , R3 добиваются равновесия моста при начальной величине температуры, обеспечивая выполнение условия

Rт / R1= R3 / R2

При изменении величины контролируемой температуры и соответственно сопротивления Rт равновесие моста нарушится. Если к его выходу подключить прибор mV со шкалой, отградуированной в градусах, стрелка прибора будет показывать измеряемую температуру.

Индукционный расходомер

Для контроля подачи насосной установки водоотлива возможно примене-ние индукционных расходомеров, например типа ИР-61М. Принцип действия индукционного расходомера основан на законе Фарадея (закон электромагнитной индукции).

Конструктивная схема индукционного расходомера приведена на рисунке 9. При протекании в трубопроводе проводящей жидкости между полюсами магнита, то в направлении перпендикулярном направлению жидкости и в направлении основного магнитного потока возникает э.д.с. U на электродах, пропорциональная скорости движения жидкости v:

где B – магнитная индукция в зазоре полюсов магнита; d – внутренний диаметр трубопровода.

Рисунок 9 – Конструктивная схема индукционного расходомера

Если выразить через объемный расход Q скорость v, т.е.

Достоинства индукционного расходомера:

Обладают незначительной инерционностью показаний;

Нет частей, находящихся внутри рабочего трубопровода (поэтому они имеют минимальные гидравлические потери).

Недостатки расходомера:

Показания зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкость, плотность) и характера потока (ламинарный, турбулентный);

Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвуковых расходомеров заключается в том, что

скорость распространения ультразвука в движущейся среде газа или жидкости равна геометрической сумме средней скорости движения среды v и собственного скорости звука в этой среде .

Конструктивная схема ультразвукового расходомера привежена на рисунке 10 .

Рисунок 10 - Конструктивная схема ультразвукового расходомера

Излучатель И создает ультразвуковые колебания частотой от 20Гц и выше, которые попадают на приемник П, регистрирующий эти колебания (он расположен на расстоянии l). Расход потока F равен

где S – площадь сечения потока жидкости; С – скорость звука в среде (для жидкости 1000-1500 м/с);

t1 – продолжительность распространения звуковой волны по направлению движения потока от излучателя И1 до приемника П1;

t 2 – продолжительность распространения звуковой волны против движе-ния потока от излучателя И2 до приемника П2;

l – расстояние между излучателем И и приемником П;

k – коэффициент, учитывающий распределение скоростей в потоке.

Достоинства ультразвукового расходомера:

а) высокая надежность и быстродействие;

б) возможность измерения неэлектропроводных жидкостей.

Недостаток – повышенные требования к загрязненности контролируемого потока воды.

2. Устройства передачи данных

Передача информации от объекта автоматизации к устройству управления осуществляется по линиям (каналам) связи. В зависимости от физической среды, по которой происходит передача информации каналы связи можно разделить на следующие типы:

– кабельные линии – электрические (симметричные, коаксиальные, «витая пара» и т.д.), волоконно-оптические и комбинированные электрические кабели с волоконно-оптическими жилами;

–силовая низковольтная и высоковольтные электрические сети;

–инфракрасные каналы;

–радиоканалы.

Передача информации по каналам связи может передаваться без уплотнения информации, т.е. по одному каналу передается один информационный сигнал (аналоговый или дискретный) и с уплотнением информации – по каналу связи передается множество информационных сигналов. Уплотнение информации применяется для дистанционной передачи информации на значительное расстояние (например от аппаратуры автоматизации, расположенной на штреке к очистному комбайну или от участка шахты на поверхность к диспетчеру) и может производиться при помощи различного рода кодирования сигналов.

Технические системы, которые обеспечивают передачу информации о состоянии объекта и команд управления на расстояние по каналам связи могут быть системами дистанционного управления и измерения или телемеханическими системами . В системах дистанционного управления и измерения для каждого сигнала используется своя линия - канал связи. Сколько сигналов, столько требуется и каналов связи. Поэтому при дистанционном управлении и измерении число управляемых объектов, особенно на больших расстояниях, обычно ограничено. В телемеханических системах для передачи многих сообщений большому числу объектов используется всего одна линия, или один канал связи. Информация передается в закодированном виде, и каждый объект «знает» свой код, поэтому число контролируемых или управляемых объектов практически не ограничивается, только код будет сложнее. Системы телемеханики делятся на дискретные и аналоговые. Системы дискретного телеконтроля называют системами телесигнализации (ТС), они обеспечивают передачу конечного числа состояний объекта (напри­мер, «включено», «отключено»). Системы аналогового телеконтроля называют системами телеизме­рения (ТИ), они обеспечивают передачу непрерывного изменения каких-либо параметров, характеризующих состояние объекта (например, из­менение напряжения, тока, скорости и т.д.).

Элементы, из которых состоят дискретные сигналы, обладают раз­личными качественными признаками: амплитудой импульса, полярностью и длительностью импульса, частотой или фазой переменного тока, кодом в посылке серии импульсов. Более подробно телемеханические системы рассмотрены в .

Для обмена информацией между микропроцессорными контроллерами различных устройств системы автоматизации, в том числе и управляющими компьютерами используются специальные средства, методы и правила взаимодействия – интерфейсы . В зависимости от способа передачи данных различают парал­лельный и последовательный интерфейс. В параллельном интер­фейсе q разрядов данных передаются по q линиям связи. В по­следовательном интерфейсе передача данных осуществляется обычно по двум линиям: по одной передаются непрерывно так­товые (синхронизирующие) импульсы от таймера, по второй - информационные.

В системах автоматизации горных машин наиболее часто используют последовательные интерфейсы стандартов RS232 и RS485.

Интерфейс RS232 обеспечивает связь между двумя компьютерами, управляющим компьютером и микроконтроллером или связь между двумя микроконтроллерами со скоростью до 19600 бит/с на расстояние до 15м.

Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Интерфейс RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная дальность передачи зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии - 120 м, при скорости 100 кбит/с - 1200 м. Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256. Передача данных между контроллерами производится по правилам, которые называются протоколами. Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу "ведущий"-"ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus.

2. Исполнительные устройства

Исполнение решения, т.е. реализацию управляющего воздействия, соответствующего выработанному сигналу управления, осуществляют исполнительные устройства (ИУ). В общем, исполнительное устройство это совокупность исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Расположение исполнительных механизмов в структурной схеме локальной САУ показано на рисунке 11.

Рисунок 11 - Расположение исполнительных механизмов в структурной схеме локальной САУ

Исполнительный механизм (ИМ) – устройство, предназначенное для преобразования сигналов управления, сформированных УУ (PLC) , в сигналы, удобные для воздействия на конечное звено САУ – регулирующий орган (РО).

Исполнительный механизм состоит из следующих базовых элементов:

­ исполнительный двигатель (электродвигатель, поршень, мембрана);

­ элемент сцепления (муфта, шарнир);

­ передаточно-преобразующий элемент (редуктор с выходным рычагом или штоком);

­ усилитель мощности (электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные)

В конкретной модели ИМ ряд элементов (кроме исполнительного двигателя) может отсутствовать.

Основное требование к ИМ: перемещения РО с возможно меньшим искажением законов регулирования формируемых PLC, т.е. ИМ должен обладать достаточным быстродействием и точностью.

Основные характеристики:

а) номинальное и максимальное значение вращающего момента

на выходном валу (поворотные) или усилия на выходном штоке;

б) время оборота выходного вала ИМ или хода его штока;

в) максимальная величина угла поворота выходного вала или хода

г) зона нечувствительности.

Исполнительные механизмы классифицируют по следующим признакам:

1) перемещение регулирующего органа (поворотные и прямоходные);

2) конструктивное исполнение (электрические, гидравлические, пневматические);

Электрические – с приводами электрического двигателя и элек-тромагнита;

Гидравлические – с приводами: поршневыми, плунжерными, от гидродвигателя;

Пневматические – с приводами: поршневыми, плунжерными, мембранным, диафрагменным, от пневмодвигателя.

На практике наибольшее распространение получили электрические ИМ. Электрические ИМ классифицируются как:

­ электромагнитные;

­ электродвигательные.

Электромагнитные ИМ подразделяются на:

­ ИМ с приводами от электромагнитных муфт предназначены для передачи вращательного движения (муфты фрикционные и скольжения;

­ ИМ с соленоидным приводом являются 2-х позиционными устройствами (т. е. предназначены для 2-х позиционного регулирования)осуществляющими поступательное движение приводных органов по дискретному принципу: «включено – выключено».

Электродвигательные ИМ подразделяются на:

­ однооборотные – угол поворота выходного вала не превышает 360 0 . Пример: МЭО (механизм электрический однооборотный). В них используются однофазные и трехфазные (МЭОК,МЭОБ) асинхронные двигатели.

­ многооборотные – для дистанционного и местного управления трубопроводной арматурой (вентили).

В системах автоматизации горных машин, в качестве исполнительных механизмов, широко применяются электрогидрораспределители, например типа ГСД и 1РП2. Электрогидрораспределитель 1РП2 предназначен для управления скоростью подачи и режущими органами комбайна в составе автоматических регуляторов нагрузки УРАН.1М и системы автоматизации САУК02.2М. Электрогидрораспределитель 1РП2 представляет собой гидравлический золотниковый распределитель с электромагнитным приводом тянущего типа.

Регулирующий орган (РО) – конечный элемент САУ, осуществляющий непосредственное управляющее воздействие на ОУ. РО изменяет поток материала, энергии, взаимное расположение частей аппаратов, станков или механизмов в направлении нормального протекания хода технологического процесса.

Основной характеристикой РО является его статическая характеристика, т.е. зависимость между выходным параметром Y (расход, давление, напряжение) и величиной хода регулирующего органа в процентах.

РО обеспечивают:

а) двухпозиционное регулирование – затвор РО быстро перемещается из одного крайнего положения в другое.

б) непрерывное – этом случае необходимо, чтобы пропускная характеристика РО была строго определенной (шибер, кран, поворотная заслонка).

Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.

Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации - исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.

Основные сведения об автоматизации

В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.

На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках - это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.

Системы автоматизированного управления

Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.

Объекты автоматизации и их параметры

Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.

Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором - это непосредственно качественные показатели готового продукта.

Регулирующие технические средства

Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.

Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.

Программируемые системы автоматизации

Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.

Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.

Агрегаты и механизмы в системах автоматизации

Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.

Электродвигатели в системах автоматизации

Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители - электрические или магнитные.

Щиты и пульты управления

Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.

Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления - это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.

Проектирование систем автоматизации

Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации. В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:

• уровень (масштаб) автоматизации на конкретном предприятии;
• определение параметров работы объекта, которые должны быть обеспечены средствами контроля и регулирования;
• характеристики управления - полное, дистанционное, операторское;
• возможности блокировки исполнительных механизмов и агрегатов;
• конфигурацию расположения технических средств, в том числе на пультах и щитах.

Вспомогательные средства автоматизации

Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.