Классификация технических средств автоматизации по функциональному признаку. Автоматизация технологических процессов и производств. Технологии автоматизация производства. Федеральное агенство по образованию

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

Средства автоматизации – это технические средства, предназначенные для оказания помощи должностным лицам органов управления в решении информационных и расчетных задач. Применение средств автоматизации повышает оперативность управления, снижает трудозатраты должностных лиц органов управления, повышает обоснованность принимаемых решений. К средствам автоматизации относятся следующие группы средств (рис. 3.4):

электронно-вычислительные машины (ЭВМ);

устройства сопряжения и обмена (УСО);

устройства сбора и ввода информации;

устройства отображения информации;

устройства документирования и регистрации информации;

автоматизированные рабочие места;

средства математического обеспечения;

средства программного обеспечения;

средства информационного обеспечения;

средства лингвистического обеспечения.

Электронно-вычислительные машины классифицируются:

а) по назначению – общего назначения (универсальные), проблемно-ориентированные, специализированные;

б) по размерам и функциональным возможностям - суперЭВМ, большие ЭВМ, малые ЭВМ, микроЭВМ.

СуперЭВМ обеспечивают решение сложных военно-технических задач и

задач по обработке больших объемов данных в реальном масштабе времени.

Большие и малые ЭВМ обеспечивают управление сложными объектами и системами. МикроЭВМ ориентированы для решения информационных и расчетных задач в интересах конкретных должностных лиц. В настоящее время широкое развитие получил класс микроЭВМ, основу которого составляют персональные ЭВМ (ПЭВМ).

В свою очередь персональные ЭВМ разделяются на стационарные и переносные. К стационарным ПЭВМ относят: настольные, портативные, блокноты, карманные. Все составные части настольных ПЭВМ выполнены в виде отдельных блоков. Портативные ПЭВМ типа ″Lоp Top″ выполняются в виде небольших чемоданчиков массой 5 – 10 килограммов. ПЭВМ-блокнот типа ″Note book″ или ″Sub Note book″ имеет размер с небольшую книгу и по характеристикам соответствует настольным ПЭВМ. Карманные ПЭВМ типа ″Palm Top″ имеют размеры записной книжки и позволяют записывать и редактировать небольшие объемы информации. К переносным ПЭВМ относятся электронные

секретари и электронные записные книжки.

Устройства сопряжения и обмена предназначены для согласования параметров сигналов внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи. При этом эти устройства выполняют как физическое согласование (форма, амплитуда, длительность сигнала), так и кодовое. К устройствам сопряжения и обмена относятся: адаптеры (сетевые адаптеры), модемы, мультиплексоры. Адаптеры и модемы обеспечивают согласование ЭВМ с каналами связи, а мультиплексоры обеспечивают согласование и коммутацию одной ЭВМ и нескольких каналов связи.

Устройства сбора и ввода информации . Сбор информации с целью ее последующей обработки на ЭВМосуществляется должностными лицами органов управления и специальными датчиками информации в системах управления оружием. Для ввода информации в ЭВМ применяются следующие устройства: клавиатура, манипуляторы, сканеры, графические планшеты, средства речевого ввода.

Клавиатура – это матрица клавиш, объединенных в единое целое, и электронный блок для преобразования нажатия клавиши в двоичный код.

Манипуляторы (координатно-указательные устройства, устройства управления курсором) совместно с клавиатурой повышают удобство работы пользователя. Повышение удобства работы связано, прежде всего, с возможностью быстро перемещать курсор по экрану дисплея. В настоящее время в ПЭВМ используются следующие разновидности манипуляторов: джойстик (рычаг, установленный на корпусе), световое перо (применяется для формирования изображений на экране), манипулятор типа «мышь», сканер – для ввода в ПЭВМ изображений, графические планшеты – для формирования и ввода в ПЭВМ изображений, средства речевого ввода.

Устройства отображения информации отображают информацию без ее долговременной фиксации. К ним относятся: дисплеи, графические табло, видеомониторы. Дисплеи и видеомониторы служат для отображения информации, вводимой с клавиатуры или других устройств ввода, а также для выдачи пользователю сообщений и результатов выполнения программ. Графические табло осуществляют визуальный вывод текстовой информации в виде бегущей строки.

Устройства документирования и регистрации информации предназначены для вывода информации на бумагу или другой носитель с целью обеспечения длительного времени хранения. К классу этих устройств относятся: печатающие устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Печатающие устройства или принтеры предназначены для вывода алфавитно-цифровой (текстовой) и графической информации на бумагу или подобный ей носитель. Наиболее широко применяются матричные, струйные и лазерные принтеры.

Современная ПЭВМ содержит, как минимум, два запоминающих устройства: накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). Однако в случаях обработки больших объемов информации вышеуказанные накопители не могут обеспечить их запись и хранение. Для записи и хранения больших объемов информации используются дополнительные запоминающие устройства: накопители на магнитных дисках и лентах, накопители на оптических дисках (НОД), накопители на DVD-дисках. Накопители типа НОД обеспечивают высокую плотность записи, повышенную надежность и долговечность хранения информации.

Автоматизированные рабочие места (АРМ) – это рабочие места должностных лиц органов управления, оборудованные средствами связи и автоматизации. Основным средством автоматизации в составе АРМ является ПЭВМ.

Средства математического обеспечения – это совокупность методов, моделей и алгоритмов, необходимых для решения информационных и расчетных задач.

Средства программного обеспечения – это совокупность программ, данных и программных документов, необходимых для обеспечения функционирования самой ЭВМ и решения информационных и расчетных задач.

Средства информационного обеспечения – это совокупность информации, необходимая для решения информационных и расчетных задач. В состав информационного обеспечения входят собственно массивы информации, система классификации и кодирования информации, система унификации документов.

Средства лингвистического обеспечения – совокупность средств и способов представления информации, допускающих ее обработку на ЭВМ. Основу лингвистического обеспечения составляют языки программирования.

Технические средства автоматизации (ТСА) предназначены для создания систем, выполняющих заданные технологические операции, в которых человеку отводятся, в основном, функции контроля и управления.

По виду используемой энергии технические средства автоматизации классифицируются на электрические , пневматические , гидравлические и комбинированные . Электронные средства автоматизации выделяют в отдельную группу, так как они, используя электрическую энергию, предназначены для выполнения специальных вычислительных и измерительных функций.

По функциональному назначению технические средства автоматизации можно подразделить в соответствии с типовой схемой системы автоматического регулирования на исполнительные механизмы , усилительные , корректирующие и измерительные устройства , преобразователи, вычислительные и интерфейсные устройства .

Исполнительный элемент - это устройство в системе автоматического регулирования или управления, воздействующее непосредственно или через согласующее устройство на регулирующий элемент или объект системы.

Регулирующий элемент осуществляет изменение режима функционирования управляемого объекта.

Электрический исполнительный элемент с механическим выходом - электродвигатель - применяется в качестве оконечного усилителя механической мощности. Эффект, оказываемый объектом или механической нагрузкой на исполнительный элемент, эквивалентен действию внутренних, или естественных, обратных связей. Такой подход используется в тех случаях, когда необходим детальный структурный анализ свойств и динамических особенностей исполнительных элементов с учетом действия нагрузки. Электрический исполнительный элемент с механическим выходом является составной частью автоматического привода.

Электрический привод - это электрическое исполнительное устройство, преобразующее управляющий сигнал в механическое воздействие с одновременным усилением его по мощности за счет внешнего источника энергии. Привод не имеет специального звена главной обратной связи и представляет собой совокупность усилителя мощности, электрического исполнительного элемента, механической передачи, источника питания и вспомогательных элементов, объединенных определенными функциональными связями. Выходными величинами электрического привода являются линейная или угловая скорость, тяговое усилие или вращающий момент, механическая мощность и т. д. Электрический привод должен располагать соответствующим запасом по мощности, необходимым для воздействия на управляемый объект в форсированном режиме.

Электрический сервомеханизм представляет собой следящий привод, который отрабатывает входной управляющий сигнал с усилением его по мощности. Элементы электрического сервомеханизма охватываются специальными элементами обратной связи и могут иметь внутренние обратные связи за счет нагрузки.

Механическая передача электрического привода или сервомеханизма осуществляет согласование внутреннего механического сопротивления исполнительного элемента с механической нагрузкой - регулирующим органом или объектом управления. К механическим передачам относятся различные редукторы, кривошипно-шатунные, рычажные механизмы и другие кинематические элементы, в том числе передачи с гидравлическими, пневматическими и магнитными опорами.

Электрические источники питания исполнительных элементов, устройств и сервомеханизмов подразделяются на источники с практически бесконечной мощностью, со значением их внутреннего сопротивления, близким к нулю, и источники с ограниченной мощностью со значением внутреннего сопротивления, отличным от нуля.

Пневматические и гидравлические исполнительные устройства - это устройства, в которых в качестве энергоносителя используется соответственно газ и жидкость под определенным давлением. Эти системы занимают прочное место среди других средств автоматизации благодаря своим преимуществам, к которым, в первую очередь, относятся надежность, устойчивость к механическим и электромагнитным воздействиям, высокий коэффициент отношения развиваемой мощности приводов к собственному весу и пожаровзрывобезопасность.

Основная задача исполнительного устройства состоит в том, чтобы усилить сигнал, поступающий на его вход, до уровня мощности, достаточного для того, чтобы оказать требуемое воздействие на объект в соответствии с поставленной целью управления.

Важным фактором при выборе исполнительного элемента является обеспечение заданных показателей качества системы при имеющихся энергетических ресурсах и допустимых перегрузках.

Характеристики исполнительного устройства должны определяться из анализа автоматизируемого процесса. Такого рода характеристиками исполнительных устройств и сервомеханизмов являются энергетические, статические, динамические характеристики, а также технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Обязательным требованием к исполнительному приводу является минимизация мощности двигателя при обеспечении требуемых значений скоростей и моментов. Это приводит к минимизации энергетических затрат. Весьма важными факторами при выборе исполнительного устройства или сервомеханизма являются ограничения по массе, габаритным размерам и надежности.

Важными составляющими систем автоматизации являются усилительные и корректирующие устройства. Общими задачами, решаемыми корректирующими и усилительными устройствами систем автоматики, являются формирование требуемых статической и частотной характеристик, синтез обратных связей, согласование с нагрузкой, обеспечение высокой надежности и унификация устройств.

Усилительные устройства усиливают по мощности сигнал до уровня, необходимого для управления исполнительным устройством.

Особые требования, предъявляемые к корректирующим элементам систем с переменными параметрами - возможность и простота перестройки структуры, программы и параметров корректирующих элементов. Усилительные устройства должны удовлетворять определенным техническим условиям по удельной и максимальной выходной мощности.

По структуре усилительное устройство представляет собой, как правило, многокаскадный усилитель со сложными обратными связями, которые вводятся для улучшения его статических, динамических и эксплуатационных характеристик.

Усилительные устройства, применяемые в системах автоматизации, можно подразделить на две группы:

1) электрические усилители, имеющие электрические источники питания;

2) гидравлические и пневматические усилители, использующие в качестве основного энергоносителя соответственно жидкость или газ.

Источник питания или энергоноситель определяет наиболее существенные особенности усилительных устройств автоматики: статические и динамические характеристики, удельную и максимальную мощность, надежность, эксплуатационные и технико-экономические показатели.

К электрическим усилителям относятся электронные вакуумные, ионные, полупроводниковые, диэлектрические, магнитные, магнитно-полупроводниковые, электромашинные и электромеханические усилители.

Квантовые усилители и генераторы составляют особую подгруппу устройств, используемых в качестве усилителей и преобразователей слабых радиотехнических и других сигналов.

Корректирующие устройства формируют сигналы коррекции статических и динамических характеристик системы.

В зависимости от вида включения в систему линейные корректирующие устройства подразделяются на три типа: последовательные, параллельные корректирующие элементы и корректирующие обратные связи. Использование того или иного типа корректирующих устройств определяется удобством технической реализации и эксплуатационными требованиями.

Корректирующие элементы последовательного типа целесообразно применять, если сигнал, величина которого функционально связана с сигналом ошибки, является немодулированным электрическим сигналом. Синтез последовательного корректирующего устройства в процессе проектирования системы управления наиболее прост.

Корректирующие элементы параллельного типа удобно использовать при формировании сложного закона регулирования с введением интеграла и производных от сигнала ошибки.

Корректирующие обратные связи, охватывающие усилительные или исполнительные устройства, находят наиболее широкое применение благодаря простоте технической реализации. В этом случае на вход элемента обратной связи поступает сигнал сравнительно высокого уровня, например, с выходного каскада усилителя или двигателя. Использование корректирующей обратной связи позволяет уменьшать влияние нелинейностей тех устройств системы, которые ими охватываются, следовательно, в ряде случаев удается улучшить качество процесса регулирования. Корректирующая обратная связь стабилизирует статические коэффициенты охватываемых устройств в условиях действия помех.

В системах автоматического регулирования и управления используются электрические, электромеханические, гидравлические и пневматические корректирующие элементы и устройства. Наиболее просто электрические корректирующие устройства реализуются на пассивных четырехполюсниках, которые состоят из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Сложные электрические корректирующие устройства включают также разделительные и согласующие электронные элементы.

В электромеханические корректирующие устройства, кроме пассивных четырехполюсников, входят тахогенераторы, импеллеры, дифференцирующие и интегрирующие гироскопы. В ряде случаев электромеханическое корректирующее устройство может быть реализовано в виде мостовой схемы, в одну из плеч которой включен электрический двигатель исполнительного устройства.

Гидравлические и пневматические корректирующие устройства могут состоять из специальных гидравлических и пневматических фильтров, включаемых в обратные связи основных элементов системы, или в виде гибких обратных связей по давлению (перепаду давлений), расходу рабочей жидкости, воздуха.

Корректирующие элементы с перестраиваемыми параметрами обеспечивают адаптивность систем. Реализация таких элементов осуществляется с помощью релейных и дискретных устройств, а также ЭВМ. Подобные элементы принято относить к логическим корректирующим элементам.

ЭВМ, функционирующая в реальном масштабе времени в замкнутом контуре управления, имеет практически неограниченные вычислительные и логические возможности. Основной функцией управляющей ЭВМ является вычисление оптимальных управлений и законов, оптимизирующих поведение системы в соответствии с тем или иным критерием качества в процессе ее нормальной эксплуатации. Высокое быстродействие управляющей ЭВМ позволяет, наряду с основной функцией, выполнять целый ряд вспомогательных задач, например, с реализацией сложного линейного или нелинейного цифрового корректирующего фильтра.

При отсутствии ЭВМ в системах наиболее целесообразно применять нелинейные корректирующие устройства как обладающие наибольшими функциональными и логическими возможностями.

Регулирующие устройства представляют собой сочетание исполнительных механизмов, усилительных и корректирующих устройств, преобразователей, а также вычислительных и интерфейсных блоков.

Информация о параметрах объекта управления и о возможных внешних воздействиях, оказывающих на него влияние, поступает на регулирующее устройство от измерительного устройства. Измерительные устройства в общем случае состоят из чувствительных элементов, воспринимающих изменения параметров, по которым производится регулирование или управление процессом, а также из дополнительных преобразователей, часто выполняющих функции усиления сигналов. Вместе с чувствительными элементами эти преобразователи предназначены для преобразования сигналов одной физической природы в другую, соответствующую виду энергии, используемой в системе автоматического регулирования или управления.

В автоматике преобразующими устройствами или преобразователями называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения регулируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства в этом смысле являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования регулирующего воздействия или с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства.

Вычислительные устройства средств автоматизации, как правило, строятся на базе микропроцессорных средств.

Микропроцессор - программно управляемое средство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одной или нескольких интегральных микросхемах.

Основными техническими параметрами микропроцессоров являются разрядность, емкость адресуемой памяти, универсальность, число внутренних регистров, наличие микропрограммного управления, число уровней прерывания, тип стековой памяти и число основных регистров, а также состав программного обеспечения. По разрядности микропроцессоры подразделяются на микропроцессоры с фиксированной разрядностью и модульные микропроцессоры с изменяемой разрядностью слова.

Микропроцессорными средствами называются конструктивно и функционально законченные изделия вычислительной и управляющей техники, построенные в виде или на основе микропроцессорных интегральных микросхем, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке и поставке рассматриваются как единое целое и применяются при построении более сложных микропроцессорных средств или микропроцессорных систем.

Конструктивно микропроцессорные средства выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока или типового комплекса, причем изделия нижнего уровня конструктивной иерархии могут использоваться в изделиях высшего уровня.

Микропроцессорные системы - это вычислительные или управляющие системы, построенные на основе микропроцессорных средств, которые могут применяться автономно или встраиваться в управляемый объект. Конструктивно микропроцессорные системы выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока комплекса или нескольких изделий указанных типов, встроенных в аппаратуру управляемого объекта или выполненных автономно.

По области применения технические средства автоматизации можно подразделить на технические средства автоматизации работ на промышленных производствах и технические средства автоматизации других работ, важнейшим составляющим которых являются работы в экстремальных условиях, где присутствие человека опасно для жизни или невозможно. В последнем случае автоматизация осуществляется на базе специальных стационарных и мобильных роботов.

Технические средства автоматизации химических производств: Справ. изд./В.С.Балакирев, Л.А.Барский, А.В.Бугров и др.-М.: Химия, 1991. –272 с.

Под определения «объекта автоматизации» попадают самые различные технические объекты (металлургические печи, транспорт, различные машины и прочие технические приспособления), а также производственные процессы, которые могут выполняться одним или целым комплексом технологических агрегатов, установок или машин при их взаимодействии с системой управления. На данном этапе развития человечества автоматизация активно внедряется во все сферы человеческой жизни, .

Постоянное совершенствование и внедрение систем автоматизации являются процессами абсолютно взаимосвязанными. С одной стороны, для модернизации различных отраслей необходимо разрабатывать и внедрять системы механизации и автоматизации в уже работающие механизмы, а с другой стороны – при создании абсолютно новой технологии необходимо предусмотреть пути ее эффективной автоматизации.

По своей иерархии технические средства автоматики классифицируют на два класса:

• Системы автоматизированного (автоматического) регулирования САР и управления САУ;
• Устройства, элементы и подсистемы САР и САУ;

Общей функциональной частью обеих систем является объект регулирования (управления). Объект управления – управляемая часть системы (машина или комплекс машин) установленный режим функционирования которой должен поддерживаться управляющей частью системы в соответствии с выбранной ранее задачей управления.

Система управления (СУ) – это динамический замкнутый комплекс, который состоит из управляемых объектов и трех подсистем: логико-вычислительной, информационной и исполнительной. Обобщенная схема приведена ниже:

Информационной подсистемой называют совокупность технических средств для получения, представления и передачи информации. К средствам, чье предназначение получение и преобразование первичной информации о внутренних и внешних факторах работы объектов, над которыми ведется управления, относят – измерительные и чувствительные элементы, анализаторы, датчики первичной информации и другие устройства. К этой категории относят и средства для представления и передачи информации в удобной для системы управления форме – приемники, кодирующие/декодирующие устройства, передатчики, каналы связи и так далее.

Логико-вычислительная система – технические средства, задача которых обработка информации.

Главной задачей средств обработки информации – выработка решений, необходимых для достижения задач управления, сформулированных в техническом задании при изготовлении САУ. Данные решения, как правило, реализуются в форме задающих или управляющих сигналов. К техническим средствам переработки информации относят разнообразные аналоговые и цифровые вычислительные средства, в том числе и микроконтроллеры.

Технические средства, которые используются для формирования сигналов управления и непосредственно управляют объектом, называют исполнительной подсистемой . К техническим средствам исполнительных подсистем в основном относятся электропривода, а также, регуляторы освещения и температуры, электромагниты гидравлических механизмов и так далее.

Системы управления, в процессе работы которых, включая этапы принятие решений и выработку управляющих воздействий, полностью отсутствует участие оператора (оператор только наблюдает за производственным процессом) называют системами автоматического управления САУ .

Системы управления, в которых при принятии оператором решений участвуют вычислительные машины (цифровые, аналоговые или гибридные), называют автоматизированными системами управления АСУ.

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).