Элементы и устройства автоматики
Краткое содержание теоретического материала по дисциплине "Элементы и устройства автоматики" в рамках обязательных дисциплин для студентов по специальности - Автоматизация и управление. Основные понятия и определения элементов систем автоматики.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.02.2014 |
| Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Однако и пневматические, и гидравлические регуляторы имеют ряд недостатков:
- необходимость в специальных источниках питания;
- ограниченность радиуса действия;
- требования полной герметизации всех элементов регулятора и линии связи;
- большая инерционность элементов и линий связи по сравнению с инерционностью электрических регуляторов и т. д.
Автоматические регуляторы электрической ветви в зависимости от вида электрического сигнала разделяются на аналоговые, дискретные и гибридные (аналого-дискретные). В свою очередь, дискретные регуляторы могут быть импульсными и цифровыми. В аналоговых регуляторах информационный сигнал непрерывен на всем тракте формирования сигнала регулирования. В дискретных регуляторах в одной или нескольких точках тракта формирования регулирующего сигнала происходит импульсная модуляция сигнала либо поамплитуде (АИМ), либо по длительности (ширине) импульсов (ШИМ), либо по частоте импульсов (ЧИМ); модуляция по уровню в релейных регуляторах и модуляция по уровню и амплитуде в цифровых регуляторах. В гибридных регуляторах информационные сигналы имеют как аналоговую, так и дискретную природу в различных точках тракта формирования регулирующего сигнала (см. рисунок 5.1).
Структурные схемы автоматических регуляторов -- аналоговых и дискретных -- с типовыми алгоритмами регулирования могут быть получены на основе известных в теории автоматического регулирования методов коррекции, когда желаемые динамические характеристики (алгоритмы) достигаются с помощью последовательных и параллельных корректирующих цепей (активных и пассивных) и обратных связей. В ряде случаев исполнительные механизмы также участвуют в формировании необходимого алгоритма.
На рисунке 5.1 изображены основные структуры, в соответствии с которыми построено большинство промышленных регуляторов с типовыми алгоритмами. На структурных схемах приняты следующие обозначения: 1 -- преобразователь входной величины х; 2 -- усилительное устройство; 3 -- функциональная обратная связь; 4 -- исполнительное устройство (механизм), сигнал, с выхода которого управляет объектом.
|
Рисунок 5.1 -- Типовые структурные схемы промышленных регуляторов |
6 лекция. Электронные элементы систем автоматики
|
Содержание лекции: электронные элементы систем автоматики. Цель лекции: изучить различные виды электронных элементов систем автоматики. Полупроводниковый диод -- это полупроводниковый прибор, содержащий один р-n переход. Как правило, области прибора с р- и n-проводимостями имеют неодинаковые концентрации основных носителей. Область с более высокой концентрацией называется эмиттером, с более низкой -- базой. В настоящее время используются два основных типа диодов: точечный (см. рисунок 6.1) и плоскостной (см. рисунок 6.2). 1,3 -- металлические торцы; 2 -- керамическая трубка; 4 -- проволочный вывод; 5 -- кристаллодержатель; 6 -- кристалл германия; 7 -- вольфрамовая проволока. Рисунок 6.1 -- Конструкция точечного полупроводникового диода В точечном диоде к кристаллическому полупроводнику 6 с одним типом проводимости вплавляется конец вольфрамовой проволоки 7, на которую нанесен слой акцептора (если кристалл имеет n-проводимость) или донора (в случае р-проводимости). В процессе приплавки атомы примеси с поверхности проволоки диффундируют в кристалл, и в нем образуетсяр--n переход. В плоскостных диодах р--n переход образуется путем наплавки кусочка индия 8 на германиевый или кремниевый кристалл 9 с n-проводимостью. Детали конструкций ясны из рисунков. Из рисунка видно, что при малых значениях напряжения (как обратного, так и прямого) сопротивление диода R = ДU/ДI велико (ток нарастает полого). Когда значение прямого напряжения больше потенциального барьера, ток нарастает круто и почти по прямой; сопротивление диода резко падает и, достигнув некоторого значения Ro, остается неизменным. Точечные диоды благодаря малой площади р--n перехода имеют очень малую емкость и поэтому широко применяются в высокочастотных схемах детектирования и преобразования сигналов, а также в различных измерительных и логических схемах. Основными параметрами, характеризующими точечные диоды, являются: а) прямой ток, соответствующий указанному напряжению (обычно 1--2 В); б) допустимая амплитуда обратного напряжения; в) минимальное пробивное напряжение; г) обратный ток, соответствующий указанному обратному напряжению; д) проходная емкость. Обратные ток и напряжение указываются при различных температурах. Выше было сказано о том, что при пробое р--n перехода обратным напряжением лавинообразное нарастание тока обусловлено ударной ионизацией и массовым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. |
Полупроводниковый транзистор представляет собой прибор с двумя последовательно включенными р-n переходами. Он состоит из трех областей с чередующимися типами проводимостей.
Одна из крайних областей транзистора называется эмиттером, средняя область -- базой и вторая крайняя область -- коллектором, р-n переход со стороны эмиттера называется эмиттерным, а со стороны коллектора -- коллекторным. Эмиттер, база и коллектор отличаются не только характером проводимости, но и концентрацией носителей. В базе она на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, а в коллекторе -- почти такая же, как в эмиттере.
В настоящее время подобные приборы принято называть биполярными транзисторами, поскольку в них используются носители обоих типов -- электроны и дырки. Введение этого термина связано с появлением новых типов трехэлектродных полупроводниковых приборов -- униполярных (полевых) транзисторов. В зависимости от типа проводимости различают транзисторы р-n-р и n-р-n структур.
В практических схемах транзистор используется как четырехполюсник -- прибор с двумя входными и двумя выходными зажимами, поэтому один из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. Различают схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).
Усилительные свойства транзистора основаны на резком изменении сопротивления участка «эмиттер -- коллектор» под действием поступающего на базу управляющего сигнала.
Важной особенностью транзисторов является взаимосвязь токов базы, эмиттера и коллектора. Поэтому характер зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе зависит от того, как включены относительно друг друга источники питания эмиттерного и коллекторного переходов транзистора. Графики зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе называются вольт-амперными характеристиками или просто характеристиками транзистора.
При включении транзистора по схеме с ОЭ входной статической характеристикой называют зависимость тока базы от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторе.
Выходной статической характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, называют зависимость коллекторного тока от напряжения на коллекторе при неизменном токе базы (см. рисунок 6.2).
На примере включения транзистора по схеме с ОЭ рассмотрим четыре характерных рабочих режима транзистора.
Режим насыщения (1) имеет место при напряжении UK = 0, а также при |Uк| < |UБ|. В этом режиме оба перехода включены в прямом направлении и обе крайние области транзистора служат одновременно эмиттерами и коллекторами (инжектируют и собирают носители). При данном режиме база насыщена носителями, инжектируемыми через оба перехода. Поэтому сопротивление между двумя любыми выводами транзистора очень мало. При UK=0 результирующий ток коллектора равен нулю. По мере увеличения напряжения UКколлекторный переход, хотя по-прежнему и смещен в прямом направлении, но прямое напряжение на участке «база -- коллектор» транзистора уменьшается. Инжекция носителей из коллектора в базу значительно слабее, чем из эмиттера, что приводит к резкому росту коллекторного тока с увеличением UК. Начиная с |UК|=|UБ|, коллектор уже не инжектирует дырки в базу, транзистор переходит в активный режим (2), который характеризуется плавным ростом коллекторного тока с увеличением UK, что обусловлено главным образом сужением базы. При больших напряжениях на коллекторе возникает пробой коллекторного перехода (режим лавинного пробоя 4). Режим отсечки (3) имеет место при UЭБ < 0. В этом режиме ток эмиттера отсутствует, а коллекторный ток равен току базы и представляет собой обратный ток коллекторного перехода IКо.
Рисунок 6.2 -- Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ
При расчете усилительных схем на транзисторах (при условии, что напряжение сигнала намного меньше напряжения питания) транзистор представляют в виде четырехполюсника; соотношения между токами и напряжениями на входе и выходе его (IВХ, UВX, IВЫХ, UВЫХ) при этом могут выражаться тремя различными системами уравнений. Коэффициенты, входящие в состав этих уравнений, называются первичными параметрами транзистора, поскольку они характеризуют основные электрические свойства транзистора как линейного четырехполюсника.
Наибольшее распространение получила система уравнений с так называемыми гибридными параметрами (их называют еще h-napaметрами), которая имеет вид:
UВХ = h11IВХ+ h12UВЫХ
IВХ = h21IВХ+ h22UВЫХ
Здесь под IВХ, UВX, IВЫХ, UВЫХ понимаются переменные напряжения и токи на входе и выходе транзистора. По физическому смыслу h-параметры представляют собой следующие величины:
h11 -- входное сопротивление при короткозамкнутом по переменному току выходе, т. е. при UВЫХ = 0. Так, например, для схемы с ОБ h11 = UЭ/IЭ при UК = 0.
h12 -- отношение напряжения на входе к напряжению на выходе (коэффициент обратной связи) при разомкнутом по переменному току входе, т. е. при IВХ = 0. Так, например, для схемы с ОБ h12 = UЭ/UK при IЭ = 0;
h21 -- отношение тока на выходе к току на входе (коэффициент передачи тока) при UВЫХ = 0. Так, например, для схемы с ОБ h21 = IК/IЭ при UK = 0;
h22 -- выходная проводимость, т. е. отношение IВЫX/UВЫХ при IВХ = 0.
Помимо рассмотренных, транзисторы характеризует еще ряд параметров:
1) Предельно допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, PKmax. Определяется она предельно допустимой температурой нагрева полупроводникового прибора (около 100°С для германиевых и 150 °С для кремниевых транзисторов). Для улучшения теплоотдачи в мощных транзисторах корпус их закрепляют на ребристом радиаторе. Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе различных типов транзисторов, находится в пределах от единиц милливатт до десятков ватт.
2) Предельно допустимое обратное напряжение коллекторного перехода UKmax, т. е. напряжение, при котором еще не наступает пробой коллекторного перехода. Практически UKmax = 10…50 В.
3) Обратный ток коллекторного перехода (подобен обратному току диода) IKo. В обычных условиях IKо не превышает единиц микроампер.
4) Предельно допустимая частота. Принято считать, что транзистор работоспособен, если коэффициент усиления по току уменьшается не более чем в 2 раза по сравнению с рассчитанным для низкой частоты. В зависимости от типа транзистора предельная частота его может изменяться в широких пределах (от сотен килогерц до единиц гигагерц).
5) Диапазон рабочих температур. Транзисторы, как и все полупроводниковые приборы, в большой степени подвержены влияниям температуры. С повышением температуры резко увеличивается количество основных и неосновных носителей в полупроводнике, что приводит к увеличению токов транзистора. Особенно сильно влияет на работу транзистора температурное изменение обратного тока коллекторного перехода, которое происходит по экспоненциальному закону. Можно приближенно считать, что при повышении температуры на 10С обратный ток коллектора возрастает вдвое.
Из сказанного следует, что при эксплуатации транзисторов нужно, по возможности, добиваться того, чтобы они работали в относительно узком диапазоне температур, или принимать специальные меры для компенсации влияния изменений температуры.
Только при этих условиях схемы на транзисторах работают стабильно. Диапазон допустимых температур окружающей среды для различных образцов транзисторов неодинаков, однако максималь-но допустимая температура в лучшем случае не превышает +125 °С, а минимальная -- не ниже -30 °С.
В настоящее время широкое распространение на производстве получают промышленные контроллеры и ПЛК (программируемые логические контроллеры, на Западе называемые «программируемыми реле»), предназначенные для применения в системах автоматизации там, где использование других средств автоматики не удовлетворяет современным требованиям.
Фирма Siemens была пионером в области разработки промышленных контроллеров и ПЛК, начав их массовое производство в 1996 году. Логический модуль LOGO! изначально задумывался как промежуточное звено между традиционными релейными элементами автоматики (контакторы, реле времени и т.п.) и программируемыми контроллерами. В нем вместо соединения проводов должно было использоваться логическое соединение функций, обычно реализуемых аппаратно с помощью отдельных устройств. Но в отличие от программируемых контроллеров сложность устройств должна была позволять работать с ними персоналу без специальных знаний в области программирования. С этой же целью ввод программы в LOGO! осуществляется непосредственно со встроенных индикатора и клавиатуры. Для подключения к источникам си¬гналов и исполнительным устройствам модули LOGO! первых поколений имели 6 или 12 дискретных входов и 4 или 8 дискретных выходов (варианты Basic и Long соответственно). Затем к дискретным входам добавилось два анало¬говых.
В 2001 году фирма Siemens выпустила модульный LOGO!, в котором увеличение числа обслуживаемых входов и выходов обеспечивается с помощью дополнительных мо¬дулей расширения. Подключение разных модулей расширения к базовой модели LOGO! позволяет расширить возможности контроллера. Модуль закрепляется на стандартной профильной шине и подключается к LOGO!
В распоряжении разработчика имеются следующие типы модулей:
- дискретный модуль LOGO!DM8;
- аналоговый модуль LOGO!AM2;
- коммуникационный модуль LOGO!CM AS-i.
В модульном варианте ПЛК LOGO! (см. рисунок 6.3) можно реализовать максимум с 24 дискретными и 8 аналоговыми входами, а также 16 дискретными выходами. Напряжение питания входных цепей в LOGO! соответствует напряжению питания модуля, которое может быть 12/24 В постоянного тока, 24 и 230 В переменного тока. Выходы могут быть транзисторными или релейными. Нагрузочная способность последних (до 10 А) обеспечивает непосредственное подключение достаточно мощных исполнительных устройств.
Новые модули расширения делают LOGO! способным быстро реагировать на изменения и занимают в два раза меньше места, чем сам LOGO! Кроме того, к такому микроконтроллеру можно подключить коммуникационные модули для работы в сетях AS-interface, EIB Instabus или LON. Существуют и логические модули без дисплея и клавиатуры, благодаря чему они почти на 20 процентов дешевле.
Главной особенностью ПЛК LOGO! является то, что схема релейной автоматики собирается из программно реализованных функциональных блоков. В распоряжении пользователя имеется восемь логических функций типа И, ИЛИ и т.п., большое число типов реле, в том числе, реле с задержкой включения и выключения, импульсное реле, реле с самоблокировкой, выключатель с часовым механизмом, тактовый генератор, календарь, часы реального времени с возможностью автоматического перехода на летнее/зимнее время и др.
Программирование модулей LOGO! может выполняться с помощью встроенных клавиатуры и дисплея. Оно сводится к выбору необходимых функциональных блоков, соединению их между собой и заданию параметров настройки блоков (задержек включения/выключения, значений счётчиков и т.д.). Для хранения управляющей программы в модуле имеется встроенное энергонезависимое запоминающее устройство. Создание резервной копии программы, а также перенос ее в другие LOGO! может быть осуществлено с помощью специальных модулей памяти, устанавливаемых в интерфейсное гнездо. Модули памяти так и называются по цвету корпуса -- «желтый» и «красный». При использовании жёлтого модуля программа может быть свободно перенесена из него в LOGO! и обратно. Если же программа переносится из красного модуля, то она может исполняться только в том случае, если модуль памяти остается вставленным в LOGO! Копирование её на другой модуль памяти невозможно. Таким способом обеспечивается защита управляющей программы от несанкционированного размножения.
Однако ввод программы с панели управления может быть оправдан только для небольших по объему программ или в случае острой необходимости внесения корректив в уже работающую программу непосредственно на объекте. Для относительно сложных схем очевидна необходимость использования программного пакета LOGO! SoftComfort. Этот пакет позволяет разрабатывать в графической форме и документировать программы для LOGO! на компьютере и отлаживать их в режиме эмуляции логического модуля. Принцип работы аналогичен используемому при ручном вводе, но эффективность во много раз выше. Выбранные функциональные блоки мышью перетаскиваются на рабочее поле, затем соединяются и параметрируются. Для каждого функционального блока может быть написан комментарий, который существенно облегчит понимание принципа работы программы другому пользователю или поможет самому разработчику через некоторое время вспомнить собственные замыслы. Если по результатам эмулирования корректировка программы не требуется, то ее можно загрузить в память LOGO! с помощью специального кабеля, подключаемого к тому же интерфейсному гнезду, что и модули памяти.
На рисунке 6.4 приведен пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort.
Зачастую при решении задачи автоматизации возникает потребность в контроле температуры. С появлением специализированного аналогового модуля LOGO! АМ2 Pt100, предназначенного для непосредственного подключения двух термометров сопротивления Pt100, процесс контроля температуры в диапазоне от --50 до +200°С заметно упрощается. С помощью LOGO! можно обеспечить и регулирование температуры. Такая задача решается с помощью обычного двухпозиционного регулятора, реализуемого с помощью платинового термометра сопротивления, аналогового модуля АМ2 Pt100 и функционального блока «Аналоговый триггер». Сигнал с выхода этого блока будет являться управляющим для электрического нагревателя. Конечно, качество регулирования будет далеко не идеальным, но для многих применений оно может оказаться вполне приемлемым.
Рисунок 6.4 -- Пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort
7 лекция. Электромагнитные устройства автоматики
Содержание лекции: электромагнитные устройства автоматики.
Цель лекции: основные сведения об электромагнитных устройствах автоматики.
|
Электромагнит (ЭМ) является наиболее распространенным преобразователем электрического сигнала в механическое движение. ЭМ получили применение в системах автоматики в качестве приводных и управляющих устройств. Например, в подъемных и тормозных устройствах, приводах для включения и выключения коммутационных аппаратов, электромагнитных контакторах, автоматических регуляторах, приводах для включения и отключения механических, пневматических, гидравлических цепей, а также для сцепления и расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, заслонок, золотников на небольшое расстояние с усилием в несколько десятков ньютонов. По назначению различают электромагниты: - удерживающие, которые служат для фиксации положения ферромагнитных тел (например, предназначенные для подъема предметов из ферромагнитного материала, электромагнитные плиты для фиксации деталей на металлообрабатывающих станках, электромагнитные станки); - приводные, которые служат для перемещений исполнительных устройств (например, клапанов, золотников, заслонок, железнодорожных стрелок), а также используются в контакторах, электромагнитных муфтах и др.; - специальные, которые используются в ускорителях элементарных частиц, медицинской аппаратуре и др. По роду тока в обмотке различают ЭМ постоянного и переменного токов. ЭМ постоянного тока делят на нейтральные, не реагирующие на полярность управляющего сигнала, и поляризованные, реагирующие на полярность сигнала (когда на якорь действуют два независящих друг от друга потока). По конструктивному исполнению различают следующие типы ЭМ. Клапанные -- с внешним притягивающим якорем (см.рисунок 7.1, а-г), при этом магнитные системы могут иметь различную форму: - П-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения; - П-образный магнитопровод и плоский якорь-ярмо; - Ш-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения; - цилиндрический магнитопровод. В клапанных ЭМ происходит небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров), благодаря чему они развивают большие усилия и имеют высокую чувствительность. Прямоходовые - с поступательным движением якоря. Используются, как правило, в виде соленоидов и поэтому часто называются соленоидными ЭМ (см. рисунок 7.1, д, е). Прямоходовые ЭМ имеют большой ход якоря, меньшие, чем клапанные, размеры и большее быстродействие, однако чувствительность у них меньше. По своему назначению прямоходовые ЭМ выполняются в двух вариантах: с неподвижным сердечником-«стопом» (см. рисунок 7.1, д, е) и без сердечника со сквозным отверстием по оси катушки -- так называемые длинноходовые электромагниты (см. рисунок 7.1, е). ЭМ с неподвижным сердечником создает большое усилие, значение которого возрастает по мере приближения якоря к сердечнику. Длинноходовые системы позволяют получить относительно большой ход якоря (до 200 мм) за счет удлинения катушки. Эти ЭМ применяются в установках, работающих в режиме кратковременной нагрузки, т.е. когда ток, проходящий через катушку, имеет большое значение, но не вызывает ее перегрева. С поперечным движением -- якорь движется в поперечном направлении к средней линии между полюсами. Практическое использование получили следующие формы магнитных систем: - с выступающим якорем (см. рисунок 7.1, ж) -- применяется при углах поворота якоря 25...40°; - с вытягивающимся якорем (см. рисунок 7.1, з) -- применяют при углах поворота якоря 10... 15°. Позволяют получить тяговую характеристику любой формы (возрастающую, спадающую с любым углом наклона), что обеспечивается соответствующим выбора профиля якоря.
а ... г -- клапанные; д, е -- прямоходовые; ж, и -- с поперечным движением якоря; 1 -- сердечник; 2 -- якорь; 3 -- полюсный наконечник; 4 -- катушка; 5 -- ярмо; 6 -- направляющая трубка; 7 -- пружина; дн -- начальный воздушный зазор. Рисунок 7.1 -- Нейтральные электромагниты различных конструкций В этих системах якорь подвешивается на пружине, а рабочий угол поворота якоря выбирается таким, чтобы он не занимал крайних положений против полюсов. Рассмотренные системы с движущимся в поперечном направлении якорем применяются в автоматических регуляторах, когда требуется получить большое значение коэффициента возврата. Кроме того, их удобно использовать в устройствах, работающих на постоянном токе (при переменном токе могут возникнуть вибрации якоря, в то время как зазор между полюсами и якорем должен быть постоянным). ЭМ состоит из магнитопровода и собственно катушки. Поведение якоря электромагнита после прекращения тока в обмотке во многом зависит от магнитных свойств магнитопровода, а именно: от величины его остаточной индукции BТ и коэрцитивной силы HC. При перемагничивании ферромагнетика полем обратного знака остаточная индукция BТ уменьшается и при значении поля HС индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная HС, называется коэрцитивной силой. Доводя внешнее поле до --HS, можно получить нижнюю ветвь кривой намагничивания, а, изменяя поле от --HS до +HS, получить замкнутую петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей, пропорциональна работе, которая затрачивается на нагревание ферромагнетика, и определяет потери энергии на перемагничивание [6]. Наиболее широкое применение получили следующие типовые релейные схемы: - самоблокировки; - взаимной блокировки; - экономичного включения; - искробезопасного включения; - замедления (реле времени). В схеме самоблокировки реле при кратковременном замыкании кнопки SB1 Пуск реле срабатывает (см. рисунок 7.2) и своим замыкающим контактом блокирует цепь питания этой кнопки, благодаря чему последующее отпускание кнопки SB1 не приведет к отключению реле. Для отключения реле необходимо разорвать общую цепь питания нажатием кнопки SB2. Рисунок 7.2 -- Релейная схема самоблокировки Схема взаимной блокировки, показанная на рисунке 7.3, не допускает одновременного включения реле, так как в цепь обмотки каждого реле введен размыкающий контакт другого реле. Необходимость взаимной блокировки встречается в схемах, предохраняющих от возможной аварии. Например, одно реле служит для включения двигателя в прямом направлении вращения, а другое -- на реверс. Рисунок 7.3 -- Релейная схема взаимной блокировки На рисунке 7.4 показаны схема и график экономичного включения реле. Если в обычных схемах реле срабатывает при напряжении срабатывания UСР и остается в этом состоянии при таком напряжении за счет цепи самоблокировки, то в рассматриваемой схеме реле, срабатывающее также при напряжении UСР, при отпускании кнопки SB1 остается в рабочем состоянии через цепь резистора R при напряжении UР. На графике видно, что UСР> UР, поэтому и потребление энергии в рабочем состоянии реле намного меньше, чем в ранее рассмотренных схемах. Необходимым условием работы схемы является UР> UОТ, в противном случае при отпускании кнопки SB1 реле будет отключаться. Отличительная особенность схемы искробезопасного включения реле, широко применяющейся в различной рудничной и шахтной аппаратуре автоматизации (см. рисунок 7.5), заключается в том, что цепь питания реле осуществляется искробезопасным напряжением UИСК. |
|
|
Искробезопасные параметры цепи питания достигаются выполнением обмотки II проводом высокого удельного сопротивления или включением в цепь питания ограничительного резистора R2. В исходном положении при поданном питании реле К не работает, так как UСР> UР. При нажатии кнопки SB1 реле срабатывает и остается во включенном состоянии. При этом выполняется соотношение UСР> UР > UОТ. Через обмотку реле протекает однополупериодный постоянный ток, второй полупериод закорачивается в цепи искробезопасного напряжения через диод VD1. Сопротивление обмотки реле однополупериодному току мало, и реле работает устойчиво. Рисунок 7.4 -- Схема и график экономичного включения реле Рисунок 7.5 -- Схема искробезопасного включения реле При нажатии кнопки SB2 сопротивление обмотки реле для переменного тока возрастает, реле отключается и схема возвращается в исходное положение. Следует отметить, что, когда работает реле К, диод VD1 переводит его в режим замедления -- реле времени (за счет ЭДС самоиндукции, которая действует от однополупериодного тока в обмотке), что предотвращает вибрацию якоря реле. На рисунке 7.6 показана схема замедления срабатывания реле с помощью шунтирования его обмотки конденсатором. В этом случае при замыкании ключа заряд конденсатора происходит за определенный промежуток времени. Рисунок 7.6 -- Схема замедления срабатывания реле В схеме на рисунке 7.7 время отпускания реле увеличивается за счет того, что при размыкании ключа в цепи, состоящей из параллельного соединения обмотки реле, конденсатора и резистора, некоторое время сохраняется ток разряда конденсатора. Рисунок 7.7 -- Схема увеличения времени отпускания реле Чтобы переходный процесс в этой цепи имел апериодический характер, применяют достаточно большую емкость конденсатора и большое значение сопротивления резистора [7]. 8 лекция. Выбор элементов систем автоматики |
Содержание лекции: выбор промышленных приборов и средств автоматизации.
Цель лекции: изучить определения и понятия выбора элементов систем автоматики.
|
На основе анализа технологической схемы и существующих приборов и средств автоматизации, применяемых в заданном технологическом процессе, формулируются основные требования к приборам и средствам автоматизации, которые можно подразделить на следующие основные: а) функциональные требования, включая технические характеристики; б) требования, выдвигаемые физическими условиями работы (искро- и взрывобезопасность, вибростойкость, влагонепроницаемость, защищенность от агрессивной среды и т.п.); в) требования по надёжности и ремонтопригодности; г) весовые и габаритные требования на всю систему автоматизации в целом и на отдельные её элементы (приборы и средства автоматизации); д) требования инженерной психологии, связанные с недопустимостью ошибок при эксплуатации системы автоматизации человеком, организация рабочего места оператора и т. п. Следует иметь в виду, что условия окружающей среды в местах установки средств автоматизации определяют возможность их применения, особенность работы службы эксплуатации, а в отдельных случаях и работоспособность агрегатов, линий и производств. Условия пожароопастности, взрывоопасности объекта и агрессивности окружающей среды, а также требования к быстродействию, дальности передачи сигналов информации и управления являются определяющими при выборе средств автоматизации по виду энергии носителя сигналов (электрической, пневматической, гидравлической и др.) в канале связи. Так, для пожаро- и взрывоопасных технологических процессов (установок) в большинстве случаев применяют пневматические средств автоматизации; при высоких требованиях к быстродействию и значительных расстояниях между источниками и приемниками сигналов информации применяют, как правило, электрические и комбинированные средств автоматизации. Также необходимо ориентироваться на использование серийно выпускаемых средств; при этом следует учитывать, что средства автоматизации общепромышленного применения предназначены для усреднённых промышленных условий эксплуатации и не все они могут удовлетворять работе отдельных предприятий. Следует стремиться к применению однотипных приборов и ТСА, предпочтительно унифицированных комплексов, характеризующихся простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах автоматики. Использование однотипных (унифицированных) средств даёт значительные эксплуатационные преимущества как с точки зрения их настройки, так и при техническом обслуживании и ремонте. В проектируемые системы автоматизации необходимо закладывать средства автоматизации с тем классом точности, который определяется действительными требованиями объекта автоматизации. Как известно, чем выше класс средства измерения, тем более сложной является конструкция прибора, тем выше его стоимость, сложнее эксплуатация. Количество приборов и средств автоматизации на оперативных щитах и пультах должно быть ограниченным. Излишек аппаратуры является не менее вредным, чем её недостаток: усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание обслуживающего персонала от наблюдений за основными приборами, определяющими ход технологического процесса, удлиняет сроки монтажных работ, увеличивает стоимость автоматизируемого объекта. |
|
|
Выбору промышленных приборов и средств автоматизации предшествует определение необходимого состава и составление функциональной схемы автоматизации технологического процесса (объекта), исходя из принятого принципа регулирования (управления), функциональных задач, которые должна выполнять система, и конструктивных особенностей серийных приборов. При составлении функциональной схемы автоматизации приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники необходимо показывать в соответствии с ГОСТ 21.404-85 и отраслевыми нормативными документами. При определении состава функциональной схемы необходимо руководствоваться следующим порядком действий: а) определяются возможные варианты использования сигнала датчика. Информация от датчика (чувствительного элемента) может использоваться несколькими системами контроля и регулирования. В современных системах сигнал датчика часто вводится непосредственно в управляющую вычислительную машину. Это вызывает необходимость выбирать датчики с несколькими выходными преобразователями и комплектовать их первичными приборами с высокоомным усилителем; б) анализируется возможность использования в системе автоматизации единого сигнала связи (например, сигнала постоянного тока 4…20 мА). Если современные технические средства контроля и регулирования не дают возможности использовать единый сигнал связи по выбранному каналу управления, то необходимо ввести в состав системы автоматизации нормирующий преобразователь (например, преобразователь напряжения переменного тока 0…1 В в сигнал постоянного тока 4…20 мА); в) определяется состав информационной аппаратуры (вторичных приборов, сигнальных устройств и др.), устанавливаемой по месту измерения и регулирования, на операторском пульте, на местном щите управления и г) исходя из функций системы автоматизации и иерархического структурного построения системы, определяется наличие ключей, кнопок управления, источников питания, блоков или пультов управления и т.д.; д) в зависимости от количества регулирующих органов, на которые будет воздействовать система регулирования, определяется соответствующее количество аппаратуры для реализации команд управления (магнитных пускателей, исполнительных механизмов и т.д.); е) на основе характеристики условий работы проектируемой системы автоматизации выбирается соответствующая ветвь средств автоматизации (электрическая, пневматическая, гидравлическая). Кроме того, необходимо учитывать эксплуатационную надежность элементов системы в данной среде, возможность реализации системы с минимальными затратами, необходимое быстродействие, протяженность каналов связи от датчика и до исполнительного механизма, используемого на данном предприятии или принятого в проекте автоматизации род энергии и т.д [8]. После определения состава функциональной схемы автоматизации следует приступить к выбору отдельных элементов (комплектованию системы). Рассмотрим подробнее выбор средств автоматизации на примере датчика. Пример. Выбор датчика технологического параметра определяется физической природой этого параметра. При этом анализируются технические характеристики и возможности всего ряда датчиков, пригодных для измерения регулируемой (контролируемой) величины. В процессе выбора датчика в первую очередь необходимо учитывать характеристики контролируемой и окружающей сред (температуру, влажность, давление и т.д.), в которых придется работать датчику. Также учитываются условия, в которых находится контролируемый параметр (в трубопроводах, в открытых емкостях под атмосферным давлением, в закрытых емкостях под избыточным давлением и т.д.). В зависимости от условий окружающей среды выбирают исполнение датчика (уровень искробезопасности, степень взрывобезопасности, климатическое исполнение и т.д.). Диапазон действия датчика выбирается с учетом минимальных и максимальных длительных значений регулируемой величины. Здесь необходимо учитывать, что необоснованно завышенный диапазон действия датчика снижает точность контроля (измерения). Погрешность датчика не должна превышать допустимой погрешности контроля (измерения) регулируемой величины, которая определяется технологией производства и погрешностью регулирования по выбранному каналу управления. Датчик должен выбираться с учетом передачи сигнала в последующие элементы системы автоматизации. Это значит, что выходной сигнал датчика должен соответствовать сигналу связи, принятому в проектируемой системе. Число выходных сигналов датчика (количество выходных преобразователей) определяется принятым составом функциональной схемы автоматизации. При выборе датчика необходимо установить возможность обеспечения условий для нормальной работы выбранного датчика, обеспечивающих паспортные параметры датчика в предлагаемом месте его установки. Так, например, для обеспечения нормальной работы диафрагменного расходомера объемного расхода необходимо иметь длину прямолинейного участка трубопровода 10 D до и 20 D после расходомера, где D -- диаметр трубопровода. Для нормальной работы щелевого расходомера объемного расхода необходимо обеспечить перепад высот (уровней) трубопровода и т.д. В ряде случаев следует учитывать электромагнитную (магнитную) совместимость датчика с другими элементами системы автоматизации и технологического оборудования. Немаловажное значение имеет стоимость датчика, зависящая от сложности его изготовления, стоимости чувствительного элемента, протяженности необходимых линий связи и масштабов производства (крупносерийные изделия предпочтительнее). Наконец, необходимо учитывать также фактор морального устаревания технических средств за промежуток времени между созданием проекта системы автоматизации и его воплощением, что вынуждает предъявлять более жесткие требования в отношении новизны и перспективности применяемых датчиков и других технических средств автоматизации. |
9 лекция. Трансформаторы
Содержание лекции: принцип действия и конструкции трансформаторов.
Цель лекции: изучить определения и понятия принципа действия и конструкций трансформаторов.
Трансформатор - это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, который преобразует параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту.
Преимущественное применение в электрических установках получили силовые трансформаторы, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы для преобразования не только напряжения переменного тока, но и его частоты, числа фаз и т. д. называют трансформаторными устройствами специального назначения.
Трансформаторы разделяются в зависимости от:
- числа фаз преобразуемого напряжения на однофазные и многофазные;
- числа обмоток, приходящихся на одну фазу трансформируемого напряжения, на двухобмоточные и многообмоточные;
- способа охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) и масляные (погруженные в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом).
Рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор. Его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток, первичная, подключается к источнику переменного тока с напряжением U1 и частотой f (см. рисунок 9.1). Переменный ток, проходящий по виткам этой обмотки, создает МДС, которая наводит в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с витками обмоток трансформатора и индуцирует, соответственно, в первичной w1 и вторичной w2 обмотках ЭДС.
е1=-w1dФ/dt, (9.1)
e2=-w2dФ/dt. (9.2)
Рисунок 9.1 -- Электромагнитная схема двухобмоточного трансформатора
Если магнитный поток трансформатора -- синусоидальная функция времени Ф=Фmaxsinwt, изменяющаяся с угловой частотой w = 2pf, то после подстановки его в (9.1) и (9.2), дифференцирования и преобразования, получим действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток:
E1=4,44fw1 Фmах, (9.3)
E2=4,44fw2 Фmах. (9.4)
В режиме холостого хода трансформатора, когда ток во вторичной обмотке отсутствует (обмотка разомкнута), напряжение на выводах вторичной обмотки равно ЭДС вторичной обмотки E2 = U20, а ЭДС первичной обмотки столь незначительно отличается от первичного напряжения, что этой разницей можно пренебречь: E1 >> U1.
Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения (ВН) к ЭДС обмотки низшего напряжения (НН) называют коэффициентом трансформации k. Для режима холостого хода трансформатора отношение указанных ЭДС практически равно отношению напряжений:
k = E1/E2=w1/w2>>U1/U20. (9.5)
Если w2<w1 и U2<U1, то трансформатор называется понижающим. Если w2 > w1, и U2>U1, то трансформатор называется повышающим. Один и тот же трансформатор в зависимости от того, к какой из обмоток подводится напряжение, может быть понижающим или повышающим.
Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением ZH, то в обмотке появится ток нагрузки I2. При этом мощность на выходе трансформатора определяется произведением вторичного напряжения U2 на ток нагрузки I2. С некоторым приближением можно принять мощности на входе и выходе трансформатора одинаковыми, т. е. U1I1 U2I2. Из этого следует, что отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений:
I1 /I2.U2 /U1 1/k. (9.6)
Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением rн, то, так как мощности на входе P1=I12r'H и выходе P2=I22rH трансформатора приблизительно равны, из уравнения:
I12r'H =I22rH , (9.7)
определим сопротивление нагрузки, измеренное на выводах первичной обмотки:
r'H ? rH I22/I12rHk2 , (9.8)
т. е. оно изменится в k2 раз по сравнению с сопротивлением rН.
Это свойство трансформаторов используется в межкаскадных трансформаторах для согласования входного сопротивления какого-либо каскада (блока) с выходным сопротивлением предыдущего каскада (блока).
Трансформатор является аппаратом переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе этого трансформатора окажется постоянным как по величине, так и по направлению, т. е. dФ/dt = 0. Такой поток не будет индуцировать ЭДС в обмотках трансформатора, что исключит передачу электроэнергии из первичной цепи во вторичную. Кроме того, отсутствие ЭДС в первичной обмотке трансформатора приведет к возникновению в ней тока недопустимо большой величины, следствием чего будет выход из строя этого трансформатора.
Основные части трансформаторов -- обмотки и магнитопровод. Магнитопровод состоит из стержней и ярм. На стержнях располагают обмотки, а ярма служат для соединения магнитопровода в замкнутую систему. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов применяют тонколистовую электротехническую сталь. При частоте переменного тока 50 Гц применяют листы (полосы) толщиной 0,5 или 0,35 мм. При частотах 400 Гц и более применяют листы (полосы) толщиной 0,2-0,08 мм. При частотах 1000 Гц и выше магнитопроводы изготавливают из железоникелевых сплавов типа пермаллой, характеризующихся улучшенными по сравнению с электротехническими сталями свойствами: более высокой магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой.
В зависимости от способа изготовления магнитопроводы трансформаторов бывают пластинчатые и ленточные. Магнитопроводы однофазных трансформаторов бывают трех основных видов: стержневые, броневые и тороидальные.
Пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, а-в) собирают из отдельных пластин, полученных путем штамповки или резки листовой электротехнической стали. Для уменьшения вихревых токов пластины изолируют друг от друга слоем изоляционного лака или оксидной пленкой. Стержневые пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, а) собирают из пластин (полос) прямоугольной формы. Пластины магнитопровода скрепляют в пакет либо посредством шпилек, электрически изолированных от пластин специальными втулками и шайбами, либо посредством бандажа из стеклянной нетканой ленты или ниток. Броневые пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, б) собирают из пластин Ш-образной формы. Они имеют лишь один стержень, на котором располагают все обмотки трансформатора. Тороидальные пластинчатые магнитопроводы (см. рисунок 9.2, в) собирают из отдельных штампованных колец.
Рисунок 9.2 -- Магнитопроводы трансформаторов
Ленточные разрезные магнитопроводы стержневого (см. рисунок 9.2, г) и броневого (см. рисунок 9.2, д) типов состоят из отдельных частей подковообразной формы. После установки заранее изготовленных обмоток эти подковообразные части соединяют встык и скрепляют стяжками. Тороидальные ленточные магнитопроводы (см. рисунок 9.2, е) изготавливают путем навивки ленты. Преимущества таких магнитопроводов -- отсутствие стыков, т.е. мест с повышенным магнитным сопротивлением.
Магнитопроводы броневого типа обеспечивают трансформаторам следующие достоинства: лучшее заполнение окна магнитопровода обмоточным проводом; частичную защиту обмотки ярмами от механических повреждений. Однако при броневом магнитопроводе ухудшаются условия охлаждения обмоток [8].
Кроме обмоток и магнитопровода, трансформаторы низкого напряжения имеют кожух, клеммную колодку и крепежные элементы. Металлический кожух соединяют с магнитопроводом и заземляют -- мера, необходимая по условиям техники безопасности. Высоковольтные трансформаторы делают масляными -- магнитопровод с обмотками помещают в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом, которое увеличивает электрическую прочность изоляции обмоток и способствует лучшему охлаждению трансформатора.
Подобные документы
Изучение области применения комплекса для проведения имитационных испытаний микропроцессорных систем железнодорожной автоматики на функциональную безопасность. Разработка программного обеспечения модуля управления и отладки. Тестирование системы команд.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 22.11.2014Середовище Delphi як засіб розробки комп'ютерних систем для роботи з базами даних. Основи технології ADO та особливості її застосування в Delphi. Опис та етапи розподілу інформаційних потоків на виробничій дільниці автоматики аглодоменного виробництва.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 26.10.2012Модели вычислительных процессов, оценка трудоемкости алгоритма методами теории марковских цепей. Модели мультиплексного и селекторного каналов. Экспоненциальные стохастические сети и их параметры. Матрица вероятностей передач, элементы автоматики.
курсовая работа [673,7 K], добавлен 08.11.2012Способы повышения комфорта в здании с помощью систем автоматики. Важнейшие функции автоматизации зданий. Конфигурируемые и свободно программируемые контроллеры, используемые в системах автоматизации зданий. Алгоритм управления вентиляцией и отоплением.
реферат [1,1 M], добавлен 15.03.2014Робота вузлів верстата АТПР800. Датчик "Аварія", "Обмеження переміщення", "Гальмування перед нулем", "Обнулення верстата". Програма створення функціональних схем роботи контролера автоматики. Панель файлових інструментів. Створення елементів та драйверів.
курсовая работа [917,5 K], добавлен 25.06.2013Подбор и редактирование теоретического материала в редакторе Microsoft Word. Краткое содержание электронного пособия, описание интерфейса. Создание оболочки автозапуска. Составление презентации в Microsoft Power Point. Безопасность и экологичность работы.
дипломная работа [5,0 M], добавлен 27.10.2013Проектирование корпоративных информационных систем. Автоматизация процесса выполнения лабораторных работ по дисциплине "Управление программными проектами". Построение модели ИС учебного процесса: архитектура, формализация пользовательских требований.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 20.08.2017Построение в соответствии с заданными параметрами структурных схем объекта локальной системы автоматического управления. Предварительный расчет параметров настройки ЛСУ по заданным показателям качества с использованием рекомендованной методики расчета.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 05.11.2011Полуавтоматические и автоматические устройства ввода графической информации. Устройство указания, сенсорные панели, экраны, графические планшеты. Цифровые камеры и ТВ-тюнеры. Основные виды сканеров. Автоматизация поиска и выделения элементов изображения.
презентация [1,6 M], добавлен 22.04.2015Классификация персональных компьютеров (ПК) по степени специализации, архитектуре процессора и др. Основные структурные элементы ПК: системный блок, монитор, мышь, клавиатура, внешние устройства. Дополнительные устройства, подключаемые к компьютерам.
презентация [912,5 K], добавлен 11.07.2017
