Електромеханічні системи, їх види і функціональна структура

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Електромеханічні пристрої та системи

Енергетичну основу технологічних об'єктів становлять переважно джерела та споживачі електричної енергії (електричні генератори й двигуни, електромагнітні та електронні пристрої). Це обумовлено перевагами електричної енергії над іншими її видами. Основними з них є: можливість використання наявних енергоносіїв для ефективного виробництва електричної енергії; економічність передачі електричної енергії на великі відстані, розподілу між споживачами та перетворення в енергію інших видів; можливість побудови високоякісних автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУТП). Основним видом обладнання для виробництва електроенергії та її використання в технологічних об'єктах є електромеханічні пристрої.

Електромеханічний пристрій це технічний об'єкт, який за принципом роботи виконує функцію перетворювача електричної енергії в механічну або механічної в електричну. Основними енергоперетворювальними пристроями в технологічних об'єктах є електричні машини (двигуни та генератори). За типом механічних переміщень рухомої частині (ротора) існують конструкції електричних машин з обертальним та зворотно-поступальним видами руху. Найбільше застосування знаходять електричні машини обертального руху. Завдяки властивості обертальності одна й та ж електрична машина може працювати в двигуновому або генераторному режимі. До категорії електромеханічних пристроїв відносяться також тягові електромагніти, що використовуються в підйомно-транспортних механізмах, релейно-контакторній апаратурі та багатьох інших технічних пристроях і системах.

У галузі науки і техніки «Електромеханіка» технічні об'єкти, що містять у своєму складі електромеханічні пристрої, прийнято називати електромеханічними системами (ЕМС), з додаванням до назви функціонального (технологічного) призначення цих систем. Поняття електромеханічної системи багатогранне. Щонайперше, ЕМС - це технічна система, в якій здійснюються процеси перетворення електричної енергії в механічну або механічної енергії в електричну. Розглядаючи будь-який електромеханічний пристрій з позицій системного підходу, доходимо до висновку, що він є системою певного функціонального призначення, яка містить декілька елементів (можливо, й підсистем), конструктивно і функціонально пов'язаних між собою. Електродвигун і електрогенератор, як складні енергоперетворювальні пристрої, є електромеханічними системами. У той же час вони є головними енергоперетворювальними підсистемами, що входять у склад ЕМС відповідного функціонально-технологічного призначення як структурні елементи. Широко розповсюджені електромеханічні перетворювачі дискретної дії - електромеханічні системи контакторів і реле, штовхачів, муфт ковзання та інших технічних пристроїв. Комплекси комутаційних пристроїв (релейно-контакторна апаратура) для підключення/відключення, контролю, сигналізації, блокування та захисту електротехнічних та електронних пристроїв також є електромеханічними системами. Якщо в наших розсудженнях ми не торкаємось внутрішнього устрою системи, а розглядаємо лише її функціональні властивості, то цю систему відносимо до класу пристроїв.

В технологічних об'єктах з виробництва електроенергії (стаціонарних і мобільних) електромеханічними системами найближчого вищого рівня ієрархії по відношенню до електрогенераторів є перетворювальні агрегати (гідрогенератори, турбогенератори, дизель-генератори), в яких електромашинні генератори оснащені приводами їх роторів на базі турбін або двигунів внутрішнього згоряння. У промислових технологічних об'єктах електромеханічними системами найближчого вищого рівня ієрархії по відношенню до електродвигунів є електроприводи (ЕП) робочих органів (РО) технологічних машин (ТМ). Автоматизовані технологічні об'єкти містять також ЕМС наступного, угору за ієрархією, рівня. В енергогенеруючих об'єктах такими є ЕМС автоматичного регулювання параметрів електроенергії (напруги, частоти), а в технологічних об'єктах матеріального виробництва, трубопроводного транспорту та багатьох інших ЕМС керування (ЕМСК) процесами руху робочих органів технологічних машин (механізмів). В автоматизованих ТМ формування заданих законів руху робочих органів та їх відпрацювання автоматизованими електроприводами цих РО здійснюється автоматично, без участі людини, тому ЕМСК процесами руху робочих органів у складі таких ТМ є системами автоматичного керування (САК). Електромеханічні системи автоматичного керування (ЕМСАК) є окремим, достатньо специфічним і розпоширеним класом САК. Саме електромеханічні системи автоматичного керування є предметом вивчення навчальної дисципліни.

2. Основні поняття теорії автоматичного керування. Терміни та визначення

Управління (керування) це цілеспрямована сукупність дій, які змушують об'єкт управління (наприклад, ТМ) виконувати певний алгоритм функціонування з бажаним результатом. Лексикою української мови розмежування термінів «управління» та «керування» чітко не визначено, однак зазвичай термін «управління» застосовують для позначення функцій управління вищого рівня, які містять операції «командного» (координаційного) управління складними технічними (технологічними) об'єктами, а термін «керування» використовують стосовно до безпосереднього управління функціонуванням єдиного об'єкту (процесу) для виконання завдань, що надходять від системи управління (СУ) вищого рівня ієрархії.

Система управління (керування) це сукупність функціонально пов'язаних підсистем і пристроїв, що забезпечують виконання об'єктом управління (керування) певного (наприклад, технологічного) завдання. Якщо управління (керування) здійснюється без участі людини, то СУ (СК) називається автоматичною (САУ, САК). Прикладами автоматичних систем можуть бути САк робочим органом технологічної машини та САК електроприводом, якщо не приймати до уваги операції вмикання/вимикання, налагодження та ін., що виконуються людиною (групою людей). Якщо окремі операції управління здійснюе людина, то такі СУ (СК) називаються автоматизованими. До числа останніх можуть належати АСУТП, СУ технологічного агрегатом, Су технологічною машиною. Приймаючи до уваги співвідношення функцій «управління» та «керування», можна вважати, що системи керування (СК, САК) є частковим випадком систем управління (СУ, САУ). Що стосується технічних і технологічних об'єктів, то їх називають автоматизованими, якщо вони оснащені автоматичними або автоматизованими системами управління (керування).

Згідно до концептуальних положень теорії автоматичного керування, СУ (СК) будь-яким об'єктом (процесом) уявляє собою систему функціонально пов'язаних задавального, управляючого (керуючого) і виконавчого пристроїв, об'єкта управління та інформаційно-вимірювальної підсистеми (давачів вимірюваних перемінних стану виконавчого пристрою та об'єкта управління). функції задавального пристрою може виконувати СУ вищого рівня (за ієрархією). В автономній СУ, що не підпорядкована ніякої СУ вищого рівня ієрархії, задавальний пристрій уявляє собою пульт управління (як технічний засіб виконання функцій управління людиною оператором). Якщо управляючий (керуючий) пристрій виконує свої функції без участі людини, то СУ (СК) видноситься до категорії САУ (САК). Помітимо, що об'єктом управління (керування) можуть бути технологічний процес, технологічна система, технічний об'єкт або пристрій.

Функціональні зв'язки між структурними блоками СУ є інформаційними, за винятком зв'язку між виконавчим пристроєм та об'єктом управління, який може бути енергетичним. В електромеханічних СК має місце саме останній випадок. В електромеханічних СК виконавчий пристрій є енергоперетворювальним де енергетичний зв'язок показаний лінією без стрілки.

Крім основних структурних складових, перелічених у наведеному вище визначенні СУ (СК), в її склад входять пристрої, що забезпечують захист, блокування, сигналізацію, операції включення/відключення пристроїв, а в сучасних системах також діагностику, тестування і резервування, з конструктивним оформленням у вигляді пультів управління та схем електроавтоматики.

Об'єкт управління в процесі його функціонування підлягає різним діянням. З боку виконавчого пристрою він зазнає управляючі (керуючі) діяння, спрямовані на досягнення цілі управління. З боку довкілля та суміжних об'єктів і систем об'єкт управління зазнає збурюючі діяння, які можуть мати як детермінований, так і випадковий характер. Основною задачею СУ (СК) є забезпечення заданого закону (алгоритму) функціонування об'екта управління при будь-яких збурюючих діяннях.

Задачею управління технічним (технологічним) об'єктом часто є забезпечення постійності деякої фізичної перемінної (швидкості руху робочого органу ТМ, тиску, температури та ін.), або її змінення в часі за певним законом. Такий окремий вид управління (керування) називається регулюванням. Узагальнена структура системи автоматичного регулювання (САР) відрізняється від загальної структури СУ відсутністю задавального пристрою. Керуючий пристрій САР містить регулятори однієї або декількох фізичних перемінних. Невід'ємною ознакою САР є наявність зворотних зв'язків з однієї чи декількох регульованих фізичних перемінних (перемінних стану об'єкта управління), причому обов'язково - з головної регульованої перемінної у зовнішньому контурі регулювання. Формування управляючої дії є функцією деякого задавального пристрою, тому очевидно, що САР є структурною складовою системи управління (керування) об'єктом, перемінні стану якого підлягають регулюванню. Якщо кількість регульованих перемінних дорівнює двом і більше, то САР (будь-яка СУ) носить назву багатомірної, а в протилежному випадку одномірної системи.

В літературних джерелах, де розглядаються системи управління технічними об'єктами, іноді застосовується термін «система управління об'єкта». Цим терміном характеризується сукупність управляючого пристрою та інформаційно-вимірювальної підсистеми, а також виконавчого пристрою, тобто тих складових СУ, що пов'язані між собою інформаційними зв'язками. Зокрема, така термінологія застосовується в теорії електропривода для зазначення належності інформаційно пов'язаних підсистем (пристроїв) технічному об'єкту - автоматизованому електроприводу (АЕП).

Для систем управління і, зокрема, САР застосовується наступна класифікація.

Автоматичні системи стабілізації, що забезпечують підтримання регульованої фізичної величини на заданому рівні з потрібною точністю. До таких систем відносяться, наприклад, система регулювання температури в нагрівальній пічі, система регулювання швидкості двигуна та багато інших. Системи стабілізації поділяються на статичні та астатичні. Статичними системами називаються такі, в яких регульована величина в усталених режимах змінюється при зміненнях збурюючої дії. Астатичні системи забезпечують підтримку регульованої перемінної в усталеному режимі на незмінному рівні при зміненнях збурюючої дії. Інакше кажучи, астатичні САР забезпечують регулювання перемінних в усталеному режимі без похибки, тобто суворо на заданому рівні, а статичні САР з деякою похибкою, викликаною збурюючою дією.

Слідкуючі системи, що здійснюють відпрацювання завдання регульованої величини в часі за законом, якій заздалегідь невідомий. Прикладами такої системи можуть служити система наведення артилерійської гармати на ціль, що рухається, система навігації радіоантени, що забезпечує зв'язок з космічним об'єктом, та багато інших.

Системи програмного управління (керування), що здійснюють змінення регульованих величин в часі за законами, які заздалегідь запрограмовані (за визначеними програмами). До таких систем відносяться, зокрема, системи числового програмного керування верстатами.

Адаптивні системи, що здійснюють оптимальне, за заданим показником якості, управління поточним станом об'єкта при зміненнях умов його роботи. До класу адаптивних відносяться системи, що самонастроюються, самоорганізуються, самонавчаються.

3. Розподіл функцій управління в технологічних системах

В автоматизованих ТМ до складу кожної ЕМСК входять робочий орган технологічної машини (механізму), його привод і система управління приводом, функціонально пов'язані технологічним процесом. Тому ЕМСК, як підсистеми автоматизованих технологічних об'єктів, не можуть розглядатися відокремлено від технологічних процесів, для реалізації яких вони призначені.

Автоматизований технологічний комплекс з виробництва певного виду продукції функціонує під управлінням АСУТП, яка виконує функції управління технологічними агрегатами (ТА) і окремими ТМ у складі цього комплексу, тобто здійснює функцію координаційного управління цими технологічними об'єктами. АСУТП здійснює формування команд (сигналів) управління згаданими ТА і ТМ шляхом виконання певних алгоритмів обробки команд, що надходять від СУ виробництвом інформації про поточні значення контрольованих параметрів технологічного процесу та про стан всіх підсистем технологічного комплексу. АСУТП виконує функції управляючого пристрою, СУ виробництвом є аналогом задавального пристрою, сукупність ТА і ТМ технологічного комплексу є аналогом виконавчого пристрою, а об'єктом управління є технологічний процес виробництва певного виду продукції. Указані чотири структурні складові прямого тракту управління та інформаційно-вимірювальна підсистема з функціональними зв'язками між ними створюють автоматизований технологічний комплекс у вигляді СУ технологічним процесом, який здійснюється цим технологичним комплексом.

Автоматизований ТА містить власну систему управління систему управління технологічного агрегата (СУТА), яка виконує функцію координаційного управління технологічними машинами у складі цього ТА. Формування команд (сигналів) управління технологічними машинами здійснюється шляхом виконання певних алгоритмів обробки команд, що надходять від АСУТП, інформації про поточні значення контрольованих параметрів технологічного процесу та інформації про поточний стан всіх підсистем ТА. Отже, по відношенню до СУТА, як аналога управляючого пристрою з інформаційно-вимірювальною підсистемою в узагальненій структурі СУ, АСУТП виконує функції задавального пристрою (для кожної з СУ технологічних агрегатів та відокремлених ТМ, підпорядкованих до АСУТП безпосередньо. Аналогом виконавчого пристрою є сукупність ТМ і механізмів, які створюють цей ТА, а об'єктом управління є технологічний процес, що здійснюється саме цим ТА (частина технологічного процесу, що виконується всім технологічним комплексом). Указані чотири складові з функціональними зв'язками між ними створюють систему управління технологічним процесом, який здійснюється цим ТА.

Автоматизована ТМ містить декілька РО (можливо, єдиний) і власну систему управління систему управління технологічної машини (СУТМ), яка виконує функції управління механічними процесами (обробки, переміщення) шляхом координаційного управління приводами робочих органів з метою взаємного погодження часових, швидкісних, силових, траекторних та інших параметрів руху РО у відповідності до технологічного регламенту. Формування команд (сигналів) координаційного управління здійснюється шляхом виконання певних алгоритмів обробки команд, що надходять від СУТА, інформації про поточні значення контрольованих параметрів технологічного процесу та інформації про поточний стан всіх підсистем ТМ. Безпосереднє керування процесами виконання робочими органами корисної роботи здійснюють СК процесами руху робочих органів (СКРО). Результатом функціонування СУТМ є сигнали командного рівня, якими задаються цільові установки керування рухом робочих органів (величини переміщень, швидкості руху, обмеження силових параметрів та ін.), які передаються на входи СКРО. Отже, для СУТМ як аналога управляючого пристрою з інформаційно-вимірювальною підсистемою об'єктом управління є сукупність механічних процесів, які має виконувати ця ТМ (частина технологічного процесу, що виконується всім ТА), виконавчим пристроєм є комплекс систем керування процесами руху робочих органів (СКРО), а СУТА виконує функції задавального пристрою.

Розглянута функціональна структура автоматизованого технологічного комплексу є узагальненою. У промислових виробничих системах зустрічаються автономні ТА і ТМ, не підпорядковані АСУТП, а також ТМ, які не входять у склад ТА. Технологічна машина може уявляти собою единий механізм з приводом його робочого органу (можливо, декількох РО з груповим приводом). В таких часткових випадках СУ технологічного об'єкту є людино-машинною, функції управління командного рівня виконує оператор за допомогою пульта управління. Останній уявляє собою ЕМС у вигляді комплексу комутаційних пристроїв, засобів контролю і сигналізації.

В залежності від виду застосованого приводу, СКРО можуть бути електро-, гідро- або пневмомеханічними. У більшості практичних реалізацій приводи робочих органів технологічних машин, як згадувалось вище, виконуються електричними. Відповідно і СКРО типу ЕМСК відносяться до числа найбільш розповсюджених.

Електропривод РО (можливо, декількох РО при груповому приводі) технологічної машини у загальноприйнятому визначенні містить енергетичний (силовий) канал перетворення і передачі енергії у вигляді послідовного ланцюгу «перетворювальний пристрій - електродвигуновий пристрій - передатний пристрій», та інформаційний канал, складовими якого є керуючий пристрій та інформаційно-вимірювальна підсистема електропривода.

Задавальний пристрій у складі ЕМСК здійснює формування сигналів керування електроприводом шляхом виконання певних алгоритмів обробки команд, що надходять від СУТМ, інформації про поточні значення контрольованих параметрів технологічного процесу та інформації про поточний стан підсистем ЕМСК. Результатом функціонування задавального пристрою є сигнали, якими задаються потрібні за умов технології поточні значення механичних перемінних стану електропривода, а можливо, і робочого органа (положення, швидкості руху, моменту, сили). Вихідні сигнали задавального пристрою є вхідними (задавальними) для електропривода. електропривод здійснює безпосереднє керування процесами руху РО (одного РО при індивідуальному, або декількох при груповому приводі). Якщо ЕП є автоматизованим, тобто таким, що оснащений САР перемінних стану (координат) ЕМС, то ЕМСК уявляє собою автоматизовану ЕМС, яка відноситься до категорії ЕМСАК. Отже, в ЕМСК (у загальному випадку СКРО) функції керуючого і виконавчого пристроїв виконує електропривод, а об'єктом керування є процес руху (поточний стан) РО технологічної машини.

Слід мати на увазі, що керуючий пристрій (КП) електропривода, перетворювальний та електродвигуновий пристрої містять не тільки пристрої, в яких здійснюються інформаційні та енергетичні процеси, але й електромеханічні пристрої для виконання дискретних в часі операцій вмикання/вимикання, захисту та ін. Якщо ЕП не є автоматизованим, тобто КП електропривода не містить регуляторів координат (перемінних стану) енергетичного каналу, а електродвигуновий пристрій (електродвигун) того ж роду струму, як і джерело живлення (живільна мережа), то електричний перетворювальний пристрій може бути відсутнім. Такий випадок має місто, наприклад, коли автономна ТМ уявляє собою единий механізм з електричним приводом РО, задавальним пристроєм є пульт управління, а КП електропривода виконаний у вигляді релейно-контакторної схеми керування двигуном.

В літературних джерелах часто використовується термін «СК електроприводом». Зіставлення цього терміну з наведеними вище визначеннями об'єктів класів «Система управління (керування)», «ЕМСК» і «Електропривод» не дає підстав вважати ЕМСК системою керування електроприводом, тому що в прямому тракті ЕМСК між задавальним пристроєм і електроприводом відсутній керуючий пристрій, а функцію керування електроприводом виконує, по суті, задавальний пристрій. Однак, оскільки ЕМСК здійснює керування процесом руху РО шляхом формування певного закону руху електропривода, то ЕМСК можна вважати системою, яка виконує функції керування електроприводом.

Подання СУТМ як системи, яка виконує тільки функції координаційного управління робочими органами ТМ, є в певній мірі умовним. До функцій СУТМ можна віднести й формування заданих законів руху приводів РО, що здійснюється відповідними підсистемами СУТМ (віртуальними, у вигляді підпрограм роботи промислового контролера, на базі якого виконана СУТМ). Виділення підсистем формування заданих законів руху приводів як окремих структурно-функціональних блоків (задавальних пристроїв) дає можливість, по-перше, подати структурну схему автоматизованої ТМ з чітким розподілом функцій, що виконуються її структурними елементами, а по-друге, врахувати сучасну тенденцію модульної побудови мікропроцесорних контролерів у складі комплектних електроприводів, яка дозволяє комплектування контролера спеціальним модулем так званою «технологічною платою». Така «технологічна плата» як раз і виконує функцію формування заданого закону руху робочого органа, а виходить, і електропривода, тобто вона є технічним і програмним засобом реалізації задавального пристрою ЕМСК.

Стосовно використання термінів «управління» та «керування» слід зауважити, що підставою для присвоєння системам АСУТП, СУТА, СУТМ саме таких назв (система управління) є виконання функцій організаційних систем (координації роботи підпорядкованих об'єктів), а назву «система керування» ми використовуємо для систем ЕМСК, ЕМСАК, СКРО, що здійснюють функції управління локальними об'єктами.

Найбільш складною, за структурно-функціональною організацією, підсистемою ЕМСК є електропривод робочого органу (можливо, декількох) технологічної машини.

енергоперетворювальний генератор привод

4. Приклад автоматизованої технологічної машини у складі технологічного агрегату

ТА можна вважати таким, що складається з двох функціональних частин: виконавчої та управляючої. Виконавча частина це сукупність всіх тм в кількості N (верстат, промисловий робот, суміжні технологічні машини), що входять у склад цього ТА. Промисловий робот (ПР) позначений на рис.1.4 як ТМ1 (перша ТМ за їх умовною нумерацією). Управляюча частина ТА територіально відокремлена від технологічного обладнання, за винятком давачів параметрів технологічного процесу та перемінних стану приводних пристроїв робочих органів (давачі є елементами інформаційно-вимірювальної підсистеми управляючої частини, однак розташовані в середі технологічного обладнання та приводних пристроїв). Крім інформаційно-вимірювальної підсистеми (сукупності давачів контрольованих та регульованих параметрів з каналами передачі інформації), управляюча частина ТА містить: пульт управління (ПУ), з якого оператор здійснює уведення технологічного завдання і контроль його виконання; управляючий пристрій технологічного агрегата (УПТА), що координує роботу технологічних машин; управляючі пристрої промислового робота (УППР) та інших ТМ. У відносно простих ТА управляючі пристрої (системи управління) технологічних машин і механізмів можуть бути реалізовані програмно в УПТА, що виконується на базі достатньо потужного промислового контролера. В складних ТА управляючі пристрої технологічних машин і механізмів виконують на базі окремих (локальних) контролерів. Управляючі пристрої технологічних машин, виконуючи алгоритми координаційного управління робочими органами, одночасно можуть виконувати функції формування законів руху приводів РО.

Прикладом автоматизованої ТМ є промисловий робот. Промисловий робот також конструктивно складається з двох частин: виконавчої та управляючої. Виконавчу частину ПР складають маніпуляційна система (М) і несуча платформа (НП), на якій розташована маніпуляційна система. Ланки маніпуляційної системи та несуча платформа мобільного робота є його робочими органами. Вони оснащені приводними пристроями переміщення у вигляді двигунових (електричних, гідравлічних, пневматичних) та передатних пристроїв (у загальному випадку, а частіше всього без них). Управляюча частина ПР містить управляючий пристрій робота (УППР), який виконує функції СУТМ і задавальних пристроїв для приводів робочих органів робота, та блок БКП керування приводними пристроями робочих органів робота, якій містить керуючі пристрої інформаційних каналів та перетворювальні пристрої енергетичних каналів приводів. Керуючі пристрої можуть бути програмно інтегровані в алгоритм роботи УППР. Структурні блоки УППР та БКП мають інформаційні зв'язки з УПТА і давачами траекторних, швидкісних, енергетичних та механічних параметрів роботи приводів і руху робочих органів ПР.

Аналогічно до ПР структури інших ТМ і механізмів технологічного агрегату поділяються на виконавчі та управляючі частини, останні мають інформаційні зв'язки з УПТА і давачами технологічних параметрів та перемінних стану приводів робочих органів, а двигунові пристрої приводів отримують енергію (електричну, стиснутого газу або рідини) від перетворювальних пристроїв у складі відповідних блоків керування приводними пристроями.

Завершуючи огляд загальних принципів побудові автоматизованих ТА і ТМ, зазначимо, що системи управління технологічних машин і агрегатів широкого застосування в сучасних умовах можуть оснащуватись специфікованими управляючими пристроями на базі промислових контролерів, які носять назву систем числового програмного управління (ЧПУ).

Размещено на Allbest.ru