Технические средства автоматизации конспект лекций. Курс лекций по дисциплине «Технические средства автоматизации и. Программируемые системы автоматизации
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.
Вопрос 1 Основные понятия и определения САиУ
Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Автоматизация позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции, оптимизировать процессы управления, отстранить человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи. В состав систем автоматизации входят датчики (сенсоров), устройства ввода, управляющие устройства (контроллеры), исполнительные устройства, устройства вывода, компьютеры. Применяемые методы вычислений иногда копируют нервные и мыслительные функции человека. Весь этот комплекс средств обычно называют системами автоматизации и управления .
В основе всех систем автоматизации и управления лежат такие понятия как объект управления, устройство связи с объектом управления, контроль и регуляция технологических параметров, измерение и преобразование сигналов.
Под объектом управления понимается технологический аппарат или их совокупность, в которых осуществляются (или с помощью которых осуществляются) типовые технологические операции смешения, разделения или их взаимное сочетание с простыми операциями. Такой технологический аппарат вместе с технологическим процессом, который в нем протекает и для которого разрабатывают систему автоматического управления и называют объектом управления или объектом автоматизации. Из совокупности входных и выходных величин управляемого объекта можно выделить управляемые величины, управляющие и возмущающие воздействия и помехи. Управляемой величиной является выходная физическая величина или параметр управляемого объекта, которая в процессе функционирования объекта должна поддерживаться на определённом заданном уровне или изменяться по заданному закону. Управляющим воздействием является материальный или энергетический входной поток, изменяя который, можно поддерживать управляемую величину на заданном уровне либо изменять её по заданному закону. Автоматическим устройством или регулятором называют техническое устройство, позволяющее без участия человека, поддерживать величину технологического параметра или менять её по заданному закону. Автоматическое управляющее устройство включает в себя комплекс технических средств, выполняющих в системе определённые функции.В состав автоматической системы регулирования входят: Чувствительный элемент или датчик , служащий для преобразования выходной величины управляемого объекта в пропорциональный электрический или пневматический сигнал, Элемент сравнения - для определения величины рассогласования между текущим и заданным значениями выходной величины. Задающий элемент служит для задания величины технологического параметра, которую необходимо поддерживать на постоянном уровне. Усилительно-преобразующий элемент служит для выработки регулирующего воздействия в зависимости от величины и знака рассогласования за счёт внешнего источника энергии. Исполнительный элемент служит для реализации регулирующего воздействия. выработанного УПЭ. Регулирующий элемент – для изменения материального или энергетического потока с целью поддержания выходной величины на заданном уровне. В практике автоматизации производственных процессов автоматические системы регулирования комплектуются типовыми общепромышленными приборами, выполняющими функции вышеперечисленных элементов. Основным элементом таких систем является вычислительная машина, получающая информацию от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров. Эта же информация может поступать на аналоговые или цифровые устройства представления информации(вторичные приборы). Оператор-технолог обращается к этой машине с помощью пульта для ввода информации, не получаемой от автоматических датчиков, запроса необходимой информации и советов по управлению процессом. Работа САиУ базируется на основе получения и обработки информации.
Основные виды систем автоматизации и управления:
· автоматизированная система планирования (АСП),
· автоматизированная система научных исследований (АСНИ),
· система автоматизированного проектирования (САПР),
· автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК),
· гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП),
· автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ)
· система автоматического управления(САУ).
Вопрос 2 Состав технических средств автоматизации и управления САиУ.
Технические средства автоматизации и управления - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса.
Типовые средства автоматизации и управления могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными.
К техническим средствам автоматизации и управления относят:
− датчики;
− исполнительные механизмы;
− регулирующие органы (РО);
− линии связи;
− вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
− устройства аналогового и цифрового регулирования;
− программно-задающие блоки;
− устройства логико-командного управления;
− модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объектауправления (ТОУ);
− модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
− преобразователи сигналов из одной формы в другую;
−модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;
− буферные запоминающие устройства;
− программируемые таймеры;
−специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.
Технические средства автоматизации и управления можно систематизировать следующим образом:
СУ – система управления.
ЗУ – Задающее устройство (кнопки, экраны, тумблеры).
УОИ – Устройство отображения информации.
УОИ – Устройство переработки информации.
УсПУ – Преобразовательное / Усилительное устройство.
КС – Канал связи.
ОУ – Объект управления.
ИМ – Исполнительные механизмы.
РО – Рабочие органы (Манипуляторы).
Д – Датчики.
ВП – Вторичные преобразователи.
По функциональному назначению их делят на следующие 5 групп:
Входные устройства. К ним относятся - ЗУ, ВП, Д;
Выходные устройства. К ним относятся - ИМ, УсПИ, РО;
Устройства центральной части. К ним относятся - УПИ;
Средства промышленных сетей. К ним относятся - КС;
Устройства отображения информации – УОИ.
ТСАиУ выполняют следующие функции
: 1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса; 2. передачу информации по каналам связи; 3. преобразование, хранение и обработка информации; 4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем); 5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связь с оператором с помощью исполнительных механизмов. Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы: 1. средства на входе системы (датчики); 2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых); 3. внутрисистемные САиУ (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором; 4. средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций САиУ приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае. Одним из наиболее важных критериев выбора ТСАиУ может служить их стоимость.
Таким образом, технические средства автоматизации и управления включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства .
Классификация технических средств автоматизации не является чем-то, уж слишком, сложным и нагруженным. Однако, в целом технологические средства автоматизации имеют достаточно разветвленную структуру классификации. Попробуем разобраться с ней.
Современные средства автоматизации делятся на две группы: коммутированные и некоммутированные (программированные) технические средства автоматизации:
1) Коммутированные средства автоматизации
Регуляторы
Релейные схемы
2) Программированные средства автоматизации
ADSP процессоры
ADSP процессоры – средство автоматизации, которое используются для сложного математического анализа процессов в системе. Эти процессоры имеют быстродействующие модули ввода/вывода, которые с высокой частотой могут передавать данные на центральный процессор, который с помощью сложного математического аппарата анализирует работу системы. Пример – системы вибродиагностики, которые используют для анализа ряды Фурье, спектральный анализ и счетчик импульсов. Как правило, такие процессоры исполняются в виде отдельной PCI платы, которая монтируется в соответствующий слот компьютера и использует ЦП для математической обработки.
ПЛК (программируемый логический контроллер)
ПЛК – самые распространенные средства автоматизации. Имеют собственный блок питания, центральный процессор, оперативную память, сетевую карту, модули ввода/вывода. Преимущество – высокая надежность работы системы, адаптация к промышленным условиям. Кроме того используются программы, которые выполняются циклически и имеют так называемый Watch Dog, который используется для предотвращения зависания программы. Также программа выполняется последовательно и не имеет параллельных связей и этапов обработки, которые могли бы привести к негативным последствиям.
ПКК (Программируемые компьютерные контроллеры)
ПКК – компьютер с платами ввода/вывода, сетевыми картами, которые служат для ввода/вывода информации.
ПАК
ПАК (программированные автоматизированные контроллеры ) – ПЛК+ПКК. Имеют распределенную сетевую структуру для обработки данных (несколько ПЛК и ПКК).
· Специализированные контроллеры
Специализированные контроллеры – не являются свободно программируемыми средствами автоматизации, а используют стандартные программы, в которых можно изменить только некоторые коэффициенты (параметры ПИД-регулятора, время хода исполнительного механизма, задержки и т.д.). Такие контроллеры ориентированы на заранее известную систему регулирования (вентиляция, отопление, ГВС). В начале нового тысячелетия эти технические средства автоматизации получили большое распространение.
Особенностью ADSP и ПКК является использование стандартных языков программирования: C, C++, Assembler, Pascal , - так как они созданы на базе ПК. Эта особенность средств автоматизации является одновременно и достоинством и недостатком.
Преимущество в том, что с помощью стандартных языков программирования можно написать более сложный и гибкий алгоритм. Недостаток – для работы с ними необходимо создавать драйверы и использовать язык программирования, который является более сложным. Преимуществом ПЛК и ПАК является использование инженерных языков программирования, которые стандартизованы IEC 61131-3 . Эти языки рассчитаны не на программиста, а на инженера-электрика.
Принцип преобразования информации
Принципы управления основаны на принципе преобразования информации.
Преобразователи – устройства, использующиеся в преобразовании величин одной физической природы в другую и обратно.
Датчики – устройства, вырабатывающие дискретный сигнал в зависимости от кода технологического процесса или воздействия на них информации.
Информация и способы её преобразования
Информация должна обладать следующими свойствами :
1. Информация должна быть понятной в соответствии с принятой системой кодирования или её представлении.
2. Каналы передачи информации должны быть помехозащищенными и не допускать проникновение ложной информации.
3. Информация должна быть удобной для её обработки.
4. Информация должна быть удобной для её хранения.
Для передачи информации используются каналы связи, которые могут быть искусственными, естественными, смешанными.
Рис. 3. Каналы связи
По-подробнее о каналах связи мы будем говорить чуть позже.
Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.
Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, автоматизированный участок, цех и т. д.), нуждающийся в автоматическом или автоматизированном
управлении, называется объектом управления (ОУ) или техническим объектом управления
(ТОУ).
Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой
автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).
Ниже приведены наиболее широко используемые термины и их определения:
элемент - простейшая составная часть устройств, приборов и других средств, в которой
осуществляется одно преобразование какой-либо величины;(мы в дальнейшем дадим более
точное определение)
узел - часть прибора, состоящая из нескольких более простых элементов (деталей);
преобразователь - устройство, преобразующее один вид сигнала в другой по форме или виду
энергии;
устройство - совокупность некоторого числа элементов, соединенных между собой
соответствующим образом, служащая для переработки информации;
прибор - общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений,
производственного контроля, вычислений, учета, сбыта и др.;
блок - часть прибора, представляющая собой совокупность функционально объединенных
элементов.
сбор информации о текущем состоянии технологического объекта
управления (ОУ);
определение критериев качества работы ОУ;
нахождение оптимального режима функционирования ОУ и оптимальных
управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев
качества;
реализация найденного оптимального режима на ОУ.
Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА.
Различают четыре типа систем управления (СУ):
информационные;
автоматического управления;
централизованного контроля и регулирования;
автоматизированные системы управления технологическими процессами.В САУ все функции выполняются автоматически
при помощи соответствующих технических
средств.
Функции оператора включают в себя:
- техническую диагностику состояния САУ и
восстановление отказавших элементов системы;
- коррекцию законов регулирования;
- изменение задания;
- переход на ручное управление;
- техническое обслуживание оборудования.ОПУ - операторский пункт управления;
Д - датчик;
НП - нормирующий преобразователь;
КП - кодирующие и декодирующие
преобразователи;
ЦР - центральные регуляторы;
MP - многоканальное средство
регистрации (печать);
С - устройство сигнализации
предаварийного режима;
МПП - многоканальные показывающие
приборы (дисплеи);
МС - мнемосхема;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
К – контроллер.Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП) - это машинная система, в которой ТСА
осуществляют получение информации о состоянии объектов,
вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки
управления.
Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и
реализации с помощью локальных АСР или дистанционного
управления РО.
Различают следующие типы АСУТП:
- централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и
управления выполняет один компьютер;
- супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на
базе ТСА индивидуального пользования и центральным
компьютером, имеющим информационную линию связи с
локальными системами) ;
- распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций
контроля обработки информации и управления между несколькими
территориально распределенными объектами и компьютерами.Типовые средства автоматизации могут
быть:
-техническими;
-аппаратными;
-программно-техническими;
- общесистемными.РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТСА ПО УРОВНЯМ ИЕРАРХИИ АСУ
Информационно-управляющие вычислительные комплексы (ИУВК)
Централизованные информационные управляющие системы (ЦИУС)
Локальные информационно-управляющие системы (ЛИУС)
Регулирующие устройства и устройства управления (РУ и УУ)
Вторичный
преобразователь (ВП)
Первичный преобразователь (ПП)
Чувствительный элемент (ЧЭ)
Исполнительный
механизм (ИМ)
Рабочий
орган (РО)
ОУИУВК: ЛВС, серверы, ERP-, MES-системы. Здесь реализуются все цели АСУП,
вычисляется себестоимость продукции, издержки на производство.
ЦИУС: промышленные компьютеры, пульты управления, управляющие
комплексы, средства защиты и сигнализации.
ЛИУС: промышленные контроллеры, интеллектуальные контроллеры.
РУ и УУ: микроконтроллеры, регуляторы, регулирующие и сигнализирующие
устройства.
ВП: показывающие, регистрирующие (вольтметры, амперметры,
потенциометры, мосты), интегрирующие счетчики.
ИМ: двигатель, редуктор, электромагниты, электромагнитные муфты и пр.
ЧЭ: датчики тепло-технологических параметров, перемещения, скорости,
ускорения.
РО: механическое устройство, изменяющее количество вещества или
энергии, поступающей на ОУ, и несущее информацию об управляющем
воздействии. РО могут быть вентили, клапаны, нагреватели, затворы,
задвижки, заслонки.
ОУ: механизм, агрегат, процесс.К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:
датчики;
исполнительные механизмы;
регулирующие органы (РО);
линии связи;
вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
устройства аналогового и цифрового регулирования;
программно-задающие блоки;
устройства логико-командного управления;
модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния
технологического объекта управления (ТОУ);
модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
преобразователи сигналов из одной формы в другую;
модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов
управления;
буферные запоминающие устройства;
программируемые таймеры;
специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной
подготовки.К программно-техническим средствам автоматизации относят:
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
управляющие средства;
блоки многоконтурного, аналогового и аналого-цифрового регулирования;
устройства многосвязного программного логического управления;
программируемые микроконтроллеры;
локально-вычислительные сети.
К общесистемным средствам автоматизации относят:
устройства сопряжения и адаптеры связи;
блоки общей памяти;
магистрали (шины);
устройства общесистемной диагностики;
процессоры прямого доступа для накопления информации;
пульты оператора.В системах автоматического управления в качестве
сигналов обычно используются электрические и
механические величины (например, постоянный ток,
напряжение, давление сжатого газа или жидкости,
усилие и т.п.), так как они позволяют легко
осуществлять преобразование, сравнение, передачу на
расстояние и хранение информации. В одних случаях
сигналы возникают непосредственно вследствие
протекающих при управлении процессов (изменения
тока, напряжения, температуры, давления, наличия
механических перемещений и т.д.), в других случаях
они вырабатываются чувствительными элементами
или датчиками.Элементом автоматики называется простейшая конструктивно законченная в
функциональном отношении ячейка (устройство, схема), выполняющая определенную
самостоятельную функцию преобразования сигнала (информации) в системах
автоматического управления:
преобразование контролируемой величины в сигнал, функционально связанный с
информацией об этой величине (чувствительные элементы, датчики);
преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии: электрической
в неэлектрическую, неэлектрической в электрическую, неэлектрической в неэлектрическую
(электромеханические, термоэлектрические, электропневматические, фотоэлектрические и
другие преобразователи);
преобразование сигнала по значению энергии (усилители);
преобразование сигнала по виду, т.е. непрерывного в дискретный или обратно
(аналогоцифровые, цифроаналоговые и другие преобразователи);
преобразование сигнала по форме, т.е. сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока
и наоборот (модуляторы, демодуляторы);
функциональное преобразование сигналов (счетно-решающие элементы, функциональные
элементы);
сравнение сигналов и создание командного управляющего сигнала (элементы сравнения,
нуль-органы);
выполнение логических операций с сигналами (логические элементы);
распределение сигналов по различным цепям (распределители, коммутаторы);
хранение сигналов (элементы памяти, накопители);
использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные
элементы).Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы
управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на
чертежах изображают в виде различных схем:
электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.
Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о
составе и связях любого устройства или системы.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические
схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы
соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.
Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и
взаимосвязей.
Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих
в отдельных функциональных цепях или установке в целом.
Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все
связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей
установки.
Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью
проводов, кабелей, трубопроводов.
Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.
Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения
на месте эксплуатации.
Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного
раскрытия содержания и связей элементов установки.Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой
величины, т. е. у(t) - регулируемая величина.
Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения.
Величину g(t) будем называть задающим воздействием.
Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства
y(t)=g(t). Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на
элемент сравнения (ЭС).
На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g(t).
В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается у (t). На выходе ЭС
формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка
∆ = g(t) – y(t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный
элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования
(ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у (t) не
станет равна заданной g(t).
На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия:
нагрузка объекта, внешние факторы и др.
Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t).
Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал,
стремящийся свести это отклонение к нулю.По выполняемым функциям основные элементы
автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы,
реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы
импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).
По роду физических процессов, используемых в основе
устройств, элементы автоматики делятся на электрические,
ферромагнитные, электротепловые, электромашинные,
радиоактивные, электронные, ионные и др.Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) -
устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую
на его вход в виде некоторой физической величины, функционально
преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную
для воздействия на последующие элементы (блоки).Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий
количественное преобразование (чаще всего усиление)
поступающей на его вход физической величины (тока,
мощности, напряжения, давления и т.п.).Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство
выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных
пределах.
Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины
х определенного значения выходная величина у изменяется скачком.Распределитель (шаговый искатель) - элемент
автоматики, осуществляющий поочередное подключение
одной величины к ряду цепей.
Исполнительные устройства - электромагниты с втяжным
и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также
электродвигатели, относящиеся к электромеханическим
исполнительным элементам автоматических устройств.
Электродвигатель - это устройство, обеспечивающее
преобразование электрической энергии в механическую и
преодолевающее при этом значительное механическое
сопротивление со стороны перемещаемых устройств.ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
Основные понятия и определения
Каждый из элементов характеризуется какими-либо свойствами, которые
определяются соответствующими характеристиками. Некоторые из этих
характеристик являются общими для большинства элементов.
Главной общей характеристикой элементов является коэффициент
преобразования (или коэффициент передачи, представляющий собой
отношение выходной величины элемента у к входной величине х, или
отношение приращения выходной величины ∆у или dy к приращению
входной величины ∆х или dx.
В первом случае К=у/х называется статическим коэффициентом
преобразования, а во втором случае К" = ∆у/∆х≈ dy/dx при ∆х →0 -
динамическим коэффициентом преобразования.
Связь между значениями х и у определяется функциональной
зависимостью; значения коэффициентов К и К" зависят от формы
характеристики элемента или вида функции у =f(х), а также от того, при
каких значениях величин подсчитываются К и К". В большинстве случаев
выходная величина изменяется пропорционально входной и
коэффициенты преобразования равны между собой, т.е. К= К" = const.Величина, представляющая собой отношение относительного приращения
выходной величины ∆у/у к относительному приращению входной величины
∆х/х, называется относительным коэффициентом преобразования η∆ .
Например, если изменение входной величины на 2 % вызывает изменение
выходной величины на
3 %, то относительный коэффициент преобразования η∆ = 1,5.
Применительно к различным элементам автоматики коэффициенты
преобразования К", К, η∆ и η имеют определенный физический смысл и свое
название. Например, применительно к датчику коэффициент
преобразования называется чувствительностью (статической, динамической,
относительной); желательно, чтобы она была как можно больше. Для
усилителей коэффициент преобразования принято называть коэффициентом
усиления; желательно, чтобы он был также как можно больше. Для
большинства усилителей (в том числе и электрических) величины х и у
являются однородными, и поэтому коэффициент усиления представляет
собой безразмерную величину.При работе элементов выходная величина у может отклоняться от требуемого
значения за счет изменения их внутренних свойств (износа, старения материалов и
т.п.) или за счет изменения внешних факторов (колебания напряжения питания,
окружающей температуры и др.), при этом происходит изменение характеристики
элемента (кривая у" на рис. 2.1). Это отклонение называется погрешностью, которая
может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между полученным
значением выходной величины у" и расчетным (желаемым) ее значением ∆у = у"- у.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ∆у к
номинальному (расчетному) значению выходной величины у. В процентах
относительная погрешность определяется как γ = ∆ у 100/у.
В зависимости от причин, вызывающих отклонение, различают температурную,
частотную, токовую и другие погрешности.
Иногда пользуются приведенной погрешностью, под которой понимается
отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины.
В процентах приведенная погрешность
γприв = ∆y 100/уmax
Если абсолютная погрешность постоянна, то приведенная погрешность также
постоянна.
Погрешность, вызванная изменением характеристик элемента со временем,
называется нестабильностью элемента.Порогом чувствительности называется минимальная
величина на входе элемента, которая вызывает изменение
выходной величины (т.е. уверенно обнаруживается с помощью
данного датчика). Появление порога чувствительности
вызывают как внешние, так и внутренние факторы (трение,
люфты, гистерезис, внутренние шумы, помехи и др.).
При наличии релейных свойств характеристика элемента
может приобретать реверсивный характер. В этом случае она
также обладает порогом чувствительности и зоной
нечувствительности.Динамический режим работы элементов.
Динамическим режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного
установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а
следовательно, и выходная величина у изменяются во времени. Процесс изменения величин х и у
начинается с некоторого порогового времени t = tп и может протекать в инерционном и
безинерционном режимах.
При наличии инерционности наблюдается запаздывание изменения у по отношению к изменению
х. Тогда при скачкообразном изменении входной величины от 0 до х0 выходная величина у достигает
установившегося Yуст не сразу, а по истечении промежутка времени, в течение которого происходит
переходный процесс. При этом переходный процесс может быть апериодическим (неколебательным) затухающим или колебательным затухающим.Время tуст(время установления), в течение
которого выходная величина у достигает установившегося значения, зависит от инерционности
элемента, характеризуемой постоянной времени Т.
В простейшем случае установление величины у происходит по показательному закону:
где Т - постоянная времени элемента, зависящая от параметров, связанных с его инерционностью.
Установление выходной величины у тем продолжительнее, чем больше значение Т. Время установления tycт выбирается в зависимости от необходимой точности измерения датчика и составляет
обычно (3... 5) Т, что дает ошибку в динамическом режиме не более 5... 1 %. Степень приближения ∆у
обычно оговаривается и в большинстве случаев составляет от 1 до 10 % от установившегося значения.
Разность между значениями выходной величины в динамическом и статическом режимах называется динамической погрешностью. Желательно, чтобы она была как можно меньше. В электромеханических и электромашинных элементах инерционность в основном определяется механической
инерцией движущихся и вращающихся частей. В электрических элементах инерционность
определяется электромагнитной инерцией или другими подобными факторами. Инерционность
может быть причиной нарушения устойчивой работы элемента или системы в целом.
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.
(1 оценок, в среднем: 5,00 из 5)
Loading...
