Астапов В.Н. Лекции по ТСА

Подождите немного. Документ загружается.

Курс лекций по дисциплине «Технические средства автоматизации»

Лекций 38 час.

Лаб.раб. 114 час.

Конс. 2 час.

Экзамен 12 час.

Лекция 1

Введение

Автоматизация производства - процесс в развитии машинного

производства, при котором функции управления и контроля, ранее

выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим

устройствам. Автоматизация производства - основа развития современной

промышленности, генеральное направление технического прогресса. Основная

ее цель заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества

выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования

всех ресурсов производства. Различают А. п.: частичную, комплексную и

полную. Для реализации данных задач используется комплекс технических

средств автоматизации.

Рассмотрим основные термины и устройства применяемые в данной

дисциплине

Технические средства автоматизации - приборы, устройства и

технические системы, предназначенные для автоматизации производства. Т.С.А.

обеспечивают автоматическое получение, передачу, преобразование, сравнение

и использование информации в целях контроля и управления

производственными процессами.

Первичным преобразователем (ПП) перемещения называется

устройство, воспринимающее контролируемое входное перемещение (линейное

или угловое) и преобразующее его в выходной сигнал (как правило,

электрический), удобный для дальнейшей обработки, преобразования и, если это

необходимо, передачи по каналу связи на большие расстояния. Являясь

важнейшей составной частью цифровых преобразователей, первичные

преобразователи перемещений во многом предопределяют параметры цифрового

первичного преобразователя (ЦПП) в целом, поскольку именно первый этап

преобразования перемещение – электрический параметр в основном определяет

такие характеристики ЦПП, как точность, быстродействие, линейность

управления и т.д.

Основные требования, которые предъявляются при разработке

конструировании к ПП перемещений: высокая точность измерения (или

контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость

информативного параметра, малые нелинейные искажения, высокая

технологичность, небольшая стоимость, малые теплоотдача, габариты, масса и

т.д., что достаточно важно в условиях производства.

Датчик - первичный преобразователь, элемент измерительного,

сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы,

преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту,

скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал,

удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а

также для воздействия им на управляемые процессы.

«Интеллектуальные приборы»

Термин "интеллектуальные" для первичных устройств был введен для тех

первичных устройств, внутри которых содержится микропроцессор. Обычно это

добавляет новые функциональные возможности, которых не было в аналогичных

устройствах без микропроцессора. Например, интеллектуальный датчик может

давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений

для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной

зависимости. Интеллектуальный датчик имеет возможность работать с большой

разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также составлять

одно или несколько измерений в одно новое измерение (например, объемный

расход и температуру в весовой расход). И наконец, интеллектуальный датчик

позволяет производить настройку на другой диапазон измерений или

полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней

самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.

Программируемые контроллеры.

В настоящее время на рынке средств автоматизации представлено огромное

количество различных программируемых логических контроллеров. Они

производятся многими известными фирмами, занимающимися разработками

средств автоматизации. В настоящие время PLC выпускается более 50

производителями: Siemens, Allen-Bradley, Octagon Systems, GE, Koyo, ABB,

Advantech и т.д.

Контроллер (англ. controller - регулятор, управляющее устройство) —

электрический прибор, с помощью которого в телемеханике и системах

управления измеряют токи, напряжения, температуру и другие физические

параметры объекта, передают и принимают данные по каналам связи, передают

на объект управляющие воздействия, используют в качестве локального

автоматического регулятора.

В настоящее время контроллеры — достаточно малогабаритные

устройства, поэтому часто встречается название микроконтроллеры. Как

правило, контроллеры оснащены микропроцессорной начинкой, позволяющей

программировать контроллер на решение заданного круга задач, отсюда другие

названия: программируемые контроллеры и программируемые логические

контроллеры, которые обычно сокращают до ПЛК в русских описаниях и PLC в

английских. Современный контроллер может обладать достаточно мощным

процессором, класса Pentium, обычно с небольшим энергопотреблением.

Контроллеры могут быть специализированными, рассчитанными на

эффективное решение определённой задачи (например, контроллер релейной

защиты) или универсальными, которые могут решать разноплановые задачи в

соответствии с установленным набором блоков и вариантом программного

обеспечения — например, задачу съёма показаний с приборов учета.

Сетевая технология Ethernet

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов

и реализующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых

адаптеров, драйверов, кабелей и разъёмов), достаточный для построения

вычислительной сети. Иногда сетевые технологии называют базовыми

технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис любой сети.

Исполнительный механизм - сервопривод, устройство, предназначенное

для перемещения регулирующего органа (регулирующий орган может быть

выполнен в виде вентиля, клапана, задвижки, крана, шибера, заслонки и др.) в

системах автоматического регулирования или дистанционного управления, а

также в качестве вспомогательного привода элементов следящих систем,

рулевых устройств транспортных машин и т, п.

И. м. обычно состоит из двигателя, передачи и элементов управления, а

также элементов обратной связи, сигнализации, блокировки, выключения. И. м.

для регулирования потока жидкостей и газов представляет собой клапан,

задвижку или затвор, перемещаемые гидравлическим, пневматическим или

электрическим приводом.

Контроллер MicroPC

компании Octagon Systems

Контроллер SIMATIC S7- 400

компании SIEMENS

Контроллер SIMATIC S7- 300

компании SIEMENS

Классификация исполнительных механизмов

В пневматических исполнительных механизмах перестановочное усилие

создается за счет действия сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон.

В соответствии с этим конструктивно И. м. подразделяют на

• мембранные

• поршневые

• сильфонные

В гидравлических исполнительных механизмах перестановочное усилие

создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень или

лопасть. В соответствии с этим конструктивно И. м. подразделяют на

• мембранные

• поршневые

• лопастные

Электрические И.м. характеризуются:

а) разнообразием типов электродвигателей;

б) простотой питания в промышленных условиях;

в) легкостью получения больших скоростей.

Электрические И.м. по принципу действия подразделяются на

• электродвигательные

• электромагнитные

а по характеру движения выходного органа делятся на

• прямоходные (поступательное движение)

• поворотное (вращательное движение)

поворотные в свою очередь делятся на

• однооборотные

• многооборотные

Лекция 2

Контрольно-измерительные средства систем автоматизации техническими

объектами и технологическими процессами

Датчики. Назначение, основные группы датчиков и физические принципы

действия. Датчики скорости (частоты вращения), угла поворота, положения (пе-

ремещения). Средства измерения температуры и давления. Уровнемеры и расхо-

домеры. Оптоволоконные датчики. Измерительные преобразователи (ИП). На-

значение, классификация, принципы построения ИП.

Управление технологическим процессом возможно на основании получае-

мой информации о его состоянии и ходе. Разнообразие технологических процессов

различных отраслей промышленного производства обусловило необходимость

получения информации о большом числе технологических параметров. Кадастр

величин, подлежащих измерению содержит свыше 2000 измеряемых величин,

охватывающих отрасли разработки сырьевых ресурсов, энергетику, производство

промышленной, сельскохозяйственной и других видов продукции и товаров.

Он объединяет физические величины, которые определяют состояние

технологических объектов управления различных отраслей. К ним относятся

величины пространства и времени, механические, электрические и магнитные,

акустические, световые, а также относительные.

Рациональное сокращение номенклатуры технических средств авто-

матизации и их конструктивных элементов и узлов достигается на основе после-

довательного применения агрегатных способов построения снизу доверху, начи-

ная от конструирования простейших функциональных блоков и кончая проекти-

рованием сложных автоматизированных систем управления.

В нашей стране создана единая Государственная система промышленных

приборов и средств автоматизации (ГСП), представляющей рационально органи-

зованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам аг-

регатирования и предназначенных для построения автоматизированных систем

измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в

различных отраслях промышленности. Разработаны научные основы построения

ГСП, структуры, принципы совместимости приборов и устройств, разработан

комплекс стандартов ГСП, в том числе ГОСТ 12997-84 ГСП.

Измерительные преобразователи (ИП) - это устройства, предназначенные

для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи,

преобразования, обработки и хранения сигнала, но не поддающейся

непосредственному восприятию наблюдателя.

Различают ИП с естественными и унифицированными выходными сигналами.

Измерительные преобразователи с естественными выходными сигналами -

устройства, в которых осуществляется первичное (обычно однократное) преоб-

разование измеряемой физической величины. Несмотря на большое разнообразие

измеряемых величин виды естественных выходных сигналов в ГСП удается ог-

раничить десятью. К ИП с естественным представлением информации относится

большая группа устройств - термоэлектрические преобразователи, термометры

сопротивления, тензорезисторы, дифференциально-трансформаторные датчики.

Такие ИП применяются в локальных устройствах контроля и автоматизации

либо при централизованном контроле сравнительно простых объектов. Измери-

тельные преобразователи с унифицированными выходными сигналами имеют

на выходе сигналы, предусмотренные соответствующими стандартами; в боль-

шинстве случаев применяются унифицированные сигналы. Для преобразования ес-

тественных сигналов в унифицированные в ГСП предусмотрены нормирующие

преобразователи.

В основном датчики представляют собой единое изделие (собственно

датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифициро-

ванные сигналы (УС): релейные; непрерывные токовые ( 0 - 5 мА, 0 - 2 0 мА) и

непрерывные напряжения постоянного тока (0-10 мВ, 0 - 5 0 мВ, 0 - 1 В, 0- 10

В, 0 - 12 В, 0 - 24 В); непрерывные частотные (1500 - 2500 Гц, 4000 - 8000 Гц);

непрерывные напряжения переменного тока 50 Гц (0 - 1 В, 0 - 2 В) и др. Все

выше перечисленные электрические сигналы определены стандартами.

Датчики оцениваются по таким характеристикам, как точность, линей-

ность и разрешающая способность, частотная характеристика, характеристика

шума, входной и выходной импеданс и другим параметрам. По структуре по-

строения в зависимости от способа соединения элементов датчики разделяются

на три вида: с последовательным преобразованием, дифференциальные и ком-

пенсационные.

В последние годы широкое применение получили оптоэлектронные

датчики (положения, скорости, вращения, измерения длины и перемещения,

датчики охранной сигнализации, датчики счета и т.д.)

Оптоэлектронный преобразователь 9 представлен на рис.1. При

перемещении индентора, одновременно с ним перемещается оптическая решетка

10, в результате чего она пересекает оптические излучения светодиодов и

попеременно затемняются фотодиоды, которые вырабатывают импульсные

синусоидальные сигналы, принимающие нулевые значения при каждом

смещении решетки 10 на один шаг (например 16 мкм).

Сигналы на выходах между собой сдвинуты на 90

+ U

1 1

1 0

Ð è ñ . 2

Рис.1. Оптоэлектронный преобразователь.

Сигналы с выходов оптоэлектронного преобразователя 9, сдвинутые

на 90

, поступают на усилители 19,20. Усиленные сигналы поступают на

компараторы.

Преобразователь импульсов в цифровой код, перемещения решетки

преобразует синусоидальные сигналы в информационный цифровой код.

Датчики оцениваются по таким характеристикам, как точность, линей-

ность и разрешающая способность, частотная характеристика, характеристика

шума, входной и выходной импеданс и другим параметрам. По структуре по-

строения в зависимости от способа соединения элементов датчики разделяются

на три вида: с последовательным преобразованием, дифференциальные и ком-

пенсационные.

Термопара, вихретоковые, ИК-датчики, УФ-датчики, индуктивные,

УЗ-датчики, микроволновые, и т.д.

Лекция 3,4

«Интеллектуальные технические средства автоматизации»

Устройство для дистанционного контроля уровня жидкости.

Для автоматизированного учета нефтепродуктов на сырьевом и товарном

складе, а также при перекачках необходимо контролировать уровень

нефтепродуктов в емкостях. Для таких целей разработано большое количество

различных уровнемеров. Но большинство из выпускаемых приборов для

контроля уровня в многотонажных емкостях не удовлетворяют своими

эксплуатационными характеристиками потребителя. Для коммерческого

применения таких приборов, требования к ним предъявляются очень высокие,

это и эксплуатация в широком температурном диапазоне, высокая точность,

возможность снятия информации в автоматическом режиме, передача

информации на большие расстояния и простота в обслуживании.

1 6

1 7

1 8

1 5

1 4

1 3

1 2

1 1

1 0

Ô è ã 1

Рис.2. Гидростатический датчик уровня.

Устройство представленное на рис. 2 удовлетворяет таким требованиям.

Данное устройство для непрерывного контроля уровня жидкости, основано на

измерении гидростатического столба жидкости с автоматической компенсацией

на изменение плотности жидкости. Прибор обладает также автоматической

корректировкой уровня от волнения жидкости в емкости, которое возникает при

перекачках нефтепродуктов из емкости или в емкость.

Гидростатический датчик уровня жидкости крепится кронштейнами 1 и 2 к

стенке емкости 3, уровень жидкости в которой измеряют. К кронштейнам

одними концами закреплены сильфоны 4, 5, другие концы которых герметично

укреплены на поплавке 6. В поплавке 6, часть которого показана в разрезе,

установлен полый цилиндрический шток 7. Шток одним концом крепится к

днищу сильфона 8, внутри которого расположен преобразователь малых

перемещений 9, корпус которого размещен в сквозном отверстии поплавка.

Шток свободно ходит в поплавке. Оптоэлектронный преобразователь включает в

себя оптическую решетку 10, закрепленную к днищу сильфона 8, и

оптоэлектронную пару 11, втулку 12, через которую проходят

соединительные провода от преобразователя 9. Детали и провода электрической

схемы залиты компаундом. Кронштейн 1 соединен с цилиндрическим полым

штоком 13 герметично относительно емкости 3. Через полый шток

проводниками оптоэлектронная пара 11 соединена с преобразователем

импульсов в цифровой код 14. Данные с преобразователя поступают в блок

обработки информации, в качестве которого служит микроконтроллер, имеющий

в своей архитектуре блок памяти программ 16, блок памяти данных 17 и

алфавитно-цифровую индикацию 18.

Работа данного устройства осуществляется следующим образом.

При заполнении емкости жидкостью, уровень которой измеряется,

последняя гидростатическим столбом Н оказывает давление по всей

эффективной площади измерительного сильфона 8, при этом перемещение дна

сильфона и связанного с ним штока 10 с оптической решеткой будет

пропорционально и уровню и плотности.