Гудинов В.Н., Корнейчук А.П. Технические средства автоматизации: Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

хранения, переработки (арифметической, логической и др.) и выработки команд и

сигналов управления на объект управления.

По принципу действия все устройства переработки информации делят на

контактные (в конструкции которых использованы различные контактные узлы)

и бесконтактные (принцип работы которых основан на изменении каких-либо

электрических или магнитных параметров: тока, напряжения, сопротивления,

емкости, индуктивности, магнитного потока и др.)

Электрический контакт – место перехода тока из одной токоведущей

детали в другую. Конструктивно коммутирующие контакты выполняют в виде

контактного узла, состоящего из нескольких деталей: неподвижного контакта,

подвижного контакта, элементов управления (привода) подвижным контактом и

вспомогательных устройств (крепления, монтажа, защиты и пр.).

Наибольшее распространение в конструкциях электрических ТСА получили

следующие контактные узлы:

– Мостиковый контактный узел, в котором подвижный контакт

самоустанавливается относительно неподвижного, что позволяет компенсировать

неточности изготовления и износ деталей.

– Контактный узел с плоскими пружинами, работающий с эффектом

проскальзывания, что обеспечивает постоянное очищение контактируемых

поверхностей от пыли, грязи и окисных пленок.

– Рычажный контактный узел с шарнирным закреплением, работающий с

эффектом притирания и перекатывания контактов, что способствует их лучшему

самоочищению и уменьшению переходного сопротивления, поэтому они часто

используются в мощных коммутационных устройствах (например, контакторах).

– Магнитоуправляемый герметизированный контакт (геркон) – особая

разновидность малогабаритного контактного узла, представляющего собой

миниатюрную запаянную стеклянную колбу, в которую впаяны плоские

контактные пружины, выполненные из магнитомягкой стали и служащие

одновременно контактами, магнитопроводом и возвратной пружиной. При

помещении колбы в магнитное поле, пружины намагничиваются и под действием

силы электромагнитного притяжения замыкают цепь. После исчезновения

магнитного поля контакты размыкаются за счет упругости пружин. Основное

преимущество герконов – их высокая надежность и долговечность.

– Жидко-металлические контакты, основными достоинствами которых являются

малое переходное сопротивление, отсутствие необходимости в контактном

нажатии, отсутствие эффектов пригорания и залипания контактов, возможность

работы при высоком давлении, температуре и вакууме, большая механическая и

электрическая износостойкость (долговечность).

Условные графические обозначения и буквенно-цифровые коды

электрических контактов (замыкающих, размыкающих, переключающих),

применяемых в различных ТСА, определяются соответствующими ГОСТами [4-7]

В процессе работы контактных узлов различают четыре состояния

контактов: два стационарных (замкнутое и разомкнутое) и два переходных

(замыкание и размыкание). Наибольший интерес для изучения представляют

тяжелые режимы, при которых контакт подвергается наибольшему износу. Это,

во-первых, замкнутое состояние, когда через контакты течет ток нагрузки I

, и,

во-вторых, процесс размыкания, когда на контактах возникают дуговые

(искровые) явления.

Важной характеристикой замкнутого состояния контактов является

сопротивление электрического контакта R

соб

, которое состоит из

небольшого собственного сопротивления R

соб

материала контактов-деталей и так

называемого переходного сопротивления R

, которое и определяет ток нагрузки и

коммутируемую мощность контактного узла.

Наиболее тяжелый режим работы контактов связан с размыканием

электрической цепи. При этом возникает электрическая дуга (искра), которая

вызывает эрозию или подгорание контактов, поддерживает ток в цепи, снижая

тем самым быстродействие электрического устройства. Появлению и

поддержанию дуги в основном способствует ЭДС самоиндукции, возникающая

при размыкании цепей, содержащих индуктивность. Все методы борьбы с

дуговыми явлениями разделяют на две группы.

1. Электрические (схемные). Воспрепятствовать появлению дуги можно

увеличением падения напряжения на дуге, для чего необходимо уменьшать ток

дуги. Для этого параллельно контакту подключают последовательный RC-контур.

В процессе размыкания контакта на дуговом промежутке быстро нарастает

напряжение Uд, и конденсатор заряжается, отнимая энергию дуги. Величина

зарядного тока:



; таким образом, чем больше емкость С, тем больший ток

будет идти через неё, уменьшая ток дуги. В момент замыкания контакта

заряженный конденсатор С разряжается через резистор R.

На маломощных контактах редко появляется электрическая дуга, но часто

происходит искрение, особенно при малых значениях раствора. Искрение

увеличивается при вибрации (дребезге) контактов. Для уменьшения искрения

применяют также специальные схемы, создающие дополнительную

электрическую цепь, по которой замыкается ток i

, вызванный ЭДС

самоиндукции. При постоянном токе часто применяют шунтирование

индуктивной нагрузки диодом.

Все схемные методы дугогашения ухудшают динамические параметры

электромагнитных устройств автоматики, увеличивая время их переключения.

2. Механические (конструктивные) методы дугогашения более дорогостоящи

и громоздки и применяются в основном в силовых коммутационных устройствах

постоянного тока (рис. 22). Наиболее распространены следующие методы:

– Магнитное «дутье» заключается в том, что дугу, являющуюся проводником с

током, помещают в магнитное поле, создаваемое специальным магнитными

пластинами. Подбирая направление тока и магнитного поля, заставляют дугу

изгибаться и выдуваться вверх, чему способствует и форма контактов. При этом

дуга удлиняется и гаснет в холодной части контактного узла.

– Деионная решетка представляет собой изолированные друг от друга

металлические пластины, обладающие высокой теплопроводностью. Дуга

поднимается с нагретым воздухом и встречает на своем пути эти пластины,

которые прерывают ионизированную струю.

5.1. Примеры контактных устройств

Наиболее простыми и широко используемыми контактными устройствами

центральной части, предназначенными для логической обработки информации,

являются электромагнитные реле. Подробная классификация, принципы

действия, конструкции, основные характеристики и параметры электромагнитных

реле изучаются в лабораторной работе по данному курсу. [9,17]

Другим примером устройств обработки информации являются реле времени

(таймеры) – это устройства, предназначенные для задержки прохождения сигнала

и отсчета времени. Их классифицируют по следующим признакам.

1. По принципу задержки сигнала (принципу действия):

– с задержкой при срабатывании;

– с задержкой при отключении.

2. По способу задержки (виду замедлителя):

электромагнитное замедление (до 10 сек);

– механическое замедление: пневматические и моторные (от 3 до 30 мин);

– электронное замедление: конденсаторные и счётно-импульсные (десятки сек);

– программно-реализуемые (любые задержки времени).

При работе систем защиты и автоматики часто требуется создать выдержки

времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов, а также при

возникновении необходимости производить операции в определённой временной

последовательности (автоматическое управление в функции времени). Для этого

используют реле времени (таймеры).

Для получения небольших выдержек времени используют электромагнитные

реле времени.

Рис. 26. Реле времени с электромагнитным замедлением

При отключении обмотки реле 1 (рис. 26) от сети магнитный поток

сердечника 2 уменьшается. Это приводит к появлению ЭДС в массивной шайбе 3,

и в ней возникает большой ток, подмагничивающий сердечник. В результате

магнитный поток в сердечнике реле убывает медленно, якорь 5 остается в

притянутом положении и контакты реле 4 размыкаются с выдержкой времени в

несколько секунд. Такие реле времени не отличаются стабильностью, но находят

широкое применение, благодаря простоте и дешевизне.

В машиностроении широко применяются пневматические (вакуумные) реле

времени с механическим замедлением типа РВП.

Рис. 27. Пневматическое реле времени

Реле состоит из электромагнитного привода 1 (рис. 27) и пневматической

приставки, имеющей контакты с временной задержкой. Вакуумная камера 8

пневматической приставки сообщается с атмосферой через малое дросселируемое

отверстие 6. Ее корпус закрыт эластичной плоской мембраной 4, которая

соединена со штоком 10. При включении электромагнит 1 втягивает свой якорь,

шток 10 под действием пружины 9 медленно опускается вниз по мере заполнения

камеры воздухом через отверстие 6. В конце хода штока рычаг 3 производит

переключение микропереключателя 2. Возврат реле в исходное положение

происходит при обесточенной обмотке электромагнита под действием пружины

11. При этом воздух из пневматической камеры мгновенно вытесняется через об-

ратный клапан 7. Выдержку времени реле можно изменять при помощи винта 5 в

пределах от 0,4 до 180 секунд.

Для получения больших выдержек времени, исчисляемых десятками минут и

часами, используют моторные реле времени, основанные на интегрирующих

свойствах электродвигателей.

В настоящее время в промышленности широко используют конденсаторные

реле времени, основанные на инерционных свойствах RC – цепи, а также реле

времени и таймеры на базе счетно-импульсных цифровых микросхем. [15,17]

Ниже на рис. 28 приведен пример использования реле времени КТ в схеме

управления циклом движения суппорта, которая обеспечивает его рабочий ход

(р.х.) вправо, выстой (т.е. задержку времени) на концевике SQ2 и холостой ход

(х.х.) влево до концевика SQ1. Рабочий ход суппорта обеспечивается контактором

КМ1, холостой ход – контактором КМ2, а выдержка времени выстоя – реле

временем КТ. Запуск цикла работы осуществляется кнопкой SB1.

Рис. 28 . Схема управления движением суппорта с выстоем

5.2. Бесконтактные устройства обработки логической информации

Современные технические устройства переработки информации строятся из

отдельных бесконтактных (в основном, полупроводниковых) логических

элементов – устройств, входные и выходные сигналы которых могут принимать

только два фиксированных значения: логического «0» и «1». При этом

абсолютная величина сигнала существенного значения не имеет. Дискретизация

сигналов управления и разделение их на два уровня позволяют применять к

исследованию и описанию дискретных схем управления математическую теорию

алгебры логики (Булеву алгебру), оперирующей с логическими переменными,

имеющими два дискретных значения.

К достоинствам бесконтактных логических устройств относятся: малые масса

и габариты, высокая технологичность и низкая стоимость, малая потребляемая

энергия, высокая надежность, большая способность к микроминиатюризации и

интеграции, высокие показатели серийнопригодности и быстродействия.

К недостаткам следует отнести: низкую помехоустойчивость и слабую

устойчивость к статическому электричеству, сравнительно низкую радиационную

стойкость, необходимость в стабилизированных источниках питания,

энергозависимость.

В настоящее время большинство логических элементов реализуют в виде

цифровых интегральных микросхем (ИМС) – комплекта изделий, необходимых

для осуществления определенных логических и других функций, изготовленных

по специальной технологии в виде единого конструктивного изделия, так

называемых типовых устройств обработки логической информации.

Примерами таких типовых устройств могут служить:

– Триггеры - элементарные ячейки памяти, предназначенные для хранения

одного бита информации (логического «0» или «1»);

– Счетчики – устройства для выполнения функций счета и задержек времени;

– Преобразователи кодов - устройство для автоматического изменения по

заданному алгоритму соответствия между входными и выходными кодами без

изменения их смыслового содержания (другими словами, это схемы для перевода

одного многоразрядного кода в другой);

– Регистры - устройства для приёма, хранения и выдачи информации,

представленной в виде многоразрядных двоичных кодов;

– Запоминающие устройства (устройства памяти) - это устройства,

предназначенные для приёма, длительного хранения и выдачи информации,

представленной в виде больших массивов многоразрядных двоичных кодов;

– Программируемые логические матрицы (ПЛМ) – гибкие устройства,

перенастраиваемые на выполнение любых логических функций;

– Арифметико-логические устройства – гибкие программируемые устройства

для выполнения разнообразных арифметических и логических операций.

– Микропроцессоры и микроконтроллеры - гибкие программно управляемые

многофункциональные логические устройства, способные принимать, хранить

обрабатывать (логически или арифметически) и выдавать информацию,

представленную в виде многоразрядных двоичных кодов.

Более подробно эти и многие другие типовые устройства переработки

логической информации изучаются в курсах: «Электроника», «Схемотехника

средств автоматизации», «Микропроцессорные устройства СУ».

В последние годы основными техническими средствами автоматизации

становятся промышленные программируемые микропроцессорные контроллеры.

6. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ

6.1. Определение, история появления и развития

Промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) - это

технические средства автоматизации, предназначенные для приема, хранения,

преобразования, обработки (логической, арифметической) информации и

выработки команд управления, созданные на базе микропроцессорной техники, и

являющиеся специализированными управляющими ЭВМ предназначенными для

работы в локальных и распределенных АСУ ТП. [2,18,19,23]

Они впервые появились в конце шестидесятых годов в автомобильной

промышленности США в результате слияния трех направлений техники:

– Релейно-контактная и бесконтактная электроавтоматика (основа ПЛК);

– Цикловое программное управление (принцип управления ПЛК);

– Микропроцессорная техника (элементная база ПЛК).

Первоначально производством ПЛК занимались компьютерные фирмы (DEC,

Modicon, Entrekin Computers), но позже к их разработке подключились и

электротехнические фирмы (General Elektric, Allen Bradley, ISSC), которые

выпускали устройства электроавтоматики и лучше знали потребности

промышленности, поэтому их ПЛК были более удобны в программировании и

ориентированы на заводских специалистов (электриков, наладчиков). В настоящее

время производством и внедрением ПЛК занимаются десятки ведущих мировых

фирм, среди которых в нашей стране наиболее известны: Siemens (29%), Rockwell

Automation (16%), Mitsubishi (12%), Schneider (9%), Omron (8,5%), Funuc (3,5%),

Koyo Electronics, Marpos, Festo, АВВ, Bosch и др.

Интересно отметить, что порог рентабельности ПЛК постоянно снижался, и

если в 70-е годы считалось, что экономически выгодно заменять контроллером

систему электроавтоматики из 100 реле (в 80-е годы – из 60, в 90-е годы – из 20),

то в настоящее время эта цифра опустилась до нескольких единиц.

6.2. Особенности ПЛК в сравнении с традиционными ТСА и ЭВМ

1. Циклический характер работы, определяющий возможность ПЛК обрабатывать

информацию (управлять производственными процессами) в реальном масштабе

времени технологического оборудования.

2. Проблемно ориентированное программно-математическое обеспечение ПЛК,

рассчитанное на конкретные типовые задачи управления, регулирования и

контроля технологическими процессами.

3. Легкое и свободное программирование и перепрограммирование с помощью

специальных инженерных языков высокого уровня стандарта IEC 6.1131-3.

4. Простота и доступность в процессе подключения, отладки и эксплуатации ПЛК,

ориентация на обычный производственный персонал (электриков, наладчиков).

5. Схожесть физических структур и конструкций ПЛК различного назначения и

разных фирм изготовителей.

6. Модульная архитектура построения ПЛК, позволяющая простое

конфигурирование при разработке и свободное наращивание или урезание при

дальнейшей модернизации систем автоматизации.

7. Возможность эксплуатации ПЛК в непосредственной близости от

технологического оборудования (в цеховых, полевых, пожароопасных условиях),

неприхотливость, простота в обслуживании.

8. Широкие коммуникационные возможности ПЛК, позволяющие создавать на их

основе сложные распределенные АСУ ТП с применением сетевых технологий.

6.3. Классификация ПЛК, как основных компонентов ПТК

Все универсальные микропроцессорные ПЛК, составляющие основу

программно-технических комплексов (ПТК), подразделяются на классы, каждый

из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и

соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте

управления. [11]

1. Контроллеры на базе персональных компьютеров (ПК)

Это направление существенно развилось в последнее время, что

объясняется, в первую очередь, следующими причинами:

– повышением надежности ПК, особенно в промышленном исполнении;

– использовании открытой архитектуры (например, IBM-совместимых ПК);

– легкости подключения любых блоков ввода/вывода (модулей УСО);

– возможностью использования широкой номенклатуры наработанного

программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз

данных, пакетов прикладных программ контроля и управления).

Контроллеры на базе ПК, как правило, используют для управления

небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в специализированных

системах автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах

коммуникации. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не

превосходит нескольких десятков, а набор функций предусматривает сложную

обработку информации. Рациональную область применения контроллеров на базе

ПК можно очертить следующими условиями:

– выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени

при небольшом количестве входов и выходов объекта управления;

– средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком

отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;

– реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности)

программировать на обычных языках высокого уровня, типа C++, Pascal и др.;

– практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических

условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами (диагностика

работы, резервирование, устранение неисправностей без остановки работы ПЛК).

На рынке контроллеров на базе ПК в России успешно работают кампании:

Octagon, Advantech, Analog Devices и др.

2. Локальные программируемые контроллеры.

В настоящее время в промышленности используется два типа локальных

контроллеров:

Встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемлемой частью.

Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, современным

интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и другим

оборудованием. Выпускается на раме (плате) без специального кожуха, поскольку

монтируется в общий корпус оборудования.

Автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим

достаточно изолированным технологическим объектом, как, например,

районные котельные, электрические подстанции. Автономные контроллеры

помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей

среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме

«точка-точка» с другой аппаратурой и интерфейсы, которые могут через сеть

связывать их с другими средствами автоматизации. В такой контроллер часто

встраивается или подключается к нему специальная панель оператора, состоящая

из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш.

Локальные контроллеры, как правило, имеют небольшую или среднюю

вычислительную мощность, а количество их входов/выходов, колеблется от

нескольких десятков до нескольких сотен. Контроллеры реализуют простейшие

типовые функции обработки измерительной информации, блокировок,

регулирования и программно-логического управления. Многие из них имеют один

или несколько физических портов для передачи информации на другие системы

автоматизации. В этом классе следует выделить специальный тип локальных кон-

троллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. Они

отличаются особенно высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В

них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики

неисправностей с локализацией их до отдельной платы, резервирование, как

отдельных компонентов, так и всего устройства в целом.

3. Сетевые комплексы контроллеров.

Сетевые ПТК наиболее широко применяются для управления

производственными процессами во всех отраслях промышленности. Ми-

нимальный состав данного класса ПТК подразумевает наличие следующих

компонентов:

• набор контроллеров;

• несколько дисплейных рабочих станций операторов;

• системную (промышленную) сеть, соединяющую контроллеры

между собою и контроллеры с рабочими станциями.

Контроллеры каждого сетевого комплекса, как правило, имеют ряд

модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием, объемом памяти,

возможностями по резервированию, способностью работать в разных условиях

окружающей среды, числом каналов ввода/вывода (от нескольких сотен до

тысячи), наличием различных УСО. Это облегчает использование сетевого

комплекса для разнообразных технологических объектов, поскольку позволяет

наиболее точно подобрать контроллеры под отдельные элементы автоматизи-

руемого объекта и разные функции контроля и управления.

В качестве дисплейных рабочих станций (пультов оператора) почти всегда

используются персональные компьютеры в обычном или промышленном

исполнении, большей частью с двумя типами клавиатур (традиционной

алфавитно-цифровой и специальной функциональной), и оснащенные одним или

несколькими мониторами, имеющими большой экран.

Промышленная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду;

она часто подразделяется на сегменты, связанные между собой повторителями и

маршрутизаторами. К передаче сообщений предъявляются жесткие требования:

они гарантированно должны доставляться адресату, а для сообщений высшего

приоритета, например, предупреждающих об авариях, также следует обеспечить

указанный срок передачи сообщений. В этом классе ПТК выделяют

телемеханический тип сетевого комплекса контроллеров, предназначенный для

автоматизации объектов, распределенных на большой области пространства.

Промышленная сеть с характерной структурой и особые физические каналы связи

(радиоканалы, выделенные телефонные линии, оптоволоконные кабели)

позволяют интегрировать узлы объекта, отстоящие друг от друга на многие

десятки километров, в единую систему автоматизации. Рассматриваемый класс

сетевых комплексов контроллеров имеет верхние ограничения как по сложности

выполняемых функций (измерения, контроля, учета, регулирования и блокировки),

так и по объему автоматизируемого объекта (в пределах тысяч входов/выходов).

Чаще всего сетевые комплексы применяются на уровне цехов ма-

шиностроительных заводов, агрегатов нефтеперерабатывающих, нефтехимических

и химических производств, а также цехов предприятий пищевой промышленности.

Телемеханические сетевые комплексы используются для управления газо- и

нефтепроводами, электрическими сетями, транспортными системами.

4. ПЛК для маломасштабных распределенных систем управления.

Этот класс микропроцессорных ПТК превосходит большинство сетевых

комплексов контроллеров по мощности и сложности выполняемых функций. В

целом, этот класс еще имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого

производства (порядка десятка тысяч входов/выходов) и набору реализуемых

функций. Основные отличия от предшествующего класса заключаются в

несколько большем разнообразии модификаций контроллеров, блоков

ввода/вывода, большей мощности центральных процессоров, более развитой и

гибкой сетевой структуре. Как правило, ПТК этого класса имеет развитую

многоуровневую сетевую структуру. Так нижний уровень может выполнять связь

контроллеров и рабочей станции компактно расположенного технологического

оборудования, а верхний уровень поддерживать взаимодействие нескольких

узлов друг с другом и с рабочей станцией диспетчера всего автоматизируемого

участка производства. На верхнем уровне (уровне рабочих станций операторов)

эти комплексы, по большей части, имеют достаточно развитую информационную

сеть. В некоторых случаях расширение сетевой структуры идет в направлении

применения стандартных цифровых полевых сетей, соединяющих отдельные

контроллеры с удаленными от них блоками ввода/вывода и интеллектуальными

приборами. Подобная простая и дешевая сеть соединяет по одной витой паре

проводов контроллер с множеством интеллектуальных полевых приборов, что

резко сокращает длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние

возможных помех, поскольку исключается передача низковольтной аналоговой

информации на значительные расстояния.

Мощность контроллеров, применяемых в этом классе средств, позволяет в

дополнение к типовым функциям контроля и управления реализовывать более

сложные и объемные алгоритмы управления (например, самонастройку

алгоритмов регулирования, адаптивное управление). Маломасштабные

распределенные системы управления используются для автоматизации отдельных

средних и крупных технологических объектов предприятий непрерывных

отраслей промышленности, а также цехов и участков дискретных производств и

цехов заводов черной и цветной металлургии.