Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства

Подождите немного. Документ загружается.

В задачах контроля (рис. 2.3, а) диспетчер с помощью датчиков

оценивает ход технологического процесса Y(t) и корректирует управ-

ляющее воздействие X(t). От датчиков не требуется высокой точности,

поскольку неточная информация о процессе компенсируется опытом

диспетчера. В задачах автоматического управления (рис. 2.3, б) датчи-

ки должны соответствовать специальным требованиям по погрешно-

сти, разрешающей способности, чувствительности, линейности и вре-

мени отклика, поскольку их сигналы должны быть согласованы с сис-

темой автоматического управления.

Процесс

Диспетчер

ЭВМ

(

)

(

)

(

)

(

)

а б

Рис. 2.3. Режимы управления процессом производства:

а – диспетчерский контроль; б – автоматическое управление

Погрешность измерения – это максимальная разность между из-

меренной и действительной физической величиной. Если измеритель

перемещений имеет погрешность ±2 мм, то любое измерение может

отличаться от действительной величины до 2 мм в ту или иную сторо-

ну. Часто погрешность выражают в процентах по отношению к полной

шкале и называют приведенной погреш-ностью.

Разрешающая способность показывает наибольшую точность, с

которой измеряют величину. Она меньше погрешности и равна разно-

сти между соседними отсчетами измерения. Например, разрешающая

способность линейки с делениями через 1 мм равна 1 мм.

Чувствительность – это отношение изменения выходного сигна-

ла преобразователя к изменению входного сигнала. Если при переме-

щении объекта на 10 мм выходной сигнал изменяется от 10 до 100 В,

то чувствительность преобразователя равна

(100 – 10) : 10 = 9 В/мм.

Линейность является важнейшей характеристикой преобразовате-

ля. При линейной характеристике (рис. 2.4,а) выходная и входная ве-

личины связаны постоянным коэффициентом, поэтому для формиро-

вания сигнала можно применять простые усилители. Линейная харак-

теристика имеет предел, после которого выходная величина не реаги-

рует на изменение входной величины. При нелинейной характеристике

(рис. 2.4, б) приходится разрабатывать специальный нелинейный пре-

образователь сигнала датчика. Иногда нелинейную характеристику

линеаризуют – представляют в виде последовательности линейных

характеристик на ограниченных участках 0 – X

, X

– X

(рис. 2.4, в).

Рис. 2.4. Характеристики преобразователя:

а – линейная; б – нелинейная; в – линеаризованная

Гистерезис показывает, что выход преобразователя зависит от то-

го, увеличивается или уменьшается входная величина (рис. 2.5). В

этом случае оценивают ширину петли гис-

терезиса с, которая показывает, какие зна-

чения принимает выходная величина y при

одном и том же значении входной величи-

ны x, но разном направлении ее изменения.

Повторяемость показывает, что каж-

дому значению входного сигнала соответ-

ствует одно и то же значение выходного

сигнала преобразователя.

Время отклика ∆t равно времени, че-

рез которое выходная величина y достигнет

установившегося значения после изменения входной величины x

(рис. 2.6).

Полоса преобразования характери-

зует полосу частот входного сигнала,

которую пропускает преобразователь.

Чем шире полоса преобразования, тем

меньше время отклика.

По принципу связи физической ве-

личины с электрическим сигналом дат-

чики ведут абсолютный или относи-

тельный отсчет. В первом случае каж-

дому значению физической величины

соответствует свое значение электриче-

Рис. 2.5.

Гистерезис

измери-

тельного преобразов

а-

∆

Рис. 2.6.

Время о

т-

клика

преобразователя

ского сигнала. Во втором случае ведут отсчет от некоторого значения

физической величины, считая его нулевым значением.

По виду взаимодействия с объектом датчики могут быть контакт-

ными и бесконтактными. В первом случае чувствительный элемент

датчика механически взаимодействует с объектом, а во втором меха-

нического контакта нет.

Рассмотрим некоторые виды датчиков для автоматизации произ-

водства.

Датчик положения (путевой переключатель) фиксирует наличие

объекта в определенной точке пути. В его структуру (рис. 2.7) входят:

управляющий элемент (переключающий упор), жестко связанный с

объектом; чувствительный элемент, преобразующий перемещение в

электрический сигнал; релейный элемент, преобразующий электриче-

ский сигнал в состояние «включено» или «выключено», и исполни-

тельный элемент, от которого дискретный сигнал передается в систему

управления.

3 4

Рис. 2.7. Структура путевого переключателя:

1 – переключающий упор на объекте; 2 – чувствительный

элемент; 3 – релейный элемент; 4 – исполнительный элемент

Kонтактные датчики положения отличаются механическим воз-

действием переключающего упора на чувствительный элемент.

Обычно это рычажные выключатели (рис. 2.8), простые и дешевые, но

подверженные механическому износу и не способные работать при

быстрых перемещениях объекта.

–

а б

Рис. 2.8. Контактный датчик положения:

а – рычажный выключатель; б – секционированная троллея

Бесконтактные датчики положения не имеют механического кон-

такта с объектом, поэтому работоспособны при быстрых перемещени-

ях объекта. Они защищены от внешних воздействий и не требуют ухо-

да при длительной эксплуатации. Такие датчики характеризуются раз-

мерами зоны чувствительности, дифференциалом хода, временем сра-

батывания и рабочим зазором (рис. 2.9).

Рабочий зазор y – максимальное расстояние между управляющим и

чувствительным элементами.

Зона чувствительности x – зона, в которой датчик реагирует на пе-

ремещение объекта (рис. 2.9, а).

∆

а б в

Рис. 2.9. Характеристики бесконтактного датчика положения:

а – зона чувствительности x; б – дифференциал хода δ;

в – время срабатывания ∆t

Дифференциал хода δ – разность между точкой включения при

прямом перемещении и точкой отключения при обратном перемеще-

нии объекта (рис. 2.9, б).

Время срабатывания ∆t – время между входом объекта в зону чув-

ствительности и срабатыванием датчика (рис. 2.9, в).

По принципу работы бесконтактные датчики положения могут

быть магнитогерконовыми, генераторными, индуктивными, емкост-

ными и фотоэлектрическими.

Магнитогерконовый датчик имеет постоянный магнит и магнито-

управляемый герметизированный контакт (геркон), представля-ющий

собой две-три позолоченные пластины, заключенные в стеклянный

вакуумный баллон (рис. 2.10).

а б

Рис. 2.10. Работа магнитогерконового датчика

положения при движении магнита:

а – параллельном; б – перпендикулярном

Контакты на концах пластин внутри баллона замыкаются, раз-

мыкаются или переключаются под действием постоянного магнита.

Постоянный магнит, связанный с подвижным объектом, может пере-

мещаться параллельно или перпендикулярно оси геркона. В обоих

случаях дифференциал хода δ достигает 5 – 6 мм. К недостаткам гер-

конов относятся залипание контактов, влияние близких металлических

масс на его работу, невысокая чувствительность, дребезг контактов

(отскакивание друг от друга после первого замыкания), ограниченное

число срабатываний.

Генераторный датчик положения использует эффект изменения

индуктивности колебательного контура генератора при перемещении

металлического объекта в зоне его чувствительности. Это приводит к

срыву колебаний генератора и появлению сигнала на выходе. Внутри

корпуса датчика размещены генератор 2 с выведенным в зону чувст-

вительности колебательным контуром, пороговый элемент 3 и усили-

тель 4 (рис. 2.11). На выходе датчика имеются три провода, к двум

из которых подведено напряжение питания.

Рис. 2.11. Схема генераторного датчика положения:

1 – переключающий упор; 2 – генератор; 3 – пороговый

элемент; 4 – усилитель; Р – реле

При попадании металлического объекта 1 в чувствительную зону

датчика происходит изменение частоты генератора и пороговый эле-

мент переключается в состояние выдачи сигнала. После усиления сиг-

нала появляется напряжение срабатывания реле на третьем проводе

датчика.

Генераторные датчики подразделяют на щелевые, плоскостные и

торцевые. В щелевом датчике (рис. 2.12, а) переключающий упор про-

ходит через щель шириной 3 – 100 мм. Дифференциал хода составляет

1,5 – 2,0 мм при ширине щели до 6 и 5 – 15 мм при ширине щели 20 –

100 мм. В плоскостном датчике (рис. 2.12, б) переключающий упор

перемещается на расстоянии 25 – 16 мм от плоской поверхности дат-

чика.

а б

Рис. 2.12. Генераторные датчики положения:

а – щелевой; б – плоскостной

В современной технике автоматизации наиболее распространены ге-

нераторные датчики положения торцевого типа. За рубежом их называют

индуктивными. Датчик по-ложения под-

вижных звеньев механизмов выполнен

в виде неразборного болта диаметром 8

– 12 мм и длиной 50 – 60 мм (рис. 2.13).

Внутри болта размещены автогенератор,

детектор, пороговый элемент и выход-

ной усилитель-формирователь. Чувст-

вительный элемент представляет собой

катушку индуктивности. Прохождение

металлического объекта на расстоянии 1

– 3 мм от торца датчика приводит к из-

менению индуктивности, срыву гене-

рации и включению реле между проводом питания и третьим прово-

дом датчика. Дифференциал хода составляет 0,15 – 0,60 мм, погреш-

Рис. 2.13

. Датчик полож

ния

торцевого типа

ность положения точки переключения 0,05 – 0,10 мм, частота пере-

ключения до 800 Гц, ток нагрузки 200 мА.

Индуктивный датчик положения использует эффект воздействия

металлического объекта на магнитное поле сердечника автогенератора.

Генератор с катушкой на сердечнике формирует электромагнитное по-

ле (рис. 2.14, а). Ввод в это поле ферромагнитного объекта приводит к

снижению магнитного сопротивления сердечника пропорционально

расстоянию до объекта (рис. 2.14, б), изменению индуктивности и

срыву колебаний генератора. На выходе датчика формируется сигнал

срабатывания реле.

а б

Рис. 2.14. Принцип работы индуктивного датчика положения:

а – объект вне зоны чувствительности; б – объект в зоне

чувствительности

Индуктивный датчик дроссельного типа содержит обмотку L на П-

образном сердечнике, через которую реле переменного тока Р получа-

ет питание (рис. 2.15). При перемещении объекта шунт Ш замыкает

магнитный поток через сердечник, ин-

дуктивное сопротивление обмотки

уменьшается, что приводит

к включению реле.

Без внешнего усилителя зазор между

сердечником и шунтом для распростра-

ненного датчика ИКВ-22 не превышает

10 мм, с усилителем – 50 – 60 мм. Для

малогабаритных датчиков (БРП, БСП-2)

с шунтом дли-ной 80 мм зазор составля-

ет 4 мм, дифференциал хода – до 5 мм.

Если в индуктивных датчиках поло-

жения при перемещении объекта меня-

ется индуктивность, то в емкостных

чувствительным элементом является

емкость колебательного контура. Емко-

Рис. 2.15.

Работа инду

к-

тивного датчика положения

дроссельного типа

стный датчик положения (рис. 2.16) содержит RC-генератор с конден-

сатором, вынесенным к торцу датчика, и настроечным резистором 3,

пороговый элемент 4 и усилитель 5. При попадании объекта в чувстви-

тельную зону датчика емкость конденсатора и частота генератора из-

меняются. При этом пороговый элемент 4 переходит в другое состоя-

ние. После усиления его сигнала на третьем проводе появляется на-

пряжение, которое включает реле.

1 2 3 4 5

Рис. 2.16. Емкостный датчик положения:

1 – конденсатор; 2 – генератор; 3 – резистор;

4 – пороговый элемент; 5 – усилитель

Емкостные датчики положения реагируют на неметаллические

объекты и просты по конструкции, однако изменяют свои характери-

стики в зависимости от запыленности, влажности и температуры.

Принцип работы фотоэлектрических датчиков положения (фоторе-

ле) основан на изменении освещенности фотоприемника при переме-

щении объекта. В них используются все виды фотоприемников (рис.

2.17): фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Рис. 2.17. Фотоэлектрические датчики положения:

а – фоторезистор; б – фотодиод; в – фототранзистор; г – фототиристор

Фотоприемник выполнен из светочувствительного полупроводни-

ка, например арсенида галлия. В качестве источника света обычно ис-

пользуют светодиоды. Датчики положения срабатывают либо при пе-

рекрытии объектом луча от источника света к фотоприемнику, либо

при отражении объектом света от источника и его попадании на фото-

приемник (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Способы контроля положения объекта фото-

электрическим датчиком:

а – перекрытие оптического зазора; б – отражение от объекта

Световой барьер (рис. 2.19)

представляет собой стойки фотоизлу-

чателей и фотоприемников, направленных друг к другу. Он предназна-

чен для бесконтактного ограждения опасных зон. Каждый фотопри-

емник принимает узконаправленный оптический луч от противопо-

ложного фотоизлучателя. При пересечении луча объектом ограждае-

мый технологический процесс останавливается и подается сигнал тре-

воги.

Рис. 2.19. Световой барьер

Опасная зона может ограждаться с трех сторон одним световым

барьером и двумя отражателями (рис. 2.20).

Опасная зона

Отражатель Отражатель

Излучатель

Приемник

Рис. 2.20. Ограждение опасной зоны световым

барьером

Волоконно-оптические датчики положения реагируют на пересече-

ние или отражение светового потока, передаваемого через оптическое

волокно (рис. 2.21). Современные датчики имеют встроенную регули-

ровку зоны чувствительности. Начало и конец зоны чувствительности

устанавливают нажатием кнопки на корпусе датчика при обучении

срабатыванию датчика.

а б

Рис. 2.21. Волоконно-оптический датчик положения,

чувствительный:

а – к пересечению светового потока; б – к отражению

светового потока

Простейшим измерителем перемещений с аналоговым выходом

является потенциометрический датчик, представляющий собой пе-

ременное сопротивление, движок которого соединен с подвижным

объектом (рис. 2.22). К сопротивлению

подключают напряжение U

C движка сопротивления снимают вы-

ходное напряжение U

вых

, пропор-

циональное величине перемещения

подвижного объекта. Точность измере-

ния составляет 0,01 – 0,05 % при числе

перемещений до 2,0 млн с частотой до

Рис. 2.22.

Потенциоме

т-

рический измеритель пере-

мещ

ний

вых