Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

– Клетки матрицы с одинаковыми значениями функции (только единичные

или только нулевые) должны быть включены хотя бы в один подкуб.

– Подкуб должен объединять возможно большее число клеток, в которых

значение функции равно единице.

– Размеры подкубов необходимо увеличивать за счет включения в них кле-

ток матрицы, в которых значение функции не указано (безразличное состояние).

– Одна и та же клетка матрицы может быть включена в разные подку-

бы, если это способствует увеличению подкуба.

– Число подкубов должно быть минимальным

2. По матрице Карно составляется логическое выражение по следую-

щим правилам.

– Выбираются все наборы входных переменных, для которых значение

логической функции равно единице.

– Дня каждого набора входных переменных, из числа выбранных, записы-

ваются элементарные конъюнкции.

– Полученные элементарные конъюнкции объединяются с помощью опе-

раций дизъюнкции.

В результате получается дизъюнктивная нормальная форма ДНФ записи

логической функции При необходимости запись можно выполнить в конъ-

юнктивной нормальной форме КНФ, для чего следует:

– выбрать в таблице наборы переменных, обеспечивающих нулевое зна-

чение функции;

– для каждого набора из числа выбранных записать элементарные дизъ-

юнкции;

– полученные дизъюнкции объединить операциями конъюнкции.

Переменные, которые входят в подкуб и не изменяют своего состояния в

пределах подкуба, объединяются операциями конъюнкции для получения ДНФ

или дизъюнкции для получения КНФ. В зависимости от состояния переменных

они записываются в виде прямых или инверсных значений. Полученные элемен-

тарные конъюнкции (или дизъюнкции) объединяются операциями дизъюнкции

для получения ДНФ (или операциями конъюнкции для получения КНФ).

Рассмотрим в качестве примера минимизацию логической функции

Y=C&B&A C&B&A C&B&A C&B&A C&B&A   

Таблица истинности и матрица Карно для функции представлены на рис.

5.21. Таблица истинности содержит все возможные наборы из трех переменных

А,В,С к - 2

= 8. По таблице истинности составлена матрица Карно.

Строки матрицы соответствуют изменению переменной А, а столбцы –

переменным С и В. Состояния переменных в направлениях по горизонтали и

по вертикали обозначаются таким образом, чтобы наборы состояний пере-

менных в клетках матрицы были бы соседними. Символы входных переменных

записываются вверху над матрицей и слева от матрицы в строчку. Последова-

тельность прочтения состояний переменных в каждой строке (столбце) соот-

ветствует порядку их записи.

Рисунок 5.21. Пример: а) таблица истинности и б) матрица Карно.

В матрице Карно выделены два подкуба – двухклеточный и четырехкле-

точный, которые соответствуют единичному логическому значению функции.

Для четырехклеточного подкуба не изменяет своего состояния переменная В. Эта

переменная образует первую элементарную конъюнкцию. Для двухклеточного

подкуба не изменяют своих состояний переменные А и С, которые образуют

вторую элементарную конъюнкцию. Объединив эти две элементарные конъ-

юнкции операцией дизъюнкции, получим минимальную дизъюнктивную нор-

мальную форму записи логической функции в следующем виде:

Y = B



C&A.

Полученный результат существенно проще исходной логической формулы

до минимизации. Использование минимизированной функции позволяет упро-

стить реализацию логического условия при проектировании цикловой систе-

мы управления, как в случае аппаратной реализации, так и в случае программной

реализации.

При проектировании систем управления дискретных устройств различа-

ют случаи комбинационных устройств управления и последовательностных

устройств. В комбинационных устройствах выходная логическая функция

однозначно определяется комбинацией входных переменных и не зависит от

предшествующего состояния системы. Комбинационные устройства называют

также однотактными.

Выходная логическая функция последовательностных (многотактных)

устройств определяется как комбинацией входных переменных, так и пред-

шествующим состоянием системы. Такие устройства содержат элементы памя-

ти для фиксации предшествующих состояний, например, триггеры.

УСТРОЙСТВА С ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИЕЙ

Переключающие устройства и распределители предназначены для включе-

ния, отключения и переключения электрических цепей в электроприводе и пото-

ков жидкости или газа в пневмо- и гидроприводе.

Одним из основных электрических аппаратов, осуществляющих под воздейст-

а)

б)

вием поступающего на них дискретного электрического сигнала коммутацию в

электрических цепях различных систем, применяющихся в системах автоматиза-

ции в машиностроении, является электромагнитное контактное реле. Такое реле

по конструкции представляет собой базу из электроизоляционного материала, на

которой закрепляются катушка-соленоид со втягивающимся в нее стальным сер-

дечником и изолированные друг от друга пары контактов. На штоке сердечника

закрепляются изолированные друг от друга траверсы, на которых установлены па-

ры контактов, способные замыкать или размыкать соответствующие контакты, ус-

тановленные на базовой пластине. Таким образом, перемещение сердечника, про-

исходящее вследствие подачи напряжения на катушку-соленоид, может вызвать

замыкание или размыкание контактами, установленными на траверсах, до двена-

дцати пар контактов, установленных на базовой пластине. Это свойство, заклю-

чающееся в замыкании или размыкании контактов многих участков сети вследст-

вие подачи единственного сигнала на обмотку соответствующего реле, называется

размножением контактов. Какая именно пара контактов на базовой пластине будет

при подаче напряжения на катушку замыкаться, а какая — размыкаться, определя-

ется начальной установкой этих пар контактов. Так устроены и работают широко

распространенные в схемах станочной автоматизации и управления реле типа РП.

Подобные реле называются промежуточными, потому что они, с одной стороны,

не являются датчиками — источниками тех или иных информационных сигналов,

а с другой — не воздействуют непосредственно на исполнительные механизмы, а

лишь вырабатывают для них управляющие воздействия. Задача сетей из таких ре-

ле состоит в логической обработке поступающих на них дискретных сигналов

от различных датчиков и в выработке дискретных же управляющих сигналов для

исполнительных механизмов.

Описанное электромагнитное реле является электрически нейтральным,

т.е. изменение знака напряжения, подаваемого на обмотку такого реле, не меняет

знак выходного сигнала. Нейтральное электромагнитное реле имеет два устойчи-

вых состояния, а именно: контакты реле замкнуты, и контакты реле разомкнуты.

Мощность управляющей обмотки реле может быть значительно меньше мощности

в цепи нагрузки, так что можно говорить об электромагнитном контактном реле

как об усилителе мощности.

В схемах электроавтоматики часто используются электромагнитные кон-

тактные реле, которые чувствительны к направлению тока в обмотке. Такие реле

называются поляризованными. Поляризация таких реле осуществляется за счет

магнитного потока смещения, создаваемого постоянным магнитом. При срабаты-

вании поляризованного электромагнитного контактного реле происходит замы-

кание или размыкание одной из двух групп контактов.

По мощности, необходимой для срабатывания, реле подразделяются на вы-

сокочувствительные (до 10 мВт) и слаботочные нормальной чувствительности

(до 1... 5 Вт). По коммутируемой мощности различают переключательные реле малой

мощности (до 50 Вт постоянного или до 120 ВА переменного тока), промежуточ-

ные (до 150 Вт постоянного тока и 500 ВА переменного тока), а также силовые

контакторы.

Основным недостатком электромагнитных контактных реле является их

потенциальная ненадежность и ограниченный срок службы, связанный с «подго-

ранием» контактов. Для противодействия такому подгоранию контактов реле по-

мещается его изготовителем в герметизированный корпус. Герметизированный

корпус реле заполняется атмосферой из нейтрального или даже вос-

станавливающего газа, чаще всего водорода.

Проектирование конкретной электрической системы управления тем или

иным объектом машиностроения начинается с разработки принципиальной элек-

троконтактной схемы. В этой схеме определенным образом увязываются обмотки

катушек-соленоидов промежуточных реле и контактные пары, т.е. создаются сети

обмоток и сети контактов.

Для питания релейно-контактных схем в основном используется постоян-

ный ток напряжением 24В или реже 48В, так как при этом обеспечиваются бо-

лее высокая электробезопасность и более высокие усилия, приложенные к кон-

тактам, а также исключается «дребезг контактов», который может возникнуть

вследствие того, что в моменты перехода мгновенных значений переменного тока

через нуль контакты удерживаются на месте лишь силами инерции. Постоян-

ное напряжение, используемое для запитки релейно-контактных релейных схем,

вырабатывается обычно с помощью мостовых выпрямительных устройств.

Другой причиной использования в релейно-контактных схемах пониженно-

го напряжения является то, что для обеспечения надежности контактов надо уве-

личивать силу, с которой они замыкаются или размыкаются. Это сила пропорцио-

нальна силе тока, протекающего через обмотку реле. Увеличение же силы тока при

той же самой потребляемой мощности требует уменьшения рабочего напряжения

обмотки.

Разработать принципиальную релейно-контактную схему — значит опре-

деленным образом расположить и увязать друг с другом, с источником питания и

заземлением элементы, представляющие собой обмотки промежуточных реле и

их контакты, а также входные сигналы и вырабатываемые схемой управляющие

воздействия.

Исходными данными для такой разработки могут служить циклограммы

движений рабочих органов, где указываются последовательность этих движений и

существующие при этом причинно-следственные связи, циклограммы включений

исполнительных аппаратов, где кроме вышесказанного указываются и времена со-

ответствующих включений, а также специальные таблицы, где указывается харак-

тер выходных сигналов, т.е. являются эти сигналы импульсными или потенциаль-

ными. Разница между импульсным и потенциальным сигналами в цепях управле-

ния заключается не в их сравнительной длительности, а в том, что импульсный

сигнал через то или иное время, которое может быть достаточно большим, снима-

ется сам собой, а потенциальный сигнал требует для своего снятия подачи второго

управляющего сигнала, хотя бы этот второй сигнал следовал сразу же за пер-

вым.

Обозначения на принципиальных схемах обмоток и контактов электромаг-

нитных реле приведены на рис. 5.22.

Обмотки катушек самих промежуточных реле обозначаются на схемах пря-

моугольником, расположенным поперек линии связи. Это показано на рис. 5.22,а.

Обмотка реле на схеме обозначается буквами РП, при которых ставится поряд-

ковый номер данного реле, заданный разработчиком этой схемы. На рис. 5.4,б

изображен замыкающий контакт, на рис. 5.22,в — размыкающий контакт, а на

рис. 5.22,г изображен перекидной контакт, т.е. такой контакт, при срабатывании

которого одна пара контактов замыкается, а другая — размыкается. Контакты того

или иного промежуточного реле предваряются цифрой, обозначающий порядко-

вый номер данной пары контактов в этом реле.

Рисунок 5.22. Обозначения на принципиальных схемах обмоток и контактов электромаг-

нитных реле:

а — катушка реле; б — замыкающий контакт; в — размыкающий контакт; г — перекидной

контакт

Источниками дискретных сигналов для релейных электроконтактных пере-

ключательных схем могут быть любые аппараты с электрическим выходом. На-

пример, это могут быть кнопки, осуществляющие подачу сигналов «Пуск» и

«Стоп», или путевые выключатели, подающие дискретные сигналы под действием

движения рабочих органов станка. Обозначения на принципиальных релейно-

контактных схемах таких источников сигналов приведены на рис. 5.23.

В соответствии с рис. 5.23 кнопки, на которые непосредственно нажимает

оператор, обозначаются КН, а справа при них пишется цифра, которая, как и в

предыдущем случае, обозначает порядковый номер данной кнопки в схеме. Кноп-

ки могут быть замыкающими, например кнопка «Пуск» (рис. 5.23,а), и размы-

кающими, например кнопка «Стоп» (рис. 5.23,б). Путевые, или конечные, вы-

ключатели графически изображаются также, как и кнопки, но сопровождаются

надписями ПВ или КВ. Эти надписи также сопровождаются цифрой, которая, как

и в предыдущем случае, обозначает порядковый номер данного путевого выклю-

чателя в рассматриваемой схеме. На рис. 5.23,в изображен замыкающий путевой

выключатель, а на рис. 5.23,г изображен размыкающий путевой выключатель.

Кнопки и путевые выключатели продолжают свое действие до тех пор, пока

длится их нажатие. Но можно сделать так, что они останутся включенными и по-

сле того, как нажатие на них прекратится. Чтобы вернуть такую кнопку в исходное

состояние, нужно нажать на нее во второй раз либо нажать другую, сбрасывающую

кнопку.

Рисунок 5.23. Обозначения кнопок и путевых выключателей на принципиальных схемах

электромагнитных реле:

а — замыкающая кнопка; б — размыкающая кнопка; в — замыкающий путевой выключа-

тель; г — размыкающий путевой выключатель

Сохраняют свое новое состояние и после снятия ручного воздействия на

них такие конструктивно отличающиеся от кнопок устройства, как тумблеры и пе-

реключатели. Однако механические устройства и защелки, удерживающие кнопки

в нажатом состоянии, подвержены износу и влиянию окружающей среды, так что

они являются элементом потенциальной ненадежности. Поэтому сохранение воз-

действия, произведенного кнопкой, лучше обеспечивать электрическим схемным

путем. Обратим также внимание на то, что сами кнопки конструктивно могут

быть весьма разнообразными, отличаясь формой и размерами головки, на которую

производится нажатие. Такие головки могут быть клавишного типа или же рас-

считанными на нажатие одним пальцем, а могут быть и так называемого грибково-

го типа, рассчитанного на нажатие всей ладонью. С головками грибкового типа вы-

полняются все кнопки аварийного останова, требующие быстрого нажатия.

Выходные сигналы релейных переключательных схем могут поступать на

все аппараты с дискретным электрическим входом. Особое место в схемах элек-

троавтоматики занимают контакторы. Контакторами называются электромагнит-

ные аппараты, предназначенные для включения и отключения силовых цепей. Кон-

такторы, предназначенные для включения и отключения трехфазных асинхронных

электродвигателей, называются магнитными пуска-телями.

Примером типовых решений, используемых при разработке принципиаль-

ных релейно-контактных схем, может служить схема постановки на самопитание.

Она изображена на рис. 5.24. Согласно этой схеме реле, поставленное на самопита-

ние, остается включенным и после того, как оператор перестает нажимать на пус-

ковую кнопку.

Рисунок 5.24. Типовая принципиальная релейно-контактная схема постановки на самопита-

ние.

Следует заметить, что при срабатывании нескольких контактов иногда ока-

зывается небезразличным, какие из них сработают раньше, а какие позже. Срабо-

тавшие контакты могут быть «подхвачены» элементами с запоминанием, что из-

менит ситуацию для элементов, запоздавших со срабатыванием. Вследствие слу-

чайного разброса времен срабатывания в одном случае раньше других сработают

одни контакты, а в другом — другие. Это приводит к неопределенности в поведе-

нии переключательной схемы. Такое явление называется «состязанием контак-

тов».

Для придания определенности поведению переключательной схемы наряду

с другими методами применяется введение гарантированных задержек времени

на срабатывание и на отпускание тех или иных контактных реле. Существуют

различные технические приемы построения электромагнитных контактных реле с

задержками на срабатывание и отпускание. Такие задержки могут быть как регу-

лируемыми (устанавливаемыми), так и постоянными.

В настоящее время вместо электромагнитных контактных реле все чаще

применяют их бесконтактные эквиваленты (твердотельные реле).

В ряде случаев при автоматизации производственных процессов в маши-

ностроении оказывается целесообразным осуществлять непосредственное изме-

нение направления тех или иных потоков жидкости или газа без организации ло-

гических электрических цепей. Это осуществляется гидравлическими или, соот-

ветственно, пневматическими релейными элементами.

Гидравлические аппараты, которые изменяют направление потока рабо-

чей жидкости (масла) в двух или более линиях называются гидрораспределите-

лями.

Схожесть некоторых физических свойств рабочих масел и воздуха отража-

ется на схожести конструкций гидро- и пневмораспределителей. Гидро- и пневмо-

усилители можно подразделить на распределители давления и распределители

расхода, распределители золотникового и струйного типов, распределители с ис-

пользованием базового элемента типа сопло—заслонка, распределители клапан-

ного типа, а также комбинированные.

Рисунок 5.25. Классификация гидрораспределителей по способу управления.

По характеру управляющего воздействия промышленные гидрораспреде-

лители классифицируются, как показано на рис. 5.25.

Электрогидравлические гидрораспределители, как правило, являются

двухкаскадными, и электроуправляемым у них является лишь первый каскад.

В пневмоавтоматике к переключающим элементам относятся различного

рода пневмораспределители, обратные пневмоклапаны, клапаны быстрого вы-

хлопа, клапаны выдержки времени, а также логические элементы.

Рисунок 5.26. Классификация пневмораспределителей по способу управления.

На рис. 5.26. приведена классификация пневмораспределителей, исполь-

100

зуемых для автоматизации производственных процессов в машиностроении.

ЛЕКЦИЯ №6. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В РАЗРАБОТКЕ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА УПРАВ-

ЛЕНИЯ

Измерения параметров объектов управления технически осуществля-

ются при помощи измерительных преобразователей, использующих те или

иные физические принципы. На объект измерения обычно устанавливается

датчик, который состоит из одного или нескольких измерительных преобра-

зователей.

Датчик — это устройство, воспринимающее измеряемый параметр и

вырабатывающее соответствующий сигнал в целях передачи его для даль-

нейшего использования или регистрации. Часто в технической литературе

понятия датчиков и измерительных преобразователей между собой не разде-

ляют, и измерительные преобразователи называют просто датчиками. Хотя с

функциональной точки зрения понятия измерительного преобразователя и

датчика совпадают, но в конструкторской практике под датчиком следует

понимать первичный измерительный преобразователь, заключенный в кор-

пус и снабженный устройствами для его установки и фиксации на объекте, а

также кабелем для передачи сигнала и соответствующими разъемами.

Таким образом, измерительное преобразование представляет собой от-

ражение одной физической величины с помощью другой физической вели-

чины или набора таких физических величин. Выполняющий измерительное

преобразование датчик работает в реальных производственных условиях

эксплуатации, зачастую весьма тяжелых, связанных с высокими давлениями

и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно

воздействует большое число параметров. Среди этих параметров только один

является измеряемой величиной, а все остальные представляют собой внеш-

ние параметры, характеризующие производственную среду. Эти внешние па-

раметры являются в данном случае помехами. Каждый датчик должен на фо-

не помех наилучшим образом реагировать на измеряемую входную величи-

ну, вырабатывая соответствующую выходную величину или код выходной

величины.

Применяющиеся для автоматизации производства датчики про-

изводственных параметров, обладающие электрическим выходом, можно

подразделить на две группы:

– параметрические;

– генераторные.