Измерительные преобразователи неэлектрических величин

Практическая работа №3

Измерительные преобразователи неэлектрических величин

Цель работы:изучение принципа действия и конструктивных особенностей первичных измерительных преобразователей, предназначенных для измерений неэлектрических величин.

Общие сведения

Комплексная автоматизация технологических процессов предполагает контроль и измерение различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (регулирования) – механических, тепловых, оптических и других неэлектрических. Преимущества же электроизмерительных приборов и преобразователей очевидны. Этим обстоятельством объяс­няется широкое распространение первичных измерительных преобразователей (датчиков), предназначенных для измерений неэлектрических величин и преобразования их в электрические.

Первичные измерительные преобразователи чрезвычайно разнообразны по принципу действия, устройству, видам входного и выходного сигналов, функциональному назначению, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

В зави­симости от выходного параметра первичные измерительные преобразователи разделяют на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, по принципу действия и др.

Практическая работа №4

Анализ релейно-контактных схем автоматики

Цель работы:изучение схемотехники типовых релейных схем, получение практических навыков анализа, синтеза и минимизации релейно-контактных схем автоматики, освоение основных принципов перевода релейно-контактных схем на бесконтактные.

Общие сведения

Электромагнитные реле (ЭМР) представляют собой электромеханиче­ские контактные устройства, преобра­зующие управляющий электрический ток в магнитное поле, которое оказы­вает силовое скачкообразное воздействие на подвижное намагниченное тело, механиче­ски связанное с электрическим контактом реле или являющееся подвижной частью этого контакта. При возникно­вении управляющего тока в ЭМР про­исходит скачкообразное срабатывание контакта, который из разомкнутого (замкнутого) состояния через замы­кание (размыкание) переходит в замк­нутое (разомкнутое) состояние.

В разомкнутом состоянии контакт имеет видимый разрыв с высокой электрической прочностью и контакт­ным сопротивлением на уровне поверх­ностного сопротивления элементов конструкции реле. В замкнутом состо­янии переходное сопротивление меха­нического контакта, выполненного из соответствующих материалов, состав­ляет единицы – десятки мОм, а падение напряжения на контакте даже при протекании тока силой в десятки ампер не превышает 100 ...200 мВ.

На работу контактов ЭМР, поми­мо управляющей электромагнитной силы, существенное влияние оказыва­ют также силы упругой деформации контактных элементов и/или специ­альной (возвратной) пружины, кото­рые в процессе срабатывания реле препятствуют действию электромаг­нитной силы, а в ее отсутствие способ­ствуют возвращению контактов в ис­ходное состояние. В некоторых конструкциях ЭМР работу упругих сил дополняет или заменяет сила тя­жести, действующая на массивные подвижные детали реле.

При замыкании или размыкании электрически нагруженного контакта в межконтактном промежутке практи­чески всегда возникает электриче­ский разряд, взаимодействующий с областью контактируемой поверхнос­ти материала, что приводит к ее электрофизическому износу. Кроме того, электрический разряд, обладая электропроводимостью, ускоряет про­цесс замыкания и затягивает процесс размыкания контакта. Таким образом, ЭМР является устройством, в котором действу­ют электромагнитные, контакт­ные, механические и электроразряд­ные явления.

Конструкции ЭМР в зависимости от принципа силового воздействия магнитного поля на подвижный эле­мент контакта подразделяются на два основных вида:

- реле с магнитоуправляемым якорем или якорные реле, в которых подвижное магнитоуправляемое тело — якорь, который либо не­сет на себе подвижный контактный элемент, либо механически воздей­ствует на него посредством толкателя, поводка и т.п. передающего органа;

- реле с магнитоуправляемым контактом, в которых маг­нитоуправляемым телом является сам подвижный элемент контакта – геркон [1,2].

Реле еще длительное время будут оставаться одними из самых распространенных элементов аппаратуры автоматики и телемеханики в различных отраслях промышленности. Это связано как с традиционными преимуществами реле (высокая нагрузочная способность, значительные перегрузочная способность и помехозащищенность и др.), так и с появлением современных реле пятого поколения, в том числе, твердотельных, сверхбыстродействующих и др. [3, 4]

Типовые релейные схемы

Наиболее широкое применение получили следующие типовые релейные схемы:

1) самоблокировки;

2) взаимной блокировки;

3) экономичного включения;

4) искробезопасного включения;

5) замедления (реле времени).

В схеме самоблокировки реле при кратковременном замыкании кнопки SB1 Пуск реле срабатывает (рис. 4.1) и своим замыкающим контактом блокирует цепь питания этой кнопки, благодаря чему последующее отпускание кнопки SB1 не приведет к отключению реле. Для отключения реле необходимо разорвать общую цепь питания нажатием кнопки SB2.

Рисунок 4.1 – Релейная схема самоблокировки

Схема взаимной блокировки, показанная на рис. 4.2, не допускает одновременного включения реле, так как в цепь обмотки каждого реле введен размыкающий контакт другого реле. Необходимость взаимной блокировки встречается в схемах, предохраняющих от возможной аварии. Например, одно реле служит для включения двигателя в прямом направлении вращения, а другое – на реверс.

Рисунок 4.2 – Релейная схема взаимной блокировки

На рис. 4.3 показаны схема и график экономичного включения реле. Если в обычных схемах реле срабатывает при напряжении срабатывания U_ср и остается в этом состоянии при таком напряжении за счет цепи самоблокировки, то в рассматриваемой схеме реле, срабатывающее также при напряжении U_ср, при отпускании кнопки SB1 остается в рабочем состоянии через цепь резистора R при напряжении U_р.

Рисунок 4.3 – Схема и график экономичного включения реле

На графике видно, что U_ср> U_р, поэтому и потребление энергии в рабочем состоянии реле намного меньше, чем в ранее рассмотренных схемах. Необходимым условием работы схемы является U_р> U_от, в противном случае при отпускании кнопки SB1 реле будет отключаться.

Отличительная особенность схемы искробезопасного включения реле, широко применяющейся в различной рудничной и шахтной аппаратуре автоматизации (рис. 4.4), заключается в том, что цепь питания реле осуществляется искробезопасным напряжением U_иск. Искробезопасные параметры цепи питания достигаются выполнением обмотки II проводом высокого удельного сопротивления или включением в цепь питания ограничительного резистора R2. В исходном положении при поданном питании реле К не работает, так как U_ср> U_р. При нажатии кнопки SB1 реле срабатывает и остается во включенном состоянии. При этом выполняется соотношение U_ср> U_р > U_от. Через обмотку реле протекает однополупериодный постоянный ток, второй полупериод закорачивается в цепи искробезопасного напряжения через диод VD1. Сопротивление обмотки реле однополупериодному току мало и реле работает устойчиво.

Рисунок 4.4 – Схема искробезопасного включения реле

При нажатии кнопки SB2 сопротивление обмотки реле для переменного тока возрастает, реле отключается и схема возвращается в исходное положение. Следует отметить, что когда работает реле К, диод VD1 переводит его в режим замедления – реле времени (за счет ЭДС самоиндукции, которая действует от однополупериодного тока в обмотке), что предотвращает вибрацию якоря реле. Увеличение времени срабатывания или отпускания ЭМР можно достичь включением реле в схемы, изменяющие скорость нарастания или спадания тока в его обмотке.

На рис. 4.5 показана схема замедления срабатывания реле с помощью шунтирования его обмотки конденсатором. В этом случае при замыкании ключа заряд конденсатора происходит за определенный промежуток времени. Напряжение на конденсаторе постепенно возрастает, а время срабатывания реле увеличивается, эта схема также увеличивает и время отпускания, поскольку якорь некоторое время остается притянутым за счет энергии, накопленной в конденсаторе.

Рисунок 4.5 – Схема замедления срабатывания реле

В схеме на рис. 4.6 время отпускания реле увеличивается за счет того, что при размыкании ключа в цепи, состоящей из параллельного соединения обмотки реле, конденсатора и резистора, некоторое время сохраняется ток разряда конденсатора.

Рисунок 4.6 – Схема увеличения времени отпускания реле

Чтобы переходный процесс в этой цепи имел апериодический характер, применяют достаточно большую емкость конденсатора и большое значение сопротивления резистора.

Практическая работа №5

Общие сведения

В настоящее время широкое распространение на производстве получают промышленные контроллеры и ПЛК (программируемые логические контроллеры на Западе получили название «программируемые реле»), предназначенные для применения в системах автоматизации.

Фирма Siemens была одним из пионеров в об­ласти разработки промышленных контроллеров и ПЛК, начав их массовое производство в 1996 году. Ло­гический модуль LOGO! изна­чально задумывался как промежуточ­ное звено между традиционными ре­лейными элементами автоматики (контакторы, реле времени и т.п.) и программируемыми контроллерами. В нем вместо соединения проводов должно было использоваться логичес­кое соединение функций, обычно реа­лизуемых аппаратно с помощью от­дельных устройств. Но в отличие от программируемых контроллеров слож­ность устройств должна была позволять работать с ними персоналу без специальных знаний в области про­граммирования. С этой же целью ввод программы в LOGO! осуществляется непосредственно со встроенных индикатора и клавиатуры. Для подключения к источникам си­гналов и исполнительным устройствам модули LOGO! первых поколений име­ли 6 или 12 дискретных входов и 4 или 8 дискретных выходов (варианты Basic и Long соответственно). Затем к дис­кретным входам добавилось два анало­говых.

В 2001 году фирма Siemens выпустила модульный LOGO!, в котором увеличение числа обслужи­ваемых входов и выходов обеспечива­ется с помощью дополнительных мо­дулей расширения. Подключение разных модулей расширения к базовой модели LOGO! позволяет расширить возможности контроллера. Модуль закрепляется на стандартной профильной шине и подключается к LOGO!

В распоряжении разработчика имеются следующие типы модулей:

- дискретный модуль LOGO!DM8;

- аналоговый модуль LOGO!AM2;

- коммуникационный модуль LOGO!CM AS-i.

В модульном варианте ПЛК LOGO! (рис. 5.1) можно реализовать мак­симум с 24 дискретными и 8 аналого­выми входами, а также 16 дискретны­ми выходами. Напряжение питания входных цепей в LOGO! соответствует напряжению питания модуля, которое может быть 12/24 В постоянного тока, 24 и 230 В переменного тока. Выходы могут быть транзисторными или ре­лейными. Нагрузочная способность последних (до 10 А) обеспечивает не­посредственное подключение доста­точно мощных исполнительных уст­ройств.

Рисунок 5.1 − Модульный LOGO! фирмы Siemens

Новые модули расширения делают LOGO! способным быстро реагировать на изменения и занимают в два раза меньше места, чем сам LOGO! Кроме того, к такому микро­контроллеру можно подключить ком­муникационные модули для работы в сетях AS-interface, EIB Instabus или LON. Существуют и логические моду­ли без дисплея и клавиатуры, благода­ря чему они почти на 20 процентов де­шевле.

Главной особенностью ПЛК LOGO! является то, что схема релейной автоматики соби­рается из программно реализованных функциональных блоков. В распоряжении пользователя имеется восемь логических функций типа И, ИЛИ и т.п., большое число типов реле, в том числе, реле с задержкой включения и выключения, импульсное реле, реле с самоблокировкой, выключатель с часовым меха­низмом, тактовый генератор, кален­дарь, часы реального времени с возможностью автоматического перехода на летнее/зимнее время и др.

Программирование моду­лей LOGO! может выполняться с помощью встроенных кла­виатуры и дисплея. Оно сво­дится к выбору необходимых функциональных блоков, соединению их между собой и заданию параметров наст­ройки блоков (задержек включения/выключения, значений счётчиков и т.д.). Для хранения управ­ляющей программы в модуле имеется встроенное энергонезависимое запо­минающее устройство. Создание резе­рвной копии программы, а также пере­нос ее в другие LOGO! может быть осу­ществлён с помощью специальных мо­дулей памяти, устанавливаемых в ин­терфейсное гнездо. Модули памяти так и называются по цвету корпуса – «желтый» и «красный». При использовании жёлтого модуля прог­рамма может быть свободно перенесе­на из него в LOGO! и обратно. Если же программа переносится из красного модуля, то она может исполняться только в том случае, если модуль памя­ти остается вставленным в LOGO! Ко­пирование её на другой модуль памяти невозможно. Таким способом обеспе­чивается защита управляющей прог­раммы от несанкционированного размножения.

Однако ввод программы с панели управления может быть оправдан толь­ко для небольших по объему прог­рамм или в случае острой необходи­мости внесения корректив в уже рабо­тающую программу непосредственно на объекте. Для относительно сложных схем очевидна необходи­мость использования программного пакета LOGO! SoftComfort, который позволяет разра­батывать в графической форме и до­кументировать программы для LOGO! на компьютере и отлажи­вать их в режиме эмуляции логичес­кого модуля. Выбранные функциональ­ные блоки мышью перетаскиваются на рабочее поле, затем соединяются и параметрируются. Для каждо­го функционального блока может быть написан комментарий, который существенно облегчит понимание принципа работы программы другому пользователю или поможет самому разработчику через некоторое время вспомнить собственные замыслы. Если по результатам эмулирования корректи­ровка программы не требуется, то ее можно загрузить в память LOGO! с помощью специального кабеля, подключаемого к тому же ин­терфейсному гнезду, что и модули памяти.

На рис. 5.2 приведен пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort.

Рисунок 5.2 − Пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort

Зачастую при решении задачи автоматизации возникает по­требность в контроле температу­ры. С появлением специализи­рованного аналогового модуля LOGO! АМ2 Pt 100, предназначенного для непосредственного подклю­чения двух термометров сопро­тивления Pt 100, процесс контро­ля температуры в диапазоне от –50 до +200°С заметно упроща­ется. С помощью LOGO! можно обеспечить и регулирование температуры. Такая задача решается с помощью обычного двухпозиционного регулятора, реализуемого с помощью платинового термометра сопротивления, аналогового модуля АМ2 Pt 100 и функционального блока «Аналоговый триггер». Сигнал с выхода этого блока будет являться управляющим для электрического нагревателя. Конечно, качество регулирования будет далеко не идеальным, но для многих применений оно может оказаться вполне приемлемым.

В 2003 г. было анонсировано очередное поколение логических модулей LOGO! с более мощным 32-разрядным процессором и усовершенствован­ной архитектурой программы, что обеспечило почти десятикратное повышение быстродействия и соответственно более короткий цикл работы программы микроконтроллера. Увеличение объема памяти в два раза дает возмож­ность использовать в программе уже не 56, а до 130 функциональ­ных блоков, а также снимает ог­раничения на максимальное ко­личество в одной программе тай­меров, счётчиков, часов, анало­говых триггеров и некоторых других блоков.

Практическая работа №3

Измерительные преобразователи неэлектрических величин

Цель работы:изучение принципа действия и конструктивных особенностей первичных измерительных преобразователей, предназначенных для измерений неэлектрических величин.

Общие сведения

Комплексная автоматизация технологических процессов предполагает контроль и измерение различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (регулирования) – механических, тепловых, оптических и других неэлектрических. Преимущества же электроизмерительных приборов и преобразователей очевидны. Этим обстоятельством объяс­няется широкое распространение первичных измерительных преобразователей (датчиков), предназначенных для измерений неэлектрических величин и преобразования их в электрические.

Первичные измерительные преобразователи чрезвычайно разнообразны по принципу действия, устройству, видам входного и выходного сигналов, функциональному назначению, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

В зави­симости от выходного параметра первичные измерительные преобразователи разделяют на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, по принципу действия и др.