Промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

ЛЕКЦИЯ 16

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Основные сведения о технических средствах Государственной системы

промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

Основные понятия ГСП.

Рассмотрим основные понятия Государственной системы про­мышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), созданной в нашей стране в целях экономически и технически рационального решения проблемы обеспечения техническими средствами систем контроля, регулирования и управления технологическими процес­сами различных отраслей народного хозяйства.

По функциональному признаку все изделия ГСП разделены на следующие группы:

- получения информации о состоянии объекта управления;

- приема, преобразования и передачи информации по каналам связи;

- преобразования, хранения и обработки информации, форми­рования команд управления, связи с оперативным персоналом;

- использования командной информации для воздействия на уп­равляемый объект.

В первую группу устройств входят измерительные и нормирую­щие преобразователи, другие устройства, используемые для конт­роля состояния объекта или его управляемых переменных.

Ко второй группе относят устройства для передачи информации на расстояние (например, устройства телемеханики).

Третья группа представляет собой устройства, предназначенные для формирования управляющих сигналов (т. е. командной инфор­мации): функциональные преобразователи, логические устройства, реле, программные устройства, регулирующие приборы, вычисли­тельные устройства и комплексы, задающие элементы и др.

В четвертую группу входят исполнительные элементы и их ком­поненты: электрические, пневматические и гидравлические испол­нительные механизмы, усилители мощности к ним, а также устрой­ства представления информации.

В сельскохозяйственном производстве используют как средства автоматизации общепромышленного назначения, входящие в ГСП, так и технические средства, применяемые в основном в сельс­ком хозяйстве.

Измерительные преобразователи.

Кратко рассмотрим измерительные преобразователи (в после­дующих подразделах будут рассмотрены и другие элементы систем автоматики).

Необходимую для управления информацию о состоянии объек­та и внешних воздействиях получают в виде значений отдельных физических величин с помощью соответствующих технических устройств, которые в автоматике называют измерительными пре­образователями (ИП).

В отличие от измерительных приборов, где такая информация дана в виде, удобном для непосредственного восприятия операто­ром - человеком, информация в ИПпредставляется в виде опре­деленной физической величины, удобной для передачи и дальней­шего преобразования в системе автоматики. Эту величину называ­ют сигналом, и она однозначно связана с контролируемой физичес­кой величиной или параметром того или иного технологического процесса.

ГСП охватывает лишь часть контролируемых величин, которые наиболее часто используют в практике автоматизации. В ГСП все контролируемые величины разбиты на пять групп: теплоэнергети­ческие, механические, электроэнергетические величины, хими­ческий состав и физические свойства.

Теплоэнергетические величины: температура, давление, пере­пад давлений, уровень и расход.

Электроэнергетические величины: постоянные и переменные ток и напряжение, мощность (активная и реактивная), коэффици­ент мощности, частота и сопротивление изоляции.

Механические величины: линейные и угловые перемещения, угловая скорость, деформация усилия, вращающие моменты, коли­чecтвo изделий, твердость материалов, вибрация, шум и масса.

Химический состав: концентрация, состав, химические свой­ства.

Величины, характеризующие физические свойства: влажность, электропроводность, плотность, вязкость, освещенность и др.

Устройства, в которых однократно (первично) преобразуется измеряемая физическая величина, принято называть первичными ИП.

ИП могут соединяться, образуя следующие структурные схемы:

- однократного прямого преобразования;

- последовательного прямого преобразования;

- дифференциальную;

- с обратной связью (компенсационную).

Простейшие ИПсостоят из одного преобразователя. В случае последовательного соединения нескольких первичных преобразователей выходная величина предыдущего преобразователя является входной величиной последующего. Последовательное соединение ИПприменяют в том случае, когда однократное преобразование не дает удобного для использования выходного сигнала. При диффе­ренциальной схеме устраняется влияние на результат преобразова­ния искажающих внешних факторов благодаря сопоставлению (сравнению) преобразованной и некоторой эталонной величин, одинаково подверженных действию этих факторов. Схема ИПс об­ратной связью характеризуется высокой точностью, универсально­стью и малой зависимостью коэффициента преобразования от вне­шних возмущений.

ИП бывают с выходными естественным и унифицированным сигналами.

Естественный выходной сигнал формируется первичными ИПестественным путем и представляет собой угол поворота, переме­щение, усилие, напряжение (постоянное и переменное), сопро­тивление (активное и комплексное), электрическую емкость, час­тоту и др. ИПс естественным выходным сигналом (термопары, терморезисторы, тензодатчики и др.) широко применяют при ав­томатизации простых объектов.

Унифицированный сигнал - это сигнал определенной физи­ческой природы, изменяющийся в определенных фиксированных пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диа­пазона ее измерения. Среди унифицированных сигналов наиболь­шее распространение получили электрические сигналы постоян­ного и переменного тока, напряжения и частоты, а также пневма­тические сигналы.

К основным видам аналоговых унифицированных сигналов от­носят:

- электрические постоянного тока, мА: 0 ... 5; 0 … 20; -5 … 0 ... 5;

- электрические постоянного напряжения: 0 …10 мВ; 0 … 20 мВ; - 10 ... 0 ... 10 мВ; 0 .. .1 В; -1 ... 0 ... 1 В;

- электрические переменного напряжения, В: 0 ... 2, -1 ... 0 ... 1;

- электрические переменного тока на частоте, кГц: 4 ... 8; 2 .. .4;

- пневматические 20 ... 100 кПа.

Преобразователи, служащие для изменения масштаба сигнала, называют масштабными ИП.

Для получения унифицированных аналоговых сигналов приме­няют ИП, называемые нормирующими.

Специфика контролируемой величины существенно влияет на метод преобразования, используемый в первичном ИП.

Типы преобразователей, применяемых в ГСП, подразделяют на шесть групп: механические, электромеханические, тепловые, электрохимические, оптические и электронно-ионизационные.

Преобразователи, предназначенные для передачи сигнала изме­рительной информации на расстояние, называют передающими. Их используют в системах телемеханики.

Исполнительные механизмы и регулирующие органы.

Для управления объектами в соответствующих системах автома­тики предусматривают исполнительные элементы (ИЭ), в состав которых входят исполнитель­ные механизмы (ИМ) и регулирующие органы.

По виду потребляемой энергии ИМ подразделяют на электри­ческие, гидравлические и пневматические.

Электрические исполнительные механизмы (ЭИМ) получили наиболее широкое распространение. Их выпускают постоянной и переменной скорости.

В системах управления технологическими процессами чаще всего применяют ЭИМ постоянной скорости. В результате повтор­но-кратковременного включения асинхронного электродвигателя ЭИМ реализует закон перемещения регулирующего органа (РО), формируемый управляющим элементом системы.

ЭИМ подразделяют также по характеру перемещения РО на

следующие виды:

- механизмы электрические однооборотные (МЭО);

- механизмы электрические многооборотные (МЭМ);

механизмы электрические прямоходные (МЭП) с поступатель­ным движением РО.

Обычно ЭИМ состоит из электродвигателя, редуктора, аппара­туры контроля и управления, а также приставки, формирующей пе­ремещение выходного вала.

Для улучшения динамических характеристик и фиксации вы­ходного вала ЭИМ применяют тормоз.

Для обратной связи и контроля положения выходного вала слу­жит датчик положения.

При управлении ЭИМ используют контактные и бесконтакт­ные системы. В первом случае трехфазным асинхронным электро­двигателем управляют посредством релейно-контактной аппара­туры, а во втором - применяют тиристорное управление специ­альными двухфазными конденсаторными электродвигателями.

В сельскохозяйственной автоматике распространены электро­магнитные клапаны, в которых в качестве привода используют электромагниты (соленоиды). Они отличаются простотой конст­рукции, высокой надежностью, небольшими размерами и массой. Электромагнитные клапаны - МЭП систем двухпозиционного управления, конструктивно выполненные совместно с регулирую­щими органами. РО занимает два устойчивых положения - «От­крыто» и «Закрыто». Катушки соленоида питаются от источников постоянного тока.

Другим примером конструктивного выполнения ЭИМ совмес­тно с РО является фрикционная муфта с электромагнитным управ­лением (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Схема фрикционной муфты с Рис. 16.2. Схемы регулирующих органов: а – од-

электромагнитным управлением. нодроссельного РО; б – двухдроссель-

ного РО.

Она состоит из электромагнита 1, якоря 2 и фрик­ционного кольца 3. При подаче сигнала управления электромагнит 1 перемещает якорь 2, который находится на одном валу с фрикционным кольцом 3 муфты. Это кольцо прижимается к вращающемуся кольцу 4 двигателя 5. Ввиду трения между кольцами 3 и 4 вращение передается на отборное устройство.

Для управления механическими потоками применяют также муфты скольжения, сухого и вязкого трения.

Схемы РО расхода жидкости показаны на рисунке 16.2. В одно­седельном РО (рис. 16.2,а)изменение пропускной способности дос­тигается поступательным перемещением затвора 2 вдоль оси седла 1корпуса 3. В двухседельном РО (рис. 16.2, б) изменение пропускной способности достигается перемещением затвора 2 вдоль оси прохо­дов двух седел 1и 3 корпуса 4. Преимущество двухседельных РО - наличие разгруженного затвора.

Существуют и другие типы РО. Например, для изменения рас­хода сыпучих материалов применяют ленточные, шнековые, дис­ковые и скребковые дозаторы.

Исполнительные элементы систем в пожаро- и взрывоопасных цехах выполняют на базе пневматических исполнительных меха­низмов (ПИМ). В сельскохозяйственной автоматике чаще других применяют мембранные ПИМ. В них энергию сжатого воздуха вос­принимает мембрана. Она преобразует ее в усилие, преодолеваю­щее сопротивление пружины для перемещения, например, затвора РО (см. рис. 16.2). Затем усилие пружины используется для переме­щения золотника в обратном направлении, что достигается сниже­нием давления воздуха.

К числу недостатков пневматических средств управления отно­сят следующие: неудобство в наладке, связанное со сложностью оперативных изменений давления воздуха при проверке работоспо­собности; необходимость применения специальных компрессор­ных установок питания.

С помощью гидравлических исполнительных механизмов (ГИМ) можно наиболее надежно и просто реализовать преобразо­вание управляющих сигналов-команд в перемещение РО, осуще­ствляемое с большой скоростью и мощностью. ГИМ надежно ра­ботают в неблагоприятных условиях (при высокой влажности, по­вышенных температурах, вибрациях). Вот почему их широко ис­пользуют для привода рабочих органов комбайнов и других мобильных сельскохозяйственных машин и агрегатов. Однако указанные ранее недостатки пневматических средств свойствен­ны и ГИМ.