Тема 2. Елементи автоматичних систем

Орган 1

Рис 4 - Функціональна схема системи автоматичного блокування

До її складу входять такі ланки:

· керуючий орган, який виробляє сигнал керування

· порівнюючий пристрій, який виробляє сигнал керування лише після надходження на його вхід двох сигналів

· виконавчий орган, який перетворює сигнал керування в дію,

спрямовану на об’єкт

· об’єкт-апарат, на який у певній послідовності подається енергія

· блок живлення-джерело енергії

Система автоматичного блокування забезпечує подачу енергії від блоку

живлення на об’єкт у певній послідовності: спочатку на вхід 1, а потім на

вхід 11, виключаючи цим можливість подачі енергії на вхід 11, якщо енергію

не подано на вхід 1.

Керуючий орган подає сигнал на порівнюючий пристрій і виконавчий орган 1, який підключає блок живлення до входу 1 об’єкта й одночасно подає сигнал на порівнюючий пристрій. Останній передає сигнал керування на виконавчий орган 2 лише в тому разі, якщо на його вході є сигнал з виходу виконавчого органу 1. Після того, як мине деякий, заздалегідь заданий період часу з того моменту, коли на входи 1 і 11 порівнюючого пристрою надійшли сигнали, порівнюючий пристрій передає сигнал керування на виконавчий орган 2, який підключає блок живлення до входу 11 об’єкта. При відсутності енергії на вході 1 об”єкта не буде сигналу на вході 1 не буде сигналу на вході 11 порівнюючого пристрою, а отже й не буде підключено до блока живлення вхід 11 об’єкта.

За такою схемою можна здійснювати живлення високочастотних шаф при необхідності подачі живлення спочатку на волоски розжарення ламп і лише після розігрівання їх на аноди ламп. Людина при цьому подає командний сигнал на керуючий орган.

Систему автоматичного регулювання показано на рис 5.

До її складу входять такі ланки:

· вимірювальний орган-датчик, який вимірює фактичне значення регульованої величини

· порівнюючий пристрій, який порівнює виміряне й задане значення регульованої величини і в разі різниці між ними виробляє різницевий сигнал (сигнал помилки) певного знака, зручний для використання в регуляторі

· задатчик, який відтворює сигнал, пропорційний заданому параметру, що підтримується на певному рівні

· виконавчий орган-пристрій, за допомогою якого регулятор діє на регульований процес

· підсилювач-проміжна ланка між малопотужним порівнюючим пристроєм і виконавчим органом, який звичайно потребує вищого рівня потужності в порівнянні з тим, що може бути забезпечений порівнюючим пристроєм

· об’єкт регулювання

Рис 5 - Функціональна схема автоматичного регулювання

Система автоматичного регулювання суміщає функції контролю й дистанційного керування, працюючи без участі людини. При зміні величини параметра регульований об’єкт діє на вимірювальний орган-датчик, який перетворює вимірювану величину в сигнал, пропорційний виміряній величині й зручний для дальшого використання. Цей сигнал надходить на порівнюючий пристрій, на який надходить також сигнал з задатчика. Цей сигнал пропорційний заданій величині регульованого параметра або змінюється за певним законом. Порівнюючий пристрій порівнює сигнали, які надходять на його вхід, і на цій основі виробляє сигнал помилки, пропорційний непогодженню виміряного і заданого значень параметра. Сигнал помилки підсилюється в підсилювачі й діє на виконавчий орган так, щоб непогодження між заданим і дійсним перебігом процесів на об’єкті було ліквідовано.

За такою схемою, наприклад, підтримується тиск у пароводяній сорочці котла, температура в холодильних установках тощо.

Характерною особливістю схеми автоматичного регулювання є замкнене коло дій: будь-яка зміна сигналу на виході будь-якої ланки, пройшовши через всю систему, спричиняється до появи зміненого сигналу на вході цієї самої ланки. Це не стосується тільки задатчика. Однак слід зазначити, що при несприятливому поєднанні параметрів окремих ланок системи і зв’язків між ними таке замкнене коло дій може призвести до нестійкої системи регулювання.

Рис 6 - Функціональна схема системи диспетчеризації процесів виробництва

Систему диспетчеризації процесів виробництва показано на

риc6. Це складна система, яка забезпечує повну автоматизацію виробництва.

До складу системи включено комп’ютерну систему, яка здійснює керування окремими системами автоматичного регулювання, діючи на їх керуючі органи. Для забезпечення правильного керування окремими системами автоматичного регулювання в комп’ютерну систему надходить потік інформації про стан параметрів технологічного процесу. Після виконання ряду математичних і логічних операцій над заміряними величинами параметрів технологічного процесу виробляються відповідні сигнали, які вводяться в кожну систему автоматичного регулювання окремого процесу.

Все це стосується систем автоматики, в яких відстань між об’єктом контролю й пунктом керування є невелика. Якщо ця відстань стає такою, що для її подолання необхідно застосувати спеціальні технічні засоби, таку систему керування називають телемеханічною. Системи телемеханіки відрізняються від систем автоматики тим, що до них додатково включаються канали зв’язку, приймачі і передавачі.

Застосування систем телемеханіки забезпечують можливість контролю і керування багатьма віддаленими об’єктами з одного центрального пункту керування, причому великою кількістю об’єктів можна керувати і контролювати їх роботу за допомогою одного каналу зв’язку.

Питання для контролю і самопідготовки

1. Сформулюйте поняття «Автоматика»

2. Наведіть класифікацію автоматичних пристроїв.

3. Поясніть поняття „керований об’єкт”

4. Яким може бути вплив в автоматичній системі?Вплив на вході ,виході системи.

5. Що таке сигнал?

6. Що розуміють під керуванням об’єктом?

7. Що таке структурна схема і якими вони бувають?

8. Наведіть функціональні схеми і дайте пояснення до їх складових:

· автоматичного контролю

· дистанційного керування

· автоматичного захисту

· автоматичного блокування

· автоматичного регулювання

· диспетчеризації процесів виробництва

Тема 2. Елементи автоматичних систем

Лекція 2

Реле і перемикаючі пристрої

План

1. Класифікація і характеристика елементів автоматики.

2. Реле і перемикаючі пристрої

2.1. Основні параметри і класифікація електричних реле

2.2. Електромагнітні реле

2.3. Магнітоелектричні, електродинамічні, електротермічні реле

2.4. Реле часу

Література: 1,С.134-164;2,С.129-150;3,С.48-78.

1. Класифікація і характеристика елементів автоматики

Технічні засоби автоматики, які служать для отримання, передачі, перетворення і збереження інформації, складаються із сукупності найпростіших осередків елементів, що здійснюють одну або декількох операцій з сигналами. В загальному вигляді будь-який елемент автоматики можна розглядати як перетворювач енергії, на вхід якого подається певна величина Х, а з виходу знімається величина У. В окремих елементах відбувається перетворення однієї фізичної форми енергії в іншу (механічна в електричну, теплова в електричну ) або із збереженням фізичної форми (підвищення напруги, зміна швидкості обертання), або збільшення енергії виходу порівняно з енергією, що надходить на вхід (підсилення по потужності).

Елементи автоматики систематизують за різними ознаками.

З точки зору функціональних задач, що виконують елементи в автоматичних системах, виділяють сприймаючі, задаючі, керуючі і виконавчі елементи. Сприймаючі функціональні пристрої об’єднують чутливі елементи, елементи порівняння і датчики. Сукупність сприймаючих і задаючих елементів являють собою, по суті, вимірювальні елементи, що вимірюють розузгодження.

Сприймаючі елементи з безперервною плавною формою статичної характеристики називаються датчиками. Елементи, в яких безперервній зміні вхідного параметра відповідає стрибкоподібна (релейна) зміна вихідного параметра, являються релейними (реле).

Виходячи з динамічних властивостей елементів розрізняють типові ланки лінійні і нелінійні, тобто ланки, в яких зв’язок між вихідними і вхідними величинами в перехідному режимі описується відповідно лінійними і нелінійними диференціальними рівняннями.

Також прийнято поділяти елементи на пасивні і активні. В пасивних елементах енергія на вході повністю береться з входу, а тому потужність вихідного сигналу завжди менша (на величину внутрішніх втрат) сигналу на вході. Активні елементи відрізняються наявністю додаткових джерел енергії, від якого енергія передається на вхід за допомогою вхідного сигналу. В цьому випадку вихідна потужність елемента може бути значно вище вхідної, тобто можливе підсилення потужності.

Елементи для передачі сигналів на відстань називаються елементами дистанційного зв’язку; елементи часу і рахунково-вирішувальні використовуються для перетворення сигналів в часі і за величиною; для розподілу сигналів в часі і за напрямком-розподільниками; виконавчі-призначені для впливу на керований процес.

Класифікація датчиків. Автоматичне керування ви­робничими процесами нерозривно пов’язане з необхідністю у фіксуванні зміни геометричних, хімічних і фізичних величин (температури, тиску, концентрації рідкого й газового середови­ща, кількості й витрати речовини й тепла, густини, в’язкості, роз­мірів тощо). На ці зміни-реагують сприймаючі елементи (дат­чики).

Датчик (вимірювальний орган, чутливий елемент) перетво­рює контрольовану або регульовану величину, яка характеризує технологічний процес, у величину іншого виду, зручнішу для дальшого використання в системі автоматичного керування.

Здебільшого застосовують датчики, які перетворюють неелектричні контрольовані величини в електричні величини. Це пояс­нюється тим, що тепер будь-яка фізико-хімічна величина може бути перетворена в електричну, а електричні вимірювання мають ряд переваг у порівнянні з іншими методами вимірювань. На­приклад, вони дають можливість вимірювати різні величини на віддалі від керованого об’єкта, тобто контролювати технологічні параметри в недоступних або важкодоступних місцях, дають можливість вимірювати будь-яку величину безперервно, що в поєднанні з записом на магнітній, паперовій стрічці або на діа­грамі забезпечує безперервність і надійність контролю, а також забезпечують високу точність і можливість здійснювати мате­матичні операції безпосередньо з різними вимірюваними величи­нами, перетвореними в електричні.

Сприймаючий елемент (датчик) автоматичного пристрою є джерелом інформації: він сприймає значення параметра техно­логічного процесу й виробляє сигнал, який діє на дальші еле­менти пристрою. Ця дія повинна бути в певній, заздалегідь установленій, однозначній неперервній функціональній залеж­ності від значення параметра, на який повинен реагувати при­стрій. При порушенні неперервності функціональної залежності між вхідною й вихідною величинами необхідно відключати си­стему керування процесом.

За структурою датчики складаються з одного або кількох елементарних перетворювачів, з’єднаних в єдину систему. Най­важливішим з них є перший перетворювач, який сприймає кон­трольовану величину.

Залежність між усталеними значеннями вхідної х і вихідної у величин у = f(x) називають статичною характеристикою дат­чика. Кожний датчик характеризується своїми чутливістю й роз­дільною здатністю.

Чутливість датчика показує, як інтенсивно змінюється ви­хідна величина залежно від зміни вхідної.

Роздільною здатністю, або порогом чутливості, називають найменше значення вхідної величини, яке спричиняється до змі­ни вихідного сигналу, що розпізнається на фоні шумів на ви­ході датчика.

Сприймаючі елементи (датчики) можуть бути двох типів: з безпосереднім і багаторазовим перетворенням. Сприймаючі елементи з безпосереднім перетворенням видають на виході сиг­нал, який є результатом одного перетворення вхідної величини. У сприймаючих елементах з багаторазовим перетворенням вхід­ний сигнал перетворюється в допоміжну (або послідовно в кіль­ка допоміжних) величину, яка потім перетворюється у вихідний сигнал.

За енергетичною схемою сприймаючі елементи (датчики) також можуть бути двох типів: з підсиленням і без підсилення. При роботі без підсилення датчик одержує енергію від дослід­жуваного процесу, передаючи частину цієї енергії після пере­творення для дії дальших елементів автоматичної системи При роботі з підсиленням датчик одержує енергію від досліджуваного процесу не для спрацьовування дальших пристроїв, а тільки для зміни своїх параметрів. Подібні датчики включаються в самостійне енергетичне коло, яке має власне джерело енергії.

За характером взаємодії з досліджуваною речовиною датчики можуть бути контактними (датчик стикається з контрольо­ваною речовиною) й безконтактними (датчик не стикається з контрольованою речовиною). Контактні датчики, як правило, перетворюють механічний імпульс в електричний. Контактним датчиком по суті є будь-який перемикач в електричному колі (вимикачі, мікроперемикачі тощо).

У сучасній автоматиці застосовується багато сприймаючих елементів (датчиків) різного роду, що класифікувати їх важко. Найзручніше класифікувати датчики за вихідним сигна­лом, який, як правило, відбиває принцип дії датчика. Тому датчики можна поділити на такі групи:

· механічні, які виробляють вихідний сигнал у вигляді переміщення твердого тіла

· гідравлічні, що виробляють вихідний сигнал у вигляді переміщення рідини

· пневматичні, які виробляють вихідний сигнал у вигляді переміщення газу

· термічні, що виробляють вихідний сигнал у вигляді певної кількості тепла

· електричні, які виробляють вихідний сигнал у вигляді електричних величин

· оптичні, що виробляють вихідний сигнал у вигляді світлових величин

· акустичні, які виробляють вихідний сигнал у вигляді звуко­вих величин

· радіохвильові, що виробляють вихідний сигнал у вигляді радіохвиль певної довжини

· ядерні, які виробляють вихідний сигнал у вигляді ядерних променів

Найпоширенішими є механічні й електричні датчики. Механічні датчики становлять інтерес не тільки з погляду застосування їх у чисто механічних пристроях автоматики, але й як сприймаючі елементи ряду електричних датчиків. Цьому сприяє простота перетворення механічного переміщення в елек­тричні величини. Більшість механічних датчиків працює за схе­мою контрольована величина — механічне переміщення — елек­тричні контакти.

Електричні датчики за енергетичною схемою можна поділити на два типи: без підсилення (датчики-генератори) і з під­силенням (датчики-модулятори).

2. Реле і перемикаючі пристрої

Реле — це прилад, який здійснює стрибкоподібні зміни в допоміжних ланцюгах. Прилади релейної дії, що при­значаються для комутації силових ланцюгів (контактори, магнітні пускачі тощо), до реле не належать.

За типом керованих ланцюгів розрізняють реле електричні, гідравлічні, пневматичні, комбіновані. За характером фізичної величини, на яку реагує реле, розрізняють електричні, механіч­ні, теплові, оптичні й акустичні реле. Залежно від вхідної коор­динати реле може займати дві, три й більше позицій. Відповідно до цього розрізняють двопозиційні (включено — виключено) й багатопозиційні реле.

У системах автоматики обладнання закладів ресторанного господарства найширше застосовують електричні реле й значно меншою мірою — гідравлічні й пневматичні. Тому далі розглядатимуться тільки найпоширеніші типи електричних реле.

Під електричними розуміють такі реле, в яких електрична величина перетворюється в механічне переміщення, що спричи­няється до розмикання або замикання контактів. Застосовують такі типи електричних реле: електромагнітні постійного й змін­ного струму, електродинамічні, індукційні й електротермічні.

Електричні реле характеризують такі параметри (рис. 7):

тривалість спрацювання Тспр — проміжок часу від моменту подачі напруги на реле до моменту замикання контактів;

тривалість зрушування Тзр — інтервал від моменту подачі напруги на реле до початку руху якоря, коли струм у котушці реле досягає величини Ізр — струму зрушування, величина яко­го характеризує поріг чутливості реле;

тривалість переходу — тривалість руху якоря реле Тя:

Тспр =Тзр + Тя

струм спрацювання Іспр — величина струму в котушці реле до моменту замикання контактів; значення Іспр характеризує чутливість реле;

коефіцієнт запасу при спрацюванні К1 — для надійного

вдержання контактів у замкненому стані; необ­хідно, щоб усталений ро­бочий струм Ір був дещо більшим від струму спра­цювання Іспр:

Рис 7 - Графік спрацювання реле

значення коефіцієнта К1 звичайно вибирають у межах 1,5—4,0;

тривалісь відпускан­ня Тв— інтервал часу від моменту припинення керуючої дії (напруги) до моменту розми­кання контактів;

тривалість зрушування при відпусканні Тзр.в — проміжок ча­су від моменту припинення керуючої дії до моменту, коли вели­чина струму в котушці реле досягне величини струму зрушуван­ня при відпусканні Ізр.в;

тривалість переходу при відпусканні — тривалість руху яко­ря Тя.б:

Т в =Тзр.в + Тя.в

коефіцієнт повернення реле

де,

Ів— струм відпускання;

звичайно Кп — 0,8/0,9;

коефіцієнт запасу при відпусканні

- потужність спрацювання Рспр — мінімальна потужність, по­трібна для надійного спрацювання реле;

- потужність керування Рк — гранична потужність, яка про­пускається через контакти реле;

- коефіцієнт керування Кк — коефіцієнт підсилення за потужністю:

Між коефіцієнтами К1, К2 і Ка існує такий зв’язок:

Електромагнітні реле є основними в системах автоматики, їх застосовують для перемикання порівняно потужних кіл струму й називають контак­торами.

Рис 8 - Кодове реле типу КДР

Електромагнітні реле по­стійного струму можуть бу­ти поляризованими й нейт­ральними. Нейтральні реле реагують однаковою мірою на струм обох напрямків, який проходить по їх обмот­ках. Поляризовані реле ре­агують на струм різних на­прямків по-різному.

Електромагнітне нейтральне реле складається з нерухомого осердя з обмоткою й рухомого якоря. Осердя і якір реле виго­товляють з магнітом’якого матеріалу.

Конструктивних виконань електромагнітних реле дуже ба­гато. Найпоширенішими є реле з поворотним якорем і реле з втяжним якорем. До реле з поворотним якорем належать так звані кодові й телефонні реле (назви не визначають галузі застосування, вони склались історично).

Будову кодового реле типу КДР показано на рис. 8. Маг­нітне коло реле складають осердя 1, корпус 3 і якір 2, зробле­ний у вигляді букви Г. При проходженні струму через котушку 5 якір 2 притягується до торця осердя, повертаючись навколо опорної грані корпуса. Щоб усунути можливість замикання че­рез гістерезис, у якір впресовують латунний штифт, який не дає йому можливості щільно прилягати до осердя. При пово­роті якір приводить у рух контактну систему, яка може мати до 25 контактних пружин. Для спрацювання реле залежно від кількості контактних пружин потрібно від 150 до 750 ампер-витків, що відповідає потужності спрацювання від 0,1 до 3 вт. Максимальна потужність кола, яке розривається контактами ко­дового реле, становить 80 вт для постійного струму й 400 вт для змінного.

У телефонних реле якір зроблено у вигляді плоскої скоби 2 (рис. 9). Осердя 1 реле виконано з заліза прямокутного пере­різу. Він є одночасно корпусом реле. Якір (плоска скоба) 2 огинає котушку 5 і вільно закріплюється біля його основи. У вільному стані під дією сили ваги він знаходиться в нижньо­му положенні й удержується латунною рамкою 3, яка охоплює осердя 1. При проходженні струму через котушку 5 передня частина якоря 2 притягу­ється до осердя 1, якір повертається навколо сво­єї основи й переміщує за допомогою рамки рухомі контактні пружини 4. Щоб усунути замикання, між якорем і осердям прокладено латунну пла­стинку. На реле встанов­люють до 15 контактних пружин. Залежно від їх кількості по­тужність спрацювання телефонних реле типу РПН становить 0,03—0,07 вт. Потужність контактів телефонних реле нижча, ніж у кодових.

Рис 9 - Телефонне реле типу РПН

Реле з втяжним якорем (рис. 10) має котушку З, встановле­ну в циліндричний корпус 2, і циліндричний якір. Якір і кор­пус виготовляють з магнітного матеріалу. При проходженні струму через котушку З якір 1 втягується все­редину котушки, підій­маючи рухому контакт­ну перемичку 5, яка за­микає контакти 4. При відключенні струму якір під дією сили ва­ги опускається на упо­ри 6 і контакти розми­каються.

Тепер широко зас­тосовують новий тип електромагнітних ре­ле — без якоря (реле язичкового типу або реле з магнітокерованими контактами). Бу­дову без’якірного реле показано на рис. 11. Всередині циліндричної котушки 3 помі­щено герметизовану скляну колбу U наповнену інертним газом. Контактні пружини 2, зроблені у вигляді тонких пружних язич­ків з феромагнітного матеріалу, розміщено всередині скляної колби. Кінці язичків покривають радієм або золотом. При про­пусканні струму по котушці контактні пружини притягуються одна до одної, замикаючи вторинне електричне коло, підключене до штирків 4, які виступають з скляної колби. Таке реле від­значається надійністю й швидкістю дії. Частота спрацювання може становити сотні герців. Розривна потужність контакту 15—20 вт.

Останнім часом широко використовуються мініатюрні реле, які відзначаються дуже малим об’ємом і вагою (V = 2...20 см3, G = 5...40 г) у порівнянні із звичайними телефонними реле (V = 50 ...150 см3, G = 150... 400 г).

Рис 10 - Реле з втяжним Рис 11 - Електромагнітне