Дифференциально-трансформаторный ДП

A. E. МЕДВЕДЕВ

 

ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

 

Тексты лекций

 

Кемерово 2008

УДК 681.5

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Кафедра автоматизации производственных процессов и АСУ Кемеровского технологического института пищевой про­мышленности (заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент А. В. Чупин)

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации исследований и технической кибернетики В. Я. Карташов (Кемеровский государственный университет)

 

Медведев А. Е. Элементы систем автоматики: тексты лекций / А. Е. Медведев; ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2007. – 232 с.

 

 

ISBN 278-5-89070-625-6

Тексты лекций подготовлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Элементы систем автоматики». Рассмотрены основные понятия и определения дисциплины, описаны различные датчики, усилительно-преобразовательные элементы, автоматические регуляторы, промышленные программируемые
контроллеры и компьютеры, исполнительные устройства автома­тики и пневматические управляющие элементы – мембранные и струйные.

Предназначены для студентов, обучающихся по специаль­ности 140604 «Электропривод и автоматика промыш­ленных установок и технологических комплексов».

 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГУ КузГТУ.

 

УДК 681.5

© ГУ КузГТУ, 2007

ISBN 278-5-89070-625-6 © Медведев A. E., 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.………………………………………………
1. ВВОДНАЯ ТЕМА …………………………………………..
1.1. Предмет и задачи курса………………………………
1.2. Основные понятия и определения……………………
1.3. Элементы………………………………………………
2. ДАТЧИКИ ……………………………………………………
2.1. Определение и общие характеристики датчиков…….
2.2. Датчики положения объектов (ДПО)…………………
2.3. Датчики перемещений (ДП)…………………………...
2.4. Датчики скорости………………………………………
2.5. Датчики усилий………………………………………...
2.6. Датчики крутящего момента………………………….
2.7. Датчики вибраций……………………………………..
2.8. Датчики токов и напряжений………………………….
3. УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ…………………………………………………
3.1. Общие положения……………………………………..
3.2. Магнитные усилители…………………………………
3.3. Релейные преобразовательные устройства………….
4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ…………………….
4.1. Общие положения……………………………………..
4.2. Регуляторы непрерывного действия…………………
4.3. Позиционные регуляторы…………………………….
4.4. Импульсные регуляторы………………………………
4.5. Микропроцессорные регуляторы…………………….
4.6. Электрические регулирующие комплексы………….
5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ И ПРОМЫШЛЕНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ……………………
5.1. Общие положения……………………………………...
5.2. Регулирующий микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130………………………………………..
5.3. Универсальные программируемые контроллеры……
5.4. Промышленные компьютеры…………………………
6. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА…………………….
6.1. Общие положения……………………………………..
6.2. Электромагнитные исполнительные элементы……..
6.3. Электродвигательные ИУ……………………………..
6.4. Гидравлические и пневматические ИУ………………
7. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ…
7.1. Общие положения……………………………………..
7.2. Мембранные пневматические элементы УСЭППА. Комплекс приборов «Старт»………………………….
7.3. Струйные пневмоэлементы……………………………
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………..

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современном промышленном производстве важную роль выполняют автоматические и автоматизированные системы управления технологическим оборудованием и процессами. Для эффективного решения задач автоматизации производства необходимо осуществлять подготовку специалистов, способных разрабатывать и обслуживать в процессе эксплуатации системы управления различными машинами, установками и технологическими комплексами, построенные на базе современных технических средств автоматики.

Настоящий курс лекций по дисциплине «Элементы систем автоматики» написан в соответствии с программой подготовки инженеров по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и содержит семь разделов.

В первом разделе рассмотрены основные понятия и определения дисциплины: автоматика и автоматизация, управление техническими объектами, локальные автоматические системы АСУТП, элементы автоматических систем. Второй раздел посвящен изучению различных датчиков контролируемых величин, в первую очередь датчиков, применяемых в системах автоматики электроприводов. К ним относятся датчики положения и перемещения объектов, датчики усилий и моментов, датчики токов и напряжений, датчики скорости и вибраций. В третьем разделе рассматриваются усилительно-преобразовательные элементы, обеспечивающие усиление сигналов, гальваническое разделение, аналого-позиционное преобразование. Детально описываются устройство, принцип действия и характеристики магнитных усилителей, контактных и бесконтактных реле. В четвертом разделе описаны устройство, принцип действия и характеристики автоматических регуляторов как с жесткой логикой функционирования и аппаратным способом реализации, так и с гибкой логикой управления – программируемые микропроцессорные автоматические регуляторы. Приведены также общие сведения по электрическим регулирующим комплексам, позволяющим создавать различные системы управления технологическим оборудованием и процессами. Пятый раздел посвящен изучению микропроцессорных управляющих устройств – промышленных программируемых контроллеров и компьютеров. Описываются их устройство, технические характеристики, средства программирования и функциональные возможности. В шестом разделе рассматриваются различные исполнительные устройства, осуществляющие управляющие воздействия на технологические объекты управления. Детально описываются устройство, принцип действия и характеристики электромагнитных исполнительных элементов, электродвигательных, гидравлических и пневматических исполнительных устройств. Седьмой раздел посвящен описанию устройства и принципа действия пневматических элементов, на основе которых выполняются пневматические управляющие устройства систем автоматики. Приводятся также общие сведения по пневматическому комплексу приборов «Старт» и пример построения автоматического регулятора на базе использования его приборов.

Курс лекций может также использоваться при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Автор выражает благодарность студентам группы ЭА-032 ГУ КузГТУ И. А. Башмакову, А. А. Лушникову, В. А. Сытнику, А. Г. Хорошилову за помощь в оформлении текста лекций.

 

 

1. Вводная тема

1.1. Предмет и задачи курса

 

В состав курса входят семь тем:

1. Вводная тема.

2. Датчики.

3. Усилительно-преобразовательные элементы.

4. Автоматические регуляторы и регулирующие комплексы.

5. Программируемые контроллеры и промышленные компьютеры.

6. Исполнительные устройства.

7. Пневматические управляющие элементы.

 

Цель курса – дать знания будущим специалистам по техническим средствам автоматики, являющихся базой для создания систем автоматизации промышленного производства.

 

1.2. Основные понятия и определения дисциплины

 

1.2.1. Автоматика и автоматизация

 

Автоматика – это научная дисциплина, изучающая способы и устройства для создания самодействующих (автоматических) систем.

Автоматизация – это процесс применения средств автоматики, электроники, вычислительной техники и др. в различных сферах деятельности человека: в промышленности (промышленная), на транспорте, в быту, в медицине, в космосе, в атомной энергетике и т.д., результатом которой является создание различных самодействующих систем или систем автоматизации.

 

1.2.2. Управление техническими объектами,

его виды и уровни

 

Управление – это процесс преобразования информации о состоянии объекта и среды в определенные действия на объект, обеспечивающие его функционирование в соответствии с поставленной целью. Этапы процесса управления показаны на рис. 1.1.

Процесс управления является информационным замкнутым процессом: при изменении возмущений изменяются контролируемые параметры объекта, информация о которых совместно с заданием используется для выработки управляющих воздействий, которые в свою очередь изменяют контролируемые параметры и т.д. Задание на управление объектом формируется в соответствии с поставленной целью управления оператором, компьютером или наладчиком.

 

 

Рис. 1.1. Структурная схема процесса управления

 

На схеме приняты следующие обозначения:

ТОУ – технологический объект управления (машина, установка, агрегат).

– вектор контролируемых параметров объекта.

– вектор возмущающих воздействий.

– вектор управляющих воздействий.

 

По различным признакам различают следующие виды управления.

По уровню автоматизации процесса управления:

· Ручное;

· Автоматическое;

· Автоматизированное.

По месту расположения органов управления:

· Местное;

· Дистанционное.

По принципу организации процесса управления:

· Локальное (одноуровневое);

· Централизованное (одноуровневое);

· Иерархическое (многоуровневое, распределенное).

 

В автоматизации промышленного производства, на сегодняшний день, различают 5 уровней управления (рис. 1.2):

I/O (Input/Output) – ввод/вывод сигналов (связь с объектом);

CONTROL – локальное управление технологическим оборудованием и процессами;

 

 

 

Рис. 1.2. Уровни управления промышленным производством

 

SCADA (Supervisor Control and Data Acquisition) – супервизорное управление и обработка данных;

MES (Manufacturing Execution System) – управление исполнением производства;

MPR (Manufacturing Resources Planning) – планирование ресурсов производства: сырьевых, трудовых, энергетических, финансовых.

 

1.2.3. Системы

 

Система – это совокупность взаимосвязанных элементов (подсистем), взаимодействующих друг с другом таким образом, чтобы обеспечить достижение поставленной цели.

Различают системы:

· Технические;

· Биологические;

· Экономические;

· Социальные и др.

К техническим системам относятся системы автоматизации производства, представляющие собой совокупность объекта и системы управления (рис. 1.3).

Классификация систем автоматизации и управления технологическими объектами представлена на рис. 1.4. Локальные автоматические системы имеют следующие обозначения:

САК (системы автоматического контроля) – это системы измерительные, диагностические, сигнализации, учета, контроля качества;

САЗ (системы автоматической защиты) – обнаруживают критические ситуации и предотвращают аварии на объектах управления;

САБ (системы автоматической блокировки) – обеспечивают блокированное управление, при котором срабатывание элементов системы происходит при выполнении определенных логических условий. Обеспечивают исключение аварийных ситуаций вследствие ошибок персонала;

 

 

 

Рис. 1.3. Система автоматизации: СУ – система управления объектом; О – управляемый объект

 

ПЛУ (системы программно-логического управления) – обеспечивают логическое управление объектом в функции времени и выполнения определенных логических условий. Используются для управления пуском/остановом объекта, циклом, защиты, сигнализации;

САР (системы автоматического регулирования) – предназначены для управления значениями параметров функционирования объекта;

СОТП (системы оптимизации технологических процессов) – обеспечивают оптимальное управление объектом.

Система АСУТП – это автоматизированная человеко-машинная система управления, предназначена для автоматизирования технологических процессов (комплексов технологического оборудования) и производств. Система включает в себя средства автоматизации и оперативный персонал (операторов, диспетчеров).

В качестве примеров АСУТП можно назвать следующие системы: АСУ дробильно-сортировочным комплексом, АСУ технологическим комплексом поверхности угольной шахты, АСУ процессом приготовления бетона, АСУ конвейерным транспортом и др.

 

 

АСУТП имеют, как правило, два-три уровня управления, могут работать как в автоматизированном, так и автоматическом режимах управления.

В современных АСУТП реализуется принцип распределенного управления на базе программируемых управляющих устройств (контроллеров, компьютеров), связанных между собой промышленными шинами (коммуникационными средствами).

Структура АСУТП, поясняющая принцип распределенного управления, представлена на рис. 1.5.

 

 

Рис. 1.5. Структурная схема АСУТП

 

MTU – главный терминал (УК – управляющий компьютер);

CS – коммуникационная система (система связи между программируемыми устройствами);

RTU – удаленный терминал;

K₁, K₂…К_n – программируемые контроллеры;

ЦР – цифровой регулятор;

Д – датчик;

ИУ – исполнительное устройство;

ИД, ИП – интеллектуальные датчики и приводы;

TOU – технологический объект управления;

O₁, O₂…О _n – технологические участки (звенья) объекта управления.

Оператор следит за ходом ТП, корректирует процесс управления при необходимости, активно участвует в управлении в предаварийных и аварийных ситуациях.

 

Функции системы

 

· Сбор и обработка информации об объекте.

· Отображение информации об объекте (в виде анимированной мнемосхемы, световых и звуковых сигналов, графиков, таблиц на экране).

· Распознавание предаварийных ситуаций и выдача управляющих воздействий по их предотвращению.

· Выработка и передача локальным устройствам управления заданий и команд операций по управлению технологическими участками объекта.

· Учет работы, расхода сырья.

· Печать отчетов и протоколов о работе объекта.

· Диагностика.

 

Локальные автоматические системы (ЛАС)

 

ЛАС обеспечивает выполнение всех функций процессов управления или их части без непосредственного участия человека. Обобщенная структура ЛАС представлена на рис. 1.6.

УУ – управляющее устройство;

АР – автоматические регуляторы;

УЛУ – управляющее логическое устройство, обеспечивающее дискретное управление объектом (пуск-останов, управление циклом, защиту, сигнализацию).

Ниже рассматриваются различные варианты реализации ЛАС.

 

 

Рис. 1.6. Обобщенная структурная схема ЛАС

 

Системы САК обеспечивают автоматическое получение информации о состоянии объекта и значение параметров его функционирования.

При малом числе контролируемых параметров для каждой величины выполняют свой канал контроля. Структура одноканальной САК представлена на рис. 1.7.

 

Рис. 1.7. Структурная схема одноканальной САК: Х – контролируемый параметр; Х _зад – заданное значение контролируемого параметра

 

При большом количестве контролируемых параметров применяют принцип централизованного контроля, при котором на каждый контролируемый параметр ставится датчик, а управляющий элемент будет один.

Системы САС предназначены для представления информации об объекте персоналу в виде световых и звуковых сигналов.

САС классифицируются следующим образом (рис. 1.8)

 

Рис. 1.8. Классификация систем сигнализации

 

Структура многоканальной САС представлена на рис. 1.9.

 

 

Рис. 1.9. Структурная схема многоканальной САС

 

Системы САЗ обеспечивают защиту технологического оборудования от аварии и оперативного персонала от травмирования.

Классификация САЗ по назначению представлена на рис. 1.10.

 

 

Рис. 1.10. Классификация САЗ

 

САОП – система аварийного отключения или переключения режима работы технологического оборудования;

СЗП – система защиты оперативного персонала;

СПЗ – система противопожарной защиты.

На рис. 1.11 показана структурная схема одноканальной САЗ. В этой системе в аварийных ситуациях осуществляется управляющее воздействие на объект через исполнительный элемент ИЭ.

Системы САР предназначены для управления объектами непрерывного действия, в частности для решения таких задач автоматизации, как стабилизация технологических параметров, поддержание заданного соотношения между двумя и более параметрами, супервизорное регулирование режимов работы технологических объектов и др. Ниже приводятся примеры САР.

Рис. 1.11. Структура одноканальной САЗ (с одной контролируемой величиной)

Многоканальная система стабилизации режима работы ТОУ непрерывного действия представлена на рис. 1.12.

 

 

Рис. 1.12. Структурная схема многоканальной стабилизирующей системы: Д – датчик; РУ, ИУ – регулирующее и исполнительное устройства; ТОУ – технологический объект управления; З – задатчик

Система состоит из n автономных каналов регулирования технологических параметров является системой несвязанного регулирования. Обеспечивает заданный режим работы ТОУ. Оператор (или наладчик) устанавливает заданные значения регулируемых параметров с помощью задатчиков З1, З2,…, З n.

Примеры многоканальных систем стабилизации:

· САР массообменных процессов в химическом производстве, например, САР ректификационной установки;

· САР сырьевых мельниц, обжиговых агрегатов в производстве цемента и др.

Системы супервизорного регулирования технологических параметров (рис. 1.13) применяются для управления сложными ТОУ непрерывного действия в химическом производстве (реакторы, ректификационные установки), энергетике (котельные установки, турбины), металлургии (прокатные станки), в горном деле (проветривание шахт).

Контуры регулирования могут быть аналоговыми и/или цифровыми. Последние обеспечивают более высокую точность регулирования, тестовую диагностику (все это труднее обеспечить в аналоговом варианте).

Системы регулирования соотношения технологических параметров (рис. 1.14) предназначены для поддержания заданного соотношения технологических параметров, например соотношения «топливо – воздух» в топках котлов, соотношения компонентов строительных смесей в многокомпонентных весовых дозаторах, соотношения скоростей смежных клетей в прокатных станах и т.д.

Такая система может обеспечить оптимальное управление объектом, адаптацию к условиям функционирования (к среде), способна также выполнять такие функции, как:

· защита, блокировка, сигнализация;

· техническая диагностика.

 

Рис. 1.13. Структурная схема супервизорного регулирования технологических параметров: УК – управляющий компьютер промышленный или ПК, выполняющий функции интеллектуального задатчика параметров; РУ – регулирующее устройство (аналоговый регулятор или микропроцессорный контроллер); ИУ – исполнительное устройство (привод, силовой пребразователь, пусковая аппаратура и др.); Д – датчик (аналоговый или дискретный); – вектор заданий; – регулируемые параметры ТОУ; – заданные значения регулируемых параметров; – вектор возмущающих воздействий на объект; – управляющие воздействия (потоки энергии или вещества, подводимые к объекту)

 

Структурная схема САР соотношения двух параметров представлена на рис. 1.14.

 

Рис. 1.14. Структура САР соотношения технологических параметров

 

 

Обозначим коэффициент заданного соотношения параметров

 

.

 

Тогда заданное значение ведомого параметра, формируемое блоком соотношения параметров БСП, определяется выражением

 

,

 

где – измеряемое датчиком текущее значение ведущего параметра.

 

1.3. Элементы

 

Элемент системы автоматики – это ее часть, выполняющая определенную функцию (операцию над сигналами) в соответствии с поставленной целью управления объектом.

К функциональным операциям, выполняемым элементами в автоматических системах, относятся:

· Преобразование контролируемых величин в сигналы (датчики);

· Преобразование сигналов:

- по роду энергии (сигнал одного рода энергии преобразуется в сигнал другого рода энергии, например электропневмопреобразователи);

- количественные преобразования по уровню и/или мощности сигналов, например усилители;

- функциональные преобразования по виду связи между входными и выходными сигналами (статические, динамические, логические, вычислительные операции, нелинейные преобразования);

·Хранение данных (память);

·Формирование заданий (например, программные задатчики);

·Выработка управляющих сигналов (управляющие устройства);

·Формирование и реализация управляющих воздействий на объект (исполнительные устройства);

·Распределение сигналов по различным каналам;

·Отображение информации о состоянии объекта и параметрах его функционирования (элементы индикации, регистрации, сигнализации);

·Передача сигналов на большие расстояния и др.

Таким образом, элементы систем автоматики обеспечивают сбор, передачу, обработку, хранение и представление оперативному персоналу информации о работе объекта, выработку и реализацию управляющих воздействий на объект в соответствии с заданным критерием управления.

Все множество элементов автоматических систем удобно с точки зрения последующего изложения курса и понимания элементной базы автоматики разделить на группы по следующим признакам:

1. По выполняемым функциям в системах различают:

· Измерительные элементы (датчики);

· Усилительно-преобразовательные элементы (усилители, пороговые элементы, реле);

· Задающие элементы (задатчики);

· Управляющие элементы (регуляторы, контроллеры и др.)

· Исполнительные элементы (приводы, преобразователи энергии, пусковая аппаратура и др.);

· Устройства связи с объектом.

2. По роду энергии элементы делятся на:

· Электрические;

· Гидравлические;

· Пневматические;

· Комбинированные.

3. По характеру изменения сигналов во времени:

· Аналоговые (элементы непрерывного действия);

· Дискретные (импульсные, цифровые, позиционные элементы).

По иерархии в системах автоматизации промышленного производства технические средства автоматики образуют 4 уровня (рис. 1.15).

Высший уровень в иерархии занимают управляющие вычислительные сети (УВС), представляющие собой комплекс компьютеров, объединённых коммуникационной системой. УВС позволяют создавать интегрированные АСУ производством, осуществляющие автоматизацию как технологических процессов, так и организационного управления предприятием (планирование сырьевых, трудовых, энергетических и финансовых ресурсов, сбыта готовой продукции, исполнение управления производством).

На структурных схемах элемент обозначается прямоугольником, а сигнал входной х и выходной у – стрелками. Внутри прямоугольника записывается аббревиатура наименования элемента. Например, датчик будет изображен, как показано на рис. 1.16.

Рис. 1.15. Иерархическая структура технических средств автоматики

 

 

 

Рис. 1.16. Графическое обозначение элемента систем автоматики

 

 

Общими характеристиками элементов являются следующие:

· Статические характеристики описывают поведение элементов в установившихся режимах работы, представляют собой функциональную зависимость выходного сигнала от входного y = f (x).

· Динамические характеристики описывают поведение элементов в переходных режимах работы. В общем случае эти характеристики могут быть представлены известными из теории автоматического управления выражениями в виде переходной или передаточной функции, амплитудной и фазовой частотных характеристик.

· Характеристики надежности работы элементов, в качестве которых чаще всего используется показатели безотказности (среднее время безотказной работы или наработки на отказ), восстанавливаемости (среднее время восстановления отказа) и долговечности (срок службы элемента).

· Специфические характеристики элементов, определяемые условиями (средой) их эксплуатации. К ним относятся: а) взрывобезопасность исполнения (уровень и вид взрывозащиты) для элементов, работающих во взрывоопасных средах; б) помехозащищенность от электромагнитных (природных и промышленных) помех; в) предельно допустимые значения параметров функционирования по температуре, влажности, запыленности, уровню вибраций.

 

2. Датчики

 

2.1. Определение и общие характеристики датчиков

 

Датчик – это преобразователь контролируемой физической величины в сигнал, удобный для последующего использования в системе. В общем случае датчик содержит чувствительный элемент ЧЭ и преобразующий элемент ПЭ (рис. 2.1). В большинстве современных систем автоматики выходной сигнал датчика является электрическим и представляется током или напряжением.

 

Рис. 2.1. Структура датчика с электрическим выходным сигналом: х – физическая величина (контролируемый параметр объекта); – выходное напряжение с датчика; – напряжение питания

 

Выходной сигнал датчика может быть аналоговым или дискретным (цифровым, импульсным, позиционным). Возможные формы выходного напряжения датчиков представлены на рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Формы выходного сигнала датчиков: а – аналоговый; б – цифровой; в – импульсный; г – позиционный

 

В задачах автоматизации датчики должны соответствовать (отвечать) ряду специальных требований, в частности следующих:

 

1. Погрешность: максимальная разность между измеренной и действительной физической величиной (это абсолютная погрешность). Часто погрешность выражают в процентах от полной шкалы и называют ее приведенной погрешностью (относительной).

2. Разрешающая способность – это разность между соседними отсчетами измерения, например разрешающая способность линейки с делениями через 1 мм = 1 мм. Разрешающая способность показывает наибольшую точность, с которой измеряется контролируемая величина.

3. Чувствительность – это отношение , где k – коэффициент преобразования (чувствительности) датчика.

4. Линейность статической характеристики: статические характеристики датчика по форме могут быть (рис. 2.3):

 

 

Рис. 2.3. Статические характеристики датчиков: а – линейная; б – нелинейная; в – линеаризованная

 

5. Гистерезис статической характеристики: выходной сигнал датчика зависит от того, увеличивается или уменьшается входная величина, т.е. выход датчика не является однозначным. Так при разность значений выходного сигнала (рис. 2.4).

 

 

 

 

Рис. 2.4. Гистерезис датчика

 

 

6. Время отклика (рис. 2.5) – это время переходного процесса датчика. Обычно это экспоненциальный переходный процесс. Его продолжительность . Характеризует быстродействие датчика (его инерционность).

7. Полоса преобразования (рис. 2.6) – представляет собой полосу частот входного сигнала, которую пропускает датчик. Чем шире полоса преобразования , тем меньше время отклика . Полоса преобразования позволяет оценить фильтрующие свойства датчика.

8. Наличие механического контакта датчика с объектом (у контактных датчиков ЧЭ механически взаимодействует с объектом, у бесконтактных механического контакта ЧЭ с объектом нет).

Рис. 2.5. Переходная характеристика датчика: Т – постоянная времени датчика		Рис. 2.6. Полоса преобразования датчика: – частота входного сигнала

9. Принцип отсчета может быть абсолютным или относительным. В первом случае каждому значению х соответствует свое значение U _вых, во втором – отсчет ведут от некоторого значения физической величины х ₀, считая его нулевым (U _вых = 0). В качестве примера можно назвать абсолютные и относительные шифраторы перемещений (датчики перемещений). Первые определяют цифровой код абсолютного перемещения, вторые считают число импульсов, пропорциональное перемещению, отсчитываемому всякий раз с нуля (счетчик обнуляется в исходном состоянии – сбрасывает накопленную информацию при включении).

 

2.2. Датчики положения объектов (ДПО)

 

2.2.1. Назначение, классификация, структура

и характеристики ДПО

 

ДПО фиксирует положение объекта в определенной точке пути. ДПО предназначены для контроля появления объекта в заданной точке пространства, например, конечные выключатели, контролирующие положение РО, рабочих органов машин (кабин лифта, скипа, стрелок на ЖД транспорте и др.).

ДПО по наличию связи с объектом делятся на контактные (микровыключатели) и бесконтактные. Последние по виду преобразовательного элемента могут быть герконовыми, индуктивными, магнитными, оптическими, ультразвуковыми, радиоактивными, генераторными.

В общем случае структура бесконтактного ДПО включает в себя (рис. 2.7): УЭ – управляющий элемент, жестко связанный с объектом; ЧЭ – чувствительный элемент, преобразующий перемещение в электрический сигнал; ПЭ – пороговый элемент, преобразующий непрерывный электрический сигнал в дискретный; ИЭ – исполнительный элемент, передающий дискретный сигнал в систему управления.

 

 

Рис. 2.7. Обобщенная структура ДПО

 

В контактном ДПО УЭ (упор) механически воздействует на ЧЭ (например, в рычажном конечном выключателе). Эти ДПО просты и дешевы, но подвержены механическому износу и не способны работать при быстрых перемещениях объекта.

В бесконтактных ДПО в качестве УЭ используют постоянные магниты, ферромагнитные элементы, пластинки, экраны и т.д. Они работоспособны при быстрых перемещениях объекта (в них нет механического контакта), они защищены от внешних воздействий, не требуют ухода, такие датчики имеют следующие характеристики:

1. Зона чувствительности D х (рис. 2.8) – это зона в которой датчик реагирует на перемещение объекта х.

 

Рис. 2.8. Зона чувствительности D х и рабочий зазор

 

 

2. Рабочий зазор (см. рис. 2.8) – это максимально допустимое расстояние между УЭ и ЧЭ, при котором датчик реагирует на появление объекта.

3. Дифференциал хода (рис. 2.9) представляет собой разность между точкой срабатывания (включения) датчика при прямом ходе и точкой его отключения при обратном перемещении объекта .

4. Время срабатывания – это время между входом объекта в зону чувствительности и срабатыванием датчика (рис. 2.10).

 

 

 

Рис. 2.9. Дифференциал хода

 

 

 

Рис. 2.10. Время срабатывания датчика

 

 

Ниже рассматриваются примеры различных датчиков положения объектов, их устройство и принцип действия.

 

2.2.2. Электроконтактные датчики положения объектов

 

К таким датчикам относятся контактные датчики – микровыключатели и бесконтактные герконовые датчики.

 

Датчик – микровыключатель

 

Рис. 2.11. Схема ДПО на базе микровыключателя: SQ – контакт микровыключателя, срабатывающий от механического воздействия объекта

 

Применяется в качестве концевого выключателя в приводах стрелок, дверей, задвижек, заслонок и других подвижных элементов, положение которых контролируется в конечных точках перемещения.

Герконовые ДПО срабатывают без контакта с объектом, под действием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, установленным на объекте, например, в кабине лифта.

 

 

Рис. 2.12. Схема герконового ДПО

 

2.2.3. Индуктивные выключатели

 

Индуктивные выключатели используются как конечные выключатели на лифтах и подъемниках.

 

 

Рис. 2.13. Схема индуктивного выключателя

 

ФМ – объект, обладающий ферромагнитной массой, например скип, электровоз и т.п.

К1 – электромагнитное реле.

L 1 – преобразователь индуктивный (дроссель).

Индуктивный выключатель работает следующим образом: при появлении объекта в зоне чувствительности датчика резко возрастает индуктивное сопротивление обмотки дросселя, что приводит к уменьшению тока I в обмотке реле К1 и отключению последнего.

 

2.2.4. Магнитные выключатели типа ДКПУ

 

Для контроля положения объектов, обладающих ферромагнитной массой, используют датчик ДКПУ-21 (рис. 2.14).

Чувствительный элемент датчика представляет собой 2 катушки с магнитной связью между собой.

При появлении объекта (достаточном его приближении к воспринимающей части датчика) увеличивается взаимоиндукция (магнитная связь) катушек.

 

 

 

Рис. 2.14. Схема датчика ДКПУ-21: ПЭ – пороговый элемент (нуль-орган с усилителем); Uоп – опорное напряжение; ФМ – ферромагнитная масса объекта

 

При U _вх > U _опвключается реле К 1 и на выходе датчика появляется логическая «1».

Для контроля положения объектов, не имеющих ферромагнитной массы, применяют датчик ДКПУ-22 (рис. 2.15).

 

 

Рис. 2.15. Схема датчика ДКПУ-22

 

Чувствительный элемент датчика представляет собой трансформатор Т 1 с П-образным сердечником. При появлении объекта с постоянным магнитом сердечник Т 1 намагничивается, падает его µ (скорость изменения магнитного потока), что уменьшает коэффициент трансформации и напряжение U _вх.

При U _вх< U _оп срабатывает пороговый элемент и отключает реле К1: на выходе датчика появляется логическая «1».

 

2.2.5. Оптические, радиоактивные, ультразвуковые ДПО

 

Принципы построения таких датчиков одинаковы и могут быть пояснены рис. 2.16.

 

Рис. 2.16. Обобщенная структура ДПО, действующего на принципе изменения потока света, ультразвука или радиоактивного излучения

 

По этой схеме выполняют фотореле, γ-реле, ультразвуковое реле (УЗР).

Появление объекта перекрывает поток (снижает интенсивность γ-потока, ультразвука или света от источника к приемнику), что приводит к срабатыванию выходного реле К 1 и появлению на выходе логической «1». Ниже приведены примеры оптических ДПО.

Световой барьер для ограждения опасной зоны представлен на рис. 2.17.

 

 

Рис. 2.17. Схема светового барьера: ФИ, ФП – фотоизлучатель и фотоприемник; И – логический элемент

 

При пересечении луча объектом освещение фотоприемников резко падает. Срабатывает реле К 1, ограждаемый объект (например циркулярная пила) останавливается и подается сигнал тревоги.

Волоконно-оптические ДПО реагируют на пересечение или отражение светового потока, передаваемого через оптическое волокно (рис. 2.18).

 

 

Рис. 2.18. Схемы волоконно-оптических датчиков, чувствительных к пересечению светового потока (а) и к отражению светового потока (б): И – источник света; П – приемник света

 

2.2.6. Генераторные ДПО

 

Генераторные ДПО используют изменение индуктивности катушки колебательного контура генератора при перемещении металлического объекта в его зоне действия. При этом происходит срыв колебаний генератора и появляется сигнал на выходе. Генераторные ДПО делятся на щелевые, плоскостные и торцевые.

За рубежом наиболее распространены генераторные ДПО торцевого типа.

Конструктивно ДПО выполнен в виде неразборного болта (втулки) Ø 8–12 мм и длиной 50–60 мм (рис. 2.19). Внутри болта размещены автогенератор (АГ) с изменяемой индуктивностью в колебательном контуре, нуль-орган (НО) и выходной усилитель-формирователь (УФ). Чувствительный элемент – катушка индуктивности в колебательном контуре генератора.

Основные параметры ДПО:

· дифференциал хода 0,15–0,16 мм;

· частота переключения до 800 Гц;

· ток нагрузки 200 мА.

 

 

 

Рис. 2.19. Генераторный ДПО торцевого типа

 

Генераторный ДПО щелевого типа (рис. 2.20) представляет собой магнитно-транзисторный блокинг-генератор с разомкнутым магнитопроводом трансформатора в цепи положительной обратной связи.

 

 

 

Рис. 2.20. Схема генераторного ДПО щелевого типа

 

Магнитопровод выполнен в виде двух ферритовых полуколец. В зазор между ними при появлении объекта в точке контроля входит пластина 1, выполненная из электропроводного материала. В этой пластине наводятся вихревые токи, поглощающие энергию магнитного поля коллекторной обмотки W 1. В результате магнитная связь обмоток коллекторной W 1 и базовой W 2 резко уменьшается и происходит срыв колебаний блокинг-генератора. При выходе 1 из зазора колебания возникают вновь – на выходе появляется сигнал логической «1». Перепад U _вых близок к величине напряжения питания U _п. Дифференциал хода для щелевых ДПО составляет 1,5–2 мм при ширине щели до 6 мм.

 

 

2.3. Датчики перемещений (ДП)

 

2.3.1. Назначение и классификация ДП

 

ДП предназначены для измерения перемещений и приближения (удаления) объектов к заданной точке пространства (определение расстояния до объектов).

Датчики перемещения классифицируются следующим образом:

1. По наличию механической связи с объектом:

· Контактные;

· Бесконтактные.

2. По виду выходного сигнала:

· Аналоговые;

· Импульсные;

· Цифровые (шифраторы).

3. По типу измерительного преобразователя датчика различают следующие аналоговые ДП:

· Потенциометрические (резисторные);

· Индуктивные (дифференциально-индуктивные);

· Магнитные (дифференциально-трансформаторные, сельсины, синус-косинусные вращающиеся трансформаторы, индуктосины);

· Емкостные.

4. По типу чувствительного элемента датчика различают следующие цифровые ДП:

· Щеточные (электроконтактные);

· Оптические (фотоэлектрические);

· Магнитные.

5. По методу измерения расстояний до объектов различают следующие локационные датчики (дальномеры):

· Ультразвуковые;

· Оптические (лазерные);

· Радиоволновые и др.

Ниже рассматривается устройство и принцип действия различных аналоговых и цифровых ДП, наиболее часто применяемых в системах автоматики.

 

 

2.3.2. Потенциометрические ДП

 

Эти датчики относятся к контактным, выполняются на базе проволочных потенциометров, которые преобразуют линейные или угловые перемещения в электрический сигнал – напряжение на выходе.

Проволочный потенциометр круговой или линейный (рис. 2.21) представляет собой каркас 1, на котором намотана проволочная спираль 2. Ось потенциометра связана со скользящим контактом (щеткой) 3 и соединяется с объектом, перемещение или х которого требуется измерить. Потенциометр подключается к источнику питания с напряжением U _п.

 

 

Рис. 2.21. Потенциометрические ДП: а – круговой; б – линейный; в – линейный со средней точкой с

 

Статические характеристики потенциометрических ДП являются линейными с ограничением, определяемым конструкцией потенциометра. Так для линейного ДП с длиной намотки спирали L (см. рис. 2.21, б) выходной сигнал определяется выражением

при L ≥ х ≥ 0,

где k – коэффициент чувствительности датчика.

Датчик по схеме (см. рис. 2.21, в) позволяет определять не только величину, но и направление перемещения объекта: выходное напряжение датчика изменяет свой знак при проходе скользящим контактом средней точки.

Скользящий контакт снижает надежность работы датчика – это главный недостаток потенциометрических датчиков. Их достоинством является простота конструкции, линейность статической характеристики, безынерционность и низкая стоимость.

 

2.3.3. Индуктивные ДП

 

Принцип действия индуктивных ДП заключается в изменении индуктивности катушки с сердечником при изменении положения последнего в катушке, а также при приближении к катушке объекта, обладающего ферромагнитными свойствами (в этом случае объект выполняет функции якоря).

Индуктивные ДП имеют разнообразные конструкции, применяются для измерения как малых, так и сравнительно больших перемещений, работают на переменном токе с частотой от 50 до 1000 Гц. Их преимущество – это надежность (отсутствует скользящий контакт) и высокая механическая прочность. К недостаткам индуктивных ДП следует отнести невысокую чувствительность, зависимость от колебаний частоты источника.

В качестве примера ниже приводится дифференциально-индуктивный ДП соленоидного типа, применяемый для измерения больших перемещений (несколько сантиметров).

Датчик (рис. 2.22) состоит из двух катушек с подвижным сердечником 1, связанным с объектом. Питание датчика осуществляется от трансформатора Т 1 со средней точкой. К средним точкам а и б вторичной обмотки трансформатора и катушек датчика подключается нагрузка R _н.

При перемещении сердечника внутри катушек индуктивное сопротивление одной из них возрастает, а другой падает (в зависимости от направления движения). Это приводит к изменению токов I ₁ и I ₂, протекающих в катушках, и появлению тока в нагрузке, определяемого выражением

I _н = I ₁ – I ₂.

 

 

Рис. 2.22. Схема (а) и статическая характеристика (б) дифференциально-индуктивного ДП

 

Достоинством дифференциальной схемы включения катушек датчика является высокая чувствительность и нулевой сигнал на выходе при х = 0 (при среднем положении сердечника относительно катушек).

 

2.3.4. Магнитные ДП

 

Действие магнитных ДП основано на принципе изменения взаимоиндукции (взаимной индуктивности) между двумя или более магнитосвязанными катушками в зависимости от перемещения сердечника или катушек, обусловленного движением объекта.

 

Дифференциально-трансформаторный ДП

 

Датчик (рис. 2.23) состоит из сердечника, плунжера, одной первичной обмотки W 1 и двух вторичных обмоток W 2, соединенных встречно. При перемещении плунжера напряжение в одной из вторичных обмоток увеличивается, а в другой уменьшается. Разность этих напряжений пропорциональна смещению х плунжера от исходного положения, т.е. .

 

 

 

Рис. 2.23. Конструкция и схема включения дифференциально-трансформаторного ДП

 

Статическая характеристика датчика (х) линейная в рабочей зоне. Фаза выходного напряжения изменяется при проходе плунжером точки х = 0 среднего положения плунжера относительно обмоток. Этим датчиком можно измерять перемещения от нескольких миллиметров до метра.

Применение фазочувствительного выпрямителя позволяет получить на выходе постоянное напряжение, полярность которого зависит от направления движения плунжера (объекта).

 

Сельсины

 

Сельсины в системах автоматики используются в качестве датчиков угловых (или линейных с преобразователем движения) перемещений объектов, а также как датчики углового рассогласования (разности угловых перемещений).

Сельсин – датчик угла (рис. 2.24) – представляет собой малую электрическую машину переменного тока, на роторе которой имеется обмотка возбуждения, а на статоре расположены три обмотки синхронизации, соединенные в Y (в бесконтактных сельсинах все обмотки располагаются на статоре).

 

 

Рис. 2.24. Сельсин – датчик угла в амплитудном режиме

 

При использовании сельсина в амплитудном режиме работы в функции измеряемого угла изменяется амплитуда выходного сигнала согласно выражению

, (2.1)

где – максимальная амплитуда (при = 0).

Выражение (2.1) справедливо, если угол поворота ротора отсчитывается от оси, смещенной на относительно оси обмотки W _A, а диапазон изменения угла составляет от – до + . Если последнее условие не выполняется, то с ростом существенно вырастает погрешность измерения.

Для использования сельсина в фазовом режиме напряжение возбуждения подают на статорные обмотки от трехфазной сети. При повороте ротора изменяется фаза j выходного напряжения, снимаемого с роторной обмотки, согласно выражению j = a.

Датчик углового рассогласования выполняется на двух сельсинах (рис. 2.25), называемых сельсин-датчиком СД и сельсин-приемником СП.

 

 

Рис. 2.25. Схема датчика разности углов, выполненного на сельсинах

 

 

Статорные обмотки сельсинов соединяются трехпроводной линией связи, на роторную обмотку СД подается напряжение возбуждения переменного тока, а с роторной обмотки СП снимается выходное напряжение , пропорциональное разности углов поворота роторов и соответствующих сельсинов:

, (2.2)

где U _max – максимальное выходное напряжение датчика; a, b – углы поворота роторов соответственно СД и СП.

Выражение (2.2) справедливо, если начальная установка роторов СД и СП соответствует углу между осями их обмоток , а измеряемая разность углов не превышает (в противном случае существенно возрастает ошибка измерения).

Датчик углового рассогласования широко применяется в следящих системах автоматики, где СД выполняет функции задатчика, а СП – датчика угла.

 

Индуктосины

 

Используются в металлорежущих станках для контроля линейных и угловых перемещений с высокой точностью (до 1 мкм для линейных индуктосинов).

Индуктосин (ИС) – это воздушный датчик (без магнитопровода) с печатными обмотками, которые наносятся на изоляционные пластины (линейные, круговые), располагаемые с зазором 0,1 – 0,5 мм (рис. 2.26). В ИС используется принцип электрической редукции, заключающийся в том, что одному периоду изменения положения (обороту или шагу) механизма соответствует несколько периодов изменения выходного электрического параметра датчика положения.

На линейке ИС выполняется одна обмотка, а на головке – две обмотки с пространственным сдвигом на 1/4 шага (см. рис. 2.26, б). Токи в соседних проводниках сдвинуты по фазе на 180° (имеют противоположное направление).

Напряжение питания повышенной частоты (5 20 кГц) можно подавать как на обмотки съемника (двухфазное), снимая с однофазной обмотки линейки выходное напряжение, так и наоборот, когда однофазное напряжение питания подается на обмотку линейки.

ИС может работать в фазовом или амплитудном режиме.

При использовании фазового режима на пространственно сдвинутые обмотки головки подаются напряжения возбуждения со сдвигом по фазе на :

(2.3)

 

где , – амплитуда и круговая частота питающего напряжения.

С выхода ИС снимается напряжение

(2.4)

где α – угловое положение подвижного элемента ИС относительно начала шага или оборота (в эл. град.). Для линейного ИС

 

, (2.5)

 

где x – перемещение головки относительно начала шага (перемещение объекта); s – шаг обмотки (принимается обычно равным 2 мм).

Из выражения (2.4) с учетом (2.3) после преобразований получим зависимость выходного напряжения от перемещения объекта

 

, (2.6)

 

где j – фаза выходного напряжения (для круговых ИС j = a).

 

В амплитудном режиме работы ИС на обмотки головки подаются напряжения питания со сдвигом по фазе, равным p (в противофазе). Амплитуда выходного напряжения для круговых ИС определяется выражением:

 

, (2.7)

где – максимальная амплитуда; – угловое перемещение головки относительно заданного углового положения a₃ (начального угла установки ИС).

 

Рис. 2.26. Линейный индуктосин: а – конструктивное исполнение; б – взаимное расположение обмоток

 

 

2.3.5. Емкостные датчики

 

Чувствительным элементом емкостных ДП является плоский (или цилиндрический) конденсатор, емкость которого изменяется под воздействием перемещающегося объекта. Для плоского конденсатора емкость определяется выражением:

 

(2.8)

где s – площадь взаимного перекрытия пластин; d – расстояние между пластинами; – относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; – диэлектрическая проницаемость вакуума.

 

Любой из параметров выражения (2.8) может изменяться при приближении объекта к датчику. Широкое применение в схемах технологической автоматики получили емкостные ДПО (выключатели), работающие на принципе изменения диэлектрической проницаемости. Так действует, например, емкостная защита стрелы экскаватора от удара ковшом, емкостная защита человека от попадания в запретную зону. В приведенных примерах при приближении объекта к датчику емкость защитной антенны изменяется вследствие изменения диэлектрической проницаемости среды.

В емкостных ДП чувствительный элемент включается в одно из плеч измерительного моста, питаемого высокочастотным источником, для повышения чувствительности датчика. Выходной сигнал моста через усилитель включается в схему контроля или управления.

 

 

2.3.6. Цифровые ДП

Цифровые ДП преобразуют линейное или угловое перемещение в цифровой код. Они точнее аналоговых – разрешающая способность цифрового кодирования перемещений может быть весьма высокая.

Обобщенная структура ЦДП представлена на рис. 2.27.

 

 

Рис. 2.27. Структурная схема цифрового датчика перемещения: НК – носитель кода перемещения; ЧЭ – чувствительный (считывающий) элемент; ИЦП – импульсно-цифровой преобразователь; х – перемещение объекта; N – цифровой код перемещения

 

Элементы НК – ЧЭ могут быть в