Основы автоматики и автоматизации. Автоматические системы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Промышленный и городской транспорт»

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

Учебное пособие

для студентов Заочного факультета

ч.2 Автоматические системы

Санкт-Петербург 2011

УДК 658.011.56

Е.П. Дудкин, Г.И. Коропальцев, А.А. Зайцев, К.О. Ерохов

Основы автоматики и автоматизации: Учебное пособие. Часть 2: Автоматические системы - Спб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. - 45 с.

Данное учебное пособие является продолжением предыдущего и в нем рассматриваются основные разновидности автоматических систем, применяемых в строительстве и путевом хозяйстве. Подробно изложены принципы их построения, состав и структура автоматических систем. Приведены принципиальные электрические схемы некоторых систем, рассмотрена их работа и особенности применения.

Кроме этого, приведены конкретные примеры некоторых схем автоматических систем, применяемых в строительном производстве, с подробным описанием их назначения, состава и принципа действия.

Предназначено для студентов заочной формы обучения, изучающих дисциплину «Основы автоматики и автоматизации», и может быть рекомендовано для студентов вечернего факультета, а также для слушателей курсов повышения квалификации по строительным специальностям.

Системы автоматического контроля

Системы автоматического контроля (САК) предназначены для автоматического контроля различных технологических параметров на производственном объекте (объекте автоматизации) и, в конечном счёте, для непосредственного измерения и регистрации этих параметров. Поэтому их часто называют измерительными системами. Исключение составляют системы контроля дискретного типа, в которых выходная величина может принимать только два (0 - 1) или несколько фиксированных значений.

Структура измерительных систем включает в себя сам объект автоматизации ОА (объект контроля), измерительное устройство ИУ и регистрирующее устройство РУ для конечной фиксации или записи измеренного параметра при его изменении в течение определённого промежутка времени (рис.5.1).

Рис.5.1. Структурная схема системы автоматического контроля

В зависимости от вида измерительного устройства автоматические измерительные системы делятся на две большие группы:

1. Небалансные (некомпенсационные, неуравновешенные) системы;

2. Балансные (компенсационные, уравновешенные) системы.

Небалансные системы - это системы прямого измерения. Они просты по своей структуре и конструкции, но имеют существенный недостаток, т.к. обладают погрешностью измерения, возникающей под действием различных внешних условий, таких как, изменение окружающей температуры, нестабильность величины напряжения источника питания, а также погрешностью, обусловленной изменением внутренних параметров входящих в систему элементов.

Структурно измерительные устройства таких систем состоят из датчика Д, преобразующего неэлектрическую величину в электрический сигнал, измерительной схемы ИС и, как правило, усилителя У (рис.5.2), т.е. представляют собой последовательное соединение нескольких элементов, изменение, по какой-либо причине, выходного параметра одного из них сказывается на изменении результирующей выходной величины.

Рис.5.2. Структурная схема измерительного устройства

(системы прямого измерения)

Балансные системы - основаны на автоматическом уравновешивании (балансировании) выходной величины датчика, поступающей на измерительную схему, с помощью равной ей величины такого же рода, пропорциональной изменению выходной величины датчика х1.

На рис.5.3 представлена структурная схема измерительной системы непрерывного балансирования, чаще всего используемая на практике. В таких системах, как видно из схемы, имеется жесткая обратная связь, т.е. такие системы - замкнутые, и в них вводятся дополнительные звенья, значительно усложняющие структуру в целом.

Рис.5.3. Структурная схема балансной измерительной системы

В этой схеме используется, прежде всего, элемент сравнения ЭС, выполняющий функции «нуль-органа» и работающий на установление нулевого выходного сигнала ?х=0, поступающего на вход усилителя У. В качестве нуль-органа в балансных системах используются уравновешенные измерительные схемы, такие, как мостовые, дифференциальные или компенсационные (см. ч.1 Схемы включения датчиков). Другое дополнительное звено балансирующий орган Б, который своей выходной величиной соответствующим образом воздействует на элемент сравнения. В качестве этого элемента обычно используется электродвигатель с редуктором, который по цепи обратной связи, как правило, механической, уравновешивает применяемую измерительную схему, устанавливая, таким образом, на ее выходе нулевой сигнал. При выполнении условия х=0 выходной сигнал усилителя также отсутствует (хУ=0). При этом балансирующий орган не работает, не оказывая никакого воздействия на элемент сравнения, и вся система находится в состоянии покоя. Малейшее изменение измеряемого параметра хвх вызывает на выходе элемента сравнения появление сигнала рассогласования ?x, отличного от нуля, причем определенной полярности или фазы. Этот сигнал, увеличенный количественно с помощью усилителя, поступает на обмотку управления используемого электродвигателя. При этом двигатель приходит в движение и, в соответствии со знаком (или фазой) управляющего сигнала ху, через редуктор перемещает движок регулирующего элемента измерительной схемы в требуемом направлении, уравновешивая ее снова, т.е. добиваясь равенства нулю выходного сигнала измерительной схемы, а следовательно и ху , при котором двигатель вновь останавливается до следующего изменения измеряемого параметра.

Выходной величиной подобных балансных измерительных систем является угловое перемещение выходного вала редуктора и угловое (или линейное) перемещение механически связанного с ним движка переменного резистора (реохорда), а в некоторых случаях (при дифференциальной схеме включения датчика) положение движка измерительного трансформатора, уравновешивающих соответствующую измерительную схему. Поэтому подобные регулирующие элементы всегда оснащаются специальной измерительной шкалой, проградуированной в единицах измеряемого параметра, по которой и определяется величина контролируемого параметра хвх .

Как видим, подобные измерительные системы более сложные и по структуре они подобны системам автоматического регулирования - САР (см. далее), но в них исключаются многие погрешности, свойственные небалансным системам, и, кроме этого, обеспечивается большая мощность выходного сигнала.

По виду балансируемой величины балансные измерительные системы в зависимости от используемых датчиков и схем их включения подразделяются на автоматические потенциометры, уравновешивающие выходное напряжение датчика, и автоматические мосты, уравновешивающие выходное сопротивление датчика.

Далее рассмотрим на конкретных примерах некоторые измерительные системы, остановимся на их работе, на положительных и отрицательных свойствах этих систем, а также на причинах возникновения погрешностей измерения и методах их компенсации.

Так простейший измеритель температуры - пирометр (рис.5.4) состоит из датчика генераторного типа - термопары, измерительного милливольтметра и двух соединительных проводов СП, длина которых в большинстве случаев может достигать значительной величины, из-за удалённости самого объекта контроля от пункта наблюдения. В этой схеме, под действием возникающей в датчике термо-э.д.с., в зависимости от измеряемой температуры, по соединительным проводам будет протекать ток, под действием которого на каждом из этих проводов будет наблюдаться падение напряжения, пропорциональное величине тока и внутреннему сопротивлению проводов. Поэтому величина напряжения на самом милливольтметре соответственно уменьшится, что приведёт, тем самым, к появлению погрешности измерения. Причём, сопротивление соединительных проводов зависит от их длины и может также изменяться от окружающих температурных условий. В результате возникающая погрешность ещё больше может возрасти. Таким образом, несмотря на простоту рассмотренной измерительной системы (пирометра), она всегда имеет достаточно высокую погрешность измерения.

Рис.5.4. Принципиальная электрическая схема пирометра

В качестве другого примера рассмотрим измерительную систему с применением мостовой схемы, в которую включен тензочувствительный датчик сопротивления (рис.5.5) и предназначенную для измерения деформаций строительных конструкций.

Рис.5.5. Конструктивная и электрическая схема измерителя деформаций

В этой измерительной системе используется схема неравновесного моста, в котором в качестве резистора R1 (рис.5.5.б), подключён проволочный датчик сопротивления 2 (тензодатчик), прикрепленный (тщательно приклеенный) к исследуемой детали (конструкции) 1 (рис.5.5.а) и воспринимающий деформацию этой детали при воздействии на неё механических усилий F. Для увеличения чувствительности рассматриваемой измерительной системы в ней дополнительно используется усилитель 4, вход которого подключен к измерительной диагонали моста с-d, а усиленный им сигнал поступает затем на регистрирующий прибор 5, по шкале которого и фиксируется контролируемый параметр

Рассматриваемая схема может быть использована не только для измерения деформаций различных конструкций или их отдельных элементов, но также она позволяет определять величины действующих усилий F , а также механических напряжений, возникающих в результате деформации.

Погрешность измерения рассмотренной системы обусловлена несколькими причинами. Прежде всего, в ней имеет место температурная составляющая погрешности, вызванная тем, что, во-первых, возможна дополнительная деформация конструкции, на которой закреплен тензодатчик, из-за изменения окружающей температуры и, во-вторых, сам тензодатчик может работать как термосопротивление, т.е. его сопротивление от температуры тоже может изменяться.

Для компенсации температурной погрешности, в подобных случаях, необходимо на исследуемой конструкции рядом с рабочим тензодатчиком установить ещё один, точно такой же, датчик 3 (рис.5.5.а), включив его в смежное плечо мостовой схемы (например, в качестве резистора - R3).. Однако располагать этот датчик на детали необходимо так, чтобы он не воспринимал её деформацию от нагрузки, т.е. перпендикулярно рабочему датчику R1. В результате, оба датчика будут находиться в одинаковых температурных условиях, и в уравнении равновесия мостовой схемы при изменении температуры будут одинаково изменяться и правая и левая части равенства (см. ч.1 «Схемы включения датчиков»). При этом равновесие моста не нарушится, а деформацию конструкции от нагрузки будет воспринимать только рабочий датчик R1 .

Однако в подобной измерительной системе кроме температурной погрешности может иметь место погрешность за счет изменения напряжения источника питания U , т.к. величина сигнала, поступающего на усилитель и, в конечном счете, показание измерительного прибора пропорциональны величине этого напряжения. Для компенсации такой составляющей погрешности необходимо применять стабилизированный источник питания мостовой схемы. Если такой возможности нет, то в качестве измерительного прибора следует использовать логометр.

Логометр - это электродинамическая измерительная система, в которой вместо одной используются две жестко соединённые между собой под определенным углом подвижные катушки. Поэтому угол их поворота и результирующее отклонение стрелки (показание измерительного прибора) пропорционально не величине протекающего по этим катушкам тока, а зависит только от соотношения токов, протекающих по каждой катушке отдельно.

Так на рис.5.6 представлена схема измерителя температуры с использованием в качестве регистрирующего прибора логометра. Здесь в качестве температурного датчика применяется термосопротивление Rt , включенное также в неравновесную мостовую схему, а к измерительной диагонали моста c-d подключена одна из подвижных катушек логометра. Вторая катушка логометра подключена к тому же источнику питания через дополнительный резистор R3 . При этом величины токов I1 и I2 в зависимости от значения напряжения питания U будут изменяться одинаково, и соотношение этих токов будет оставаться неизменным.

Но в этой системе имеет место погрешность измерения, обусловленная наличием соединительных проводов, идущих от мостовой схемы к датчику, и длина которых также может быть значительной из-за удаленности объекта контроля от пункта наблюдения. Величина сопротивления этих двух проводов Rсп является ненужной составляющей к термосопротивлению, и она может также изменяться от окружающих условий.

Для исключения этой составляющей погрешности измерения, в большинстве случаев, как правило, вместо двухпроводной цепи используют трехпроводную схему подключения датчика. На рис.5.6 третий провод показан жирной пунктирной линией, а провод, идущий к точке а, - обрывается. При этом точка питания «а» смещается вниз (по схеме) - к термодатчику Rt. ( точка Ь)При этом в уравнение равновесия мостовой схемы величина сопротивлений каждого из двух соединительных проводов, идущих от мостовой схемы к термосопротивлению, входит в состав сопротивлений смежных сторон мостовой схемы, и их изменение за счет длины и воздействия окружающей температуры не нарушает равновесия мостовой схемы. Влияние величины сопротивления третьего провода, по которому, в данном случае, подается питание к мостовой схеме, сказывается лишь на уменьшении величины напряжения питания на ней, но это изменение скомпенсировано применением в качестве измерительного прибора логометра.

Рис.5.6. Принципиальная электрическая схема

измерителя температуры с логометром

При трехпроводной схеме включения датчиков, кроме сказанного, компенсируется и величина электромагнитных наводок от внешних магнитных полей на длинные соединительные провода.

В рассмотренных измерительных системах, являющихся системами прямого измерения (небалансными), все погрешности скомпенсировать невозможно, особенно такие, которые обусловлены изменением внутренних параметров самих элементов, составляющих систему в целом. Например изменение коэффициента усиления усилителя по различным причинам, как в схеме на рис.5.5, и даже наличие чисто субъективной погрешности измерения.

Для исключения перечисленных погрешностей и были разработаны балансные измерительные системы.

Так на рис.5.7 представлена схема автоматического моста для измерения температуры. В рассматриваемой системе датчиком также является термосопротивление Rt , включенное здесь в схему равновесного моста, запитанного от сети переменного тока. В схеме также используется трёхпроводная схема подключения датчика. Сигнал с равновесной мостовой схемы поступает на вход электронного усилителя ЭУ, нагрузкой которого служит обмотка управления асинхронного электродвигателя АД с редуктором. Двигатель работает в режиме управляемого электропривода (см. ч.1, рис. 5.1), и выходной вал редуктора жестко связан с движком реохорда R, включенного в схему равновесного моста.

Обмотка возбуждения асинхронного двигателя через фазосдвигающую емкость С также запитана от сети переменного тока, чтобы получить вращающееся магнитное поле, создаваемое его статорными обмотками.

Рис.5.7. Принципиальная электрическая схема

балансной измерительной системы

В работе рассматриваемой системы при каждом изменении измеряемого параметра (температуры) равновесие мостовой схемы будет нарушаться, что вызывает появление на входе электронного усилителя сигнала рассогласования U, причем соответствующей фазы. В результате на выходе усилителя и на обмотке управления электродвигателя появляется напряжение управления Uy , и двигатель приходит в движение. Через редуктор он перемещает движок реохорда в требуемом направлении, в соответствии с фазой сигнала рассогласования и величиной напряжения управления, до тех пор, пока сигнал рассогласования не станет равным нулю, т.е. мостовая схема вновь уравновесится, а двигатель при этом остановится. При этом, по шкале реохорда, заранее проградуированной в единицах температуры (градусах), можно определить текущее значение температуры на объекте контроля.

Рассмотренная система работает в режиме непрерывного балансирования, но, в некоторых случаях, для измерения одновременно нескольких параметров используют системы периодического балансирования, в которых используется один электропривод, поочередно используемый для каждой схемы измерения.

В балансных измерительных системах все погрешности, в том числе от изменения внутренних параметров входящих элементов, таких как изменение коэффициента усиления усилителя, исключаются. Единственным недостатком подобных измерительных систем является невозможность их применения для контроля быстроизменяющихся во времени параметров, т.е. для динамических измерений, например, таких, как взаимодействие ж/д пути и подвижного состава. Это связано с использованием в балансных измерительных системах такого инерционного элемента как электродвигатель с редуктором. Поэтому для динамических измерений возможно применение лишь систем прямого измерения (небалансных систем) с соответствующими быстродействующими регистрирующими устройствами.

Все рассмотренные выше измерительные системы являются аналоговыми приборами непосредственной оценки. Благодаря современным достижениям в области микроэлектроники и измерительной техники всё большее применение получают цифровые измерительные приборы, т.е. измерительные системы с цифровым отсчетом.

Дискретная форма представления результатов измерения более точна и удобна как для визуального наблюдения и регистрации, так и для передачи на расстояние в системах телемеханики и телеизмерений. В цифровых измерительных системах, кроме этого, полностью исключается и субъективная составляющая погрешности.

Структура цифровой измерительной системы представлена на рис.5.8, и она состоит из входного устройства ВУ, в состав которого входят датчики с соответствующими схемами их включения и усилителями, аналогово-цифрового преобразователя АЦП, созданного на основе современной микроэлектроники, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и устройства управления УУ.

Рис.5.8. Структурная схема цифровой измерительной системы

Входное устройство предназначено для масштабного преобразования (усиления) входной измеряемой величины хвх и, кроме этого, отделения от неё возможных помех.

Аналогово-цифровой преобразователь преобразует измеряемую величину хизм в цифровой код N, который поступает на цифровое отсчетное устройство ЦОУ, где измеряемая величина индицируется в виде ряда цифр на соответствующем цифровом табло. Кроме этого, цифровой код N может использоваться для его фиксации на регистрирующем устройстве РУ и для передачи его по каналам связи в системах телеизмерения и телемеханики.

Устройство управления, в зависимости от входного сигнала, вырабатывает определенную последовательность командных сигналов во все функциональные узлы цифровой измерительной системы, обеспечивая их четкую и надежную работу.

Цифровые измерительные системы обладают, по сравнению с аналоговыми, следующими достоинствами:

- высокая точность, автоматика измеритель деформация цифровой

- быстродействие,

- помехоустойчивость,

- минимально потребляемая энергия от объекта измерения (с датчиков),

- удобство визуального отсчета,

- возможность выдачи результатов измерения (в виде кода) в различные внешние устройства, обеспечивающие автоматизацию процессов измерения и управления.

К недостаткам подобных систем следует отнести сравнительную сложность, что обуславливает их более высокую стоимость и, в некоторых случаях, относительно невысокую надежность.

К сожалению, ограниченный объем настоящего учебного пособия и программа изучаемой дисциплины не позволяют более подробно на них останавливаться.

Системы автоматической защиты

Системы автоматической защиты (САЗ), предназначенные для защиты машин и механизмов, а также человека, участвующего в производственном процессе, могут строиться по двум основным направлениям. Во-первых, эти системы должны обеспечивать бесперебойную и надежную работу всех машин, механизмов и другого используемого в производственном процессе оборудования. При возникновении возможных отклонений от нормального режима работы система защиты должна через устройства сигнализации оповещать обслуживающий персонал об этих изменениях для принятия соответствующих мер по их устранению.

Во-вторых, системы автоматической защиты должны быть направлены на обеспечение безопасности выполнения работ при несоблюдении или нарушении рабочим персоналом правил техники безопасности. В этих случаях система автоматики обязана либо полностью останавливать весь производственный процесс, либо тот его участок, где произошло это нарушение.

Для выполнения всего перечисленного необходимо постоянно контролировать все основные технологические параметры производственного процесса. Поэтому структура систем автоматической защиты аналогична рассмотренным ранее измерительным системам, т.е. САК, и в её состав (рис.6.1) также входят датчик с измерительной схемой и усилителем, но выходной сигнал х3 с него поступает на исполнительный элемент ИЭ. С помощью исполнительного элемента сигналом хвых осуществляется либо включение необходимой сигнализации о чрезмерном превышении контролируемого параметра, либо производственный процесс полностью останавливается (или его отдельный участок), как правило, с помощью отключения системы электроснабжения к объекту автоматизации.

Рис.6.1. Структурная схема системы автоматической защиты

В качестве исполнительных элементов в системах защиты могут использоваться, прежде всего, различные конечные выключатели и ограничители, многие виды реле и электромагнитов, некоторые модификации маломощных электродвигателей и, наконец, современные разработки полупроводниковых устройств, с помощью которых осуществляется остановка производственного процесса и обеспечивается требуемая безопасность проведения тех или иных работ.

В соответствии с этим системы автоматической защиты подразделяются на две основные группы:

Системы, обеспечивающие предотвращение аварий машин, механизмов и устройств, используемых при проведении строительных и других работ.

Системы, обеспечивающие безопасность человека и предотвращающие нежелательные последствия нарушений правил техники безопасности при проведении этих работ, в случае возникновения экстренных ситуаций.

Например, в аппаратуре управления электроприводом (см. следующий раздел «Электроприводы») широко используются для защиты электродвигателей при их пуске и от перегрузок специальные тепловые токовые реле. С другой стороны, для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током применяются соответствующие схемы включения работающего электрооборудования, позволяющие полностью отключать его от систем электроснабжения.

Следует заметить, что на рис.6.1 представлена структура системы автоматической защиты с использованием в качестве измерительной системы небалансную систему прямого измерения, что, конечно не исключает применения для этих целей более сложных балансных измерительных систем, но это зависит от конкретных целей и условий.

Электроприводы

Электроприводом называется электромеханическое устройство, состоящее из преобразователя, электродвигателя, механической передачи и аппаратуры управления и предназначенное для электрификации и автоматизации необходимых рабочих процессов.

Основное применение электропривода на железнодорожном транспорте это:

1 - тяговый электропривод электровозов, тепловозов, секций пригородных электропоездов, а также поездов метро и многих видов существующего и перспективного городского электротранспорта,

2 - электропривод транспортных и строительно-дорожных машин, канатных дорог, конвейерных линий и экскалаторов, подъемных кранов и механизмов, а также путейского инструмента и приспособлений,

3 - электропривод автоматических стрелок, шлагбаумов, защитных заграждений и т.п.

Основные преимущества электропривода:

- простота в устройстве и в управлении,

- обеспечение широкого диапазона выходной мощности,

- надежность в эксплуатации,

- возможность полной автоматизации работы электропривода.

На рисунке 7.1 представлена структура электропривода.

Рисунок 7.1 Структурная схема электропривода

Пр - преобразователь для преобразования параметров источника питания,

ЭД - электродвигатель, выполняющий функцию силового агрегата,

МП - механическая передача (трансмиссия), связывающая двигатель с исполнительным механизмом ИМ,

ИМ - исполнительный механизм на объекте автоматизации,

АУ - аппаратура управления электроприводом.

Основное назначение перечисленных составляющих электропривода следующее:

Преобразователь предназначен для согласования используемого в электроприводе электродвигателя с источником питания по роду тока (постоянный / переменный) и по величине напряжения.

Электродвигатель осуществляет преобразование электрической энергии в энергию механическую для дальнейшего воздействия через трансмиссию на соответствующий исполнительный механизм.

Механическая передача (трансмиссия) необходима для передачи необходимого по величине крутящего момента и угловой скорости от электродвигателя на исполнительный механизм, в соответствии с его исполнением и конструкцией.

Исполнительный механизм - устройство, выполняющее непосредственную работу на данном предприятии, участке или отдельном объекте в соответствии с технологией производства.

Аппаратура управления предназначена для управления работой электропривода и его автоматизации. Она должна обеспечивать оптимальный режим пуска и остановки электродвигателя, защиту его от перегрузки и, кроме этого, может, в случае необходимости, управлять работой преобразователя питания и изменять параметры механической передачи (трансмиссии) в необходимых пределах.

Дальнейшее рассмотрение сосредоточим именно на аппаратуре управления электроприводом, поскольку её состав и устройство определяет уровень автоматизации работы электропривода.

В зависимости от уровня автоматизации электропривод делится на три основных вида:

1 - неавтоматизированный электропривод, в котором управление его работой выполняется вручную оператором путем воздействия на различные аппараты и приспособления, например, электропривод обычного станка или путейского инструмента;

2 - автоматизированный электропривод, когда человеком задается только начальная команда на его пуск, а дальнейшая работа электропривода осуществляется в автоматическом режиме, определяемом заранее заданным алгоритмом управления, широко применяемый, например, в лифтовом хозяйстве;

3 - автоматический электропривод, работа которого полностью автоматизирована, а функции человека сводятся только к контролю его нормальной и правильной работы. Примером его является автомашинист в метрополитене.

Аппаратура управления включает в себя:

- аппараты ручного действия, к которым относятся различные коммутационные элементы и приспособления (выключатели, переключатели, кнопочные посты, контроллеры, реостаты и т.п.);

- электромагнитные устройства (реле, контакторы, магнитные пускатели и распределители);

- современные полупроводниковые (тринисторные) коммутационные устройства и процессоры, широко используемые в настоящее время вместо электромагнитных устройств;

- устройства и приспособления для защиты электропривода от механических перегрузок.

В конечном счете, аппаратура управления должна обеспечивать безопасную и надежную работу электропривода, его пуск и экстренную остановку при нештатной ситуации, включение предупредительной аварийной сигнализации и выключение, в случае необходимости, системы электропитания всех устройств электропривода.

В электрических схемах аппаратуры управления электроприводом различают две основные электрические цепи:

- главная электрическая цепь, предназначенная для передачи электрической энергии от источника питания или электросети к электродвигателю; и

- цепь управления, осуществляющая связь между источником питания и используемыми в электроприводе устройствами и приспособлениями, обеспечивающими заданную последовательность их работы.

Следует заметить, что во всех используемых в аппаратуре управления контактных элементах, имеющих систему замыкающих и размыкающих контактов, за нормальное положение этих контактов принято их положение при обесточенных обмотках электромагнитов и при отсутствии механического воздействия на аппараты ручного действия. При этом все используемые контактные аппараты и устройства оснащены как главными контактами, рассчитанными на большие токи, потребляемые электродвигателями, и они включены в главную электрическую цепь, так и вспомогательными контактами, используемыми только в цепях управления и рассчитанными на значительно меньшую коммутируемую мощность.

В качестве примера рассмотрим работу самой простой стандартной принципиальной электрической схемы управления электроприводом, в котором применен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (рис.7.2), наиболее часто применяемую в различном станочном оборудовании, в том числе и в путейском электроинструменте. В составе аппаратуры управления используется кнопочный пост, с двумя кнопками «ПУСК» и «СТОП», трёхфазный магнитный пускатель и два токовых реле.

Рисунок 7.2. Принципиальная электрическая схема управления асинхронным электродвигателем

Питание электропривода осуществляется от сети трехфазного переменного тока напряжением 380/220В, при этом в схеме предусмотрена токовая защита электродвигателя от возможных механических перегрузок при его работе. Поэтому в главной электрической цепи кроме автомата-выключателя АВ и главных контактов магнитного пускателя МП в двух фазах питания статорной обмотки асинхронного двигателя АД включены нагревательные элементы двух реле тока РТ1 и РТ2 , предназначенные для контроля величины потребляемого электродвигателем тока.

Конструктивно подобные токовые реле представляют собой специальное тепловое реле (рис.7.3), которое состоит из жесткого корпуса 1 с закрепленной на нем биметаллической пластины 2 с нагревательным элементом, обтекаемым током электродвигателя, подвижного подпружиненного штока 3 и связанной с ним нормально замкнутой контактной группы 4, используемой в цепях управления. Аналогичные устройства широко применяются в обычных автоматах-выключателях, используемых в всех современных сетях электроснабжения.

Рисунок 7.3. Устройство теплового реле тока

В цепи управления электроприводом включены:

- кнопочный пост, состоящий из нормально разомкнутой кнопки «ПУСК», зашунтированной вспомогательными контактами МП2 магнитного пускателя МП, нормально замкнутой кнопки «СТОП» и обмотки электромагнитного пускателя,

- кроме этого, последовательно с ними включены нормально замкнутые контактные группы двух реле тока РТ1 и РТ2 .

Для пуска электропривода необходимо при включенном автомате АВ нажать кнопку «ПУСК» в цепи управления. При этом по обмотке магнитного пускателя будет проходить ток и магнитный пускатель сработает. В результате по цепи главных контактов МП1 трехфазное питание поступает на статорную обмотку асинхронного двигателя (С1 - С3) и двигатель начинает работать, причем вспомогательные контакты магнитного пускателя МП2 шунтируя кнопку «ПУСК», позволяют отпустить эту кнопку. Теперь питание обмотки магнитного пускателя по цепи управления будет осуществляться через эти замкнутые контакты.

При необходимости остановки электропривода достаточно кратковременного нажатия на кнопку «СТОП», при этом цепь питания обмотки магнитного пускателя оказывается разорванной, произойдет его отпускание, при котором разомкнутся все его контакты (и главные и вспомогательные) и двигатель остановится. Причем повторный пуск двигателя возможен только при помощи кнопки «ПУСК».

Если при работе электропривода произойдет его механическая перегрузка, а при этом ток, потребляемый двигателем по всем трем фазам, резко возрастает, то биметаллическая пластина 2 (рис.7.3) каждого из двух реле тока при её нагреве увеличившимся током I деформируется (вверх), освобождая собой подпружиненный шток 3. Он под действием пружины смещается вправо и своим движением размыкает нормально замкнутые контакты 4. Причем, срабатывание даже одного из реле тока, контакты которых включены последовательно с обмоткой магнитного пускателя, вызывает размыкание цепи управления, при котором питание обмотки магнитного пускателя также прекращается.

Таким образом, контакты двух реле тока, дублируя друг друга, действуют аналогично контактам кнопки «СТОП», при котором обмотка магнитного пускателя также не получает питания и двигатель останавливается. В результате, при механической перегрузке электропривода выполняется автоматическая защита электродвигателя от ненормированного режима работы, что могло привести к выходу его из строя.

При необходимости применения реверсивного (меняющего направление вращения) электропривода используют специальные реверсивные магнитные пускатели или контакторы. В устройстве таких пускателей предусмотрены не один, а два электромагнита и дополнительные силовые и вспомогательные контакты. С помощью вспомогательных контактов осуществляется взаимная блокировка двух обмоток электромагнитов пускателя или контактора для предотвращения их одновременного включения. Кроме этого, вспомогательные (нормально замкнутые) контакты должны иметь кнопки «ПУСК» для каждого направления вращения, которые включаются с ними (взаимно последовательно), чтобы исключить их одновременное нажатие.

Изменение направления вращения электропривода, например с асинхронным двигателем, осуществляется с помощью дополнительных силовых контактов, которые изменяют порядок следования фаз трехфазного тока, поступающего к статорным обмоткам. В электроприводах с двигателями постоянного тока изменение направления вращения осуществляется сменой полярности подводимого тока либо к обмоткам возбуждения, либо к якорной цепи используемого электродвигателя.

Кроме всего перечисленного, системы управления электроприводом дополнительно могут выполнять, в случае необходимости, функции плавного пуска электродвигателя и уменьшения величины пусковых токов. Методы, с помощью которых это достигается, были рассмотрены при изучении дисциплины «Электротехника» в разделе электрические машины.

В заключение, необходимо заметить, что аппаратура управления электроприводами представляет собой разновидность систем автоматического управления, рассмотрению которых посвящен следующий раздел нашего учебного пособия, и эти системы относятся к классификационной группе системы программного управления.

Системы автоматического управления и регулирования

Системы автоматического управления (САУ)

САУ предназначены для решения основной задачи управления - достижения определённой цели. При этом весь процесс управления сводится к трем основным действиям:

1. - Получение информации о состоянии объекта управления (объекта автоматизации). При этом информация должна поступать непрерывно и с достаточно высокой точностью.

2. - Переработка этой информации для принятия решения на соответствующее управление объектом автоматизации, в зависимости от его состояния на данный момент времени.

3. - Передача информации в виде сигнала управления на объект автоматизации, чтобы осуществить на него необходимое определённое воздействие.

На рис.8.1 представлена обобщённая структура взаимосвязи САУ и объекта автоматизации, работа которого характеризуется, прежде всего, его выходными параметрами - хвых..

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис.8.1. Структурная схема взаимосвязи объекта автоматизации

и системы автоматического управления

Здесь хвх - входная величина, представляющая собой требуемое управляющее воздействие, с помощью которого должна достигаться основная цель управления. При этом на объект автоматизации всегда может действовать какое-либо возмущающее воздействие - zв , изменяющее выходные параметры объекта. Следует заметить, что природа подобных воздействий часто зависит и от характера самого объекта автоматизации, а они могут быть как полезными, так и вредными. Поэтому система автоматического управления, в зависимости от входной величины и с учетом возмущающих воздействий, должна вырабатывать соответствующий сигнал управления - ху, закон изменения которого получил название алгоритм управления.

В теории САУ различают два класса алгоритма управления:

- детерминированный, т.е. наперед заданный определённой последовательностью и соответствующей программой алгоритм;

- информационный, т.е. переменный алгоритм управления в зависимости от окружающих условий работы объекта автоматизации. Этот класс более сложный и, очень часто используется совместно с электронными вычислительными машинами (ЭВМ).

Все системы автоматического управления делятся на следующие классификационные группы:

Системы оптимальные по быстродействию, в которых управление объектом осуществляется за минимально возможное время.

Системы программного управления, осуществляющие управление по заранее составленной определённой программе. При этом требуемая программа, чаще всего в настоящее время, задается в цифровом виде с помощью специального задающего устройства

Экстремальные системы, в которых управляемые параметры объекта выводятся на максимальные или минимальные значения и там удерживаются. В такие системы включается специальное устройство, которое определяет отклонение регулируемого параметра от экстремального значения и формирует в связи с этим соответствующий сигнал управления

Функциональные системы. В них управление объектом автоматизации осуществляется только при выполнении определённых, заранее заданных, функциональных зависимостей или предварительных расчётов.

Системы автоматического управления в зависимости от их структуры могут быть, прежде всего, разомкнутые, в которых нет контроля выходных параметров объекта автоматизации. В таких системах отсутствует обратная связь (ОС). Но в настоящее время наиболее широко применяются замкнутые системы автоматического управления.

В замкнутых системах автоматического управления осуществляется непрерывный контроль выходных параметров объекта автоматизации. Для этого в такие системы вводится обратная связь, представляющая собой, чаще всего, измерительную систему, т.е. систему контроля, которая по своей структуре может быть, в некоторых случаях, сложнее самой системы управления. Но при этом в замкнутых системах исключается влияние многих возмущающих воздействий, действующих на объект автоматизации.

Наибольшее применение системы автоматического управления получили для автоматизации работы силовых и тяговых электродвигателей на транспорте, в строительстве и разного вида электромеханических и электромагнитных исполнительных устройств. Подобные системы были рассмотрены в разделе «Электроприводы».

Широко применяются системы автоматического управления в строительно-дорожных машинах с гидравлическим силовым приводом, некоторым из которых посвящен последний раздел настоящего учебного пособия

Следует заметить, что структура систем автоматического регулирования, которым уделено внимание в следующем подразделе, подобна структуре систем управления. Для расчета и тех и других используется один и тот же математический аппарат и аналогичные методы исследования, но отличие этих систем друг от друга можно проследить на следующем графике (рис.8.2).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 8.2. Сравнительное назначение и отличие САУ и САР

Допустим, что какой-либо объект необходимо переместить из точки А в точку В. Это перемещение по соответствующей траектории, в зависимости от классификационной группы и выполняет система автоматического управления (САУ). Но после перемещения в точку В необходимо объект в этой точке удержать, и вот это удержание выполняется с помощью системы автоматического регулирования (САР).

Из этого следует, что системы автоматического управления более сложные, чем системы автоматического регулирования, так как их работа связана с более значительными перемещениями, как самого объекта, так и диапазона изменения его управляемых (или регулируемых) параметров.

Поскольку программа нашей дисциплины посвящена основам автоматики и автоматизации, остановимся в дальнейшем только на рассмотрении структуры систем автоматического регулирования, их устройству и работе применительно к конкретным условиям их применения.

Системы автоматического регулирования (САР)

Основное назначение САР заключается в поддержании выходных параметров объекта автоматизации на определенном заданном уровне или изменение этих параметров по определенному закону.

Как и системы автоматического управления системы регулирования бывают также разомкнутыми и замкнутыми, т.е. с элементами обратной связи и без них.

Так в разомкнутых системах регулирования для компенсации вредных возмущающих воздействий, действующих на объект автоматизации, часто используют специальные корректирующие устройства - КУ, подключаемые на вход системы согласно рис.8.3.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 8.3 Структура САР с корректирующим устройством

Здесь самый первый элемент на входе системы регулирования выполняет функции суммирующего устройства , которое вырабатывает сигнал х1, равный сумме входного сигнала хвх и сигнала, поступающего с корректирующего устройства. С учетом этого возмущающего воздействия и входного сигнала и САР вырабатывает соответствующий сигнал регулирования хр для дальнейшего воздействия на объект регулирования.

Но все возмущающие воздействия в разомкнутой системе скомпенсировать не удается. Поэтому большинство современных систем и регулирования и управления структурно строятся, в основном, замкнутыми, т.е. с использованием обратной связи - ОС (рис.8.4).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис.8.4. Структурная схема замкнутой САР

С помощью обратной связи в таких системах осуществляется постоянный контроль выходных параметров объекта управления или регулирования и вырабатывается соответствующий сигнал обратной связи хос, поступающий на элемент сравнения, где он непрерывно сравнивается с входной величиной хвх , поступающего с задающего устройства, и вырабатывается разностный сигнал ?х = хвх - хос и, в соответствии с этим, сигналом хр система регулирования воздействует на объект автоматизации.

В некоторых случаях системы автоматического регулирования структурно строятся комбинированными, т.е. с компенсацией ошибок, в которых используются два принципа регулирования - по замкнутому и по разомкнутому циклу регулирования (рис.8.5).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис.8.5. Структурная схема комбинированной САР

Но такие системы более сложные, что требует кроме материальных затрат на их изготовление и более дорогое их обслуживание. Так на рис.8.6 представлена наиболее полная структура большинства систем автоматического регулирования и управления с функциональной взаимосвязью всех элементов, составляющих эти системы. Подобная, достаточно сложная, структура таких систем используется, чтобы обеспечить их устойчивость и более высокие показатели качества при эксплуатации.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис.8.6. Структурная схема систем автоматического

управления и регулирования

ЗУ - задающее устройство, с помощью которого устанавливается требуемое значение выходных параметров на объекте автоматизации ОА (управления или регулирования).

КУ1 - корректирующее устройство для компенсации возмущающего воздействия zв на объект автоматизации.

ИЭ - исполнительный элемент, оказывающий непосредственное воздействие на объект автоматизации.

ГОС - главная обратная связь, с помощью которой осуществляется постоянный контроль выходных параметров объекта автоматизации хвых.

У - усилитель, предназначенный для усиления сигнала х2..

МОС - местная обратная связь (параллельное корректирующее устройство) для улучшения качества используемого в системе усилителя.

КУ2 - последовательное корректирующее устройство для дополнительной обработки сигнала ошибки ?х.

Однако, при дальнейшем рассмотрении систем автоматического регулирования (а также управления) за их основу примем более общую (ключевую) структурную схему (рис.8.7), составленную только из основных функциональных узлов, таких как: задающее устройство ЗУ, элемент сравнения ЭС, усилитель У, если он необходим, исполнительный элемент ИЭ и элемент обратной связи ОС.

Рис.8.7. Структурная схема системы автоматического управления и регулирования, представленная только основными элементами.

В зависимости от назначения и работы все системы автоматического регулирования делятся на следующие три основные классификационные группы:

1. Системы автоматической стабилизации, в которых выходная величина на объекте автоматизации поддерживается постоянной.

2. Системы программного регулирования. В таких системах выходные параметры объекта автоматизации изменяются по заранее составленной программе. При этом сама программа может задаваться либо с помощью специальных копиров или чертежей, либо, чаще всего, в цифровом виде с использованием современных носителей информации.

3. Следящие системы, в которых закон изменения входной величины хвх, поступающей на вход задающего устройства, заранее неизвестен и может в процессе работы непрерывно изменяться в зависимости от окружающих условий. Но при этом система регулирования должна следить за этими изменениями и в соответствии с ними регулировать выходные параметры объекта автоматизации.

Перечисленная классификация систем автоматического регулирования, в конечном счёте, определяется характером задающего устройства, используемого в системе. Так в системах автоматической стабилизации задающее устройство вырабатывает постоянный по величине сигнал ( хзад = const ).

В системах программного регулирования сигнал с задающего устройства изменяется ( х зад = var ), но по заранее составленной определенной программе.

В следящих системах величина заданного сигнала зависит от неизвестного по величине входного воздействия, поступающего на вход задающего устройства. А система регулирования, в результате, определяет это воздействие (т.е. отслеживает его) и вырабатывает соответствующий сигнал регулирования - хр в соответствии с законом изменения этого входного воздействия.

Примеры использования систем автоматического управления и регулирования

Этот раздел посвящен изучению работы некоторых систем автоматического управления и регулирования, получивших применение в строительстве и путевом хозяйстве, и в качестве одного из примеров ключевой (основной) структуры системы автоматического регулирования - САР (см. рис.8.7) рассмотрим работу электромеханического дозатора сыпучих материалов, применяемого на предприятиях по изготовлению железобетонных конструкций.

Объектом регулирования ОР в данном случае (рис.9.1) является ленточный конвейер 1, предназначенный для транспортировки одного из компонентов будущей бетонной смеси. Конвейер приводится в движение с постоянной скоростью при помощи электродвигателя 3 и конструктивно имеет опору только с левой стороны.

Рис. 9.1. Схема электромеханического дозатора непрерывного действия

Исполнительным элементом ИЭ системы регулирования служит электромагнитный вибрационный питатель 2, работающий от сети переменного тока, и от величины амплитуды колебаний которого зависит количество материала, поступающего на ленту конвейера. Обмотка электромагнита вибрационного питателя подключена к выходу однотактного магнитного усилителя 4 с обмоткой смещения (см. ч.1 настоящего учебного пособия, рис.3.14.а). Такой усилитель позволяет при положительном токе управления Iу, поступающего на его вход, увеличивать ток Iн в обмотке возбуждения вибрационного питателя и, тем самым, обеспечивать большее поступление сыпучего материала на ленту конвейера, а при отрицательном токе управления наоборот - уменьшать поступление этого материала.

Величина и полярность тока управления на входе магнитного усилителя, в свою очередь, должна зависеть от количества материала на ленте конвейера, величина которого контролируется с помощью коромысла весов 6. Для этого коромысло весов шарнирно соединено с конвейером с помощью упора 10, образуя, тем самым, параллельную подвеску ленточного транспортера. На правую половину коромысла весов действует усилие, пропорциональное массе материала на ленте, а на его левой части находится противовес 9, выполняющий функции задающего устройства ЗУ системы автоматического регулирования. Для контроля положения коромысла весов к нему на подвесе 8 прикреплен ферромагнитный сердечник дифференциального индуктивного датчика 7 (см. ч.1 рис.2.13), включенного в дифференциальную измерительную схему с питанием её от сети переменного тока через специальный трансформатор Тр.

В результате, коромысло весов, совместно с индуктивным датчиком и дифференциальной измерительной схемой, выполняет функции элемента сравнения ЭС рассматриваемой системы автоматического регулирования и представляет собой высокочувствительный преобразователь механической величины (перемещение коромысла) в пропорциональный электрический сигнал соответствующего знака.

С элемента сравнения этот сигнал, в виде переменного напряжения рассогласования дифференциальной измерительной схемы ?u, поступает на вход двухкаскадного усилителя У, состоящего из упомянутого выше магнитного усилителя 4, нагрузкой которого является исполнительный элемент (вибрационный питатель 2), и включенного на его входе фазочувствительного усилителя 5.

Основной задачей любого фазочувствительного усилителя (см. ч.1 настоящего учебного пособия) является, прежде всего, усиление входного сигнала ?u, и затем его фазочувствительное выпрямление для получения необходимого по величине и полярности постоянного тока управления - Iу, поступающего на вход магнитного усилителя.

И, наконец, последним звеном в рассматриваемой замкнутой системе автоматического регулирования, выполняющим функцию элемента обратной связи ОС, является механический упор 10, с помощью которого контролируется величина массы материала на ленте конвейера, и её значение поступает на элемент сравнения ЭС (коромысло весов 6, совместно с датчиком 7 и дифференциальной измерительной схемой). Так при горизонтальном положении коромысла, когда масса материала на ленте конвейера соответствует требуемому значению, величины индуктивностей L1 и L2 двух половинок дифференциального индуктивного датчика 7 - одинаковы, потому что его ферромагнитный сердечник находится строго посередине двух катушек (см. рис.9.1). Поэтому, выходной сигнал с дифференциальной измерительной схемы - ?u, поступающий на вход фазочувствительного усилителя 5, равен нулю, и вибрационный питатель работает в постоянном режиме, соответствующем рабочей точке А на статической характеристике магнитного усилителя (см. ч.1, рис.3.14.а).

...