Файл: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки Автоматизированные технологии и производства.pdf

16
метода измерения. Обычно унифицированный сигнал получают из естественного сигнала с помощью встроенных или внешних нормирующих преобразователей.
Из электрических сигналов наиболее распространены унифи
цированные сигналы постоянного тока и напряжения. Частотные сигналы используются в телемеханической аппаратуре и в комп
лексе технических средств локальных информационноуправля
ющих систем (КТС ЛИУС). Сигнал взаимной индуктивности применяется в датчиках теплоэнергетических параметров, что обеспечивает высокую надежность и устойчивость к воздействию окружающей среды при простой конструкции. Импульсные сиг
налы используются для контроля состояния двухпозиционных устройств, передачи командных сигналов.
При создании сложных систем, особенно на базе микропро
цессорных устройств и вычислительных средств, обмен информа
цией между техническими средствами верхнего уровня осуществ
ляется с помощью интерфейсов. Интерфейс, или сопряжение вводавывода, — это совокупность программных и аппаратных средств, устанавливающих и реализующих взаимодействие уст
ройств, входящих в систему, и предназначенных для сбора, пере
работки и использования информации.
По определению интерфейс состоит из программной и аппа
ратной частей. Программная (информационная) часть определяет протокол (порядок) обмена сигналами и информацией (алгорит
мы и временн
е диаграммы). Аппаратная часть (интерфейсные карты, платы) позволяет осуществлять информационный обмен управляющими, адресными, известительными и другими сигна
лами между функциональными модулями.
В ГСП наиболее распространены интерфейсы «Общая шина»
(ОШ), 2К и «Единый интерфейс» (ЕИ).
Интерфейсы определяют скорость сбора информации, загруз
ку памяти ЭВМ или контроллера, стоимость аппаратуры, поэто
му в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию рациональных интерфейсов.
1.4. Измерительные преобразователи
Необходимую для управления информацию о состоянии объекта и внешних воздействиях получают в виде значений от
дельных физических величин с помощью соответствующих тех
нических устройств, которые называются измерительными пре'
образователями (ИП).
В отличие от измерительных приборов, где такая информация дана в виде, удобном для непосредственного восприятия опера

17
тором — человеком, информация в ИП представляется в виде определенной физической величины, удобной для передачи и дальнейшего преобразования в системе автоматики. Эту величи
ну называют сигналом и она однозначно связана с контролируе
мой физической величиной или параметром того или иного тех
нологического процесса.
ГСП охватывает лишь часть контролируемых величин, кото
рые наиболее часто используются в практике автоматики и авто
матизации. В ГСП все контролируемые величины разделены на следующие группы:
•
теплоэнергетические величины — температура, давление,
перепад давлений, уровень и расход;
•
электроэнергетические величины — постоянные и перемен
ные ток и напряжение, мощность (активная и реактивная), коэф
фициент мощности, частота и сопротивление изоляции;
•
механические величины — линейные угловые перемещения,
угловая скорость, деформация, усилия, вращающие моменты, ко
личество изделий, твердость материалов, вибрация, шум и масса;
•
величины, характеризующие физические свойства, — влаж
ность, электропроводность, плотность, вязкость, освещенность и др.;
•
величины, определяющие химические свойства.
Устройства, в которых однократно (первично) преобразуется измеряемая физическая величина, принято называть первичны
ми ИП.
ИП могут соединяться, образуя следующие структурные схемы:
•
схема однократного прямого преобразования;
•
схема последовательного прямого преобразования;
•
дифференциальная схема;
•
схема с обратной связью (компенсационная).
Простейшие ИП состоят из одного преобразователя. В случае последовательного соединения нескольких первичных преобразо
вателей выходная величина предыдущего преобразователя явля
ется входной величиной последующего. Последовательное соеди
нение ИП применяют в том случае, когда однократное преобра
зование не дает выходного сигнала, удобного для использования.
При дифференциальной схеме устраняется влияние на результат преобразования искажающих внешних факторов благодаря сопо
ставлению (сравнению) преобразованной и некоторой эталонной величин, одинаково подверженных действию этих факторов. Схе
ма ИП с обратной связью характеризуется высокой точностью,
универсальностью и малой зависимостью коэффициента преоб
разования от внешних возмущений.
ИП бывают с выходными естественным и унифицированным сигналами.

18
Естественный сигнал формируется первичными ИП естест
венным путем и представляет собой угол поворота, перемещение,
усилие, напряжение (постоянное и переменное), сопротивление
(активное и комплексное), электрическую емкость, частоту и др.
ИП с естественным выходным сигналом (термопары, терморези
сторы, тензодатчики и др.) широко применяются при автомати
зации простых объектов.
Унифицированный сигнал — это сигнал определенной физи
ческой природы, изменяющийся в определенных фиксированных пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона ее измерения. Среди унифицированных сигналов наи
большее распространение получили электрические сигналы по
стоянного и переменного тока, напряжения и частоты, а также пневматические сигналы.
К основным видам аналоговых унифицированных сигналов относятся:
•
электрические постоянного тока, мА: 0 … 5; 0 … 20;
−
5 … 0 … 5;
•
электрические постоянного напряжения: 0 … 10 мВ; 0 … 20 мВ;
−
10 … 0 … 10 мВ; 0 … 1 В;
−
1 … 0 … 1 В;
•
электрические переменного напряжения, В: 0 … 2;
−
1 … 0 … 1;
•
электрические переменного тока на частоте, кГц: 4 … 8; 2 … 4;
•
пневматические, кПа: 20 … 100.
Преобразователи, служащие для изменения масштаба сигна
ла, называются масштабными ИП.
Для получения унифицированных аналоговых сигналов при
меняют ИП, называемые нормирующими.
Специфика контролируемой величины существенно влияет на метод преобразования, используемый в первичном ИП.
Преобразователи, применяемые в ГСП, подразделяются на шесть групп: механические, электромеханические, тепловые,
электрохимические, оптические и электронноионизационные.
Преобразователи, предназначенные для передачи сигнала из
мерительной информации на расстоянии, называются передаю'
щими и используются в системах телемеханики.
1.5. Управляющие и корректирующие
элементы
Управляющие и корректирующие элементы автоматики вы
полняют функции формирования сигналов управления исполни
тельными элементами системы. В целях формирования этих воз
действий могут использоваться различные операции: усиления входных сигналов, хранения, передачи и дальнейшего преобразо
вания согласно принятому алгоритму.

19
Нередко для автоматического управления несложными объек
тами применяют простые управляющие элементы: усилители,
реле и логические устройства. Для реализации более сложных алгоритмов управления (пропорциональноинтегрального — ПИ,
пропорциональноинтегральнодифференциального — ПИД) в цепи обратной связи электронного усилителя служат различные корректирующие элементы, например RCцепочки. Корректиру
ющие элементы могут и не входить в состав управляющих эле
ментов. Дальнейшее совершенствование управления (реализация функций адаптации, логических операций при пуске и останов
ке объекта, многоступенчатой защиты и др.) предполагает ис
пользование агрегатированных комплексов автоматики, предус
мотренных номенклатурой ГСП, а также управляющих вычисли
тельных машин.
В качестве управляющих элементов можно использовать мик
роконтроллеры и микропроцессорные системы, выполненные в виде больших интегральных схем (БИС), характеризуемых рядом технических и эксплуатационных преимуществ.
Выходные каскады управляющих элементов представляют со
бой усилители мощности. Бесконтактные усилители мощности бывают тиристорными или магнитными.
Выходными каскадами управляющих элементов могут быть также гидравлические или пневматические усилители. В конст
руктивном отношении они имеют много общего и отличаются лишь энергоносителем (рабочим телом), в качестве которого в гидравлических усилителях используют жидкость под высоким давлением, а в пневматических — газ.
Гидро и пневмоусилители конструктивно выполняют сов
местно с исполнительными элементами. Основные преимущества таких усилителей: большой коэффициент усиления по мощнос
ти; высокое быстродействие; малые габаритные размеры и метал
лоемкость на 1 кВт выходной мощности. Недостаток их приме
нения заключается в необходимости использования специализи
рованных источников питания (гидравлических насосов, комп
рессоров). Кроме того, гидросистемы требуют более тщательной герметизации линий связи и нуждаются в специальных емкостях для хранения рабочей среды (воды или специального негорюче
го масла).
1.6. Исполнительные механизмы
и регулирующие органы
Для управления объектами в соответствующих системах авто
матики предусматриваются исполнительные устройства, в состав

20
которых входят исполнительные механизмы (ИМ) и регулирую
щие органы.
По виду потребляемой энергии ИМ подразделяются на элек
трические, гидравлические и пневматические.
Электрические исполнительные механизмы (ЭИМ) получили наиболее широкое распространение. Их выпускают постоянной и переменной скорости.
В системах управления технологическими процессами чаще всего применяют ЭИМ постоянной скорости. В результате по
вторнократковременного включения асинхронного электродви
гателя ЭИМ реализует закон перемещения регулирующего орга
на (РО), формируемый управляющим элементом системы.
ЭИМ подразделяются также по характеру перемещения РО на следующие виды:
•
механизмы электрические однооборотные (МЭО);
•
механизмы электрические многооборотные (МЭМ);
•
механизмы электрические прямоходные (МЭП) с поступа
тельным движением РО.
Обычно ЭИМ состоит из электродвигателя, редуктора, аппа
ратуры контроля и управления, а также из приставки, формиру
ющей перемещение выходного вала.
Для улучшения динамических характеристик и фиксации вы
ходного вала ЭИМ применяют тормоз.
Для обратной связи и контроля положения выходного вала служит датчик положения.
При управлении ЭИМ используют контактные и бесконтактные системы. В первом случае трехфазным асинхронным электродви
гателем управляют посредством релейноконтактной аппаратуры,
а во втором случае применяют тиристорное управление специаль
ными двухфазными конденсаторными электродвигателями.
Если ЭИМ оснащен трехфазным асинхронным электродвига
телем с контактным управлением, то в наименовании добавляется буква К (МЭОК), а если управление бесконтактное — буква Б
(МЭОБ).
Исполнительные элементы систем в пожаро и взрывоопасных цехах выполняют на базе пневматических исполнительных меха
низмов (ПИМ).
К недостаткам пневматических средств управления относятся следующие: неудобство в наладке, связанное со сложностью опе
ративных изменений давления воздуха при проверке работоспо
собности; необходимость применения специальных компрессор
ных установок питания.
С помощью гидравлических исполнительных механизмов
(ГИМ) можно наиболее надежно и просто реализовать преобра
зование управляющих сигналовкоманд в перемещение РО, осу

21
ществляемое с большой скоростью и мощностью. ГИМ надежно работают в неблагоприятных условиях (при высокой влажности,
повышенных температурах, вибрациях).

1.7. Агрегатирование — основа систематического
подхода к созданию современной
электроизмерительной аппаратуры
Краткий анализ современного уровня развития электроизме
рительной техники (ЭИТ) показывает, что очевидна неуклонная тенденция к усложнению и росту многообразия измерительной аппаратуры.
Кроме автономного применения эта аппаратура находит все более широкое применение в различного рода информационных системах, например в АСУ ТП. Это накладывает свой отпечаток на принципы проектирования, изготовления и эксплуатации электроизмерительной аппаратуры, в основе которых может ле
жать только современный системный подход.
Системный подход в данном случае означает, что решение проблемы создания средств ЭИТ есть решение комплекса работ,
направленных:
•
на достижение предельного уровня унификации и стандар
тизации средств ЭИТ, причем, в первую очередь, элементной и конструктивной баз;
•
установление номенклатуры и состава, обеспечивающих вы
полнение требований, предъявляемых к ЭИТ, определенным чис
лом модификаций средств одного типа (с позиций совокупных затрат на проектирование, изготовление и эксплуатацию);
•
углубление предметной и технологической специализаций предприятийразработчиков и изготовителей.
Реализацию этого комплексного подхода и преследует созда
ние агрегатного комплекса средств электроизмерительной техни
ки (АСЭТ).
Средства комплекса — это средства ЭИТ, предназначенные для совместного использования по установленным правилам ком
поновки при создании информационных измерительных систем
(ИИС) различного назначения — от элементарных систем, пред
ставляющих собой объединение всего лишь нескольких средств
ЭИТ, до сложных многофункциональных ИИС широкого назна
чения или специализированных систем для автоматизации изме
рения и управления в отдельных областях промышленности и научных исследований.
Кроме того, такие средства комплекса, как измерительная ап
паратура, могут использоваться в качестве автономных приборов

22
или в составе простейших соединений, обеспечивающих автома
тизацию измерений и регистрацию данных.
Таким образом, создание АСЭТ предусматривает удовлетворе
ние требований промышленности в средствах измерения элект
рических и магнитных величин в различных отраслях и, в первую очередь, в машиностроении, металлургии, энергетике и научных исследованиях.
Переход к созданию средств ЭИТ в рамках АСЭТ обеспечивает возможность замены индивидуальной разработки сложных изме
рительных устройств ИИС в целом их проектной компоновкой с максимальной преемственностью решений и последующим пере
ходом к проектированию с помощью ЭВМ.
Разработка и внедрение в производство средств АСЭТ позво
ляет:
•
сократить затраты на разработку устройств ЭИТ и ИИС;
•
повысить удельный вес заимствованных, специализирован
ных и кооперированных деталей, узлов, блоков и средств, т. е. в конечном счете повысить производительность труда, а также уве
личить объем производства на действующих мощностях за счет повышения производительности труда;
•
сократить затраты на производство и сократить капитало
вложения на развитие мощностей.
В общем случае принцип агрегатирования заключается в сле
дующем.
1. Машины, системы и другие сложные технические устройства представляют собой агрегат, состоящий из нескольких независи
мых средств, блоков или узлов.
2. Расчленение на эти средства, блоки или узлы производится так, чтобы каждый из них выполнял определенную функцию,
присущую ряду агрегатов, и имел конструктивнотехническую законченность.
3. Виды сопряжений средств, блоков или узлов выбирают так,
чтобы их можно было собирать в агрегатах с заданными техни
коэксплуатационными характеристиками.
4. Функциональное многообразие агрегатов достигается раз
личным сочетанием средств, блоков и узлов, а также возможнос
тью наращивания структуры агрегатов в процессе их эксплуата
ции.
5. Средства одного функционального назначения образуют параметрические ряды.
Специфика агрегатирования в приборостроительной промыш
ленности при создании средств автоматизации и систем измере
ния, контроля, регулирования и управления связана с большим числом характеристик средств, их разнохарактерностью и слож
ностью описания, что определяет следующие особенности: