Основы построения ГСП

Системотехнические принципы построения ГСП

Структура системотехнических основ построения и развития ГСП базируется на следующих принципах и методах, регламентированных ГОСТ 26.207-83:

1- агрегатирования;

2- унификации сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков;

3- минимизации номенклатуры;

4- формирования гибких, перестраиваемых компонентов системы;

5- реализация в изделиях рациональных эстетических и эргономических требований.

1- Принцип агрегатирования находит свое отражение в том, что наращивание и видоизменение функций отдельных ТС и создание на их основе систем автоматизации осуществляются за счет сочленения унифицированных блоков, модулей и комплектных изделий без необходимости внесения в них дополнительных конструктивных изменений.

2- Реализация принципа унификации сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков призвана обеспечить информационную, конструктивную, метрологическую, эксплуатационную, программную, надежностную и энергетическую совместимости изделий.

3- Использование принципа минимизации номенклатуры изделий ГСП предполагает максимальное удовлетворение потребности хозяйства в ТС ГСП на основе разработки и выпуска АК и унифицированных комплексов УК ТС, устройств одного функционального назначения с учетом того, что типоразмеры этих устройств вписываются в организованные определенным образом для них параметрические ряды.

Особенностью агрегатного построения комплекса ТС является то, что разработка изделий данного АК в целях изменения и (или) расширения его функций происходит на основе использования унифицированных базовых конструкций УБК и типовых модулей ГСП, путем изменения характера их соединения и пространственного (структурного) сочетания. Руководствуясь этим положением, разработку изделий АК осуществляют в виде функционально-параметрических рядов, представляющих собой некоторое множество ТС. Это множество упорядочивается по функциям и параметрам.

4- Формирование гибких, перестраиваемых компонентов предполагает возможность наращивания и изменения функций систем автоматизации в процессе их эксплуатации, которая обеспечивается наличием в составе ГСП изделий, допускающих перестройку своей структуры и алгоритмов в процессе работы.

5- Реализация рациональных эстетических и эргономических требований проявляется в создании ТС ГСП, отвечающих единому стилю и обеспечивающих максимальное удобства в эксплуатации.

Все многообразие выпускаемых ТС ГСП по функциональному признаку разделяют на четыре группы устройств, предназначенных для выполнения определенных функций.

В первую функциональную группу – группу устройств получения информации о состоянии процесса (объекта управления) – включают датчики, нормирующие преобразователи, устройства формирования алфавитно-цифровой информации.

Вторая функциональная группа – группа устройств приема, преобразования и передачи информации – объединяет коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласовательные устройства, телемеханические устройства измерения, сигнализации и управления. Устройства этой группы используются для преобразования сигналов, несущих измерительную информацию, и сигналов, несущих команды управления.

Третья функциональная группа - устройства обработки информации, формирования команд управления и представления информации оператором. В нее входят анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, устройства памяти, регуляторы, задатчики, управляющие вычислительные устройства и комплексы.

Четвертую функциональную группу – группу устройств использования командной информации на объекте управления – составляют исполнительные механизмы, усилители мощности и вспомогательные устройства к ним, устройства представления информации.

Структура ГСП

Структуру ГСП из-за ее сложности раскрывают посредством нескольких схем, в основу построения которых закладывают определенный признак (например, функционально-целевой, конструктивно-технологический и др.).

На рис. 2.2.4 представлена иерархическая структурная схема ГСП, построенная по функционально-целевому признаку.

Уровень 4

Группа 5

Вычислительные средства автоматизации управления

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Уровень 3

Группа 4

Средства централизованного контроля и регулирования

--------------------------------------------------------------------------------------------------

Уровень 2

Группа 3 Средства локального контроля и управления

--------------------------------------------------------------------------------------------------

Уровень 1

Средства воздействия на процесс

Группа 2

Группа 1 1111

Средства получения информации

Объект автоматизации

Рис. 2.2.4 Иерархическая структура ГСП

В соответствии с этой схемой изделия ГСП можно разделить на пять групп, расположенных на четырех уровнях иерархии: средства получения информации, средства воздействия на процесс, средства локального контроля и регулирования, средства централизованного контроля и регулирования, вычислительные средства автоматизации управления.

- Средства получения информации и средства воздействия на процесс предназначены для непосредственного взаимодействия с объектом управления- установками, агрегатами, технологическими процессами, цехами, производствами. Они обеспечивают информацией все выше расположенные в иерархической структуре средства и осуществляют передачу управляющих воздействий на управляемый объект.

- Средства локального контроля и регулирования предназначены для построения одноконтурных систем контроля и регулирования простых объектов и систем автономного контроля и регулирования отдельных параметров сложных объектов. Эти средства, как правило, выпускаются в составе параметрических рядов и УК, создаваемых на основе базовых моделей.

- Средства централизованного контроля и регулирования предназначены в основном для построения технического обеспечения систем автоматизации объектов, имеющих несколько сотен контролируемых и регулируемых параметров. Эти средства в настоящее время практически полностью выпускаются в составе АК.

- ТС четвертого (верхнего) уровня иерархической структуры ГСП предназначены для построения управляющих вычислительных комплексов УВК, позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления объектом.

Использование конструктивно-технологического признака позволяет построить структурную схему ГСП, состоящую из взаимосвязанных классификационных группировок:

- типов изделий, типоразмеров изделий

- модификаций или исполнений изделий

- унифицированных и агрегатных комплексов.

Основой классификационной группировкой изделий ГСП является тип (базовая конструкция) изделия. Понятие тип изделия определяет классификационную группировку, включающую совокупность изделий одинакового функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному и имеющих одинаковую номенклатуру главных параметров, определяющих основное функциональное назначение изделия. Например, для средств получения информации главными параметрами являются вид измеряемой физической величины и вид выходного сигнала (у преобразователей термоэлектрических, например, главными параметрами являются вид измеряемой физической величины - температура, вид выходного сигнала – термоЭДС).

В состав типа могут входить несколько типоразмеров, которые имеют определенные числовые значения главного параметра, или модификаций изделий, имеющих определенные конструктивные особенности или определенное значение неглавного параметра.

Наряду с понятием модификации часто применяют понятие исполнение, которое определяет совокупность изделий одного типа, обладающих конструктивными особенностями, которые влияют на их эксплуатационные характеристики. Например, имеются тропические исполнения многих изделий, которые отличаются повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов, устойчивостью к разрушающему воздействию тропических живых организмов.

Понятие унифицированного комплекса УК определяет объединение в комплекс изделий нескольких типов, которые предназначены для измерения разных величин или выполнения различных функций. Изделия УК должны быть одного принципа действия и иметь унифицированные конструктивные элементы. Как правило, их строят по блочно-модульному принципу на основе базовых конструкций, используемых в нескольких или во всех типах изделий комплекса.

Примером УК являются преобразователи измерительные «Сапфир 22» абсолютного и избыточного давления, разряжения, давления-разряжения, разности давлений, которые имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

Отличительной особенностью изделий УК является то, что соединение ТС комплекса между собой в любых сочетаниях не приводит к реализации новых функций этими средствами.

Понятие агрегатного комплекса АК определяет совокупность ТС, характеризующихся всеми составляющими совместимости и предназначен-ных для решения определенных задач автоматического контроля и регулирования.

Изделия АК создают на унифицированной конструктивной базе по блочно-модульному принципу построения с использованием базовых модулей. Различное сочетание устройств, входящих в АК, позволяет реализовать новые функции.

Технические средства ГСП классифицируют по следующим признакам:

- по выполняемым функциям – изделия получения информации; изделия передачи, ввода и (или) вывода информации; изделия преобразования, обработки и хранения информации; изделия использования информации; вспомогательные изделия (источники питания и др.);

- по виду энергии носителя сигналов в канале связи – электрические изделия, пневматические изделия, гидравлические изделия, комбинированные изделия

изделия, работающие без использования вспомогательной энергии;

- по метрологическим свойствам – средства измерений; изделия, не являющиеся средствами измерений, которые, в свою очередь, подразделяют на изделия, имеющие нормируемые точностные характеристики, влияющие на точность выдаваемых управляющих воздействий (далее, средства автоматизации), и на изделия, не имеющие точностных характеристик;

- по эксплуатационной законченности – изделия первого, второго и третьего порядка;

- по защищенности от воздействия окружающей среды, подразделяющиеся на исполнения изделий – обыкновенное; защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел (пыли); защищенное от попадания воды внутрь изделия; защищенное от агрессивной среды; взрывозащищенное; защищенное от других внешних воздействий;

- по устойчивости к механическим воздействиям, подразделяющимся на исполнения изделий – виброустойчивое, вибропрочное, удароустойчивое;

- по одновременной защищенности от воздействия окружающей среды и устойчивости к механическим воздействиям; эти изделия допускается изготовлять в сочетании вышеперечисленных исполнений по защищенности и устойчивости к таким воздействиям.

Информационная совместимость изделий ГСП

Обмен информацией различных устройств ГСП, входящих в системы автоматизации, осуществляется посредством сигналов связи и интерфейсов. Неотъемлемой функцией этих систем является измерение, в процессе которого исходная, как правило, непрерывная физическая величина преобразуется в непрерывный сигнал, который несет о ней информацию.

В аналоговых системах контроля и регулирования используют непрерывные (аналоговые) измерительные сигналы (ток, напряжение, световой поток, давление жидкости и т. п.), несущие количественную информацию об измеряемой физической величине, на основе которой осуществляется управление объектом.

В дискретных (цифровых) системах контроля и регулирования происходит промежуточное преобразование (кодирование) сигнала. В дальнейшем сигнал используют в цифровой форме, что позволяет исключить потерю содержащейся в нем информации.

Одновременно с формированием измерительной информации сигналы связи обеспечивают дистанционную связь ТС системы.

По характеру носители информационных сигналов связи ГСП подразделяют на две группы (рис.2.2.5).

Энергетические носители сигналов используют главным образом для формирования измерительной информации и дистанционной связи ТС;

Вещественные носители – для хранения и представления информации.

Наибольшее распространение в системах автоматизации получили электрические сигналы связи, обладающие такими преимуществами, как высокая скорость их передачи, дешевизна и простота прокладки линий связи, возможность передачи сигналов на значительные расстояния, универсальность и доступность источников энергии. Факторами, ограничивающими использование электрических сигналов, в ряде случаев могут быть пожаро-и взрывоопасность, недостаточная помехозащищенность.

Пневматические сигналы связи применяются главным образом в нефтяной, химической и нефтехимической промышленности. Целесообразностью их применения является существенная инерционность процессов в указанных отраслях и пожаро- и взрывобезопасность пневматических средств контроля и регулирования.

Носители информационных сигналов связи изделий ГСП

Группа 1

Энергетические носители

Группа 2

Вещественные носители

	Перфокарты
Пневматические сигналы
	Перфоленты
Гидравлические сигналы
	Магнитные средства

Электрические сигналы

Печатные бланки

Рис. 2.2.5 Классификация носителей информационных сигналов связи

изделий ГСП

Из электрических сигналов наибольшее распространение нашли унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Они используются как для передачи информации от датчиков к устройствам управления и от них к исполнительным устройствам, так и для обмена информацией устройств управления.

Частотные сигналы используются главным образом в телемеханической аппаратуре и в отдельных АК.

В первичных преобразователях теплоэнергетических параметров применяют сигнал взаимной индуктивности. Его применение обусловлено тем, что дифтрансформаторный преобразователь линейного перемещения чувствительного элемента в сигнал взаимной индуктивности имеет простую конструкцию, высокую надежность и устойчив к воздействию окружающей среды.

Импульсные сигналы с дискретным изменением параметра используют для передачи информации от сигнализирующих измерительных преобразователей контроля состояния различных двухпозиционных устройств, а также для передачи командных сигналов типа «включить-выключить"

Кодированные сигналы преимущественно используют для обмена информацией между различными цифровыми устройствами обработки информации.

Допускается также использование естественных сигналов термоэлектрических преобразователей, термопреобразователей сопротивле-ния и др.

Обмен информацией между устройствами УВК и другими ТС с кодирован-ными сигналами осуществляется по интерфейсам.

В соответствии с назначением в состав интерфейса входят перечень сигналов взаимодействия и правила обмена этими сигналами; совокупность физических элементов, реализующих передачу и прием сигналов взаимодействия; совокупность конструктивных элементов, обеспечивающих соединение взаимодействующих элементов.

Контрольные вопросы

1 В чем заключается необходимость создания специальной Единой системы стандартов приборостроения ЕССП?

2 Назовите общие принципы построения ГСП?

3 В какие структурные группы объединяются СИ?

4 Назовите системотехнические принципы построения ГСП?

5 Как подразделяются ТС ГСП по функциональному признаку?

6 Поясните иерархическую структурную схему ГСП.

7 Что понимается под информационной совместимостью изделий ГСП?

8 Поясните классификацию средств измерения.

Тема 2.3 Методы технической диагностики

Студент должен:

иметь представление:

- о технических средствах и основных принципах построения систем диагностики в автоматизированном производстве;

- о составе диагностического программного обеспечения систем программного управления в автоматизированном производстве;

знать:

- возможности систем технической диагностики управляющего оборудования;

уметь:

- различать методы контроля.

Задачи и методы автоматизированного контроля и диагностики; отличия управления качеством изделий от контроля их качества; способы и средства определения технического состояния управляющих систем. Тестовый, аппаратный, комбинированный методы контроля. Организационные принципы построения служб диагностики. Глубина диагностики. Диагностические тесты, в т.ч. и реальных систем программного управления в автоматизированном производстве.

В автоматизированном производстве должен быть организован постоянный контроль технологии и технического состояния всех элементов, начиная от средств автоматизации складских подразделений и кончая сборкой, испытанием и упаковкой готовых изделий.

Существует два способа контроля: прямой, когда измеряется непосредственно параметр, характеризующий точность совмещения (или позиционирования), и косвенный, при котором техническое состояние объекта определяется в результате обработки информации о точности соблюдения режимов обработки.

Для технического диагностирования компонентов (исполнительных, управляющих и контрольных) предусмотрена специальная подсистема. Ее назначение состоит в предупреждении внезапных отказов, устранения отклонений, а также в наборе статистики для прогнозирования состояния систем и ускорения отладки гибкого автоматизированного производства при переходе на новый тип изделия.

К подсистемам диагностирования предъявляются более высокие требования по надежности, чем к диагностируемым компонентам.

Например, для оборудования электронной промышленности, входящего в ячейку ГПС, существуют типовые (присущие для многих видов оборудования) контролируемые параметры и специальные (присущие только данному классу оборудования).

Для оборудования, использующего в качестве технологической или рабочей среды высокий вакуум, типовым контролируемым параметром является герметичность вакуумной камеры и всей системы откачки, в то же время, если вакуумная установка предназначена для обработки, например, электронным или ионным пучком, специальными контролируемыми параметрами могут явиться точность установки изделия относительно пучка, энергетические характеристики пучка, температура на обрабатывающей поверхности и т.д.

Если же вакуумная установка предназначена для термической обработки, наиболее важно контролировать точность соблюдения температурно-временного режима. Типовыми параметрами при диагностировании промышленных роботов являются точность позиционирования, грузоподъемность, скорость перемещения по каждому направлению движения в пределах рабочей зоны и др.

Однако если робот поместить в необычные условия работы, например в «чистую комнату», то дополнительным контролируемым параметром должна явиться величина загрязнения окружающей среды продуктами износа и газовыделения.

Для оперативного контроля и диагностики оборудования часто совмещают функции обрабатывающего и контрольно-измерительного оборудования.

Применительно к адаптивным роботам часть информации, отображающей качество выполнения задания (ориентации, перегрузки, сборки и т.д.), одновременно является и диагностической информацией, свидетельствующей о правильности функционирования робота и его программного обеспечения.

Выбор средств измерения в каждом случае зависит от тех параметров, которые необходимо измерять.

Автоматическое диагностирование оборудования

Кроме проверки параметров заготовок или деталей, системы контроля осуществляют диагностирование процессов и оборудования непосредственно при выполнении производственных операций. К задачам диагностирования относятся контроль правильности использования соответствующего типа инструмента, его геометрической формы, степени изнашивания, контроль влияния параметров внешней среды на процессы обработки, проверка правильности и надежности закрепления заготовок в зоне обработки. При этом появляется возможность оперативного вмешательства в производственный процесс и проведения корректировки отклонений. Эти задачи решаются путем совмещения функций обрабатывающего оборудования и КИМ в одном агрегате. С этой целью разрабатывают специальные измерительные роботы, которые являются элементами ГПС. Такие роботы, не замедляя производства, могут выполнять 100%-ный контроль обрабатываемых деталей практически любой формы.

Для выявления технического состояния оборудования ГПС проводятся диагностические работы, которые запрограммированы в системах ЧПУ и управляются ЭВМ верхнего уровня.

Состояние систем и узлов

Исполнение управляющих команд

Предмет

диагностирования

Периодический (по контрольным тестам)

Оперативный (по таблицам соответствия)

Оперативный (по таблицам соответствия)

Режим и метод

Диагностирования

Состояние критическое

Состояние граничное

Состояние нормальное

Отказ

Исполнение правильное

Возможные

состояния станка

и систем

Анализ, выявление причин, прогноз, решение

Процедуры

диагностирования

Прогноз отказа; Прекраще-ние работы; срочный ремонт

Прогноз отказа; продолже-ние работы; плановый ремонт  

Продолжение работы

Устранение отказа; продолжение работы

Продолже- ние работы

Возможные

решения

Рис. 2.3.1 Структура системы автоматического диагностирования

неисправностей металлорежущих станков

АСУ современных станков осуществляет оперативное диагностирование исполнения управляющих команд и тестовый контроль аппаратных и программных средств. В основу методов технического диагностирования положен принцип прямого и косвенного контроля с помощью специальных датчиков системы управления оборудованием. Диагностическая информация обрабатывается во многих случаях ЭВМ, для которых составляются специальные программы.

Наличие автоматической системы диагностирования особенно важно для ГПС, работающей в режиме ограниченности обслуживаемого персонала. Общая структура системы автоматического диагностирования неисправностей металлорежущих станков представлена на рис. 2.3.1.

Автоматическое диагностирование режущего инструмента

Большое влияние на точность обработки оказывает состояние режущего инструмента, которое может контролироваться как прямым, так и косвенным методами.

К прямому методу относится автоматическое измерение длины резцов, сверл, разверток и других инструментов с помощью датчиков касания.

Косвенный метод основан на использовании датчиков для измерения сил резания и крутящих моментов, характеризующих состояние режущих инструментов. Типовые датчики – измерительное устройство силы резания с тензодатчиками рис.2.3.2,а, пьезоэлектрический датчик для измерения деформаций рис.2.3.2,б, магнитоупругий датчик для измерения деформаций рис.2.3.2,в, магнитоупругий трансформаторный датчик рис.2.3.2,г, магнитоупругий датчик для измерения крутящего момента (муфтового типа) рис.2.3.2,д, тензодатчики для измерения крутящего момента рис.2.3.2,е, магнитоупругий датчик для измерения крутящего момента – для измерения магнитных свойств скручиваемого участка вала рис.2.3.2,ж, датчик для определения крутящего момента по силе тока двигателя привода рис.2.3.2,з.

Степень изнашивания и целостность инструмента контролируются датчиками-подшипниками, смонтированными в шпинделе обрабатывающего станка. Износ или поломка режущей кромки инструмента влияет на силу резания и силу тока на приводе главного движения. Для регистрации этих параметров САК состояния инструмента выполняют следующим образом. На шпинделе станка рис.2.3.3 монтируют подшипники качения 1 и 2, оснащенные тензометрическими датчиками. По мере изменения силы резания меняется нагрузка на подшипники, воспринимаемая датчиками. Информация в виде сигнала поступает по соединительному кабелю 3 на усилитель и устройство обработки результатов измерения, управляемое микропроцессором. Значения получаемых сигналов сравниваются с контрольными (заданными) и вырабатывается соответствующий сигнал. Если фактические значения нагрузки на подшипник не превышают расчетных, то критический износ не наступил и инструмент может эксплуатироваться далее. Если же значения нагрузки на подшипник превышают допустимое, то инструмент изношен и подлежит замене.

Рассмотрим наиболее простой метод определения поломок режущего инструмента. Проверяемый инструмент после предварительного вызова подпрограммы автоматически вставляется в шпиндель станка и подается на устройство измерения длины, устанавливаемое в рабочей зоне станка с ЧПУ так, что оно занимает определенное положение относительно заданной (нулевой) точки. Затем щупами измеряется длина инструмента и полученное значение сравнивается с программируемым – таким образом выявляется поломка инструмента. Разработаны алгоритмы, позволяющие определять в автоматическом режиме состояние целостности режущего инструмента, а также автоматические методы, основанные на использовании бесконтактных электронных устройств и других современных технических средств.

Параметры инструмента проверяют во время, до и после работы. Во время работы контролируют параметры резания, функционально зависящие от его износа, например, силу тока двигателя привода главного движения, период стойкости инструмента, его нагрузку, фиксируемую специальными подшипниками, снабженными тензоизмерительными датчиками.

До и после обработки деталей контролируют состояние измеряемого инструмента, которое определяют поворотными щупами. Используют также комбинации указанных видов контроля.

Рис.2.3.2 Типовые датчики, используемые для измерения сил и моментов

Рис.2.3.3 Шпиндель станка, оснащенный датчиками-подшипниками

Контрольные вопросы

1 Какие требования предъявляются к диагностическому оборудованию?

2 Назовите основные принципы построения систем диагностики в автоматизированном производстве.

3 Как реализуется автоматическое диагностирование режущего инструмента и оборудования?

4 Какие задачи возлагаются на САК?

5 Какие технологические процессы контролируются с применением САК?

6 Из каких компонентов состоит структура САК?

7 В чем состоит назначение каждого из уровней САК?

8 В чем заключаются способы прямого и косвенного, активного и пассивного контроля? Приведите примеры.

9 Какие гибкие системы контроля Вам известны?

Примерная тематика для самостоятельной работы студентов

1. Технические средства систем автоматического регулирования.

2. Сферы практического применения систем автоматического управления.

3. Сферы практического применения следящих систем.

4. Классификация систем пассивного и активного контроля по степени автоматизации.

5. Возможность практического применения различных методов контроля.

6. Действие четырехразрядного блока сравнения, его составные части и принцип функционирования.

7. Виды станков и ЧПУ.

8. Функциональные, электрические и монтажные схемы различных автоматических систем.

Раздел 3. Измерительные преобразователи (датчики)

Тема 3.1 Средства получения и преобразования первичной информации.

Классификация датчиков.

Студент должен:

знать:

- классификацию датчиков;

уметь:

- объяснять принцип действия датчиков;

- указывать область применения различных типов датчиков.

Средства получения и преобразования первичной информации (датчики), усилители, преобразователи. Классификация датчиков по принципу действия, по виду входного сигнала, по виду выходного сигнала. Типы датчиков, используемых в технологических процессах машиностроения.

Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, создание которых должно базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т.д. Все эти устройства в системах автоматики выполняют ту или иную функцию, связанную с управлением объектом. В зависимости от характера управления, способа решения задач, связанных с управлением, требований, предъявляемых к устройствам, и других характеристик они могут различаться по исполнению и принципу действия.

Датчиком (чувствительным или измерительным элементом) называют устройство, служащее для восприятия определенной информации, поступающей на его вход в виде контролируемой им физической величины, и преобразующее эту величину в другую, появляющуюся на выходе в виде сигнала (импульса, команды), удобного для дальнейшей обработки и дистанционной передачи.

Входная величина это чаще всего неэлектрическая контролируемая величина (линейное перемещение части станка, температура, сила в гидро- или пневмосистеме, размер детали, скорость и т.п.).

Выходной сигнал – преобразованная входная величина, передающаяся на исполнительное или промежуточное звено. Выходные сигналы бывают электрические, гидравлические, пневматические, механические, радиоактивные и др.

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют:

- на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности и т.д.),

- генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термоЭДС, фототока и т.д.). Генераторные датчики не требуют постороннего источника энергии.

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики:

- пропорциональные, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине;

- нелинейные, у которых сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе;

- релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно;

- циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически;

- импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине.

Схемы включения измерительных и преобразовательных элементов датчика могут быть дифференциальные, компенсационные, мостовые и т.д.

По виду преобразования сигналов датчики могут быть:

- электроконтактные, где механическая сила преобразуется в электрический сигнал;

- индуктивные, у которых изменение индуктивной проницаемости вызывает изменение индуктивности;

- фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в электрический;

- тензометрические, в которых механическая сила вызывает изменение сопротивления;

- гидравлические, в которых механические силы преобразуются в гидравлический сигнал, и т.д.

По назначению в САУ датчики можно разделить на датчики пути и положения, скорости, силовые, углового положения или угла рассогласования и т.д. Так как датчики можно рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению.

Соответственно информации, полученной на входе, датчики разделяют на:

- путевые, дающие выходной сигнал, когда движущая часть (суппорт, стол и т.п.) подойдет в заданное положение;

- размерные, дающие выходной сигнал, когда измеряемый размер достигнет заданной величины;

- силовые, дающие выходной сигнал, когда сила в гидро- или пневмосистеме, в механизме или определенной детали машины достигнет заданной величины;

- скоростные, дающие выходной сигнал, когда скорость движения сборочной единицы или машины достигнет заданной величины;

- температурные, дающие выходной сигнал, когда температура детали, масла, воздуха достигнет заданной величины.

Важнейшими элементами систем управления являются датчики, предназначенные для получения количественной информации о подлежащих измерению механических, тепловых, оптических и других величинах.

Так как системы управления строятся в основном на основе электронных регуляторов, то при измерении любых величин чаще других применяются электрические средства измерений, обладающие следующими преимуществами:

- простотой изменения чувствительности в широком диапазоне значений измеряемой величины за счет использования усилителей электрических сигналов;

- малой инерционностью электрической аппаратуры, позволяющей использовать одни и те же средства измерений для процессов, протекающих во времени в широком диапазоне скоростей;

- практически мгновенной (со скоростью света) передачей сигнала на значительные расстояния, упрощающей замеры в недоступных местах и позволяющей одновременный замер большого количества величин разной физической природы на больших расстояниях.

Измерительное преобразование представляет собой преобразование значения одной физической величины в значение другой физической величины, функционально с ней связанной. Например, в термометре температура преображается в длину столбика ртути или спирта, при этом функциональной связью между этими величинами является закон теплового расширения жидкостей.

Многие неэлектрические величины удобно предварительно преобразовать в механическое перемещение, после чего с помощью датчика перемещения получить электрический сигнал. Например, давление газа или жидкости можно определить замером перемещения упругой мембраны.

Датчиком измерительного прибора называется совокупность преобразователей, размещаемых непосредственно на объекте измерения и удовлетворяющих, как правило, более жестким эксплуатационным требованиям.

Обычно датчик состоит из двух преобразователей: предварительного, воспринимающего измеряемую величину (щуп, рычаг) без перевода ее в другую форму, и основного, предназначенного для преобразования измеряемой величины в электрический сигнал.

Условия на реальном объекте измерения обычно значительно более жесткие, чем в месте регистрации (повышенная температура, вибрации, влажность, пыль, недостаток места). Поэтому в точке, в которой необходимо провести измерение, размещается минимум преобразователей, достаточный для фиксации значения измеряемой величины и преобразования его в форму, пригодную для передачи из зоны объекта в более благоприятную зону (хотя бы на расстояние нескольких метров), где размещается измерительное устройство.

Указатель, регистратор, устройство отображения информации должны быть размещены там, где используются результаты измерения, например на пульте оператора. При создании указателей основным требованием является удобство использования результатов замеров.

Усилители

Усилители – это преобразователи, предназначенные для усиления слабого сигнала от датчика (порядка 10^-4…10^-5 Вт) до уровня, требуемого для его обработки, и усиления маломощного управляющего сигнала до мощности, необходимой для управления исполнительным устройством системы (порядка 10³ Вт) за счет внешнего источника энергии.

В системах автоматики усилители увеличивают мощность сигналов. Для работы усилителей необходим вспомогательный источник энергии. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делят на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

Основным видом усилителей систем автоматики являются электрические, которые в зависимости от физического принципа, положенного в основу процесса усиления, могут быть электронными, ионными, магнитными, электромеханическими, диэлектрическими и др. В электронных усилителях в качестве усилительных приборов используют транзисторы, тиристоры, в ионных усилителях – тиратроны.

Основным элементом магнитного усилителя является ферромагнитный сердечник, кривая намагничивания которого имеет нелинейный характер. К электромеханическим усилителям относятся электромагнитные усилители и электромагнитные реле. Широко применяют в системах автоматики комбинированные усилители, которые могут состоять из усилителей двух, трех и более типов. Комбинированные усилители проектируют с таким расчетом, чтобы сочетать достоинства, присущие каждому типу усилителей. Наибольшее распространение получили транзисторно-магнитные, транзисторно-тиристорные, транзисторно-электромагнитные комбинированные усилители.

В группе электрических усилителей усиление происходит за счет использования энергии стороннего источника питания: гидронасоса, пневмосети и в конечном счете электросети.

В ряде случаев усилители наряду с функцией усиления мощности выполняют функцию преобразования сигнала в другой вид, более удобный для работы системы управления (например, золотниковый гидрораспределитель с электромагнитным приводом).

Усилители выполняются как самостоятельные элементы либо входят в состав измерительных или исполнительных устройств и являются в этом случае их неотъемлемой частью. Как и другие элементы систем управления, усилители характеризуются статическими и динамическими характеристиками.

Преобразователи

Преобразующие устройства служат для преобразования управляющих и информационных сигналов в устройствах автоматики к виду, удобному для их последующей обработки к виду, удобному для их последующей обработки или фиксации. Преобразующие устройства должны иметь малую инерционность и хорошую согласованность с другими узлами автоматики, достаточно высокое быстродействие.

Естественной входной величиной преобразователя называется параметр, который воспринимается лучше других мешающих факторов. Например, сопротивление реостата зависит и от температуры, и от влажности каркаса, и от других факторов. Однако главным фактором, естественной входной величиной реостата является положение ползунка. Аналогично вводится естественная выходная величина преобразователя как параметр, точнее других отражающий результат измерения. Например, при перемещении ползунка реостата помимо изменения его сопротивления меняется (как следствие) ток в цепи и падает напряжение (на естественных выходных величинах), что влечет за собой изменения других параметров: температуры проводников, напряженности электромагнитного поля и т.д.

По виду естественной выходной величины преобразователи делят на две группы:

- генераторные, когда естественной выходной величиной является ЭДС или ток (например, фотодатчик, термопара),

- параметрические, когда естественной выходной величиной является изменение сопротивления, индуктивности или емкости чувствительного элемента, которые потом преобразуются в изменение напряжения или тока в измерительном устройстве.

Снимаемые с датчиков сигналы могут быть двух типов:

- аналоговые, или непрерывно меняющиеся в некотором амплитудном диапазоне (например, напряжение на термопаре);

- дискретные, принимающие одно из заранее известных состояний (например, двоичный или бинарный сигнал ДА/НЕТ от конечного выключателя).

Преобразователи электрических сигналов – вспомогательные устройства систем управления, предназначенные для согласования элементов системы управления без изменения количества информации, содержащего в преобразуемом сигнале. Преобразователь переводит сигнал постоянного тока в переменный (модулятор) и обратно (демодулятор), масштабирует сигнал (усилитель).

Аналого-цифровой преобразователь АЦП осуществляет преобразование аналоговых, способных непрерывно меняться по уровню электрических сигналов вида U(t) в цифровую форму – последовательность двоичных кодов Xi, выдаваемых на выход через заданные промежутки времени. Например, выходное напряжение тензометрического неравновесного моста предварительно усиливается, фильтруется и преобразуется в АЦП в форму, удобную для ввода в управляющую ЭВМ.

Цифроаналоговый преобразователь ЦАП предназначен для преобразования дискретного по времени и уровню обычно 12-разрядного двоичного кода в непрерывный по времени и по уровню выходной сигнал. Другими словами, на вход ЦАП периодически поступают числа в интервале от -2048 до +2047, кодирующие выходное напряжение в интервале, например, от -5,12 до +5,12 В.

ЦАП в основном применяется для преобразования сигнала от цифрового регулятора в аналоговую форму изменяющегося по времени напряжения, используемого большинством электро-, гидро- и пневмоприводов в качестве управляющего сигнала. ЦАП расшифровывает код и выдает соответствующее напряжение на выход. Как правило, ЦАП дополняется экстраполятором, запоминающим и поддерживающим неизменное напряжение, соответствующее входному коду ЦАП, для подачи нового входного кода. Выходное напряжение экстраполятора меняется обычно только в момент прихода на ЦАП нового кода.

Контрольные вопросы

1 Назовите классификацию датчиков.

2 Объясните принцип действия датчиков.

3 Укажите область применения различных типов датчиков.

4 Назовите типы датчиков, используемых в технологических процессах машиностроения.

5 Назначение усилителей.

6 Назначение преобразователей.

Тема 3.2 Основные характеристики и способы включения датчиков

Студент должен:

иметь представление:

- об основных характеристиках, конструкции и принципе действия датчиков;

знать:

- основные способы включения датчиков;

уметь:

- выбирать способ включения датчиков.

Основные характеристики датчиков: статическая чувствительность, инерционность, порог чувствительности. Основные способы включения датчиков – дифференциальные, мостовые, компенсационные.

Датчики, применяемые при автоматизации производства, должны иметь унифицированные (стандартные) выходные сигналы. Например, датчики, выходным сигналом которых является напряжение, должны отвечать ряду: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20 В. Датчики, выходным сигналом которых является ток, должны отвечать ряду: 1; 2; 5; 10; 20 мА.

Входная величина это чаще всего неэлектрическая контролируемая величина (линейное перемещение части станка, температура, сила в гидро- или пневмосистеме, размер детали, скорость и т.п.). Выходной сигнал – преобразованная входная величина, передающаяся на исполнительное или промежуточное звено. Выходные сигналы бывают электрические, гидравлические, пневматические, механические, радиоактивные и др.

Датчики характеризуются параметрами, необходимыми для их подбора при автоматизации процессов.

1 - Зависимость выходного сигнала у от входного х: у = f (х).

На рис.3.2.1 показаны нелинейная (кривая 1) и линейная (кривая 2) зависимости выходного сигнала от входной величины.

у

1

Δу 2

х1 Δх х

х2

Рис.3.2.1 График характеристик датчиков

Желательно, чтобы зависимость была линейная. Если зависимость нелинейная, то выбирают участок кривой, который возможно более близок к прямой, и ограничивают действие этого датчика величинами входных сигналов от х1 до х2 (кривая 1).

2 - Чувствительность S = Δу/ Δх. Чем датчик чувствительнее, тем легче производить измерение малых входных величин.

3 - Порог чувствительности – величина наименьшего изменения входной величины, вызывающая изменение выходного сигнала.

4 - Погрешность основная характеризует максимальную разность между номинальными величинами выходного сигнала при нормальных условиях и при изменении внешних условий по сравнению с их нормальными значениями. Например, температурная погрешность датчика соответствует 1,5% при изменении температуры на 10°С по сравнению с нормальной (20±2°С).

5 - Динамические характеристики, соответствующие работе датчика при быстрых изменениях входной величины. Обычно требуется минимальная постоянная величина времени для получения соответствующего выходного сигнала.

6 – Стабильность характеристики. Например, датчик позволяет производить 25000 срабатываний при смещении, например, ±0,5мкм.

Автоматизация технологических процессов обработки на металлорежущих станках требует применения быстродействующих, точных датчиков различных принципов действия, воспринимающих входную величину в виде изменения положения (пути), размера, силы, скорости, температуры и подающих выходной сигнал в виде электрического, пневматического, гидравлического, механического импульса.

Усилители

Усилители выполняются как самостоятельные элементы либо входят в состав измерительных или исполнительных устройств и являются в этом случае их неотъемлемой частью. Как и другие элементы систем управления, усилители характеризуются статическими и динамическими характеристиками, перечисленными ранее.

Основными параметрами усилителей помимо коэффициента усиления (по току, напряжению, мощности), постоянной времени (инерционность) и рабочего диапазона частот являются:

- линейность статической характеристики;

- величина зоны нечувствительности;

- энергетические параметры (входная, выходная и потребляемая мощность);

- стабильность параметров при изменении условий внешней среды и по времени и их воспроизводимость при серийном производстве;

- долговечность, надежность, вибростойкость и т.д.

Возможный коэффициент усиления по мощности усилителей, применяемых в системах управления, лежит в диапазоне от 10 до 10⁷. Выходная мощность усилителей, применяемых в системах управления, лежит в пределах от долей ватт до десятков киловатт. При мощности до 100Вт обычно применяют электронные усилители, при большей требуемой мощности – гидро и пневмоусилители.

Так как слабый сигнал от датчика или сравнивающего органа на пути до исполнительного устройства претерпевает серию преобразований и усиливается в миллионы раз, усиление происходит в несколько этапов, а сами усилители строят часто многокаскадными, состоящими в свою очередь из нескольких соединенных последовательно усилителей.

Важной характеристикой являются величина запаздывания и инерционность усилителя. Обычно можно считать безинерционными электронные усилители, гидравлические золотники, струйные реле. Наибольшим запаздыванием обладают магнитные и гидроусилители.

Усилители представляют обычно инерционным звеном первого порядка, характеризуемым передаточным коэффициентом (коэффициентом усиления усилителя) и постоянной времени. Динамические характеристики усилителей основных классов приведены в табл.3.2.1

Виды усилителя	Основное применение усилителя	Коэффициент усиления по мощности	Постоянная времени, с
Полупроводниковые	Усилительный каскад на постоянном токе Усилительный каскад на переменном токе Оконечный усилитель мощности	10^3… 10^5 10^4…10^6 10^2…10^3	10^-6 … 10^-7 10^-2 … 10^-4 10^-2 … 10^-4
Магнитные	Усилительный каскад на переменном токе	10^3…10^5	10^-1… 10^-4
Электромашинные	Оконечный усилитель мощности	10^2…10^4	1 … 10^-2
Гидравлические	Дроссельные Струйные	10^4…10^6 10^3…10^4	10^-1 … 10^-2 10^-1 … 10^-2
Пневматические	Дроссельные Струйные	10^5…10^7 10^3...10^5	10^-2 … 10^-3 10^-3 … 10^-4

Преобразователи

Функция преобразования измерительного преобразователя – это статическая характеристика первичного преобразователя или функциональная зависимость выходной величины от входной, представленная аналитически (формулой) или графиком. В случае аналогового датчика всегда стремятся иметь линейную характеристику преобразования, упрощающую анализ измерения и сам прибор. Реальные измерительные преобразователи в силу своих конструктивных особенностей имеют характеристику, близкую к линейной лишь в небольшом диапазоне изменения входной величины, за границами которого располагаются зоны насыщения. Поэтому, если возможно, рабочий диапазон преобразователя ограничивают этим линейным участком характеристики.

Если требуется использование преобразователя в диапазоне шире рабочего, приходится в цепь преобразователей вводить дополнительное нелинейное звено, корректирующее возникшую нелинейность (в простейшем случае это применение нелинейной шкалы указателя). Для описания линейной характеристики преобразования Y = f (X) достаточно двух параметров: начального значения выходной величины Y_o, соответствующего нулевому (или любому другому) уровню входной величины Х, и чувствительности преобразователя (коэффициента пропорциональности) S = dY/dX.

Чувствительность S имеет размерность отношения выходной величины к входной, например, для реостатного преобразователя это Ом/мм, электродвигателя – об/(с В).

Полным диапазоном измерительного преобразователя называют интервал значений измеряемой величины от значения погрешности нуля, когда относительная погрешность равна 100%, до предела измерений, когда указатель прибора упирается в ограничитель, а погрешность измерения может быть сколь угодно большой.

Под порогом чувствительности прибора понимают наименьшее изменение значения измеряемой величины, вызывающее заметное на фоне помех и шумов изменение результата измерения, например, наименьшее значение параметра, которое может быть измерено на фоне погрешности (для нулевого значения измеряемой величины она называется погрешностью нуля).

Рабочим диапазоном называют часть полного диапазона, в которой относительная погрешность не превосходит некоторой величины.

В системах автоматики широко применяют цифровые дискретные датчики, представляющие измеряемую величину последовательностью или совокупностью двоичных сигналов (импульсов). Различают:

- абсолютные первичные преобразователи (или датчики абсолютных значений), имеющие однозначную зависимость между входной величиной и выходным кодом,

- инкрементные первичные преобразователи (датчики накапливающего типа, или датчики приращений), в которых монотонное изменение входной величины вызывает последовательность импульсов на выходе. Для получения значения измеряемого параметра нужно суммарное число импульсов от датчика умножить на шаг, соответствующий одному импульсу.

Измерительные цепи

Измерительные цепи с генераторными первичными преобразователями предназначены главным образом для усиления сигнала от датчика до уровня, достаточного для надежной передачи на требуемое расстояние и для регистрации. Основной задачей при проектировании является взаимное согласование смежных преобразователей по сопротивлениям их входных и выходных цепей.

Измерительные цепи с параметрическими преобразователями предназначены для преобразования изменения активного (резистор) или реактивного (индуктивность или емкость) сопротивления в изменение напряжения или тока. Естественно, при замере реактивных сопротивлений обязательно использование источника питания переменного тока. При замере активного сопротивления возможно применение питания как переменным, так и постоянным током. Ниже рассмотрены несколько вариантов измерительных цепей прямого преобразования для определения измерения сопротивления первичного преобразователя (тензорезистораЮ терморезистора, индуктивного датчика).

Простейшая измерительная цепь последовательного включения чувствительного элемента показана на рис.3.2.2 а. Датчик под действием измеряемой величины меняет свое сопротивление R_o, в результате чего меняется ток в цепи и отклонение стрелки указателя УК. Основным недостатком такой схемы является нел

Дата добавления: 2014-01-07