Мехатроника. Учебное пособие au f der tit el seit e gibt es keine fu zei l e
 Скачать 2.86 Mb.
|
|
2.2 Влияние автоматизации на людей Одной из главных причин для введения автоматизированных систем было и остается желание производить товары с меньшими затратами, чем у конкурентов. Технология автоматизации может помочь достигнуть этого несколькими способами: • Меньшим числом обслуживающего персонала, необходимым для автоматизированного производства. • Производство может вестись круглосуточно, за исключением времени, затраченного на техническое обслуживание. • Машины обычно допускают меньше ошибок, а это означает, что качество производимой продукции остается стабильно высоким. • Время обработки сокращается, что означает, что большее количество продукции может отправляться быстрее. • Автоматизация избавляет людей от монотонной, физически тяжелой или опасной работы ( улучшение условий труда). С другой стороны, существуют и отрицательные результаты автоматизации: • Потеря рабочих мест, в частности, для рабочих с низкой квалификацией (один высококвалифицированный технический специалист занимает место десятерых неквалифицированных рабочих). • Автоматизация производства требует, чтобы служащие время от времени принимали решения, однако сложность устройства приводит к тому, что последствия невозможно полностью предусмотреть. • Расходы на автоматизированную систему данного типа увеличивают ответственность каждого человека за успех компании в целом. 17 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 2 Автоматизация как часть инженерных наук 18 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 То к I То к I 3 Основы электротехники 3.1 Постоянный и переменный ток Одной из наиболее важных основ для технологии автоматизации служит электротехника, потому как большинство технических систем нуждаются в энергии для приведения их в движение и обработки входящих сигналов. По этой причине ниже приведен обзор наиболее важных основ электротехники. Простая электрическая цепь состоит из источника напряжения, устройства-потребителя и соединительных кабелей для передачи электрической энергии. Все электрические цепи подчиняются следующему простому правилу: «от источника до потребителя и обратно». С точки зрения физики, внутри электрической цепи, отрицательно заряженные частицы – электроны, движутся от отрицательно заряженной клеммы источника напряжения к положительно заряженному по проводнику. Это движение заряженных частиц называется электрическим током. Ток может течь только в замкнутой цепи. Разница между постоянным и переменным током: • Если напряжение в цепи будет прикладываться в одном направлении, то ток будет протекать тоже в одном направлении. Это постоянный ток или цепь постоянного тока. • В цепи переменного тока, напряжение и ток меняет направление и силу через определенные промежутки времени. Постоянный ток Переменный ток Время t Время t Рисунок 3.1: Постоянный и переменный ток во времени 19 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники На рисунке 3.2 показана простая схема постоянного тока, состоящая из источника напряжения, электрических проводов, выключателя и потребителя (в данном примере лампочка). Рисунок 3.2: Цепь постоянного тока. Техническое направление тока Когда выключатель замкнут, ток I течет через устройство-потребитель. Электроны движутся от отрицательно заряженной клеммы источника напряжения к положительной. До того, как были открыты электроны, направление тока определялось как поток от положительного к отрицательному. Это определение до сих пор используется и называется техническим направлением тока. 3.2 Сопротивление и мощность 3.2.1 Проводники Термином «электрический ток» называют направленное движение заряженных частиц. Для протекания тока, в материале должно быть достаточно свободных электронов. Материалы, которые отвечают этому требованию, называют проводниками. Медь, алюминий и серебро являются особенно хорошими электрическими проводниками. Медь является основным проводящим материалом, используемым в технологии управления. 3.2.2 Сопротивление Все материалы, включая хорошие электрические проводники, оказывают сопротивление электрическому току. Это происходит из-за свободно движущихся электронов, сталкивающихся с атомами в проводящем материале, в результате чего их движение затрудняется. Проводники имеют низкое сопротивление. Материалы с особенно большим сопротивлением называются изоляторами. Для изоляции проводов используются резина и материалы на основе пластика. 20 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники R 3.2.3 Закон Ома Закон Ома описывает отношение между напряжением, силой тока и сопротивлением. В нем говорится, что в цепи с заданным сопротивлением, сила тока меняется прямо пропорционально напряжению, например: • если напряжение возрастает, сила тока тоже растет • если напряжение падает, сила тока тоже падает. V= ∙I V = напряжение Единица измерения: Вольт (В) R = сопротивление Единица измерения: Ом (Ом) I = сила тока Единица измерения: Ампер (А) 3.2.4 Мощность В механике мощность может быть определена работой. Чем быстрее выполняется работа, тем больше требуется мощность. Таким образом, мощность равна работе в единицу времени. В случае с потребителем в цепи, электрическая энергия преобразуется в кинетическую (вращение в электродвигателе), светового излучения (лампочка) или тепловую (обогреватель, лампа). Чем быстрее энергия преобразуется, тем больше мощность. Поэтому в этом случае мощность равна энергии в единицу времени. При увеличении силы тока и напряжения, растет и мощность. Мощность устройства-потребителя также называют электропотреблением. P= V ∙ I P = мощность Единица измерения: Ватт (Вт) V = напряжение Единица измерения: Вольт (В) I = сила тока Единица измерения: Ампер (А) 21 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники Практический пример: Мощность катушки На электромагнитную катушку пневматического клапана (например 4/2 – распределитель с электромагнитным управлением) подается напряжение 24 В. Ток постоянный. Сопротивление катушки 60 Ом. – Вычислить электропотребление катушки. Сила тока находится по закону Ома: À Îì Â R V I 4 0 60 24 = = = Электропотребление равно произведению силы тока на напряжение: P=V*I= 24 В*0,4 А=9,6 Вт Электропотребление электромагнитной катушки равно 9,6 Вт. 3.3 Принцип работы электромагнита Когда ток течет по проводнику, вокруг него образуется магнитное поле, которое увеличивается при возрастании силы тока. Магнитные поля вызывают силу притяжения на деталях, сделанных из стали, никеля или кобальта. Эта сила возрастает с увеличением магнитных полей. Катушка без сердечника Катушка с металлическим сердечником и воздушным зазором I I Рисунок 3.3: Электрическая катушка с металлическим сердечником и без нее, и линии их магнитных полей 22 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники 3.3.1 Устройство электромагнита Электромагнит имеет следующую структуру: • Проводник смотан в виде катушки (без сердечника). Наложение линий магнитных полей всех обмоток катушек (см. Рисунок 3.3) усиливает магнитное поле. • Металлический сердечник располагается в катушке. При протекании тока, металл намагничивается. При одинаковой силе тока это явление позволяет создать более сильное магнитное поле, чем в катушке без сердечника. Обе эти особенности обеспечивают создание сильного воздействия на черные металлы, даже если сила тока мала. 3.3.2 Применение электромагнитов В электропневматических системах управления, электромагниты главным образом используются для регулирования положения клапанов, реле и контакторов. Чтобы объяснить, как это происходит, мы будем использовать пример распределителя с пружинным возвратом: • Когда ток протекает через катушку, золотник распределителя переключается. • Когда течение тока прерывается, пружина возвращает золотник в исходное положение. Рисунок 3.4: Принцип работы распределителя с электромагнитным управлением 23 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники 1 3.4 Принцип работы конденсатора Конденсатор состоит из двух токопроводящих пластин с изолирующим слоем (диэлектриком) между ними. Когда конденсатор подключен к источнику напряжения постоянного тока (замыкается S1 на рис. 3.5), создается небольшой ток, который заряжает две пластины. Если соединение с источником напряжения прерывается (размыкается S1), заряд остается в конденсаторе. Чем больше емкость конденсатора, тем больше заряженных частиц он может хранить. Таким образом, конденсатор характеризуется ёмкостью С. Она определяется как отношение величины заряда Q, накапливаемого в конденсаторе, к его напряжению V: C = Q V Единицей измерения емкости является Фарад (Ф) 1 Ф= A *с В Когда заряженный конденсатор подключается к потребителю (замыкается S2 на рис. 3.5), происходит уравнивание зарядов. Электрический ток будет поступать на устройство-потребитель до полной разрядки конденсатора. Поток зарядки Поток разрядки мA мA S1 S2 U Рисунок 3.5: Принцип работы конденсатора 24 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники 3.5 Принцип работы диода Диоды – это электрические (полупроводниковые) приборы, сопротивление которых зависит от направления течения тока: • Когда диод включается в прямом направлении, его сопротивление очень низкое и ток может течь практически беспрепятственно. • Когда он включается в обратном направлении, его сопротивление становится очень большим и ток протекать не может. Когда диод включается в цепь с переменным током, ток может течь только в одном направлении. Ток выпрямляется (см. рис. 3.6). Диод можно сравнить с клапаном на велосипедной камере, который позволяет воздуху попадать внутрь колеса, но препятствует его выходу обратно. I V R Напряжение V Время t Ток I Время t Рисунок 3.6: Принцип работы диода 25 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники 3.6 Принцип работы и устройство выключателя Выключатели используются для пуска или прерывания тока в электрической цепи. В зависимости от конструкции, они могут быть кнопочными или с фиксацией. • В случае с кнопочным переключателем, коммутационное состояние сохраняется до тех пор, пока нажата кнопка. Такой тип переключателей используется, например, в дверных звонках. • В переключателях с фиксацией, оба положения (Вкл/Выкл) удерживаются механически. Каждое положение сохраняется до повторного нажатия переключателя. Примером могут служить выключатели света в домах. Дальнейшей классификацией и критерием выбора для переключателей является коммутационное состояние в обычном положении (например, выключен). 3.6.1 Нормально разомкнутые контакты В случае с нормально разомкнутым контактом (или Н/Р контакт), цепь разомкнута, когда кнопка в обычном положении. Включение кнопки замыкает контур и на устройство-потребитель поступает ток. Когда кнопка отпускается, усилие пружины возвращает её в обычное положение и контур опять размыкается. 1 3 4 2 3 Рисунок 3.7: Выключатель в разрезе и условное обозначение Н/Р контакта. 26 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники 3.6.2 Нормально замкнутые контакты В случае с нормально замкнутым контактом (или Н/З контакт), контур замкнут, когда кнопка в обычном положении. Нажатие кнопки размыкает цепь. 1 1 2 2 3 Рисунок 3.8: Выключатель в разрезе и условное обозначение Н/З контакта. 3.6.3 Переключающиеся контакты Переключающийся контакт сочетает в себе функции Н/З и Н/Р контактов в одном устройстве. Они используются для замыкания одной цепи и размыкания другой одним нажатием. Оба контура во время переключения ненадолго размыкаются. 1 2 4 2 1 3 4 Рисунок 3.9: Выключатель в разрезе и условное обозначение переключающего контакта. 27 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники 3.7 Реле и контакторы 3.7.1 Назначения реле Реле используются в электропневматических системах управления для: • размножения сигналов, • задержки и преобразования сигналов, • совмещения данных, • разделения управляющих и основных цепей. Они также используются в электрических системах управления для разделения постоянного и переменного токов. Рисунок 3.10: Реле Рисунок 3.11: Принципиальная схема для основной релейно-контактной цепи 28 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники 3.7.2 Устройство реле Реле – это электромагнитный переключатель, в котором управляющий контур отделяется от управляемого. Реле состоит из катушки (3) с металлическим сердечником (1), якоря (4), служащего в качестве исполнительного элемента, возвратной пружины (2) и переключающих контактов (6). Когда напряжение подается на катушку, создается электромагнитное поле. Это заставляет якорь притягиваться к сердечнику. Якорь действует на контакты реле, которые либо замкнуты, либо разомкнуты, в зависимости от состояния. Если ток, протекающий через катушку, прерывается, пружина возвращает якорь в исходное положение. 2 3 12 14 A1 22 24 A2 4 11 21 1 5 6 A1 A2 4 2 1 Сердечник (1) Катушка (3) Изолятор(5) Возвратная пружина (2) Якорь (4) Контакт (6) Рисунок 3.12: Реле в разрезе и его условное обозначение Катушка может использоваться для переключения одного или нескольких контактов. Существуют реле и других конструкций, например, реле с остаточной намагниченностью, реле времени и контактор. 29 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники 3.7.3 Реле времени Реле времени делятся на реле с задержкой включения и реле с задержкой выключения. В реле с задержкой включения, якорь включается в заданный интервал t d ; задержки выключения нет. В реле с задержкой выключения происходит обратное. Контакты переключаются соответственно рисункам 3.13/3.14. Время задержки t d можно устанавливать по необходимости. a) 1 2 +24 V A1 17 27 A2 18 28 3 17 S1 K1 4 18 A1 K1 1M1 A2 0 V b) Напряжение на катушке Контакт Время t Замкн. Разом. t V Время t a) Представление в виде принципиаль ной схемы b) Характеристика сигнала Рисунок 3.13: Реле с задержкой включения 30 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники a) 1 2 +24 V A1 17 27 A2 18 28 3 17 S1 K1 4 18 A1 K1 1M1 A2 0 V b) Напряжение на катушке Время t Контакт замкн. разом t V Время t a) Представление в виде принципиальной схемы b) Характеристика сигнала Рисунок 3.14: ,Реле с задержкой выключения 31 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники 3.8 Назначение и устройство блока питания Энергия поступает на системы управления через электрическую сеть. В контроллере MecLab® для этих целей есть блок питания (см. Рисунок 3.15). Каждый модуль блока питания выполняет свою задачу: • Трансформатор предназначен для уменьшения рабочего напряжения. Сетевое напряжение подается на вход трансформатора (например 230 В) и на выходе уменьшается (например до 24 В). • Выпрямитель преобразовывает переменный ток в постоянный. Конденсатор на его выходе служит для сглаживания напряжения. • Стабилизатор напряжения на выходе блока питания необходим для сохранения электрического напряжения на постоянном уровне независимо от протекания тока. Трансформатор Выпрямитель Блок питания Стабилизатор Рисунок 3.15: Модули в блоке питания электропневматической системы управления Информация о правилах безопасности По причине высокого входного напряжения, блоки питания являются частью высоковольтных систем (DIN/VDE 100). Необходимо соблюдать правила безопасности для работы с высоковольтными системами. Работа с блоком питания должна выполняться только уполномоченными лицами. 32 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 3 Основы электротехники 3.9 Измерения в электрической цепи Измерением называют сравнение неизвестного значения (например, длины пневматического цилиндра) с известным (шкалой мерной ленты). Делать это помогает измерительный прибор (например, стальная линейка). Результат, измеренная величина, состоит из численного значения и единицы измерения (30,4 см). Токи, напряжения и сопротивления обычно измеряются мультиметрами. Эти измерительные приборы могут быть подключены в разные режимы работы: - переменного напряжения / переменного тока и постоянного напряжения /постоянного тока, - измерение тока, напряжения и сопротивления. Точные измерения возможны только в том случае, если установился корректный режим работы и измерительный прибор был правильно подключен к цепи. TTL 4 00 m A M AX 1 000 V 7 50 V 5 00 V M AX Рисунок 3.16: Мультиметр 33 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 63 060 3 Основы электротехники Информация о правилах безопасности Перед измерением, убедитесь, что напряжение на той части контроллера, которую вы хотите измерить, не больше 24 В. Измерения частей систем управления, работающих при высоком напряжении (например, 230 В) могут производиться только теми людьми, которые прошли соответствующее обучение или инструктаж. Неспособность строго следовать методике измерения может привести к смерти. |