Конспект лекций-ТСУТП. Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1
 Скачать 2.67 Mb.
|
|
Применение Оптоволоконная связь Оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и 111 одномодовые оптоволокна; мультимодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонетов. Оптоволоконный датчик Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях. Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном[1]. Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры). Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства. Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна полученные при вращении заготовки с сильным встроеным двойным лучепреломлением. Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие). Когда злоумышленик пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация. Другие применения оптоволокна Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в 112 труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки. Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, создаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие. Интeллeктyaльныe cpeдcтвa измepeний Интеллектуальными средствами измерений могут быть различные приборы - интеллектуальные датчики, автоматы, автоматизированные установки, которые представляют из себя набор средств для регистрации, передачи и обработки данных, с учетом применения интеллектуальных алгоритмов на основе баз знаний. В практике электрических измерений и измерительных преобразований многомерных массивов информации, представленных множеством электрических сигналов, наряду с основной целью измерения (измерительного преобразования) ставится ряд сопутствующих задач: режекция (подавление) и селекция (выделение) по заданному признаку одного из нескольких сигналов, ранжирование и сортировка сигналов по информационному признаку, разделение множества сигналов на подклассы, адресная идентификация одного из каналов передачи, на который воздействует сигнал с заданным информационным признаком, контроль наличия заданной ранговой ситуации множества сигналов и др. Измерения (измерительные преобразования) с вышеуказанными сопутствующими и другими операциями и (или) алгоритмами обработки, функционирующие на формализованной основе в автоматизированном или автоматическом режимах, принято называть интеллектуальными. Чаще термин "интеллектуальные" употребляют в узком смысле по отношению к устройствам, которые за счет использования в них переработки информации (обычно на основе микропроцессора) приобретают новые функциональные возможности. Например, интеллектуальный датчик может выдавать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости. Такой датчик способен работать с большей разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также комбинировать два или более измерений в одно новое измерение (например, объединять измерения физиологических 113 параметров в сводный показатель здоровья). И, наконец, интеллектуальный датчик позволяет производить настройку на другие диапазоны измерений или полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание. Наряду с усовершенствованием работы, дополнительные функциональные возможности интеллектуальных устройств снижают размерность обработки сигналов системой управления и приводят к тому, что несколько разных приборов заменяются прибором одной модели, что дает преимущество как в самом производстве, так и в стоимости обслуживания. Простейшая система измерений может состоять из датчика подключенного к системе обработки его сигналов - это может быть, как специальный процессор для обработки таких сигналов на аппаратном уровне, так и микроконтроллер или компьютер, снабженный программой обработки данных с этого датчика. Пример схемы интеллектуальной измерительной системы, измеряющей усредненную, за определенный промежуток времени температуру, представлен на рисунке 1. Рисунок 1 - Пример схемы интеллектуальной измерительной системы Реально же, в данной схеме, измеряется не температура, а напряжение на концах терморезистора (сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры), установленного в схему делителя напряжения. Поскольку между напряжением и температурой терморезистора (его сопротивлением), в данной схеме, есть определенная связь, то если знать эту зависимость, можно вычислить и температуру. 114 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ. Лекция №13 Технические средства получения информации о состоянии объекта управления, датчики, измерительные преобразователи. ГСП. Назначение, классификация, принципы построения ИП. Лекция №14 Назначение, основные группы датчиков и физические принципы действия. Лекция №15 Методы измерения линейных и угловых перемещений. Датчики скорости (частоты вращения), положения. 115 Лекция №13 Технические средства использования командной информации и воздействия на объект управления. Исполнительные устройства и механизмы. Технические средства использования командной информации и воздействия на объект управления образуют выходную функциональную группу изделий Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (рис. В.1). Рис.В.1 Эти технические средства обычно называют исполнительными устройствами. Исполнительное устройство (ИУ) – это силовое устройство, предназначенное для изменения регулирующего воздействия на объект управления в соответствии с сигналом управления, поступающим на его вход от командного устройства (блока ручного управления, регулятора, контроллера, управляющей ЭВМ). Исполнительное устройство в общем случае состоит из двух основных частей: исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Исполнительный механизм преобразует входную командную информацию в определенное силовое воздействие на регулирующий орган объекта управления или на сам объект управления. Регулирующий орган производит непосредственное регулирующее воздействие на объект управления. Изменение положения регулирующего органа вызывает изменение потока энергии или материала, поступающих на объект, и тем самым воздействует на рабочие машины, механизмы и технологические процессы, устраняя отклонения регулируемой величины от заданного значения. Исполнительный механизм не только изменяет состояние управляемого объекта, но и перемещает регулирующий орган в соответствии с заданным законом регулирования при минимально возможных отклонениях. 116 Устройство, преобразующее управляющий сигнал регулятора или контроллера в перемещение регулирующего органа (РО), называют исполнительным механизмом (ИМ). Такое устройство обычно состоит из исполнительного двигателя, передаточного или преобразующего узла (например, редуктора), а также систем защиты, контроля и сигнализации положения выходного элемента, блокировки и отключения. РО предназначен для непосредственного воздействия на объект управления путем изменения материальных или энергетических потоков, таким образом, ИМ является приводом РО. Поэтому ИМ называют еще сервоприводом. Часто совокупность ИМ и РО называют исполнительным устройством (ИУ). Классификация исполнительных механизмов и регулирующих органов Классификация исполнительных механизмов (рис.1.1) производится в первую очередь по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения регулирующего органа. Соответственно, ИМ бывают пневматические, гидравлические и электрические. Рис.1.1 В пневматических ИМ усилие перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон; давление обычно не превышает 103 кПа. В гидравлических ИМ усилие перемещения создается за счет давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление жидкости в них обычно находится в пределах (2,5-20)103 кПа. Отдельный подкласс гидравлических ИМ составляют ИМ с гидромуфтами. Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных ИМ усилие 117 перемещения в одном направлении создается давлением в рабочей полости ИМ, а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ИМ усилие перемещения в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма. Электрические ИМ по принципу действия подразделяются на электродвигательные (электромашинные) и электромагнитные. По характеру движения выходного элемента большинство ИМ подразделяются на: прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° ( однооборотные ) и с вращательным движением на угол более 360° ( многооборотные ). Существуют ИМ, в которых используются одновременно два вида энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, создающей усилие перемещения. В электрических системах автоматизации и управления наиболее широко применяются электромашинные и электромагнитные исполнительные механизмы. Основным элементом электромашинного ИМ является электрический двигатель постоянного или переменного тока. Такие исполнительные механизмы обычно называют электроприводами, т.к. согласно ГОСТ электропривод - это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, электрического преобразовательного, механического передаточного, управляющего и измерительного устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. Электромагнитные ИМ дискретного действия выполняются в основном на базе электромагнитов постоянного и переменного тока и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение узлов систем осуществляют различного рода электромагнитные муфты. Множество регулирующих органов также многообразно, как многообразны объекты управления. В качестве примера можно привести основные типы РО, применяемых в системах подачи и перемещения жидких, газообразных и сыпучих материалов. По виду воздействия на объект их можно подразделить на два основных типа: дросселирующие и дозирующие. Дросселирующие РО изменяют сопротивление (гидравлическое, аэродинамическое) в системе путем изменения своего проходного сечения, воздействуя на расход вещества. Примерами таких РО являются заслонки, диафрагмы, задвижки, краны, клапаны. Дозирующие РО выполняют заданное дозирование поступающего вещества или энергии за счет изменения производительности определенных агрегатов: 118 дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических усилителей мощности. Терминология Исполнительное устройство Исполнительное устройство - устройство системы автоматического управления или регулирования трубопроводной арматурой, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Исполнительное устройство состоит из двух функциональных блоков: исполнительного механизма и регулирующего органа и может оснащаться дополнительными блоками. Нормально закрытое исполнительное устройство Нормально закрытое исполнительное устройство - исполнительное устройство, в котором при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проход закрывается. Нормально открытое исполнительное устройство Нормально открытое исполнительное устройство - исполнительное устройство, в котором при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проход открывается. Электрическое исполнительное устройство Электрическое исполнительное устройство - исполнительное устройство с электрическим исполнительным механизмом. Гидравлическое исполнительное устройство Гидравлическое исполнительное устройство - исполнительное устройство с гидравлическим исполнительным механизмом. Отличают: - электрогидравлические исполнительные устройства с электрогидравлическими преобразователями; и - пневмогидравлические исполнительные устройства с пневмогидравлическими преобразователями. - мембранные гидравлические исполнительные устройства с мембранными исполнительными механизмами; - поршневые гидравлические исполнительные устройства с поршневыми исполнительными механизмами. Пневматическое исполнительное устройство Пневматическое исполнительное устройство - исполнительное устройство с пневматическим исполнительным механизмом. Отличают: - электропневматические исполнительные устройства с электропневматическими преобразователями; - мембранные пневматические исполнительные устройства с мембранными исполнительными механизмами; 119 - поршневые пневматические исполнительные устройства с поршневыми исполнительными механизмами. Исполнительный механизм Исполнительный механизм - механизм предназначенный для управления исполнительным органом в соответствии с командной информацией. В системах автоматического регулирования исполнительный механизм предназначен для перемещения затвора регулирующего органа. Рабочая среда исполнительного механизма Рабочая среда исполнительного механизма - среда, создающая перестановочное усилие исполнительного механизма. Выходной элемент Выходной элемент - элемент исполнительного механизма, передающий перестановочное усилие или момент регулирующему органу. Перестановочное усилие Перестановочное усилие - усилие, передаваемое выходным элементом исполнительного механизма регулирующему органу. Многооборотный исполнительный механизм Многооборотный исполнительный механизм - исполнительный механизм, выходной элемент которого вращается (более 360 град.). Поворотный исполнительный механизм Поворотный исполнительный механизм - исполнительный механизм, выходной элемент которого перемещается по дуге (до 360 град.). Гидравлический исполнительный механизм Гидравлический исполнительный механизм - исполнительный механизм, использующий энергию жидкости, находящейся под давлением. Пневматический исполнительный механизм Пневматический исполнительный механизм - исполнительный механизм, использующий энергию сжатого воздуха или газа. Мембранный исполнительный механизм Мембранный исполнительный механизм - исполнительный механизм, в котором перестановочное усилие хотя бы в одном направлении создается давлением рабочей среды в мембранной полости. Беспружинный мембранный исполнительный механизм Беспружинный мембранный исполнительный механизм - мембранный исполнительный механизм, в котором перестановочное усилие в обоих направлениях создается давлением рабочей среды в двух мембранных полостях. Поршневой исполнительный механизм 120 Поршневой исполнительный механизм - исполнительный механизм, в котором перестановочное усилие создается давлением рабочей среды в поршневых полостях. Пружинный мембранный исполнительный механизм Пружинный мембранный исполнительный механизм - мембранный исполнительный механизм, в котором перестановочное усилие в одном направлении создается давлением рабочей среды в мембранной полости, а в другом - силой сжатой пружины. Пружинный поршневой исполнительный механизм Пружинный поршневой исполнительный механизм - поршневой исполнительный механизм, в котором перестановочное усилие в одном направлении создается давлением рабочей среды в поршневой полости, а в другом - силой сжатой пружины. Прямоходный исполнительный механизм Прямоходный исполнительный механизм - исполнительный механизм, выходной элемент которого перемещается поступательно. |