9

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ

ТАВРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра АСВ

«Технічні засоби автоматизації»

Конспект лекцій

для студентів ОКР «Бакалавр»

6.100101 «Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі»

денної форми навчання

Мелітополь, 2012

УДК 004.94:681.5

Технічні засоби автоматизації. Конспект лекцій для студентів з напряму 6.100101 «Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі» – Мелітополь: Таврійський державний агротехнологічний університет, 2012. – 178 с.

Розробник: Кашкарьов Антон Олександрович.

Рецензент/и:

Розглянуто та рекомендовано до друку на засіданні кафедри АСВ

Протокол № ____ від «____» 201 р.

Затверджено методичною комісією Енергетичного факультету

Протокол № від « __» __ 201 р.

© ТДАТУ

Зміст

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ 1

ТАВРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 1

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ 1

Мелітополь, 2012 1

УДК 004.94:681.5 2

Розробник: Кашкарьов Антон Олександрович. 2

Рецензент/и: 2

Затверджено методичною комісією Енергетичного факультету 2

Зміст 3

Вступ 8

Лекція 1. Технічні засоби автоматизації: основні поняття, класифікація 10

1.1. Класифікація ТЗА по функціональному призначенню в АСК 10

Рис. 1.3. Класифікаційні признаки елементів автоматики. 12

1.2. Тенденції розвитку ТЗА 14

1.3. Методи зображення ТЗА 15

1.4. Основні принципи побудови ТЗА 15

1.5. Основні характеристики елементів автоматики 16

1.6. Динамічний режим роботи елементів 17

Лекція 2. Державна система приладів 19

2.1. Основні принципи побудови ДСП 19

2.2. Класифікація виробів за ДСП 19

Рис 2.1. Класифікація виробів ДСП за ГОСТ 12997-76. 20

2.3. Функціонально-ієрархічна структура ДСП 23

Рис. 2.2. Ієрархія ДСП. 23

Рис. 2.3. Піраміда керування сучасним виробництвом. 23

2.3. Конструктивно-технологічна структура ДСП 24

Рис. 2.4. Структура ДСП. 24

Рис. 2.5. Стандарти ДСП 26

Таблиця 2.2. Уніфіковані сигнали 26

Рис. 2.5. Класифікація уніфікованих інформаційних сигналів ДСП. 27

2.4. Нормувальні перетворювачі 27

2.5. Перетворювач сигналів резистисторних давачів у стандартний струмовий сигнал 29

Рис. 2.8. Схема електрична принципова нормувального перетворювача. 29

2.6. Перетворювач малих постійних напруг у стандартний струмовий сигнал 30

Рис. 2.10. Схема електрична принципова блоку уніфікованого струмового сигналу. 31

2.7. Пристрої, що забезпечують роботу датчиків у вибухонебезпечних приміщеннях 31

2.8. Бар'єр захисту від іскри 31

Рис. 2.12. Схема електрична принципова типового бар'єру іскрового захисту. 32

2.9. Блок живлення датчиків 32

2.10. Параметри аналогових і дискретних сигналів 33

Дискретний сигнал 33

Квантований сигнал 34

Види квантування 34

Цифровий сигнал 35

Сигнал і подія 35

Уявлення сигналу й спектр 36

Параметри сигналів 36

Лекція 3. Вимірювальні перетворювачі 37

3.1. Загальні відомості про перетворювачі 37

3.2. Класифікація й загальні характеристики перетворювачів 39

3.3. Структурні схеми вимірювальних перетворювачів 40

Рис. 3.2. Бок-схема кола послідовного перетворення 41

3.4. Статичні й динамічні характеристики вимірювальних перетворювачів 41

Лекція 4. Датчики 45

4.1. Основні поняття 45

4.2. Класифікація датчиків 46

4.3. Характеристики датчиків 48

4.3.1. Передатна функція 48

Рис. 4.3 Двомірна передатна функція інфрачервоного датчика температури. 49

4.3.2. Діапазон вимірюваних значень (максимальний вхідний сигнал) 49

4.3.3. Діапазон вихідних значень 50

4.3.4. Точність 50

4.3.5. Калібрування 51

4.3.6. Помилка калібрування 51

4.3.7. Гістерезис 52

Рис. 4.6. Передатна функція з гістерезисом. 52

4.3.8. Нелінійність 52

4.3.9. Насичення 53

4.3.10. Відтворюваність 54

4.3.11. Зона нечутливості 54

4.3.12. Розв'язна здатність 54

4.3.13. Спеціальні характеристики 54

4.3.14. Вихідний імпеданс 54

4.3.15. Сигнал порушення 55

4.3.16. Динамічні характеристики 55

Рис. 4.12. Вид вихідних сигналів у датчиках з різним коефіцієнтом демпфування 58

4.3.17. Фактори навколишнього середовища 58

4.3.18. Надійність 59

4.3.19. Характеристики датчиків, які обґрунтовані умовами їх застосування 60

4.3.20. Статистична оцінка 61

4.4. Основні схеми включення вхідних пристроїв у АСК 61

Рис. 4.14. Схеми включення вхідних пристроїв у АСК 62

Рис. 4.15. Включення контактних вхідних пристроїв у РКС 62

Рис. 4.20. Оптронна розв'язка 63

4.5. Лінії зв'язку вимірювальних пристроїв 63

4.5.1. Чотирипровідна лінія зв'язку. 63

4.5.2. Трипровідні лінія зв'язку. 64

Рис. 4.22. Структурно-функційна схема трипровідної лінії зв'язку. 64

4.5.3. Двопровідна лінія зв'язку. 65

4.6. Характеристики лінії зв'язку зі струмовими сигналами й сигналами напруги. 65

4.7. Особливості підключення споживачів до ліній зв'язку. 67

4.7.1. Лінія зв'язку по напрузі. 67

4.7.2. Струмова лінія зв'язку. 68

4.7.3. Комбіновані лінії зв'язку. 68

4.8. Перспективи розвитку датчиків 68

Лекція 5. Підсилювачі 70

5.1. Класифікація й характеристики підсилювачів 70

Рис. 5.2. Диапазон частот різних типів підсилювачів 71

5.2. Зворотні зв'язки в підсилювачах 73

Рис. 5.5. Зворотні зв’язки: а,б – по напрузі; в,г – по струму. 73

5.3. Типи електронних підсилювачів 74

5.4. Електромашинні підсилювачі 76

Застосування електромашинних підсилювачів 77

5.5. Магнітні підсилювачі 78

1. Характеристика керування – це залежність середнього значення струму навантаження I_н.ср від магніторушійної сили F_у (рис. 5.9.), де МРС визначається формулою –F_у = w_у I_у. 80

2. Коефіцієнт кратності струму навантаження 80

3. Коефіцієнт підсилення – характеризує підсилювальні властивості МУ; коефіцієнт підсилення по потужності 80

4. Швидкість установлення вихідної напруги – характеризує швидкодія МУ, яке визначає швидкість установлення потоку F₀. Потік F₀ змінюється за законом 80

Магнітний підсилювач 80

Рис. 5.11. двотактний магнітний підсилювач: а - схема МП; б – характеристики керування. 81

Магнітні підсилювачі із самонасиченням 81

Магнітні підсилювачі зі зворотними зв'язками 83

Двотактні магнітні підсилювачі 83

Лекція 6. Інформаційні електричні машини. Виконавчі елементи. Ч.1. 85

6.1. Тахогенератори. 85

Пристрій і принцип дії асинхронного тахогенератора 86

Тахогенератори постійного струму 89

6.2. Сельсини 91

Робота сельсинів в індикаторному режимі 92

Робота сельсинів у трансформаторному режимі 94

6.3. Загальні відомості про виконавчі елементи 95

6.4. Класифікація виконавчих елементів 97

6.5. Гідравлічні виконавчі механізми 98

Загальні відомості про гідравлічні системи й елементах 98

Характеристики робочих рідин 99

Гідравлічні насоси й двигуни 101

Силові циліндри 101

Гідравлічні підсилювачі 101

Гідравлічні розподільні пристрої 102

6.6. Пневматичні виконавчі механізми 102

Пневматичні дроселі й розподільники 103

Пневматичні підсилювачі 103

Пневматичні приводи 103

6.7. Електронагрівачі 104

Патронні електронагрівники ТЕНП 106

Обребернні електронагрівники ТЕНР 106

Трубчасті електронагрівники для електроплитки 106

6.8. Електромагніти 106

Динаміка електромагніту 110

Електромагніти змінного струму 111

Поляризовані електромагніти 112

Лекція 7. Виконавчі елементи. Ч.2. 114

7.1. Муфти 114

Коефіцієнт підсилення по потужності 114

Муфти ковзання 115

Фрикційні муфти 118

7.2. Електродвигуни 120

7.3.1. Двигуни постійного струму 121

Безконтактні виконавчі двигуни 127

7.2.2. Синхронні мікродвигуни 128

СМ з постійними магнітами 129

Синхронні гістерезисні двигуни 130

7.3.3. Асинхронні двигуни 134

Асинхронні двигуни з порожнім немагнітним ротором 136

7.4. Крокові двигуни 137

7.4.1. Принцип дії крокових двигунів 138

7.4.2. Крокові двигуни з пасивним ротором 140

7.4.3. Крокові двигуни з активним ротором 142

7.4.4. Крокові синхронні двигуни активного типу 142

7.4.5. Реактивні крокові двигуни 144

7.4.6. Індукторні крокові двигуни 145

7.4.7. КД з постійними магнітами 147

7.4.8. КД зі змінним магнітним опором 148

7.4.9. Гібридні КД 148

7.4.10. Біполярні й уніполярні КД 150

Біполярний або уніполярний? 150

7.4.11. Лінійні крокові синхронні двигуни 151

7.4.12. Режими роботи синхронного крокового двигуна 152

Лекція 8. Керуючі елементи автоматики 153

8.1. ПРОГРАМОВАНІ КОНТРОЛЕРИ 154

8.1.1. Визначення, історія появи й розвитку 154

8.1.2. Особливості ПЛК у порівнянні із традиційними ТЗА й ЕОМ 154

8.1.3. Класифікація ПЛК 154

1. Контролери на базі персональних комп'ютерів (ПК) 155

2. Локальні програмувальні контролери. 155

3. Мережні комплекси контролерів. 156

4. ПЛК для малих розподілених систем керування. 156

5. ПЛК для повномасштабних розподілених АСК ТП. 157

8.1.4. Функціонально-конструктивна схема модульного ПЛК. 157

Рис. 8.1. Конструкція модульного ПЛК 158

8.1.5. Архітектура й загальна організація модульного ПЛК 158

Рис. 8.2. Архітектура модульного ПЛК 158

Рис. 8.3. Конструкція центрального модуля ПЛК 159

8.1.6. Поняття циклу роботи ПЛК 159

Рис. 8.4. Елементарний цикл роботи ПЛК. 160

8.1.7. Пристрою програмування ПЛК (програматор) 160

Рис. 8.5. Класифікація програматорів ПЛК. 160

8.1.8. Програмно-математичне забезпечення (ПМЗ) контролерів 160

Рис. 8.6. ПМЗ контролерів. 160

8.2. ПРИСТРОЮ ЗВ'ЯЗКУ З ОБ'ЄКТОМ 161

8.2.1. Дискретні модулі ПЗО. 161

8.2.2. Аналогові модулі ПЗО. 162

Рис. 8.8. структурно-функціональної схема модуль аналогового введення ADAM4012 163

8.2.3. Модуль дискретного вводу/виводу. 164

Рис. 8.9. Конвертор перетворить напруга +10÷ +30У в +5В (DC/ Dc-Конвертор). 164

8.2.4. Модулі комунікаційного зв'язку. 165

8.3. Електромагнітні реле 165

8.3.1. Основні параметри й характеристики електромагнітних реле 167

8.3.2. Електромагнітні реле змінного струму 169

8.3.3. Електромагнітні реле постійного струму 171

8.3.4. Поляризовані електромагнітні реле 172

8.3.5. Магнітні пускачі 174

8.4. Спеціальні реле 175

8.4.1. Теплові реле 175

8.4.2. Реле часу 176

8.5. Безконтактні релейні елементи 178

8.5.1. Транзисторні й трансформаторні схеми керування 178

Рис. 8.25. Схема транзисторного формувача прямокутних керуючих імпульсів. 179

8.5.2. Безконтактні магнітні реле 181

Вступ

Сучасність тісно пов'язана із широким розвитком автоматики. Автоматика - це галузь науки й техніки, що охоплює теорію й принципи побудови систем керування технічними об'єктами й процесами, що діють без особистої участі людини.

Метою курсу «Технічні засоби автоматизації» (ТЗА) є вивчення елементної бази систем автоматичного керування технологічними процесами.

Об'єкт керування (ОК) - технічний об'єкт, який підлягає автоматичному або автоматизованому керуванні.

Технологічний об'єкт керування (ТОК) - сукупність технологічного встаткування й реалізованого на ньому по відповідних до інструкцій і регламентах технологічного процесу. Автоматичні пристрої являють собою комплекс окремих конструктивних або схемних елементів, кожний з яких виконує завдання по перетворенню енергії, отриманої від попереднього елемента або навколишнього середовища, і передачі її наступному елементу.

Система автоматичного керування (САК) – сукупність взаємодіючих технічних пристроїв і програмно-технічних засобів з метою реалізації закону (алгоритму) керування.

Автоматизована система керування технологічним процесом (АСК ТП) – система, призначена для виробітку й реалізації керуючих впливів на ТОК, що й представляє собою людино-машинну систему, що забезпечує автоматичний збір і обробку інформації, необхідну для керування цим технологічним об'єктом відповідно до прийнятих критеріїв (технічними, технологічними, економічними).

Елемент автоматики - конструктивно закінчений пристрій самостійний функції, що виконують певні, перетворення сигналу (інформації) у системах автоматичного керування. Відповідно операціям, виробленим із сигналами інформації в автоматичних пристроях, можна виділити функціональні гнізда - елементи.

Елемент - найпростіша у функціональному відношенні гніздо (пристрій, схема), призначена для виконання однієї з наступних основних операцій із сигналом:

• перетворення контрольованої величини в сигнал, функціонально пов'язаний з інформацією про цю величину (чутливі елементи, датчики);

• перетворення сигналу одного роду енергії в сигнал іншого роду енергії: електричної в неелектричну, неелектричної в електричну, неелектричної в неелектричну (електромеханічну, термоелектричну, електропневматичну, фотоелектричну і т.д.)

• перетворення сигналу за значенням енергії (підсилювачі);

• перетворення сигналу по виду, тобто безперервного в дискретний або назад (АЦП, ЦАП й інші перетворювачі);

• перетворення сигналу за формою, тобто сигналу постійного струму в сигнал змінного струму й навпаки (модулятори, демодулятори);

• функціональне перетворення сигналів (лічильно-вирішальні, функціональні елементи);

• порівняння сигналів, створення командного сигналу (порівняння, нуль-органі);

• виконання логічних операцій із сигналами (логічні елементи);

• розподіл сигналів по різних ланцюгах (розподільники, комутатори);

• зберігання сигналів (елементи пам'яті, накопичувачі);

• використання сигналів для впливу на керований процес (виконавчі елементи).

Часто елементи ототожнюються із пристроями, до складу яких входять кілька елементів. Наприклад, деякі датчики, називані елементами, фактично є сукупністю об'єднаних елементів, що забезпечують відтворення контрольованої величини й перетворення її у величину, зручну для передачі по лініях зв'язку.

При створенні сучасних АСК ТП спостерігається світова інтеграція й уніфікація технічних розв'язків. Основна вимога сучасних АСК – це відкритість системи, коли для неї визначені й описані використовувані формати даних і процедурний інтерфейс, що дозволяє підключити до неї «зовнішні» незалежно розроблені пристрої й прилади. За останні роки ринок ТЗА суттєво змінився, створене багато вітчизняних підприємств, що випускають засобу й системи автоматизації, з'явилися фірми – системні інтегратори. З початку 90-х років провідні закордонні виробники ТЗА, почали широке впровадження своєї продукції в країни СНД через торговельні представництва, філії, спільні підприємства й фірми-дилери.

Інтенсивний розвиток і швидкий динаміка ринку сучасної техніки керування вимагають появи літератури, що відбиває сучасний стан ТЗА. У цей час свіжа інформація про засоби автоматизації вітчизняних і закордонних фірм має розрізнений характер і в основному представлена в періодичній пресі або в глобальній мережі Internet (www.asutp.ru, www.mka.ru, www.industrialauto.ru). Метою справжнього конспекту лекцій є систематизоване представлення матеріалу про елементи й промислових комплексах ТЗА.