литература / Примеры построения схем автоматизации, в том числе, для колонн / 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП
.pdfется вправо лишь на время протекания в управляющей обмотке тока соответствующей полярности.
Трехпозиционное реле имеет симметрично расположенные от нейтральной линии неподвижные контакты (рис. 7.3, в). Якорь при отсутствии управляющего сигнала удерживается в среднем положении с помощью специальных пружин (с двух сторон) или закрепляется на плоской пружине, упругость которой создает устойчивое положение равновесия в среднем положении. При подаче сигнала в управляющую обмотку контакт на якоре замыкается с левым или правым контактом (в зависимости от полярности сигнала) и возвращается в нейтральное положение после снятия сигнала.
Поляризованные реле находят широкое применение в схемах автоматики благодаря своим характерным особенностям. Наличие нескольких обмоток позволяет использовать их в качестве логических элементов; небольшая мощность срабатывания — в качестве элементов контроля небольших электрических сигналов; малое время срабатывания и чувствительность к полярности входных сигналов — в качестве амплитудных модуляторов и демодуляторов. Благодаря высокой чувствительности поляризованные реле часто используют в маломощных цепях переменного тока с включением через выпрямитель.
7.1.3. Электромагнитные реле переменного тока
В тех случаях, когда основным источником энергии является сеть переменного тока, желательно применять реле, обмотки которых питаются переменным током. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь будет притягиваться к сердечнику так же, как и при постоянном токе. При одинаковых конструктивных размерах реле и равных значениях максимальной индукции среднее значение электромагнитного усилия у реле переменного тока вдвое меньше, чем у реле постоянного тока.
Электромагнитное усилие меняется (пульсирует) с удвоенной частотой 2ω, обращаясь в нуль дважды за период питающего напряжения. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваться от сердечника возвратной пружиной, что вызывает дрожание якоря и, как следствие, износ оси якоря.
Реле переменного тока имеют худшие параметры, чем реле постоянного тока, так как при одинаковых размерах имеют меньшее электромагнитное усилие и менее чувствительны. Кроме того, они сложнее и дороже, поскольку необходимо иметь шихтованный маг-
нитопровод (набранный из отдельных листов), а также применять специальные меры для устранения вибрации якоря (явление, которое нежелательно, так как может привести к обгоранию контактов, прерыванию электрической цепи и др., поэтому для ослабления вибрации принимают специальные конструктивные меры).
Рассмотрим три способа устранения вибрации якоря реле пере-
менного тока.
1.Применение утяжеленного якоря. Утяжеленный якорь благо-
даря большой инерции не может вибрировать с удвоенной частотой (2ω), т. е. он не успевает отходить от сердечника в те моменты времени, когда ток в обмотке реле переходит через нуль. Вибрация якоря в этом случае уменьшается. Однако применение утяжеленного якоря вызывает увеличение его размеров, что приводит к уменьшению чувствительности реле. Кроме того, габариты, вес и стоимость реле увеличиваются. Этот способ находит применение в том случае, если исполнительный механизм, связанный с якорем реле, обладает большой инерцией.
2.Применение двухфазного реле. Двухфазное реле переменного тока (рис. 7.5) имеет две обмотки, расположенные на двух сердечниках ЭМ1 и ЭМ2, имеющих общий якорь. Обмотки реле соединены параллельно относительно друг друга. В цепь одной из обмоток включен конденсатор С, благодаря чему токи в обмотках реле оказываются сдвинутыми по фазе на угол π/2. Так как токи в обмотках проходят через нуль в разные моменты времени, то результирующее тяговое усилие, действующее на якорь, никогда не обращается в нуль и имеет постоянное значение, т. е. не содержит переменной составляющей (при сдвиге токов в обмотках двух электромагнитов на угол
π/2).
Рис. 7.5 — Двухфазное реле переменного тока: 1 — магнитопровод; 2 — катушка; 3 — якорь
3. Применение короткозамкнутого витка (экрана). Короткоза-
мкнутый виток, охватывающий часть конца сердечника (расщепленный сердечник), является более эффективным способом.
На рисунке 7.6 изображена схема реле переменного тока с короткозамкнутым витком. Конец сердечника, обращенный к якорю, расщеплен (пропилен) на две части, на одну из которых надета короткозамкнутая обмотка — экран Э (один или несколько витков).
Рис. 7.6 — Реле переменного тока с короткозамкнутым витком
Магнитопровод выполнен из отдельных листов для уменьшения потерь.
Принцип работы реле заключается в следующем. Переменный магнитный поток Фосн основной обмотки ωосн, проходя через разрезанную часть сердечника, делится на две части. Часть потока Ф2 проходит через экранированную половину полюса сечением Sδ2, в которой размещается короткозамкнутая обмотка, а другая часть потока Ф1 проходит через неэкранированную половину полюса сечением Sδ1. Поток Ф2 наводит в короткозамкнутом витке ЭДС (екз), которая создает ток iкз. При этом возникает еще один магнитный поток Фкз, который воздействует на магнитный поток Ф2 и вызывает отставание этого потока по фазе относительно потока Ф1 на угол φ = 60–80 градусов. Благодаря этому результирующее тяговое усилие Fэ никогда не доходит до нуля, так как оба потока проходят через нуль в разные моменты времени.
Рис. 7.7 — Обозначение реле на схемах:
1 — обмотка реле (A1, A2 — управляющая цепь); 2 — контакт замыкающий; 3 — контакт размыкающий, 4 — контакт замыкающий с замедлителем при срабатывании; 5 — контакт замыкающий с замедлителем при возврате;
6 — контакт импульсный замыкающий, 7 — контакт замыкающий без самовозврата; 8 — контакт размыкающий без самовозврата; 9 — контакт размыкающий с замедлителем при срабатывании; 10 — контакт размыкающий с замедлителем при возврате; 11 — общий контакт; 11–12 — нормально замкнутые контакты; 11–14 — нормально разомкнутые контакты
7.2. Магнитоуправляемые контакты (герконы)
Геркон — это сокращение от «герметичный контакт» — такое коммутационное устройство, которое замыкает контакты при воздействии магнитного поля. Переключение геркона из между состоянием «включен» и «выключен» происходит под действием магнитного поля постоянного магнита или электромагнита, поэтому герконы еще называют магнитоуправляемыми контактами.
Рис. 7.8 — Общий внешний вид герконов (слева)
иустройство геркона с разомкнутыми контактами (в центре)
изамкнутыми контактами (справа)
Геркон представляет собой герметичную стеклянную колбу или трубку, внутри которой находятся упругие металлические контакты. По длине они перекрывают друг друга, но между ними есть небольшой зазор. Контакты геркона сделаны из упругого ферримагнитного сплава, имеют плоскую форму. В разомкнутом состоянии контакты не соприкасаются, но при появлении магнитного поля достаточной силы контакты геркона намагничиваются и притягиваются друг к другу, происходит замыкание. Если магнитное поле исчезает, то контакты размагничиваются и размыкаются под действием силы упругости, переходят в исходное состояние. Полость геркона заполнена инертным газом, либо в ней вакуум: это препятствует появлению нагара на контактах, если в момент замыкания между ними пробегает искра. Концы контактов, которые непосредственно соприкасаются при замыкании, покрыты благородным металлом, который уменьшает переходное сопротивление и предотвращает коррозию. Так продлевается срок службы геркона.
Разновидности герконов. По устройству работы герконы разделяют на три группы:
Герконы, работающие на замыкание (рис. 7.8).
В нормальном состоянии (без воздействия магнитного поля) такие герконы находятся в разомкнутом состоянии, а под действием магнитного поля они замыкаются.
Герконы, работающие на размыкание (рис. 7.9).
Рис. 7.9 — Схема геркона на размыкание
Без магнитного поля контакты геркона замкнуты, а при намагничивании отталкиваются друг от друга и размыкаются.
Герконы, работающие на переключение (рис. 7.10).
Рис. 7.10 — Схема геркона на переключение
В таком герконе не два, а три контакта: два остаются неподвижными, а третий переключается между двумя другими. Без магнитного поля замыкается одна цепь, а при воздействии магнита происходит переключение на другой контакт. Нормально замкнутый контакт (тот, на который переключается геркон без магнитного поля) выполняется из немагнитного материала, а два других — из магнитного.
Самыми распространенными являются герконы, работающие на замыкание.
Магнитоуправляемые герметичные контакты можно использовать во влажных и запыленных условиях, они быстро срабатывают и надежно работают при самых разных температурах.
Преимущества:
Практически отсутствие дребезга контактов. Контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра.
Долговечность герконов. Считается, что если не бить геркон и не пропускать очень большие токи, то срок службы геркона бесконе-
чен (хотя в технических данных на герконы указаны ограничения, 103—108 и больше срабатываний).
Меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на такой же ток.
Отсутствие необходимости применения тугоплавких и драгоценных металлов для контактов.
Герконы почти бесшумны.
Высокое (относительно классических реле) быстродействие.
Удобство применения.
Недостатки:
Больший вес по сравнению с открытыми контактами.
Необходимость создания магнитного поля.
Восприимчивость к внешним магнитным полям, необходимость защиты от них.
Сложность монтажа.
Хрупкость — герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.
Ограниченная скорость срабатывания.
Возможность самопроизвольного размыкания контактов геркона при больших токах.
Иногда контакты «залипают» (остаются в замкнутом состоянии) — такой геркон подлежит замене.
Применение герконов. Герконы широко применяются в различных датчиках, цель которых фиксировать какое-то положение предметов: открывание и закрывание дверей, крышки ноутбука и т. п. В частности, герконы используются в поплавковых датчиках уровня жидкости в резервуарах [19].
Глава 8. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ
ВСИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
8.1.Основные сведения о системах телемеханики
Телемеханика — область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приема информации (сигналов) с целью управления и контроля на рас-
стоянии.
Специфическими особенностями телемеханики являются:
1)удаленность объектов контроля и управления;
2)необходимость высокой точности передачи измеряемых ве-
личин;
3)недопустимость большого запаздывания сигналов;
4)высокая надежность передачи команд управления;
5)высокая степень автоматизации процессов сбора информации. Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объеди-
нить разобщенные или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом) либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой).
Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление.
Поэтому в настоящее время понятия «телемеханика» и АСУ ТП становятся синонимами. Разница между этими понятиями заключается не столько в технической сути, сколько в традициях использования в определенной области промышленности. Например, в трубопроводном транспорте предпочитают использовать слово «телемеханика», на промышленных предприятиях — АСУ ТП.
Рис. 8.1 — Двухуровневая схема телемеханики: ТС — телесигнализация; ТИ — телеизмерение; ТУ — телеуправление; ТР — телерегулирование
В англоязычных источниках аналогом понятия «телемеханика» является сокращение SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition —диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.
Пример построения двухуровневой телемеханической системы, ставшей классической схемой, показан на рисунке 8.1.
Контроль и управление системой осуществляют с пункта управления (ПУ), где находятся диспетчер, аппаратура телемеханики, ЭВМ, мнемонический щит. Объекты контроля и управления находятся на одном или нескольких контролируемых пунктах (КП).
Базовыми функциями системы телемеханики являются телеуправление (ТУ), телеизмерение (ТИ), телесигнализация (ТС) и телерегулирование (TP).
Телеуправление обеспечивает дистанционное управление объектом контроля. ТУ представляет собой воздействие на исполнительные органы контролируемых пунктов, имеющие дискретное состояние, путем подачи также дискретных команд. Команды ТУ обычно двухпозиционные: включить — отключить.
Телесигнализация используется для дистанционного контроля дискретных изменений состояния объекта, например, включен/вы-
ключен, открыт/закрыт, норма/авария и т. п. Для получения данных объект оснащают датчиками состояния. В простейшем случае применяют двухпозиционные контактные переключатели, но могут использоваться и многопозиционные переключатели.
Телеизмерение используется для получения количественных значений непрерывных параметров контролируемого процесса, например температуры, давления и т. п. Для измерения на объекте используют преобразователи, которые преобразуют эти параметры в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП измеряет значения этих сигналов и по запросам ПУ или периодически передает их на ПУ в цифровом виде.
Телерегулирование обеспечивает дистанционное задание уровня воздействия на объект управления. Оно представляет собой телеуправление объектами с непрерывным множеством состояний. Для реализации телерегулирования используются функции ТИ — ТУ или ТС — ТУ. Управление начинается с задания оператором величины воздействия, а затем выдачей команды с ЭВМ.
Пункт управления — это место размещения диспетчерского персонала, аппаратуры для приема и обработки информации от контролируемых пунктов. Часто под термином ПУ подразумевают контроллеры, непосредственно выполняющие прием и первичную обработку данных от КП. В задачи ПУ входят:
1)прием данных с КП по каналам связи;
2)организация опроса КП при подключении нескольких КП на один канал связи;
3)передача на КП команд управления;
4)передача данных и прием команд ЭВМ;
5)переадресация, передача данных на верхний уровень и прием команд с верхнего уровня в многоуровневых системах.
Контролируемый пункт — это место размещения объектов контроля и управления, а также аппаратура, выполняющая функции контроля и управления, обычно называемая контроллером КП. Часто под термином КП подразумевают один контроллер, установленный на контролируемом объекте.
На крупных объектах (таких, как нефтеперекачивающие или компрессорные станции) могут находиться несколько контроллеров КП.
Взаимодействие между ПУ и КП происходит по каналу связи.