5.7. Управляющие вычислительные комплексы

Особенности функционирования ЭВМ, включенных в контур управления

Требования, предъявляемые к ЭВМ при исполь- зовании ее в составе АСУ и при использовании ее в вычислитель- ном центре, существенно отличаются. При использовании ЭВМ на вычислительном центре решаемые задачи весьма разнообразны и обычно неизвестны заранее. Объем работы вычислительного центра, как правило, лимитируется производительностью машин, организацией прохождения работ и обслуживания программистов. Наиболее экономичны в этом случае технические решения, обеспе- чивающие минимальную удельную стоимость решения задач, ЭВМ, специально предназначенные для контроля и управления технологическими процессами, называют управляющими вычисли- тельными машинами (УВМ). УВМ представляют собой цифровые вычислительные устройства, составляющие часть автоматизиро- ванной или автоматической системы управления, включающие в себя устройства связи с объектом и предназначенные для приема информации от измерительных устройств, местных (локальных)

автоматизированных систем, устройств защиты и блокировки, а также других источников информации; переработки информации по программе, определяемой заданным алгоритмом управления в реальном масштабе времени; выдачи результатов обработки информации оператору на исполнительные устройства и в другие системы управления. В АСУ ТП устройства связи УВМ с датчиками и исполнитель- ными органами чаще всего составляют большую часть электронного оборудования, иногда в несколько раз превосходящую оборудова- ние УВМ. Номенклатура этих устройств, включающих все необхо-' димые средства преобразования, коммутации, согласования, доста- точно велика, а число их в каждой АСУ ТП различно. Поэтому в состав УВК входят унифицированные схемно-конструктивные исполнения в виде агрегатных модулей. Для работы в качестве центральной части АСУ любая УВМ должна иметь универсальную структуру и обладать некоторыми дополнительными техническими особенностями, связанными с автоматическим приемом и обработкой информации, поступающей в процессе управления и выдачи управляющих воздействий непо- средственно на исполнительные устройства объекта управления или оператору. В состав УВМ должны входить устройства, обес- печивающие ее непосредственную связь с управляемым техноло- гическим процессом, а также связь оператора с УВМ и технологи- ческим оборудованием для наблюдения за протеканием производ- ственных процессов и при необходимости для вмешательства в процесс управления (рис. 5.10). УВМ работает с большим числом источников и потребителей информации, каждый из которых работает, как правило, асин- хронно, т. е. информация от объектов управления и запросы на обслуживание поступают в произвольные моменты времени. Асин- хронность поступления заявок приводит к тому, что в условиях ограниченного ресурса УВМ формируется очередь на обслужива- ние. Так как УВК работает в реальном масштабе времени, а инфор-

\Цели 1 управления

~1

Устройство сопряжения для ввода сигналов t 1 Г

Устройство вывода управляющих сигналов

^ : .

i 1 1 J

Предварительная обработка сигналов

Устройство связи с оператором \ ' выходы 1 управляемого \ процесса f

\ \ J

Локальные регуляторы

Управляющс воздействие

I Производственный (технологический) процесс

Рис. 5.10. Упрощенная структурная схема АСУ

231

мация в системе имеет различную ценность и достоверность, обслу- живание заявок УВМ является приоритетным. Высший приоритет дается заявкам, которые должны быть отработаны не позднее чем за определенный интервал времени во избежание потери информации или аварии. С целью приоритетного обслуживания заявок в УВМ органи- зуется система прерываний, под которой следует понимать сово- купность аппаратных и программных средств, обеспечивающих переключение процессора с выполняемой программы на другую, имеющую более высокий приоритет, при этом сохраняется возмож- ность возврата к прерванной программе. Прерывание может быть организовано как по внешним признакам, формируемым операто- ром или машиной, так и по внутренним признакам, большинство из которых формируется в результате контроля неисправности системы управления. Любой алгоритм, предназначенный для использования в системе управления, должен разрабатываться с учетом того, что управ- ляющие сигналы от УВМ должны поступать не только в нужное место, но и в ограниченные отрезки времени, определяемые ско- ростью протекания управляемого процесса. УВМ должна работать в темпе, задаваемом измеряемыми физическими параметрами, характеризующими производственный или технологический про- цесс, и органами управления, с которыми она связана и с которыми непрерывно взаимодействует, т. е. УВМ должна работать в реаль- ном масштабе времени. Реальное время в УВМ учитывается тайме- ром. Обычно УВМ обслуживает одновременно много пользователей и решает много задач: регистрирует поступающую от многочислен- ных датчиков измерительную информацию и обрабатывает ее по соответствующим программам; выдает управляющие сигналы на различные исполнительные устройства; решает экономические и- бухгалтерские задачи и т. п. Такой режим работы называют режи- мом разделения времени. Для его организации УВМ должна иметь достаточно большие объемы памяти и большое быстродействие. Режим разделения времени выгоден экономически, так как в этом случае резко повышается эффективность использования УВМ за счет обеспечения более полной ее загрузки и лучшего использова- ния ресурсов. Разделение машинного времени в УВМ осуществляется про- граммно; при этом одни и те же устройства системы предостав- ляются всем пользователям в соответствии с установленным прио- ритетом. В этом случае за счет быстрого решения задач по запросам пользователей у них создается впечатление, что они могут работать с ЭВМ одновременно. Для реализации программного разделения времени в УВМ дол- жна быть предусмотрена возможность при необходимости преры- вания текущей программы. При поступлении срочного запроса (указания оператора, сигналов от датчиков или выработанных

самой УВМ) машина временно прерывает работу, запоминая место текущей программы, где произошло прерывание, и переходит к выполнению другой программы, соответствующей срочному за- просу. После того как запрашиваемая программа выполнена и других заявок нет, УВМ возвращается к прерванной текущей программе. Технические средства УВМ, работающей в режиме разделения времени, должны обеспечивать одновременное хране- ние в памяти нескольких программ; допускать параллельную работу процессора и внешних устройств; организацию прерывания программ, а ее программное обеспечение — планировать порядок выполнения задач; распределять ресурсы УВМ; производить защиту памяти от несанкционированного вмешательства одной задачи в другую при их параллельной работе и выполнять некото- рые другие функции. Требования, предъявляемые к УВМ, работающей в контуре .управления, по надежности определяются необходимой надеж- ностью системы в целом, исходя из цены отказа того или иного компонента АСУ.

Структурная организация УВМ

Расширение сферы применения ЭВМ и в особен- ности использования ее в АСУ ТП (для обработки информации в области управления, планирования, учета и т. п.) привели к включению в состав машины большого комплекса разнообразных периферийных (внешних) устройств для ввода информации, ее запоминания и хранения, регистрации и отображения. Конкрет- ные условия применения предъявляют1 различные требования в отношении состава периферийных устройств, а также объемов оперативной и внешней памяти, числа каналов прерывания и т. п. Это привело к тому, что при создании вычислительной техники концепцию «вычислительные машины с фиксированным составом оборудования», где главное место занимало само устройство обра- ботки информации, сменила концепция «агрегатированной вычис- лительной системы с переменным составом оборудования», который определяется функциями, выполняемыми системой. При таком подходе отдельные функциональные устройства выполняют в виде агрегатов, которые в нужной номенклатуре и количестве объеди- няют в вычислительную систему. Сложность современных вычислительных систем привела к понятию «архитектура вычислительной системы» (или логическая организация системы), охватывающей комплекс вопросов ее по- строения, существенных в первую очередь для потребителя, инте- ресующегося главным образом возможностями системы, а не дета- лями ее технического использования. Существенное место в агрегатированных вычислительных сис- темах занимают специальные устройства — унифицированные ка- налы обмена информацией, допускающие подключения в нужном 233

количестве периферийных устройств. Заложенный агрегатный принцип в УВМ позволяет компоновать путем проектирования достаточно гибкую по структуре и функциональным возможностям УВК, удовлетворяющую требованиям потребителя, изменять систему в процессе ее эксплуатации при расширении или изменении решаемых задач, модернизировать систему. Для реализации информационных и управляющих функций в АСУ ТП в УВК должны входить: процессор — устройство, выпол- няющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием агрегатов вычислительной системы; наращивае- мые постоянные и оперативные запоминающие устройства для хра- нения информации, программ управления и т. п.; возможность работы с накопителями большой емкости и обмена с УВМ других классов; набор агрегатных модулей с развитой системой ввода- вывода; развитая система приоритетного прерывания программ,- позволяющая совмещать выполнение операций ввода-вывода со счетом; счетчик реального времени (таймер); развитая система аппаратно-программного контроля; развитая система команд, обеспечивающая удобство в программировании; аппаратно-про- граммные средства для выполнения арифметических операции с относительно высокой точностью и высокой производительностью по выполнению операций ввода-вывода и логических операций. На рис. 5.11 изображена общая структурная схема системы связи УВМ с объектом управления. Всю номенклатуру агрегатных модулей УВМ условно можно разделить на следующие группы: агрегатные модули для компоновки управляющего вычислитель-

г-+\ Модуль

1

Процессор \

1

прерывании

Г 1 г

Устройство

• Модули 1 ввода | аналоговой j информации

Кан

1

Оперативная папять

* 1

ал ввода-вывода

I -j ,

связи с

Модули ввода дискретной информации

* 1 I

-<& (^)

. \г

" '(ДлЛ

ysh

Интерфейс П

\ Таймер

Интерфейс в .

объектом ,

Модули вывода аналоговой информации

1 ИМ, •• •И1

Модули вывода дискретной информаци

\

1

ИМ,* -••ИМ

\

\ 1 1 1 i

»

Технологический (производственный*) процесс

*

Устройства ввода-вывода оператора

Рис. 5.11. Общая структура системы связи УВМ с объектом управления

ного комплекса (УВК); агрегатные модули для связи .с объектом управления; устройства ввода-вывода и внешней памяти. Под вычислительным комплексом понимают группу соединен- ных между собой агрегатных модулей, которая выполняет по про- грамме прием, арифметическую и логическую обработку, хранение и выдачу информации. Вычислительный комплекс является обяза- тельной составной частью любой вычислительной системы. Обмен информацией между отдельными устройствами УВК осуществляется посредством интерфейсов. Интерфейсы системы связи рассчитаны на выполнение по командам обмена данными между устройствами в цифровой форме и содержат для этого необ- ходимый состав цепей. Под интерфейсом понимают совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходи- мых для реализации алгоритма взаимодействия различных функ- циональных блоков в автоматизированных системах обработки информации и управления, при условиях, предписанных стандар- том и направленных на обеспечение информационной, электриче- ской и конструктивной совместимости указанных блоков. •В систему связи УВМ с объектом управления входят два интер- фейса: стандартный В ввода-вывода и внутренний Я, обслуживаю- щий процессор УВМ. Управление работой интерфейса В, к кото- рому подсоединены все устройства связи УВМ с объектом управле- ния, осуществляет канал ввода-вывода. Интерфейс П обеспечивает обмен информацией между процессором, оперативной памятью и каналом ввода-вывода. К интерфейсу П подсоединены блок внешних прерываний про- цессора по сигналам от датчиков АСУ ТП и таймер, формирующий сигналы для организации циклов обработки информации и управ- ления объектом. ' Функциональная схема УВК приведена на рис. 5.12. Все источ- ники и потребители информации в АСУ ТП подразделяют на пас- сивные, работа которых инициируется процессором, и инициатив- ные, которые по собственной инициативе на основании анализа состояния технологического процесса и технических средств, вклю- чая УВК, выставляют запрос на необходимые им ресурсы АСУ ТП. Признак пассивности или инициативности устройства задается при генерации операционной системы УВК. В связи с этим в УВК реализуются обмены программно-управляемый без прерывания, программно-управляемый в режиме прерывания, в режиме npRi мого доступа к памяти. Каждый из режимов обмана имеет харак- терные особенности и отличается временем доступа. Реализация обмена в УВК осуществляется каналом ввода- вывода, который всегда можно рассматривать как обособленное логическое устройство управления обменом. В УВК, как правило, реализуется так называемый встроенный канал, в котором функции канала распределены между процессором, контроллерами перифе- рийных устройств и специализированными схемами. В современ-

Вычислительный комплекс

Прямой доступ память

Пркранпно -управляемый обмен

Оопен д прерывании

магнитных дисках

Усилитель, фильтр

Функциональные преобразователи

Сигнал высокого уровня

Сигнал высокого уровня

Сигнал низкого уровня

Сигнал низкого уровня

пассивные активные

Датчики дискретные Датчики аналоговые

Технологический (производственный) лроиесс

СНГ1Г >В ВЫСОКОГО

Рис. 5.12. Функциональная схема УВК: АЦП — аналого-цифровой преобразователь; КСВУ — коммутатор уровня; КСНУ — коммутатор сигналов низкого уровня ных УВК обмен выполняется специализированным устройством, которое называют контроллером или каналом прямого доступа к памяти. Два других вида обмена реализуются процессором, контроллерами периферийных устройств и специализированными устройствами, сложность которых зависит от типа УВК. Последнее обусловлено тем, что УВК в АСУ ТП, как правило, не выполняет сложных вычислений с высокой точностью, а является перифе- рийно ориентированной ЭВМ, архитектура которой ориентирована на реализацию интенсивного обмена. Рассматривая канал как элемент системы управления, необхо- димо отметить, что канал характеризуется временем доступа tK, которое зависит от режима обмена и состояний управляемого про- цесса. В АСУ ТП последовательность выполнения задач и период их решения зависит от множества факторов и не является постоян- ным. Только в частном случае, например при прямом цифровом управлении одним динамическим объектом, последовательность вадач и период их решения могут быть заданными и не изменяю- щимися в процессе нормальной работы. Решение задач с перемен-

ным периодом дискретности зависит от состояния управляемого процесса загрузки и состояния технических средств, и является характерной особенностью АСУ ТП, которую нужно учитывать при проектировании. Система датчиков измеряет аналоговые и дискретные сигналы. Аналоговый сигнал — сигнал, информационные параметры которого могут принимать в определенных пределах любые значе- ния. Дискретный сигнал — сигнал, информационные параметры которого могут принимать только некоторые из конечной совокуп- ности значений. Цифровой сигнал — дискретный сигнал, в котором значениям параметра соответствуют определенные" кодовые слова, образующие последовательность знаков. Подсистема аналогового ввода. Аналоговые подсистемы зна- чительно различаются по составу и конфигурации. Однако входя- щие Ё них технические средства обычно можно классифицировать по выполненным функциям. Переходное устройство. Сигналы датчиков передаются на анало- говые входы по одиночным проводам или по парам проводов, кото- рые могут быть экранированы. При однопроводной передаче цепь сигнала оканчивается линией общего заземления, обслуживающей несколько датчиков. Сигнальные провода должны оканчиваться в точке сопряжения с аналоговой подсистемой. Переходными уст- ройствами, предназначенными для этой цели, могут служить клемм- ные колодки, кабельные разъемные или специальное оборудование для каждого типа сигнала. Нормализация сигнала, т. е. модификация сигнала, связана с фильтрацией, ослаблением, смещением уровня, линейной или нелинейной компенсацией и преобразованием тока в напряжение. Коммутация. Коммутатор состоит из электронного или элек- тромеханического переключателя, последовательно подключаю: щего каждый отдельный вход. Переключатели управляются УВМ или специальными логическими схемами при посылке входных сигналов в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Таким образом, один АЦП может одновременно обслуживать несколько входных сигналов. Коммутация осуществляется до или после усиления. Усиление. Многие сигналы датчиков являются сигналами низ- кого уровня, а большинство АЦП работает в диапазоне 5 или 10 В. Поэтому усиление сигналов низкого уровня необходимо, если необходимо эффективно использовать разрешающую способность АЦП. Обычно коэффициент усиления по напряжению колеблется от 100 до 1000. Коэффициент усиления может быть зафиксирован конструктивно либо выбран с помощью ручного переключателя или программы УВМ. Значение коэффициента может также регу- лироваться автоматически по специальной функции. Аналого-цифровое преобразование. Задача АЦП — обеспечить цифровое представление аналогового сигнала. Скорость преобра- зований колеблется от единиц до миллионов преобразовании в 237

секунду. Значения аналогового сигнала регулярно считываются и путем квантования преобразуются в цифровой сигнал, который поступает на ЭВМ в виде числовой последовательности или после- довательности импульсов. АЦП устанавливает соответствие между входным аналоговым сигналом (7ВХ (обычно напряжением) и выходным двоичным кодом. Входной сигнал может принимать неограниченное число значений в пределах диапазона изменения от Umirt до (/m«x. Число различ- ных значений цифрового кода определяется разновидностью пре- образователя и ограничено величиной 2", где п — число разрядов. Основные методы аналого-цифрового преобразования: последо- вательного счета; поразрядного уравновешивания. С момента поступления сигнала счетчик подсчитывает тактовые импульсы до тех пор, пока аналоговый эквивалент двоичного кода — сигнал С/ВЫ1 не превысит величину t/BX. В этот момент, выявляемый компаратором, поступление тактовых импульсов на счетчик прерывается и параллельный код счетчика может быть считан как результат преобразования. После сброса счетчика в нуль и появления нового стартового сигнала процесс возобнов- ляется. Время преобразования АЦП такого типа является перемен- ным и зависит от уровня входного сигнала: /пр = 2"-тт,где п — разрядность; тт — период следования тактовых импульсов. В преобразователе поразрядного уравновешивания вместо счетчика используют сдвиговый регистр, режим которого зависит от специальной управляющей логической схемы. В процессе пре- образования в регистр, начиная со старшего разряда, заносятся единицы, после чего схема на Основании информации с компара- тора либо сохраняет эту единицу в данном разряде, либо стирает ее. После этого процесс повторяется, но уже со следующим разря- дом регистра. Время преобразования в таком АЦП всегда одина- ково и определяется разрядностью преобразования: <пр = птт. Аналоговые сигналы могут быть сигналами низкого и высокого уровня. Аналоговые и дискретные датчики могут быть либо пассив- ными, либо инициативными. Отдельные датчики могут быть при решении одних задач пассивными, а при решении других — ини- циативными. Характеристики измеряемого сигнала и признак инициативности определяют совокупность устройств и алгоритм преобразования измеряемого сигнала в машинное слово. Преобразование аналогового сигнала в машинное слово вклю- чает в себя совокупность(операций, которая образуется из опера- ций нормализации, фильтрации, коммутации, аналого-цифрового преобразования и записи полученного кода в буферный регистр. Каждая из операций характеризуется временем преобразования t и точностью выполнения б. Время выполнения рассматривается как запаздывание. В зависимости от решаемых задач координаты xt — f (x) рассматриваются либо как обобщенные характеристики тракта преобразования, либо учитывается влияние каждой из составляющих этих координат.

Аналогичными показателями характеризуется и тракт ввода дискретных сигналов. Алгоритм преобразования дискретного сиг- нала включает в себя операцию функционального преобразования информационного параметра кода датчика в машинное слово. Каждому инициативному источнику (потребителю) информации противопоставляется, кроме того, приоритет Р, характеризующий в каждый заданный момент времени важность источника или по- требителя информации в системе. Таким образом, каждому источ- нику информации противопоставляются в АСУ ТП следующие параметры: 6 — точность преобразования; т — время преобразо- вания; Р — относительный приоритет. Все эти параметры являются обобщенными и зависят от исполь- зуемых технических средств и алгоритмов преобразования. Выбор технических средств и алгоритмов преобразования определяется измеряемым сигналом и характеристиками используемого датчика. Подсистема цифрового ввода. Основная функция подсистемы цифрового ввода УВМ — восприятие событий, возникающих в тех- нологическом (производственном) процессе или в оборудовании, связанном с управляющим вычислительным комплексом. Обычно эти события имеют характер «да — нет» или же преобразуются в двоичный код с помощью соответствующих устройств. С функциями подсистемы цифрового ввода связаны две основные характерис- тики: форма входного сигнала (в виде напряжения, силы тока или изменения сопротивления) и параметр сигн.ала, представляющий интерес при контроле состояния процесса (наличие сигнала, его длительность или число событий, возникающих за определенный период времени). Поэтому для выполнения своей основной функ- ции подсистема должна содержать большое число разнообразных модулей, воспринимающих сигналы различной формы, связанные с двоичными параметрами производственного процесса. На рис. 5.13 показана общая конфигурация и основные эле- менты подсистемы цифрового ввода. Связь подсистемы с процессо- ром осуществляется непосредственно или с помощью интерфейсов. Устройство управления обеспечивает поддержание связи между подсистемой и процессором. Оно выполняет также декодирование адресов и другие функции, связанные с восприятием Цифровых сигналов. Для сни- жения вычислительной наг- Рузки процессора на уст- ройство управления может быть возложена задача осу- ществления специальных Функций, таких, как сравне- ние, организация прерыва- Ни я и др Для подсчета многократ- *° ПОВТОРЯЮЩИХСЯ СОбыТИЙ 239 Процессор, интерфейс 0 Устройство управления подсистемой /4- д_ ! зг 1 —Q L] • » -\ВС Счетчик U ял 1 н РИС- 5-13. Конфигурация подсистемы ««ФР°вого в*°*а: ~

требуется счетчик. Число двоичных разрядов счетчика равно разрядности процессора. Например, при 16-разрядном процессоре емкость счетчика равна 2м. При необходимости получения реакции на поступление одиноч- ных или многоразрядных кодовых комбинаций применяют запоми- нающий регистр для временного хранения полученных данных. Число двоичных разрядов регистра равно разрядности процессора. Например, при 16-разрядном процессоре объем регистра состав- ляет 16 бит. Сопряжение между сигналами от объекта и логическими сигна- лами, необходимыми для управления состояниями регистра или счетчика, заключается в изменении уровня сигналов и (или) их преобразования. Входные сигналы, представляющие состояние объекта, чаще имеют вид уровня напряжения, силы тока или поло- жения контакта выключателя. Однако воспринимающие схемы обычно рассчитаны на напряжение. Преобразование силы тока в напряжение можно осуществить с помощью шунтирующего резис- тора. Аналогично для преобразования сигнала, представленного состоянием контакта, в напряжение последовательно с контактом включают источник напряжения и резистор ограничения силы тока. Воспринимающая схема представляет собой пороговое устрой- ство, уровень выходного сигнала которого соответствует единице, если выходное напряжение превышает заданное значение. В про- тивном случае выходной сигнал соответствует нулю. Таким образом, схемы нормализации и восприятия являются преобразователями сигналов, которые преобразуют получаемый от технологического процесса сигнал, представленный в виде напряжения, силы тока или положения контакта, в логический сигнал, совместимый с логическими схемами УВМ. Этот логиче- ский сигнал используют для управления состоянием одного раз- ряда регистра или для управления счетчиком. Под управлением программы УВМ слово, представляемое состоянием разрядов регистра или счетчика, передается в УВМ для дальнейшей обра- ботки. Подсистема цифрового вывода. Основным назначением цифро- вого вывода является выработка цифровых управляющих сигналов , и действий, которые будут использоваться технологическим обору- дованием, имеющим по природе своей характер «ключа». Особен- ности, подсистемы цифрового вывода, связанные с конкретной УВМ, определяются прежде всего формой и основными характе- ристиками выходного сигнала. Выходом могут служить сигнал силы тока или напряжения, срабатывание полупроводникового ключа или замыкание контакта электромеханического реле. Управление выходным сигналом или воздействием может осущест- вляться либо программой, либо после запуска логическими схе- мами подсистемы. Например, подсистема может удерживать кон- такт в замкнутом состоянии в течение заданного интервала вре-

Процессор, интерфейс

[Fl ! •^ С) * t) СЭ J- S 1 *-*. '§ 1 1

* не: • * • нС.

•s 53 k; iota h «J <b » ч 3^ СЭ «5;

^s 51 ^§ 'u <a чаЙ CS ?

II

Рис. 5.14. Конфигурация подсистемы цифрового вывода

Рис. 5.15. Схема функционирования УВМ: УУ — устройство управления; А У — арифметическое устройство

мени, либо замыкать контакт заданное число раз или вырабаты- вать на выходе заданное число импульсов напряжения. Основная функция цифрового вывода — функция ключа, кото- рый может управлять источником напряжения или тока с целью передачи в нагрузку сигнала в виде уровня напряжения или силы тока. Обычно напряжение, управляемое устройствами цифрового выхода, совместимо со стандартными уровнями сигналов логиче- ских схем. Эти выходные сигналы часто используют для управле- ния процессом или технологическим оборудованием, воспринимаю- щим стандартные логические уровни сигналов. На рис. 5.14 показана общая организация подсистемы цифро- вого вывода. Подсистема непосредственно соединена с процессо- ром или интерфейсом. В последнем случае устройство логического управления обеспечивает также декодирование адреса и кода опе- рации, синхронизацию и другие функции управления, например определение длительности выходных импульсов. Управление точками цифрового вывода обычно осуществляется на групповой основе. Для облегчения обращения с данными число выходных точек в каждой группе берется равным числу двоичных Разрядов в машинном слове или в его части. Например, если УВМ использует 16-разрядные слова, то число выходных точек в группе обычно равно 8 или 16. Число групп, управляемых логическим Устройством управления подсистемы, определяется общей струк- тУрой системы. Основными факторами, "обусловливающими выбор числа групп на одно устройство управления подсистемы, являются

Теория автоматического 24 1

структура адресации, задаваемая форматом команды, и выбранные конструктивные решения. Обычно каждый двоичный разряд выходных цифровых данных имеет самостоятельный смысл, т. е. каждый бит выходного слова может использоваться для управления каким-либо параметром процесса. Иногда данные, представляемые одной группой выходов, имеют смысл целого слова. В частности, это имеет место, когда группа цифровых выходов используется для передачи данных периферийному печатающему устройству или устройству визуаль- ного вывода. На рис. 5.14 показаны три варианта выходных схем: выходы непосредственно от логических схем, выходы с ключей на транзис- торах и релейные выходы. Возможны также и другие варианты, например ключи на тиристорах и пр. УВМ для осуществления управления процессом должна выпол- нять следующие функции. . 1. Собирать важную для хода технологического процесса информацию, которая представляет собой последовательность цифр и других условных знаков, понятных УВМ. Так как УВМ работает с цифрами, все сигналы должны быть преобразованы в последовательность цифр. Эту операцию осуществляет в УВМ АЦП. 2. УВМ накапливает данные и хранит их для последующей обработки. Снимая характеристики процесса и регистрируя структурные параметры, УВМ может построить математическую модель процесса. 3. УВМ может производить расчеты, используя введенные в нее или накопленные в ней данные, например, рассчитывать оптималь- ные значения управляющей величины. Эти расчеты не должны отставать от реального процесса, т. е. УВМ должна работать в реальном масштабе времени. 4. УВМ может выдавать некоторые данные, например оптималь- ное значение управляющей величины. Эти данные должны быть преобразованы снова в аналоговый сигнал с помощью цифроанало- гового преобразователя, чтобы их можно было использовать непо- средственно в процессе управления. Однако УВМ не в состоянии производить вычисление по собст- венной инициативе. Для этого она должна получить команду от своего устройства управления. Так как устройство управления не знает, что и как УВМ должна считать, то следует ввести в нее программу вычислений, составленную на понятном машине языке (рис. 5.15). Программа — упорядоченная последовательность указаний, по которым производятся вычисления. В программе, например, может быть предписано: рассчитать оптимум по указанному методу. Такое предписание называют алгоритмом.

249

Принципы связи УВМ с объектом управления

Большое число источников информации и их осо- бенностей приводит к необходимости применения различных мето- дов их опроса и соответствующих систем сбора информации, реали- зующих эти методы. Различают следующие принципы связи. 1. Синхронный принцип связи УВМ с объектом управления, при котором процесс управления разбивается на циклы тактирую- щими импульсами электронных часов (таймера) в УВМ. Цикл начи- нается с приходом тактирующего импульса на устройство прерыва- ния. В начале каждого цикла производится последовательный опрос датчиков и преобразование снятых сигналов в цифровую форму. Преобразование и ввод преобразованных величин в память УВМ, как правило, занимают мало времени по сравнению с интер- валом времени, в течение которого измеряемые величины успевают заметно измениться. После окончания измерения, преобразования и передачи в память УВМ рассчитывает необходимые величины управляющих воздействий. Затем эти величины преобразуются в аналоговую форму. Выдав управляющую информацию на соот- ветствующие исполнительные механизмы, УВМ или останавли- вается до поступления следующего тактирующего сигнала, или переходит к «фоновым» задачам, которые могут прерываться (без порчи программы и промежуточных результатов) тактирующими импульсами. Принцип циклического опроса определяется порядком предо- ставления интервалов для различных источников информации или соотношениями между частотами опроса этих источников. В случае простого циклического опроса число датчиков равно числу входов коммутатора, а длительность интервалов ta одна и та же. Дли- тельность кадра Тк = ntz, а все источники опрашиваются с одной и той же частотой /оп = IIТк. Частота опроса каждого источника информации определяется характеристиками измеряемого процесса и требуемой точностью. Естественно, что при простом циклическом опросе приходится выбирать частоту опроса, ориентируясь на наиболее динамичные источники информации и минимальную ошибку. Это приводит к росту избыточности информации от менее динамичных источников и снижению эффективности использования систем передачи инфор- мации. Поэтому в большинстве случаев необходимо иметь опреде- ленный набор различных частот опроса источников информации. Изменение времени или порядка опроса источников информации реализуется в УВМ программными средствами. 2. Асинхронный принцип связи УВМ с объектом управления основан на методе «запрос—ответ». Вместо тактирующих импульсов в УВМ поступают сигналы от датчиков прерывания, непосредст- венно связанных с объектом управления (например, конечных выключателей, датчиков аварийного останова и др.), в виде сигнала запроса данных. Каждый сигнал прерывания эквивалентен требо- »* 243

ванию о прекращении производимых УВМ вычислений и переходу к выполнению подпрограммы, соответствующей данному каналу прерывания. УВМ реагирует на сигналы прерывания с учетом права приоритета одних сигналов прерывания перед другими. 3. Комбинированный способ связи УВМ с объектом управле- ния. Вместе с таймером, вырабатывающим тактирующие импульсы, используются связанные с объектом управления датчики прерыва- ния (например, датчики аварийных сигналов), переводящие УВМ на работу по программе аварийного режима.

Алгоритмическое обеспечение АСУ

Важной составной частью АСУ, во многом опреде- ляющей ее функциональные возможности, является математиче- ское обеспечение (МО), которое можно разделить на общесистемное и функциональное (рис. 5.16). Общесистемное МО в сочетании со специальными аппаратными средствами позволяет управлять ресурсами ЭВМ, осуществлять общение оператора и ЭВМ, исполь- зовать стандартные программы при решении функциональных задач, выполнять диагностирование элементов ЭВМ и др. В современной терминологии общесистемное МО принято назы- вать операционной системой (ОС), компонентами которой являются управление ресурсами, программные средства общения оператора и ЭВМ, диагностические программы, стандартные программы. Базо- вый состав общесистемного обеспечения УВМ следующий: опера- ционная система — комплекс алгоритмов, служебных программ и аппаратных средств, предназначенных для управления процес- сом решения задач на ЭВМ без вмешательства оператора; про- грамма-диспетчер, обеспечивающая мультипрограммный режим работы в реальном времени, координирующая процесс выполнения отдельных программ в соответствии с их приоритетами, программы обмена, предназначенные для выполнения обмена информацией между УВМ и'периферийными устройствами; трансляторы с алго- ритмических языков, переводящих программу, написанную на

Математическое обеспечение

Функциональное ПО

_L Общесистемное МО

J_ Система обеспечения вычислительного процесса

Система . подготовки программ

Операционная система

Система функционального контроля

Система автоматизации программирования

Система отладки

Рис. 5.16. Структурная схема математического обеспечения АСУ 244

алгоритмическом языке, в машинный код, упрощающий отладку и компоновку программы из заранее отлаженных программ; библиотека научных программ; тестовые программы. Функциональное МО образуется комплексом программ, непо- средственно выполняющих функции управления данным процес- сом. Функциональное МО УВМ образует алгоритмы и программы, реализующие задачи сбора и переработки информации, формирова- ния управляющих воздействий, решения задач оптимизации в конкретной системе управления. Функциональные программы либо разрабатываются индивидуально для конкретного процесса, либо используются типовые программы. Несмотря на то что функциональное МО существенно зависит от назначения системы, его структура, достаточно общая для раз- личных систем, характеризуется иерархичностью построения, типовая функциональная схема которой представлена на рис. 5.17. Управляющая система ГПС состоит из следующих уровней управ- ления: автономные управляющие устройства технологического и

I , , у уровень Связь с АСУП

L

Формирование динамических моделей Анализ производственного процесса производственного процесса

Оптимизация технологического процесса

fiOHK данных

^ Оперативно- календарное ^ планирование

Координация работы Г1

Диспетч раОоты об

Ж уровень

Автоматичес функционир

кий контроль •гйания ГСП

'

epujc/ция орудования

1М Координация работы ТС

,

Координация

Ш уровень

работы АС

I

Автоматическая подготовка управляющих программ функционирования оборудования

Л уровень

Контроль работоспособности оборудования

Рис. 5.17. Типовая функциональная схема системы управления ГПС

245

вспомогательного оборудования; синтез программ функционирова- ния оборудования; координация работы технологического и вспо- могательного оборудования; оперативно-календарное планирова- ние и контроль; координация работы ГПС. Следует иметь в виду, что с точки зрения синтеза отдельных уровней управления такие системы можно рассматривать и как многоуровневые. Например, системы управления отдельными станками с ЧПУ часто сами являются иерархическими. Уровень I управления образуют автономные управляющие устройства отдельными единицами оборудования. В большинстве случаев этот уровень реализуется на основе числового программ- ного управления и включает в себя каналы связи с оборудованием и верхними уровнями, устройства сбора и преобразования инфор- мации. Вопросы реализации данного уровня в настоящее время достаточно освоены на примерах управляющих устройств промыш- ленных роботов и станков с ЧПУ. На уровне II выбираются или формируются программы работы уровня I управления на основе требуемого типа операции в зависи- мости от вида детали. Входной информацией для уровня II управ- ления является информация подсистемы планирования сменно- суточных заданий работы оборудования. На уровне III управления осуществляется координация работы технологически автономных групп оборудования. Этот уровень управления реализуется, как правило, на основе микроЭВМ. Организация уровня координации работы технологического и вспомогательного оборудования позволяет снять часть функций с центральной ЭВМ, что очень важно, так как быстродействие современных управляющих ЭВМ часто недостаточно для выполне- ния ими функций прямого управления оборудованием ГПС от центральной ЭВМ. Вместе с тем этот уровень управления позво- ляет существенно повысить надежность ГПС, так как в случае выхода из строя верхних уровней управления он может осущест- влять аварийное управление оборудованием автономно. Смену заданий уровня III управления в этом случае должен осуществлять дежурный оператор. Входной информацией для уровня координа- ции является последовательность работы оборудования г типы деталей. Эта информация задается уровнем IV управления. На уровне IV составляется для ГПС план по объему и номенкла- туре деталей за смену, сутки, неделю, производится учет выполне- ния плана, учет и анализ простоев оборудования и т. д. Как само- стоятельные подсистемы в состав уровня IV входят подсистемы контроля и устранения неисправностей и банк данных. Этот уро- вень включает в себя сеть информационных каналов. Уровень V управления анализирует задания, поступающие от АСУП, и координирует работу всего ГПС. На этом уровне обраба- тывается информация о ходе производственного процесса и синте- зируются его динамические модели, на основе которых происходит управление ГПС.

Программное обеспечение системы управления ГПС на базе ЭВМ строится по модульному принципу и состоит из системных и функциональных блоков. Системные блоки, образующие диспетчер системы, подразде- ляют на монитор, блок обработки прерывания, блок временных выдержек и блок работы с библиотекой стандартных программ. Функции диспетчера: организация общего управления линией по заданному алгоритму, обслуживание заказов на временные вы- держки и выполнение стандартных вычислительных программ, организация реакций на сигналы, поступающие от внешнего обору- дования. Последовательность работы функциональных блоков в соответ- ствии с общим алгоритмом работы ГПС реализуется монитором диспетчера. В его функции входят анализ выполнения алгоритма функционирования ГПС и активизация соответствующего функ- ционального блока системы управления, готового к работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите типовые задачи управления в производственном процессе. 2. В чем сущность системного подхода? 3. Какие типы АСУ существуют и в чем их особенности? 4. Перечислите классы структур систем управления. 5. В чем особенности ЭВМ, встраиваемых в контур управления? 6. Какова организация технических средств УВМ для ввода информации? 7. Приведите конфигурацию подсистемы ввода аналоговых сигналов. 8. В чем принципы связи УВМ с объемом управления и их особенности? 9. Каков состав общесистемного обеспечения УВМ? 10. Назовите и охарактеризуйте уровни функционального математического обеспечения управляющей системы ГПС.

6 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

в.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СБОРА И РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ

Контроль того или иного параметра технологиче- ского процесса с целью использования полученной информации для управления последним выполняется первичными преобразо- вателями (датчиками). Эти устройства осуществляют преобразо- вание одной физической величины (малых перемещений, момента, силы, температуры и др.), неудобной для последующего использо- вания в качестве воздействия на объект управления, в другую физическую величину, пригодную для последующих преобразова- ний с целью управления объектом. Такой величиной чаще всего является напряжение, сила тока, коэффициент самоиндукции, активное сопротивление, емкость. Датчики, таким образом, могут быть подразделены по двум признакам: по назначению (или роду контролируемой величины) и по принципу действия (но виду величины, получаемой на выходе датчика). К датчикам предъявляют следующие основные требования. 1. Возможно большая крутизна S преобразования (дифферен- циальная чувствительность). Эта величина определяется как част- ная производная выходной величины по входной: S = dyldx. Это выражение может быть приблизительно заменено отношением конечного приращения выходной величины к конечному прираще- нию входной при условии, что последняя достаточно мала: S = = Д|//А^. Рассматриваем частную производную, потому что показание (или выходная величина) является функцией не только контролируемого параметра (или входной величины), но и целого ряда других побочных факторов. Например, при контроле линей- ных величин изменение температуры или появление вибраций влияют на показания датчика. Частная производная при всех значениях у должна не менять своего знака, иначе возможна много- значность х. 2. Исполнение датчика должно исключать влияние побочных факторов. 3. Датчик не должен по возможности влиять на состояние контролируемого объекта. Это значит, что энергетические уровни, действующие на входе датчика, должны быть возможно низкими. Поскольку датчик является преобразователем и, как правило, не

содержит в своем составе каких-либо активных элементов, выходная величина характеризуется еще более низким энергети- ческим уровнем. Поэтому в САдУ даже в измерительном тракте, как правило, предусматривают усилительные устройства. 4. Датчики должны быть простыми по конструкции, обладать высокой надежностью в эксплуатации, отличаться невысокой стоимостью. Контроль мощности. Контроль потребляемой мощности проще всего осуществить путем измерения мощности N0, подводимой к двигателю. При этом необходимо из общей мощности вычитать мощность холостого хода Nf. x> П°Д которой понимают ту часть мощности, которая необходима для функционирования станка при отсутствии резания. Эту задачу решают следующим образом: изме- ряют мощность NT. x в режиме холостого хода, ее уровень фикси- руют и затем этот уровень вычитают из общей подводимой мощности уже при резании; остающуюся часть можно считать мощностью резания. Однако при этом возможны ошибки, так как NIwI, как правило, меняется из-за прогрева станка, изменения условий смазывания и ряда других причин. Для измерения подводимой мощности у трехфазных асинхрон- ных двигателей может быть использована схема, представленная на рис. 6.1. Три трансформатора тока Tl, T2 и ТЗ снимают информацию соответственно о силе трех линейных токов ij, ia, is. Вторичные обмотки этих трансформаторов включены в схему трехфазного выпрямителя с нагрузкой в виде резистора R1 с конденсатором С1. Наличие трех трансформаторов тока позволяет учитывать возможный перекос фаз. Получаемое на нагрузке напряжение (Д пропорционально усредненному значению силы трех линейных токов tj, (a и is. Так как при изменении линейного напряжения L/i неизбежно изменение силы тока, в схеме предусматривается одно- фазный выпрямитель на трансформаторе ТН с выпрямителем и

Рис. 6.1. Принципиальная схема устрой ства для измерения .мощности резания

Рис. 6.2. Эффект Холла

нагрузкой R2 и С2, на которой действует напряжение Ut. Так, при уменьшении линейного напряжения следует ожидать увеличения силы линейного тока, но поскольку напряжения Иг и i/2 действуют навстречу друг другу, результирующее напряжение £/р = Иг — — I/a изменяется в меньшей степени, чем при отсутствии такой компенсации. Трансформатор ТН имеет две вторичные обмотки, причем одна из них используется для компенсации изменений силы тока, а вторая обмотка работает на выпрямитель со стабилитроном ДС, и поэтому его выходное напряжение, развиваемое на резисторе R3 и конденсаторе СЗ, оказывается практически неизменным даже при изменении линейного напряжения. Напряжение U3 с помощью потенциометра (резистор R3) подбирается таким, чтобы разность £/р — U3 сохранялась бы лишь при резании. С этой целью при холостом ходе станка напряжение Ua подбирают эксперименталь- но таким, чтобы Up — Ua = 0. С достаточной для управления степенью точности можно считать, что при резании выходное напряжение £/вых = £/Р — t/3 = U\ — f/2 — U3 является вели- чиной, характеризующей лишь мощность резания. Недостатком схемы является то, что компенсацию Л/х.х нужно выполнять всякий раз, как только эта мощность изменит свое значение. Возможно решение, при котором эта компенсация будет произ- водиться автоматически всякий раз, как прекращается резание. В этом случае по сигналу об отсутствии силы резания, а для этого необходимо встроить специальное устройство, например, опреде- ляющее наличие контакта инструмента с деталью, система, по- строенная по схеме' самобалансирующегося моста, будет переме- щать ползун потенциометра R3 в направлении, при котором £/ВЬ1х стремится к нулю. Таким образом, £/Вых автоматически поступает с выхода некоторого усилителя постоянного тока на реверсивный серводвигатель, который через соответствующий редуктор переме- щает ползун потенциометра до тех пор, пока £/выт не станет равным нулю. Но даже если пауза в резании окажется недостаточной для осуществления полной отработки возникшего рассогласования, все же будет получено известное приближение к режиму, когда £/выт = = 0. Из-за очевидности инженерного решения такой задачи схему самобалансирования не приводим. Для контроля мощности, потребляемой технологической сис- темой, возможно использовать два датчика ЭДС Холла,включен- ных по схеме двух ваттметров (схема Арона). Для получения ин- формации о потребляемой мощности показания двух ваттметров следует просуммировать. Эффект Холла заключается в следующем (рис. 6.2). Если по полупроводнику ПП течет ток силой i и орто- гонально направлению тока действует магнитный поток Ф, то на свободных гранях появляется разность потенциалов, которую при- нято называть ЭДС Холла Eh = &/Ф. Если считать, что амплитуд- ные значения силы тока I и потока Ф, даже при условии, что i и Ф

Рис. 6.3. Принципиальная схема устройства для определения наличия контакта инструмента с заготовкой: ТС — технологическая система; 3 — заготовка; Р — резец; Т — тороидальная намотка, размещаемая на резце; £ — генератор; R — добавочный резистор; / — сила тока, текущего по элементам станка; / — сила тока, текущего по резу при наличии контакта резца с заготовкой

Рис. 6.4. Схема дифференциального индуктивного преобразователя

описываются гармоническими процессами и сдвиг по фазе между ними равен <р, то появляющаяся постоянная составляющая ЭДС Холла Е'ь = ki<b cos q>. Очевидно, что достаточно просто реализо- вать такие условия, при которых i = 1^1Я, а Ф = k^lln, следова- тельно, при сложении постоянных составляющих двух датчиков ЭДС Холла получим Е = Ег + £а = cinUn cos ф, где с — коэф- фициент пропорциональности; »'л и £/л — амплитудные значения линейных силы тока и напряжения. Далее, компенсируя мощность yVx.x, можно контролировать мощность резания. Одним из способов определения момента возникновения кон- такта инструмента с обрабатываемой заготовкой, а значит, и мо- мента его прекращения, который может быть использован для осуществления автоматической коррекции измерительной схемы по уровню мощности #х. х, является следующий. Известно, что вокруг проводника с током возникает кольцевое магнитное поле; если по проводнику течет переменный ток, то и возникающее поле оказывается также переменным. Если же проводник с током про- пустить через отверстие ферромагнитного тора, несущего на себе обмотку, то в обмотке будет возникать переменная ЭДС, обуслов- ленная наличием переменного магнитного поля, пронизывающего витки тороидальной обмотки. Для определения момента контакта инструмента с заготовкой (рис. 6.3) на резец (или в другом удобном месте) устанавливают тороидальную обмотку,'а к станку ГС через резистор достаточно большого сопротивления подводят напряжение повышенной зву- ковой или даже ультразвуковой частоты. Резистор /? обеспечивает работу источника звуковой частоты в режиме генератора тока, что необходимо ввиду малого сопротивления нагрузки. В момент контакта инструмента с обрабатываемой заготовкой 3 образуется электрическая цепь, по которой начинает течь ток,

вокруг резца появляется поле, замыкающееся через ферритовый сердечник, в обмотке тора Т появляется ЭДС, которая фиксируется, показывая наличие или отсутствие контакта. Так как сила тока /0 = /0 + /р, то в разомкнутом состоянии /Р = О и /о == /о, а в замкнутом состоянии /р = /„ — /с ^ 0. Контроль упругих перемещений. При эксплуатации САдУ хорошо себя зарекомендовали индуктивные преобразователи. Принцип действия дифференциального индуктивного датчика за- ключается в изменении коэффициента самоиндукции L катушки с незамкнутым ферромагнитным сердечником, если изменяется воздушный зазор в магнитопроводе катушки. На рис. 6.4 пока- заны две катушки, имеющие соответственно индуктивности L± и L2, с незамкнутыми сердечниками Q! и Q2> между которыми рас- положен подвижный якорь А, выполненный из ферромагнитного материала. Коэффициент самоиндукции каждой катушки функ- ционально связан с воздушным зазором Л. При изменении зазора Л изменяется и коэффициент самоиндукции L, причем с уменьше- нием зазора коэффициент самоиндукции растет. И если для одной из катушек при перемещении якоря самоиндукция растет, то для другой уменьшается. Если начальные зазоры малы, то даже самые незначительные перемещения якоря приводят к весьма заметным изменениям коэффициентов самоиндукции. Для контроля линей- ных величин якорь соединяют с измерительным штоком. Для уменьшения потерь сердечники, как правило, набирают из листового материала (трансформаторной стали, пермаллоя) или же изготовляют из ферритов. Дифференциальный индуктивный преобразователь Д включают либо в схему балансного модулятора, либо для этой цели исполь- зуют мостовую схему (рис. 6.5). Необходимость в балансировочном резисторе R обусловлена тем, что из-за практически неизбежной разницы в активных сопротивлениях катушек их фазовые харак- теристики различны, а это значит, что балансировка схемы на рабочей частоте может быть дос- тигнута за счет некоторой ком- пенсации этой разности. Так как балансировка на всех частотах невозможна из-за наличия ука- занной разности активных соп-

Рис. 6.5. Принципиальная схема вклю- чения индуктивного преобразователя

Рис. 6.6. Бесконтактный ный преобразователь

индуктив

ротивлений катушек и их собственных емкостей, то при наладке схе- мы путем перемещения ползуна и штока датчика добиваются мини- мального сигнала на вторичной обмотке трансформатора Т. При этом в выходном сигнале £/ВЫ1 первая гармоника питающего на- пряжения должна отсутствовать. Схема работает следующим образом. При равновесном или, что то же самое, балансном состоянии системы результирующие ампер- витки на первичной стороне трансформатора Т равны нулю, по- скольку обе половины ее обтекаются одинаковыми токами t\ и i,, но эти токи направлены навстречу друг другу. Это объясняется тем, что при балансном состоянии схемы сопротивления двух кон- туров, подключенных к источнику переменного напряжения, оди- наковы. Отсутствие намагничивающих ампер-витков приводит к тому, что выходное напряжение трансформатора равно нулю. При разбалансировке, когда сопротивления обмоток датчика отли- чаются друг от'друга из-за различных коэффициентов самоиндук- ции, сила тока в какой-то из двух половин первичной обмотки больше, чем в другой. Это значит, что появляются разностные ампер-витки. В сердечнике трансформатора возникает переменный магнитный поток и во вторичной обмотке действует тем большая ЭДС, чем значительнее разностные ампер-витки. Таким образом, "Перемещения измерительного штока преобразователя вызывают появление ЭДС на вторичной обмотке трансформатора Т. По- скольку между перемещением штока и выходным электрическим сигналом существует функциональная связь, индуктивные пре- образователи широко используют для контроля малых линейных перемещений. Возможности индуктивного метода очень широки, поэтому его используют для контроля самых различных величин. Удобен в применении бесконтактный индуктивный преобразователь (рис. 6.6). При бесконтактных измерениях якорем является сам контролируемый объект. Катушку с незамкнутым ферромагнитным сердечником, расположенным в бакелитовом корпусе 3, помещают на некотором расстоянии от контролируемого объекта 4, и при прохождении по обмотке 2 переменного тока возникает переменный магнитный поток, замыкающийся по сердечнику / через два воз- душных зазора и через тело контролируемого объекта, который обладает достаточно большой магнитной проницаемостью. В этом случае полное магнитное сопротивление Rm = £ #тж + + £#тв. гдеЦЯтж — сумма магнитных сопротивлений участков, как говорят, с железом; 2j/?mB — сумма сопротивлений воздушных участков. Изменение магнитного сопротивления любого из участ- ков составного магнитопровода приводит к изменению результи- рующего магнитного сопротивления Rm. Это означает, что магнит- ный поток Ф = Md/Rm, где Мд — магнитодвижущая сила, завися- щая от числа ампер-витков iw и магнитных свойств ц среды, т. е. Мд = ftwjA. Возникающая ЭДС самоиндукции е = —Ldi/dt, где

I — коэффициент самоиндукции; I — сила тока, протекающего через обмотку. Возникающая ЭДС может быть выражена и через потокосцепления е = —dty/dt = —wdQ>ldt, где \|> — потокосцепле- НИВ. ПОСКОЛЬКУ 2Ятж < JjRmat ТО Rm Й# £#тв. Магнитное сопротивление ]£ /?тв = A/Sn, где А — удвоенная длина воздушного зазора; Sn — площадь поперечного сечения магнитопровода. Таким образом, Ldifdt = wd<D/d/. Следовательно, L> —jT- = tw ,. = ui ,, . Так как w, pi и Sn ~ вели- чины постоянные, то Ldi/df = —т—2- dt/d^ и L = twj \iSjh. Анализ полученной зависимости показывает, что коэффициент индуктивности L в большой степени зависит от зазора А. И если считать, что А = АО + ДА и ДА <£ А0, то

где АО — начальный воздушный зазор; ДА — изменение зазора. Следовательно, изменение коэффициента самоиндукции оказы- вается тем более ощутимым, чем больше относительное изменение воздушного зазора ДА/А0. Использование бесконтактного индук- тивного метода позволяет контролировать размер или положение движущихся элементов станка. Для контроля упругих перемещений иногда используют дат- чики, работающие и на других принципах: тензометрические про- волочные датчики, пйевматические, оптико-электрические, емкост- ные. Контроль крутящего момента. При нагружении вала крутящим моментом Л4кр происходит его скручивание. И хотя угол скручи- вания, как правило, невелик, оказывается возможным измерение момента на вращающихся валах с достаточной для целей управле- ния степенью точности. Для контроля крутящего момента в том случае, если длинная часть вала свободна (рис. 6.7), на некотором расстоянии друг от

7\

Рис. 6.7. Принцип действия датчика Рис, 6.8 Напряжения, возникающие контроля крутящего момента под действием крутящего момента

друга, на валу / закрепляют пластины, к одной из которых при- креплен длинный стержень с ферромагнитным наконечником 2. На другой пластине смонтирован высокочастотный генератор с автономным питанием от небольшой батареи на транзисторе с кон- туррм, индуктивность которого изменяется за счет изменения зазора между сердечником катушки 3 и наконечником 2. Частота генерируемых колебаний / = 1/(2я]/1С), где С — емкость и L — коэффициент самоиндукции контурной катушки. Изменение L за счет изменения зазора между сердечником и якорем приводит к изменению частоты /. Излучаемые при этом электро- магнитные колебания частотно-модулированные и по значению частоты-можно судить о крутящем моменте. Такой вид модуляции является наиболее помехозащищенным и использование радио- канала позволяет передавать информацию на несколько десятков метров, практически не засоряя эфир. Для измерения крутящего момента используют также тензо- метр ические датчики. Под действием крутящего момента Мяр под углом 45° к образующей вала действуют в одном направлении растягивающие силы, а в другом — сжимающие-(рис. 6.8). Если по этим направлениям наклеить проволочные тензометрические датчики, то их сопротивления будут изменяться: у одного датчика сопротивление возрастает, а у другого — уменьшается. Тензометрический проволочный датчик представляет собой бумажную основу, на которой петлеобразно уложена тонкая про- волока из константана диаметром 0,015—0,05 мм. Такой преобра- зователь наклеивают на деформируемый объект. При деформиро- вании исследуемого объекта изменяется длина проволоки датчика (происходит и некоторое изменение ее поперечного сечения и удельного сопротивления), а значит, изменяется и его сопротивле- ние, поскольку сопротивление R, длина /, поперечное сечение 5„ и удельное сопротивление р при неизменной температуре связаны соотношением R = pl/Sn. При использовании проволочных датчи- ков допустимое относительное удлинение А/// не должно превышать 0,01, а если вместо проволоки используют высечку из фольги, то 0,02, так как в противном случае могут появиться остаточ- ные деформации токонесущей части датчика. Концы проволоки армируют фольгой, что облегчает подключение тензометрического датчика к электрической схеме. Для исключения влияния температуры датчик изготовляют из константана, имеющего сравнительно малый температурный коэф- фициент сопротивления, кроме того, датчики рекомендуется вклю- чать по мостовой схеме, что в значительной мере снижает действие помех. Серьезным недостатком при использовании таких датчиков на вращающихся валах является то, что необходимо использовать токосъемные устройства в виде колец, изолированных от вала, и щетки. Такой трущийся контакт усложняет конструкцию и не надежен.

Для решения задачи по бесконтактному контролю крутящего момента на вращающихся валах может быть использован обратный магнитострикционный эффект. Его суть заключается в том, что во многих конструкционных сталях наблюдается изменение магнит- ной проницаемости под действием внутренних напряжений. Маг- нитная проницаемость материала возрастает в направлении дейст- вия растягивающих сил и уменьшается при сжатии материала. Таким образом, если к валу приложен момент, то вал становится магнитоанизотропным: в направлении растягивающих напряжений магнитная проницаемость возрастает, а в направлении сжимаю- щих, наоборот, падает. Если около такого вала разместить индуктивные бесконтактные преобразователи, ориентированные вдоль главных векторов рас- тягивающих и сжимающих сил, то их самоиндукция будет изме- няться в разных направлениях тем больше, чем больший момент приложен к валу. Для исключения влияния продольного изгиба такие преобразователи можно разместить с двух противоположных сторон вала. Использование описанного способа ограничивается влиянием таких побочных факторов, как биение вала, неоднород- ность материала, продольный изгиб и пр. Возможен и другой способ контроля крутящего момента. На валу, если это возможно, на некотором расстоянии друг от друга размещают два одинаковых зубчатых венца, возле которых с не- большим зазором помещают две катушки с незамкнутыми сердеч- никами. Обмотки подключают к источникам постоянного тока. Помимо обмоток, обтекаемых постоянным током, на сердечниках находятся и вторичные обмотки, с которых при вращении вала снимается напряжение, частота которого зависит от числа зубьев венца и частоты вращения вала. Выполненные таким образом так называемые фонические гене- раторы создают ЭДО одинаковой частоты, но разные по фазе. Чем сильнее закручен вал под действием момента, тем большим будет и сдвиг фаз двух сопоставляемых ЭДС, что дает возможность судить о моменте, приложенном к валу. Переменные напряжения от фони- ческих генераторов передаются на фазочувствительноё устройство, например фазовый дискриминатор, вырабатывающий постоянное напряжение, функционально связанное с фазовым сдвигом. Этот метод можно рекомендовать в тех случаях, когда необходимо бес- контактное измерение момента на вращающемся валу, причем влияние ранее упомянутых побочных факторов в этом случае оказывается несущественным. Контроль температуры в зоне обработки. Иногда, например при решении задач по оптимизации процесса обработки по крите- рию себестоимости, необходимо поддерживать постоянную темпе- ратуру в зоне резания. Стойкость инструмента зависит от скорости резания v, которая определяет температуру в зоне резания. Напри- мер, установлено, что при использовании твердосплавных резцов оптимальная скорость износа инструмента наблюдается при таком

значении v, когда температура в зоне резания составляет примерно 800\°С. При использовании однолезвииного инструмента контролиро- вать температуру в зоне контакта инструмента с объектом обра- ботку можно путем измерения термоЭДС, возникающей в термо- паре( «инструмент — объект обработки». Обрабатываемый объект и инструмент выполняют из различных токопроводящих материа- лов, и место их контакта является горячим спаем образовавшейся термопары; холодный спай — место, откуда снимается термоЭДС, имеет температуру окружающей среды Установлено, что для пары «конструкционная сталь — твердосплавный резец» при темпера- туре горячего спая 800 °С термоЭДС равна примерно 13 мВ. Это значит, что при исполнении САдУ скоростью резания удается поддерживать заданный температурный режим в зоне обработки с точностью до 2—3%, что вполне приемлемо при решении задачи по оптимизации процесса. При создании САдУ ходом технологического процесса обра- ботки на металлорежущих станках можно использовать и первич- ные преобразователи, работающие на многих других известных принципах.