Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

(ТюмГНГУ)

Институт Нефти и Газа

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

"Исследование контактных и бесконтактных элементов

автоматики"

для студентов неэлектротехнических специальностей

очной и заочной форм обучения

Тюмень 2006

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N4

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ И БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Экспериментально снять статические

характе­ристики реле. Определить

логические функции, выполняемые

бесконтактными устройствами ав­томатики.

1. Основные теоретические сведения

Систему автоматического управления объектом в общем виде можно представить с помощью схемы, изображенной на рис.1.

Рис.1. Взаимодействие устройств автоматики с

объектом управления

Устройства автоматики перерабатывают измеренную и запрог­раммированную информацию в информацию исполнения и контроля.

Носителями информации являются сигналы, Физические свойства которых могут быть самыми различными.

В общей схеме системы автоматики можно выделить четыре группы устройств предназначенных для формирования сигналов, а также центральное устройство управления, выполняющее функции переработки всей информации и формирующее требуемые управляю­щие воздействия. Вспомогательные устройства четырех групп обеспечивают взаимосвязь объекта и оператора с центральным уп­равляющим устройством.

Представленная на рис.1 схема является в достаточной сте­пени общей. Таким способом можно представить работу как обыч­ного регулятора в печи, так и управление прокатным станом с по­мощью универсальной ЭВМ.

Входные и выходные сигналы устройства управления, обычно электрические, гидравлические или пневматические, могут быть двух видов : сигналы непрерывные ( аналоговые ) и дискретные. Дискретные сигналы могут квантоваться по времени или по вели­чине.

Непрерывные сигналы поступают с типовых измерительных пре­образователей температуры, давления и т.п. Они могут использо­ваться при непрерывном управлении частотой вращения при пе­редаче выходных данных регистраторов, при управлении шаговыми двигателями и т.д.

Различный характер входных и выходных сигналов приводит к необходимости применения в системе управления разных элементов и устройств для обработки непрерывных и дискретных сигналов.

Использование дискретных сигналов имеет ряд существенных преимуществ:

- большая точность преобразования;

- большая помехозащищенность и надежность;

- простота устройства запоминания информации и хранения ее в течении длительного времени;

- точное цифровое отображение выходной информации с помощью цифровых индикаторов и печатающих устройств;

- относительно низкая стоимость систем, реализующих сложные и точные преобразования дискретной информации.

Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинс­тве случаев они имеют всего два различных состояния: включено - выключено (реле), открыт-закрыт (транзистор) и т.д.

Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигна­лы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе - со вторым. Физи­чески это означает, что сигнал имеет импульсный характер: вы­сокий уровень - одно значение, низкий - другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0. На таких элементах строят устройс­тва, которые получили название переключательных устройств.

Различают два типа переключательных (дискретных, логичес­ких, релейных) устройств с разными свойствами. В устройствах первого типа значение каждого выходного сигнала У₁ определяет­ся только конкретными значениями X_1,Х_2,...Х_n в рассматриваемый момент времени и не зависит от последовательности значений входных сигналов, подаваемых в предыдущие моменты времени. Та­кие устройства называются комбинационными автоматами, комбина­ционными схемами, или автоматами без памяти.

В устройствах второго типа значения У₁ зависят не только от конкретной комбинации значений входных сигналов X_1,Х_2,...Х_n, но также и от их предыдущих значений, имевших место в более ранние моменты времени. Такие устройства называ­ют последовательными или автоматами с памятью.

Комбинационный автомат с п входами и m выходами можно опи­сать следующей системой уравнений:

У₁=f₁(X_1,Х_2,...Х_n). i=l, 2,... m.

Поскольку X и У могут принимать только два значения- 0 или 1, функции f₁ не могут быть обычными арифметическими функция­ми. Для описания переключательных функций применяют двухэле­ментную алгебру Буля. Эта алгебра вводит три новые операции по сравнению с обычной арифметикой или функции, аргументами и значениями которых служат элементы 0 и 1.

Этими операциями являются:

- логическая сумма (дизъюнкция) аргументов А и В равна 1, если ИЛИ ;

- логическое произведение (конъюнкция) аргументов А и В равна 1, если И ;

- отрицание аргумента , если НЕ есть (или если ).

Существуют различные обозначения приведенных булевых опе­раций: логическая сумма ; логическое произведение ; отрицание . Эти операции можно записать в виде следующих равенств:

Из этих соотношений вытекают следующие законы алгебры ло­гики:

- сочетательный закон

;

- переместительный закон

- распределительный закон

- закон де Моргана

Наряду с конъюнкцией, дизъюнкцией и отрицанием практичес­кое применение находят и другие функции двух аргументов.

Импликация принимает значение 1. если или , т. е.

Функция запрета (или несимметричная разность) (или ) принимает значение 1, если И , т.е.

Функция Пирса (функция ИЛИ - НЕ) принимает значение 1, если И :

Функция Шеффера (функция И - НЕ) принимает значение 1, если ИЛИ :

Функция логической равнозначности ( ~ ) принимает значение 1, если аргументы принимают одинаковые значения:

Функция логической неравнозначности (сумма по модулю 2, исключающее ИЛИ ) принимает значение 1, если только один из аргументов принимает единичное значение:

В переключательных устройствах автоматики применяются три основных вида элементов:

- контактные элементы (электромагнитные реле, пускатели, контакторы и другие);

- полупроводниковые элементы (транзисторы, тиристоры, дио­ды, логические микросхемы);

- пневматические элементы.

Электромагнитными называются реле, преобразующие электри­ческий сигнал в перемещение якоря электромагнита, которое вы­зывает замыкание или размыкание контактов. Электромагнитные реле можно рассматривать как один из видов электрических уси­лителей, так как мощность сигнала необходимого для срабатыва­ния реле может быть существенно меньше мощности электрической цепи, которой управляют контакты реле. Электромагнитные реле подразделяются на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока могут быть нейтральными и поляризованными. Нейтральные реле работают независимо от направления (поляр­ности) тока в обмотке. Поляризованные реле работают по-разно­му, в зависимости от направления поступившего на обмотку тока.

Электромагнитное нейтральное реле по конструкции может быть трех видов: с поворотным якорем, с втяжным якорем и с гер­метизированным магнитоуправляемым контактом (герконом).

Устройство реле с поворотным якорем показано на рис.2. В выключенном состоянии якорь 2 находится под действием возврат­ной пружины 1 и занимает верхнее положение. При этом средний контакт 3. связанный с якорем реле, замкнут с контактом 4 (размыкающий контакт). Если подать ток в обмотку 6, то возник­нет магнитный поток , замыкающийся по сердечнику (магнитопроводу) 7, якорю 2 и воздушному зазору. Магнитный поток намаг­ничивает якорь, при этом возникает электромагнитная сила F_э :

где К - коэффициент пропорциональности;

I - ток в обмотке;

W - число витков в обмотке;

- воздушный зазор между якорем и сердечником.

Под действием электромагнитной силы якорь поворачивается и переключает контакты. Этот этап работы реле называют срабаты­ванием. При выключении тока электромагнитная сила исчезает и под действием возвратной пружины якорь вернется в исходное по­ложение. Этот этап работы реле называется отпусканием.

Реле с герконом (рис.3) имеют самую простую конструкцию: геркон 1 размещается внутри катушки 2 (обмотки) реле. Геркон представляет собой миниатюрную стеклянную трубку 3 (баллон) с впаянными во внутрь нее двумя контактными пружинами из магнитомягкого ферромагнитного материала (пермаллоя). Концы пружин покрывают тонким слоем серебра, золота или радия для обеспече­ния надежного контакта при соприкосновении пружин. Баллон за­полняется инертным газом азотом, аргоном либо создается вакуум.

При подаче тока в обмотку реле возникает магнитный поток, намагничивающий контактные пружины геркона. Между ними возни­кает сила F₃ и контакты замыкаются. Реле с герконом отличаются повышенной надежностью, долговечностью и большим быстродейс­твием, чем реле с поворотным и втяжным якорем. Недостатком этих реле является небольшая мощность, которой могут управлять¹ контакты геркона, и влияние внешних магнитных полей, способных вызывать ложное срабатывание геркона.

Герконы могут применяться в концевых выключателях, диск­ретных датчиках положения, кнопочных и клавишных выключателях, используемых в пультах управления ЦВМ.

Управление замыканием герконов в этом случае осуществляет­ся от небольших постоянных магнитов, закрепляемых на подвижной части конструкции кнопки или выключателя.

Поляризованные реле в отличие от нейтральных реагируют не только на значение, но и на направление (полярность) тока в обмотке. Устройство поляризованного реле показано на рис.4.

Поляризация реле осуществляется от постоянного магнита 1. Магнитный поток _М , создаваемый магнитом, проходит по якорю 2 и разделяется на два потока: ₁ и ₂ . Если якорь находится в левом положении (как показано на рис.4), то расстояние между якорем и левым полюсом сердечника 3 меньше чем расстояние меж­ду якорем и правым полюсом сердечника 3. поэтому поток ₁ больше потока ₂ . Положение якоря реле устойчивое, так как на него будет действовать электромагнитная сила, пропорциональная разности магнитных потоков и направленная в сторону большего потока, т.е. ₁ .

Контакт якоря 4 будет замкнут с левым контактом 5. К кон­такту якоря ток подводится через безмоментный токопровод 7.

При включении тока в обмотке реле создается магнитный по­ток ₀, замыкающийся по сердечнику 3. якорю 2 и воздушным зазорам. Направление магнитного потока ₀ зависит от направления (полярности) тока, протекающего в обмотке. Магнитный поток об­мотки ₀ направлен встречно потоку ₁ и согласно потоку ₂.

Значение потока ₀ больше разности магнитных потоков , поэтому якорь реле переключается в правое положение и его кон­такт замыкается с контактом 6. Если же при левом положении якоря направление тока в обмотке было противоположным, то маг­нитный поток ₀ будет направлен согласно с потоком ₁. Якорь реле останется в левом положении.

Таким образом, при одной полярности тока в обмотке якорь реле переключается в новое устойчивое положение, при другой - остается неподвижным. При выключении тока в обмотке якорь ос­тается в том положении, которое он занимал в момент выключения тока (якорь "запоминает" состояние, соответствующее моменту выключения тока). Такое реле называется двухпозиционным.

Существуют и трехпозиционные поляризованные реле, у кото­рых контакты расположены симметрично по отношению к нейтраль­ной линии, а якорь удерживается на нейтральной линии центриру­ющими пружинами. В зависимости от направления тока в обмотке реле якорь переключается или в левое, или в правое положение, а после выключения тока возвращается в нейтральное положение.

Поляризованные реле имеют высокую чувствительность (за счет влияния постоянного магнита) и быстродействие.

Для управления большими токами применяют, специальные электромагнитные реле, которые получили название контакторов. Контакторы могут быть как постоянного, так и переменного тока.

Для управления трехфазными электродвигателями применяют контакторы переменного тока, получившие название магнитных пускателей.

Срабатывание или отпускание реле может быть замедлено. В телефонных реле и реле переменного тока для этого на сердечни­ке помещают коротко-замкнутые витки (наведенные в них вихревые токи замедляют изменение магнитного потока), что исключает "дребезг" контактов.

При выборе реле для конкретного устройства автоматики и при сравнении реле различных типов пользуются рядом парамет­ров, характеризующих свойства реле:

Рис. 2. Устройство электромагнитного нейтрального

реле с поворотным якорем

Рис. 3. Устройство герконового реле

Рис. 4. Устройство поляризованного реле

- ток срабатывания I_ср (напряжение срабатывания, мощ-ность срабатывания) - это ток (напряжение или мощ-ность), который нужно подать на обмотку реле для его надежного срабатывания;

- ток отпускания I_0ТП (напряжение отпускания, мощность от­пускания) - ток в цепи обмотки, при котором реле выключается;

- управляемая мощность (ток, напряжение) - параметр элект­рической цепи, которой управляют контакты реле;

- время срабатывания реле - интервал времени от момента по­дачи тока в обмотку реле до начала воздействия контакторов на управляемую цепь;

- долговечность - гарантируемое число срабатываний реле при номинальной нагрузке в цепи контактов;

- коммутационные возможности реле - число и вид контак-торов.

Для реле принято рассматривать статическую характе-ристику. Статическая характеристика реле показана, на рис.5. Статичес­кая характеристика показывает зависимость коммутируемой мощности от силы тока в обмотке электромагнита. Статическая ха­рактеристика показывает возможности применения реле в той или иной схеме управления для работы в качестве порогового элемен­та, реагирующего на определенный уровень входного сигнала или для работы в силовых устройствах.

Надежность по срабатыванию релейного элемента оценивается коэффициентом запаса, который определяется по формуле:

В зависимости от условий работы К₃ выбирается в пределах от 1,2 до 4,0.

Совершенство конструкции реле характеризуется коэффициен­том возврата:

Обычно К_в лежит в пределах 0,1 - 0,99.

Каждое устройство, состоящее из соединенных между собой катушек реле и контактов, можно описать с помощью булевых функций и, наоборот, любую логическую функцию можно реализовать с помощью схемы, состоящей из соеди-

Рис. 5. Статическая характеристика реле

ненных между собой ка­тушек и контактов реле. Обычно при записи функций катушки реле обозначаются большими буквами, а контакты - маленькими. Вклю­ченное состояние реле (контакта реле) записывается как Р=1 (р=1), отключенное состояние реле (контакта реле) - Р=0 (р=0). Для схемы, изображенной на рис.6а, можно записать:

Р = 1, если а = 1, и Р = 0, если а = 0, или Р = а.

Рис. 6. Реализация основных логических функций на контактных элементах

В схеме рис.6б, реле Р включено, когда отключено реле А, или

На схеме рис.6в, реле Р включено, если включены оба реле А и В:

а на схеме рис.6г, реле включено, если включено хотя бы одно реле А или В:

Отсюда вытекает общее правило: последовательному соедине­нию контактов соответствует конъюнкция, параллельному - дизъ­юнкция, а нормально замкнутый контакт в схеме соответствует отрицанию.

Функции памяти реализуются в релейных схемах, путем под­держания включенного состояния реле собственным контактом это­го реле. Возможны следующие два варианта реализации функции памяти, представленные на рис. 7.

Рис. 7. Схемы реализации функции памяти

Оба варианта называются соответственно схемой с приоритетом выключения (а) и включения (б):

для рис. 7а ;

для рис. 7б .

В логических устройствах систем автоматики реле постепенно вытесняются бесконтактными элементами, особенно в случаях peaлизации сложных функций и в случаях требующих большого быстродействия и надёжности.