Направления автоматизации ТП пищ. производств

Основные понятия и определения автоматики. САУ- ее схема, элементы

Автомат – это устр-во, или сов-сть устр-ств, функцион. без участ. чел.

Автоматизация – это процесс в развитии машин. произ-ва, при к-м ф-ции управления и контроля, ранее вып-ся чел., передаются приборам и автом. устройствам. Введение А на производстве позв. знач. повысить производ-ть труда, сократить долю рабочих, занятых в разл. сферах произ-ва.

1. Автомат-й контроль – вкл. автоматическ. сигнализацию, измерение, сбор и сортировку информ.

2. Автомат-я сигнализация – предн. для оповещения о предельных или аварийных значениях каких-либо физ-х параметров, о месте и хар-ре нарушений ТП.

3. Авт-е измерение, обесп. изм-е и передачу на спец. регистрирующие приборы знач-й контр-х физ-х величин.

4. Авт-я сортировка – осущ. контроль и разделение продуктов по размеру, вязкости и др. показателям.

5. Авт-я защита – это сов-ть тех. средств, обесп-х прекращение контролируемого ТП при возникновении ненорм-х или аварийных режимов.

6. Авт-е управление, включ. комплекс тех. средств и методов по управлению оптим. ходом ТП.

Эти, и др. понятия, относ-ся к автоматизации и управлению, объед-т кибернетика – наука об управлении сложн. развивающимися системами и процессами, изуч. общ. матем. законы управл. объектами разл. природы

Система автоматического управления (САУ) - это сов-ть объекта управления (ОУ) и устройства управления (УУ), взаимод-щие м/ду собой без участия чел., действие к-й направлено на достиж-е опред-й цели.

Объект управления (Рис.1.1) – отдельн. устройство, установка, ТП и др., характер-ся конкр. параметрами и подлежащее управлению.

Устройство управления (УУ) или регулятор – это устройство или сов-ть устройств, сост. из средств автоматики и телемеханики, формирующее регулирующее возд-е для ОУ.

1. Структурная схема САУ (Рис. 1.2) отображает наиболее общие связи между УУ и ОУ.

Структурная схема САУ, как правило, используется при математическом моделировании процесса управления.

Обратная связь (ОС) – это связь между выходом и входом системы или отдельного элемента внутри системы. Главная ОС – связь между выходом и входом системы. Местная ОС (коррекция) – это связь внутри системы, охватывающая один или несколько элементов (на структурной схеме САУ не отображена).

2. Функциональная схема САУ (Рис 1.3) отображает устройства и элементы САУ более подробно, а также функциональные связи между ними.

3.Принципиальная схема САУ позволяет определить наличие, расположение, степень значимости элементов и все связи между ними.

Датчик – это устр-во, восприн-е регистрируемый параметр и преобр-е его в физ. величину, удобную для исп-я в последующих элементах автоматич. системы.

В общем виде датчик предс. в виде 2-х функциональных элементов – чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ) (Рис. 3.1)

Наиболее распр. в автоматике и телемеханике Д преобразуют неэлектр. контролируемый параметр x(t) в электрич-ю велич. y(t) – напряжение, ток, ЭДС или неэл-ю величину в др. неэлект-ю величину, удобную для дальнейшего использования,

Электрические датчики могут быть параметрическими и генераторными.

Параметрические датчики функц-т на основе зависимости осн. его параметра (сопротивления, емкости или индуктивности) от изм-й вел. Для работы параметрических датчиков необходим источник электр. энергии постоянного или переменного тока. К таким датчикам отн.: контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, емкостные, индуктивные, фоторезисторные и др.

Генераторные датчики формируют на выходе ЭДС. или напряжение, функционально связанные с вх. параметром. Пример: термопара, полупровод-никовый фотоэлемент, пьезодатчик, индуктивный датчик и др.

Неэлектрические датчики подразделяются на механические, пневматические, гидравлические и др.

В технической литературе, как пр-ло, датчики классифицируют:

По виду измеряемой величины различ. датчики: температуры, давления, влажности, линейного перемещения, угловой скорости, углового ускорения, освещенности и т. д.

По принципу действия датчики подразд-ся на: механические, потенциометрические, электромагнитные, емкостные, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, ультра-звуковые, манометрические электроконтактные и др.

Осн. хар-ми и параметрами датчиков являются: статическая характеристика, чувствительность, порог чувствительности, динамические показатели, погрешность преобразования, выходная мощность (напряжение, ток), выходное сопротивление и т. д.

Статической характеристикой датчика наз. функциональную зависимость, связывающую вых. и вх. величины, т. е. y = f(х). Она может быть задана в виде табл. значений величин х и y, в виде графич. зависимости (Рис. 3.2) или в виде функциональной зависимости.

Чувствительность (коэффициент преобразования) К_С – это отношение вых. величины y к вх. величине х.

Ввиду того, что в общем случае зависимость y = f(х) не является линейной, то величина К_С для различных значений входной величины х не будет постоянной, т. е.

При этом удобнее пользоваться так называемой дифференциальной чувствительностью,

К-я для разн. точек зависимости y =f(х) будет также различной, т. е. Динамические свойства датчиков оценивают, пользуясь временными или частотными характеристиками.

Изм-е t. в устр-вах автоматики произв. с пом. Д, функц-щих на основе зависимости того или иного параметра чувствительн. элемента от темпер. Раб. их основана на тепловом расширении твердых тел, жидкостей или газов, на изменении сопр. проводников или полупроводников или изм. термо-ЭДС.

Ртутно-контактные термометры констр. выполн-ся в виде 2-х - или много-позиционных чувст-х устройств с 2-мя или неск. контактами, вмонтированными в стекл. корпус ртутного термометра.

У всех РКТ один из контактов введен в ртутн. столбик на уровне С₀, к-й выбирается < наим. контролируемой t. При достиж. температуры значения С₁, на к-м установлен контакт 2, замыкается цепь м/ду контактами 1 и 2 и во внешнюю цепь будет подан сигнал о достижении этого уровня темп. Если 2-й контакт регул-й то ур-нь темп. С₁ можно устанавливать с пом. магнитной муфты, поднимая или опуская контакт 2.

РКТ прим. для измерения темп. в пределах 0 - 300 ^оС. Их контакты рассчитаны на ток от 50 мкА до долей ампера, что, в ряде случаев требует использования усилительных устройств. Точность измерения обычно не хуже ± 2^оС.

Терморезисторы функц-т на основе св-ва проводников увеличивать электр. сопротивление при возрастании темпер. Статические хар-ки таких датчиков описываются выражением

где:

- электрич. сопротивление при темпер.

=0 ^оС;

- темпер. Коэф-т сопротивления (ТКС) проводящего материала терморезистора. Эта зависимость линейна

В кач-ве проводящего материала в терморезисторах исп. медь или платину. Они обладают стабильными ТКС. Из этих материалов изг-т тонкую проволоку, диаметр от 0,05 до 0,1 мм, которую наматывают на каркас из изоляционного материала. Для защиты от повреждения всю конструкцию помещают в защитный корпус. ТКС для терморезисторов лежит в пределах от 0,2 до 0,43 Ом/^оС, диапазон измерения от минус 200^оС до плюс 500^оС.

Термисторы – это полупроводниковые термочувств-е датчики, действие к-х основано на св-ве полупроводников уменьшать электр. сопротивление при возрастании t. Статическая хар-ка термисторов не линейна и описывается экспоненциальной зависимостью

где R₂₀ – сопротивление термистора при температуре

= 0 ^оС; В – постоянная величина для данного термистора, определяемая на основе испытаний.

Термисторы облад. большей чувствительностью чем, терморезисторы. Их ТКС, отрицательный или положительный, и превышает ТКС терморезисторов в 5…25 и более раз. Диапазон изм. t от минус 100^оС до плюс 300^оС. Терморезисторы и термисторы явл-ся датчиками параметрического типа.

Манометрические датчики, представляют собой устр-ва, в к-х воспринимаемые изменения темп. преобр-ся в изменения давления, а затем – в мех. перемещения и далее – в электр. сигнал

Принцип действия этих приборов основан на изменении давления газа или насыщенного пара от кипящей при низк. Темп. жидкости в замкнутой системе при изменении температуры.

При достижении стрелкой контактов происх. их замыкание, благодаря чему в сис-ме автоматики появится регулирующий сигнал. Капиллярная трубка может быть длиной до 40м. Это дает возможность удалить шкалу прибора от измер-й среды на знач. расстояние.

Манометрические термометры бывают жидкостные и газовые. Жидкостные термометры наполняют ртутью, ацетоном, эфиром и др. вещ-ми, имеющими большой коэф. объемного расширения. Газовые термометры заполняют азотом или инертным газом.

Статическая хар-ка манометрического датчика нелинейная. Чувствительность его тем выше, чем > объем термобаллона. Св-ва и параметры таких датчиков зависят от вещ-ва-заполнителя термобаллона и конструкции осн. элементов.

Биметаллические датчики отн-ся к дилатометрическим преобразователям, в к-х исп-ся эффект темп. расширения материалов. Измерительным элементом БД является лента, спаянная из 2-х полосок металлов с разл. темп. коэф. линейного расширения. При нагреве такая лента изгибается в сторону материала с меньшим темп. коэффициентом. Мех-е усилие, развиваемое при этом, исп-ся для перемещения в преобразующем элементе или для приведения в действие исполнительн. органа др. типа.

Термоэлектрические преобразователи температуры (термопары) предст. собой спай 2-х разнородных метал-х проводников или полупроводников. Возникающая на границе соединения разнородных материалов ЭДС зав. от t. Чувствительность термопар обычно невелика и сост. Знач. от 10 до 70 мкВ /°С. Диапазон измерения температур для разл. термопар сост. от минус 200 до плюс 2500^°С. Они отн. к генераторным датчикам.

К ЭУ отн. усилители на электронных лампах и на полупроводниковых приборах – транзисторах (биполярных и полевых) и микросхемах. Ламповые усилители прим-ся редко – только в устройствах автоматики, разраб-х неск. десятилетий тому назад.

Транзисторные усилители по способу подключ. осн. элемента – транзистора, могут выполняться по одной из трех схем – схемы с общей базой, схемы с общим коллектором или схемы с общим эмиттером. На рис. 4.4 эти схемы изображены применительно к р-n-р - транзистору. Все они обеспечивают усиление вх. сигнала

Схема с общей базой (Рис.4.4, а) не усил. сигнал по току (К_I < 1), а по напряжению усиление достиг. десятков и сотен раз. Вх. сопротивление при этом мало, вых. – велико. Эти св-ва и предопределяют область применения усилителя с общ. базой – когда источник вх. сигнала облад. малым внутр. сопротивлением, а последующее устройство – высок. вх. сопротивлением.

Схема с общим коллектором (Рис. 4.4, б) наоборот, не облад. способностью усиливать вх. сигнал по напряжению (К_U < 1), но обесп. усиление по току (К_I =10…100). При этом вх. сопр. усилителя с общ. коллектором велико – десятки и сотни кОм, что в ряде случаев необходимо, напр., в измерительных устройствах, чтобы снизить влияние вх. преобразователя на процесс изм. Наряду с этим нагрузка усилителя (R_Н) может иметь низк. сопрот-е - десятки и единицы Ом, т. к. сам усилитель, как источник выходного сигнала, имеет малое сопротивление.

Схема с общим эмиттером (Рис. 4.4, в) обеспеч. усиление сигнала как по току, так и по напряжению. Вх. сопротивление относит. велико – ед. и десятки кОм и зав. от велич. сопротивления нагрузки, т. к. R_Н включено параллельно выходу транзистора. Схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление по мощности. Чаще используют каскадное включение усилителей, когда к выходу первого усилителя подключается вход второго и т. д.

Операционные усилители (ОУ) – это усилители, выполн. по интегральной технологии и облад. больш. коэф. усиления по напряжению (К_u =10⁴…10⁵ раз и более), высок. вх. сопротивлением (10⁵…10⁷ Ом и более) и широкими спектром усиливаемых частот (от 0 Гц до единиц МГц). ОУ почти всегда исп. в схемах с глубокой отриц. обратной связью, к-я, благодаря высок. коэф. усиления ОУ, полностью определяет коэф. передачи получе. схемы.

В наст. время ОУ получили шир. прим-е как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложн. интегральных схем.

Выполненный, как отдельное законченное устр-во, он имеет2 входа. 1-й вход (U_вх1) – инвертирующий, обозначается на схемах кружком. 2-й вход (U_вх2) –не инвертирующий (прямой). 1-й и 2-й входы образ. м/ду собой дифференциальные входы. При одновременном их использовании питание подается на оба питающих входа +U и –U. Сопр. нагрузки подключ. к вых.контакту. На базе операционных усилителей обычно создаются схемы с различными свойствами, например: инвертирующие усилители, суммирующие, интегрирующие усилители и др.

Электродвигательные ИМ. В них исп. э/двигатели постоянного и перемен. тока. Электродвигательные ИМ обычно, кроме двигателя содерж. редуктор и тормоз. Кроме этого могут содержаться дополн. элементы, обеспеч. управление двигателем по закону управляющ. сигнала, это концевые выключатели, указателем положения раб. органа и др. Применяемые двигатели постоян. тока имеют независимое возбуждение или возбуждение от постоян. магнитов. Управление работой этих двигателей осущ-ся путем изменения напряжения на обмотке возбуждения или на якоре. Из двигателей перемен. тока в совр. САР наибольшее распространение получ. 2-хфазные и 3-хфазные асинхронные электродвигатели.

Включение – выключение э/двигателя, реверсирование и изменение частоты вращения осущ-ся от усилительно-преобразующего устройства с пом. электро-магнитного пускателя, релейного устройства или частотного преобразователя.

Особенностью раб. электродвигательного ИМ явл. наличие выбега, т. е. когда силовые контакты отключ. напряжение питания э/двигателя, входной вал и останавливается не сразу, а продолжает нек-е время вращаться по инерции. Выбег может существенно влиять на кач-во регулирования. Существенно снизить влияние выбега позв. использование тормоза, включаемого в момент снятия питания с двигателя.

Важн. достоинствами электродвигательных ИМ явл.: простота подвода энергии, удобство регулирования, экономичность, экологичность.

К недостатками электродвигательных ИМ можно отнести: налич. выбега; больш. инерционность; потребность в использ. редуктора; отн. низкую надежность, особенно при раб. в усл. повышенной влажности, температуры и запыленности.

Электромагнитные ИМ. К этому классу ИМ отн. соленоидные ИМ и электромагнитные муфты.

Соленоидные ИМ по устройству, предст собой электромагнит, сердечник к-го перемещается при подаче на катушку управляющ. сигнала u(t) преодолевая при этом сопротивление пружины.

Электромагнитные муфты также содерж. катушку воздействующую своим магнитным полем на муфту - фрикционную соединяющ. ведущий вал, связанный с двигателем, и ведомый вал.

Фрикционная муфта сост из 2-х полумуфт посаженных на ведущий и ведомый валы. При появл. в катушке магнитн. поля полумуфты плотно прижимаются др. к др., и за счет сил трения обеспеч-ся передача вращательного момента с первичного вала на вторичный.

Порошковая муфта содерж. внутри герметичного корпуса ферромагнитную массу, вязкость к-й зависит от напряженности магнитного поля катушки. При отсутствии этого поля вязкость массы минимальна, и вращающ. момент на вторичный вал практически не передается. При возрастании магнитн. поля катушки вязкость ферромагнитной массы возрастает и предаваемый момент увелич.

Асинхронная электромагнитная муфта раб. на основе явления электромагнитной индукции. Вращающий момент при этом передается посредством магнитного поля, создаваемого обмоткой, расположенной на ведущей полумуфте. При ее вращении в ведомой полумуфте индуцируется ток, взаимод-й с магн. полем ведущей полумуфты. В резул. этого взаимодействия возникает вращающ. момент, увлекающий ведом. муфту за ведущей. Аналогично также будет иметь место и скольжение. По этой причине асинхронные электромагнитные муфты отн. к муфтам скольжения. Она также позв. плавно регулировать передачу вращающ. момента с ведущ. вала на ведомый и изменять скорость вращения ведомого вала при неизменной скорости вращения ведущего вала. Электромагнитные муфты имеют дост. высок. быстродействие и хорош. эксплуатационные кач-ва.

Устр-во, позволяющ. изменять направление или расход потока вещ-ва или энергии в соотв. с требованиями ТП, наз. регулирующим органом (РО).

Работоспособность РО опред-ся его характ-ми: диапазоном регулирования и раб. расходной хар-кой.

Отношение макс. расхода среды G_max к мин. G_min, соответствующему перемещению РО из одного крайн. положения h_min в другое h_max, наз. диапазоном регулирования R = G_max / G_min_.

Зависимость расхода G среды от положения h регулирующ. органа наз. рабочей расходной характеристикой G=f(h).

При разработке, выборе и наладке РО для обеспечения возможности эффективного управления ТП в шир. диапазоне нагрузок и при разн. режимах следует обеспечить дост. диапазон регулирования и линейную рабочую хар-ку в пределах этого диапазона. Используемые вс/х-м производстве РО можно разделить на три группы:

РО объемного, скоростного и дроссельного типа.