Локальные, централизованные и автоматизированные icon

Локальные, централизованные и автоматизированные


1 чел. помогло.
Смотрите также:
Локальные, централизованные и автоматизированные...
Локальные, централизованные и автоматизированные...
Экзамен Количество кредитов 5...
Тема: 12. Локальные вычислительные сети. Виды связи, используемой в системе фтс россии...
В. Е. Максименко локальные группы и особенности кочевнических комплексов...
Рабочая программа дисциплины «Автоматизированные информационные системы» для специальности...
Кафаров В. В., Макаров В. В...
Microsoft Access. Таблицы...
Автоматизированные системы контроля и управления движения на жд РФ...
Комплекс стандартов на автоматизированные системы Автоматизированные системы Термины и...
Комплекс стандартов на автоматизированные системы автоматизированные системы...
Автоматизированные информационные системы в экономике...



Загрузка...
скачать
1. Классификация и состав систем управления

В сфере промышленного производства сегодня практический интерес имеют системы управления трех категорий: локальные, централизованные и автоматизированные системы управления технологическими процессами.

К первой категории систем автоматики относятся локальные (местные) средства контроля, регулирования и управления. Эти системы находят широкое применение на хорошо изученных «простых» объектах управления с числом измерительных величин, не превышающих десятка, например, для котельных установок малой мощности, кондиционеров, холодильных агрегатов и других объектов. Они эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, слежение, программное и логическое управление, контроль и измерение) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.

Появление централизованных систем автоматики связано с ростом количества контролируемых параметров, с территориальным размещением объектов управления. Они разрешают реализовать новые функции по вычислению комплексных показателей эффективности работы отдельных агрегатов и технико-экономических показателей всего технологического процесса, вычислению на этой основе оптимальных управляющих действий и реализации этих действий или в виде вставок локальных регуляторов, или в виде непосредственного действия на исполнительное устройство.

Более высокие требования к качеству управления за счет повышения количества контролируемых параметров, осуществления более точного и комплексного контроля сырья и промежуточных продуктов, оптимального управления объектами на основе их математической модели создали предпосылки к использованию систем третьей категории - АСУТП. В этих системах объединяются решения задач контроля и регулирования технологических процессов, выбора оптимальных режимов и алгоритмов управления.

Несмотря на численное разнообразие систем управления, общим для них является наличие элементов: объекта управления, устройства управления, устройства связи с объектом, получение и использование информации (датчики).



^ 2. Подсистема аналогового ввода

Преобразовывает аналоговые физические величины в форму, пригодную для использования в устройстве управления. С помощью соответствующих датчиков аналоговые величины разной физической природы превращаются в большинстве случаев в постоянный ток или напряжение.

Основные функции оборудования подсистемы:

  • нормализация и усиление сигнала, фильтрация, ослабление сигнала, смещение уровня, преобразование и др.;

  • коммутация сигналов;

  • аналого-цифровое преобразование.

Разнообразные требования по стоимости и техническим характеристикам дают возможность вариации структуры подсистемы аналогового ввода на основе выбора метода обработки аналоговых сигналов.



Рисунок 1.2 –Структура подсистемы аналогового ввода с параллельными цифровыми вводами сигналов

На рис. 1.2 приведена структура, которая реализует принцип параллельной обработки аналоговых сигналов, поступающих от датчиков. Данная структура даёт возможность обеспечить максимальную производительность аппаратуры всех каналов подсистемы вследствие независимости обработки каждого сигнала и высокое качество преобразования сигналов вследствие возможности подсистемы обеспечить нужный уровень сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в каждом канале. Такой вариант построения подсистем имеет большое будущее, но на современном этапе развития микросхемотехники при его реализации имеет место высокая стоимость системы из-за сравнительно высокой стоимости интегральных схем АЦП.



Рисунок 1.3 –Структура подсистемы с параллельным аналоговым вводом и последовательным цифровым выводом сигналов

Другие варианты (рис.1.3) построения структуры подсистем аналогового ввода базируются на принципе последовательной обработки аналоговых сигналов, применения мультиплексирования, а также аналоговых схем выборки-хранения для фиксации аналоговых сигналов на входе АЦП.

Это дает возможность использовать только один АЦП независимо от количества аналоговых входов.

Хорошее качество преобразования обеспечено теми же функциональными блоками, которые входят в состав структуры (рис. 1.2). Производительность данной структуры находится в прямой зависимости от АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в таких подсистемах необходимо использовать АЦП, имеющие высокое быстродействие. Использование дополнительных элементов для обработки аналоговых сигналов мультиплексоров, схем выборки-хранения ухудшает характеристики точности подсистемы в целом. Практически идентичными техническими характеристиками по сравнению со структурой (рис. 1.3), обладает подсистема (рис. 1.4).

Аппаратные затраты для реализации подсистемы на основе структуры (рис. 1.3) более высокие по сравнению с затратами для построения структуры с одной схемой выборки-хранения (рис.1.4). Эту конфигурацию структуры наиболее рационально использовать в однократных событиях.




Рисунок 1.4– Структура подсистемы аналогового ввода с последовательным выводом сигналов

Простейшей, но обеспечивающей относительно низкое качество преобразования, является подсистема, построенная по структуре, приведенной на рис. 1.5.



Рисунок 1.5 – Рациональная структура подсистем аналогового ввода и аналогового вывода сигналов

Эта конфигурация структуры рациональная при условии существования сигналов высокого уровня, которые поступают с датчиков, и идентичности этих сигналов. В этом случае имеется возможность обеспечения необходимого качества преобразования при сохранении преимущества простоты реализации.

Из анализа возможных вариантов построения структур вытекает, что любой вариант реализуется на основе функциональных устройств: датчиков, устройств согласования, АЦП, цифровых мультиплексоров, аналоговых мультиплексоров, устройств выборки-хранения.

^ 3.Подсистема аналогового вывода

Во многом напоминает подсистему аналогового ввода и используется для представления на объект контроля сигналов в виде напряжения или тока, которые изменяются во времени по заданному закону. При преобразовании цифровых данных в аналоговый сигнал с помощью ЦАП выделяют две конфигурации подсистем аналогового вывода:

  • с цифро-аналоговым преобразователем в каждом канале;

  • с одним ЦАП, который работает в режиме распределения времени.

Первая конфигурация применяется там, где есть потребность в высокой скорости и точности. Вторая конфигурация менее ценная, так как применяется только один ЦАП. В этом случае подсистема должна
вмещать ряд исходных схем аналоговой памяти.

^ 4. Подсистема цифрового ввода-вывода.

Для систем автоматики характерны не только аналоговые входные и выходные величины, но и цифровые. Они могут быть представлены двумя состояниями, например, "включено" или "выключено", "в пределах" или "за пределами", "низкий уровень" или "высокий уровень". Кроме цифровых параметров, которые характеризуют состояние объекта, существуют выходные цифровые параметры, которые задают желательное состояние объекта. Например, при контроле объекта часто возникает необходимость включения или отключение блоков и модулей, которые его составляют.

В этих подсистемах в качестве преобразующих схем входных сигналов используют резистивные делители напряжения, диодные ограничители, компараторы, триггеры Шмидта, согласователи уровней.

Основная функция подсистемы цифрового вывода – функция ключа. Выбор типа ключа определяется значением мощности, которая коммутируется, а также величиной скорости переключения. Электромеханические реле используют в основном для управления средней и большой мощностью при низких скоростях переключения. Они обеспечивают полную гальваническую развязку цепи.

Более надежными элементами являются полупроводниковые ключи (биполярные и полевые транзисторы).

Для коммутации цепей переменного тока средней и большой мощности часто используются кремниевые выпрямители, которыми можно управлять. Практически совершенными переключающими характеристиками обладают полевые транзисторы. Для гальванической развязки полупроводниковых ключей используют оптоэлектронные пары.

^ 5. Способы управления технологическими объектами

Любое управление строится на основе информации о состоянии объекта управления и сопоставления информации с целью управления и формирования по результатам этого сопоставления соответствующего управляющего воздействия. Все эти задачи решаются управляющим устройством, в качестве которого в системах управления все чаще используются средства вычислительной техники (СВТ). К ним относятся микропроцессоры, микроконтроллеры и персональные компьютеры.

Управление технологическими объектами с использованием СВТ можно осуществлять тремя способами:

  • управление в режиме советника;

  • супервизорное управление;

  • непосредственное цифровое управление.

На рис. 1.6 приведена схема системы управления с использованием СВТ в режиме советника.



Рисунок 1.6 – Режим советника


Информация о состоянии объекта управления снимается с датчиков, обрабатывается и в удобной форме предоставляется оператору (О). Характерная особенность такого режима - формирование влияния на объект управления оператором через исполнительные органы системы.

В режиме супервизорного управления выполняется автоматическая коррекция установок локальных регуляторов с помощью постоянного подключения выводов управляющего устройства через устройство связи с объектом до установок локальных аналоговых регуляторов. В этом случае СВТ работают в замкнутом контуре второго уровня управления и используются для решения задач статической оптимизации технологических объектов управления.

При непосредственном цифровом управлении предполагается выполнение следующих операций:

  • определение в СВТ ошибки несогласования между задающим воздействием и полученным значением;

  • опрос датчиков в дискретные моменты времени, превращение информации в цифровой код и введение в запоминающее устройство средств вычислительной техники;

  • формирование управляющего воздействия с помощью алгоритма управления;

  • преобразование цифрового сигнала в аналоговый управляющий и выдача его на исполнительный механизм (орган).

Схема системы управления в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) представлена на рис. 1.7.



Рисунок 1.7 – Режим НЦУ

Информационная связь между системой управления и ОУ осуществляется с помощью датчиков и исполнительных органов. Отличительной особенностью работы СВТ в режиме непосредственного цифрового управления является наличие предельно допустимой задержки между моментами введения информации, обработки и выдачи управляющего воздействия.

При реализации контуров НЦУ применяются синхронный и асинхронный принципы связи управляющих СВТ с объектом. При синхронном обмене процесс управления разбивается тактовыми импульсами на такты, за это время осуществляются снятие данных с ОУ, их обработка и выдача управляющего воздействия. При асинхронном обмене в СВТ поступают импульсы от датчиков прерывания, при этом на некоторое время прерывается выполнение основной программы, запоминается промежуточная информация и выполняется подпрограмма по сигналу прерывания. После этого осуществляется возвращение к прерванной программе.

^ 6. Технологические процессы как объекты управления

Технологические процессы представляют собой первичное звено создания материальных ценностей, обеспечивающее производство необходимой для общества продукции. Во всех технологических процессах происходит преобразование или перенесение материалов, энергии и информации.

Технологические процессы как объекты управления можно поделить на следующие группы:

  • непрерывные технологические объекты, в которых перемещение материалов, энергии и информации происходит в виде потоков, обеспечивающих непрерывное функционирование объекта (в химической, газовой, нефтехимической промышленности, в энергетике и т.п.);

  • непрерывно-дискретные технологические объекты, в которых процессы протекают в ограниченном времени, а перемещение материалов, энергии и информации происходит в виде непрерывных потоков (в металлургии и химической промышленности, например, вулканизации, полимеризации);

  • дискретные технологические объекты, которые характеризуются однократным протеканием процессов и перемещением материалов, энергии, информации в виде отдельных элементов (в машиностроении при изготовлении деталей).

Для того чтобы представить технологический процесс как объект управления, необходимо абстрагироваться от конкретных физических, химических или технологических условий, их характеристик, определяющих условия протекания технологических процессов. Это необходимо для создания общих принципов и методов представления объекта в теории управления независимо от разной природы объектов. При этом конкретные особенности каждого объекта должны учитываться при разработке его математической модели, способов получения информации от объекта и вывода управляющих воздействий на объект.

Рассмотрим технологический процесс в виде многомерного объекта (рис. 2.1).



Рисунок 2.1 – Схема многомерного объекта

К входным переменным Х(t)={Х1(t),...,Хn(t)} относятся параметры сырья и теплоносителей (давление, температура, химический состав, концентрация), а также параметры разных компонентов, которые принимают участие в протекании технологического процесса (температура, давление, например, воздуха, воды и инертного газа).

К выходным переменным Y(t) = {Y1(t),...,Yn(t)} можно отнести параметры выходного продукта (химический состав, размеры, концентрацию), режимные параметры объекта (температуру и давление продукта на выходе), технико-экономические показатели объекта (производительность, коэффициент полезного действия, себестоимость, затраты сырья). На технологические объекты действуют измеряемые и неизмеряемые возмущения, которые характеризуют условия протекания процесса

. (2.1)

К этим переменным относятся температура и влажность окружающей среды, наличие примесей в исходном сырье, а также параметры, которые определяют состояние объекта (активность катализатора, кристаллизация на внутренних стенках трубопроводов и т.д.). Значение переменных Y(t) зависит от входных переменных Х(t) и возмущений . В качестве управляющих воздействий может применяться часть входных переменных. При создании системы управления невозможно учитывать все переменные, которые влияют на ход технологического процесса. Поэтому в системе управления принимают участие только основные переменные, прежде всего те, которые определяют ход процесса.

При рассмотрении технологического процесса как объекта управления необходимо:

  • изучить технологическую схему;

  • представить технологический процесс в виде некоторого числа систем, связанных между собой материальными потоками;

  • получить приближенные оценки статистических параметров материальных потоков с целью отбора существенных параметров для дальнейшего создания математической модели и разработки системы управления.

^ 7. Устройства получения информации

Устройства получения информации предназначены для сбора и преобразования информации без изменения ее содержания о контролирующих и управляющих параметрах технологических процессов. К устройствам получения информации о состоянии процесса относятся чувствительные элементы или датчики, измерительные и нормирующие преобразователи. К этой же группе устройств относятся релейные (позиционные) преобразователи.

Измерительный преобразователь это совокупность чувствительного элемента, измерительного и нормирующего преобразователей. Нормирующие
преобразователи переводят выходной сигнал измерительного преобразователя с естественным выходом в унифицированный сигнал.

В настоящее время наиболее распространенные выходные сигналы: величины постоянного и переменного токов, напряжения, импульсы, модулированные по амплитуде, ширине, фазе или частоте и давление воздуха. Величины основных унифицированных сигналов установлены соответствующими стандартами и приведены в табл. 2.2.


Таблица 2.2 –Унифицированные сигналы преобразователей



Для организации введения данных из датчиков необходимо осуществить опрос датчиков и определить значение измеряемых величин согласно показателям датчиков. Режим получения данных с объекта управления реализуется с помощью циклического и адресного опроса датчиков. При циклическом опросе датчики периодически опрашиваются в предварительно заданной и установленной последовательности. При этом в каждом цикле (такте квантования) отдельные датчики опрашиваются несколько раз через промежутки времени . Результаты опросов усредняются, и средние значения запоминаются. После этого через промежуток времени, который равен периоду квантования , весь процесс повторяется, т.е. датчики снова опрашиваются раз с дискретностью , и результаты опроса усредняются. Для большей точности желательно, чтобы при ограничении .

При адресном опрашивании по адресу, указанному оператором или определенному автоматически, опрашивается один или несколько датчиков. Для использования результатов опрашивания в алгоритмах управления необходимо определить истинные значения измерительных величин согласно показателям датчиков. Исходный сигнал датчика с истинным значением измерительного параметра X в общем случае заменяется нелинейной зависимостью вида . Для определения измерительной величины X по показателям датчика разработано много алгоритмов.

^ 8. Единицы магнитных величин.

Основной характеристикой магнитных материалов (веществ) является магнитная проницаемость или относительная магнитная проницаемость

 (1)

где ^ B (тл) — магнитная индукция поля в данном веществе;

Н (а/м) — напряженность магнитного поля.

Магнитная проницаемость (1) показывает, во сколько раз проницаемость вещества больше проницаемости вакуума  (магнитная постоянная).

При расчетах по формуле (1) используются кривые намагничивания B=f(H) для данного магнитного материала.

Магнитная индукция в веществе определяется как:

 , (2)

где Ф (Вб) — магнитный поток (поток магнитной индукции);  (м2) — площадь магнитного материала (сердечника), через которую проходит магнитный поток.


Для оценки напряженности магнитного поля используется выражение

 (3)

где  (A) — ток в катушке индуктивности; — число витков катушки индуктивности;  (а) — намагничивающая сила (магнитодвижущая сила — М.Д.С.);  (м) — средняя длина магнитного потока (длина средней линии магнитной индукции)

Сопротивление магнитной цепи (магнитное сопротивление) определяется выражением

, (4)

Обратная величина  называется магнитной проводимостью

 (5)

Характеристикой сцепления витков (^ W) катушки индуктивности с магнитным потоком (Ф) является потокосцепление

 (Вб), (6)

Индуктивность катушки связана с потокосцеплением и током в её обмотке следующей зависимостью

(Гн), (7)

С учетом (1, 2, 3, 4, 6) выражение (7) для оценки индуктивности можно представить в виде

 (Гн). (8)

^ 9. Тяговый электромагнит

Тяговый электромагнит является основным элементом, реализующим линейные или круговые перемещения подвижных объектов в электромагнитных исполнительных устройствах.

К преимуществам можно отнести сравнительно высокое быстродействие (время перемещения не более десятков миллисекунд), высокую точность (точность расположения объекта в начальной и конечной точках перемещения определяется погрешностями размещения механических ограничителей или упоров), простота конструкции и высокая надежность.

На рисунке 2 представлена конструкция линейного нереверсивного (нейтрального) электромагнита. В исходном состоянии под действием возвратной пружины якорь смещается до соприкосновения с корпусом в положение с максимальным воздушным зазором (первое устойчивое положение).

П
ри подключении катушки электромагнита к источнику напряжения или тока возникает постоянное магнитное поле, которое формирует на упорах 1,2 (полюсных наконечниках) разноименные полюса S,N.


Рисунок 2. Тяговый электромагнит


Таким образом, между полюсами S,N возникает сила электромагнитного притяжения (электромагнитная сила Рэ), которая перемещает якорь до соприкосновения упоров 1,2 в положение с минимальным воздушным зазором (второе устойчивое состояние). Параметр Рэ является тяговой характеристикой электромагнита.

Т
яговая характеристика (16) представлена на графике (рисунок 3)

Рисунок 3. Тяговые характеристики (а)

и коническая конструкция полюсных наконечников электромагнита (б)


Недостатком характеристики Рэ (рисунок 3а) является ее высокая крутизна при небольших воздушных зазорах . Для устранения данного недостатка необходимо использовать коническую форму полюсных наконечников электромагнита (рисунок 3б).

^ 10. Принцип работы реверсивных электромагнитов.

Н
а рисунке 5а представлен один из вариантов конструкции реверсивного (поляризованного) электромагнита дифференциального типа с поступательным (плавным) перемещением якоря.

Рисунок 5. Конструкции реверсивных (поляризованных) электромагнитов:

а – с поступательным движением якоря; б – с круговым движением якоря.


Основное отличие многофункционального электромагнита (рисунок 5а) от нереверсивного (рисунок 2) заключается в наличии в нем двух катушек, включаемых в дифференциальную схему управления. Таким образом, изменяя разность токов (с учетом знака разности) управления обеими катушками, представляется возможным перемещать якорь в одном из направлений ,  с заданной скоростью. Существенным преимуществом электромагнита (рисунок 5) является возможность позиционирования якоря в промежуточных точках данных направлений. Если необходимо реализовать реверсивные круговые движения якоря целесообразно использовать электромагнит, представленный на рисунке 5б. Поляризация (реверсивные свойства) здесь осуществляется путем применения постоянного магнита (N,S), который служит в качестве якоря и имеет цилиндрическую форму. Он намагничен по диаметру и располагается в цилиндрической выточке магнитопровода.

Когда ток в катушке отсутствует, постоянный магнит удерживается пружиной в таком положении, что полюсы (N,S) его размещаются вертикально. При включении постоянного тока катушки, магнит (якорь) стремится повернуться так, чтобы полюсы его расположились горизонтально. В зависимости от направления тока в катушке якорь будет поворачиваться в ту или другую сторону.

^ 11. Электромагнитные реле

Электромагнитные реле широко применяются в системах автоматизации технологических процессов в качестве элементов управления и защиты исполнительных устройств, а так же в измерительных преобразователях релейного типа. Они предназначены для преобразования маломощных аналоговых сигналов в электрические сигналы управления большой мощности , изменяющихся скачкообразно.

Структурная схема электромагнитных реле представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Структурная схема электромагнитных реле.


Электромагнитные реле включают в свою структуру два основных элемента – тяговый электромагнит и контактную группу, которые связаны механически. При подаче входного сигнала () срабатывает электромагнит и происходит механическое перемещение контактов контактной группы, таким образом, осуществляется коммутация выходных сигналов().

Классификацию магнитных реле можно представить в виде диаграммы

(рисунок 9).

Рисунок 9. Диаграмма классификации электромагнитных реле.

По типу входного сигнала следует различать электромагнитные реле постоянно тока, переменного тока, универсальные (срабатывающие как от постоянного, так и от переменного тока) и измерительные (предназначенные для реализации датчиков электрических и физических величин).

Согласно рисунку 9 второй уровень диаграммы предусматривает классификацию электромагнитных реле по конструктивному признаку контактной группы – негерметизированные контакты и герметизированные контакты. Реле с герметизированными контактами (герконы) часто используется в качестве датчиков электрических и физических величин.

Основным признаком классификации электромагнитных реле на третьем уровне диаграммы (рисунок 9) является чувствительность к измерению полярности входного управляющего сигнала постоянного тока.

Реле, у которых направление перемещения якоря не зависит от полярности выходного сигнала, называют нейтральными. В противном случает реле, обладающие чувствительностью к изменению полярности входного сигнала относятся к классу поляризованных электромагнитных реле.

^ 12. Принцип работы электромагнитного реле постоянного тока

Р
исунок 10 иллюстрирует конструкции нейтральных и поляризованных реле постоянного тока.

Рисунок 10. Конструкции электромагнитных реле постоянного тока:

а – нейтральное реле; б – поляризованное реле.


Нейтральное реле постоянного тока (рисунок 10а) состоит из корпуса 1 (магнитопровода), сердечника 2 с полюсным наконечником 3, подвижного якоря 4, обмотки электромагнита 5, штифта отлипания 6, возвратной пружины, изолирующего держателя 8 и контактных пружин 9.

В исходном состоянии под действием возвратной пружины якорь находиться на максимальном удалении от полюсного наконечника (воздушный зазор максимальный). При подаче входного сигнала (постоянного тока) в обмотку электромагнита между полюсным наконечником и якорем возникает разность магнитных потенциалов (формируются разноименные магнитные полюса) которая создает сила электромагнитного притяжения, притягивающая якорь к полюсному наконечнику сердечника.

Якорь, поворачиваясь относительно корпуса реле изгибает нижнюю контактную пружину и происходит соприкосновение контактов нижней и верхней контактных пружин. Таким образом, формируется выходной сигнал реле. Упругость контактных пружин обеспечивает необходимое контактное давление.

После притяжения якоря к полюсному наконечнику между ними остаётся небольшой воздушный зазор, равный высоте штифта отлипания. Этот зазор увеличивает сопротивление магнитной цепи и уменьшает остаточное намагничивание якоря, что не позволяет ему оставаться пригнутом состоянии при отсутствии .

При якорь под действием возвратной и контактных пружин возвращается в исходное состояние, контакты реле размыкаются ().

Разновидностью реле постоянного тока является поляризованное реле (рисунок 10б), отличающиеся тем, что перемещения якоря в нем зависит от направления тока в обмотках.

Основными элементами данного типа реле с дифференциальной магнитной системой являются: магнитопровод 1, обмотка электромагнита 2, постоянный магнит 3, якорь с подвижными контактами 4, возвратные пружины 5, неподвижные контакты 6.

При отсутствии входного сигнала (отсутствии тока в обмотках), якорь под действием возвратных пружин находится в центральном положении. Усилия и действующие на якорь от постоянного магнита, равны и противоположны. При подаче тока () в обмотку электромагнита образуются магнитные поля , и соответствующие усилия . Суммарные усилия в левой части магнитопровода складываются(), а в правой — вычитаются (), что приводит к перемещению якоря с подвижным контактом в сторону левого неподвижного контакта и замыкание этих контактов между собой (появление ). При изменении полярности входного сигнала направления магнитных полей , меняются на противоположные и соответственно якорь с подвижным контактом перемещается в сторону правого неподвижного контакта (появляется сигнал ).

Наличие в структуре поляризованного реле (рисунок 10б) дополнительного источника (постоянного магнита) тяговых усилий на подвижный якорь, способствует существенному по сравнению с нейтральным реле (рисунок 10а) повышению их чувствительности и быстродействию.

^ 13. Статистические х-тики управления эл-магнитным реле.

Процессы скачкообразного изменения выходных электрических сигналов () реле от входных () характеризуются статическими характеристиками управления представленными на рисунке 11 а, б, в

.

Рисунок 11. Статические характеристики управления:

а – нейтральных реле с замыкающими контактами;

б – нейтральных реле с размыкающими контактами;

в – поляризованных реле.


Статическая характеристика (рисунок 11а) отображает процессы переключения нейтрального реле постоянного тока с замыкающими контактами. При изменении входного сигнала от до реле не изменяет своего состояния. Как только входной сигал достигает , (напряжение, ток) скачкообразно изменяется от до . Дальнейшее увеличение входного сигнала не изменяет величину выходного сигнала ().

При уменьшении входного сигнала выходной сигнал не изменяется () до момента равенства (ток отпускания) после чего выходной сигнал скачкообразно изменится от до .

Неравенство принято оценивать коэффициентом возврата

, (25)

где — ток в обмотке реле (ток срабатывания), под действием которого при зазоре якорь притягивается к сердечнику,

— ток отпускания, действие которого при зазоре не в состоянии создать электромагнитное усилие, удерживающее якорь в притянутом состоянии.

Коэффициент (25) характеризует относительную ширину релейной петли статической характеристики (рисунок 11), и чем ближе величина к 1, тем эффективнее процессы коммутации выходных сигналов реле.

Статическая характеристика (рисунок 11б) иллюстрирует процессы коммутации в нейтральных реле постоянного тока с размыкающими контактами.

Отличием реле с характеристикой (рисунок 11б) от реле с характеристикой (рисунок 11а) является инвертирование выходного сигнала Y. Как видно из рисунка 11б при (отсутствие входного сигнала) входной сигнал , а при (наличие входного сигнала) выходной сигнал отсутствует или имеет минимальное значение ().

Статическая характеристика поляризованных реле постоянного тока приведена на рисунке 11в. Основным отличием данной характеристики от характеристик (рисунок 11а, б) является её реверсивный характер — при изменении знака сигнала на входе меняется знак сигнала на выходе, а при реле остается в состоянии, в котором находилось до этого.

^ 14. Принцип регулирования временных х-тик реле.

На практике принято классифицировать реле на быстродействующие , нормальные и замедленные . При использовании реле в системах автоматического управления возникает необходимость в регулировании их временных характеристик ().

Существуют конструктивные и схемные методы регулирования реле. К конструктивным методам можно отнести: уменьшение или увеличение массы подвижных элементов реле, изменение упругости возвратной пружины, изменение величины воздушного зазора , уменьшение или увеличение воздействия на вихревых токов в конструктивных элементах, использование дополнительных обмоток электромагнита.

Н
а принципиальных схемах реле обозначаются в виде, представленном на рисунке 13а, где – условное обозначение электромагнита, — нормально разомкнутые контакты, — нормально замкнутые контакты, — переключающиеся контакты.

Рисунок 13. Условное обозначение (а) и схемы (б, в, г, д) регулирования временных характеристик реле

Согласно выражению для постоянной времени быстродействие реле (уменьшение ) можно повысить за счет включения последовательно с обмоткой реле (рисунок 13б) добавочного резистора (). При этом необходимо одновременно повысить напряжение сети питания реле с целью исключения потери напряжения на .

Еще большее ускорение можно получить при шунтировании емкостью (рисунок 13в).

За счет зарядного тока емкости ток в обмотке реле в момент ее включения быстрее достигает значения . После того, как емкость разрядилась, она не оказывает влияния на работу реле.

Параллельное включение к обмотке реле резистора (рисунок 13г) при низком выходном сопротивлении источника питания не оказывает влияния на , однако при отключении обмотки реле с индуктивностью от сети питания возникает ЭДС самоиндукции.

, (27)

где — показатель скорости изменения тока в обмотке реле.

При замыкании на (рисунок 13г) в обмотке реле образуется ток и магнитное поле, удерживающее якорь некоторое время после отключения реле от источника питания, тем самым увеличивая . Недостатком данного метода увеличение является потеря мощности на резисторе (резистор постоянно подключен к источнику питания).

Для устранения указанного недостатка необходимо обмотку реле шунтировать диодом, как показано на рисунке 13д. Согласно рисунку 13д диод заперт до момента времени отключения обмотки от и срабатывает (увеличивает ) при выключении реле аналогично шунтирующему обмотку (рисунок 13г) небольшой величины.

Шунтирование обмотки реле емкостью (рисунок 14а) при низком выходном сопротивлении источника питания так же, как в схеме (рисунок 13г), не оказывает влияния на параметр (емкость заряжается мгновенно).



Рисунок 14. Схемы регулирования временных характеристик реле:

а – с замедлением отпускания; б, г, д – с замедлением срабатывания и отпускания;

в – с ускорением срабатывания


Однако при выключении реле происходит заряд на обмотку реле (рисунок 14а) с постоянной времени и соответственно выражению 21 увеличению . Если источник имеет относительно большое внутренне сопротивление или последовательно с обмоткой реле включен резистор (рисунок 14б), то данная схема осуществляет с постоянной времени задержку как , так и .

Большие возможности по регулированию параметров открывает использование реле с двумя обмотками, в том числе использование дополнительных короткозамкнутых витков (токопроводящих шайб и гильз).

На рисунке 14г представлена схема ускорения срабатывания реле (уменьшения ) за счет использования дополнительной (ускоряющей) обмотки 2, выполненной более толстым проводом, чем основная (рабочая) обмотка 1 и с меньшим, чем у обмотки 1, числом витков.

Обмотка 2 рассчитана на кратковременное протекание больших токов, и она не успевает перегреваться, а другая обмотка 1 рассчитана на длительное подключение к источнику питания . Через нормально замкнутые контакты обмотка 2 подключается к источнику питания .

Поскольку ток, протекающий через обмотку 2 в момент включения существенно выше, чем в рабочей обмотке 1, она формирует мощное тяговое усиление и реле срабатывает за минимальный промежуток времени .

После срабатывания реле контакты размыкаются, и обмотки 1, 2 соединяются последовательно, а ток, протекающий через обмотки 1, 2, уменьшается и становится достаточным для удержания якоря реле в положении минимального воздушного зазора .

На рисунке 14д представлено двухобмоточное реле постоянного тока с включением емкости последовательно с дополнительной обмоткой 2. Обмотки реле 1, 2 включены встречно. При подключении данного реле к источнику питания в обмотках 1, 2 (в обмотке 2 за счет зарядного тока емкости ) создаются встречно действующие магнитные поля и происходит задержка срабатывания реле (увеличение ) . По мере заряда емкости С магнитное поле обмотки 2 ослабляется и реле срабатывает. При отключении реле от источника питания конденсатор С разряжается через обмотки 1, 2 и реле отключается с выдержкой времени .

Широко используется на практике метод регулирования с применением короткозамкнутых обмоток или короткозамкнутых витков (различного рода токопроводящих шайб, гильз, каркасов). Их иногда называют методами магнитного демпфирования перемещения якоря реле.

При включении рабочей обмотки реле возникают мгновенные изменения магнитного потока в сердечнике. Эти изменения обуславливают в дополнительной короткозамкнутой обмотке ЭДС индукции.

, (28)

где — число витков второй короткозамкнутой обмотки ,

— характеристика скорости изменения магнитного потока в сердечнике реле.

В второй короткозамкнутой обмотке ЭДС (28) создает ток, и следовательно, дополнительный магнитный поток в сердечнике реле, направленный противоположно магнитному потоку рабочей обмотки. Подобного рода реакция второй дополнительной обмотки на изменение магнитного потока в рабочей обмотке увеличивает . Аналогичные процессы происходят при выключении реле, приводящие к увеличению .

Если короткозамкнутый виток в виде шайбы из токопроводящего материала находится на полюсном наконечнике реле, то при изменении магнитного потока в сердечнике (включение или выключение реле) в токопроводящей шайбе наводится ЭДС (28). Данная ЭДС образует дополнительное магнитное поле, которое при включении реле отталкивает якорь от полюсного наконечника (увеличивает ), а при его выключении некоторое время удерживает якорь в положении минимального воздушного зазора (увеличивает ).

^ 15. Конструктивные параметры контактной групп э-м реле.

На надежность и долговечность реле большое влияние оказывают конструктивные и электрические параметры их контактной группы. К контактам реле предъявляются требования обеспечения надежности электрического соединения, долговечности и стойкости их к влиянию внешней среды.

Конструктивные особенности распространенных в настоящие время контактов реле представлены на рисунке 15.

Р
исунок 15. Конструктивные особенности контактов реле:

а – плоско-конические контакты; б – плоско-сферические контакты;

в – плоские контакты; г – двойные контакты.


В начальный момент соприкосновение контактов из-за наличия оксидной пленки, шероховатости и различных дефектов их поверхности, переходное контактное сопротивление велико (площадь соприкосновения контактов минимальна). По мере увеличения силы, сдавливающей контакты (контактного давления) происходит продавливание оксидной плёнки и сглаживание неровностей металла, в результате чего увеличивается площадь соприкосновения контактов и существенно уменьшается.

Для оценки контактного сопротивления можно воспользоваться следующим выражением


, (33)

где a — коэффициент характеризующий материал контактов, чистоту обработки контактной поверхности и степень ее окисления

(для серебра );

b — коэффициент формы контактов {для плоских контактов (рисунок 15г) b=1, для точеных контактов (рисунок 15а) b=0,5}.

Наиболее тяжелый режим работы контактов является разрыв цепи нагрузки.

При размыкании контактов увеличивается и соответственно выделяется большое количество тепла на контактном переходе. В результате интенсивного локального (точечного) нагревания образуется мостик из расплавленного металла, который разрывается вблизи одного контакта и происходит перенос металла с одного контакта на другой (особенно при разрыве цепи постоянного тока).

Одновременно между разомкнутыми контактами ионизируется воздушный зазор и вследствие чего возникает электрическая дуга или искра. Данное обстоятельство приводит к интенсивному окислению и обгоранию контактов. На процессы образования искры (дуги) большое влияние оказывает параметры цепи, которую размыкают контакты и наличие в цепи источника питания постоянного или переменного тока.

Чем больше значение имеет индуктивность в цепи нагрузки и чем меньше её активное сопротивление, тем больше согласно выражению 27 ЭДС индукции на размыкаемых контактах и соответственно токи размыкания нагрузки, а следовательно больше интенсивность дуги.

При размыкании контактов на переменном токе в момент прохождения тока через нуль дуга обрывается. Поэтому контакты на переменном токе могут разрывать в 3, 4 раза большую мощность, чем на постоянном токе.

^ 16. Схемы дугогашения контактов реле.

В настоящее время для дугогашения (искрогашения) используют следующие основные методы:

  • дугогашение с помощью электромагнитов или магнитов (с помощью магнитного поля дуга вытесняется из воздушно зазора между контактами);

  • применение тугоплавких металлов и сплавов в качестве материалов контактов (металлокерамики, вольфрама и его сплавов);

  • увеличение расстояний между контактами;

  • размещение контактов в масле, где образование дуги затруднено из-за отсутствия кислорода;

  • применение дугогасящих дополнительных контактов из вольфрама и схем дугогашения.

В связи с тем, что при замыкании цепи нагрузки, содержащей индуктивность возникает ЭДС самоиндукции, превышающая напряжение 300 В (напряжение зажигания дуги), большинство схем дугогашения содержат элементы, замедляющие изменение тока ().

Н
а рисунке 16а, б представлены схемы дугогашения (искрогашения), содержащие цепочку элементов , шунтирующих либо индуктивную нагрузку (рисунок 16а), либо контакты реле (рисунок 16б).

Рисунок 16. Схемы дугогашения контактов реле:

а – с шунтированием нагрузки; б – с шунтированием контактов; в – с шунтирующим диодом


Цепочка , включенная параллельно нагрузке (рисунок 16а) или контакту К (рисунок 16б) уменьшает напряжение на контакте за счет того, что энергия, выделяемая на индуктивности расходуется на заряд конденсатора . Таким образом максимальное напряжение на конденсаторе возникает с некоторой задержкой времени и контакты К успевают разойтись на расстояние при котором дуга не возникает (с увеличением расстояния между контактами увеличивается допустимое пробивное напряжение).

Резистор , включенный последовательно с конденсатором, необходим для ограничения тока разряда конденсатора при повторном замыкании контакта.

Схема дугогашения (рисунок 16в) с шунтирующим диодом VD работает аналогично схемам (рисунок 16 а, б). В начальный момент времени (контакт К замкнут) диод VD заперт. При замыкании контакта К ЭДС самоиндукции (27) меняет полярность, диод VD открывается и шунтирует с внутренним сопротивление близким к нулю.

^ 17. Конструкция реле переменного тока.

Для коммутации мощной нагрузки (электромагнитов и электрических двигателей) часто используются реле переменного тока. Если реле постоянного тока включить в сеть переменного тока с частотой 50 Гц, то возникнет вибрация якоря (пульсация тягового усилия) с частотой 100 Гц (ток в обмотке реле два раза за период переходит через ноль).

Подобного рода вибрация не допустима, так как резко снижается надежность реле (изнашиваются и подгорают контакты). Очевидно для устранения вибрации, в конструкции реле переменного тока необходимо предусмотреть наличие двух магнитных потоков сдвинутых один относительно другого по фазе на угол .

Из выражения () следует, что тяговое усилие не зависит от направления тока (в оба полупериода усилие направлено в сторону уменьшения воздушного зазора якоря ).

Если реле питается переменным током , то , где - соответственно мгновенное и действующее значения токов в обмотках реле. С учетом приведенных выше выражений тяговое усилие на якорь реле переменного тока будет иметь значение

, (34)

где — средне значение (постоянная составляющая) тягового усилия.

В
двух обмоточном реле (рисунок 17а) с помощью реактивных элементов (индуктивностей, ёмкостей) создается фазовый сдвиг во времени между токами .

Рисунок 17. Конструкции реле переменного тока:

а – с двумя обмотками ; б, в – с кротко замкнутым витком.


Как следует из рисунка 17а, результирующее тяговое усилие будет равно сумме тяговых усилий и двух обмоток реле и с учетом выражения (34) составит

(35)

Анализ выражения (35) показывает, что результирующее тяговое усилие реле переменного тока (рисунок 17а) имеет пульсирующий характер (постоянную и переменную составляющие) и в любой момент времени не достигает нулевого значения (сдвиг фаз на величину создаёт эффект сглаживания пульсаций). Это означает, что якорь реле в любой момент времени находится в притянутом состоянии при подключении реле к источнику переменного тока.

Аналогичный эффект может быть достигнут за счет размещения на раздвоенном полюсном наконечнике короткозамкнутого витка. Как видно из рисунка 17б,в в подобного рода полюсном наконечнике (рисунок 17б, в) два магнитных потомка основной и дополнительный , проходящий через короткозамкнутый виток. Поскольку короткозамкнутый виток можно рассматривать как вторичную обмотку трансформатора, то отстает по времени от на угол . Суммарное тяговое усилие в данном случае также характеризуется выражением (35) и в любой момент времени не достигает нулевого значения (достаточно эффективно устраняется вибрация).

Для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис сердечник реле переменного тока собирается из наборных пластин электротехнической стали, как показано на рисунке 17в.

Одним из существенных недостатков реле обычного (негерметизированного) исполнения, является воздействие на них отрицательных факторов внешней среды (пыль, загрязнение, повышенная влажность), приводящих к окислению и коррозии. К этому следует добавить, что реле данного типа имеют сравнительно низкое быстродействие, обусловленное наличием электромагнита с большой индуктивностью обмотки и массивным якорем.

^ 18. Конструкция герконовых реле.

Герконовые реле представляют собой (рисунок 18) стеклянную капсулу, заполненную инертным газом (азотом, аргоном) в которую запрессованы ферромагнитные (пермолоевые) контактные пружины. Контрактные пружины выполняют одновременно функции контактов, упругих элементов и части магнитпровода. Для уменьшения контактного сопротивления на концы контактных пружин наносится слой серебра (золота),выполняющий так же роль не магнитной прокладки (для исключения залипания контактов).



а) б) в) г) д)


Рисунок 18. Конструкции герконовых реле с контактами:

а – на замыкание; б – на размыкание; в – на переключение;

г – с множеством контактов; д – с переключением контактов от постоянного магнита.


Стеклянная капсула с контактными пружинами помещается во внутрь обмотки соленоидного электромагнита. Дополнительно для уменьшения магнитного потока рассеивания электромагнита герконовое реле снабжается стальным магнитопроводом (рисунок 18а).

Принцип действия герконовых реле с контактами на замыкание (рисунок 18а) заключается в следующем. При подаче тока в обмотку электромагнита, возникает магнитный поток, который замыкается внутри обмотки по контактным пружинам, а так же по магнитопроводу. Контактные пружины магнита намагничиваются и приобретают противоположную полярность (формируется разность магнитных потенциалов) в результате чего в воздушном зазоре между контактами возникает сила электромагнитного притяжения, которая, преодолевая противодействие упругих сил контактных пружин, приводит к замыканию контактов. При отключении обмотки от источника питания магнитный поток уменьшается до нуля, и контакты возвращаются в исходное состояние.

Аналогичным образом работают реле с размыкающимися (рисунок 18б) и переключающимися (рисунок 18в) контактами. Только в реле (рисунок 18б) при подаче тока в обмотку контактные пружины намагничиваются и приобретают одноименную полярность, поэтому возникающая сила размыкает контакты.

Переключающее герконовое реле (рисунок 18в) отличается от реле (рисунок 18а) наличием дополнительного неподвижного контакта при подключении данного реле к источнику питания верхний подвижный контакт перемещается по направлению к дополнительному контакту и замыкает его. Одновременно размыкается основной неподвижный контакт. Таким образом происходит переключение входного сигнала с одного контакта на другой.

Внутри соленоидного электромагнита может находтся множество капсул с контактными пружинами, (рисунок 18г) что позволяет коммутировать с помощью герконовых реле одновременно множество электрических цепей.

Большим преимуществом герконовых реле по сравнению с обычными является существующая у них возможность срабатывания от постоянных магнитов (рисунок 18д). При приближении постоянного магнита к контактным пружинам его магнитное поле замыкается через контактные пружины, которые намагничиваясь приобретают противоположную полярность (рисунок 18д).

Таким образом формируется сила электромагнитного притяжения и контакты замыкаются. При удалении постоянного магнита от контактных пружин уменьшается и контакты возвращаются в исходное состояние (размыкаются).

Основными особенностями герконовых реле являются: на порядок более низкие чем у обычных реле значения воздушного зазора между контактами, отсутствие якоря и возвратных пружин, существенно более низкие значения механических сил противодействия силе электромагнитного притяжения контактов (сила формируется одной контактной пружиной), дребезг контактов (многократное срабатывание) при замыкании, обусловленный малой массой контактных пружин.

С учетом перечисленных особенностей, для обеспечения заданных значении силы в герконовых реле необходимо иметь на порядок более низкие значения , а следовательно индуктивность соленоидного элетромагнита будет существенно ниже индуктивности электромагнита реле обычного типа.

Сравнительно низкие значения наряду с отсутствием массивного якоря и малыми значениями и (воздушного зазора между контактами) приводят к тому, что время срабатывания и отпускания герконовых на одни (два) порядка меньше чем у обычных реле. Дополнительные затраты времени на дребезг контактов герконовых реле могут быть устранены схемным путем (применением различных триггерных схем). К преимуществам герконовых реле следует отнести виброустойчивость, радиационную устойчивость и сравнительно невысокую стоимость (процессы изготовления герконов поддаются полной автоматизации).

^ 19. Электромагнитные опоры.

Актуальной задачей для многих практических применений является обеспечение виброустойчивости технических систем. Например задача управления жесткостью амортизаторов транспортных средств в соответствии с профилем дорожного покрытия.

Подобно рода задачи могут быть эффективно решены с помощью электромагнитных опор.

На рисунке 6а представлена конструкция соленоидной (с цилиндрической катушкой) электромагнитной опоры. При возбуждении электромагнита (подключении катушки к источнику постоянного тока), якорь из ферромагнитного материала тяговым усилием перемещается из исходного состояния (координата ) в вертикальном направлении.

Н
а якорь действует так же механическая сила (сила тяжести якоря и внешнего объекта), которая направлена в противоположном направлении. Статические характеристики электромагнита  и противовеса представлены на рисунке 6б.

Рисунок 6. Электромагнитная опора (а) и ее статические характеристики (б).


Как видно из рисунка 6б перемещение якоря по оси характеризуется двумя точками 1,2 (точками зависания якоря с координатами и ) при которых .

Положение якоря в точке 1 является неустойчивым, поскольку любое его смещение в сторону увеличения координаты переводит якорь в точку 2. Очевидно точка 2 характеризует устойчивое положение якоря электромагнитной опоры.

Изменяя силу тока в катушке электромагнита можно регулировать жесткость фиксирования опоры в данной точке. Для оценки величины справедливо уравнение (16).

Принципы электромагнитного уравновешивании силы тяжести технических объектов лежат в основе реализации высокоточных устройств взвешивания и линейных двигателей на магнитной подушке.

П
редставляют практический интерес магнитные опоры для вращающихся объектов (центрирующие магнитные опоры). Один из вариантов конструкции центрирующие магнитной представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Центрирующая магнитная опора


Электромагнит центрующей опоры представляет собой цилиндрический магнитопровод с явно выраженными полюсными наконечниками.

На полюсных наконечниках размещены катушки электромагнита. Таким образом, в окрестности полюсных наконечников формируется магнитное поле, удерживающее якорь (цилиндрическую ось из магнитомягкого материала) в центре магнитопровода во взвешенном состоянии.

Изменяя силу тока в соответствующих катушках можно корректировать (центрировать) место положения вращающегося якоря.

Между якорем и полюсными наконечниками образуется воздушный зазор, благодаря чему исключаются силы трения вращающегося якоря. Отсутствие сил трения в центрирующей опоре (рисунок 7) позволяет исключить использование во вращающихся механизмах ненадежных элементов – подшипников.






Скачать 370,64 Kb.
оставить комментарий
Дата28.09.2011
Размер370,64 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

хорошо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх