Технические средства автоматизации

Технические средства автоматизации — включают приборы и устройства, выполняющие функции:

• получения контрольной информации об изменении параметров в технологическом процессе;
• передачи контрольной информации;
• преобразования и хранения контрольной информации, сравнения ее с программной информацией и формирования командной информации;
• передачи командной информации;
• использования командной информации для воздействия на технологический процесс (путем изменения потоков энергии или материалов либо изменения характеристик рабочих машин).

Выполнение указанных функций возможно, если информация будет условно, но вполне однозначно связана с какой-то физической величиной (параметром) — сигналом. Для систем автоматического управления в качестве сигнала, как правило, выбираются энергетические параметры, т. к. они позволяют легко осуществлять передачу на расстояние, преобразование, сравнение и получение новых сигналов.

Сигналы могут быть непрерывные и импульсные, длительность которых ограничена во времени. При использовании непрерывных сигналов параметры сигнала являются аналогом значении контролируемых параметров в данный момент времени. При импульсных сигналах могут передаваться либо аналоговые изменения контролируемого параметра (импульсно-модулированные сигналы), либо его дискретные по величине значения (релейные и кодовые сигналы).

В общем случае при импульсных сигналах можно в соответствии с информацией менять амплитуду, длительность импульса, длительность паузы между импульсами, частоту импульсов, число импульсов, сочетание импульсов с различными признаками (т. е. с различной амплитудой, длительностью, частотой переменного тока и т. п.).

В процессе получения, передачи, преобразования, сравнения и использования информации необходимо производить ряд операций с сигналами. Операции выполняются с помощью элементов автоматической аппаратуры.

Элемент — простейшая конструктивно целостная ячейка, выполняющая одну определенную операцию с сигналом:

• преобразование контролируемой величины в сигнал (датчики, реле);
• преобразование: а) сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии (преобразователи электропневматические, пневмоэлектрические и т. п.), непрерывного сигнала в дискретный или обратно (преобразователи аналого-цифровые, цифро-аналоговые и т. п.), сигнала по величине энергии (усилители), по пределам изменения величины сигнала (компрессоры, экспандеры), по виду функциональной связи между входным и выходным сигналами;
• хранение сигналов (накопители, элементы памяти, регистры и т. п.);
• создание программных сигналов (программные элементы, программные устройства);
• сравнение контрольных и программных сигналов и формирование командного (управляющего) сигнала (нуль-элементы, нуль-органы, элементы сравнения);
• выполнение логических операций (логические элементы);
• распределение сигналов по различным направлениям — связям, соединениям, путям передачи (распределители, коммутаторы);
• использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные элементы, сервомеханизмы, серводвигатели и т. п.).

Датчики - определение

Классификация датчиков - основные требования к ним

В ряде случаев строят комбинированные элементы, которые способны выполнять сразу несколько операций с сигналом. Схемное или схемно-конструктивное соединение нескольких элементов необходимое для выполнения одной из следующих функций:

• получения информации,
• передачи информации,
• преобразования и обработки контрольной информации, сравнения ее с программой и формирования командной информации,
• использования командной информации для воздействия на управляемый процесс образует автоматическое устройство (или автоматический прибор).

Автоматические устройства объединяют в систему автоматических устройств. Последняя служит для выполнения заданных операций по контролю, управлению или регулированию параметров технологического процесса в соответствии с заданной программой или критериями процесса.

Основные виды систем автоматических устройств делятся на:

• системы автоматического контроля, содержащие устройства для получения контрольной информации и устройства для ее обработки, индикации или хранения;
• системы автоматического регулирования, содержащие устройства для: получения контрольной информации, обработки контрольной информации и сравнения ее с программой и выработки командной информации для воздействия на технологический процесс;
• системы автоматического управления, содержащие устройство для программирования и устройства для воздействия на технологический процесс.

К основным видам систем автоматических устройств также относят различные телемеханические системы:

• системы телемеханического контроля, содержащие устройства для получения контрольной информации, для ее передачи и приема на расстоянии человеком;
• система телемеханического управления, содержащая устройства для выработки и передачи командной информации на расстояние, и устройства для использования командной информации для оказания воздействия на управляемый процесс;
• системы телеавтоматического контроля и управления, в которых вместо человека прием контрольной и выработку командной информации выполняют автоматические приборы или устройства;
• системы телеавтоматического регулирования, содержащие устройства для получения, передачи на расстояние, преобразования и сравнения контрольной информации с программой и формирования командной информации, устройства для передачи командной информации на расстояние и для использования ее с целью оказания воздействия на управляемый процесс.

Подробнее смотрите здесь: Телемеханические системы, области применения телемеханики

В зависимости от рода энергии, идущей от вспомогательного источника для формирования сигнала, различают следующие ветви приборов и устройств:

• пневматическую,
• электрическую,
• гидравлическую.

Кроме того, имеется ветвь приборов и устройств без источников вспомогательной энергии: энергия для образования сигнала отбирается от контролируемой среды.

Средства получения информации (приборы, устройства, датчики) содержат входные (чувствительные) органы, воспринимающие воздействие контролируемого параметра и вырабатывающие «внутренний» сигнал в виде изменения механических, тепловых, оптических, магнитных или электрических параметров, которые в выходном (исполнительном) органе преобразуются в стандартный электрический, пневматический или гидравлический сигнал.

Средства передачи контрольной информации в простейшем случае представляют линию связи, по которой происходит передача сигналов от датчиков. В более сложных случаях, при необходимости передачи сигналов на большие расстояния, применяют специальные преобразователи сигналов от датчиков в форму, удобную для передачи по данному каналу связи.

Средства обработки информации и формирования (выработки) командных сигналов представляют наиболее сложную и разнообразную группу. В эту группу входят устройства для:

• индикации аналоговых или дискретных значений контролируемых параметров (индикаторы, цифровые индикаторы, сигнализаторы;
• регистрации аналоговых или дискретных значений контролируемых параметров (регистраторы, цифровые регистраторы);
• преобразования сигналов из одной формы в другую (устройства для преобразования сигналов);
• выполнения математических операций с сигналами (вычислительные устройства);
• хранения информации (накопления контрольной информации, накопления и выдачи программной информации);
• сравнения контрольной и программной информации и формирования (выработки) командной информации (регуляторы);
• формирования (выработки) командной информации в результате сравнения заданных и имеющихся логических соотношений (устройства управления);
• местного внешнего ввода программной информации (задатчики, устройства ввода);
• сбора сигналов с нескольких каналов связи или распределения командных сигналов по несколько каналам связи (устройства распределения, устройства коммутации).

Средства передачи командной информации в основном аналогичны устройствам передачи контрольной информации.

Устройства, в которых информация используется для воздействия на управляемый процесс (исполнительные устройства), производят изменение потоков энергии или вещества, необходимых для осуществления управляемого процесса, или изменяют характеристики рабочих машин и агрегатов, в которых протекает управляемый процесс.

Эти устройства состоят из усилителей командных сигналов, исполнит, элементов (исполнительных механизмов) и регулирующих органов.

Гидравлическая ветвь применяется в основном в виде устройств, использующих командную информацию для воздействия на исполнительные устройства. Только в локальных системах автоматического регулирования и управления (например, станки с гидроприводом) встречаются гидравлические устройства для получения информации (датчики) и для сравнения ее с программой формирования командной информации (регуляторы).

Часто приходится создавать комбинированные системы, использующие различные виды сигналов: например, электрические — в устройствах для получения, передачи, обработки контрольной и формирование командной информации, и пневматические и гидравлические — в устройствах, использующих информацию для воздействия на процесс (исполнительные устройства), пневматические сигналы — в устройствах для получения, передачи, обработки контрольной и формирования командной информации, и гидравлические или электрические сигналы — в устройствах для использования информации.

Развитие способов построения электрических устройств для различных операций с командной информацией и способов использования командной информации для воздействия на процесс заставило разделить электрическую ветвь на две подветви:

• электрическую аналоговую, в которую входят устройства и приборы для получения и передачи информации о непрерывных значениях контролируемой величины. При этом используются непрерывные или модулированные импульсные сигналы;
• электрическую дискретную, в которую входят приборы и устройства для получения, передачи и обработки информации о дискретных значениях контролируемой величины, при этом используются релейные сигналы (при наличии двух или трех значений контролируемой величины), нецифровые коды (частотные или импульсные), цифровые коды (импульсные).

В результате создания пневматических элементов дискретного действия и пневматическая ветвь должна разделиться на пневматическую аналоговую ветвь, работающую на непрерывных сигналах, и пневматическую дискретную ветвь, использующую релейные или цифровые кодовые сигналы.

У прибора или устройства следует различать информационные, энергетические и веществ, связи с другими приборами данной системы, с источниками питания энергией или вспомогательными материалами, с конструктивными крепежными и соединительными элементами и частями всей установки. Полная согласованность отдельных приборов и устройств общей системы технических средств автоматизации достигается:

• стандартностью параметров входных и выходных сигналов;
• стандартностью параметров источников энергии (электрических, пневматических, гидравлических);
• стандартизацией присоединительных размеров для мест соединения приборов, присоединения к источникам снабжения необходимыми материалами;
• стандартизацией размеров приборов с целью обеспечения их совместной компоновки (выполнение этого условия позволяет объединять для совместной работы приборы различных принципов устройств и разных конструктивных форм).

На параметры входных и выходных непрерывных электрических сигналов постоянного и переменного тока, на параметры частотных и частотно-импульсных сигналов, а также на пневматические сигналы установлены стандарты.

Входные параметры приборов и устройств для получения информации (датчиков) стандартизируются путем установления нормальных рядов для значений верхнего предела контролируемых параметров для каждого из приборов, входящих в нормальный ряд.

Нормальные ряды составляются по методу предпочтительных чисел, как это делается для измерит, приборов, т. к. целесообразно иметь одинаковые пределы и класс точности у приборов (устройств) для получения информации и у измерительных приборов — для одного и того же контролируемого параметра.

Выходные параметры и устройства стандартизируются путем установления нормальных рядов для значений механических усилий и механических моментов, требующихся для перемещения подвижных частей задвижек клапанов, вентилей и нормальных рядов коммутируемых мощностей постоянного и переменного тока.

Общая система технических средств автоматизации допускает использование различных физических принципов их устройства и различных конструкций. Это необходимо для того, чтобы дать возможность дальнейшего развития и применения новых, прогрессивных принципов устройств и новых видов конструкций и этим непрерывно поддерживать высокий уровень совершенства технических средств автоматизации.

Дополнительное чтение:

Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ