Регуляторы

Регулирующие и управляющие устройства

Регуляторы

В системах автоматизации технологических процессов применяют в основном приборы электрической ветви (см. тему «ГСП»). Пневматические средства автоматизации используются на относительно простых и компактных объектах тепловой обработки (сушка, пропаривание, стерилизация), в автоматизированных поточных линиях, роботах, манипуляторах. Гидравлические регуляторы в пищевой промышленности не распространены. Комбинированные регуляторы позволяют сочетать преимущества электро-, пневно- или гидравлических устройств. Сопряжение линий электрической связи с пневматическими и гидравлическими линиями осуществляется с помощью пневмо- или гидроэлектрических преобразователей с одной стороны, и электропневматических или электрогидравлических преобразователей, с другой. Гидравлические и пневматические элементы в комбинированных системах часто выполняют функции исполнительных устройств.

Автоматические регуляторы прямого действия широко исполь­зуются в системах стабилизации расхода, давления, уровня, темпера­туры и других величин. Они не обеспечивают наилучшего качества регулирования, однако характеризуются низкой стоимостью, не требуют постоянного обслуживания и посторонних источников энер­гии. Регуляторы прямого действия, как правило, реализуют пропор­циональный закон регулирования, но в отдельных случаях использу­ют и И-регуляторы прямого действия.

Основными функциональными элементами регулятора прямого действия являются первичный измерительный преобразователь (ИП), рабочий орган РО (клапан) и элемент сравнения с органом настройки (задатчиком). Регуляторы давления, расхода, температуры, уровня различаются прежде всего измерительными преобразователями, чувствительный элемент (ЧЭ) которых используются и для привода клапана. Принцип действия регулятора давления основан на уравновеши­вании силы, создаваемой пружиной органа настройки, силой от дейст­вия регулируемого давления на ЧЭ, например мембрану. При отклоне­нии давления от заданного значения мембрана прогибается и переме­щает клапан в направлении, уменьшающем это отклонение.

В регуляторах расхода на мембрану воздействует перепад давле­ния, образующийся на сужающем устройстве. В регуляторах темпера­туры перемещение клапана осуществляется с помощью сильфона, входящего в термосистему манометрического термометра. Прямой клапан открывается при понижении температуры и предназначен для отопительных систем. Обратный клапан открывается при повышении температуры и применяется в системах охлаждения. В осталь­ном действие регуляторов расхода и температуры аналогично регуля­тору давления.

В регуляторах уровня переме­щение поплавка, служащего инди­катором уровня, передается на узел перестановки клапана меха­нической связью.

В качестве примера рассмот­рим конструкцию регулятора давления прямого действия (рис. 1).На мембрану 1 воздействует давление измеряемой среды и пружина 2. Заданное давление устанавливается вращением гайки 3, изменяющей натяжение пружины 2. При отклонении регулируемого давления от заданного значения мембрана прогибается и перемещает клапан 5, жестко соединенный штоком 4 с мембраной, в сторону уменьшения отклонения. В данном случае мембрана выполняет функ­ции ИП и элемента сравнения. ОУ является участок трубопровода с клапаном.

Рассмотренный регулятор предназначен для поддержания задан­ного значения давления среды в трубопроводе после клапана. Такие регуляторы называют регуляторами "после себя". Соответственно регуляторы, поддерживающие давление среды в трубопроводе до клапана, называют регуляторами "до себя".

Рис. 1. Клапан с мембранным приводом.

Выпускается широкая номенклатура регуляторов прямого дейст­вия: температуры - около 50 типов; давления и перепада давления - более 20 типов; расхода и уровня - около 10 типов; выпускаются регуляторы и других параметров.

Устройства дискретной автоматики. Элемен­ты дискретной электроавтоматики используются для создания логи­ческих и вычислительных устройств, широко применяемых в системах автоматизации технологических процессов.

По физическим основам и конструктивному исполнению элемен­ты, устройства и системы дискретной электроавтоматики разделяют на релейно-контактные и бесконтактные, по принципу построения - на комбинационные и последовательные.

Бесконтактные устройства электроавтоматики создают главным образом на базе полупроводниковых приборов, логических элементов и микросхем, релейно-контактные - на основе электромеханических переключающих устройств.

Полупроводниковые приборы. Широко используемые в устройст­вах автоматики полупроводниковые приборы можно разделить на основные группы: резисторы, диоды, транзисторы, тиристоры.

Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами. К полупроводниковым резисторам относятся варисторы, терморезисторы, фоторезисторы. Причина изменения сопротив­ления: варистора - изменение напряжения на его выходах; терморези­стора - изменение температуры окружающей среды; фоторезистора - изменение освещения прибора. Примеры возможных областей исполь­зования варисторов - системы защиты электрических цепей от на­пряжений; терморезисторов - системы регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации; фоторезисторов - системы технического зрения.

К полупроводниковым диодам относятся стабилитроны, фото­диоды, светодиоды. Обратное сопротивление стабилитронов уменьша­ется при возрастании приложенного напряжения» что позволяет использовать их для стабилизации постоянного напряжения. При освещении фотодиодов на их выводах возникает разность потенциа­лов, что обеспечивает широкую возможность их использования в различных системах автоматического контроля и регулирования. Светодиоды выделяют лучистую энергию при пропускании электриче­ского тока. Их используют в цифровых и знаковых индикаторах систем автоматизации.

Транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний различных частот. В схемах автоматики применяют также фототранзисторы и другие типы транзисторов.

Тиристор - это четырехэлектродный полупроводниковый прибор, используемый для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования мощности переменного тока и переключения электри­ческих цепей различной мощности. Тиристор обладает двумя устой­чивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется под воздействием электрического напряжения или тока на полупро­водниковый прибор.

Полупроводниковые логические элементы. Логические элемен­ты - технические устройства, осуществляющие логическую операцию над входными информационными сигналами. Различают логические элементы полупроводниковые (диодные, транзисторные и т. д.), магнитополупроводниковые (феррит-диодные, феррит-транзисторные), электромеханические и др. В логических схемах полупроводниковые элементы работают в режиме переключения, при котором сопротивле­ние электрической цепи изменяется во много раз.

Для нормальной работы диодов в логических схемах необходимо
учитывать допустимые значения тока и обратного (запирающего) напряжения. Ток, пропускаемый через диоды, ограничивают резисто­рами. Принцип построения логических диодно-резистивных схем И и ИЛИ приведен на рис. 2.

На временной диаграмме (в), отражающей работу диодно-резистивной схемы И с двумя входами, видно, что потенциал на выходе схемы возрастает до +Е лишь в том случае, если на оба входа одновременно поступают сигналы положительной полярности. Если на один из входов не подается положительный сигнал, то соответству­ющий диод открыт. Сопротивление резистора R выбирается в 20...30 раз больше сопротивления диода в прямом (открытом) направлении, поэтому потенциал на выходе будет приблизительно равен нулю. Потенциал выходного сигнала практически не изменится, если будут открыты не один, а оба диода. При подключении по схеме ИЛИ (г) сигнал на выходе появляется, если хотя бы на один вход подан положительный импульс. При отсутствии сигналов на входах потенциал на выходе равен нулю. Схема ИЛИ для сигналов положительной полярности превращается в схему И для отрицательных сигналов, и наоборот. Достоинством диодно-резистивных логических схем является их простота, недостатком - ослабление сигнала на выходе: амплитуда выходного сигнала меньше амплитуды входного сигнала. Из-за ослабления сигнала не принято соединять последовательно более двух диодно-резистивных логических схем.

В логических схемах транзисторы обычно работают в ключевом режиме: транзистор или полностью заперт (режим отсечки), или пол­ностью открыт (режим насыщения). В схемах с общим эмиттером транзистор запирается путем подачи на его базу сигналов соответст­вующей полярности (отрицательной для п-р-п транзисторов). При изменении режима работы транзистора сопротивление участка эмит­тер-коллектор изменяется от долей Ома (транзистор открыт) до десят­ков и сотен кОм (закрыт). Логические схемы позволяют реализовать получение, передачу, хранение информации в двоичном (машинном коде).

В схемах диодно-транзисторной логики (ДТЛ) обычно используют кремниевые диоды и транзисторы.

Микросхемы. Интегральная микросхема состоит из транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, объединенных в единой (монолитной) компоновке. В полупроводниковых микросхемах все элементы формируются на едином кристалле крем­ния.

Основными преимуществами микросхем являются высокая надежность и экономичность, малые размеры и масса. Использование микросхем позволяет в 40-50 раз уменьшить объем монтажа по сравнению с применением отдельных транзисторов, диодов, резисто­ров. Недостатком интегральных микросхем является малая выходная мощность.

По количеству элементов микросхемы подразделяют на схемы малой интеграции (до 30 элементов); средней интеграции (до 150 элементов); большой интеграции (более 150 элементов); сверхбольшой интеграции (более 1000 элементов).

По форме сигнала микросхемы подразделяют на аналоговые и дискретные.

Аналоговые микросхемы применяют в измерительной и регули­рующей технике. Цифровые (логические) микросхемы используют в ЭВМ, микроконтроллерах, радиоэлектронной аппаратуре.

Справочно. Условные обозначения интегральных микросхем отражают их принадлежность к классам, группам и сериям. Микросхемы объеди­няют в серии по их технологическому и конструктивному признакам. В совокупности микросхемы одной серии представляют собой в основном законченный набор, необходимый для построения опреде­ленного класса логических или вычислительных устройств. Условное обозначение интегральных микросхем состоит из следующих элемен­тов: первый элемент - цифра, обозначающая группу (1, 5, 7 - полупро­водниковые; 2, 4, 6, 8 - гибридные; 3 - пленочные, керамические); второй элемент - три цифры, обозначающие порядковый номер разра­ботки серии микросхемы (от 000 до 999); третий элемент - две буквы, обозначающие подгруппу и вид интегральной схемы в соответствии с ее функциональным назначением; четвертый элемент - условный номер разработки микросхемы по функциональному признаку в данной серии.

Для интегральных микросхем, используемых в устройствах широкого применения, вначале проставляется буква К. Например, К155ЛА1 - полупроводниковая микросхема широкого применения с порядковым номером разработки 55, функциональным назначением ЛА (логический элемент И-НЕ) и условным номером разработки по функциональному признаку 1.

Серии цифровых интегральных микросхем реализуются в виде: резистивно-транзисторной логики (РТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), логики с инжекторным питанием (И²Л), элементов на МОП-транзисторах, в том числе с дополняющими типами проводимости (КМОП). В частности, элементы РТЛ реализуют функции ИЛИ-НЕ; элементы ДТЛ - функцию И-НЕ. Наиболее перспективны для уст­ройств АСУ ТП микросхемы с КМОП, поскольку они обладают высокой помехоустойчивостью и малой чувствительностью к изменениям напряжения питания.

Релейно-контактные устройства. В эту группу устройств автомати­ки входят реле, контакторы и магнитные пускатели.

Реле – это устройство, состояние которого (например, положение контактов) изменяется дискретно при плавном изменении входной управляющей величины. Реле бывают контактными и бесконтактными (полупроводниковые, магнитные). К контактным относятся электро­механические реле. Они представляют собой устройства, в которых входная электрическая величина (ток, напряжение) преобразуется в в механическое перемещение подвижной части реле, обеспечивающей замыкание или размыкание контактов, включенных в управляемую электрическую цепь. Контакты реле могут быть трех видов: нормально разомкнутые, нормально замкнутые и переключающие. Нормальное состояние определяется при обесточенной обмотке реле.

По числу устойчивых состояний (положений контактов) реле подразделяют на двухпозиционные и многопозиционные. Многопози­ционные реле характеризуются наличием трех и более устойчивых состояний.

По принципу действия электромеханические реле подразделяют на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные и тепловые. В системах автоматизации наиболее рас­пространены электромагнитные реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока могут быть нейтральными, не реагирующими на направление входного сигнала, и поляризованными, реагирующими на направление тока, подаваемого на вход реле. По конструкции под­вижной части электромагнитные реле разделяют на реле с поворотным якорем, с втягивающимся якорем и с магнитоуправляемыми (гермети­зированными) контактами (герконы).

Герконы обладают наибольшим сроком службы и числом срабаты­ваний, достигающим 10⁶-10⁹. Время срабатывания реле этого типа 0,5-2,0 мс; ток до 0,5-1,0 А при напряжении 30-60 В. Конструктивно геркон представляет собой стеклянную ампулу, заполненную инерт­ным газом. В ампулу впаяны тонкие упругие ферромагнитные плас­тинки, выполняющие роль контактов, упругих элементов и части магнитопровода. При подаче напряжения на обмотку управления релесоздается магнитный поток, который приводит к замыканию контак­тов. При снятии напряжения с обмотки управления пластинки воз­вращаются в исходное положение.

В электромагнитных реле с поворотным или вращающимся якорем стеклянные герметизированные ампулы не используются, а подвиж­ные и неподвижные контактные пластины, магнитопровод и упругие элементы (плоские или спиральные пружины) выполняются в виде отдельных элементов.

Поляризованные реле благодаря высокой чувствительности (мощность входного сигнала 10^-5...10^-12Вт), быстродействию (время срабатывания 1...3 мс), реверсивным статическим характеристикам широко применяются в устройствах и системах автоматизации. Чувст­вительность к полярности управляющего напряжения достигается использованием в магнитной цепи реле этого типа двух магнитных потоков - рабочего и подмагничивающего (поляризующего). Измене­нием положения контактов и натяжения пружин, воздействующих на якорь, поляризованные реле могут настраиваться на двухпозиционную или трехпозиционную работу.

Электромагнитные реле переменного тока по сравнению с реле постоянного тока менее экономичны, имеют меньший срок службы и поэтому их реже применяют в устройствах автоматики.

Выбор типа реле осуществляют в зависимости от рода тока, напря­жения питания, значений коммутируемых токов и выходного напря­жения, массы, габаритов, числа контактных групп и их исходного состояния, режима работы (длительный, кратковременный или пов­торно-кратковременный), срока службы, положения реле и условий окружающей среды.

Для включения и отключения мощных электродвигателей и других приемников электроэнергии применяют контакторы и магнит­ные пускатели.

Контактор - электромеханический аппарат для дистанционной коммутации силовых электрических цепей низкого напряжения. Различают контакторы постоянного и переменного тока. Основными элементами контактора являются главные и вспомогательные контак­ты, дугогасительное устройство и электромагнитный привод, включа­ющий в себя обмотку (катушку), якорь и сердечник электромагнита. Обмотка управления рассчитана на напряжение 110 или 220В в кон­такторах постоянного тока и на напряжение 127, 220 и 380 В в контак­торах переменного тока.

Магнитный пускатель - электромеханический аппарат переменно­го тока, предназначенный для дистанционного пуска, останова и защиты различного рода электрических установок. Магнитные пуска­тели могут быть реверсивными, обеспечивающими возможность изменения направления вращения двигателя, и нереверсивными. Нереверсивный магнитный пускатель состоит из контактора и тепло­вого реле, реверсивный содержит два контактора, соединенных механической блокировкой, исключающей их одновременное включе­ние. Тепловые реле размыкают цепь обмотки управления при увеличе­нии нагрузки сверх допустимой.

Комбинационные устройства электроавтоматики. В устройствах этого типа состояние выводов однозначно зависит и мгновенно изме­няется при изменении входных сигналов. К комбинационным уст­ройствам относятся шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов, сумматоры, коммутаторы и другие устройства, широко приме­няемые в промышленной электроавтоматике.

Шифратор - это комбинационная схема, которая, получая сигна­лы по т входным линиям, генерирует двоичный код на п выходных линиях. Шифраторы строятся на элементах ИЛИ, имеют 2ⁿ (или меньше) входов и n выходов. Если т = 2ⁿ, то шифратор называется полным.

Дешифратор - это комбинационная схема, которая строится на элементах И, имеет п входов и 2ⁿ (или меньше) выходов.

Шифраторы используются при вводе данных в ЭВМ для преобразо­вания чисел из десятичной системы в двоичную, дешифраторы для пе­ревода из двоичной системы в десятичную, что необходимо при выво­де данных из ЭВМ. Дешифраторы применяют и в системах машинной сортировки предметов, для непосредственного управления ИМ и выда­чи советов оператору по управлению технологическими процессами в зависимости от комбинации измеряемых параметров.

Преобразователь кодов ставит в однозначное соответствие каждо­му входному набору (слову) выходной набор. Примером преобразова­теля кодов служит микросхема, преобразующая двоичный код в сигналы управления сегментным десятичным индикатором. Преобразователи кодов могут быть реализованы путем соединения выходов соответствующего дешифратора со входами шифратора. Однако такая структура не является, как правило, наилучшей, поэтому преобразо­ватель кодов обычно синтезируют методами алгебры логики, исходя из требований к нему.

Коммутатором называют устройство, предназначенное для селек­тивной передачи информации. Их делят на мультиплексоры и демультиплексоры.

Мультиплексор - это комбинационная логическая схема, име­ющая 2ⁿ входов и один выход. Для выбора одного из входов, который необходимо подключить к выходу, в мультиплексоре имеется адрес­ная (селектирующая) часть. Адрес выбранного (желаемого) входа задается в n-разрядном двоичном коде. В интегральном исполнении выпускают двух-, четырех-, восьми- и шестнадцативходовые мульти­плексоры, объединяя которые, можно получить мультиплексоры с еще большим числом входов.

Демультиплексор выполняет функции, обратные мультиплексору, Демультиплексор имеет единственный вход, п адресных (селектор­ных) входов и Т выходов. Эти схемы используют для передачи вход-ногр сигнала на выбранный выход.

Сумматор - это схема, осуществляющая получение арифметиче­ской суммы двух двоичных чисел. В двоичной системе счисления сложение является важнейшей арифметической операцией, используя которую, выполняют вычитание, умножение и деление. Базовым элементом, на основе которого строят схемы для выполнения пере­численных операций, является одноразрядный двоичный сумматор. Так как при сложении может появиться необходимость переноса единицы в следующий старший разряд, схема имеет два выхода (сумму и перенос) и три входа (слагаемые и перенос).

Счетчик – это устройство, предназначенное для реализации операции счета сигналов (импульсов), поступающих на их вход. Простейшим счетчиком является триггер, работающий в счетном регистре.