 |
Измерительные устройства систем автоматизации
|
|
|
|
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Учебный курс «Технические средства автоматизации», изучаемый в восьмом и девятом семестрах, закладывает базу для следующих за ним курсов: «Промышленные контроллеры», «Интегрированные компьютерные системы управления». Все эти предметы образуют единый цикл, после завершения которого студенты должны уметь использовать технические средства для создания систем автоматизации производственных процессов.
Цели преподавания дисциплины – формирование у студентов базовых знаний о работе основных видов технических средств и устройств автоматизации, функционирующих в составе производственных комплексов.
В результате изучения дисциплины студенты должны знать:
Ø назначение, состав и принцип действия технических средств, входящих в состав производственных комплексов;
Ø аппаратную часть и понимать алгоритмы функционирования технических средств автоматизации;
Ø основы программирования и управления оборудованием средств автоматизации;
Ø типовые решения по разработке функциональных и принципиальных схем автоматизации производственного процесса и технических объектов.
Задачи изложения и изучения дисциплины:
Ø практическое изучение структуры и принципа действия основных элементов технических средств автоматизации;
Ø теоретическое изучение способов реализации алгоритмов управления производственными комплексами;
Ø наглядное представление функционирования отдельных элементов и узлов технических средств автоматизации;
Ø формирование у студентов практических навыков по эксплуатации отдельных видов оборудования.
На изучение курса «Технические средства автоматизации» отводится 160 часов. Основной формой занятия студентов заочного обучения является самостоятельная работа над учебным материалом. По плану в весеннем семестре на изучение дисциплины отводится 2 часа – установочная лекция и в осеннем семестре 8 часов – обзорные лекции, 8 часов – лабораторные работы. Выполняется контрольная работа, форма отчетности – экзамен.
|
|
|
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Степень защиты, обеспечиваемая оболочкой, указывается кодом IP.
Состав кода IP
| IP | C | H | ||||||||||
| Буквы кода (Международная защита) | ||||||||||||
| (International Protection) | ||||||||||||
| Первая характеристическая цифра | ||||||||||||
| (цифры от 0 до 6 либо буква Х) | ||||||||||||
| Вторая характеристическая цифра | ||||||||||||
| (цифры от 0 до 8 либо буква Х) | ||||||||||||
| Дополнительная буква (при | ||||||||||||
| необходимости) (буквы А, В, C, D) | ||||||||||||
| Вспомогательная буква (при | ||||||||||||
| необходимости) (H, M, S, W1)) | ||||||||||||
При отсутствии необходимости в нормировании характеристической цифры ее следует заменять на букву Х (либо XX, если опущены две цифры).
Дополнительные и(или) вспомогательные буквы опускают без замены.
При использовании более одной дополнительной буквы применяют алфавитный порядок.
Если оболочка обеспечивает различные степени защиты в зависимости от расположения оборудования, предусмотренного различиями в монтаже, соответствующие степени защиты должны быть указаны изготовителем в инструкции для каждого случая монтажа.
Элементы кода IP и их обозначения
Краткое описание элементов кода IP приведено в схеме. Описание степеней защиты приведено в разделах, указанных в последней колонке
|
|
|
| Элемент | Цифры или | Значение для защиты оборудования | Значение для защиты людей | ||||||
| Буквы кода | IP | ¾ | ¾ | ||||||
| Первая характеристическая цифра | От проникновения внешних твердых предметов: | От доступа к опасным частям: | |||||||
| нет защиты | нет защиты | ||||||||
| диаметром ³ 50 мм | тыльной стороной руки | ||||||||
| диаметром ³ 12,5 мм | пальцем | ||||||||
| диаметром ³ 2,5 мм | инструментом | ||||||||
| диаметром ³ 1,0 мм | проволокой | ||||||||
| пылезащищенное | проволокой | ||||||||
| пыленепроницаемое | проволокой | ||||||||
| Вторая характеристическая цифра | От вредного воздействия в результате проникновения воды: | ¾ | |||||||
| нет защиты | |||||||||
| вертикальное каплепадание | |||||||||
| каплепадание (номинальный угол 15°) | |||||||||
| дождевание | |||||||||
| сплошное обрызгивание | |||||||||
| действие струи | |||||||||
| сильное действие струи | |||||||||
| временное непродолжительное погружение | |||||||||
| длительное погружение | |||||||||
| Дополнительная буква (при необходимости) | ¾ | От доступа к опасным частям: | |||||||
| A | тыльной стороной руки | ||||||||
| B | пальцем | ||||||||
| C | инструментом | ||||||||
| D | проволокой | ||||||||
| Вспомогательная буква (при необходимости) | Вспомогательная информация, относящаяся к: | ¾ | |||||||
| H | высоковольтным аппаратам | ||||||||
| M | состоянию движения во время испытаний защиты от воды | ||||||||
| S | состоянию неподвижности во время испытаний защиты от воды | ||||||||
| W1) |
|
|
|
Примеры использования букв в коде IP
С помощью следующих примеров пояснены использование и значение букв кода IP. Более подробно примеры рассмотрены в разделе 8.
IРХХ - отсутствие букв, отсутствие дополнений;
IРХ5 - опущена первая характеристическая цифра;
IРХ2 - опущена вторая характеристическая цифра;
IР20С - использована одна дополнительная буква;
IРХХС - опущены обе характеристические цифры, использована одна дополнительная буква;
IPX1C - опущена первая характеристическая цифра, использована одна дополнительная буква;
IP3XD - опущена вторая характеристическая цифра, использована одна дополнительная буква;
IP23S - использована одна вспомогательная буква;
IР21СМ - использованы одна дополнительная и одна вспомогательная буквы;
IРХ5/IРХ7 - обозначение двух степеней защиты одной оболочки двойного использования: защита от действия струй и защита от временного (непродолжительного) погружения.
Общие принципы построения Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)
Основные признаки устройств, входящих в ГСП. Виды обеспечения ГСП. Иерархическая структура средств ГСП. Схема систем автоматизации контроля, регулирования и управления. Классификация устройств ГСП по функциональным признакам. Входные и выходные параметры технических средств автоматизации.
Методические указания
Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации – совокупность устройств получения, передачи, хранения, обработки и представления информации о состоянии и ходе различных процессов и выработки управляющих воздействий на них. Т.е. ГСП – это совокупность измерительных устройств, средств автоматизации и средств управляющей вычислительной техники с программными средствами, предназначенными для построения автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами. ГСП состоит из унифицированных элементов, модулей и блоков, допускающих информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение в агрегатных комплексах и автоматизированных системах управления. В ГСП входят электрические, пневматические и гидравлические приборы и устройства, имеющие обычный, виброустойчивый, герметичный, пыле- и влагозащищённый корпус, приведённый к стандарту.
|
|
|
К устройствам получения и первичного преобразования информации относятся датчики, кнопки, табуляторы и клавишные вычислительные машины с ручным и полуавтоматическим управлением для нанесения информации на перфокарту, перфоленту, магнитную ленту, барабаны или диски, а также выводные устройства, формирующие сигналы для передачи на расстояние. Передача информации осуществляется либо непосредственно через каналы связи (при небольших дистанциях или специально выделенных каналах связи), либо через устройства телемеханики (на большие расстояния). Передача сигналов от многих источников в одно место достигается при помощи устройств централизованного контроля.
К средствам представления информации относятся показывающие стрелочные, цифровые, символьные и др. индикаторы, самопишущие приборы, печатающие устройства, графопостроители. Для лучшего восприятия широко применяется метод визуального контроля с помощью устройств отображения информации, промышленного телевидения, мнемонических схем. При большом количестве информации, необходимости её предварительного логического и математического анализа или синтеза, в связи с решением сложных экономических, технологических и иных задач, а также при управлении современными технологическими и энергетическими комплексами применяют средства вычислительной техники.
Выработка управляющих воздействий достигается регулирующими устройствами (регуляторами). Регулятор, получая сигналы непосредственно от датчика или через устройство централизованного контроля, вырабатывает в соответствии с заданной программой и законом регулирования энергетические импульсы, приводящие в действие исполнительный механизм, который через регулирующие органы (коммутирующую аппаратуру, управляемые вентили, клапаны, заслонки, задвижки) изменяет потоки энергии или вещества и этим воздействует на объект регулирования.
Устройства ГСП взаимодействуют посредством нормированных электрических, пневматических, гидравлических, механических, акустических и оптических сигналов. По виду сигналов устройства ГСП делятся на аналоговые, дискретные, цифровые. Устройства ГСП имеют нормированные источники питания. Конструктивное сопряжение устройств ГСП обеспечивается унифицированной структурой модулей и блоков, применением нормированных по форме и размерам монтажных плат, кассет, каркасов, панелей, шкафов, щитов и пультов, а также базовых конструкций оснований и узлов, из которых компонуются агрегаты. Этим достигается высокая взаимозаменяемость изделий ГСП.
|
|
|
Унификация конструкций ГСП повышает технологичность изделий в производстве, упрощает их комплектацию, монтаж, наладку и эксплуатацию. Информационная, энергетическая и конструктивная сопрягаемость устройств ГСП ускоряет проектирование и изготовление систем автоматического контроля, регулирования и управление в составе оборудования автоматизированного производства.
В основу построения ГСП положены следующие принципы: выделение устройства по функциональным признакам, минимизация номенклатуры изделий, блочно-модульное построение технических средств, агрегатное построение систем управления, совместимость приборов и устройств.
По функциональному признаку все изделия ГСП делятся на четыре группы: устройства получения информации о состоянии процесса; устройства приема, преобразования и передачи информации по каналам связи; устройства преобразования, хранения, обработки информации и формирование команд управления; устройства использования командной информации для воздействия на объект управления.
Средства измерения (СИ) входят в число устройств первой и второй перечисленных групп и представляют собой первичные, промежуточные, масштабирующие (нормирующие) измерительные преобразователи, измерительные приборы и системы. Средством измерения можно считать устройство, имеющее в комплекте поставки паспорт с указанием метрологических характеристик.
В зависимости от рода используемой энергии вспомогательные устройства ГСП подразделяются на четыре самостоятельные ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую и не использующие вспомогательную энергию. Все СИ устройства электрической, пневматической и гидравлической ветви имеют унифицированные входные и выходные сигналы.
Таблица.Основные виды унифицированных входных сигналов ГСП
| Вид сигнала | Физическая величина | Параметры сигнала |
| Электрический | Постоянный ток | 0-5, 0-20, -5-0+5, 4-20 мА |
| Постоянное напряжение | 0-10, 0-20 –10-0+10 мВ; 0-10, 0-1; –1-0+1 В | |
| Переменное напряжение | 0-2, -1-0+1 В | |
| Частота | 2-8, 2-4 кГц | |
| Пневматический | Давление | 0,2-1 кгс/см*см |
| Гидравлический | Давление | 0,1-6,4 МПа |
Связь электрических, пневматических и гидравлических устройств осуществляется с помощью соответствующих измерительных преобразователей (ИП) сигналов (ИП отражают одну физическую величину с помощью другой физической величины), этим обеспечивается создание комбинированных средств ГСП. Технические средства ГСП строятся из блоков и модулей.
Блочно-модульный принцип построения средств ГСП обеспечивает возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей путем их наращивания и стыковки. Это позволяет создавать новые системы автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект.
Измерительные устройства систем автоматизации
Первичные измерительные преобразователи температуры, давления, перепада давления, уровня, расхода. Понятие чувствительного элемента и измерительного механизма.
Рис..Классификация СИ ГСП по входным и выходным сигналам
Термин «первичный преобразователь» используется при описании принципа действий того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» используется при описании его конструктивного исполнения.
Измерительные устройства (ИУ) и системы составляют самую многочисленную группу изделий ГСП, составляющую более половины номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение измерительной информации о физических величинах (параметрах), характеризующих технологические процессы, свойства и качество продукции.
Под «естественным» выходным сигналом понимают выходную физическую величину первичного ИП, полученную однократным простым («естественным») преобразованием измеряемой величины и не соответствующую по параметрам унифицированным сигналам. При этом под простым преобразованием понимают только преобразование, используемое для измерения какой-либо физической величины. Т.о. естественный выходной сигнал формируется первичным ИП естественным путём и может представлять собой угол поворота, напряжение, усилие (постоянной, переменное), сопротивление (активное, комплексное). ИП с естественным выходным сигналом (термопары, терморезисторы, и т.п.) широко применяются при автоматизации простых объектов.
Унифицированный сигнал – сигнал определённой физической природы, изменяющийся в определённых фиксированных пределах не зависимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона её измерения. Наибольшее распространение получили сигналы постоянного и переменного тока, напряжения, частоты, а так же пневматические сигналы.
Масштабирующие преобразователи – преобразователи, служащие для изменения величины сигнала.
Для преобразования естественного выходного сигнала в унифицированный в ГСП используются нормирующие преобразователи.
Несмотря на значительное разнообразие измеряемых величин и используемых для этого принципов измерений, в ГСП применяются четыре структурные схемы измерительных устройств, а именно: схема прямого однократного преобразования, схема управляющего преобразования (часто называется компенсационной), схема последовательного прямого преобразования, схема прямого дифференциального преобразования.
Требования к ИП:
1. высокая статическая и динамическая точность работы, обеспечивающая формирование выходного сигнала с минимальными искажениями;
2. высокая избирательность, т.е. датчик должен реагировать только на изменение той величины, для которой он предназначен;
3. стабильность характеристик во времени;
4. отсутствие влияния нагрузки в выходной цепи на режим входной цепи;
5. высокая надёжность при работе в неблагоприятных условиях среды;
6. повторяемость характеристик (взаимозаменяемость);
7. простота и технологичность конструкции;
8. удобство монтажа и обслуживания;
9. низкая стоимость.
Структурные схемы СИ
Измерительные устройства состоят из некоторого числа элементов (составных частей), предназначенных для выполнения таких, функций, как: преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помехонесущих полей, коммутация цепей, представление информации и т.п. К элементам измерительных устройств относят: опоры, направляющие, пружины, магниты, контакты, множительно-передаточные механизмы и т.п.
Основные составные части
1. Преобразовательный элемент – элемент СИ, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины;
2. Измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов Си, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации;
3. Чувствительный элемент – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственны воздействием измеряемой величины;
4. Измерительный механизм – часть конструкции Си, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает из взаимное перемещение
5. Отсчетное устройство – часть конструкции Си, предназначенное для регистрации показаний.
6. Регистрирующее устройство – часть регистрирующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показаний.
На рисунке ниже приведены схемы измерительных устройств прямого действия (прямого преобразования) и сравнения (уравновешивающего или компенсационного преобразования).
Структурные схемы СИ прямого действия.
Рис.. 
Структурные схемы СИ сравнения
Работа этих типов приборов. На первом рисунке измеряемая физическая величина Х поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую величину, удобную для дальнейшего использования (ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (Элемент 2 может отсутствовать). Выходной сигнал элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека.
Перцептивная информация – это информация, предназначенная для органов чувств человека.
Показаниями называют значение величины, определяемое по счетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или, в подавляющем большинстве случаев, шкалу с указателем. Для шкальных от счетных устройств принято использовать ряд понятий, сущность большинства, из которых легко установить по рисунку ниже.
Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на 3-м рисунке. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения, ком парирующий элемент), поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается величина с противоположным знаком Zур (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значения величин Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z-Zур, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине.
На остальных рисунках приведены структурные схемы измерительных преобразователей, основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего преобразователя. В этих схемах отсутствует измерительный механизм и отсчетное устройство. Этим определяется тот факт, что сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе измерительных преобразователей, как правило, имеется оконченный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает его по мощности, преобразует в частоту колебаний и т.д.) таким образом, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать.
Параметрический датчик – датчик, изменяющий какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и требует подключения к какому-либо внешнему источнику питания.
Генераторный датчик сам генерирует выходной сигнал и не требует подключения к внешнему источнику энергии.
Функция преобразования ИП – зависимость выходной величины данного ИП от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицами (тарировочные графики, таблицы).
Чувствительность преобразователя – именованная величина (в физических единицах), показывающая на сколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу.
Порог чувствительности (разрешающая способность преобразования) – наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем.
Воспроизводимость – мера того, на сколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины.
Точность.
|
|
|
