Практическая работа 4
Тема: Сборка типовых схем с применением реле
Цель работы
Изучение типовых релейных схем, получение практических навыков анализа, синтеза релейно-контактных схем автоматики, освоение основных принципов перевода релейно-контактных схем на бесконтактные.
Общие сведения
Электромагнитные реле (ЭМР) представляют собой электромеханические контактные устройства, преобразующие управляющий электрический ток в магнитное поле, которое оказывает силовое скачкообразное воздействие на подвижное намагниченное тело, механически связанное с электрическим контактом реле или являющееся подвижной частью этого контакта. При возникновении управляющего тока в ЭМР происходит скачкообразное срабатывание контакта, который из разомкнутого (замкнутого) состояния через замыкание (размыкание) переходит в замкнутое (разомкнутое) состояние.
В разомкнутом состоянии контакт имеет видимый разрыв с высокой электрической прочностью и контактным сопротивлением на уровне поверхностного сопротивления элементов конструкции реле. В замкнутом состоянии переходное сопротивление механического контакта, выполненного из соответствующих материалов, составляет единицы – десятки мОм, а падение напряжения на контакте даже при протекании тока силой в десятки ампер не превышает 100...200 мВ.
На работу контактов ЭМР, помимо управляющей электромагнитной силы, существенное влияние оказывают также силы упругой деформации контактных элементов и/или специальной (возвратной) пружины, которые в процессе срабатывания реле препятствуют действию электромагнитной силы, а в ее отсутствие способствуют возвращению контактов в исходное состояние. В некоторых конструкциях ЭМР работу упругих сил дополняет или заменяет сила тяжести, действующая на массивные подвижные детали реле.
При замыкании или размыкании электрически нагруженного контакта в межконтактном промежутке практически всегда возникает электрический разряд, взаимодействующий с областью контактируемой поверхности материала, что приводит к ее электрофизическому износу. Кроме того, электрический разряд, обладая электропроводимостью, ускоряет процесс замыкания и затягивает процесс размыкания контакта. Таким образом, ЭМР является устройством, в котором действуют электромагнитные, контактные, механические и электроразрядные явления.
Конструкции ЭМР в зависимости от принципа силового воздействия магнитного поля на подвижный элемент контакта подразделяются на два основных вида:
- реле с магнитоуправляемым якорем или якорные реле, в которых подвижное магнитоуправляемое тело — якорь, который либо несет на себе подвижный контактный элемент, либо механически воздействует на него посредством толкателя, поводка и т.п. передающего органа;
- реле с магнитоуправляемым контактом, в которых магнитоуправляемым телом является сам подвижный элемент контакта – геркон [1,2].
Реле еще длительное время будут оставаться одними из самых распространенных элементов аппаратуры автоматики и телемеханики в различных отраслях промышленности. Это связано как с традиционными преимуществами реле (высокая нагрузочная способность, значительные перегрузочная способность и помехозащищенность и др.), так и с появлением современных реле пятого поколения, в том числе, твердотельных, сверхбыстродействующих и др. [3, 4]
Типовые релейные схемы
Наиболее широкое применение получили следующие типовые релейные схемы:
1) самоблокировки;
2) взаимной блокировки;
3) экономичного включения;
4) искробезопасного включения;
5) замедления (реле времени).
В схеме самоблокировки реле при кратковременном замыкании кнопки SB1 Пуск реле срабатывает (рис. 4.1) и своим замыкающим контактом блокирует цепь питания этой кнопки, благодаря чему последующее отпускание кнопки SB1 не приведет к отключению реле. Для отключения реле необходимо разорвать общую цепь питания нажатием кнопки SB2.
Рисунок 4.1 – Релейная схема самоблокировки
Схема взаимной блокировки, показанная на рис. 4.2, не допускает одновременного включения реле, так как в цепь обмотки каждого реле введен размыкающий контакт другого реле. Необходимость взаимной блокировки встречается в схемах, предохраняющих от возможной аварии. Например, одно реле служит для включения двигателя в прямом направлении вращения, а другое – на реверс.
Рисунок 4.2 – Релейная схема взаимной блокировки.
На рис. 4.3 показаны схема и график экономичного включения реле. Если в обычных схемах реле срабатывает при напряжении срабатывания Uср и остаётся в этом состоянии при таком напряжении за счёт цепи самоблокировки, то в рассматриваемой схеме реле, срабатывающее также при напряжении Uср, при отпускании кнопки SB1 остаётся в рабочем состоянии через цепь резистора R при напряжении Uр.
Рисунок 4.3 – Схема и график экономичного включения реле
На графике видно, что Uср> Uр, поэтому и потребление энергии в рабочем состоянии реле намного меньше, чем в ранее рассмотренных схемах. Необходимым условием работы схемы является Uр> Uот, в противном случае при отпускании кнопки SB1 реле будет отключаться.
Отличительная особенность схемы искробезопасного включения реле, широко применяющейся в различной рудничной и шахтной аппаратуре автоматизации (рис. 4.4), заключается в том, что цепь питания реле осуществляется искробезопасным напряжением Uиск. Искробезопасные параметры цепи питания достигаются выполнением обмотки II проводом высокого удельного сопротивления или включением в цепь питания ограничительного резистора R2. В исходном положении при поданном питании реле К не работает, так как Uср> Uр. При нажатии кнопки SB1 реле срабатывает и остается во включенном состоянии. При этом выполняется соотношение Uср> Uр > Uот. Через обмотку реле протекает однополупериодный постоянный ток, второй полупериод закорачивается в цепи искробезопасного напряжения через диод VD1. Сопротивление обмотки реле однополупериодному току мало и реле работает устойчиво.
Рисунок 4.4 – Схема искробезопасного включения реле
При нажатии кнопки SB2 сопротивление обмотки реле для переменного тока возрастает, реле отключается и схема возвращается в исходное положение. Следует отметить, что когда работает реле К, диод VD1 переводит его в режим замедления – реле времени (за счет ЭДС самоиндукции, которая действует от однополупериодного тока в обмотке), что предотвращает вибрацию якоря реле. Увеличение времени срабатывания или отпускания ЭМР можно достичь включением реле в схемы, изменяющие скорость нарастания или спадания тока в его обмотке.
На рис. 4.5 показана схема замедления срабатывания реле с помощью шунтирования его обмотки конденсатором. В этом случае при замыкании ключа заряд конденсатора происходит за определенный промежуток времени. Напряжение на конденсаторе постепенно возрастает, а время срабатывания реле увеличивается, эта схема также увеличивает и время отпускания, поскольку якорь некоторое время остается притянутым за счет энергии, накопленной в конденсаторе.
Рисунок 4.5 – Схема замедления срабатывания реле
В схеме на рис. 4.6 время отпускания реле увеличивается за счет того, что при размыкании ключа в цепи, состоящей из параллельного соединения обмотки реле, конденсатора и резистора, некоторое время сохраняется ток разряда конденсатора.
Рисунок 4.6 – Схема увеличения времени отпускания реле
Чтобы переходный процесс в этой цепи имел апериодический характер, применяют достаточно большую емкость конденсатора и большое значение сопротивления резистора.
Синтез и минимизация релейно-контактных схем
При проектировании элементов и устройств автоматизации, систем логического управления возможно построение бесконтактной схемы управления на основе существующего релейно-контактного варианта схемы [7] либо проведение непосредственного синтеза устройства логического управления (релейно-контактной или бесконтактной) на основе заданных условий технологического процесса.
При синтезе логических схем управления рекомендуется следующая последовательность действий:
Этап 1 – Составление таблицы истинности. Основная цель этапа – формализация задания, в процессе которой нужно продумать значение функции для каждой комбинации значений аргументов. Результат этапа – таблица истинности, неоднозначное толкование которой невозможно. Наиболее трудно обнаруживаемые ошибки возникают именно на этапе формализации. Только если таблица из-за значительного числа переменных оказывается слишком громоздкой или если функция проста и смысл ее абсолютно ясен, можно начинать прямо с написания аналитической формулы.
Этап 2 – Доопределение таблицы истинности. Если функция определена не на всех наборах аргументов, то нужно ликвидировать неоднозначность таблицы. При малом числе неопределенных значений необходимо рассмотреть несколько вариантов. Если же число безразличных значений или самих аргументов велико, то, возможно, придется доопределять функцию всеми нулями или всеми единицами – так, чтобы в результате уменьшить количество членов совершенной дизъюнктивной нормальной формы СДНФ (либо совершенной конъюнктивной нормальной формы СКНФ) прямой функции или ее инверсии.
Этап 3 – Составление СДНФ (СКНФ). По полностью определенной таблице истинности составляется СДНФ (СКНФ). Если рассматривается несколько вариантов доопределения или если есть вероятность, что инверсия функции будет реализовываться лучше, то в дальнейшей работе будут участвовать несколько вариантов СДНФ (СКНФ).
Этап 4 – Минимизация СДНФ (СКНФ). Сущность минимизации заключается в нахождении наиболее оптимального варианта схемы с минимальным числом используемых элементов. Минимизировать СДНФ (СКНФ) можно любыми доступными методами: с помощью карт Карно, диаграмм Вейча либо на основе известных аксиом, теорем и тождеств алгебры логики [6,8,9].
К последним относят, в том числе, следующие логические выражения:
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
.
Этап 5 – Техническая реализация СДНФ (СКНФ). На этом этапе необходимо реализовать получившиеся дизъюнктивные (конъюнктивные) формы на базе заранее выбранной серии микросхем, содержащей логические элементы. Предпочтение следует отдавать вариантам реализации логических функций на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, получивших распространение в различных сериях цифровых микросхем (как ТТЛШ, так и КМДП).
Этап 6 – Оптимизация логической схемы. Следует оценить двойственный вариант логической схемы с учетом изменения количества входных и выходных инверторов. Попытаться найти такую декомпозицию функций, чтобы каждый фрагмент полученного разложения зависел от меньшего числа аргументов, нежели исходная функция. Рекомендуется выполнять это различными способами.
Из полученных на этапах 5-6 вариантов следует выбрать наиболее подходящий с точки зрения поставленной цели [8,9].