ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ И БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

"Исследование контактных и бесконтактных элементов

автоматики"

для студентов неэлектротехнических специальностей

очной и заочной форм обучения

 

Тюмень 2006

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N4

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ И БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Экспериментально снять статические

характе­ристики реле. Определить

логические функции, выполняемые

бесконтактными устройствами ав­томатики.

 

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Систему автоматического управления объектом в общем виде можно представить с помощью схемы, изображенной на рис.1.

Рис.1. Взаимодействие устройств автоматики с

объектом управления

Устройства автоматики перерабатывают измеренную и запрог­раммированную информацию в информацию исполнения и контроля.

Носителями информации являются сигналы, Физические свойства которых могут быть самыми различными.

В общей схеме системы автоматики можно выделить четыре группы устройств предназначенных для формирования сигналов, а также центральное устройство управления, выполняющее функции переработки всей информации и формирующее требуемые управляю­щие воздействия. Вспомогательные устройства четырех групп обеспечивают взаимосвязь объекта и оператора с центральным уп­равляющим устройством.

Представленная на рис.1 схема является в достаточной сте­пени общей. Таким способом можно представить работу как обыч­ного регулятора в печи, так и управление прокатным станом с по­мощью универсальной ЭВМ.

Входные и выходные сигналы устройства управления, обычно электрические, гидравлические или пневматические, могут быть двух видов: сигналы непрерывные (аналоговые) и дискретные. Дискретные сигналы могут квантоваться по времени или по вели­чине.

Непрерывные сигналы поступают с типовых измерительных пре­образователей температуры, давления и т.п. Они могут использо­ваться при непрерывном управлении частотой вращения при пе­редаче выходных данных регистраторов, при управлении шаговыми двигателями и т.д.

Различный характер входных и выходных сигналов приводит к необходимости применения в системе управления разных элементов и устройств для обработки непрерывных и дискретных сигналов.

Использование дискретных сигналов имеет ряд существенных преимуществ:

- большая точность преобразования;

- большая помехозащищенность и надежность;

- простота устройства запоминания информации и хранения ее в течении длительного времени;

- точное цифровое отображение выходной информации с помощью цифровых индикаторов и печатающих устройств;

- относительно низкая стоимость систем, реализующих сложные и точные преобразования дискретной информации.

Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинс­тве случаев они имеют всего два различных состояния: включено - выключено (реле), открыт-закрыт (транзистор) и т.д.

Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигна­лы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе - со вторым. Физи­чески это означает, что сигнал имеет импульсный характер: вы­сокий уровень - одно значение, низкий - другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0. На таких элементах строят устройс­тва, которые получили название переключательных устройств.

Различают два типа переключательных (дискретных, логичес­ких, релейных) устройств с разными свойствами. В устройствах первого типа значение каждого выходного сигнала У₁ определяет­ся только конкретными значениями X_1,Х_2,...Х_n в рассматриваемый момент времени и не зависит от последовательности значений входных сигналов, подаваемых в предыдущие моменты времени. Та­кие устройства называются комбинационными автоматами, комбина­ционными схемами, или автоматами без памяти.

В устройствах второго типа значения У₁ зависят не только от конкретной комбинации значений входных сигналов X_1,Х_2,...Х_n, но также и от их предыдущих значений, имевших место в более ранние моменты времени. Такие устройства называ­ют последовательными или автоматами с памятью.

Комбинационный автомат с п входами и m выходами можно опи­сать следующей системой уравнений:

У₁ =f₁(X_1,Х_2,...Х_n). i=l, 2,... m.

Поскольку X и У могут принимать только два значения- 0 или 1, функции f₁ не могут быть обычными арифметическими функция­ми. Для описания переключательных функций применяют двухэле­ментную алгебру Буля. Эта алгебра вводит три новые операции по сравнению с обычной арифметикой или функции, аргументами и значениями которых служат элементы 0 и 1.

Этими операциями являются:

- логическая сумма (дизъюнкция) аргументов А и В равна 1, если ИЛИ ;

- логическое произведение (конъюнкция) аргументов А и В равна 1, если И ;

- отрицание аргумента , если НЕ есть (или если ).

Существуют различные обозначения приведенных булевых опе­раций: логическая сумма ; логическое произведение ; отрицание . Эти операции можно записать в виде следующих равенств:

 

 

 

Из этих соотношений вытекают следующие законы алгебры ло­гики:

- сочетательный закон

 

;

 

- переместительный закон

 

 

- распределительный закон

 

 

- закон де Моргана

 

 

Наряду с конъюнкцией, дизъюнкцией и отрицанием практичес­кое применение находят и другие функции двух аргументов.

Импликация принимает значение 1. если или , т. е.

 

Функция запрета (или несимметричная разность) (или ) принимает значение 1, если И , т.е.

 

Функция Пирса (функция ИЛИ - НЕ) принимает значение 1, если И :

 

 

Функция Шеффера (функция И - НЕ) принимает значение 1, если ИЛИ :

 

Функция логической равнозначности ( ~ ) принимает значение 1, если аргументы принимают одинаковые значения:

 

 

Функция логической неравнозначности (сумма по модулю 2, исключающее ИЛИ) принимает значение 1, если только один из аргументов принимает единичное значение:

 

 

В переключательных устройствах автоматики применяются три основных вида элементов:

- контактные элементы (электромагнитные реле, пускатели, контакторы и другие);

- полупроводниковые элементы (транзисторы, тиристоры, дио­ды, логические микросхемы);

- пневматические элементы.

Электромагнитными называются реле, преобразующие электри­ческий сигнал в перемещение якоря электромагнита, которое вы­зывает замыкание или размыкание контактов. Электромагнитные реле можно рассматривать как один из видов электрических уси­лителей, так как мощность сигнала необходимого для срабатыва­ния реле может быть существенно меньше мощности электрической цепи, которой управляют контакты реле. Электромагнитные реле подразделяются на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока могут быть нейтральными и поляризованными. Нейтральные реле работают независимо от направления (поляр­ности) тока в обмотке. Поляризованные реле работают по-разно­му, в зависимости от направления поступившего на обмотку тока.

Электромагнитное нейтральное реле по конструкции может быть трех видов: с поворотным якорем, с втяжным якорем и с гер­метизированным магнитоуправляемым контактом (герконом).

Устройство реле с поворотным якорем показано на рис.2. В выключенном состоянии якорь 2 находится под действием возврат­ной пружины 1 и занимает верхнее положение. При этом средний контакт 3. связанный с якорем реле, замкнут с контактом 4 (размыкающий контакт). Если подать ток в обмотку 6, то возник­нет магнитный поток , замыкающийся по сердечнику (магнитопроводу) 7, якорю 2 и воздушному зазору. Магнитный поток намаг­ничивает якорь, при этом возникает электромагнитная сила F_э:

 

 

где К - коэффициент пропорциональности;

I - ток в обмотке;

W - число витков в обмотке;

- воздушный зазор между якорем и сердечником.

Под действием электромагнитной силы якорь поворачивается и переключает контакты. Этот этап работы реле называют срабаты­ванием. При выключении тока электромагнитная сила исчезает и под действием возвратной пружины якорь вернется в исходное по­ложение. Этот этап работы реле называется отпусканием.

Реле с герконом (рис.3) имеют самую простую конструкцию: геркон 1 размещается внутри катушки 2 (обмотки) реле. Геркон представляет собой миниатюрную стеклянную трубку 3 (баллон) с впаянными во внутрь нее двумя контактными пружинами из магнитомягкого ферромагнитного материала (пермаллоя). Концы пружин покрывают тонким слоем серебра, золота или радия для обеспече­ния надежного контакта при соприкосновении пружин. Баллон за­полняется инертным газом азотом, аргоном либо создается вакуум.

При подаче тока в обмотку реле возникает магнитный поток, намагничивающий контактные пружины геркона. Между ними возни­кает сила F₃ и контакты замыкаются. Реле с герконом отличаются повышенной надежностью, долговечностью и большим быстродейс­твием, чем реле с поворотным и втяжным якорем. Недостатком этих реле является небольшая мощность, которой могут управлять¹ контакты геркона, и влияние внешних магнитных полей, способных вызывать ложное срабатывание геркона.

Герконы могут применяться в концевых выключателях, диск­ретных датчиках положения, кнопочных и клавишных выключателях, используемых в пультах управления ЦВМ.

Управление замыканием герконов в этом случае осуществляет­ся от небольших постоянных магнитов, закрепляемых на подвижной части конструкции кнопки или выключателя.

Поляризованные реле в отличие от нейтральных реагируют не только на значение, но и на направление (полярность) тока в обмотке. Устройство поляризованного реле показано на рис.4.

Поляризация реле осуществляется от постоянного магнита 1. Магнитный поток _М , создаваемый магнитом, проходит по якорю 2 и разделяется на два потока: ₁ и ₂. Если якорь находится в левом положении (как показано на рис.4), то расстояние между якорем и левым полюсом сердечника 3 меньше чем расстояние меж­ду якорем и правым полюсом сердечника 3. поэтому поток ₁ больше потока ₂. Положение якоря реле устойчивое, так как на него будет действовать электромагнитная сила, пропорциональная разности магнитных потоков и направленная в сторону большего потока, т.е. ₁.

Контакт якоря 4 будет замкнут с левым контактом 5. К кон­такту якоря ток подводится через безмоментный токопровод 7.

При включении тока в обмотке реле создается магнитный по­ток ₀, замыкающийся по сердечнику 3. якорю 2 и воздушным зазорам. Направление магнитного потока ₀ зависит от направления (полярности) тока, протекающего в обмотке. Магнитный поток об­мотки ₀ направлен встречно потоку ₁ и согласно потоку ₂.

Значение потока ₀ больше разности магнитных потоков , поэтому якорь реле переключается в правое положение и его кон­такт замыкается с контактом 6. Если же при левом положении якоря направление тока в обмотке было противоположным, то маг­нитный поток ₀ будет направлен согласно с потоком ₁. Якорь реле останется в левом положении.

Таким образом, при одной полярности тока в обмотке якорь реле переключается в новое устойчивое положение, при другой - остается неподвижным. При выключении тока в обмотке якорь ос­тается в том положении, которое он занимал в момент выключения тока (якорь "запоминает" состояние, соответствующее моменту выключения тока). Такое реле называется двухпозиционным.

Существуют и трехпозиционные поляризованные реле, у кото­рых контакты расположены симметрично по отношению к нейтраль­ной линии, а якорь удерживается на нейтральной линии центриру­ющими пружинами. В зависимости от направления тока в обмотке реле якорь переключается или в левое, или в правое положение, а после выключения тока возвращается в нейтральное положение.

Поляризованные реле имеют высокую чувствительность (за счет влияния постоянного магнита) и быстродействие.

Для управления большими токами применяют, специальные электромагнитные реле, которые получили название контакторов. Контакторы могут быть как постоянного, так и переменного тока.

Для управления трехфазными электродвигателями применяют контакторы переменного тока, получившие название магнитных пускателей.

Срабатывание или отпускание реле может быть замедлено. В телефонных реле и реле переменного тока для этого на сердечни­ке помещают коротко-замкнутые витки (наведенные в них вихревые токи замедляют изменение магнитного потока), что исключает "дребезг" контактов.

При выборе реле для конкретного устройства автоматики и при сравнении реле различных типов пользуются рядом парамет­ров, характеризующих свойства реле:

 

 

 

Рис. 2. Устройство электромагнитного нейтрального

реле с поворотным якорем

 

 

 

Рис. 3. Устройство герконового реле

 

 

Рис. 4. Устройство поляризованного реле

 

 

- ток срабатывания I_ср (напряжение срабатывания, мощ-ность срабатывания) - это ток (напряжение или мощ-ность), который нужно подать на обмотку реле для его надежного срабатывания;

- ток отпускания I_0ТП (напряжение отпускания, мощность от­пускания) - ток в цепи обмотки, при котором реле выключается;

- управляемая мощность (ток, напряжение) - параметр элект­рической цепи, которой управляют контакты реле;

- время срабатывания реле - интервал времени от момента по­дачи тока в обмотку реле до начала воздействия контакторов на управляемую цепь;

- долговечность - гарантируемое число срабатываний реле при номинальной нагрузке в цепи контактов;

- коммутационные возможности реле - число и вид контак-торов.

Для реле принято рассматривать статическую характе-ристику. Статическая характеристика реле показана, на рис.5. Статичес­кая характеристика показывает зависимость коммутируемой мощности от силы тока в обмотке электромагнита. Статическая ха­рактеристика показывает возможности применения реле в той или иной схеме управления для работы в качестве порогового элемен­та, реагирующего на определенный уровень входного сигнала или для работы в силовых устройствах.

Надежность по срабатыванию релейного элемента оценивается коэффициентом запаса, который определяется по формуле:

 

 

В зависимости от условий работы К₃ выбирается в пределах от 1,2 до 4,0.

Совершенство конструкции реле характеризуется коэффициен­том возврата:

 

Обычно К_в лежит в пределах 0,1 - 0,99.

 

Каждое устройство, состоящее из соединенных между собой катушек реле и контактов, можно описать с помощью булевых функций и, наоборот, любую логическую функцию можно реализовать с помощью схемы, состоящей из соеди-

 

 

Рис. 5. Статическая характеристика реле

 

ненных между собой ка­тушек и контактов реле. Обычно при записи функций катушки реле обозначаются большими буквами, а контакты - маленькими. Вклю­ченное состояние реле (контакта реле) записывается как Р=1 (р=1), отключенное состояние реле (контакта реле) - Р=0 (р=0). Для схемы, изображенной на рис.6а, можно записать:

Р = 1, если а = 1, и Р = 0, если а = 0, или Р = а.

 

 

Рис. 6. Реализация основных логических функций на контактных элементах

В схеме рис.6б, реле Р включено, когда отключено реле А, или

На схеме рис.6в, реле Р включено, если включены оба реле А и В:

а на схеме рис.6г, реле включено, если включено хотя бы одно реле А или В:

Отсюда вытекает общее правило: последовательному соедине­нию контактов соответствует конъюнкция, параллельному - дизъ­юнкция, а нормально замкнутый контакт в схеме соответствует отрицанию.

Функции памяти реализуются в релейных схемах, путем под­держания включенного состояния реле собственным контактом это­го реле. Возможны следующие два варианта реализации функции памяти, представленные на рис. 7.

 

 

 

Рис. 7. Схемы реализации функции памяти

 

Оба варианта называются соответственно схемой с приоритетом выключения (а) и включения (б):

для рис. 7а ;

для рис. 7б .

В логических устройствах систем автоматики реле постепенно вытесняются бесконтактными элементами, особенно в случаях peaлизации сложных функций и в случаях требующих большого быстродействия и надёжности.

 

 

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

 

Первоначально необходимо исследовать работу электромагнит­ных реле, представленных на лабораторном стенде. Для этого нужно снять статические характеристики электромагнитных реле К1-К4, поочередно подключая их к измерительной схеме, согласно рис.8. Контроль параметров реле проводить по вольтметру и мил­лиамперметру PV и РА соответственно.

При плавном перемещении движка потенциометра R2 изменяется напряжение и сила тока в обмотке реле. В момент загорания лам­пы HL2 происходит срабатывание реле. Для этого момента нужно зарегистрировать значение силы тока 1_ср и напряжения и_ср.

Далее, постепенно увеличивая напряжение до номинального значения (номинальные значения напряжений срабатывания реле, заданы в табл.1), зарегистрировать значение 1_Н. После чего, плавно уменьшая напряжение, зарегистрировать значение 1_0ТП и и_отп в момент погасания лампы HL2 и загорания лампы HL3.B этот момент реле переключается в исходное состояние, т.е. происхо­дит отпускание реле. Результаты испытаний записать в таблицу 1.

Исследовать работу бесконтактных логических элементов. Функциональное обозначение каждого логического элемента D1 -D10 показано на лабораторном стенде. Входы и выходы каждого элемента подключены к соответствующим гнездам.

Для контроля значений входных и выходных сигналов нужно подключить входы и выход одного из исследуемых логических элементов согласно схеме, изображенной на рис.9. Выход иссле­дуемого элемента подключают к элементу D13, обладающего высо­кой нагрузочной способностью, что необходимо для включения сигнализирующей лампы. Загорание лампы HL1 свидетельствует о появлении сигнала логической 1 на выходе элемента.

После подключения логического элемента включить тумблер "СЕТЬ" SA1.

С помощью тумблеров SA2, SA3 (или других) на входы иссле­дуемого 'элемента можно подать высокий потенциал, который соот­ветствует логической единице на данном входе, при этом сигнал XI либо Х2 равен логической 1. Об этом свидетельствует загора-ние лампы HL3 или HL4. Контроль значения выходного сигнала вы­полняют по лампе HL1, состояние которой будет зависеть от вы­полняемой функции исследуемого логического элемента и комбина­ции входных сигналов.

Поочередно включая и выключая тумблеры SA2 и SA3, осущест­вить весь возможный перебор значений логических переменных XI и Х2.

 

 

 

Рис. 8. Схема испытания электромагнитных реле

 

 

Рис. 9. Схема исследования логических элементов

 

Таблица 1

Результаты испытаний электромагнитных реле

 

Реле	К1	К2	К3	К4
Параметры	Тип	РМ4Г	РД4Г	РЭС-9	РЭС-43
Срабатывание	Iср, mA
Uср, B
Номинальное	Iн, mA
Uн, B
Отпускание	Iотп, mA
Uотп, B
Мощность номинальная Рн = Iн · Uн, Вт
Коэффициенты	Возврата
Запаса
Усиления

 

Примечание. Мощность нагрузки Р_наг, которую способно ком­мутировать каждое реле, составляет 15 Вт.

Для двух входных переменных XI и Х2 возможны четыре ком­бинации. Например, для элемента 2И-НЕ можно получить следующую таблицу истинности:

 

X1
Х2
F

 

По результатам наблюдений получить таблицы состояний для каждого логического элемента и результаты занести в табл. 2.

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

 

- схемы для проведения исследований с описанием их работы;

- результаты испытаний в виде таблиц;

- графики статических характеристик реле;

- выводы о проделанной работе.

 

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Структура систем автоматики.

2. Типы сигналов используемых при передачи информации в системах управления объектом.

3. Назначение контактных и бесконтактных устройств автома­тики. Их сравнительная характеристика.

4. Логические операции и законы алгебры логики.

5. Что такое статическая характеристика реле?

6. Какими параметрами характеризуются реле?

7. Конструкция и работа нейтрального реле.

8. Конструкция и работа поляризованного реле.

9. Назначение короткозамкнутого витка в реле переменного тока.

10. Конструкция и работа герконовых реле.

11. Какие материалы применяются для изготовления магнитопровода реле, их контактов. Назначение герметизации корпуса реле.

12. Порядок составления функции включения.

13. Обозначение и работа логических элементов (по заданию преподавателя), представленных в табл.2.

14. Построение логических схем управления (по заданию препо­давателя) на изученных логических элементах.

 

 

Таблица 2

Результаты испытаний логических элементов

НАИМЕНОАНИЕ ФУНКЦИИ	ОПЕРАЦИЯ, ФОРМУЛА	УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ	ТАБЛИЦА ИСТИННОСТИ
ПОВТОРЕНИЕ			Х1	Х2	F	Fп
ИНВЕРСИЯ			Х1	Х2	F	Fп
ФУНКЦИЯ “И”, КОНЪЮНКЦИЯ, ЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ			Х1	Х2	F	Fп
ФУНКЦИЯ “ИЛИ”, ДИЗЪЮНКЦИЯ, ЛОГИЧЕСКОЕ СЛОЖЕНИЕ			Х1	Х2	F	Fп
ФУНКЦИЯ И-НЕ, ШТРИХ ШЕФФЕРА			Х1	Х2	F	Fп
ФУНКЦИЯ ИЛИ-НЕ, СТРЕЛКА ПИРСА			Х1	Х2	F	Fп
ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, РАВНОЗНАЧНОСТЬ			Х1	Х2	F	Fп
СЛОЖЕНИЕ ПО МОДУЛЮ 2, НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ			Х1	Х2	F	Fп
ФУНКЦИЯ ЗАПРЕТА			Х1	Х2	F	Fп
ИМПЛИКАЦИЯ			Х1	Х2	F	Fп

 

Утверждено методическим советом Тюменского государственного нефтегазового университета

 

 

Составители: И.А.Каменских, В.И.Смирнов

 

Под редакцией к.т.н. С.А.Мусихина

 

©Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2006

ЛИТЕРАТУРА

 

1. В. Трачик. Дискретные устройства автоматики.- М.: Энергия. 1978.

2. Савельев А. Я. Арифметические и логические элементы цифро­вых автоматов.- М.: Высшая школа. 1980.

3. Киблицкий В.А. Стендовая проверка и макетирование бескон­тактных логических схем.- М.: Энергия, 1978.

4. Гивоне Д., Россер Р., Микропроцессоры-и микрокомпьютеры.-М.: Мир. 1983. '

5. Л.А.Родштейн. Электрические аппараты. - Л.: Энергоатомиз-дат, 1981,

6. И.Г.Игловский, Г.В.Владимиров. Справочник по электромаг­нитным реле.- Л.:Энергия, 1975.

7. А.И.Трофимов. Автоматика, телемеханика и вычислительная техника в химических производствах.- М.: Энергоатомиздат. 1985.

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторной работе "Исследование контактных и бесконтактных элементов автоматики" для студентов неэлектротехнических специальностей очной и заочной форм обучения

 

 

Составители: И.А.Каменских, В.И.Смирнов

 

Подписано к печати Объем 1,3 п.л.

Формат 60-4/16 Заказ N

Тираж

Печать плоская

 

 

Тюменский государственный нефтегазовый университет Ротапринт ТюмГНГУ, 625000, Тюмень, Володарского, 38.