Технические средства автоматизации.

 

Содержание темы

Основные понятия и определения автоматизации. Датчики. Микроконтроллеры. Исполнительные механизмы. Условия эксплуатации средств автоматизации на горных предприятиях и их конструктивное исполнение.

 

Методические указания

 

1. Основные понятия и определения автоматизации

 

Автоматизация производственных процессов— это высший этап раз­вития машинного производства, когда техническим устройствам пере­даются функции управления, ранее выполнявшиеся человеком и связан­ные с работой его мозга (контроль, сигнализация, выбор рационального режима работы оборудования и т. п.).

Автоматизация это применение технических средств, экономико-математических методов, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессе управления материально – техническим объектом (технологическая установка или производственный процесс).

Различают следующие этапы автоматизации производства: частичную, комплексную и полную.

Частичная автоматизация производства, точнее - автоматизация отдельных производственных операций, осуществляется в тех случаях, когда управление процессами вследствие их сложности или скоротечности практически недоступно человеку и когда простые автоматические устройства эффективно заменяют его. Частично автоматизируется, как правило, действующее технологическое оборудование. По мере совершенствования средств автоматизации и расширения сферы их применения было установлено, что частичная автоматизация наиболее эффективна тогда, когда технологическое оборудование разрабатывается сразу как автоматизированное.
При комплексной автоматизации производства участки и шахта функционируют как единый взаимосвязанный автоматизированный комплекс. Комплексная автоматизация производства охватывает все основные производственные функции предприятия, хозяйства, службы; она целесообразна лишь при высокоразвитом производстве на базе совершенной технологии и прогрессивных методов управления с применением надёжного производственного оборудования, действующего по заданной или самоорганизующейся программе, функции человека при этом ограничиваются общим контролем и управлением работой комплекса.

Полная автоматизация производства - высшая ступень автоматизации, которая предусматривает передачу всех функций управления и контроля комплексно-автоматизированным производством автоматическим системам управления. Она проводится тогда, когда автоматизируемое производство рентабельно, устойчиво, его режимы практически неизменны, а возможные отклонения заранее могут быть учтены, а также в условиях недоступных или опасных для жизни и здоровья человека.

Управлением в общем случае называют всякое целенаправлен­ное воздействие, оказываемое на какой-либо объект с целью изменения его качественного состояния (напри­мер, включение, реверсирование, отключение). Управление, при котором изменяется количественное состояние объекта путем изменения или стабилизации одного или несколь­ких параметров режима работы называется регулированием.

Управление объектам может быть мест­ным (ручным), дистанционным, автоматическим, автоматизированным и централизованным. Автоматизированное управление – это управление при участии человека, автоматическое – без участия человека.

В общем случае процесс управления можно представить как последовательное выполнение следующих четырех основных операций:

– получение информации о состоянии объекта;

– передача информации от объекта автоматизации к устройству управления;

– переработка полу­ченной информации и принятие решения, т. е. формирование сигнала управления;

– исполнение решения, т.е. реализация управляющего воздействия, соответствующего выработанному сигналу управления.

Указанные операции выполняются с помощью технических средств автоматизации при участии или без участия человека.

Автоматическая система - это система в которой все функции по управлению объ­ектом осуществляются техническими средствами автоматизации без участия человека. В автоматизированной системе часть функций, главным образом по принятию решений, выполняет человек (диспетчер, оператор, машинист и др.), а остальные выполняются техническими средствами автоматизации.

С остальными определениями можно ознакомиться в [1,2].

Также при изучении устройств и систем автоматизации используют различные виды схем. В зависимости от применяемых видов энергии, элементов и связей схемы бывают электрические, гидравлические, пневмати­ческие, кинематические и комбинированные.

В соответствии с Единой системой конструкторской докумен­тации в зависимости от основного назначения схемы подразделяются на структурные, функциональные, принципиальные электрические, монтажные и др.

На структурной схеме изображаются все основные блоки (в виде геометрических фигур) и взаимосвязи между ними. Графи­ческое построение такой схемы дает наглядное представление о последовательности взаимодействия отдельных, блоков. Наимено­вания, буквенные обозначения, порядковые номера отдельных бло­ков, как правило, вписываются внутри прямоугольника или круга.

Функциональной называют схему, подобную по изображению структурной, в которой отдельные блоки имеют наименования вы­полняемых ими функций, обеспечивающих представление о про­цессах, протекающих в отдельных частях системы.

На принципиальных электрических схемах не дается истинное расположение элемен­тов и наглядное представление о них; каждый элемент в схеме имеет условное графическое изображение и буквенно-цифровое позиционное обозначение (состоящееиз буквенного обозначения и порядкового номера после буквенного обозначения). Однако показанные на ней все элементы и все связи между ними позволяют объяснить принцип работы системы, все электрические процессы, протекающие в ходе работы системы и пути прохождения тока в схеме.

Монтажные схемы предна­значены для монтажа элементов системы, прокладки и присоединений проводов, кабелей, а также наладки. На них графиче­ски изображено действительное взаимное расположение отдельных элементов и приборов, электрических проводов и кабелей с указанием основных размеров, буквенных обозначений и марки­ровки концов приводов.

 

2. Датчики в системах автоматизации. Классификация датчиков. Принцип действия.

 

Датчиком называется устройство, осуществляющее преобразование контролируемого параметра в выходной сигнал, удобный для ввода его в систему управления или для дистанционной передачи. В горной промышленности в системах автоматического управления и контроля наиболее широко применяются электрические датчики, в которых различные физические вели­чины преобразовываются в электрическую величину. В учебнике [3] необходимо ознакомиться с основными параметрами производственных процессов, которые подлежат контролю при автоматизации производства.

Датчики классифицируются по различным критериям - по энергетическому режиму работы преобразователя, по виду контролируемого параметра, по назначению. По литературе [1] необходимо ознакомиться с данной классификацией.

Далее необходимо рассмотреть принцип действия основных типов датчиков, наиболее широко применяемых в системах автоматизации шахтных технологических установок и производственных процессов: герконовые, потенциометрические, индукционные, трансформаторные и терморезисторные [1]. Например, принципиальная электрическая схема герконового датчика приведена на рисунке 1.

Воспринимающий элемент датчика – геркон представляет собой ампулу 1, внутри которой запаяны контактные пружины (электроды) 2, изготовленные из ферромагнитного материала. Стеклянная ампула заполнена защитным газом (аргон, азот и др.). Герметичность ампулы исключает вредное влияние (воздействие) окружающей среды на контакты, повышая надежность их работы. Контакты геркона, расположенного в контролируемой точке пространства, замыкаются под действием магнитного поля, которое создается постоянным магнитом (электромагнитом), установленным на подвижном объекте.

 

 

 

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема герконового датчика

 

Выходной сигнал датчика (U_вых) равен величине напряжения U_п источника питания при наличии магнита в точке контроля и нулю при его отсутствии.

Достоинства герконовых датчиков - высокая наработка на отказ (порядка 10⁷ срабатываний). Недостаток – существенное изменение чувствительности при незначительном смещении магнита в направлении перпендикулярном движению объекта.

Герконовые датчики используются, как правило, при автоматизации подъемных, водоотливных, вентиляторных и конвейерных установок. В учебнике [2] можно ознакомиться с такими датчиками. Например, это широко используемый в системах автоматизации конвейеров датчик контроля схода ленты КСЛ-2. Конструктивная схема датчика КСЛ-2 приведена на рисунке 2. Датчик состоит из корпуса 2, гибкого провода и исполнительного устройства. Корпус 2 и крышка 1 выполнены из волокнита. В корпусе расположено исполнительное устройство, состоящее из магнитной системы 5 и геркона, заключенного в капсулу 6, которая ввинчивается в шайбу 4 и фиксируется гайкой 3. Гибкий провод состоит из пружины 7, резинового кожуха 9 и восьми конических шайб 10, нанизанных на трос 8, связывающих магнитную систему с зажимом 11. В крышке датчика имеется два кабельных ввода 14, жилы кабеля подводятся к зажимам 13, электрически связанным с герконом. На корпусе датчика имеется металлическая планка 12, при помощи которой датчик крепится к грузовой опоре роликов конвейера. При воздействии на гибкий привод конвейерной ленты с помощью троса 8 происходит перемещение кольцевой магнитной системы вдоль капсулы, что приводит к замыканию контактов геркона. После прекращения отклоняющего воздействия провод устанавливается в исходное положение возвратной пружиной, вследствие чего контакт размыкается. Замыкание контакта свидетельствует о сходе ленты, размыкание контакта – нормальное положение ленты.

Аналогично необходимо рассмотреть и остальные ранее указанные типы датчиков - потенциометрические, индукционные, трансформаторные и терморезисторные [1].

3. Передача информации и технические средства передачи информации

в системах автоматизации

 

Передача информации в системах автоматизации производится по линиям (каналам) связи. В зависимости от физической среды, по которой происходит передача информации каналы связи можно разделить на следующие типы:

–кабельные линии – электрические (симметричные, коаксиальные, «витая пара» и т.д.), волоконно-оптические и комбинированные электрические кабели с волоконно-оптическими жилами;

–силовая низковольтная и высоковольтные электрические сети;

–инфракрасные каналы;

–радиоканалы.

Передача информации по каналам связи может передаваться без уплотнения информации, т.е. по одному каналу передается один информационный сигнал (аналоговый или дискретный) и с уплотнением информации – по каналу связи передается множество информационных сигналов. Уплотнение информации применяется для дистанционной передачи информации на значительное расстояние (например от аппаратуры автоматизации, расположенной на штреке к очистному комбайну или от участка шахты на поверхность к диспетчеру) и может производиться при помощи различного рода кодирования сигналов.

Устройства, которые обеспечивают передачу информации о состоянии объекта и команд управления на расстояние называются телемеханическими системами [5].

Телемеханические системы могут входить в аппаратуру автоматизации как составная часть (например, комплекс «Метан», аппаратура АРУС.1М и др.), или представлять собой автономную, универсальную по назначению аппаратуру –например, комплекс УТШ, система СТТВ и др [3,17].

Так, комплекс устройств телемеханики УТШ предназначен для телесигнализации дискретных состояний объектов, телеуправления и телерегулирования объектов, телеизмерения текущих и интегральных значений параметров.Комплекс УТШ применяется в системах оперативно-диспетчерского и автоматизированного управления технологическими процессами угольных шахт, в том числе опасных по газу и пыли.

Система телемеханики объектов тупиковых выработок СТТВ предназначена для дистанционного управления различными рассредоточенными объектами, связанными с проветриванием тупиковых выработок, и контроля их состояния.

Системы телемеханики делятся на дискретные и аналоговые. Системы дискретного телеконтроля называют системами телесигнализации (ТС), они обеспечивают передачу конечного числа состояний объекта (напри­мер, «включено», «отключено»). Системы аналогового телеконтроля называют системами телеизме­рения (ТИ), они обеспечивают передачу непрерывного изменения каких-либо параметров, характеризующих состояние объекта (например, из­менение напряжения, тока, скорости и т.д.).

 

Элементы, из которых состоят дискретные сигналы, обладают раз­личными качественными признаками: амплитудой импульса, полярностью и длительностью импульса, частотой или фазой переменного тока, кодом в посылке серии импульсов.

Более подробно телемеханические системы рассмотрены в [5,17].

 

4. Обработка информации и выработка управляющих воздействий в системе автоматизации. Понятие о микроконтроллерах.

 

Как было сказано выше, одной из основных операций управления является переработка полу­ченной информации и принятие решения, т. е. формирование сигнала управления. Она включает в себя обработку поступившей информации, определение рационального режима эксплуатации производственного процесса или установки, формирование управляющих воздействий на объект, выдачу обслуживающему персоналу рекомендаций по его управлению. Как правило, это осуществляется в виде математических (в том числе логических) зависимостей между входными и выходными сигналами. В системах автоматического управления информация обычно представлена в виде электрических сигналов. Для обработки электрических сигналов используются различные устройства, которые осуществляют усиление сигналов, формируют управляющие воздействия в соответствии с алгоритмом управления. К таким устройствам относятся магнитные, электромашинные, гидравлические и электронные усилители, логические элементы, микроконтроллеры и др. Более подробно с этими устройствами можно познакомиться в [1].

В настоящее время для обработки информации и выработки управляющих воздействий широко применяются микроконтроллеры – устройства на основе микропроцессорных элементов. В системах шахтной автоматизации наиболее широко применяются микроконтроллеры семейства PIC фирмы Microchip и микроконтроллеры RISC - фирмы Atmel [16 ]. Микроконтроллер представляет собой цифровую вычислительную систему, в которой входная аналоговая и дискретная информация преобразуется в цифровой код и обрабатывается в соответствии с заданной программой. На рисунке 3 представлена типичная архитектура (структура) микроконтроллера. Схема состоит из четырех основных устройств: микропроцессор, постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) - память программ, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ) - память данных и устройства ввода-вывода (порты). Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления и осуществляет математические и логические операции с данными. Шина адреса (ША) служит для выбора определенных ячеек памяти, входов и выходов портов. По шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Микропроцессор может передавать информацию в память микроконтроллера или к устройствам ввода-вывода, а также получать информацию из памяти или из портов контроллера. Память программ содержит некоторую программу – инструкцию, последовательное выполнение которой реализует заданный алгоритм управления. Память данных используется для оперативного хранения промежуточных результатов различных операций. С другими элементами системы автоматизации микроконтроллер взаимодействует через устройства ввода-вывода.

Следует иметь в виду, что при применении микроконтроллеров в системах автоматизации шахтных подземных установок требует устройства ввода – вывода наряду с типовыми функциями выполняют также функции по обеспечению искробезопасности электрических цепей устройства, что является необходимым требованием применения электрических аппаратов в взрывобезопасной окружающей среде.

 

Рисунок 3 - Типичная архитектура микроконтроллера

 

5. Исполнительные устройства и их место в системах автоматизации.

Классификация исполнительных устройств. Принцип действия.

Исполнительные устройства явля­ются завершающим звеном в цепи управления или контроля. В системах автоматизации они непосредственно воздей­ствуют на объект, обеспечивая заданную функцию управления. Например, в системах автоматического регулирования исполни­тельные устройства используются для управления органами регулирования (задвижками, клапанами и т. п.). В системах автома­тического контроля исполнительные устройства осуществляют воспроизведение (отображение) результатов контроля: сигнализацию индикацию, регистрацию и т. п.

По виду выходной величины различают исполнительные устройства:

- с электрическим выходом (реле, контакторы, реостаты, генераторы, управляемые выпрямители и др.), формирующие управ­ляющее воздействие электрической природы;

- с механическим выходом, осуществляющие механичес­кое поступательное или вращательное перемещение регулирующих или рабочих органов машин и установок. Такие устройства называют исполнительными механизмами.

Силовым элементом исполнительных механизмов является дви­гатель, который может быть электрическим, гидравлическим или пневматическим. Такие двигатели называют серводвигателями.В качестве серводвигателей используют электродвигатели посто­янного и переменного тока мощностью от 0,1 до несколькихкВт, электромагниты (соленоидные приводы), гидро- и пневмоцилиндры, а также электрические и гидравлические управляемые муфты, осуществляющие соединение (разъединение) валов и регулирова­ние скорости и момента рабочих органов машин и установок. В конструкцию исполнительного механизма кроме серводвига­теля обычно входят механическая передача для обеспечения тре­буемых скорости и характера перемещения управляемых органов и ограничители перемещения.

Некоторые примеры исполнительных механизмов [1,5].

Привод винтовой моторный ПВМ применяется на шахтах для управления путевыми стопо­рами и бункерными затворами и представляет собой асинхронный трехфазный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, вра­щательное движение которого преобразуется в поступательное движение штока винтовой парой. В приводе вмонтированы конеч­ные выключатели, обеспечивающие самоотключение (разрыв цепи управления) при крайних положениях штока.

Для дистанционного и автоматического управления задвижками трубопроводов, стрелочными переводами, стволовыми дверями применяют соответственно моторные приводы ПЗ-1, ПМС-4, ПДС-1, выполненные также на основе асинхронного трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Для управления аварийным тормозом подъемных машин применяют тормозные электромагниты КМТ.

В рассмотренных примерах использованы исполнительные ме­ханизмы с нерегулируемой скоростью выходного органа. В системах автоматического регулирования применяются также исполнительные механизмы с регулируемой скоростью в функции управляющего сигнала. Они обычно выпол­няются на основе серводвигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Необходимо самостоятельно по литературе [5] ознакомиться с конструкцией и принципом действия указанных исполнительных механизмов - привод винтовой моторный ПВМ; привод двери стволовой ПДС-1; привод моторный стрелочный ПМС-5;привод задвижки ПЗ-1; привод гидравлический стрелочный ПГС.

6. Условия эксплуатации средств автоматизации на горных предприятиях

и их конструктивное исполнение

 

Условия эксплуатации средств автоматизации на горных предприятиях определяются особенностями рудничного воздуха, наличием агрессивных подземных вод, вибраций, толчками, ударами, источники которых – технологическое оборудование и взрывание, характер энергоснабжения и режим работы.

Высокая влажность воздуха при наличии в нем примесей сернистых и азотистых соединений приводит к образованию паров или росы агрессивных кислот, разрушающих изоляцию и открытые токоведущие части аппаратов. Понижение температуры воздуха с высокой относительной влажностью сопровождается выпадением росы, которая осаждается на наружных внутренних поверхностях аппаратов.

В угольных шахтах большую опасность представляют метан и угольная пыль, которые образуют в определенной концентрации пыле- и метановоздушную смесь, взрывающуюся при соприкосновении с источниками воспламенения – электрической дугой или искрой, открытой токоведущей частью, нагретой до температуры, достаточной для воспламенения метана и пыли.

Подземные воды, как правило, содержат большое количество растворенных солей, иногда – примеси щелочей или кислот, которые, если не принимать специальных мер защиты, разрушительно действуют на средства автоматизации, работающие при наличии брызг и капежа.

Режим работы устройств и систем автоматизации можно разделить на длительный (аппаратура находится под напряжением в течение всего времени работы автоматизированной установки) и кратковременный (аппаратура включается на короткое время, например, при эпизодическом контроле параметров).

Конструкция технических средств автоматизации, устройств и систем автоматизации, их монтаж должны соответствовать условиям эксплуатации, быть надежными, обеспечивать безопасность труда обслуживающего персонала.

Если электрическая аппаратура автоматизации предназначена для работы на поверхности шахты, то она должна выполняться и эксплуатироваться в соответствии с «Правилами устройств электроустановок» и «Правилами технической эксплуатации и безопасности обслуживания электроустановок промышленных предприятий».

Если электрическая аппаратура автоматизации предназначена для работы в шахтах, опасных по газу и пыли, то технические средства, входящие в нее, должны изготовляться в соответствии с требованиями «Правил изготовления взрывозащищенного рудничного электрооборудования» – иметь взрывозащищенную оболочку и искробезопасные цепи управления, а монтироваться и эксплуатироваться в соответствии с «Правилами технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт».

 

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите и дайте определение основным понятиям и терминам автоматизации.

2. Этапы автоматизации производства.

3. Из каких основных операций можно представить процесс управления.

4. Что называется датчиком системы автоматизации, приведите их классификацию.

5. Принцип действия герконового датчика на примере датчика контроля схода ленты КСЛ-2.

6. С какой целью при автоматизации используются средства телемеханики.

7. По каким каналам связи осуществляется передача информации.

8. Приведите примеры шахтных систем телемеханики.

9. Какими устройствами производится обработка информации и выработка управляющих воздействий в системах автоматизации.

10. Из каких основных устройств состоит микроконтроллер.

11. Назначение исполнительных устройств в системах автоматизации.

12. Классификация исполнительных устройств.

13. Область применения исполнительных устройств ПВМ, ПЗ-1, ПМС-4.

14. В чем особенность конструктивного исполнения технических средств

автоматизации, которые применяются в подземных условиях горных

предприятий.

15. Почему аппаратура автоматизации должна иметь специальную взрывозащищенную оболочку при применении её в подземных условиях шахт.

 

Тема 2.