Технические средства автоматизации

По функциональному признаку технические средства автоматизации можно подразделить на четыре группы:

1) средства получения информации о параметрах состояния объектов контроля, регулирования или управления, включающие измерительные элементы (датчики);

2) средства приема, передачи и переработки измерительной информации, а также преобразования и передачи управляющих команд, включающие усилители сигналов, каналы связи, преобразователи и сравнивающие устройства, называемые преобразующими элементами;

3) средства получения информации о задачах автоматического контроля, регулирования или управления, включающие запоминающие и программные устройства (на базе микропроцессоров и микроЭВМ), которые называют задающими элементами;

4) средства регулирования параметров контролируемых процессов (исполнительные элементы), которые состоят из усилителей входных сигналов и исполнительных механизмов, преобразующих эти сигналы в энергию механических перемещений.

В некоторых автоматических системах присутствуют не все перечисленные элементы, однако отдельные элементы могут выполнять сразу несколько функций. Например, центробежный регулятор частоты вращения вала двигателя прямого действия является как измерительным элементом, так и исполнительным устройством.

Датчики контроля и регулирования. Датчиком называют первичный измерительный преобразователь контролируемой или измеряемой величины (давление, усилие, температура и др.) в выходной электрический сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования. Он характеризуется входными и выходными величинами, чувствительностью, погрешностью и инерционностью. Их классифицируют по ряду признаков.

По принципу действия датчики разделяют на механические, оптические, тепловые, акустические и радиоактивные.

По способу преобразования неэлектрических величин в электрические датчики подразделяют на активные (генераторные) и пассивные (индуктивные, емкостные, фотоэлектрические, термоэлектрические, радиоактивные).

По назначению различают силовые, скоростные, температурные, частотные и другие датчики (таблица 7.2).

По конструкции и принципу действия чувствительного элемента датчики разделяют на контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент в контактных датчиках непосредственно соприкасается с контролируемым веществом, а в бесконтактных – не соприкасается. К бесконтактным относятся радиоактивные, ультразвуковые и фотоэлектрические датчики. Для пассивных (параметрических) датчиков необходим электрический источник питания. В генераторных датчиках под действием измеряемой величины вырабатывается электрическая энергия.

Величину, воспринимаемую и контролируемую датчиком, называют входной (X), а величину, преобразованную датчиком или вырабатываемую им, – выходной (Y). Изменение выходной величины в зависимости от изменения входной величины называют чувствительностью датчика. Основной характеристикой преобразователя является функциональная зависимость между выходной и входной величинами в установившемся режиме.

Помимо этого, эффективность их работы зависит от статических, динамических и частотных характеристик, а также от чувствительности, инерционности и погрешности. Поскольку измерение одной и той же физической величины может выполняться с помощью различных датчиков, то их выбор зависит от технических требований, предъявляемых к разрабатываемой системе автоматики.

В строительных и дорожных машинах наибольшее распространение получили механические датчики перемещения. К наиболее простым устройствам относятся конечные выключатели, ограничивающие линейные или угловые перемещения механизма. Например, при достижении машиной (башенным, козловым или мостовым краном) во время перемещения по подкрановым путям крайнего положения конечный выключатель отключает контактную группу, прерывая подачу электроэнергии к механизму передвижения.

Из генераторных преобразователей наибольшее распространение получили резистивные преобразователи неэлектрических величин, действие которых основано на изменении омического сопротивления от воздействия измеряемой величины. К ним относятся потенциометрические датчики, преобразующие линейные и угловые перемещения в электрический сигнал. Их выполняют в виде переменного сопротивления, т. е. реостата, подвижный контакт которого связан с преобразуемым элементом.

К генераторным датчикам относятся тахогенераторы, которые представляют собой маломощные (до 100 Вт) электрические машины, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал. Тахогенераторы на выходе дают напряжение, пропорциональное частоте вращения, и применяются в качестве электрических датчиков угловой и линейной скоростей. В зависимости от вида выходного напряжения и конструкции их разделяют на тахогенераторы постоянного и переменного тока.

К параметрическим датчикам относятся индуктивные и емкостные преобразователи, питание которых осуществляется от источников переменного тока. Принцип их работы основан на изменении реактивного сопротивления в зависимости от величины зазора между подвижной и неподвижной частями датчиков.

В индуктивных датчиках изменение индуктивного сопротивления электромагнитного дросселя происходит при перемещении его подвижного элемента (якоря). Они широко применяются для измерения малых угловых и линейных механических перемещений, деформаций, а также для управления следящими системами.

Для измерений деформаций в элементах конструкций и узлов машин используются тензометрические и пьезоэлектрические преобразователи. Их работа основана на тензометрическом эффекте, т. е. на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента (тензолита) от его деформации. В последнее время широкое применение получили полупроводниковые тензодатчики (из германия и кремния), чувствительность которых в 50...100 раз выше проволочных (из нихрома или константана), а значительный уровень выходного сигнала позволяет обходиться без усилительной аппаратуры.

С помощью пьезоэлектрических преобразователей механическая энергия преобразуется в электрическую из-за возникновения электрических зарядов на поверхностях кристаллов1 некоторых диэлектриков (например, титаната бария). К этому типу датчиков относятся металлические и полупроводниковые термометры сопротивления, предназначенные для измерения температуры в диапазоне от –50 до +180 °С для медных и от –250 до +650 °С для платиновых термометров сопротивления.

Для дистанционного измерения перемещений применяют фотоэлектрические датчики, принцип работы которых основан на фотоэлектрическом эффекте.

Для контроля и регулирования температуры различных процессов используют методы, основанные на термоэлектрических эффектах и явлениях теплового расширения биметаллических чувствительных элементов с различными коэффициентами линейного расширения, изменения давления газа внутри замкнутого объема или электрического сопротивления проводников и полупроводников при изменении температуры.

В строительных и дорожных машинах с двигателями внутреннего сгорания датчиком температуры в системе охлаждения двигателя является термостат, который представляет собой гофрированный баллон (сильфон), внутри которого находится легкоиспаряющаяся жидкость или твердый наполнитель с большим коэффициентом линейного расширения. При повышении температуры баллон удлиняется, а при понижении – сокращается. При этом закрепленный на баллоне клапан включает и отключает радиатор, поддерживая таким образом необходимую температуру.

К датчикам, используемым в строительных и дорожных машинах, предъявляются требования, обусловленные условиями эксплуатации этих машин. Они должны выдерживать вибрационные и ударные перегрузки, падения напряжения в сети и при рабочей нагрузке, высокую влажность (до 98 %), а также перепады температуры окружающей среды. Кроме того, они должны обладать водонепроницаемостью, коррозийной стойкостью, помехоустойчивостью, надежностью и сохранять работоспособность при воздействии паров масел, жидкого топлива и выхлопных газов.

В большинстве случаев мощность выходного сигнала воспринимающего или преобразующего элемента недостаточна для управления исполнительным элементом. Для количественного изменения этой мощности применяют усилительные элементы. Усилителем называют устройство, которое увеличивает энергию входного сигнала за счет вспомогательного источника питания. Основным показателем усилителя является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.

В системах автоматики широко используют усилители-преобразователи, которые, помимо усиления, осуществляют преобразование входного сигнала в другой вид выходного сигнала, например, постоянного тока в переменный.

В электрических системах используют электронные, электромагнитные и при больших мощностях электромашинные, а в неэлектрических – механические, пневматические и гидравлические усилители.

Кроме того, по принципу действия усилители классифицируют на усилители аналогового действия и дискретного, т. е. релейного (переключатели).

Электромагнитные усилители применяют в системах, где необходимо иметь скачкообразную (релейную) статическую характеристику. Эти усилители отличаются простотой конструкции, сравнительно малыми размерами, высокой стабильностью характеристик и малой стоимостью. В них используется свойство изменения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов в зависимости от величины постоянного подмагничивающего поля.

Электромагнитные реле клапанного типа с втяжным или поворотным якорем, работающие как на переменном, так и на постоянном токе, используют в качестве переключателей в системах автоматики.

Электронные (полупроводниковые) усилители отличаются долговечностью, малыми размерами и массой, экономичностью, мгновенной готовностью к работе, высоким коэффициентом усиления, вибро- и ударостойкостью, а также способностью усиления слабых сигналов и большим диапазоном усиливаемых частот.

Электромашинные усилители применяют в качестве усилителей мощности для управления объединенными с ними исполнительными элементами постоянного тока. Эти усилители целесообразно использовать в системах мощностью более 100 Вт. Простейшие усилители представляют собой систему из вспомогательного двигателя и генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Достоинством этих усилителей является возможность управления большими мощностями, высокий коэффициент усиления и сравнительно малая инерционность.

Гидравлические и пневматические усилители применяют в системах гидро- и пневмоавтоматики. Достоинства этих усилителей – высокая помехоустойчивость, большой коэффициент усиления, возможность управления исполнительными элементами большой мощности. Как правило, эти усилители выполнены с исполнительными элементами как единый механизм.

В современных строительных и дорожных машинах для их управления используют микроэлектронные интегральные схемы, которые являются основой микропроцессоров и микро-ЭВМ. Микропроцессор представляет собой программно-управляемое устройство, которое осуществляет обработку поступившей информации и управление этим процессом. Бортовые микропроцессорные системы строительных и дорожных машин обеспечивают программирование арифметических и логических операций, а также управление исполнительными устройствами и системой в целом, включая информационное обеспечение (сбор, обработку и выдачу информации).

В общем случае в состав бортовой микро-ЭВМ входят следующие элементы:

1) устройства входа (сигналы от датчиков) и выхода (управляющие сигналы на исполнительные устройства);

2) оперативное и постоянное запоминающее устройство;

3) микропроцессор и соединительные элементы.

Основой микропроцессорной системы (рисунок 7.3) является модель реально протекающего процесса. Она включает три основных компонента: 1) модельное состояние, описывающее реальный процесс во времени; 2) функцию модификации состояний, т. е. переход от одного модельного состояния к другому на основании сигналов датчиков; 3) функцию предсказания, т. е. установление требуемого модельного состояния и формирование набора машинных команд исполнительным органам.

Рисунок 7.3 – Основные компоненты микропроцессорной программы управления машинами

Применение в строительных и дорожных машинах микропроцессорной техники обеспечивает повышение качества и безопасности выполняемых работ, а также увеличение производительности за счет оптимизации режимов работы машин по критериям минимального потребления топлива и наименьших нагрузок на основные узлы, а также за счет постоянного контроля работоспособности узлов и агрегатов машин путем их автоматического диагностирования.

Конечным звеном цепи автоматического регулирования являются исполнительные устройства, которые преобразуют управляющие сигналы в воздействия на объект управления. Как правило, воздействие является механическим и обеспечивает изменение величины перемещения, усилия и скорости возвратно-поступательного или вращательного движения. В общем случае исполнительное устройство состоит из блока усиления, исполнительного механизма, регулирующего и дополнительных органов.

Исполнительные механизмы классифицируют по ряду признаков. Так, по виду используемой энергии их разделяют на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные; по конструктивному исполнению различают мембранные и поршневые механизмы.

Наиболее распространенными являются электрические исполнительные механизмы. Они, как правило, состоят из электродвигателя, редуктора, тормоза, соединительных муфт, контрольно-пусковой аппаратуры и специальных устройств для перемещения рабочих органов.

Автоматизация строительных и дорожных машин ведется по нескольким основным направлениям. Во-первых, это управление пространственным положением рабочих органов машин для получения необходимого профиля и уклона планируемой поверхности. Это направление обеспечивается унифицированным рядом систем автоматики типа "Профиль" с микроэлектронными блоками управления (автономными, копирными и комбинированными). Автономные системы обеспечивают контроль положения рабочих органов относительно вертикали с помощью бортовых датчиков (как правило, маятникового типа). В копирных системах датчик, установленный на одной стороне машины, по ходу контролирует положение рабочего органа в соответствии с заданным профилем – по тросу, лучу лазера, точно построенной полосе дороги или бордюру. В комбинированных системах требуемый уклон рабочего органа в поперечной плоскости обеспечивается автономным датчиком, а его высотное положение – по копирному устройству.

Обычно рабочий орган землеройно-транспортной, профилировочной или укладочной машины при их движении по неровной поверхности перемещается по высоте относительно заданного положения Н _зад (рисунок 7.4). В этом случае щуповой датчик ДЩВ или фотоприемное устройство ФПУ лазерного излучения определяют отклонение одной из кромок рабочего органа относительно копирной поверхности. При этом выходной сигнал i ₂ поступает в первый микроэлектронный блок управления БУ1 и сравнивается с сигналом i ₁ задатчика толщины срезаемой стружки ЗД_Т. Разность сигналов (Δ i _1-2 = i ₁ – i ₂) проходит через первый усилитель мощности УМ1 и поступает на электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 первого электрогидравлического распределителя ЭГР1, который направляет требуемый поток рабочей жидкости в одну из полостей гидроцилиндра ГЦ1. Перемещение поршня со штоком изменяет высоту Н _и управляемой кромки рабочего органа до совпадения ее с требуемым положением Н _зад.

Рисунок 7.4 – Функциональная схема системы "Профиль-30"

При осуществленном изменении высоты первой кромки рабочего органа или наклоне машины в процессе ее движения по неровностям рабочим органом совершаются угловые перемещения в поперечной плоскости относительно вертикали. В этом случае в работу включается второй автономный канал управления системы. Автономным маятниковым датчиком ДКБ измеряется величина угла поперечного наклона рабочего органа, которая преобразуется в электросигнал i ₃ и подается в блок управления БУ2. Здесь i ₃ сравнивается с сигналом и задатчика ЗД_У угла наклона, управляемого машинистом-оператором. При возникшем рассогласовании разность этих сигналов подается в усилитель мощности УМ2, а из него на электромагниты ЭМЗ и ЭМ4 электрогидрораспределителя ЭГР2, направляющего поток рабочей жидкости в требуемую полость гидроцилиндра ГЦ2. Перемещение штока гидроцилиндра поднимает или опускает вторую кромку рабочего органа до углового положения γ, равного заданному углу γ_зад.

Во-вторых, автоматизация наиболее энергоемких технологических процессов. Для оптимизации и регулирования рабочих процессов разработаны унифицированные системы типа "Режим". При этом изменение тягово-скоростных характеристик машин позволяет управлять нагрузкой при автоматическом заглублении и выглублении рабочего органа. Управляющим параметром может быть скорость машины, частота оборотов двигателя или гидротрансформатора, угловое положение тяговой рамы или толкающего бруса. Стабилизация каждого из этих параметров осуществляется при заданных ограничениях на другие. В строительных машинах эта система может использоваться как автономно, так и совместно с системами типа "Профиль".

Принцип работы такой системы представлен на рисунке 7.5. Для предотвращения остановки двигателя при перегрузке в процессе копания аппаратура обеспечивает стабилизацию частоты вращения вала двигателя n _дв на заданном уровне n _з. При этом сигнал датчика частоты вращения ДЧВ сравнивается с заданным значением частоты n _з, после чего вырабатывается сигнал на подъем или опускание рабочего органа. Одновременно с этим измеряются и сравниваются со своими граничными значениями такие параметры, как угловое положение, скорость и буксование. При достижении граничных значений управление отключается и вырабатывается команда на выглубление рабочего органа.

Рисунок 7.5 – Функциональная схема аппаратуры "Режим"

В процессе транспортирования грунта обеспечивается поддержание действительной скорости машины на заданном уровне.

При планировочных работах система "Режим" работает совместно с системой "Профиль". В этом случае разность частот вращения вала (n _дв – n _з) усиливается по мощности и подается на блок управления "Профиль" вместе с выходным сигналом задатчика толщины срезаемой стружки. Это обеспечивает непрерывную регулировку толщины стружки и нагрузки, действующей на отвал, а также частоты вращения вала двигателя.

И, наконец, в-третьих, это создание на базе лазерной и микропроцессорной техники комплексной системы дистанционного программного или автоматического управления машинами, а также приборов оперативного контроля качества укладываемых дорожно-строительных материалов. Системы управления с помощью лазерной техники обеспечивают и контролируют требуемые высотные отметки, продольный и поперечный профиль разрабатываемых и укладываемых дорожно-строительных материалов для каждой машины. Для машин, занятых строительством дорог разработан комплект аппаратуры "Дорога" (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 – Функциональная схема аппаратуры "Дорога"

Система управления состоит из задающей I, контрольно-следящей II и программно-управляющей III частей. Задающая часть с помощью лазерного излучателя устанавливает параллельно проектной поверхности дороги световую опорную плоскость. При этом оптический пучок в приборе подается на пентопризму, которая разворачивает излучение на 90° и осуществляет его вращение вокруг вертикальной оси излучателя.

Контрольно-следящая часть включает в себя фотоприемное устройство (ФПУ), установленное на штанге механизма перемещения (МП), которая закреплена на рабочем органе машины (например, на отвале). ФПУ служит для преобразования лазерного сигнала в электрический, поступающий в блок выработки команд управления (БВК), где формируются управляющие сигналы для исполнительных механизмов с одновременным отображением на информационном табло-индикаторе положения режущей кромки отвала относительно проектной поверхности.

Программно-управляющая часть состоит из измерителя перемещения машины, микропроцессорного вычислительного блока выработки команд управления высотным положением ФПУ, механизма перемещения ФПУ и устройства для записи данных. При работе в ручном режиме оператор по показаниям индикатора сам устанавливает требуемое положение рабочего органа. В автоматическом режиме управляющие сигналы с БВК подаются на исполнительный механизм, т. е. на систему типа "Профиль". ФПУ автоматически удерживается в плоскости лазерного излучения, а величина его перемещения несет информацию о неровностях возводимой дороги. Необходимый уклон возводимой поверхности на постоянных продольных участках поверхности может задаваться отклонением оси излучателя от вертикали.

При работе на переходных вертикальных кривых требуется более сложное управление машиной, которое обеспечивается программным устройством. В этом случае микропроцессор рассчитывает необходимое высотное положение рабочего органа и формирует сигнал для механизма перемещения. При изменении положения ФПУ по высоте в БВК вырабатывается сигнал управления, по которому рабочий орган поднимается или опускается на высоту перемещения ФПУ. Такая система обладает большими возможностями, т. к. световая опорная поверхность позволяет не только управлять работой машины или комплекта машин, но и осуществлять постоянный геодезический контроль высотных отметок в любой точке и на любом этапе строительства дороги.