Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.
Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, автоматизированный участок, цех и т. д.), нуждающийся в автоматическом или автоматизированном
управлении, называется объектом управления (ОУ) или техническим объектом управления
(ТОУ).
Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой
автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).
Ниже приведены наиболее широко используемые термины и их определения:
элемент - простейшая составная часть устройств, приборов и других средств, в которой
осуществляется одно преобразование какой-либо величины;(мы в дальнейшем дадим более
точное определение)
узел - часть прибора, состоящая из нескольких более простых элементов (деталей);
преобразователь - устройство, преобразующее один вид сигнала в другой по форме или виду
энергии;
устройство - совокупность некоторого числа элементов, соединенных между собой
соответствующим образом, служащая для переработки информации;
прибор - общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений,
производственного контроля, вычислений, учета, сбыта и др.;
блок - часть прибора, представляющая собой совокупность функционально объединенных
элементов.
сбор информации о текущем состоянии технологического объекта
управления (ОУ);
определение критериев качества работы ОУ;
нахождение оптимального режима функционирования ОУ и оптимальных
управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев
качества;
реализация найденного оптимального режима на ОУ.
Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА.
Различают четыре типа систем управления (СУ):
информационные;
автоматического управления;
централизованного контроля и регулирования;
автоматизированные системы управления технологическими процессами.В САУ все функции выполняются автоматически
при помощи соответствующих технических
средств.
Функции оператора включают в себя:
- техническую диагностику состояния САУ и
восстановление отказавших элементов системы;
- коррекцию законов регулирования;
- изменение задания;
- переход на ручное управление;
- техническое обслуживание оборудования.ОПУ - операторский пункт управления;
Д - датчик;
НП - нормирующий преобразователь;
КП - кодирующие и декодирующие
преобразователи;
ЦР - центральные регуляторы;
MP - многоканальное средство
регистрации (печать);
С - устройство сигнализации
предаварийного режима;
МПП - многоканальные показывающие
приборы (дисплеи);
МС - мнемосхема;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
К – контроллер.Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП) - это машинная система, в которой ТСА
осуществляют получение информации о состоянии объектов,
вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки
управления.
Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и
реализации с помощью локальных АСР или дистанционного
управления РО.
Различают следующие типы АСУТП:
- централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и
управления выполняет один компьютер;
- супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на
базе ТСА индивидуального пользования и центральным
компьютером, имеющим информационную линию связи с
локальными системами) ;
- распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций
контроля обработки информации и управления между несколькими
территориально распределенными объектами и компьютерами.Типовые средства автоматизации могут
быть:
-техническими;
-аппаратными;
-программно-техническими;
- общесистемными.РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТСА ПО УРОВНЯМ ИЕРАРХИИ АСУ
Информационно-управляющие вычислительные комплексы (ИУВК)
Централизованные информационные управляющие системы (ЦИУС)
Локальные информационно-управляющие системы (ЛИУС)
Регулирующие устройства и устройства управления (РУ и УУ)
Вторичный
преобразователь (ВП)
Первичный преобразователь (ПП)
Чувствительный элемент (ЧЭ)
Исполнительный
механизм (ИМ)
Рабочий
орган (РО)
ОУИУВК: ЛВС, серверы, ERP-, MES-системы. Здесь реализуются все цели АСУП,
вычисляется себестоимость продукции, издержки на производство.
ЦИУС: промышленные компьютеры, пульты управления, управляющие
комплексы, средства защиты и сигнализации.
ЛИУС: промышленные контроллеры, интеллектуальные контроллеры.
РУ и УУ: микроконтроллеры, регуляторы, регулирующие и сигнализирующие
устройства.
ВП: показывающие, регистрирующие (вольтметры, амперметры,
потенциометры, мосты), интегрирующие счетчики.
ИМ: двигатель, редуктор, электромагниты, электромагнитные муфты и пр.
ЧЭ: датчики тепло-технологических параметров, перемещения, скорости,
ускорения.
РО: механическое устройство, изменяющее количество вещества или
энергии, поступающей на ОУ, и несущее информацию об управляющем
воздействии. РО могут быть вентили, клапаны, нагреватели, затворы,
задвижки, заслонки.
ОУ: механизм, агрегат, процесс.К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:
датчики;
исполнительные механизмы;
регулирующие органы (РО);
линии связи;
вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
устройства аналогового и цифрового регулирования;
программно-задающие блоки;
устройства логико-командного управления;
модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния
технологического объекта управления (ТОУ);
модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
преобразователи сигналов из одной формы в другую;
модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов
управления;
буферные запоминающие устройства;
программируемые таймеры;
специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной
подготовки.К программно-техническим средствам автоматизации относят:
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
управляющие средства;
блоки многоконтурного, аналогового и аналого-цифрового регулирования;
устройства многосвязного программного логического управления;
программируемые микроконтроллеры;
локально-вычислительные сети.
К общесистемным средствам автоматизации относят:
устройства сопряжения и адаптеры связи;
блоки общей памяти;
магистрали (шины);
устройства общесистемной диагностики;
процессоры прямого доступа для накопления информации;
пульты оператора.В системах автоматического управления в качестве
сигналов обычно используются электрические и
механические величины (например, постоянный ток,
напряжение, давление сжатого газа или жидкости,
усилие и т.п.), так как они позволяют легко
осуществлять преобразование, сравнение, передачу на
расстояние и хранение информации. В одних случаях
сигналы возникают непосредственно вследствие
протекающих при управлении процессов (изменения
тока, напряжения, температуры, давления, наличия
механических перемещений и т.д.), в других случаях
они вырабатываются чувствительными элементами
или датчиками.Элементом автоматики называется простейшая конструктивно законченная в
функциональном отношении ячейка (устройство, схема), выполняющая определенную
самостоятельную функцию преобразования сигнала (информации) в системах
автоматического управления:
преобразование контролируемой величины в сигнал, функционально связанный с
информацией об этой величине (чувствительные элементы, датчики);
преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии: электрической
в неэлектрическую, неэлектрической в электрическую, неэлектрической в неэлектрическую
(электромеханические, термоэлектрические, электропневматические, фотоэлектрические и
другие преобразователи);
преобразование сигнала по значению энергии (усилители);
преобразование сигнала по виду, т.е. непрерывного в дискретный или обратно
(аналогоцифровые, цифроаналоговые и другие преобразователи);
преобразование сигнала по форме, т.е. сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока
и наоборот (модуляторы, демодуляторы);
функциональное преобразование сигналов (счетно-решающие элементы, функциональные
элементы);
сравнение сигналов и создание командного управляющего сигнала (элементы сравнения,
нуль-органы);
выполнение логических операций с сигналами (логические элементы);
распределение сигналов по различным цепям (распределители, коммутаторы);
хранение сигналов (элементы памяти, накопители);
использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные
элементы).Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы
управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на
чертежах изображают в виде различных схем:
электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.
Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о
составе и связях любого устройства или системы.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические
схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы
соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.
Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и
взаимосвязей.
Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих
в отдельных функциональных цепях или установке в целом.
Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все
связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей
установки.
Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью
проводов, кабелей, трубопроводов.
Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.
Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения
на месте эксплуатации.
Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного
раскрытия содержания и связей элементов установки.Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой
величины, т. е. у(t) - регулируемая величина.
Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения.
Величину g(t) будем называть задающим воздействием.
Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства
y(t)=g(t). Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на
элемент сравнения (ЭС).
На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g(t).
В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается у (t). На выходе ЭС
формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка
∆ = g(t) – y(t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный
элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования
(ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у (t) не
станет равна заданной g(t).
На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия:
нагрузка объекта, внешние факторы и др.
Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t).
Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал,
стремящийся свести это отклонение к нулю.По выполняемым функциям основные элементы
автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы,
реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы
импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).
По роду физических процессов, используемых в основе
устройств, элементы автоматики делятся на электрические,
ферромагнитные, электротепловые, электромашинные,
радиоактивные, электронные, ионные и др.Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) -
устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую
на его вход в виде некоторой физической величины, функционально
преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную
для воздействия на последующие элементы (блоки).Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий
количественное преобразование (чаще всего усиление)
поступающей на его вход физической величины (тока,
мощности, напряжения, давления и т.п.).Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство
выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных
пределах.
Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины
х определенного значения выходная величина у изменяется скачком.Распределитель (шаговый искатель) - элемент
автоматики, осуществляющий поочередное подключение
одной величины к ряду цепей.
Исполнительные устройства - электромагниты с втяжным
и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также
электродвигатели, относящиеся к электромеханическим
исполнительным элементам автоматических устройств.
Электродвигатель - это устройство, обеспечивающее
преобразование электрической энергии в механическую и
преодолевающее при этом значительное механическое
сопротивление со стороны перемещаемых устройств.ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
Основные понятия и определения
Каждый из элементов характеризуется какими-либо свойствами, которые
определяются соответствующими характеристиками. Некоторые из этих
характеристик являются общими для большинства элементов.
Главной общей характеристикой элементов является коэффициент
преобразования (или коэффициент передачи, представляющий собой
отношение выходной величины элемента у к входной величине х, или
отношение приращения выходной величины ∆у или dy к приращению
входной величины ∆х или dx.
В первом случае К=у/х называется статическим коэффициентом
преобразования, а во втором случае К" = ∆у/∆х≈ dy/dx при ∆х →0 -
динамическим коэффициентом преобразования.
Связь между значениями х и у определяется функциональной
зависимостью; значения коэффициентов К и К" зависят от формы
характеристики элемента или вида функции у =f(х), а также от того, при
каких значениях величин подсчитываются К и К". В большинстве случаев
выходная величина изменяется пропорционально входной и
коэффициенты преобразования равны между собой, т.е. К= К" = const.Величина, представляющая собой отношение относительного приращения
выходной величины ∆у/у к относительному приращению входной величины
∆х/х, называется относительным коэффициентом преобразования η∆ .
Например, если изменение входной величины на 2 % вызывает изменение
выходной величины на
3 %, то относительный коэффициент преобразования η∆ = 1,5.
Применительно к различным элементам автоматики коэффициенты
преобразования К", К, η∆ и η имеют определенный физический смысл и свое
название. Например, применительно к датчику коэффициент
преобразования называется чувствительностью (статической, динамической,
относительной); желательно, чтобы она была как можно больше. Для
усилителей коэффициент преобразования принято называть коэффициентом
усиления; желательно, чтобы он был также как можно больше. Для
большинства усилителей (в том числе и электрических) величины х и у
являются однородными, и поэтому коэффициент усиления представляет
собой безразмерную величину.При работе элементов выходная величина у может отклоняться от требуемого
значения за счет изменения их внутренних свойств (износа, старения материалов и
т.п.) или за счет изменения внешних факторов (колебания напряжения питания,
окружающей температуры и др.), при этом происходит изменение характеристики
элемента (кривая у" на рис. 2.1). Это отклонение называется погрешностью, которая
может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между полученным
значением выходной величины у" и расчетным (желаемым) ее значением ∆у = у"- у.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ∆у к
номинальному (расчетному) значению выходной величины у. В процентах
относительная погрешность определяется как γ = ∆ у 100/у.
В зависимости от причин, вызывающих отклонение, различают температурную,
частотную, токовую и другие погрешности.
Иногда пользуются приведенной погрешностью, под которой понимается
отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины.
В процентах приведенная погрешность
γприв = ∆y 100/уmax
Если абсолютная погрешность постоянна, то приведенная погрешность также
постоянна.
Погрешность, вызванная изменением характеристик элемента со временем,
называется нестабильностью элемента.Порогом чувствительности называется минимальная
величина на входе элемента, которая вызывает изменение
выходной величины (т.е. уверенно обнаруживается с помощью
данного датчика). Появление порога чувствительности
вызывают как внешние, так и внутренние факторы (трение,
люфты, гистерезис, внутренние шумы, помехи и др.).
При наличии релейных свойств характеристика элемента
может приобретать реверсивный характер. В этом случае она
также обладает порогом чувствительности и зоной
нечувствительности.Динамический режим работы элементов.
Динамическим режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного
установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а
следовательно, и выходная величина у изменяются во времени. Процесс изменения величин х и у
начинается с некоторого порогового времени t = tп и может протекать в инерционном и
безинерционном режимах.
При наличии инерционности наблюдается запаздывание изменения у по отношению к изменению
х. Тогда при скачкообразном изменении входной величины от 0 до х0 выходная величина у достигает
установившегося Yуст не сразу, а по истечении промежутка времени, в течение которого происходит
переходный процесс. При этом переходный процесс может быть апериодическим (неколебательным) затухающим или колебательным затухающим.Время tуст(время установления), в течение
которого выходная величина у достигает установившегося значения, зависит от инерционности
элемента, характеризуемой постоянной времени Т.
В простейшем случае установление величины у происходит по показательному закону:
где Т - постоянная времени элемента, зависящая от параметров, связанных с его инерционностью.
Установление выходной величины у тем продолжительнее, чем больше значение Т. Время установления tycт выбирается в зависимости от необходимой точности измерения датчика и составляет
обычно (3... 5) Т, что дает ошибку в динамическом режиме не более 5... 1 %. Степень приближения ∆у
обычно оговаривается и в большинстве случаев составляет от 1 до 10 % от установившегося значения.
Разность между значениями выходной величины в динамическом и статическом режимах называется динамической погрешностью. Желательно, чтобы она была как можно меньше. В электромеханических и электромашинных элементах инерционность в основном определяется механической
инерцией движущихся и вращающихся частей. В электрических элементах инерционность
определяется электромагнитной инерцией или другими подобными факторами. Инерционность
может быть причиной нарушения устойчивой работы элемента или системы в целом.
Вопрос 1 Основные понятия и определения САиУ
Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Автоматизация позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции, оптимизировать процессы управления, отстранить человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи. В состав систем автоматизации входят датчики (сенсоров), устройства ввода, управляющие устройства (контроллеры), исполнительные устройства, устройства вывода, компьютеры. Применяемые методы вычислений иногда копируют нервные и мыслительные функции человека. Весь этот комплекс средств обычно называют системами автоматизации и управления .
В основе всех систем автоматизации и управления лежат такие понятия как объект управления, устройство связи с объектом управления, контроль и регуляция технологических параметров, измерение и преобразование сигналов.
Под объектом управления понимается технологический аппарат или их совокупность, в которых осуществляются (или с помощью которых осуществляются) типовые технологические операции смешения, разделения или их взаимное сочетание с простыми операциями. Такой технологический аппарат вместе с технологическим процессом, который в нем протекает и для которого разрабатывают систему автоматического управления и называют объектом управления или объектом автоматизации. Из совокупности входных и выходных величин управляемого объекта можно выделить управляемые величины, управляющие и возмущающие воздействия и помехи. Управляемой величиной является выходная физическая величина или параметр управляемого объекта, которая в процессе функционирования объекта должна поддерживаться на определённом заданном уровне или изменяться по заданному закону. Управляющим воздействием является материальный или энергетический входной поток, изменяя который, можно поддерживать управляемую величину на заданном уровне либо изменять её по заданному закону. Автоматическим устройством или регулятором называют техническое устройство, позволяющее без участия человека, поддерживать величину технологического параметра или менять её по заданному закону. Автоматическое управляющее устройство включает в себя комплекс технических средств, выполняющих в системе определённые функции.В состав автоматической системы регулирования входят: Чувствительный элемент или датчик , служащий для преобразования выходной величины управляемого объекта в пропорциональный электрический или пневматический сигнал, Элемент сравнения - для определения величины рассогласования между текущим и заданным значениями выходной величины. Задающий элемент служит для задания величины технологического параметра, которую необходимо поддерживать на постоянном уровне. Усилительно-преобразующий элемент служит для выработки регулирующего воздействия в зависимости от величины и знака рассогласования за счёт внешнего источника энергии. Исполнительный элемент служит для реализации регулирующего воздействия. выработанного УПЭ. Регулирующий элемент – для изменения материального или энергетического потока с целью поддержания выходной величины на заданном уровне. В практике автоматизации производственных процессов автоматические системы регулирования комплектуются типовыми общепромышленными приборами, выполняющими функции вышеперечисленных элементов. Основным элементом таких систем является вычислительная машина, получающая информацию от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров. Эта же информация может поступать на аналоговые или цифровые устройства представления информации(вторичные приборы). Оператор-технолог обращается к этой машине с помощью пульта для ввода информации, не получаемой от автоматических датчиков, запроса необходимой информации и советов по управлению процессом. Работа САиУ базируется на основе получения и обработки информации.
Основные виды систем автоматизации и управления:
· автоматизированная система планирования (АСП),
· автоматизированная система научных исследований (АСНИ),
· система автоматизированного проектирования (САПР),
· автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК),
· гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП),
· автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ)
· система автоматического управления(САУ).
Вопрос 2 Состав технических средств автоматизации и управления САиУ.
Технические средства автоматизации и управления - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса.
Типовые средства автоматизации и управления могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными.
К техническим средствам автоматизации и управления относят:
− датчики;
− исполнительные механизмы;
− регулирующие органы (РО);
− линии связи;
− вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
− устройства аналогового и цифрового регулирования;
− программно-задающие блоки;
− устройства логико-командного управления;
− модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объектауправления (ТОУ);
− модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
− преобразователи сигналов из одной формы в другую;
−модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;
− буферные запоминающие устройства;
− программируемые таймеры;
−специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.
Технические средства автоматизации и управления можно систематизировать следующим образом:
СУ – система управления.
ЗУ – Задающее устройство (кнопки, экраны, тумблеры).
УОИ – Устройство отображения информации.
УОИ – Устройство переработки информации.
УсПУ – Преобразовательное / Усилительное устройство.
КС – Канал связи.
ОУ – Объект управления.
ИМ – Исполнительные механизмы.
РО – Рабочие органы (Манипуляторы).
Д – Датчики.
ВП – Вторичные преобразователи.
По функциональному назначению их делят на следующие 5 групп:
Входные устройства. К ним относятся - ЗУ, ВП, Д;
Выходные устройства. К ним относятся - ИМ, УсПИ, РО;
Устройства центральной части. К ним относятся - УПИ;
Средства промышленных сетей. К ним относятся - КС;
Устройства отображения информации – УОИ.
ТСАиУ выполняют следующие функции
: 1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса; 2. передачу информации по каналам связи; 3. преобразование, хранение и обработка информации; 4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем); 5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связь с оператором с помощью исполнительных механизмов. Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы: 1. средства на входе системы (датчики); 2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых); 3. внутрисистемные САиУ (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором; 4. средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций САиУ приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае. Одним из наиболее важных критериев выбора ТСАиУ может служить их стоимость.
Таким образом, технические средства автоматизации и управления включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства .
АВТОМАТИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Общие сведения об автоматизации технологических
Процессов пищевых производств
Основные понятия и определения автоматики
Автомат (греч. automatos – самодействующий) – это устройство (совокупность устройств), функционирующее без участия человека.
Автоматизация – это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.
Цель автоматизации – повышение производительности эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация планирования и управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.
Автоматизация – одно из основных направлений научно-технического прогресса.
Автоматика как учебная дисциплина –это область теоретических и прикладных знаний об автоматически действующих устройствах и системах.
История автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматика опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце первой половины XX века вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.
Вторая половина XX века ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматики и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Особенностью является использование автоматики на объектах, территориально удаленных друг от друга, например, крупные промышленные и энергетические комплексы, аграрные объекты по производству и переработке сельскохозяйственной продукции и т.д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в том числе телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, так как многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.
Введение автоматизации на производстве позволило значительно повысить производительность труда, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства. До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посредством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался немеханизированным. В настоящее время операции интеллектуального труда становятся объектом механизации и автоматизации.
Существуют различные виды автоматизации.
1. Автоматический контроль включает автоматическую сигнализацию, измерение, сбор и сортировку информации.
2. Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения о предельных или аварийных значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений ТП.
3. Автоматическое измерение обеспечивает измерение и передачу на специальные регистрирующие приборы значений контролируемых физических величин.
4. Автоматическая сортировка осуществляет контроль и разделение продуктов и сырья по размеру, вязкости и другим показателям.
5. Автоматическая защита это совокупность технических средств, обеспечивающих прекращение контролируемого ТП при возникновении ненормальных или аварийных режимов.
6. Автоматическое управление включает комплекс технических средств и методов по управлению оптимальным ходом ТП.
7. Автоматическое регулирование поддерживает значения физических величин на определенном уровне или изменение их по требуемому закону без непосредственного участия человека.
Эти и другие понятия, относящиеся к автоматизации и управлению, объединяет кибернетика – наука об управлении сложными развивающимися системами и процессами, изучающая общие математические законы управления объектами различной природы (kibernetas (греч.) – управляющий, рулевой, кормчий).
Система автоматического управления (САУ) - это совокупность объекта управления (ОУ ) и устройства управления (УУ ), взаимодействующих между собой без участия человека, действие которой направлено на достижение определенной цели.
Система автоматического регулирования (САР) – совокупность ОУ и автоматического регулятора, взаимодействующих между собой, обеспечивает поддержание параметров ТП на заданном уровне или их изменение по требуемому закону, действуюет также без участия человека. САР является разновидностью САУ.
Щербина Ю. В.
Технические средства автоматизации и управления
Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный университет печати
Учебное пособие
Допущено УМО по образованию в области полиграфии и книжного дела для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах»
Москва 2002
Рецензенты : Г.Б. Фалк, профессор Московского государственного института электроники и математики технического университета; А.С. Сидоров, профессор Московского государственного университета печати
В учебном пособии рассмотрены архитектура и принципы функционирования современных систем управления технологическим процессом. Описаны системы управления на базе компьютерной техники общепромышленного типа и для полиграфического производства, основные технические средства автоматизации (датчики, преобразователи сигналов, микроконтроллеры, исполнительные устройства), а также программное обеспечение систем автоматизации и управления.
Щербина Ю.В. Технические средства автоматизации и управления : Учебное пособие; Моск. гос. ун-т печати. М.: МГУП, 2002. 448 с.
© Ю.В. Щербина, 2002
© Оформление. Московский государственный университет печати, 2002
Введение
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗБИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
1.1. Понятие производственной системы
1.2. Эволюция автоматизированных комплексов и производств
1.3. Гибкие автоматизированные производственные системы
1.4. Комплексная многоуровневая система автоматизации и управления полиграфическим производством
2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ
2.1. Структура системы автоматизации на базе компьютерной техники
2.2. Основные функции компьютера или микроконтроллера
2.3. Требования к программному обеспечению
2.4. Объекты управления
2.5. Системы регулирования и методы управления
2.6. Датчики систем управления
2.7. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи
2.8. Примеры реализации промышленных микропроцессорные систем управления производством
2.8.1. Аппаратно-программный комплекс реального времени для намерения характеристик транспортного потока
2.8.2. Комплексная распределенная система управления гидроагрегатами ГЭС
3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫМ ПРОЦЕССОМ
3.1. Архитектура микропроцессорных систем управления печатью
3.2. Интегрированные системы управления современными печатными машинами
3.3. Отраслевой формат печатной продукции
3.4. Системы централизованной настройки и управления печатной машины
3.5. Системы ли станционного управления подачей краски и приводкой
3.6. Системы контроля качества печатной продукции
4. ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
4.1. Правила информационного обмена в соответствии с моделью ISO/OSI
4.2. Функции уровней модели ISO/OSI
4.3. Протоколы взаимодействия приложений и протоколы транспортной подсистемы
4.4. Стек TCP/IP
4.5. Методы доступа к среде передачи данных ЛВС
4.6. Протоколы информационного обмена в ЛВС
4.7. Аппаратные средства ЛВС
4.8. Сети Ethernet
4.9. Сеть Token Ring
4.10. Сеть Arcnet
4.11. Сеть FDDI
4.12. Другие высокоскоростные ЛВС
4.13. Корпоративные сети
4.14. Сети промышленной автоматизации
5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ CAN-СЕТЕЙ
5.1. Основные преимущества CAN-сетей
5.2. Принцип работы CAN-интерфейса в локальных промышленных сетях
5.3. Архитектура действующих протоколов CAN-сетей
5.4. Протокол CAL (CAN Application Layer)
5.5. Протокол CANopen
5.6. Протокол CAN Kingdom
5.7. Протокол DeviceNet
5.8. Протокол SDS (Smart Distributed System)
5.9. Сравнение протоколов. Прочие HLP
5.10. Применение в индустриальных приложениях
ВВЕДЕНИЕ
Технические средства являются наиболее динамичной частью систем автоматизации и управления, обновляемой несравненно быстрее, чем происходит эволюция, например, принципов организации и состава функциональных типовых задач управления. Развитие микропроцессорной элементной базы и ее значительное удешевление послужили предпосылками для массового использования программируемых логических и регулирующих микроконтроллеров.
Объединение микропроцессорных устройств в локальные сети привело к появлению принципиально новых систем с распределенным управлением, имеющих гибкую структуру и обеспечивающих возможность легкого приспособления к требованиям конкретного производства. Использование микропроцессорных систем (промышленных компьютеров), периферийных устройств с развитыми функциями, современной техники коммуникации, такой, например, как волоконно-оптические каналы связи, в системах супервизор-ного контроля, сбора данных и управления привело к появлению «интеллектуальных» технических систем. Примером такой системы является рассмотренная в данном пособии комплексная многоуровневая система автоматизации и управления полиграфическим производством РЕСОМ, разработанная фирмой Man Roland.
Анализ состояния и перспектив развития современных средств автоматизации показывает основные направления их совершенствования:
интеграция отдельных функций сбора, промежуточная обработка и преобразование информации в единых устройствах, построенных на базе цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), многопроцессорных модулей и модулей удаленного ввода-вывода сигналов;
разработка новых типов различных процессорных плат (полноразмерных, половинных), одноплатных компьютеров (All-in-one) формата 3,5" и 5,25", процессорных плат Compact PCI, обеспечивающих полное соответствие открытой архитектуре РС-совместимого компьютера;
развитие быстродействующих сетевого сбора и обработки сетевой информации на основе CAN-интерфейсов, AS-интерфейсов и последовательных протоколов передачи кодированных сигналов RS-482/485.
Важным аспектом совершенствования САиУ является повышение надежности их функционирования и «живучести» входящих в них устройств с реализацией функции диагностики и протоколирования состояния системы управления в рабочих и нештатных условиях ее работы. Эта задача решается как за счет горячего резервирования каналов передачи данных, так и за счет передачи отдельных функций обработки информации исправным микропроцессорным устройствам. Большое внимание уделяется созданию агрегатных комплексов с объектной ориентацией, способных работать в составе локальных управляющих вычислительных сетей.
В настоящем учебном пособии рассмотрены отдельные вопросы истории развития автоматизированных систем управления, назначение и функции гибких производственных систем. Достаточно подробно освещены системы автоматизации технологических процессов на базе компьютерной техники, рассмотрена их структура, основные функции компьютера и микроконтроллеров, а также роль операционного и прикладного программного обеспечения. В качестве примеров промышленных микропроцессорных систем описан аппаратно-программный комплекс для измерения характеристик транспортного потока и комплексная распределенная система управления гидроагрегатами ГЭС, разработанные НПЦ «Модуль».
В отдельную главу выделено описание микропроцессорной системы управления печатным процессом, в которой освещены вопросы архитектуры микропроцессорных систем управления печатью, интегрированные системы управления современными листовыми печатными машинами, возможности отраслевого формата печатной продукции CIP3. На примере комплексной системы автоматизированного управления печатью фирмы Heidelberg рассмотрены системы централизованной настройки и управления печатной машиной ЦПТроник и системы дистанционного управления подачей краски и приводкой, а также системы управления качеством печатной продукции.
Большое внимание уделено принципам функционирования управляющих локальных вычислительных сетей (LAN) и распределенным системам обработки информации, поступающей от микропроцессорных модулей на базе CAN-сетей. Здесь рассмотрены правила информационного обмена в соответствии с моделью ISO/OSI, функции информационных уровней, протоколы взаимодействия приложений и протоколы транспортной системы, аппаратные средства ЛВС, сети Ethernet, Token Ring, Arcnet и др. Рассмотрены достоинства CAN-сетей, принципы работы. Освещены особенности их архитектуры и даны описания различных протоколов CAN-сетей (CAL, CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и др.).
Описание аппаратных средств содержит данные об аналого-цифровых преобразователях (АЦП), датчиках систем автоматизации и управления, цифровых сигнальных процессорах, цифроаналоговых преобразователях и исполнительных устройствах систем автоматики. Наряду с рассмотрением традиционных вопросов автор пытался привести технические данные современных технических устройств, которые выпускаются фирмами «Motorola», «Honeywell» и др. Эти изделия сейчас активно продвигаются на российском рынке средств промышленной автоматизации такими компаниями, как «Прософт», «Ракурс», «PLC-Systems», «Родник» и др.
Здесь же приведены примеры использования данных устройств при решении некоторых задач автоматического контроля и управления. Эти материалы могут быть полезны при выполнении курсовых работ и в дипломном проектировании.
Дополнительно были включены две главы. В одной из них рассматриваются прикладные программные средства микропроцессорных систем. Хотя вопросы программного обеспечения требуют более подробного рассмотрения, но и здесь их освещение стало необходимым. Организация работы как локальных, так и сетевых систем напрямую связана с особенностями конструкций микропроцессорных устройств и с конкретными возможностями программного обеспечения. В данной работе описаны некоторые средства разработки промышленных микроконтроллеров (например, комплект программного обеспечения LASDK), SCADA-система GENESIS32-6.0, а также прикладное программное обеспечение LabWindowsAAH сбора и обработки данных и другие программные пакеты.
В главе «Микропроцессорные модули удаленного сбора информации и управления» на основании каталогов компаний «Прософт», ИКОС и других описаны микропроцессорные устройства и модули удаленного ввода-вывода фирм Advantech и ICP. Здесь приведены перечни устройств, входящих в семейства ADAM 5000 и ROBO 8000, даны их паспортные данные и описаны примеры реализации распределенных систем сбора информации и управления.
Целью подготовки данной рукописи было единое описание чрезвычайно разнородной и быстро меняющейся номенклатуры устройств и методов построения систем промышленной автоматизации и управления. Поэтому автор уделил повышенное внимание не только самим аппаратным средствам, но и архитектуре, информационному обеспечению и способам построения сетевых управляющих систем.
При подготовке этой работы использовались статьи научных и общетехнических журналов, учебники, справочники, монографии, а также материалы информационных и коммерческих WEB-сайтов Интернета. Список рекомендуемой литературы приведен в конце рукописи. Для удобства читателей он разбит на три раздела. Дополнительно приложен перечень WEB-сайтов по промышленной автоматизации, компьютерной и микропроцессорной технике.
Данное учебное пособие рекомендуется студентам специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» при изучении курса ТСАиУ, а также для использования в курсовом и дипломном проектировании. Кроме того, это учебное пособие может использоваться студентами специальности 170800 «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы», а также 281400 «Технология полиграфического производства» при изучении курсов «Управление в технических системах» и «Автоматизация полиграфического производства».
Скачать книгу "Технические средства автоматизации и управления" . Москва, Московский государственный университет печати, 2002
Введение 4
Тема 1. Этапы развития и принципы формирования состава технических средств автоматизированных систем управления 4
Тема 2. Технические средства автоматизированных систем
управления 10
Тема 3. Электродвигательные исполнительные механизмы 19
Тема 4. Электромагнитные исполнительные механизмы 40
Тема 5. Электромеханические муфты 46
Тема 6. Релейные исполнительные механизмы 58
Ответы на тесты 69
Итоговый тест 70
Список литературы 72
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда и повышения качества выпускаемой продукции. Непременным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие и совершенствование ее технических средств, к которым относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих воздействий на объект управления. Эти воздействия осуществляются с помощью исполнительных механизмов и регулирующих органов, описанию которых посвящено данное пособие.
Основное внимание уделяется электромеханическим исполнительным механизмам, т.к. они получили широкое распространение на практике, благодаря удобству преобразования электрических сигналов устройства управления –регулятора в требуемое механическое перемещение регулирующего органа, изменяющего материальные и энергетические потоки в управляемом объекте.
Тема 1. Этапы развития и принципы формирования состава технических средств автоматизации
Этапы развития технических средств автоматизации. Развитие технических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат экономические интересы и технические потребности автоматизируемых производств, с одной стороны, и те же интересы и технологические возможности производителей технических средств автоматизации, – с другой. Первичным стимулом развития является повышение экономической эффективности работы предприятий, благодаря внедрению новых, более совершенных технических средств автоматизации.
В развитии экономических и технических предпосылок внедрения и использования автоматизации технологических процессов (ТП) можно выделить следующие этапы:
1. Начальный этап, для которого характерны избыток дешевой рабочей силы, низкая производительность труда, малая единичная мощность агрегатов и установок. Благодаря этому самое широкое участие человека в управлении ТП, т.е. наблюдение за объектом управления, а также принятие и исполнение управляющих решений, на данном этапе было экономически оправданным. Механизации и автоматизации подлежали только те отдельные процессы и операции, управление которыми человек не мог осуществлять достаточно надежно по своим психофизиологическим данным, т.е. технологические операции требовавшие больших мускульных усилий, быстроты реакции, повышенного внимания и др.
2. Переход к этапу комплексной механизации и автоматизации производства произошел благодаря росту производительности труда, укрупнению единичной мощности агрегатов и установок, развитию материальной и научно–технической базы автоматизации. На этом этапе, при управлении ТП человек–оператор все более занимается умственным трудом, выполняя разнообразные логические операции при пусках и остановах объектов, особенно при возникновении всевозможных непредвиденных обстоятельств, предаварийных и аварийных ситуаций, а также оценивает состояние объекта, контролирует и резервирует работу автоматических систем. На данном этапе формируются основы крупносерийного производства технических средств автоматизации, ориентированного на широкое применение стандартизации, специализации и кооперации. Широкие масштабы производства средств автоматизации и специфика их изготовления приводят к постепенному выделению этого производства в самостоятельную отрасль.
3. С появлением управляющих вычислительных машин (УВМ) начинается переход к этапу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), совпавший с началом научно–технической революции. На данном этапе становится возможной и экономически целесообразной автоматизация все более сложных функций управления, осуществляемая с использованием УВМ. Но, поскольку УВМ тогда были весьма громоздкими и дорогими, то для реализации более простых функций управления достаточно широко применялись и традиционные аналоговые устройства автоматики. Недостатком таких систем была их невысокая надежность, т.к. вся информация о ходе ТП поступает и обрабатывается УВМ, при выходе которой из строя, ее функции должен был взять на себя оператор–технолог, контролирующий работу АСУТП. Естественно, что в таких случаях качество управления ТП значительно снижалось, т.к. человек не мог осуществлять управление столь же эффективно, как УВМ.
4. Появление относительно недорогих и компактных микропроцессорных устройств позволило отказаться от централизованных систем управления ТП, заменив их распределенными системами , в которых сбор и обработка информации о выполнении отдельных взаимосвязанных операций ТП, а также принятие управленческих решений осуществляется автономно, локальными микропроцессорными устройствами, получившими название микроконтроллеров. Поэтому надежность распределенных систем значительно выше, чем централизованных.
5. Развитие сетевых технологий, позволившее связать в единую корпоративную сеть многочисленные и удаленные друг от друга компьютеры, с помощью которых осуществляется контроль и анализ финансовых, материальных и энергетических потоков при производстве предприятием продукции, а также управление ТП, способствовало переходу к интегрированным системам управления . В этих системах с помощью весьма сложного программного обеспечения совместно решается весь комплекс задач по управлению деятельностью предприятия, включая задачи учета, планирования, управления ТП и др.
6. Повышение быстродействия и других ресурсов микропроцессоров, используемых для управления ТП, позволяет в настоящее время говорить о переходе к этапу создания интеллектуальных систем управления , способных принимать эффективные решения по управлению предприятием в условиях информационной неопределенности, т.е. нехватке необходимой информации о факторах, влияющих на его прибыль.
Методы стандартизации и структура технических средств автоматизации. Экономика отрасли, производящей средства автоматизации требует достаточно узкой специализации предприятий, выпускающих крупные серии однотипных устройств. В то же время с развитием автоматизации, с появлением новых, все более сложных объектов управления и увеличением объема автоматизируемых функций возрастают требования к функциональному разнообразию устройств автоматизации и к разнообразию их технических характеристик и конструктивных особенностей исполнения. Задача уменьшения функционального и конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении запросов автоматизируемых предприятий решается при помощи методов стандартизации .
Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные исследования практики автоматизации, типизация имеющихся решений и научное обоснование экономически оптимальных вариантов и возможностей дальнейшего сокращения многообразия применяемых устройств. Принимаемые при этом решения после их практической проверки оформляются обязательными к исполнению государственными стандартами (ГОСТ). Более узкие по сфере применения решения могут оформляться и в виде отраслевых стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более ограниченную применимость стандартов предприятий (СТП).
Агрегатирование – принцип формирования состава серийно изготавливаемых средств автоматизации, направленный на максимальное удовлетворение запросов предприятий–потребителей при ограниченной номенклатуре серийно выпускаемой продукции.
Агрегатирование базируется на том, что сложные функции управления можно разложить на простейшие составляющие (также, как, например, сложные вычислительные алгоритмы можно представить в виде совокупности отдельных простейших операторов).
Таким образом, агрегатирование основывается на разложении общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций, повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных системах управления . При анализе большого количества подобных систем управления можно выделить ограниченный набор простейших функциональных операторов, на комбинации которых строится практически любой вариант АСУТП. В результате формируется состав серийно изготавливаемых средств автоматизации, включающий такие конструктивно завершенные и функционально самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и механизмы.
Блок – конструктивное сборное устройство, выполняющее одну или несколько функциональных операций по преобразованию информации.
Модуль – унифицированный узел, выполняющий элементарную типовую операцию в составе блока или прибора.
Исполнительный механизм (ИМ)– устройство для преобразования управляющей информации в механическое перемещение с располагаемой мощностью, достаточной для воздействия на объект управления.
В соответствии с принципом агрегатирования системы управления создаются путем монтажа модулей, блоков, приборов и механизмов с последующей коммутацией каналов и линий связи между ними. В свою очередь, сами блоки и приборы создаются также путем монтажа и коммутации различных модулей. Модули же собираются из более простых узлов (микромодулей, микросхем, плат, устройств коммутации и т.п.), составляющих элементную базу технических средств. При этом изготовление блоков, приборов и модулей осуществляется полностью в заводских условиях, в то время как монтаж и коммутация АСУТП полностью завершается лишь на месте ее эксплуатации. Такой подход к построению блоков и приборов получил название блочно–модульного принципа исполнения технических средств автоматизации.
Применение блочно–модульного принципа не только позволяет проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в рамках отрасли, производящей средства автоматизации, но и ведет к повышению ремонтопригодности и увеличению коэффициентов использования этих средств в системах управления. Обычно предприятия, выпускающие средства автоматизации промышленного назначения, специализируются на изготовлении комплексов или систем блоков и приборов, функциональный состав которых ориентирован на реализацию каких–либо крупных функций или подсистем АСУТП. При этом в рамках отдельного комплекса все блоки и приборы выполняются совместимыми по интерфейсу , т.е. совместимыми по параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, равно как и по конструктивным параметрам и характеристикам устройств коммутации. Принято называть такие комплексы и системы средств автоматизации агрегатными или агрегатированными.
В России производство средств автоматизации промышленного назначения осуществляется в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации промышленного назначения (или сокращенно ГСП). ГСП включает все средства автоматизации, отвечающие единым общим технологическим требованиям к параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, к характеристикам точности и надежности средств, к их параметрам и особенностям конструктивного исполнения.
Унификация средств автоматизации. Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандартизации, также направленный на упорядочение и разумное сокращение состава серийно изготовляемых средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия параметров и технических характеристик, принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей исполнения средств автоматизации.
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации. В рамках ГСП применяются в серийном производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:
Электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);
Пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
Гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая, пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.
Наиболее развитой ветвью средств автоматизации является электрическая. В то же время широко используются и пневматические средства. Развитие пневматической ветви ограничивается относительно низкой скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов. Тем не менее в области автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств пневматические средства находятся, по существу, вне конкуренции. Гидравлическая ветвь средств ГСП не получила широкого развития.
По форме представления информации сигнал может быть аналоговым, импульсным и кодовым.
Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями какого–либо физического параметра–носителя (например, мгновенными значениями электрического напряжения или тока). Такой сигнал существует практически в каждый данный момент времени и может принимать любые значения в пределах заданного диапазона изменений параметра.
Импульсный сигнал характерен представлением информации только в дискретные моменты времени, т.е. наличием квантования по времени. При этом информация представляется в виде последовательности импульсов одинаковой продолжительности, но различной амплитуды (амплитудно-импульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной продолжительности (широтно-импульсная модуляция сигнала). Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) сигнала применяется в тех случаях, когда значения физического параметра–носителя информации могут изменяться со временем. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала используется, если физический параметр–носитель информации может принимать лишь некоторое постоянное значение.
Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При этом каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности импульсов, т.е. кода, а передаваемый сигнал является дискретным (квантуется) и по времени, и по уровню.
В соответствии с формой представления информации средства ГСП подразделяются на аналоговые и дискретно-цифровые . К последним относятся также средства вычислительной техники.
Все параметры и характеристики сигналов–носителей информации в средствах ГСП унифицированы. Стандартами предусматривается использование в аналоговых средствах следующих видов электрических сигналов:
Сигнал по изменению силы постоянного тока (токовый сигнал);
Сигнал по изменению напряжения постоянного тока;
Сигнал по изменению напряжения переменного тока;
Частотный электрический сигнал.
Сигналы постоянного тока используются чаще. При этом токовый сигнал (с большим внутренним сопротивлением источника) применяется для передачи информации в относительно длинных линиях связи.
Сигналы переменного тока редко используются для преобразования и передачи информации во внешних линиях связи. Это связано с тем, что при сложении и вычитании сигналов переменного тока необходимо выполнить требование синфазности, а также обеспечить подавление нелинейных искажений гармоник тока. В то же время при использовании этого сигнала легко реализуются задачи гальванического разделения электрических цепей.
Электрический частотный сигнал является потенциально наиболее помехоустойчивым аналоговым сигналом. В то же время получение и осуществление линейных преобразований этого сигнала вызывает известные затруднения. Поэтому частотный сигнал не получил широкого распространения.
Для каждого вида сигналов установлен ряд унифицированных диапазонов их изменений.
Стандарты на виды и параметры сигналов унифицируют систему внешних связей или интерфейс средств автоматизации. Такая унификация, дополненная стандартами на устройства коммутации блоков друг с другом (в виде системы разъемов), создает предпосылки для максимального упрощения проектирования, монтажа, коммутации и наладки технических средств систем управления. При этом блоки, приборы и прочие устройства с одинаковым типом и диапазоном параметров сигналов на входах–выходах стыкуются путем простого соединения разъемов.