Технические средства автоматизации и управления: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра процессов управления и информационных систем

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Контрольная работа

Факультет информационных систем управления Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов: 651900 – автоматизация и управление 210100 – управление и информатика в технических системах Направление подготовки бакалавров: 550200 – автоматизация и управление

Санкт- Петербург 2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681.5(075) Технические средства автоматизации и управления: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины. - СПб.: СЗТУ, 2003, 64 с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 651900 (специальность 210100 ″Управление и информатика в технических системах″) и направлению подготовки бакалавров 550200. Рассмотрены технические средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами такие, как управляемые преобразователи напряжения, автоматизированные электроприводы постоянного и переменного токов, контрольно-измерительные средства, исполнительные устройства, технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и командной информации по каналам связи, технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий, промышленные информационные сети, программное обеспечение, технические средства для отображения технологических процессов. Методические указания предназначены для студентов 4 курса факультета информационных систем управления, изучающих дисциплину ″Технические средства автоматизации и управления″.

Рассмотрено на заседании кафедры процессов управления и информационных систем 17.04.2003 года. Одобрено методической комиссией факультета информатики и систем управления 21.04.2003 года. Рецензенты: А. Ю. Дорогов, канд. техн. наук, доц. кафедры автоматики и процессов управления СПбГЭТУ; В. Л. Литвинов, канд. техн. наук, доц. СЗТУ. Составитель: М. П. Белов, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003 2

ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина ″Технические средства автоматизации и управления″ составная часть теоретической и практической подготовки студентов по специальности 210100 ″Управление и информатика в технических системах″. Цели преподавания и задачи дисциплины. 1. Студент должен знать принципы построения современных систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами; устройство, принцип действия и основные характеристики современных средств автоматизации и управления; методы оптимизации системотехнических, схемотехнических, программных и конструктивных решений при выборе номенклатуры средств автоматизации и управления; принципы типизации, унификации и агрегатирования при организации систем автоматизации и управления. 2. Студент должен уметь проектировать современные системы автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами. 3. Студент должен иметь представление о тенденциях развития современных средств автоматизации и управления. Изучение дисциплины опирается на методы общей теории систем автоматического управления и преобразования данных, дисциплин ″Электротехника и электроника″, ″Вычислительные машины, системы и сети″.

3

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объём 150 часов) 1.1.1. Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами Классификация современных технологических объектов управления. Классы и типовые структуры систем автоматизации и управления. Типовая структура автоматизированных технологических комплексов (АТК). Назначение и состав технических средств АТК. Принципы комплексирования: типизация, унификация, децентрализация, магистрально-модульный принцип построения АТК. Типовое обеспечение АТК. Унификация типовых решений АТК. Функциональное, алгоритмическое, программное, техническое, информационное и методическое обеспечения систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами. 1.1.2. Электрические машины Методика выбора электродвигателя для систем автоматизации. Двигатель постоянного тока. Электрический двигатель с независимым возбуждением (ДПТНВ). Статические характеристики двигателя. Приближенная оценка параметров двигателя. Энергетические режимы двигателя. Режимы торможения двигателя. Способы регулирования частоты вращения двигателя. Передаточная функция и структурная схема ДПТНВ. Асинхронный двигатель (АД). Работа АД с заторможенным и вращающемся ротором. Векторная, круговая и энергетическая диаграммы АД. КПД АД. Электромагнитный момент АД. Механическая характеристика АД. Способы регулирования частоты вращения двигателя. Режимы торможения двигателем. Двухфазный АД. Способы управления двухфазным АД (амплитудное, фазовое и амплитудно-фазовое управление). Механические и регулировочные характеристики двухфазного АД. Передаточная функция АД. Бесконтактный моментный двигатель на базе синхронной машины. Принцип действия и устройство. Основные уравнения, условия приведения его описания к уравнениям ДПТНВ. Особенности построения систем автоматического управления с бесконтактными моментными двигателями постоянного тока. 4

Шаговый двигатель (ШД). Основные типы машин, характеристики, режимы работы. Способы управления. 1.1.3. Управляемые преобразователи напряжения и частоты Тиристорный преобразователь (ТП). Основные силовые схемы управляемых выпрямителей. Принципы построения совместного и раздельного управления реверсивным ТП. Регулировочные и внешние характеристики нереверсивных и реверсивных ТП. Система импульсно-фазового управления (СИФУ). Широтно-импульсные преобразователи (ШИМ). Алгоритмы управления ШИМ. Построение усилителя мощности с ШИМ. Пример ШИП. Усилители мощности. Преобразователи частоты для управления АД. Преобразователи частоты с непосредственной связью. Преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения. Преобразователи частоты с автономными инверторами тока. 1.1.4. Исполнительные устройства и механизмы Исполнительные устройства (ИУ). Типовые структуры, состав и характеристики ИУ. Исполнительные механизмы (ИМ). Электромагниты. Электромагнитные реле. Электромагнитные муфты. Электромагнитные вентили в пневмо- и гидросистемах. Электромагнитный приводной механизм малых перемещений. Передаточные механизмы (ПМ). Регулирующие органы (РО). Интеллектуальные ИУ. Промышленные регуляторы. 1.1.5. Контрольно-измерительные средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами Датчики. Назначение, основные группы датчиков и физические принципы действия. Датчики скорости (частоты вращения), угла поворота, положения (перемещения). Средства измерения температуры и давления. Уровнемеры и расходомеры. Оптоволоконные датчики. Измерительные преобразователи (ИП). Назначение, классификация, принципы построения ИП. Интеллектуальные датчики и измерительные преобразователи. Организация измерительных каналов в системах автоматизации и управления. 1.1.6. Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и командной информации по каналам связи. Устройства связи с объектом управления (УСО). Основные типы УСО, принципы организации. Цифровые средства обработки информации в системах автома5

тизации и управления. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП, АЦП). Устройства ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов. Устройства гальванической развязки. Классификация, основные характеристики интерфейсов систем автоматизации и управления. Системные (внутри машинные) интерфейсы, интерфейсы персональных компьютеров типа IBM PC, приборные интерфейсы. Интерфейсы устройств ввода/вывода (периферийных устройств). Последовательные интерфейсы: RS 232C, RS 485 и др.. Параллельные интерфейсы. 1.1.7. Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий Универсальные ЭВМ. Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы (ВК). Управляющие ЭВМ (УВМ), управляющие ВК (УВК). Промышленные компьютеры и программируемые логические контроллеры (ПЛК). Рабочие станции. Микро-ЭВМ и микроконтроллеры. 1.1.8. Промышленные информационные сети в системах автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами Промышленные информационные сети, их назначение и классификация. Эталонная модель архитектуры открытых систем: уровни, функции, характеристики. Топология промышленных информационных сетей и их основные характеристики. Моноканалы, технические средства и методы управления доступом к моноканалам. Методы кодирования информации в промышленных информационных сетях. 1.1.9. Программное обеспечение систем автоматизации и управления Структура программного обеспечения (ПО). Операционные системы, системное ПО, прикладное ПО. Принципы программирования в системах автоматизации и управления. Программирование промышленных компьютеров и ПЛК. Инструментальные средства разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения. 1.1.10. Технические средства для отображения процессов в системах автоматизации и управления Типовые средства отображения и документирования информации. Принципы построения, классификация и технические характеристики устройств взаимодействия с оператором. Видео терминальные средства, индикаторы. Пульты и станции оператора. Регистрирующие и показывающие приборы. 6

1.2 ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ для студентов очно-заочной формы обучения (28 часов) 1. Задачи курса. Основные понятия и определения. Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами…………..… 2 часа 2. Электрические машины ……………………………………………….. 6 » 3. Управляемые преобразователи напряжения и частоты ……………... 2 » 4. Исполнительные устройства и механизмы …………………………... 2 » 5. Контрольно-измерительные средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами………………………………………………………………… 2 » 6. Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и командной информации по каналам связи ………………... 2 » 7. Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий……………………………………….. 2 » 8. Промышленные информационные сети в системах автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами…………………………………………… 4 » 9. Программное обеспечение систем автоматизации и управления…………. 4 » 10. Технические средства для отображения процессов в системах автоматизации и управления…………………………………………….…. 2 » 1.3 ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (24 часа) 1. Исследование характеристик исполнительных механизмов ..……….. 4 часа 2. Исследование характеристик датчиков скорости, положения, температуры и давления …………………………………………...………... 4 » 3. Исследование корректирующих цепей в системе автоматизации и управления ……………………………………... 4 » 4. Освоение методики программирования в терминах релейноконтактного языка на примере дискретного управления с использованием модулей цифрового ввода/вывода ……………….. 4 » 5. Исследование характеристик тиристорного преобразователя ……….. 4 » 6. Исследование характеристик широтно-импульсного преобразователя ……………………………………………………….. 4 » 7

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: Учебник для вузов/А.М. Корытин, Н.К. Петров, С.Н. Радимов, Н.К. Шапарев. – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 432 с. 2. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1994. – 496 с. 3. Родионов В. Д., Терехов В. А., Яковлев В. Б. Технические средства АСУТП. Уч. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 262 с. 4. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: Архитектура и применение/Пер. с фр. И. В. Федотова; Под ред. Б. И. Лыткина. – М.: Машиностроение, 1992. – 342 с. 5. Домрачев В.Г., Матвиевский В.Г., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещения: Справ. пособие, М.: Энергоатомиздат, 1987. – 376 с. 6. Егоров В. Н., Иванов В. В., Торопов В. И. Элементы автоматизированного электропривода: Учеб. пособие. – Л., СЗПИ, 1987 г. Дополнительный: 7. Воробьев В. Е., Леонтьев В. В. Электротехника и электроника. Электрические машины: Текст лекций. – СПб.: СЗТУ, 2003. – 45 с. 8. Королев Г. В. Электронные устройства автоматики: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1991. – 289 с. 9. Мячев А. А. Степанов В. Н. Персональные ЭВМ и микро-ЭВМ. Основные организации: Справочник. – М.: Радио и связь, 1991. – 342 с. 10. Пятибратов А.П., Гудыко Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. 1997. – 452 с. 11. Интерфейсы систем обработки данных: Справ./ А. А. Мячев, В. Н. Степанов, В. К. Щербо; Под ред. А. А. Мячева. М.: Радио и связь, 1989. 12. SIMATIC Комплексная автоматизация производства. Каталог ST 70 ч. 1, ч.2. 2001 г..

8

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ 3.1. Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами [1] Множество разнообразных технологических объектов управления, отличающихся физической природой, видом перерабатываемого сырья и энергии, технологическим оборудованием, затрудняет рассмотрение всех видов технологии. Однако в системе промышленного производства можно выделить два существенно отличных класса технологических процессов: добычу исходного сырья и переработку сырья или полуфабриката в готовый продукт. В последнем случае готовым продуктом может быть и полуфабрикат, служащий исходным материалом для дальнейшей переработки. В свою очередь каждый из этих классов технологических процессов имеет специфические стороны. Так, первый может быть разделен на добычу твердых, жидких или газообразных продуктов. Во втором – переработка сырья или полуфабриката – выделяются отрасли с технологией изменения агрегатного состояния или химического состава вещества и процессы, технология которых направлена на изменение формы исходной заготовки или исходного материала. Транспортировка сырья, полуфабрикатов и готовой продукции может рассматриваться в качестве самостоятельного класса. Здесь можно выделить технологические и межпроизводственные или межотраслевые транспортные средства. Каждый класс имеет два четко выраженных подкласса. В подклассе добычи твердого сырья выделены три самостоятельные отраслевые технологии: подземных и открытых разработок и воднотранспортная (драги, земснаряды и др.); подкласс добычи жидкого или газообразного сырья представлен технологиями бурения и откачки. Подкласс получения продукции, связанной с процессами изменения агрегатного или физико-химического состояния материала, присущ таким отраслям, как энергетика, химическая промышленность, металлургия (доменное, сталеплавильное производство, электрохимическая металлургия и др.). В этих процессах используются различные виды энергии (тепловая, электрическая, химическая, атомная). Энергоноситель поступает к технологическому агрегату в виде пара, газа, компонентов исходных материалов (например, кокс в доменном и 9

агломерационном производстве). Управляемыми параметрами здесь являются поток материала и его состав, а также поток энергоносителя и его состав. В данном случае технологическими объектами управления являются транспортные, дозирующие и массоизмерительные устройства, подготавливающие технологический процесс изменения агрегатного и. физикохимического состояний исходных продуктов и собственно процессы этих преобразований. Непрерывность протекания физико-химических процессов определяет их взаимную связь с транспортировкой и дозированием, что позволяет рассматривать весь технологический комплекс как единый технологический объект управления. Подкласс производства продукции, связанный с изменением формы исходного сырья или полуфабриката, включает любые процессы поточного или индивидуального производства. К ним могут относиться прокатка, штамповка, волочение, формовка, обработка резанием и т.д. Здесь используется только один вид энергии – механическая, источником которой в подавляющем большинстве случаев служит автоматизированный электропривод. Управляемым параметром является поток энергии. Объединение ряда производственных механизмов в общий технологический комплекс осуществляется с помощью транспортных средств и механизмов изменения ориентации изделия. Наиболее характерной машиной в таком производстве становится управляемый манипулятор - промышленный робот. Любой современный технологический комплекс следует рассматривать как АТК. В задачу АТК входит преобразование исходного вещества в готовую продукцию (переработанное вещество) на основе получения от технологической среды информации в виде задающей программы и энергии. В соответствии с технологическим процессом работа АТК определяется задающей программой. Осуществляются контроль и регулирование электромагнитных, механических, технологических переменных, показателей качества готовой продукции (переработанного вещества); автоматическая оптимизация обобщенных показателей качества работы АТК; контроль состояния электротехнического, механического и технологического оборудования. Механизмы АТК оснащаются индивидуальными электроприводами с электродвигателями, управляемыми преобразователями, программируемыми микроконтроллерами приводов. Совместную работу приводов и механизмов, 10

входящих в состав технологического агрегата, координирует технологический программируемый микроконтроллер. Координацию совместной работы агрегатов технологического комплекса выполняет один из микроконтроллеров или специализированный персональный компьютер, входящий в состав станции оператора. Через магистральный преобразователь осуществляется связь АТК с распределенной системой управления технологическим процессом. Микроконтроллеры взаимодействуют через коммуникационную связь, структура которой в соответствии с существующими стандартами по индустриальным сетям средств вычислительной техники может быть различной. Контроль агрегатов и управление ими могут осуществляться с периферийных постов операторов. Технологическим контроллером решаются задачи: выработка заданий на контроллер привода в соответствии с координированной работой приводов агрегата; программно-логическое управление пуском, остановом и режимом рабочего функционирования агрегата; регулирование технологических переменных; контроль состояния и диагностика неисправностей в компонентах агрегата. Компьютерные системы управления электроприводами, механизмами, технологическими агрегатами и комплексами выполняются по единой идеологии с гибким варьированием аппаратных и программных средств. В общем случае в состав систем входят: программируемые контроллеры, модули интеллектуальной периферии, системы визуализации и обслуживания, средства коммутаций, программаторы (ПГ), персональные компьютеры. Вопросы для самопроверки 1. Какие основные классы технологических процессов в системе промышленного производства? 2. Назовите подклассы промышленного производства. 3. В чем основная задача АТК? 4. Какие технические средства в ходят в состав АТК? 5. Какие задачи решает технологический контроллер или промышленный компьютер в системах автоматизации и управления? 6. В чем заключается принцип унификации технических средств систем автоматизации и управления? 7. В чем заключается принцип децентрализации при построении АТК? 8. В чем заключается магистрально-модульный принцип построения АТК? 11

9. Что в ходит в программное обеспечение систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами? 10. Что в ходит в техническое обеспечение систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами? 11. Что в ходит в информационное и методическое обеспечения систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами? 3.2. Электрические машины [2, 7] Электрическая машина - электромеханический преобразователь, работающий в двигательном или генераторном режимах, при которых соответственно электрическая энергия преобразуется в механическую или механическая энергия преобразуется в электрическую. Суть явления объясняется законом электромагнитной индукции. В соответствии с ним одна и та же электрическая машина может потреблять электрическую энергию, либо вырабатывать ее. Эта особенность электрических машин называется принципом обратимости. Электрическая машина состоит из: неподвижной части, называемой статором; вращающейся части, называемой ротором; основных и дополнительных полюсов; двух подшипниковых щитов, обеспечивающих воздушный зазор между вращающейся и неподвижной частями машины. Диапазон мощностей выпускаемых электрических машин весьма широк - от долей ватта до сотен тысяч киловатт. Условно электрические машины делятся на четыре группы: микромашины (не более 750 Вт), машины малой мощности (от 0,75 до 50 кВт), машины средней мощности (от 50 до 500 кВт), машины большой мощности (свыше 500 кВт). Классификация электрических машин в значительной степени определяется ее назначением в производственном механизме. Так, например, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты или постоянный ток. Для этой цели применяют электромашинные преобразователи. Электрические машины, применяемые для усиления мощности электрических сигналов, называют электромашинными усилителями. Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии, называют синхронными компенсаторами. Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуляторами. 12

Применение микромашин в устройствах автоматики и вычислительной техники весьма разнообразно. Здесь машины используются в качестве: двигателей, преобразователей частоты вращения в электрический сигнал, получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала. Электрические машины разделяют и по принципу действия: коллекторные и бесколлекторные. Эти машины различаются как конструкцией, так и рабочими свойствами. Коллекторные машины применяют, главным образом, для работы на постоянном токе как в качестве генераторов, так и двигателей. Бесколлекторные машины работают только на переменном токе. Электрический привод является одним из основных элементов любой электромеханической системы. От его свойств и характеристик в значительной мере зависит производительность рабочей машины и качество выпускаемой ею продукции. Выбор типа привода должен подчиняться тем требованиям, которые предъявляются к приводимым им машине, агрегату. Поэтому, приступая к его проектированию, прежде всего необходимо определить параметры, которые определяют поведение рабочей машины. Рациональное проектирование современного автоматизированного электропривода требует глубокого знакомства с условиями работы производственного механизма. Оно может вестись лишь на основе тщательно разработанного технического задания, в котором должны быть учтены все особенности производственного процесса и условия работы исполнительного механизма. В техническом задании должны найти отражение вопросы, касающиеся характера статического момента, необходимых пределов регулирования скорости, плавности регулирования, стабильности скорости, допустимого ее отклонения от среднего значения, требуемого набора механических характеристик, условий пуска и торможения, характера переходных процессов и др. Вопрос о выборе типа двигателя и системы управления достаточно просто решается лишь в случае применения нерегулируемого привода. При этом, следует использовать двигатели переменного тока: для установок малой и средней мощности – асинхронные короткозамкнутые, а для механизмов, требующих больших мощностей – синхронные. Двигатели переменного тока по конструкции проще, стоимость их ниже, обслуживание тоже требует меньших затрат. В отношении надежности также следует отдать предпочтение двигателям переменного тока. Вопросы пуска асинхронного короткозамкнутого двига13

теля решаются достаточно просто, так как все современные двигатели выпускаются со специальной формой паза ротора, что обеспечивает существенное ограничение пусковых токов при достаточно больших моментах. Для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и торможениями, рационально использовать двигатели повышенного скольжения. При выборе двигателя по пусковому и перегрузочным моментам следует учитывать возможные колебания напряжения сети. Как было показано выше, момент асинхронного двигателя снижается пропорционально квадрату напряжения. Синхронные двигатели иногда применяются в области малых мощностей для специальных установок и в устройствах автоматики. Свойство синхронного двигателя поддерживать неизменным средний уровень скорости является определяющим при использовании их в лентопротяжных механизмах, устройствах отработки времени, модуляторах светового потока и др. Значительно сложнее решить задачу о выборе типа привода при необходимости иметь регулируемый привод. В этом случае должно быть подробно и очень глубоко проанализировано техническое задание и произведено техникоэкономическое сопоставление возможных вариантов. В основном выбор типа привода предопределяется требованиями, касающимися условий регулирования скорости, – диапазоном, плавностью, относительной длительностью работы на пониженных скоростях, а также требованиями, относящимися к его переходным процессам. Весьма обстоятельно сформулированы требования к электроприводу применительно к металлорежущим станкам и роботам в ГОСТ 27803–91. Естественно, что при глубоком регулировании скорости и необходимости иметь хорошую управляемость, возможно использование только приводов с индивидуальными преобразователями. В большинстве случаев вопрос решается в пользу приводов постоянного тока. Однако конкурентными по своим свойствам и характеристикам являются приводы с частотным и частотно-токовым управлением. Преимущества приводов с асинхронными двигателями – простота конструкции и повышенная надежность двигателей, отсутствие необходимости использования средств для повышения коэффициента мощности, так как естественный коэффициент мощности привода с частотным управлением имеет значение выше 0,9. В некоторых случаях в качестве приводов малой мощности могут исполь14

зоваться приводы с двухфазными асинхронными двигателями, питаемыми от полупроводниковых или магнитных усилителей. По энергетическим показателям и статическим характеристикам они уступают приводам постоянного тока. По динамическим свойствам иногда они могут быть сопоставимы, однако диапазон скоростей у них всегда уже. Следует отметить, что одной из основных предпосылок к переходу к приводам переменного тока является непосредственное использование энергии переменного тока. Однако применение приводов с частотным управлением никак не приближает нас к решению задачи по непосредственному использованию энергии, поступающей из сети. Напротив, при этом необходимо преобразование и в некоторых случаях преобразователь частоты оказывается более сложным, чем преобразователь переменного тока в постоянный. Стоимость привода переменного тока несколько выше, чем регулируемого привода постоянного тока. Приводы постоянного тока тоже укрепляют свои позиции. Прежде всего следует отметить существенное расширение диапазона использования приводов с транзисторными преобразователями. В связи с увеличением предельных номинальных токов и напряжений силовых транзисторов в ближайшее время следует ожидать использования транзисторных приводов мощностью до 10 – 20 кВт. Пока среди приводов постоянного тока доминирующее значение имеют приводы с тиристорными выпрямительными преобразователями и приводы с ШИП. Принципиально система с ШИП может иметь более высокие технические показатели: больший диапазон скоростей, большую стабильность скорости на его нижнем участке, меньшие пульсации тока, соответственно меньшую опасность возникновения субгармонических колебаний скорости и т. п. Системы с ШИП преимущественно используются для прецизионных механизмов – точных металлорежущих станков, в сложных приборных комплексах, в лабораторном оборудовании, а также в следящих приводах. Применение приводов с ШИП практически является обязательным в локальных установках с бортовой сетью постоянного тока. В установках средней и большой мощности пока они находят ограниченное применение. Как правило, приводы с широтноимпульсным управлением строятся на малые мощности. Существенным недостатком приводов постоянного тока является наличие коллектора у двигателя, который создает большие трудности в сфере обслуживания и эксплуатации. Поэтому естественно стремление исключить коллектор 15

и перейти к бесконтактной системе. С этих позиций весьма перспективны приводы с вентильными двигателями, в которых коммутация обеспечивается полупроводниковыми приборами. В каждом конкретном случае для разрабатываемой рабочей машины оптимальным будет тот привод, который в состоянии обеспечить наибольшую производительность. Любые дополнительные капитальные затраты на электрооборудование всегда в этом случае будут оправданы. В себестоимости выпускаемой продукции амортизация электрооборудования и расходы на его эксплуатацию нормально не превышают нескольких процентов. Поэтому даже незначительное увеличение производительности механизма всегда с избытком перекрывает дополнительные затраты. Следует иметь в виду, что для каждого узла рабочей машины иногда может быть рационален свой тип привода, обеспечивающий наилучшее его функционирование. Более того, совершенно закономерным является использование в одной рабочей машине приводов различных систем и рода тока. Поэтому, если индивидуальный подход к решению задачи может дать некоторый техникоэкономический эффект, то стремиться к унификации приводов в этом случае не следует. Вопросы для самопроверки 1. Опишите основную схему включения ДПТНВ. 2. Какие допущения принимаются при выводе формул для характеристик двигателя постоянного тока? 3. Назовите виды и соответствующие признаки энергетических режимов двигателя. 4. Назовите основные способы регулирования координат ЭП с ДПТНВ. 5. Охарактеризуйте основные способы регулирования скорости ДПТНВ. 6. Что такое пусковая диаграмма и как она строится? 7. Каковы достоинства и недостатки системы ТП - Д? 8. В чем цель и сущность формирования статических и динамических характеристик ЭП? 9. Что такое универсальные характеристики двигателей постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения? 10. В чем особенности схемы включения и характеристик ДПТПВ? 11. Назовите способы регулирования скорости ДПТПВ. 16

12. Назовите способы торможения ДПТПВ. 13. Что такое схема замещения АД? 14. В каких энергетических режимах может работать АД? 15. Какие достоинства и недостатки имеет способ регулирования координат АД с помощью резисторов? 16. Какие возможности по управлению АД обеспечивает регулирование напряжения на его статоре? 17. За счет чего в частотно-управляемом асинхронном ЭП производится регулирование подводимого к АД напряжения? 18. Назовите виды каскадных схем и поясните принцип регулирования скорости АД в этих схемах. 19. Какими способами осуществляется торможение АД в его основной схеме включения? 20. Что такое динамическое торможение АД? 21. В чем основная особенность переходных процессов в асинхронном ЭП? 22. Каковы области использования однофазных АД? 23. В чем состоят основные особенности работы однофазного АД? 24. Что такое линейный АД и каковы рациональные области его применения? 25. Какие достоинства присущи СД? 26. Что такое угловая характеристика СД? 27. Как включается обмотка возбуждения СД при пуске? 28. Что такое U-образные характеристики СД? 29. Что такое вентильный двигатель? 30. Поясните принцип действия ШД. 31. Какова схема управления ШД? 32. Назовите особенности вентильного ЭП с индукторным двигателем. 3.3. Управляемые преобразователи напряжения и частоты [6] Тиристорный преобразователь может быть представлен тремя функциональными элементами: СИФУ, силовой цепью преобразователя (СЦП) и цепью нагрузки преобразователя (ЦНП). СИФУ преобразует управляющий сигнал тиристорного преобразователя (напряжение uу или цифровой код Ny) в последовательность импульсов управления, имеющих соответствующий фазовый сдвиг относительно момента естественного открывания тиристора, определяемый уг17

лом управления α. Таким образом, СИФУ осуществляет аналого-дискретное или цифродискретное преобразование управляющих сигналов. Выходная ЭДС ed(t) силовой цепи преобразователя формируется из фазных ЭДС питающей сети Uс. Характер цепи нагрузки преобразователя оказывает существенное влияние на внутренние процессы, протекающие в СЦП, определяя углы проводимости λ и коммутации γ отдельных тиристоров (вентилей). Одновременно в ЦНП происходит сглаживание (фильтрация) ЭДС и тока ТП. Все существующие схемы выпрямления подразделяются на схемы с нулевым выводом и мостовые, которые в зависимости от исполнения могут быть однофазными, трехфазными и многофазными. Наибольшее распространение получили трехфазные ТП: нулевая и мостовая. Тиристоры мостовой схемы выпрямления можно подразделить на две группы: катодную и анодную. В электроприводах малой мощности находят применение однофазные нулевая двухполупериодная и мостовая схемы выпрямления. В электроприводах большой мощности применяются шестифазная схема с уравнительным реактором, последовательное включение трехфазных мостовых схем и другие выпрямительные схемы. Для реверсивного электропривода используются специальные схемы ТП, подразделяемые на схемы с одной группой тиристоров и переключением полярности в цепи нагрузки с помощью контактных или бесконтактных переключателей и с двумя группами вентилей, среди которых различают: перекрестную; встречно-параллельную. Мостовая реверсивная ТП является в данном случае разновидностью встречно-параллельной схемы. Для электроприводов с малым временем реверса и при необходимости получения двигательного и тормозного режимов работы при одном направлении вращения используются схемы с двумя группами тиристоров. Система управления ТП должна обладать высоким быстродействием и обеспечивать формирование импульсов управления с определенными параметрами: амплитуда – не менее 200 ... 400 мА, продолжительность – 10... 15° (эл. градусов), крутизна переднего фронта – порядка 10 А/с. Диапазон регулирования угла управления составляет 150 ... 160°. Кроме того, СИФУ должна обеспечивать ограничение минимальных и максимальных углов управления и бло18

кировку подачи импульсов на тиристоры. Регулирование угла управления можно осуществлять двумя способами: синхронным и асинхронным. При синхронном способе угол управления отсчитывается от определенной координаты напряжения питающей сети. При асинхронном способе угол управления определяется от момента формирования предыдущего импульса и в отличие от синхронного способа не синхронизирован с питающей сетью. В асинхронных СИФУ реализуется интегральный характер изменения фазы управляющих импульсов, поэтому они могут работать только в замкнутых системах управления. Учитывая их ограниченное применение, в дальнейшем рассматриваются только синхронные СИФУ. Системы импульсно-фазового управления в зависимости от вида входного сигнала можно подразделить на аналоговые и цифровые, одно- и многоканальные, с ″вертикальным″ и ″горизонтальным″ способами отсчета угла управления. ″Горизонтальный″ способ заключается в интегрировании сигнала управления, начиная от момента синхронизации. Данный способ не нашел широкого применения в связи с низким быстродействием. Наибольшее распространение получили полупроводниковые СИФУ, построенные по ″вертикальному″. В состав канала управления таких систем входят генератор опорного напряжения, синхронизированный с питающей сетью, сравнивающее устройство и генератор импульсов (ГИ). Гальваническая развязка цепи управления тиристора с силовой цепью достигается за счет использования импульсных трансформаторов на выходе ГИ или оптронных тиристоров. ″Вертикальный″ способ основан на принципе развертывающего преобразования. В многоканальных СИФУ число каналов определяется фазностью схемы выпрямления. Недостатком многоканальных систем является асимметрия каналов управления и, как следствие, увеличение содержания гармонических составляющих в выходном напряжении ТП н в питающей сети, что может привести к гармонической неустойчивости ТП, появлению низкочастотной составляющей в токе нагрузки, отрицательно сказывающихся на динамике контура регулирования тока. Для исключения асимметрии, связанной с разбросом характеристик каналов управления, используются одно канальные СИФУ, в которых фазовый сдвиг всех импульсов управления производится в одном канале. Регулирование напряжения ТП осуществляется изменением угла управления α, отсчитываемого от точки естественного зажигания тиристора. Все реверсивные схемы с двумя группами тиристоров могут иметь либо 19

совместное (согласованное), либо раздельное управление группами. Совместное управление характеризуется тем, что управляющие импульсы поступают на обе группы тиристоров, одна из которых работает в выпрямительном режиме, другая – в инверторном. Вид внешних и регулировочных характеристик ТП существенно зависит от способа согласования групп вентилей. При линейном согласованном управлении углы управления групп тиристоров выбираются из условия равенства нулю среднего значения уравнительного напряжения. Достоинства линейного согласованного управления группами ТП заключаются в практическом отсутствии зоны прерывистых токов, однозначности характеристик и малом времени реверса преобразователя. Недостатки данного способа состоят в невозможности полного использования преобразователя в выпрямительном режиме (при α = 0) и необходимости включения уравнительных реакторов, увеличивающих потери в ТП, его габариты и стоимость. При раздельном управлении отпирающие импульсы поступают только на одну из групп тиристоров, другая группа оказывается закрытой. Это позволяет устранить уравнительные токи и исключить уравнительные реакторы. Специфической особенностью ТП с раздельным управлением является наличие логического переключающего устройства. Для реализации раздельного управления используются следующие способы переключения выпрямительных групп: в функции напряжения управления, в функции тока якоря и в функции управляющего напряжения и тока якоря. Достоинствами раздельного управления являются: исключение из силовой схемы преобразователя уравнительных реакторов; возможность использования силового трансформатора на полную мощность, поскольку в выпрямительном режиме допускается нулевой угол управления. Среди недостатков следует отметить неоднозначность регулировочных характеристик, ограниченность диапазона частот управляющего сигнала величиной fгр<1/2τп независимо от амплитуды этого сигнала, реверс электропривода занимает, по крайней мере, вдвое больше времени, чем при согласованном управлении группами преобразователя. Технико-экономическое сравнение рассмотренных выше способов управления группами реверсивных преобразователей позволяет сделать вывод, что для быстродействующих электроприводов небольшой мощности (до 10 кВт) 20

более целесообразным является применение согласованного управления, а для приводов средней и большой мощности – раздельного управления. Тиристорные регуляторы напряжения (ТРН) переменного тока на практике применяются для различных целей. В простейшем случае ТРН используется для включения и отключения асинхронных двигателей, в частности короткозамкнутых. В реверсивных схемах добавляется еще один комплект тиристоров. Возможна также реализация режима динамического торможения асинхронного двигателя постоянным током. Регулирование угла отпирания тиристоров α, который отсчитывается от начала положительной полуволны фазного напряжения сети в пределах от нуля до αmax, обеспечивает изменение напряжения на статоре двигателя Uд от напряжения сети Uc до Umin. Для двигателей с фазным ротором ТРН применяют и как управляемый преобразователь для регулирования и стабилизации скорости двигателя. Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока применяются в электроприводах главным образом для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при малых мощностях (до 2...3 кВт). В простейшем случае нереверсивный ШИП представляет собой источник постоянного тока с неизменным напряжением U0 и управляемый ключ К (транзисторный или тиристорный), при помощи которого осуществляется широтно-импульсная модуляция напряжения источника. В ШИП с тиристорными ключами схема усложняется из-за невозможности запирания тиристора по цепи управления. Здесь применяют разные способы запирания тиристоров, в частности при помощи схем с емкостной коммутацией. Возможность регулирования скорости АД изменением частоты питающего напряжения следует из формул ω0=2πf/p и ω=2πf(l – s)/p. При этом возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U≈E=kФf. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то магнитный поток Ф будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастает и это приведет к насыщению стали двигателя и, как следствие, к резкому увеличению тока и превышению допустимой температуры изоляции обмоток; при увеличении частоты поток Ф и соответственно момент двигателя будут уменьшаться. Для наилучшего использования АД при изменении частоты необходимо 21

регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что можно реализовать только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по закону, зависящему от вида нагрузки. Экономические выгоды частотного регулирования скорости особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением. Для осуществления частотного регулирования скорости в настоящее время широкое применение находят статические преобразователи (на основе тиристоров и транзисторов), на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняются частота и амплитуда напряжения. Статические преобразователи частоты делятся на две основные группы: с непосредственной связью, когда в одном устройстве совмещаются функции выпрямления и инвертирования, и с промежуточным звеном постоянного тока. Первые в свою очередь делятся на преобразователи с естественной коммутацией, когда закрытие тиристоров осуществляется обратной полуволной питающего напряжения, и с искусственной коммутацией, когда закрытие тиристоров осуществляется с помощью специальных коммутирующих конденсаторов. В преобразователях частоты со звеном постоянного тока напряжения сети переменного тока вначале выпрямителя, затем сглаживается и с помощью автономного инвертора напряжения (АИН) преобразуется в напряжение переменного тока регулируемой частоты и амплитуды. Возможно выполнение преобразователя частоты с управляемым и неуправляемым выпрямителем. В первом случае раздельное управление напряжением и частотой преобразователя сводится к воздействию на управляемый выпрямитель для регулирования напряжения преобразователя и к воздействию на автономный инвертор напряжения для регулирования частоты. Если АИН питается от управляемого выпрямителя, то на выходе выпрямителя устанавливается конденсатор большой емкости. В результате АИН имеет жесткую внешнюю характеристику, т. е. с изменением тока нагрузки напряжение АИН практически не изменяется. В связи с этим при использовании в преобразователе частоты АИН управляющими воздействиями на асинхронный двигатель являются частота и напряжение на статоре двигателя. При использовании неуправляемого выпрямителя применяются автономные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией. В этом случае 22

управление напряжением и частотой сводится к воздействию на АИН по раздельным каналам. Универсальным и перспективным для промышленных электроприводов является преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Достоинство таких преобразователей заключается в относительной простоте их реализации. Недостатками являются: двухкратное преобразование энергии, что увеличивает установленную мощность и снижает КПД; АД не может работать в режиме генераторного торможения с отдачей энергии в сеть, так как управляемый выпрямитель обладает односторонней проводимостью; форма выходного напряжения зависит от коэффициента мощности АД, который в свою очередь определяется нагрузкой на валу двигателя; низкий коэффициент мощности, зависящий от угла открытия тиристоров управляемого выпрямителя; существенный удельный вес высших гармоник в кривой выходного напряжения, что приводит к созданию дополнительных возмущений в системе электропривода при формировании электромагнитных моментов (особенно на низких скоростях) и повышению потерь в двигателе. Анализируя динамику АД, работающего от преобразователя частоты, следует рассматривать электромагнитные процессы в двигателе с учетом электромагнитных процессов в преобразователе. В электроприводах, работающих с частыми переходными процессами, и в случаях, когда требуется генераторное торможение АД с отдачей энергии в сеть, целесообразно использовать преобразователь частоты с автономным инвертором тока (АИТ). В этих случаях сказываются преимущества АИТ, заключающиеся в возможности рекуперации энергии в сеть при более простой силовой схеме. Для этого управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим и при сохранении направления выпрямительного тока энергия рекуперуется в сеть. В этом состоит преимущество АИТ перед АИН, для которого при необходимости рекуперации энергии в сеть должен быть использован дополнительный ведомый сетью инвертор, подключаемый параллельно управляемому выпрямителю. Автономные инверторы приобретают свойства источника тока, если их питание осуществляется от источника тока. При использовании в качестве источника питания управляемого выпрямителя на его выходе устанавливается дроссель с большой индуктивностью. Совершенствования асинхронного электропривода с частотным управле23

нием связаны с использованием так называемого частотно-токового управления АД. Для его реализации в схемах преобразователей частоты используется АИТ, в результате чего управляющими воздействиями на асинхронный двигатель являются частота и ток статор. С помощью обратных связей по току и скорости формируются требуемые статические и динамические характеристики электропривода. Недостатком преобразователей частоты с АИТ является их значительное усложнение при формировании токов двигателя, близких к синусоидальным. Вопросы для самопроверки 1. В каком случае применяются управляемые преобразователи напряжения? 2. В каком случае применяются управляемые преобразователи частоты? 3. Из каких основных частей состоит тиристорный преобразователь? 4. Какие основные силовые схемы управляемых выпрямителей Вы знаете? 5. Расскажите о принципе построения реверсивного тиристорного преобразователя с раздельным управлением. 6. Расскажите о принципе построения реверсивного тиристорного преобразователя с совместным управлением. 7. Опишите схему и принцип действия тиристорного управляемого выпрямителя. 8. Расскажите о регулировочных и внешних характеристиках нереверсивных и реверсивных тиристорных преобразователей? 9. Как построена система импульсно-фазового управления? 10. В каком случае применяются широтно-импульсные преобразователи? 11. Назовите основные алгоритмы управления ШИМ. 12. Как устроен усилитель мощности с ШИМ? 13. Где применяются усилители мощности? 14. Какие типы ПЧ вы знаете? 15.Поясните принцип действия ПЧ с непосредственной связью. 16. Поясните принцип действия управляемых инверторов и назовите основные их виды. 3.4. Исполнительные устройства и механизмы [1, 3] Наряду с использованием электромагнитов в качестве переключающих элементов в электрических цепях (реле и контакторы постоянного и переменного токов), их также широко применяют в качестве приводных элементов раз24

личных механических устройств. Создаваемое электромагнитом тяговое усилие позволяет осуществить необходимые изменения в положении того или иного рабочего органа при дистанционном управлении последним. Все подобные устройства относятся к так называемым электрическим ИМ. В общем случае ИМ можно рассматривать как усилитель мощности, преобразующий слабый входной сигнал в выходной, достаточный для перемещения регулирующего органа. Исполнительные механизмы характеризуются механической и тяговой характеристиками. Чаще всего РО являются различного рода дроссельные заслонки, клапаны, вентили, золотники, задвижки, шиберы. Для воздействия на РО может понадобиться либо достаточно ограниченное линейное перемещение или поворот на определенный угол, либо перемещение в весьма широких пределах. С этой точки зрения различают устройства с вращательным движением исполнительного органа в пределах одного оборота; с многооборотным вращательным движением и с прямолинейным движением. Любой из этих механизмов может быть позиционного или пропорционального действия. К первым относятся устройства, в которых РО изменяет свое положение при изменении управляющего воздействия не непрерывно, а переходом (скачком) от одной фиксированной позиции к другой. Таких позиций во всем диапазоне изменения положения РО может быть несколько. Соответственно различают двухпозиционные, трехпозиционные и многопозиционные устройства. Электромагнитные ИМ, как правило, используются только в двухпозиционных устройствах, во всех остальных случаях предпочтение отдается электродвигательным ИМ. Электромагнитные силовые элементы, кроме того, широко используются для сцепления и расцепления вращающихся валов (электромагнитные муфты), а также в роботах в качестве электромеханических манипуляторов, устройств фиксации положения звеньев типа фрикционных тормозов с электромагнитным управлением. В технологических процессах, связанных с потоками жидких и газообразных сред, одним из основных элементов автоматизированных систем управления является арматура с электромагнитным приводом, устанавливаемая на агрегатах, трубопроводах и прочем технологическом оборудовании и позволяющая управлять перераспределением потоков жидкостей и газов посредством электрического сигнала. 25

Общим недостатком электромагнитных вентилей и клапанов следует считать возможность возникновения гидравлических ударов при перекрытии трубопровода с жидкостью из-за мгновенного изменения их состояния, а также конструктивные трудности при необходимости комбинирования с ручным управлением. Одним из возможных ИУ малых перемещений (наряду с широко используемыми, базирующимися на обратном пьезоэффекте или эффекте теплового расширения) могут служить электромагнитные и магнитострикционные устройства. Муфта представляет собой устройство предназначенное для передачи вращения от одного вала (ведущего), непосредственно соединенного с двигателем, к другому валу (ведомому) связанному с исполнительным органом (приводимым механизмом). При необходимости быстрого включения приводимого механизма или его реверса, а также для регулирования или ограничения передаваемого момента используются расцепляющиеся электромагнитные муфты, среди которых, в зависимости от принципа действия различают три типа: фрикционные (с механической связью); ферромагнитные (со связью через ферромагнитный наполнитель); индукционные и гистерезисные (со связью через магнитное поле). Передаточные механизмы (ПМ), обеспечивают передачу движения от двигателя к исполнительному органу, разделяются на ПМ линейных движений и ПМ круговых движений. Наиболее характерными ПМ линейных движений являются винтовые, реечные, тросовые, цепные; ПМ круговых движений зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные, волновые. Тип ПМ выбирают исходя из сложности его конструкции, КПД, люфта, габаритных размеров и массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, долговечности стоимости. Рассмотрим устройство и особенности применения ПК, наиболее распространенных в системах управления движением механизмов. Передаточные механизмы линейных движений. Передача винт-гайка скольжения. Передача служит для преобразования вращательного движения в поступательное, а в отдельных случаях и для преобразования поступательного движения во вращательное. Достоинства передачи: простота конструкции, компактность, высокая надежность, плавность, бесшумность, обеспечение медленных перемещений с большой точностью, большой выигрыш в силе. Недостат26

ки: повышенный износ резьбы вследствие большого трения, низкий КПД, наличие люфтов. Передача винт-гайка качения. Передача предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное и, наоборот, поступательного движения во вращательное. По сравнению с предыдущей передачей она характеризуется значительно большим КПД, меньшим износом, большей точностью хода, повышенной долговечностью. Между рабочими поверхностями гайки и винта передачи помещены стальные шарики. Скорость перемещения шариков отличается от скорости ведущего и ведомого звеньев. Поэтому для обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы соединены возвратным каналом. Дифференциальная винтовая передача. Передача состоит из винта с двумя участками резьбы разных шагов (р1 и р2), но одного направления (правого или левого), гайки и стойки. При вращении винта гайка совершает два поступательных движения: относительно винта и вместе с винтом относительно стойки. Реечная передача. Предназначена для преобразования вращательного движения шестерни в поступательное перемещение (зубчатой) рейки и наоборот. Передаточные механизмы круговых движений. Цилиндрическая и коническая зубчатые передачи. Применяются как двухсторонние передачи, различающиеся направлениями размещения осей шестерен. В одноступенчатом варианте обеспечивают малые значения коэффициентов редукции (до 5...8). Червячная передача. Применяется как силовая передача, обеспечивающая коэффициенты редукции до 300 и более. Обладает свойством самоторможения. Недостатком передачи является невысокое значение КПД. Планетарная передача. Применяется как двухсторонняя зубчатая передача имеющая малые габариты и массу и большие значения коэффициентов редукции. Особенностью передачи является наличие колес с перемещающимися геометрическими осями (сателлитами), которые обкатываются вокруг центрального колеса. Волновая зубчатая передача. Передача состоит из генератора волны (два ролика установленные на водиле), гибкого колеса (тонкостенная цилиндрическая оболочка с нарезанным зубчатым венцом с числом зубьев z1), жесткого 27

фиксированного относительно корпуса колеса, внутри которого нарезан зубчатый венец с числом зубьев z2. При вращении роликов происходит деформация гибкого колеса, сравнимая с размерами зуба, и осуществляется зацепление и передача движения от одного колеса к другому. Вопросы для самопроверки 1. Назовите типовые структуры, состав ИУ. 2. Назовите основные характеристики ИУ. 3. Что такое пассивные и активные элементы, в чем состоит различие между ними? 4. Дайте классификацию элементов по характеру функциональной зависимости между входной и выходной величинами. 5. Как определить коэффициент запаса при срабатывании и отпускании реле? 6. Дайте классификацию режимов работы устройств. 7. Как называются единицы измерения магнитного потока, индукции, индуктивности, напряженности, магнитной проводимости в систем СИ? 8. Чем отличаются начальная, основная и безгистерезисная кривые намагничивания? 9. Что такое кривая возврата? 10. Что такое коэффициент переключения и как он определяется? 11. Как определяются импульсные свойства магнитных сердечников? 12. Изобразите статические характеристики бесконтактных магнитных реле, которые соответствуют характеристикам электромагнитных реле с нормально разомкнутым контактом, а также характеристики двухпозиционного поляризованного реле. 13. Дайте классификацию электромагнитных механизмов по принципу действия. 14. Перечислите основные характеристики электромагнитных механизмов. 15. Как определяется тяговое усилие электромагнитного механизма постоянного тока? 16. Каковы назначение и классификация электромагнитных муфт? 17. Каков порядок расчета фрикционной муфты? 18. Расскажите об ИМ и РО. 3.5. Контрольно-измерительные средства систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами [2, 4] Управление технологическим процессом возможно на основании получаемой информации о его состоянии и ходе. Разнообразие технологических процессов различных отраслей промышленного производства обусловило необходи28

мость получения информации о большом числе технологических параметров. Проведенные в начале 70-х годов Институтом проблем управления исследования по оценке размеров области такой информации позволили создать кадастр величин, подлежащих измерению. Кадастр содержит свыше 2000 измеряемых величин, охватывающих отрасли разработки сырьевых ресурсов, энергетику, производство промышленной, сельскохозяйственной и других видов продукции и товаров. Кадастр – систематизированный свод сведений, составляемый периодически или путем непрерывных наблюдений над соответствующими объектами. Он объединяет физические величины, которые определяют состояние технологических объектов управления различных отраслей. К ним относятся величины пространства и времени, механические, электрические и магнитные, акустические, световые, а также относительные. Кадастр определяет перспективы развития номенклатуры средств измерений - датчиков технологических процессов. Рациональное сокращение номенклатуры технических средств автоматизации и их конструктивных элементов и узлов достигается на основе последовательного применения агрегатных способов построения снизу доверху, начиная от конструирования простейших функциональных блоков и кончая проектированием сложных автоматизированных систем управления. В нашей стране создана единая Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам агрегатирования и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Разработаны научные основы построения ГСП, структуры, принципы совместимости приборов и устройств, разработан комплекс стандартов ГСП, в том числе ГОСТ 12997-84 ГСП. В основу построения и развития ГСП положены следующие системотехнические принципы: возможность сведения многообразия функций автоматического контроля, регулирования и управления к ограниченному числу типовых функций; минимизация номенклатуры технических средств с учетом максимального удовлетворения потребности народного хозяйства на основе создания агрегатных комплексов технических устройств и параметрических рядов приборов; построение технических средств (приборов и устройств) на основе типовых унифицированных блоков и модулей; агрегатное построение 29

сложных систем управления на основе типовых унифицированных приборов и устройств; совместимость приборов и устройств ГСП при работе за счет унификации сигналов связи, используемых для обмена между изделиями ГСП (информационная совместимость), унификации конструкций и присоединительных размеров (конструктивная совместимость), унификации метрологических характеристик средств измерения и обеспечения на этой основе рационального построения измерительных цепей в системах (метрологическая совместимость). Получение информации о состоянии объекта управления обеспечивается в ГСП с помощью разнообразных устройств, которые предназначены для выработки сигнала, несущего измерительную информацию как в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором, так и в форме, пригодной для использования в АСУ ТП. Соответственно измерительные устройства по виду вырабатываемой ими информации делятся на измерительные приборы и измерительные преобразователи (датчики). К измерительным приборам относятся устройства, предназначенные для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. Измерительные преобразователи (ИП) – это устройства, предназначенные для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения сигнала, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя. Различают ИП с естественными и унифицированными выходными сигналами. Измерительные преобразователи с естественными выходными сигналами устройства, в которых осуществляется первичное (обычно однократное) преобразование измеряемой физической величины. Несмотря на большое разнообразие измеряемых величин виды естественных выходных сигналов в ГСП удается ограничить десятью. К ИП с естественным представлением информации относится большая группа устройств - термоэлектрические преобразователи, термометры сопротивления, тензорезисторы, дифференциально-трансформаторные датчики. Такие ИП применяются в локальных устройствах контроля и автоматизации либо при централизованном контроле сравнительно простых объектов. Измерительные преобразователи с унифицированными выходными сигналами имеют на выходе сигналы, предусмотренные соответствующими стандартами; в большинстве случаев применяются унифицированные сигналы. Для преобразования естественных сигналов в унифицированные в ГСП предусмотрены нормирующие 30

преобразователи. Структуры ИП несмотря на разнообразие измеряемых величин в АСУ ТП могут быть сведены к четырем видам. Структура однократного прямого преобразования реализуется в ИП с естественными выходными сигналами, например в термоэлектрических преобразователях, датчиках давления и перепада давления. Если первичное преобразование измеряемой величины не дает удобного для использования сигнала, применяют структуры с несколькими последовательными ИП. Дифференциальная структура в ИП применяется тогда, когда измерение основывается на сопоставлении результатов преобразования измерительной информации, полученной в реальных и в некоторых эталонных условиях. Преимущество этой структуры по сравнению с предыдущими состоит в значительном уменьшении погрешности, обусловленной изменением параметров источника питания и окружающей среды. Наиболее совершенной является структура с отрицательной обратной связью, получившая название компенсационной схемы. Достоинство схемы – компенсация изменений параметров измерительного тракта вследствие того, что выходной сигнал непрерывно сравнивается с измеряемой величиной. Отрицательная обратная связь существенно снижает влияние погрешности звеньев прямого канала на результат преобразования. В современном оборудовании контролю подвергаются: температура в коммутационных аппаратах, узлах электродвигателей, управляемых преобразователей, опорах механизмов; уровни вибраций во всех функционально значимых механических узлах системы; зазоры в механических передачах; усилия и упругие моменты в механизмах; износ технологического оборудования и др. В качестве основных контрольно-измерительных средств применяются датчики, непосредственно воспринимающие изменения контролируемого параметра и преобразующие эти изменения в механические или электрические сигналы. В основном датчики представляют собой единое изделие (собственно датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифицированные сигналы (УС): релейные; непрерывные токовые (0 - 5 мА, 0 - 20 мА) и непрерывные напряжения постоянного тока (0 - 10 мВ, 0 - 50 мВ, 0 - 1 В, 0 - 10 В, 0 – 12 В, 0 – 24 В); непрерывные частотные (1500 - 2500 Гц, 4000 - 8000 Гц); 31

непрерывные напряжения переменного тока 50 Гц (0 – 1 В, 0 – 2 В) и др. Все выше перечисленные электрические сигналы определены стандартами. Датчики оцениваются по таким характеристикам, как точность, линейность и разрешающая способность, частотная характеристика, характеристика шума, входной и выходной импеданс и другим параметрам. По структуре построения в зависимости от способа соединения элементов датчики разделяются на три вида: с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные. Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные группы датчиков. 2. Расскажите о физических принципах действия датчиков. 3. Расскажите о назначении датчиков скорости (частоты вращения), угла поворота, положения (перемещения). 4. Расскажите о средствах измерения температуры и давления. 5. Основное назначение уровнемеров и расходомеров и их основные характеристики? 6. Назовите основные характеристики датчиков скорости (частоты вращения), датчиков угла поворота, положения (перемещения). 7. Назовите основные характеристики датчиков температуры и давления. 8. Назовите основные характеристики оптоволоконных датчиков. 9. Приведите классификацию ИП. 10. В чем заключается принцип построения ИП? 11. Что понимается под интеллектуальным датчиком и ИП? 12. Как организуются измерительные каналы в системах автоматизации и управления? 3.6. Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и командной информации по каналам связи. [1, гл. 1] Комплекс аппаратуры устройств сопряжения с объектом (УСО), укомплектованные различными модулями и размещенными в отдельных субблоках или крейтах, входит в состав нижнего уровня АСУ ТП. Крейт УСО содержит в различных комбинациях модули УСО, которые обеспечивают прием и предварительную обработку входных сигналов, а также выдачу сигналов управления. Модули УСО предназначены для электрофизической стыковки и обеспечения 32

необходимой гальванической изоляции аппаратуры ПТК от датчиков и исполнительных механизмов станции, а также в случае, применения интеллектуальных УСО - для автоматического опроса датчиков и предварительной обработки и оцифровки сигналов. Крейт УСО может быть разделен на две функциональные зоны. В первой зоне могут устанавливаться один или два (в целях резервирования) вторичных источника питания крейта, а во второй – до нескольких модулей УСО, при этом базовый адрес и номер запроса на обслуживания модуля УСО автоматически определяется местом установки модуля. Модули УСО обеспечивают прием сигналов: унифицированные токовые сигналы, от датчиков термосопротивлений, от датчиков термопар, дискретные сигналы, аналоговые сигналы и т.д. Для работы с дискретными сигналами ввода/вывода применяются специальные интеллектуальные модули ввода дискретных сигналов и коммутации, которые обеспечивают не только фиксацию или отработку заданной уставки, но и позволяют реализовывать несложные алгоритмы обработки и регулирования. Необходимо также отметить, что для решения конкретных частных задач практически каждая система автоматизации содержит в составе своего УСО узкоспециализированные функциональные модули. В модуль УСО может быть установлен один или два микроконтроллера в зависимости от схемы резервирования. Наименование модуля УСО складывается из буквенного обозначения типа блока и цифрового кода модификации. В цифровом коде первая цифра обозначает количество интерфейсных каналов связи с технологическим контроллером (может принимать значение 1 или 2); вторая цифра обозначает порядковый номер разработки (может принимать значение от 1 до 9); остальные цифры обозначают номер модификации. Не малую роль при построении законченных систем играет конструктив, используемый в качестве несущей основы или фундамента для всех других аппаратно-программных решений, определяющих структуру УСО. Чрезвычайно важным, с точки зрения обеспечения эффективной работы УСО, является вопрос о рациональном выборе способов и элементов реализации внутренней архитектуры и общей организации крейта. От решения этого вопроса часто зависит производительность, функциональность и надежность работы не только конкретного элемента нижнего уровня, но и всей системы в целом. При этом многое связано с тем, насколько грамотно и эффективно 33

подготовлено программное обеспечение нижнего уровня, т.к. основой любого крейта УСО является микропроцессорная, а часто мультипроцессорная система. Для организации крейтов УСО используются различные конструктивы, при этом необходимо учитывать специфику и стоимость системы автоматизации, для которой они применяются. Все эти конструктивы можно разделить на три группы. Во-первых это старые конструктивы. К ним в основном относятся стойки и крейты стандартов ВИШНЯ, ЧЕРЕШНЯ, КАМАК, ВЕКТОР, а также шкафы и крейты групповых нормализаторов серии ACT. Для подключения линий связи с датчиками или органами управления в подобных конструкциях требуется доработка таких конструктивных элементов, которая заключается в их снабжении нестандартными накладками, содержащими элементы коммутации (разъемы, клеммники, колодки и т.д). Системные и функциональные элементы (платы) УСО размещаются в стандартных конструктивах модулей устаревших стандартов, в соответствии с регламентом и конструкторскими нормами этих стандартов. Во-вторых мы используем субблоки и крейты разработанные такими известными поставщиками конструктивов как BOPLA, ROSE. Основой конфигурации аппаратуры УСО с любой оригинальной структурой, построенной на базе универсального крейта, является плата генпанели, которая регламентирует информационные и управляющие, цифровые, аналоговые и силовые соединения между отдельными модулями, каждый из которых решает одну или несколько локальных задач. Плата генпанели нигде не соединяется с линиями связи первичных преобразователей и органов управления, а также линиями их питания. Она содержит только проводники для передачи нормализованных аналоговых и вторичных цифровых сигналов. Сигналы поступающие непосредственно от датчиков и органов управления подключаются к модулям УСО через специальные платы терминаторов, на которых установлены необходимые электронные компоненты, обеспечивающие согласование сигналов со схемами, расположенными на модулях. Каждый проводник линий связи, поступающий к крейту УСО, закрепляется и фиксируется на терминаторе специальным винтовым зажимом. В настоящее время разработано несколько типов терминаторов, отличающихся как типами конструктивов печатной платы, так и принципиальной 34

схемой. Комбинация теминаторов разных типов позволяет принимать сигналы с различного типа датчиков на различные типы функциональных модулей из набора УСО. Для обеспечения обмена информацией между элементами систем автоматизации используются аппаратно - программные реализации широко известных решений, которые связаны с организацией каналов RS232, "токовая петля" и RS485. Так для организации обмена на малых расстояниях (до 20 м), когда требуется обеспечить связь между одним компьютером и одним крейтом УСО или любым другим прибором, требующим подключения к PC, используется обычный стандартный компьютерный интерфейс RS232, который реализуется благодаря соединению с СОМ - портом. Если же требуется подобное соединение, но необходимо обеспечить гальваническую развязку между компьютером и обслуживаемой аппаратурой, используется интерфейс "токовая петля", модернизированный из того же RS232. Этот же тип интерфейса используется для организации связи точка- точка на расстояниях больших 20м (до 500 м). При организации сложных систем обмена с большим количеством абонентов, оперирующих достаточно большими массивами информации (единицы килобайт), используются средства, построенные на базе интерфейса RS485, с гальваническим разделением или без него. Реализация обмена информацией требует аппаратно - программных решений, которые; поддерживают соответствующий интерфейс и протокол со стороны любого из элементов системы автоматизации. Для организации аппаратной поддержки перечисленных видов интерфейсов со стороны персональных компьютеров, разработаны два вида устройств: платы пассивных интерфейсных адаптеров и интеллектуальные, интерфейсные карты (ИИК). Последние в отличии от первых позволяют разгрузить ресурсы процессора компьютера освободив его, от обслуживания выбранного интерфейса. Со стороны крейтов УСО для поддержки интерфейса используется специальная вспомогательная системная плата. Эта плата выполняет функции интерфейсного адаптера UART- порта, через который основной процессор крейта организует последовательную передачу. Обеспечение функционирования многопроцессорной распределенной системы требует грамотной программной организации сложных информационных потоков между ее элементами. Обычно элементами такой организации являются две составляющие: связной программный драйвер, поставляющий данные от канала связи к программному комплексу верхнего уровня, и фрагмент управляю35

щей программы крейта УСО, реализующий функции обмена информации с устройствами верхнего уровня. Если в составе компьютера используется интеллектуальная интерфейсная карта, то появляется третья составляющая - программа управления процессором самой карты, а функции связного программного драйвера компьютера сокращаются до уровня считывания данных буфера ИИК. При организации программной поддержки обмена информацией в соответствии с интерфейсом точка-точка запрос от последовательного порта происходит по инициативе контроллера крейта УСО. В ходе его обработки драйвер принимает и сохраняет в специальном буфере ОЗУ компьютера массив информации, полученной от крейта. Запрос системного таймера обслуживается драйвером как вспомогательный для обнаружения состояния "Time Out" - отсутствие новых данных от крейта в течении заданного времени, например, 100 мс. Данное состояние передается через пакет верхнего уровня оператору для принятия мер по обнаружению неисправности. Обработка прерывания от последовательного порта включается драйвером в цепочку подпрограмм обработки запроса системного таймера. Если обмен между отдельными элементами системы автоматизации, оперирующий достаточно большими информационными массивами, реализуется посредством подсистемы межуровневой связи, обычно построенной на основе общего канала обмена данными, то он реализуется в соответствии со стандартом RS485. Программное обеспечение (ПО) нижнего уровня крейтов УСО предназначается для управления процессом сбора и первичной обработки информации, поступающей в аналоговом и цифровом виде от функциональных модулей. ПО на нижнем уровне резидентно, т.е. хранится в памяти программ основного модуля микро - ЭВМ крейта и отдельных интеллектуальных функциональных модулей. Его реализация начинается непосредственно после включения питания крейта и/или инициализации микроконтроллера внешним сигналом сброса, что обеспечивает автономное функционирование крейта УСО в целом. Аналоговые преобразователи классифицируются с точки зрения их функциональной принадлежности и делятся на две большие группы: первая выполняет линейные преобразования входного сигнала, вторая – нелинейные. Линейные преобразователи в свою очередь делятся на полностью аналоговые и аналого-дискретные. Особенностью аналого-дискретных преобра36

зователей является то, что входная или выходная величина не является непрерывной, а изменяется дискретно. Полностью аналоговые преобразователи в свою очередь делятся на две группы: статические и динамические преобразователи. В динамических преобразователях выходной сигнал является не только функцией входного сигнала, но и времени. Аналого-дискретные преобразователи выполняют логические операции над аналоговыми сигналами и включают преобразователи аналог – код или код – аналог, время-импульсные преобразователи, коммутаторы аналоговых сигналов. Логические преобразователи делятся на две группы. Первые выполняют операцию сравнения аналогового сигнала с эталонным или двух аналоговых сигналов между собой. Такие преобразователи выполняются на компараторах и используются в устройствах сигнализации, защиты, фиксации достижения сигналом заданного значения. Важными параметрами таких устройств является точность сравнения и быстродействие. Вторая группа выделяет максимальное пли минимальное значения из нескольких входных сигналов. Эти устройства выполняются на операционных усилителях и характеризуются точностью выделения экстремального сигнала и быстродействием. Аналого-кодовые преобразователи делятся на две группы: аналогоцифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП). Существуют разные варианты АЦП, основные из них с преобразованием на параллельных компараторах, с поразрядным уравновешиванием, интегрирующего типа. Первый вид АЦП отличается максимальным быстродействием, но низкой точностью, второй вид имеет меньшее быстродействие, но более высокую точность, третий вид характеризуется максимально высокой точностью, хорошей помехозащищенностью, но низким быстродействием. Вариантов построения ЦАП значительно меньше: они строятся на базе операционных усилителей, аналоговых ключей и декодирующей резистор ной матрицы. Нелинейные преобразователи отличаются значительно меньшим разнообразием и номенклатурой. Наиболее распространенными устройствами этого класса являются преобразователи, выполняющие нелинейные алгебраические операции и реализующие кусочно-линейные функции. Среди преобразователей, выполняющих нелинейные алгебраические операции, можно выделить устройства умножения, деления, возведения в 37

степень, извлечения квадратного корня, логарифмирования. Для формирования кусочно-линейных зависимостей обычно используется комбинация из диодов и операционных усилителей. Наиболее распространенный вид кусочно-линейной зависимости – функция ограничения сигнала по его минимальному и максимальному значениям. Генераторы преобразуют фиксированное постоянное напряжение в переменное напряжение синусоидальной, прямоугольной или другой формы. Средства человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) предназначены для организации участия персонала в управлении технологическим оборудованием, мониторинге систем автоматизации и координации технологических процессов в целом. Появление и широкое использование средств ЧМИ позволило перейти к новому, качественно более высокому уровню организации производственной деятельности. Средства ЧМИ могут эффективно использоваться на любых уровнях систем автоматизации. Как правило, на более высоких уровнях управления используются SCADA-системы. SCADA-системы представляют собой программные приложения, устанавливаемые на персональные компьютеры, или промышленные компьютеры) систем управления предприятием. SCADA - приложения разрабатываются в специальных программных средах и позволяют вести наглядное (визуальное) управление технологическим процессом. Встроенные инструментальные средства (графические редакторы, языки программирования верхнего уровня, встроенные базы данных и т. д.) предоставляют достаточно широкие возможности по обработке информации. Однако следует понимать, что SCADA - система - это лишь компонент системы управления верхнего уровня. Современные SCADA-системы допускают интеграцию с различными программными средами (не обязательно промышленного назначения), что позволяет решать целевые задачи управления производством (управление качеством, производительностью и т. п.). В настоящее время практически все фирмы, занимающиеся выпуском микропроцессорных систем промышленной автоматики, осуществляют поставку инструментальных средств (программных SCADAпакетов) для разработки SCADA-приложений. Основные приемы работа с ними интуитивно понятны и хорошо описаны в соответствующих технических руководствах. На нижних уровнях управления (управление оборудованием), как правило, применяются более простые по своим возможностям средства ЧМИ. Одна38

ко к ним предъявляются более высокие требования по исполнению, ориентированные на использование непосредственно в производственных помещениях. Наиболее широкое распространение здесь получили программируемые терминалы. Интерфейсы приборов (или приборные интерфейсы) предназначены для построения различных систем и комплексов: информационной измерительной системы (ИИС), измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), управляющего вычислительного комплекса (УВК) и т. п., использующих в основном программируемые приборы и устройства. Практически все изготовители минии микроЭВМ, в том числе ПЭВМ, выпускают контроллеры различных типов для приборных интерфейсов. Приборные интерфейсы разработаны фирмой HP (Hewllett-Packard), а затем доработаны IEEE, МЭК, СЭВ и Госстандартом до соответствующих стандартов и их проектов. Основные особенности приборных интерфейсов: отсутствие ограничений на конструктивную реализацию, способы построения устройств и объединения их в систему; определение только пассивной магистрали, по которой осуществляется обмен информацией; размещение всех активных цепей, обеспечивающих обмен по магистрали, на печатных платах. В приборных интерфейсах нормализованы: логическая организация, электрические сигналы, разъемы и терминология. Логический стандарт нормализует все функции сигналов, их временные зависимости и расположение на контактах, разъемов. Стандарт устанавливает все основные требования к обмену информацией; предусматривает бит - параллельный, байт - последовательный асинхронный способ обмена информацией на расстояние не более 20 м при произвольном распределении участков кабеля между устройствами, число которых не должно превышать 15. При определенных конфигурациях интерфейсных систем и режимах работы скорость передачи данных может достигать 1 Мбайт/с. Использование различных функциональных классов периферийных устройств (ПУ), отличающихся физическими принципами работы, быстродействием, уровнями сигналов, обусловило унификацию интерфейсов ПУ соответствующих функциональных классов, часто называемых специализированными (устройство зависимыми) или малыми интерфейсами. 39

Требование минимизации числа типов контроллеров, ПУ, устройств ввода-вывода (УВВ) и внешних запоминающих устройств (ВЗУ) различных типов обусловило дальнейшую унификацию малых интерфейсов и стандартизацию и/или применение универсальных, не зависимых от типа ПУ, интерфейсов различного функционального назначения и быстродействия. В настоящее время стандартизируются интерфейсы программируемых ПУ и подсистем ввода-вывода, имеющих достаточно высокие уровни архитектуры. В соответствии с рекомендациями подкомитета МОС/ТК97/ПК13 интерфейсы ПУ классифицируются на две большие категории: двухточечного (радиального) и многоточечного (магистрального) подключения. В свою очередь, интерфейсы радиального и магистрального подключения разделяются на группы локального и удаленного последовательного и параллельного подключения. Для обеспечения одинаковой реализации большого числа ПУ различных функциональных групп в мини- и микроЭВМ, ПЭВМ широко используются базовые интерфейсы радиального двухточечного и магистрального многоточечного сопряжения устройств с параллельным и последовательным способами передачи данных. Локальное и дистанционное подключение устройств общего назначения малого быстродействия осуществляется интерфейсами типа CL и ИРПС, минимального варианта – интерфейсом RS-232C (режим ″нуль-модема″), а среднего быстродействия – интерфейсами типа RS-422, RS-423 и RS-485. Вопросы для самопроверки 1. Назовите назначение устройства связи с объектом управления и их основные типы. 2. В чем заключается принцип организации устройства связи с объектом управления? 3. Назовите основное назначение цифровых средств обработки информации в системах автоматизации и управления. 4. Расскажите принцип работы цифро-аналогового преобразователя. 5. Расскажите принцип работы аналого-цифрового преобразователя. 6. Назовите назначение устройств ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов? 7. Приведите основные характеристики устройств ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов. 8. Для чего предназначены устройства гальванической развязки? 40

9. Назовите основные характеристики интерфейсов систем автоматизации и управления. 10. Какое назначение системных интерфейсов? 11. Какое назначение интерфейсов персональных компьютеров типа IBM PC? 12. Какое назначение приборных интерфейсов? 13. Назовите основные характеристики системных интерфейсов, интерфейсов персональных компьютеров типа IBM PC и приборных интерфейсов. 14. Назовите основные характеристики интерфейсов устройств ввода/вывода (периферийных устройств). 15. Расскажите принцип работы последовательного интерфейса. 16. Расскажите принцип работы параллельного интерфейса. 3.7. Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий [3, 10] Проникновение ПК во все сферы современной жизни повлекло за собой и постепенное стирание различий между бытовым и промышленным программным обеспечением. Сегодня ПК решают не только все задачи управления верхнего уровня иерархии, но и заняли прочное место в реализации некоторых подсистем управления производством (например, подсистемы визуализации и обслуживания). В настоящее время ПК начинают активно использоваться в управлении технологическими процессами. Подобные тенденции объясняются возросшей необходимостью снижения себестоимости производства; реализация же систем автоматизированного управления на базе ПК позволяет сэкономить немалые денежные средства. Однако выбор между гибко программируемым контроллером и ПК зависит не только от технических характеристик оборудования или граничных условий решаемой задачи. Основную роль в таком выборе играют личные предпочтения и опыт пользователей. Поэтому особое внимание производители средств автоматизации уделяют полноте спектра предлагаемых ими систем, что способствует абсолютной свободе выбора потребителя при принятии им решения в пользу того или иного оборудования. Невозможно дать общие рекомендации о том, в каких случаях нужно применять гибко программируемые контроллеры, а в каких – отдать предпочтение решению на базе ПК. Несмотря на существование таких критериев, как стоимость системы, возможность ее работы в реальном режиме времени, надежность, вычислительная 41

мощность или сложность сервисного обслуживания, их применение зависит от конкретной постановки задачи, особенностей приложения и требований пользователей. Наиболее важную роль играют работоспособность системы в реальном режиме времени и ее надежность – качества, которыми до сих пор решения на базе ПК не обладали, но без которых система управления технологическим процессом просто немыслима. ПК абсолютно не рассчитан на то, чтобы реагировать на какие-либо события в управляемом процессе в течение предопределенных промежутков времени, – это является его основным недостатком. При работе ПК возможна ситуация, когда операционная система или части пользовательских приложений блокируют центральный процессор на достаточно продолжительные промежутки времени (так, например, обработка прерывания может исключить на некоторое время обработку последующих прерываний). Такое поведение системы не приемлемо для технологических процессов, требующих строго определенного времени реакции. Гибко программируемые контроллеры, напротив, работают именно таким образом, что следующие друг за другом алгоритмические шаги и процедуры исполняются за строго определенное время. Такая концепция позволяет легко оценить или, соответственно, измерить максимальное время реакции системы управления. Превышение времени цикла исполнения программы управления (максимальное время реакции системы) является одним из самых важных событий, на которые контроллер должен непременно реагировать. Конечно, ПК также можно сделать способным работать в реальном режиме времени. Выбор подходящей операционной системы и грамотное написание программного обеспечения позволят и при использовании персональных компьютеров достичь гарантированного времени исполнения программного цикла и обработки прерываний. Однако эти преимущества имеют и некоторые недостатки: чем больше функций работы в реальном режиме времени будет встроено в персональный компьютер, тем дальше это конкретное решение будет отстоять от общепринятых стандартов и таких связанных с ними качеств, как открытость и совместимость с другими системами. Возможность работы системы в реальном режиме времени является не единственным фактором при выборе между гибко программируемыми контроллерами и ПК. Такие критерии, как возможность подключения системы к 42

информационной сети, функции обработки данных и визуализации, качество графического интерфейса, играют также важную роль. В тех случаях, когда дополнительные функции начинают существенно превалировать над чистыми функциями управления и требуется использование всего спектра возможностей ПК, предпочтительно применение программных решений на базе персональных компьютеров Если решаемая задача управления требует полноценной работы в режиме реального времени (это значит, что система при всех обстоятельствах в 100 % случаев будет реагировать на все события в управляемом процессе в строго определенные промежутки времени), без использования гибко программируемых контроллеров трудно обойтись. Замена решений на базе малых программируемых контроллеров на системы, выполненные на базе ПК, в настоящий момент невыгодна с точки зрения цены. Однако в тех случаях, когда нарушение строгих временных рамок допустимо, применение открытых систем на базе персональных компьютеров не представляет никакой сложности. Для обеспечения абсолютной предсказуемости времени реакции операционная система должна быть соответствующим образом расширена. Подобные расширения всегда специфичны для определенных производителей, поскольку в настоящий момент на международном рынке не существует общепризнанных стандартов операционных систем (или расширений операционных систем) реального времени. Эта необходимость создания нестандартных расширений влечет за собой потерю самого главного преимущества решений на базе ПК – их открытости, а решение становится зависимым от конкретного производителя, осложняется последующий переход на новую версию операционной системы. Контроллеры могут иметь разные конструкции, но всегда предусматривается возможность варьирования их конфигурации за счет устройств расширения и периферийных модулей. Основой контроллера является центральный блок, содержащий центральный процессор и блок питания. В зависимости от задач автоматизации на системную шину контроллера могут монтироваться различные периферийные модули: цифровых и аналоговых вводов/выводов, предварительной обработки сигналов, коммуникационных процессоров. Предусматривается возможность варьирования разных типов центральных процессоров, блоков питания, периферийных модулей. Для объектов, требующих повышенной надежности работы, используются контроллеры, состоящие из двух43

трех центральных блоков с процессорами резервного действия. Программа пользователя составляется для таких контроллеров, как и в обычном варианте. Модули интеллектуальной периферии решают специальные задачи пользователя по измерению, оценке, регулированию, стабилизации, позиционированию и др. Они интеллектуальны, так как обладают собственными процессорами и решают самостоятельно в реальном времени специализированные задачи управления. Их периферийность определяется тем, что с управляемым процессом они непосредственно связаны через собственные вводы/выводы. За счет этого центральный процессор не перегружается и за необходимое время выполняет собственные задачи. Фирма ″Siemens″ в рамках семейства средств автоматизации SIMATIC Totally Integrated Automation предлагает новые системы SIMATIC WinAC (Automation Center), которые позволяют решить все перечисленные проблемы. Тем не менее, уже в настоящее время промышленные компьютеры наряду с программируемыми контроллерами активно используются в управлении технологическими агрегатами и комплексами. И эта тенденция в дальнейшем будет усиливаться. Вопросы для самопроверки 1. Основное назначение и характеристики универсальных ЭВМ? 2. Основное назначение и характеристики специализированных ЭВМ? 3. Основное назначение и характеристики вычислительных комплексов? 4. Основное назначение и характеристики управляющих ЭВМ? 5. Основное назначение и характеристики УВК? 6. Основное назначение и характеристики промышленных компьютеров и программируемых логических контроллеров? 7. Раскройте структуру программируемых контроллеров. 8. Расскажите о принципах выбора промышленных компьютеров и программируемых логических контроллеров. 9. Дайте характеристику программируемым модульным контроллерам. 10. Приведите классификацию модулей ввода/вывода программируемых контроллеров. 11. Основное назначение и характеристики рабочих станций? 12. Основное назначение и характеристики микро-ЭВМ и микроконтроллеров? 44

3.8. Промышленные информационные сети в системах автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами [3, 8] Средства коммуникаций обеспечивают создание сетей для обмена данными между различными компьютерными средствами автоматизации. К ним относятся модули коммуникационных процессоров для соединения контроллеров ″точка–точка″ и для адаптеров магистральных интерфейсов связи, коаксиальные и оптоволоконные кабели, повторители, интерфейсные мультиплексоры и др. Структура информационных сетей может быть магистральной (линейной), радиальной (типа ″звезда″), кольцевой и древовидной. При создании систем отдают предпочтение магистральным структурам, которые по сравнению с другими структурами имеют меньшие затраты при прокладке кабелей, легко расширяются и позволяют осуществлять непосредственную коммуникационную связь от абонента к абоненту через единственную линию передачи данных. Как правило, сети делаются открытыми для интегрирования компьютерных средств автоматизации различных производителей. С этой целью выпускаются мосты и межсетевые преобразователи для связи локальных сетей и интерфейсов. Из разнообразных типов средств коммуникации можно создавать сети, оптимально приспособленные к топологии технологического комплекса и обеспечивающие требуемые объемы и скорости передачи информации. Для связи агрегатов в технологическом комплексе, а также для единого управления комплексами на производстве, применяются локальные промышленные сети. В настоящее время в промышленности применяется большое количество сетей. Наиболее известными и часто используемыми являются сети: Industrial Ethernet, ETHWAY, MAPWAY, PROFIBUS, MODBUS, MODBUS PLUS, FIPIO, UNI-TELWEY, FIPWAY, MASTERBUS. Промышленные сети, как правило, имеют трехуровневую структуру построения. На нижнем уровне обеспечивается взаимодействие между агрегатами (их подключение и обмен информацией между ними), что дает возможность: 1) экономии модулей входов/выходов; 2) простого и быстрого монтажа; 3) электропитания датчиков и исполнительных механизмов через коммуникационные линии; 4) функции самотестирования и параметрирования; 5) высокую помехозащищенность и др. На этом уровне соединяются датчики и исполнительные механизмы с системой автоматизированного управления. Максимальная длина 45

соединительной линии примерно 100 м без повторителей и около 300 м с повторителями. Средний уровень предназначен для координации работы всех агрегатов, входящих в технологический комплекс, для получения информации от каждого из них, визуализации режимов работы комплекса. Протяженность сети может быть от 1200 м до 100 км в зависимости от физической среды передачи данных и применения повторителей. Верхний уровень (административный уровень) предназначен для связи с системой управления производством. Основные требования, предъявляемые к промышленным сетям: • выполнение разнообразных функций по передаче данных, включая пересылку файлов, поддержку терминалов, обмен с внешними запоминающими устройствами, обработку сообщений, доступ к файлам и базам данных, передачу речевых сообщений; • подключение большого набора стандартных и специальных устройств, в том числе оборудования контроля и управления и др.; • подключение как современных и перспективных, так и ранее разработанных устройств с различными программными средствами, архитектурой, принципами работы; • доставка с высокой достоверностью информации адресату; • обеспечение непосредственной взаимосвязи между подключенными устройствами без промежуточного накопления и хранения информации; • простота монтажа, модификации и расширения сети; подключение новых устройств и отключение прежних без нарушения работы сети длительностью более 1 с. Требования к взаимодействию устройств в сети: • возможность для каждого устройства связываться и взаимодействовать с любым другим устройством; • обеспечение равноправного доступа к физической среде для всех пользователей; • возможность адресации пакетов информации одному устройству, группе устройств, всем подключенным устройствам. Информационные требования:

46

• должны быть обеспечены ″прозрачный″ режим обслуживания, а также возможность приема, передачи и обработки любых сочетаний битов, слов и символов; • пропускная способность сети не должна существенно снижаться при достижении полной загрузки. Требования к надежности и достоверности: • отказ или отключение питания подключенного устройства должны вызывать только переходную ошибку; • средства обнаружения ошибок должны выявлять все пакеты, содержащие до четырех искаженных битов. Если же достоверность передачи достаточно высока, сеть не должна сама исправлять обнаруженные ошибки: функции анализа, принятия решения и исправления ошибки должны выполняться подключенными устройствами. Предъявленные требования обусловливают основные особенности промышленных сетей: возможность размещения их на сравнительно небольшой территории; наличие высокоскоростного общего канала (физической среды); отсутствие применения средств и методов сетей общего пользования и без накладывания ограничений на эти сети; соединение в сетях самых разнообразных и независимых устройств (термин ″высокоскоростной канал″ имеет условный характер, поскольку скорость передачи оценивается только по отношению к подключенным устройствам). Основным сетевым средством любой сети является интеллектуальный коммуникационный процессор, позволяющий подключать персональные компьютеры, программируемые контроллеры, программаторы и другие устройства и осуществляют их взаимодействие с системой управления. Основными характеристиками коммуникационного процессора являются: тип монтажной шины (слота), скорость передачи данных, количество соединений и потребление тока. Коммуникационные процессоры выпускаются с монтажными слотами следующих типов: ISA, PCMCIA, PCI. Скорость передачи данных у коммуникационных процессоров колеблется от 9,6 Кбит/с до 12 Мбит/с сетей среднего уровня и от 10 – 100 Мбит/с сетей верхнего уровня. Для подключения к сети активных и пассивных оконечных устройств применяются: шинные терминалы RS485; шинные штекеры; трансиверы и другие специальные модули (например, Optical Bus Terminal для подключения устройств к оптической сети). 47

Технологические комплексы могут использовать несколько децентрализованных систем управления, связанных друг с другом мощной информационной сетью. В этом случае для их совместной работы применяют коммутаторы или маршрутизаторы. На нижнем уровне для подключения датчиков и исполнительных механизмов используют различные модули. Целый модуль состоит из верхней части (пользовательский модуль) и нижней части (монтажный модуль). Обе эти части имеют различные исполнения. Для монтажных модулей возможна либо инсталляция на профильную планку, либо крепеж с помощью винтового соединения. Пользовательские модули по своим функциям соответствуют обычным модулям входов/выходов. Для передачи информации на большие расстояния применяют повторители, позволяющие конфигурировать сети состоящие из нескольких сегментов. Физическая среда сетей представляет собой физический материал, по которому передается информация. В качестве такого материала могут использоваться различные виды кабелей (типа ″витая пара″, коаксиальные, многожильные, волоконно-оптические), а также эфир (радиоканалы, УКВ-каналы, инфракрасные каналы). Кабель состоит из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию. Кроме этого, для обеспечения быстрой перекоммутации кабелей и оборудования используются различные электромеханические устройства, называемые кроссовыми секциями, кроссовыми коробками или шкафами. В сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей. Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие: - Американский стандарт EIA/TIA-568A. - Международный стандарт ISO/IEC 11801. - Европейский стандарт EN50173. В кабеле ″витая пара″ обычно используются несколько пар изолированных проводов, обвитых вокруг друг друга. Взаимная обвивка обеспечивает защиту от собственных и внешних наводок. Кабель с витой парой бывает двух типов: неэкранированным и экранированным. Стандарт EIA/TIA 568A Com48

mercial Building Wiring Standard определил семь категорий кабелей на неэкранированной витой паре (Unshielded Twisted Pair, UTP1…UTP7). Наиболее современным является кабель UTP 5. Он способен работать со скоростью 100 Мбит/с и его волновое сопротивление должно составлять 100 Ом в диапазоне частот от 1 МГц до предельной. Для кабеля UTP 5 установлено минимальное число взаимных скручиваний на единицу длины (примерно, 26 на 1 м). Его основными недостатками являются: взаимное наложение сигналов между смежными проводами, чувствительность к внешним электромагнитным полям, большая степень затухания сигнала по пути, чем у кабелей других типов. Кабели категорий 6 и 7 промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Все кабели UTP выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки, представляющие 8-контактные разъемы. Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP) отличается тем, что содержит электрически заземляемую медную оплетку или алюминиевую фольгу. Существуют кабели, как с общим экраном, так и с экраном вокруг каждой пары. Экран обеспечивает защиту от всех внешних электромагнитных полей. Однако по скорости передачи данных и по ограничениям, накладываемым на максимальное расстояние, такие кабели идентичны кабелям без экранирования. Коаксиальные кабели (RG-8, RG-11, RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58 C/U, RG-59) способны передавать данные со скоростью 10 Мбит/с на расстояние до 500 м. Минимальное расстояние между точками подключения не должно быть меньше 2.5 м. Они имеют волновое сопротивление 50 Ом или 75 Ом. Оптоволоконный кабель состоит из свободно уложенных или определенным образом скрученных волоконных световодов и защитного покрытия. Передача данных производится при помощи лазерного или светодиодного передатчика, который генерирует световые импульсы, проходящие через световоды. Перед тем как попасть в световод, сигнал от передатчика (излучателя) проходит через оптическое согласующее устройство и через оптический разъемный соединитель (коннектор). На принимающем конце сигнал воспринимается фотодиодом, который преобразует его в электрический ток. Оптоволоконный кабель 49

обладает рядом преимуществ. К ним можно отнести: 1) малое затухание и независимость затухания от частоты передаваемого сигнала; 2) высокую степень защиты от внешних электромагнитных полей; 3) исключение несанкционированного доступа к данным. В зависимости от условий распространения световой волны в центральном световоде оптические кабели делятся на одномодовые (single mode - SM) и многомодовые (multi mode - MM). Максимальная длина кабеля (412 м) определяется временными параметрами. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания - от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод. Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм). Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC. Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля. Для работы промышленной сети используется программное обеспечение позволяющее: 1) реализовывать связь между собой активных аппаратных устройств, входящих в сеть любого уровня; 2) производить обмен данными в сети; 3) реализовать различные режимы передачи данных по сети; 4) реализовывать функции удаленного программирования контроллеров по сети; 5) реализовать функции диагностики и др. Материальным носителем информации является сигнал, который помимо информации несет также некоторую энергию, полученную от источника информации. Эта энергия воздействует на приемник. Сигналы носителей внешней (априорной и исходной) информации должны передавать сведения о задачах и целях управления. Сигналы текущей информации, вырабатываемые датчиками, должны обеспечивать необходимую простоту и высокую достоверность преобразования технологического параметра в сигнал. Может оказаться, что природа или па50

раметры полученного сигнала непригодны для того, чтобы передавать его по каналам информации. В этом случае необходимо осуществить преобразование сигнала. При всех преобразованиях сигналов смысл сообщения, полученного при считывании с датчиков и поступающего к управляющему устройству, не должен претерпевать изменений. В преобразовании сигналов можно выделить два аспекта: преобразование природы, формы и параметров сигнала (модуляция, квантование и пр.); установление однозначного соответствия между отдельными видами сигналов и состояниями управляемого и контролируемого параметров (кодирование: состояние – сигнал; перекодирование: сигнал-сигнал; декодирование: сигнал-состояние). Кодирование сигналов служит для обмена информацией между отдельными составляющими АСУ ТП, ее обработки и хранения с требуемой точностью и надежностью. Кодирование состоит в использовании кода – универсального способа отображения информации при ее передаче, обработке и хранении. Код представляет собой систему соответствий между элементами сообщений и сигналами, при помощи которых эти элементы можно зафиксировать. В АСУ ТП применяются два способа передачи сообщений: параллельным кодом – все символы одного слова передаются одновременно по каналам, число которых соответствует длине слова; последовательным кодом – символы одного слова передаются друг за другом по одному каналу. Выбор кодов определяется спецификой восприятия и преобразования информации, характерной для данного уровня АСУ ТП и ее составляющих. Основными требованиями, которые выдвигаются при выборе способа кодирования, являются: экономичность отображения информации, простота технической реализации устройств кодирования, удобство выполнения вычислительных операций и надежность передачи сообщений. Кодовые слова могут иметь одинаковую или различную длину. В соответствии с этим код называется равномерным или неравномерным. Равномерные коды получили наибольшее распространение в системах обработки и передачи информации. Неравномерные коды применяются в системах, учитывающих статистические свойства сообщений и связывающих длину сообщений с частотой их передачи. Представление числовой информации в ПК выполняется при помощи двоичного позиционного кода с естественным распределением весов разрядов. В соответствии с требованием простоты алгоритмов выполнения арифметических 51

операций с учетом знака и ограниченности разрядной сетки ПК для представления относительных чисел применяют специальные коды: прямой, обратный и дополнительный. Во всех этих кодах введен специальный знаковый разряд. В ряде устройств АСУ ТП (связь с оператором, вывод информации для индикации и числового программного управления) нашли применение двоично-десятичные коды. В этих кодах каждая десятичная цифра представляется четырьмя двоичными (тетрадой). Применение нашли несколько систем кодирования десятичных цифр двоичными тетрадами. Применяют также двоично-десятичные коды, в которых каждая десятичная цифра кодируется пятью и более двоичными. Избыточность таких кодов можно использовать для контроля и коррекции передачи и обработки данных. Кроме позиционных систем представления информации существуют также непозиционные системы. Из них наибольшее распространение получил код Грея, в котором комбинации, представляющие соседние по значению числа, отличаются лишь в одном разряде. Вопросы для самопроверки 1. Какое назначение промышленных информационных сетей? 2. Приведите классификацию промышленных информационных сетей. 3. Что входит в эталонную модель архитектуры открытых систем? 4. Какие топологии промышленных информационных сетей Вы знаете? 5. Назовите основные характеристики промышленных информационных сетей. 6. Что понимается под моноканалом? 7. Назовите технические средства и методы управления доступом к моноканалам. 8. Какие модули связи применяются при организации сети в системах автоматизации? 9. Как и какие параметры устанавливаются у встроенных модулей связи? 10. Что такое коммуникационный протокол? 11. Какие сетевые адаптеры применяются при организации сети в системах автоматизации? 12. Какие существуют методы кодирования информации в промышленных информационных сетях? 13. Какие существуют виды и формы сигналов? 14. Как определяется пропускная способность канала связи без помех? 52

3.9. Программное обеспечение систем автоматизации и управления [3, 10] Основные требования к программному обеспечению систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами следующие: • надежность программного обеспечения. В конечном счете, многие новации последнего времени (типа структурного программирования, объектноориентированных языков, CASE-технологий) появились в результате стремления писать все более сложные программы с меньшим количеством ошибок; • быстрое реагирование на какие-либо внешние события или изменения в параметрах управляемых процессов. Системы, работающие в соответствии со вторым требованием, часто называют системами реального времени. Разумеется, понятие ″быстрый″ является относительным. Типовое время реагирования на внешние воздействия, необходимое современным индустриальным системам, составляет десятки микросекунд. В то же время существует много задач, где инерционность протекающих процессов позволяет реагировать с задержкой в десятки, а то и в сотни миллисекунд. В этом случае часто применяется понятие ″мягкое реальное время″; • многозадачность. Это требование проистекает из подчас чрезвычайно сложной и многоуровневой природы управляемых процессов, когда необходимо одновременно реализовать сложные алгоритмы управления различными аспектами или частями реального объекта. Каждая задача выполняет свою долю работы по управлению объектом, и все они делят между собой ресурсы вычислительной системы в зависимости от своего приоритета и от внешних и внутренних событий, связанных с конкретной задачей. Существует целый ряд алгоритмов распределения ресурсов между задачами. Другим тесно связанным с многозадачностью понятием является многопоточность. Хотя терминология здесь не совсем устоялась, под многопоточностью, как правило, понимают возможность выполнения в рамках одной задачи нескольких независимых процессов (потоков команд), которые, в отличие от задач, пользуются общими участками кода и данных; • обеспечение одновременного независимого обслуживания нескольких пользователей; • поддержание обмена информацией между отдельными агрегатами и системами технологического комплекса, а также совместное использование всех ресурсов распределенной системы управления; 53

• защита информации от несанкционированного доступа. Названным требованиям должны удовлетворять все уровни программного обеспечения системы, которое условно можно разделить на три уровня: 1) базовая система ввода/вывода (BIOS); 2) операционная система и драйверы (ОС); 3) собственно прикладные программы. BIOS осуществляет непосредственный интерфейс между аппаратурой и программным обеспечением. Ведущие фирмы-поставщики BIOS ориентируются в основном на рынок офисных компьютеров и не применяют специальных мер для обеспечения требований индустриальных приложений. Основная опасность при обращении к BIOS – это возможность запрета прерываний на достаточно долгое время, в результате чего может быть пропущена важная информация от быстродействующих датчиков или телекоммуникационных устройств. Вот почему, с одной стороны, есть фирмы, предлагающие BIOS, ориентированные на приложения ″жесткого″ реального времени, а с другой – многие операционные системы минимизируют взаимодействие с BIOS или не обращаются к ней вообще. Операционная система выполняет базовые функции по интерфейсу с оператором, запуску программ, распределению памяти, поддержке файловой системы и т. п. Создатель системы автоматизации, как правило, встает перед выбором: или использовать многозадачное ядро реального времени, работающее над DOS, или перейти на другую операционную систему. В первом случае используются самодельные или коммерчески распространяемые библиотеки программ, реализующие функции многозадачной ОС, например C-TASK или RTKernel. Во втором случае открывается богатый выбор операционных систем, разработанных специально для применения в системах ″жесткого″ реального времени. Эти ОС часто так и называют операционными системами реального времени. На рынке существует несколько десятков операционных систем реального времени. В основном используются такие ОС, как QNX, OS-9000, VxWorks, iRMX, VRTX, Nucleus и другие. При проектировании ОС реального времени все чаще применяется идеология микроядра, которая увеличивает надежность программного обеспечения и позволяет использовать только те компоненты операционной системы, которые необходимы в каждом конкретном случае. Так, например, микроядро одной из самых распространенных операционных систем QNX имеет размер ме54

нее 10 Кбайт. Модуль, ответственный за файловую систему, в частности, запускается, как одна из задач и может быть легко удален. Все драйверы также функционируют как независимые задачи. Немного особняком стоит программное обеспечение, предназначенное для эксплуатации на верхнем уровне систем автоматизации, например, на станциях оператора комплексами, пультах управления агрегатами и т. д. Главными функциями таких SCADA-программ (Supervisor Control And Data Acquisition) являются: отображение технологического процесса в виде мнемосхем, сигнализация об аварийных ситуациях, ведение системного журнала, обеспечение общего управления процессом со стороны оператора. Многие системные интеграторы или подразделения АСУ крупных предприятий, как привило, имеют свои наработки в этой области. В то же время есть фирмы, специализирующиеся на разработке универсальных SCADA-программ, таких как Genesis (Iconics), FixDmacs (Intellution), InTouch (Wonderware). Из отечественных разработок можно отметить программу Trace Mode (Adascra Research Group). В последнее время получает распространение программное обеспечение класса MES (Manufacturing Execution Systems), основной задачей которого является оптимизация управления производством в целом, включая планирование запасов комплектующих, расписание технологических процессов и т. д. Системы MES, с одной стороны, взаимодействуют с системами SCADA, образуя единую систему управления производством, с другой – они часто интегрируются в систему планирования и управления предприятием в целом. При выборе технических средств автоматизации одним из основных критериев является наличие программных средств, позволяющих эффективно реализовать прикладные задачи пользователя. Причем под эффективностью понимаются, прежде всего скорость разработки этих задач и наличие готовых решений для стандартных функций контроля и управления. В результате такие устройства, как, например, MicroPC, более популярны среди обладающих квалифицированными кадрами системных интеграторов или производителей комплексного оборудования, чем среди представителей автоматизируемых предприятий. Конечно, нельзя сказать, что до сих пор проблема не была решена совсем. Так, существует ряд западных пакетов (ISaGRAF и др.), практически реализующих международный стандарт на языки для программируемых контроллеров (lEC 1131-3). 55

Необходимость сочетания непрерывного и дискретного управлений на большинстве объектов химии, нефтехимии, металлургии, энергетики и других отраслей обусловила поиск универсального технологического языка. В первых свободно программируемых контроллерах применялся Assembler, затем стали применять языки высокого уровня (С, Pasсal). Принцип адаптации универсальных языков программирования был прост: в язык вводились новые типы переменных – ″входы″ и ″выходы″ контроллера, а также создавалась некоторая библиотека подпрограмм, реализующих наиболее часто встречающиеся алгоритмы. Программирование упростилось, но все еще оставалось сложным для пользователя. И тогда был сделан следующий шаг – создание на базе распространенных языков программирования процедурного типа специализированных технологических языков, ориентированных именно на конечного пользователя на объекте. В международном стандарте такой технологический язык получил название ″структурированный текст″. Основным отличием текстовых технологических языков от универсальных стало, во-первых, резкое упрощение синтаксиса и семантики (сокращение числа типов операторов, сложности выражений и т. п.) и, во-вторых, введение в язык специальных технологических понятий, реализующих типовые функции контроля и управления. Для создания прикладных программ на практике используется стандарт Международной электротехнической комиссии IEC-1131. Стандарт IEC-1131 явился квинтэссенцией опыта стран в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов. Стандарт специфицирует пять языков программирования: • Sequential Function Chart (SFC) – язык последовательных функциональных блоков; • Function Block Diagram (FBD) – язык функциональных блоковых диаграмм; • Ladder Diagrams (LD) – язык релейных диаграмм; • Structured Text (ST) – язык структурированного текста; • Instruction List (IL) – язык инструкций. Языки ST и IL вобрали в себя наиболее общие операторы языков типа Pasсal и Assembler и обеспечивают совместимость стандарта с ранними версиями программного обеспечения производителей контроллеров. Язык LD похож на электросхемы релейной логики. Язык SFC позволяет осуществлять программирование на алгоритмическом уровне, но предполагает конечную реали56

зацию программы на других языках. Язык функциональных блоковых диаграмм FBD вышел из рамок ограничений языка релейных схем и по существу решил все проблемы, связанные с использованием лингвистических языков в управлении технологическими процессами. Этот язык служит для построения и детального описания алгоритмов управления технологическим процессом. Он предоставляет пользователю возможность естественным для инженера образом построить любую сложную процедуру, состоящую из библиотечных блоков. В качестве библиотечных блоков используются как элементарные функции, так и алгоритмы П-, ПИ- , ПИД-регулирования, фильтрация сигналов, стабилизация заданных параметров. Набор из математических и функциональных статистических блоков позволяет довольно просто организовать необходимые вычисления и обработку сигналов. Кроме этого имеются программы-драйверы, решающие задачу сопряжения контроллеров со стандартной периферией, с другими контроллерами и компьютерными средствами автоматизации в коммуникационной сети. В функциональные блоки входят программные пакеты, реализующие типовые функции, например: 1) арифметические, тригонометрические, логарифмические, показательные, обработки логических цепей, преобразования массивов данных и др.; 2) регулирования электромагнитных, механических и технологических переменных; реализации стабилизирующего, следящего, каскадного, модального и адаптивного управления; коррекции и компенсации нелинейностей, сглаживания; реализации непрерывных, шаговых и импульсных регуляторов; 3) наблюдения, отображения и обслуживания для локальных и центральных систем; выдачи важных соотношений и сообщении об ошибках; группирования сообщений и отображения обобщенных сообщений; включения прерывистой и непрерывной световой и звуковой сигнализации; 4) предварительной обработки сигналов в виде подготовки данных, обработки сообщений и прерываний, счета, дозирования, измерения скорости, пути, температуры и др.; 5) служебные – для обмена данными между центральным процессором контроллера и модулями коммутационного процессора; предварительной обработки сигналов и памяти; 6) имитации объекта управления и обработки алгоритмов управления. Для визуализации и обслуживания существующих систем технологиче57

ского управления различные фирмы разработали специализированные пакеты. В частности, фирмой ″Siemens″ разработаны следующие программные продукты: Control Center (применяется для быстрого обзора всех данных проекта и глобальных установок); Graphics Designer (применяется для создания мнемосхем и динамических графических объектов изображений процесса); Alarm Logging (применяется для сбора и архивации событий в системе, а также обработки рецептур, согласно DIN 19235). Все поступающие сообщения визуализируются, и могут генерировать звуковые сигналы тревоги, а также квитироваться в зависимости от степени их важности по отдельности или целыми группами. С помощью Tag Logging сохраняются текущие и архивированные измеряемые величины. Arcluv применяется для хранения пользовательских данных в форме записей со свободно-параметрируемой структурой. Report Designer используется для управляемой событиями в системе или по времени генерации отчетов в свободно-программируемом формате, а Global Scripts – для программирования действий, производимых с объектами. User Administration применяется для удобного управления правами доступа пользователей в системе SIMATIC. WinCC является 32-битным приложением и работает в среде Windows 98 или Windows NT. Вопросы для самопроверки 1. Какая может быть структура программного обеспечения в системах автоматизации и управления? 2. Какие операционные системы и системное ПО применяются в системах автоматизации и управления? 3. Назовите основные функции операционной системы. 4. По каким критериям осуществляется выбор операционной системы в промышленных компьютерах? 5. Какое прикладное ПО применяется в системах автоматизации и управления? 6. Изложите принципы программирования в системах автоматизации и управления? 7. Как программируются промышленные компьютеры и ПЛК? 8. Как программируются интеллектуальные модули технологических контроллеров? 9. Как программируются модули ввода аналоговых сигналов в технологических контроллерах? 10. Какие инструментальные средства существуют для разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения? 58

11. Как решаются вопросы надежности при программировании технологических контроллеров? 12. Объясните принцип программирования алгоритмов по времени. 13. Объясните принцип программирования алгоритмов по состоянию объекта. 14. Объясните алгоритм жесткого последовательного управления. 3.10. Технические средства для отображения процессов в системах автоматизации и управления [3, 10] Системы визуализации и обслуживания включают в себя средства от простых дисплеев до информационных систем. Получают распространение следующие системы: 1. Панели оператора, предназначенные для отображения управляемого процесса, ввода и вывода данных и для наладки. Содержат дисплеи и клавиатуры, конструктивно размещенные в одном корпусе. 2. Программируемые терминалы, представляющие собой электролюминесцентные графические терминалы с активным экраном, на котором можно гибко менять клавиатуру. 3. Локальные системы визуализации и обслуживания с различного рода функциональными возможностями (от кратковременного или долговременного архивирования измеряемых величин до полнографических систем с объектноориентированными оболочками проектирования и обслуживания) и интегрированные в другие системы. Они представляют собой автоматизированное рабочее место (АРМ) на базе ПК. 4. Центральные системы визуализации и обслуживания с высокими функциональными возможностями, расширяемыми от АРМ до скоординированных многопользовательских и многотерминальных систем. Для осуществления ввода и отображения информации, поступающей от контроллера или персонального компьютера, разработаны программируемые терминалы. Отображаемая информация формируется в виде экранов и выводится на жидкокристаллический дисплей терминала. Количество отображаемых экранов определяется емкостью блока памяти, установленного в терминал. Изображение символов на дисплее терминала может быть прямым (темные символы на светлом фоне), инверсным (светлые символы на темном фоне), ми59

гающим или инверсно-мигающим. Начертание, размер и атрибуты символов устанавливаются при создании соответствующего экрана. С помощью символов могут быть представлены как числовые данные, так и текстовые сообщения. Набор символов, хранящийся в памяти терминала, можно расширить введением дополнительных знаков. Графические возможности терминала позволяют отображать на дисплее ломаные линии и окружности. Программируемый терминал дает возможность пользователю ″наблюдать″ за состоянием и параметрами оборудования, подключенного к контроллеру, через модули ввода/вывода. С этой целью предусмотрена возможность формирования на дисплее терминала индикаторных ламп и бар-графиков. Индикаторные лампы могут использоваться для контроля за срабатыванием датчиков, информировать о включении/выключении оборудования и в ряде других задач, где существует необходимость в визуальном оповещении. Барграфики представляют собой столбиковые диаграммы, обеспечивающие высокую наглядность отображения аналоговой и дискретной информации. Непосредственно на жидкокристаллическом дисплее терминала можно производить программирование сенсорных переключателей, позволяющих: осуществлять переход с одного экрана на другой; управлять состоянием контактов (замкнут/разомкнут); осуществлять ввод данных в программу ПК. Подключение терминала к компьютеру осуществляется через интерфейс RS 232M или RS 422. Связь между терминалом и контроллером устанавливается специальным кабелем, один разъем которого подключается к модулю связи, находящемуся в NT-терминале, а второй – к базовой панели программируемого контроллера. Работа с NT-терминалом начинается с инициализации его памяти. После завершения процесса инициализации и выхода терминала в режим ожидания команд терминал и персональный компьютер могут осуществлять обмен данными, подготовка которых производится в специализированном программном пакете "Инструмент поддержки". Программаторы и ПК используются в системах визуализации и обслуживания, а также для подготовки, отладки и записи программ в контроллеры. В соответствии с задачами программно-логического и непрерывного управления, диагностики, контроля состояния функциональных узлов оборудования, отображения информации об управляемом процессе имеется стандартное программное обеспечение в виде функциональных блоков, обеспечивающих реше60

ние частных задач и органично встраиваемых в программы пользователя. Вопросы для самопроверки 1. Какие существуют типовые средства отображения? 2. Какие существуют типовые средства документирования информации? 3. Какие принципы построения устройств взаимодействия с оператором Вы знаете? 4. Назовите классификацию и технические характеристики устройств взаимодействия с оператором. 5. Где применяются видео терминальные средства и индикаторы? 6. Назовите основные технические характеристики видео терминальных средств и индикаторов. 7. Где применяются пульты и станции оператора? 8. Назовите основные технические характеристики пультов и станций оператора. 9. Где применяются регистрирующие и показывающие приборы? 10. Назовите основные технические характеристики регистрирующих и показывающих приборов.

61

4. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ Целью контрольных работ является закрепление теоретических знаний по: 1) основам расчета ТП, выбора его отдельных элементов, построения и анализа основных характеристик, знакомство с динамическими процессами в преобразователе при обработке заданных входных сигналов управления; 2) построению механических характеристик асинхронных двигателей и расчету пусковых устройств двигателей с короткозамкнутым ротором. При выполнении контрольных работ в расчетной записке следует привести весь ход решения, все используемые формулы; подставить числовые значения в формулы, указать размерности в единицах СИ. Схемы, рисунки и графики должны быть выполнены в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Страницы, формулы и рисунки следует пронумеровать. На страницах текста оставить справа поле шириной 5 см. Работы должны иметь титульный лист, на котором необходимо указать название института, факультета, дисциплины, номер выполненной работы и ее название и фамилию и инициалы студента, его шифр. В конце работ привести список использованной литературы, на которую даются ссылки в тексте. Работы должны быть датированы и подписаны исполнителем. При переработке контрольных работ на основе замечаний преподавателя все исправления и дополнения следует выполнять так, чтобы преподаватель мог сопоставить прежнее и новое решение. При большом объеме переработки делаются вставки на отдельных листах или дополнения в конце текста. Обязательным является ответ на все вопросы и замечания преподавателя. Варианты параметров определяются по трем последним цифрам шифра. Например, для шифра 99-783 первый параметр (см. табл. 1) выбирается по четвертому столбцу, второй – по седьмому, третий по пятому. 4.1. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1 Задание 1. Рассчитать параметры ТП (трансформатор, ограничительный реактор, вентили, сглаживающий и уравнительный реакторы), привести полную электрическую схему преобразователя с подробным описанием ее работы и назначения всех элементов; 63

2. в соответствии с параметрами выбранных элементов схемы преобразователя рассчитать и построить: а) регулировочную характеристику Ed = f(α1, α2); б) электромеханическую характеристику системы тиристорного электропривода ωд = f(Id) для скорости двигателя: ±ωдн; в) зависимость полной мощности и ее составляющих, коэффициента мощности от напряжения или скорости при выпрямленном токе Id = Iдн. Исходные данные для различных вариантов приведены в табл. 1. Номер варианта выбирается студентом по последним цифрам шифра. Тип двигателя

Pдн,

Uдн,

Iдн,

ωдн,

Rя,

Rдп,

Rко,

Rсо,

кВт

В

А

1/c

Ом

Ом

Ом

Ом

2p/ 2a

KI

64

Где Pдн – номинальная мощность двигателя; Uдн – номинальное напряжения питания электродвигателя; Iдн – номинальный ток электродвигателя; ωдн – номинальный скорость электродвигателя; Rя – сопротивление якорной обмотки; Rдп – сопротивление дополнительных полюсов; Rко – сопротивление коммутационной обмотки Rсо - сопротивление сериесной обмотки; 2p/2a – число пар полюсов и параллельных ветвей; KI – коэффициент перегрузки электродвигателя по току. В качестве дополнительных исходных данных для расчета системы ТП – Д принять: 1) колебания напряжения питающей сети ∆U = ± 10%; 2) допустимая амплитуда пульсаций тока якоря электродвигателя Iн. доп = (2 ÷ 10)%Iдн; 3) допустимая величина уравнительного тока Iур = 0,1Iдн; 4) при работе реверсивных вентильных преобразователей (ВП) считать, что нагрузка на валу электродвигателя не зависит от его направления вращения. 4.1.1. Указания к выполнению работы 1. ЭДС электродвигателя при его работе в номинальном режиме E dН = U ДН − I ДН R ЯЦ ,

где Rяц = kt·(Rя + Rко + Rдп + Rсо) – полное сопротивление якорной цепи электродвигателя; kt – коэффициент приведения сопротивлений обмоток к нагретому состоянию, равный 1,24 – для машин 1 ÷ 3 габаритов; 1,32 – для машин 4 ÷ 6 габаритов и 12 ÷ 22 габаритов; 1, 4 – для машин 7 ÷ 11 габаритов. 2. Суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (обмоток преобразовательного трансформатора, реакторов, якоря электродвигателя, соединительных проводов, динамического сопротивления тиристоров и т. д.) R∑ = RТР + RР + RЯД + RПР + R ДИН .В 3. ЭДС на выходе вентильного преобразователя при нулевом значении 65

угла управления α

Ed 0 =

EdН + K I ⋅ I ДН ⋅ R∑ + ∆U В k С ⋅ сos(α МИН ) − A ⋅ ek

,

где величина Iдн·R∑ ориентировочно может быть принята равной (0,1 ÷ 0,2)· Uдн; ∆Uв = (0,1 ÷ 0,5) - напряжение спрямления вольт-амперной характеристики тиристора; А – коэффициент, характеризующий наклон нагрузочной характеристики преобразователя или преобразовательных групп (ПГ) от влияния коммутации вентилей (для мостовой схемы значение А = 0,5); ek% = (3 ÷ 7)% - напряжение короткого замыкания трансформатора. 4. Величина требуемого фазного напряжения на вторичной стороне преобразовательного трансформатора для мостовых схем ВП определяется соотношением E 2Ф =

π 3⋅ 3 ⋅ 2

⋅ Ed 0

Преобразовательный трансформатор для рассматриваемых ВП выбирается в зависимости от силовой схемы преобразователя, конструктивного выполнения трансформатора, расчетных значений мощности, тока и вторичного напряжения, а также напряжения питающей сети. 5. Расчетные значения мощности первичной S1 и S2 обмоток трансформатора

S1 = S 2 =

π 3

⋅ E d 0 I ДН =

π 3

⋅ Pd 0 ,

где Pd0 = Ed0·Iдн – максимальная расчетная мощность на стороне выпрямленного напряжения. 6. Действующее значение тока вторичной обмотки 2 I = ⋅ I ДН 2 3 7. Действующее значение тока первичной обмотки 1 I1 = ⋅ I 2 , k где k – коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора. 8. Выбор токоограничивающего реактора можно произвести следующим образом. По заданному значению номинального тока якоря электродвигателя определяется действующее значение тока, проходящего через токоограничи66

вающий реактор Iр =

2 ⋅ I ДН . 3

Далее выбираются вентили и по их каталожным данным находится допустимая величина скорости изменения тока di/dt. При заданном значении напряжения питающей сети и известном значении IP выбирается токоограничивающий реактор. Затем проверяется, достаточна ли его индуктивность для ограничения величины di/dt по условию U лп Lp ≥ K ⋅ , di 2 ⋅ ⋅ ( N − 1) dt

где Uлп – линейное напряжение питающей сети; N – количество параллельно включенных тиристоров в блоке выпрямителя; K – 2 ÷ 3 коэффициент запаса. 9. Выбор тиристоров. Тиристоры выбираются по напряжению с учетом рекомендуемого рабочего напряжения схемы преобразователя Up, возможного повторяющегося перенапряжения Uп и возможного неповторяющегося (случайного) перенапряжения Uн. Необходимый класс вентилей по напряжению может быть выбран на основании соотношения U кл = К п ⋅ К н ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ E , 2Ф

где Кп = 1,25; Кн = 1,5 – коэффициенты, учитывающие повторяющиеся и кратковременные перенапряжения на вентилях. 10. Выбор вентиля по току должен производиться на основании величины максимального среднего значения тока, проходящего через тиристор K ⋅ I ДН Ia = I . 3 При больших токах необходимо использовать параллельное включение тиристоров. В этом случае их следует выбирать с таким расчетом, чтобы при выходе из строя одного из параллельно включенных тиристоров, установка могла завершить начатую работу с дальнейшей заменой поврежденного вентиля. 11. Выбор реакторов для ограничения уравнительных токов при согласованном управлении преобразовательными группами. Требуемая индуктивность уравнительного реактора, исходя из заданного 67

допустимого значения уравнительного тока Iур, может быть определена из соотношения L ур =

U тл ⋅ К ф − n ⋅ Lтр , ω ⋅ I ур

где Uтл – амплитуда линейного напряжения анодной цепи преобразователя; ω – круговая частота питающей сети; Iур – допустимая величина уравнительного тока (та величина устанавливается в процессе проектирования, в большинстве случаев ее можно принять равной 10% от номинального тока электродвигателя); Кф – коэффициент, определяемый видом преобразователя и диапазоном изменения угла регулирования α. Значения Кф приведены в табл. 2. Так как привод предназначен работать в большом диапазоне изменения скорости вращения, то значение Кф следует выбирать из таблицы максимальным; n – количество фазных обмоток, находящихся в цепи уравнительного тока; Lтр – индуктивность фазы преобразовательного трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке. Таблица 2 Кф 0,01 0,025 0,035 α

0

5

10

0,05

0,07

0,08

0,1

15

20

25

30

0,115 0,125 35

40

0,175 45

Продолжение таблицы 2 0,15 0,16 0,165 0,175 50

55

60

65

0,18

0,185

0,19

70

75

80

0,195 0,198 85

90

Если эта величина не задана в каталоге, то ее значение приближенно можно определить из соотношения e % ⋅ E 2ф , LТР ≅ к I ⋅100 ⋅ ω 2 где ω – круговая частота питающей сети. 12. Выбор сглаживающего дросселя. Требуемая величина индуктивности цепи выпрямленного тока может быть определена из соотношения I ⋅E L = n d0 , ∑ I н.доп ⋅ ω где Īn – относительное значение амплитуды пульсирующего тока, определяемое

68

видом преобразователя и заданным диапазоном изменения выпрямленного напряжения. Требуемая величина индуктивности сглаживающего дросселя определяется, исходя из имеющейся индуктивности цепи выпрямленного тока (трансформатора, якорной цепи электродвигателя, уравнительных реакторов, если они выбраны без насыщения от рабочего тока электродвигателя и т. д.) по соотношению LСД = L∑ − n ⋅ LТР − LУР − LЯД , где n – число фазных обмоток трансформатора, находящихся в цепи выпрямленного тока. Индуктивность цепи якоря электродвигателя может быть определена из соотношения U ДН , LЯД = С Х ⋅ I ДН ⋅ ω ДН ⋅ Р где Р – число пар полюсов; Сх – коэффициент равный 0,6 – для некомпенсированных; 0,1 – для компенсированных машин. Если вместо трансформатора установлен токоограничивающий реактор, то при определении величины Lсд необходимо учесть его индуктивность вместо Lтр.

13. Построение регулировочных характеристик Ed = f(α). Регулировочная характеристика Ed = f(α) в зоне непрерывного тока может быть построена на основании соотношения Ed = E d 0 ⋅ cos(α ) .

При известной характеристике Ed = f(α) необходимо построить график выпрямленного напряжения на якоре электродвигателя при номинальном токе нагрузки в функции изменения α по соотношению U яд = Ed 0 ⋅ cos(α ) − I ⋅ Rвп где Rвп – сопротивление цепи выпрямленного тока, за исключением сопротивления якоря электродвигателя. На основании полученного графика определяется начальный угол регулирования ТП αмин и проверяется правильность выбора преобразовательного трансформатора. 14. Построение электромеханической характеристики системы ТП – Д. 69

Характеристика ω = f(I) может быть построена из соотношения E ⋅ cos(α ) − I яд ⋅ ( R∑ + Rк ) ωд = d0 , (1) Се ⋅ Ф где (R∑ + Rк) – полное сопротивление цепи выпрямленного тока системы ТП – Д; Rк – коммутационное сопротивление, равное m ⋅ xa , Rк = 2 ⋅π где ха – приведенное ко вторичной цепи индуктивное сопротивление фазы преобразовательного трансформатора. Прежде чем вести построение характеристики, необходимо при Iяд = Iдн из (1) определить значение углов регулирования α, соответствующих заданным значениям ωд. 15. Определение минимального угла инвертирования. При работе преобразователя в инверторном режиме система управления ТП должна обеспечить ограничение величины минимального угла регулирования βмин с тем, чтобы избежать возможного прорыва инвертора. Этот угол должен быть больше суммы угла коммутации γ и угла, определяющего время восстановления отпирающих свойств вентиля δ, т. е.

β мин ≥ γ + δ . Величина угла коммутации определяется соотношением 2⋅ I ⋅ R d к ] −α γ = arccos[cos(α ) − мин , E d0 а значение

δ=

ω ⋅180D ⋅ tвыкл.[ эл.град.] , π

где tвыкл. – время выключения вентиля. 16. Определение полной мощности, ее составляющих и коэффициента мощности ТП. 16.1. Относительная величина полной мощности, потребляемой ТП из питающей сети при линейном изменении коммутационного тока, равна S I = К1 ⋅

π 3

⋅ 1− К2 ⋅

γ 2 ⋅π

,

где К1, К2 – коэффициенты, величина которых зависит от схемы ТП (для всех 70

шестифазных схем К1 = К2 = 1, для 12 фазной схемы К1 = 0,97, К2 = 4,27). 16.2. Относительная величина активной составляющей мощности

γ

γ

P = cos(α − ) ⋅ cos( ) . 2 2 16.3. Относительная составляющая реактивной мощности

γ

γ

Q = cos( ) ⋅ sin(α + ) . 2 2 16.4. Относительная величина мощности первой гармонической

γ

S1 = P 2 + Q 2 = cos( ) . 2 16.5. Относительная величина мощности искажений S µ = S I2 − S12 . 16.6. Коэффициент мощности преобразователя P Kµ = . SI На основании приведенных соотношений для значения тока нагрузки строятся зависимости SI, S1, P, Q, Sµ, Kµ в функции относительного значения скорости вращения электродвигателя ωд/ωдн.

71

1. 2. 3.

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ………………………………………………………… Содержание дисциплины…………………………………………… Рабочая программа …………………………………………………. Библиографический список………………………………………… Методические указания к изучению дисциплины.………………..

3 4 4 9 10

62

Редактор Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97. Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Б. Кн.-журн. П.л. 4.0 Б.л. 2.0 РТП РИО СЗТУ Тираж 400 Зак. Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5 63