Podívejme se na některé z hlavních prvků nejčastěji používaných v automatizaci a rozdělíme je podle funkcí, které plní.
1. Senzory
V automatizačních systémech sondy (měřicí převodník, citlivý prvek) je zařízení určené k funkčnímu převodu informace přijaté na jeho vstupu v podobě nějaké fyzikální veličiny na jinou fyzikální veličinu na výstupu, vhodnější pro ovlivňování následných prvků (bloků). Většina snímačů převádí neelektrickou řízenou veličinu x na elektrickou (např. teplota se převádí pomocí termočlánku na elektromotorickou sílu (EMF); mechanický pohyb spojený se změnou polohy kotvy elektromagnetu mění indukčnost jeho vinutí , atd.).
Proto se často nazývají senzory primární konvertory.
Senzory jsou nejpoužívanějšími prvky jakéhokoli automatizačního systému.
Provozní podmínky snímačů jsou zpravidla obtížnější než u jiných prvků, protože jsou umístěny přímo u řídicího objektu a jsou vystaveny agresivnímu prostředí, nárazům, vibracím apod. Za těchto podmínek podléhají snímače přísným požadavkům na přesnost a stabilitu převodu.
Hlavní charakteristikou snímače je závislost jeho výstupní hodnoty у od vchodu х, tj. y = f(x). Na Obr. Obrázek 1.2 ukazuje některé běžné typy vztahů mezi výstupem a vstupem snímače. Jak je vidět z obrázku, funkční vztah se může řídit jakýmkoliv vzorem, ale je žádoucí, aby charakteristika snímače byla lineární.
Klasifikace senzorů
V závislosti na principu fungování senzory se dělí na:
Podle typu vstupního signálu rozlišují se senzory:
Podle typu vstupního signálu senzory mohou být:
V závislosti na typu regulované neelektrické veličiny:
Parametrické (modulátory) – jedná se o snímače, u kterých změna vstupní hodnoty snímače způsobí změnu libovolného parametru samotného snímače (patří sem: kontaktní, reostatické, tenzometry, potenciometrické, termistory, kapacitní, indukční, elektronické, fotorezistorové atd. )
Generování Ty se nazývají senzory, u kterých změna vstupní hodnoty senzoru způsobí generování (vznik, vznik) elektrického signálu na jeho výstupu. Tyto senzory nevyžadují pomocný zdroj energie. (patří sem: termoelektrické (termočlánky), indukční, piezoelektrické, ventilové fotočlánky).
Analogové senzory Jedná se o snímače, ve kterých je buď vstupní signál, nebo výstupní signál nebo oba signály analogové.
У diskrétní senzory oba signály, nebo alespoň jeden signál na vstupu nebo výstupu, jsou diskrétní (pulzní, digitální atd.)
Lineární senzory – výstupní hodnota se mění úměrně změně vstupní hodnoty.
Nelineární senzory – výstupní hodnota se mění nelineárně vzhledem ke změně vstupní hodnoty.
Často se používají elektrické snímače s mezikonverzí, tzn. mechanický snímač je kombinován s elektrickým. Převod řízené veličiny v takových snímačích probíhá podle následujícího schématu: měřená veličina – mechanický pohyb – elektrické množství.
Prvek, který převádí měřenou veličinu na posuv, se nazývá primární konvertor nebo primární měřič (PI). Například tlak se převádí na pohyb ručičky PI tlakoměru, který se pak přeměňuje na změnu aktivního odporu (drátové, odporové (nebo reostatové) snímače atd.).
2. Zesilovač – prvek automatizace, který provádí kvantitativní transformaci (nejčastěji zesílení) fyzikální veličiny přicházející na její vstup (proud, výkon, napětí, tlak atd.). Zesilovač musí mít přídavný zdroj energie. Hlavní charakteristikou zesilovače je závislost y = f(x); v tomto případě obvykle usilují o získání lineární nebo jí blízké charakteristiky v pracovní oblasti. Veličiny na vstupu a výstupu zesilovače mají stejnou fyzikální povahu. Na Obr. 1.3 ukazuje různé typy charakteristik zesilovače.
Obrázek 1.3 Typy charakteristik zesilovačů
Podle principu činnosti se zesilovače dělí na: elektronické, polovodičové, magnetické, elektrické stroje, pneumatické, hydraulické.
3. Stabilizátor – prvek automatizace, který zajišťuje stálost výstupní hodnoty у když vstupní hodnota kolísá х v určitých mezích. Stabilizačního účinku je dosaženo změnou parametrů prvků obsažených v obvodu stabilizátoru; v tomto případě musí být druh energie na jejím vstupu a výstupu stejný.
Charakteristiky stabilizátorů jsou na obr. 1.4.
Obrázek 1.4 Typy hlavních charakteristik stabilizátorů
Charakterizace 1 poskytuje menší stabilizaci výstupní hodnoty y, než charakteristická 2. Pokud křivka nemá v daném rozsahu vodorovný řez, ale má maximum (křivka 3) nebo minimální, pak bude přesnost stabilizace větší než v případě charakterizovaném křivkou 1.
Podle typu stabilizované hodnoty se rozlišují stabilizátory napětí a proudu, zajišťující konstantní napětí nebo proud v zátěži při kolísání vstupního napětí a odporu zátěže.
4. Štafeta – automatizační prvek, ve kterém při dosažení vstupní hodnoty х konkrétní hodnota výstupní veličina у se náhle změní. Závislost y = f(x) relé je nejednoznačné a má tvar smyčky (obr. 1.5). Když se vstupní hodnota změní z 0 na х2 výstupní hodnota у se mírně změní (nebo zůstane konstantní a stejný у1). Když je dosaženo vstupní hodnoty х hodnoty х2, tj. х = х2, výstupní hodnota se náhle změní od hodnoty у1 na у2. Následně se zvyšováním х výstupní hodnota se mírně mění nebo zůstává konstantní (má stálou hodnotu). Když vstupní veličina klesne na hodnotu х1 výstupní hodnota zpočátku zůstává nezměněna a téměř stejná у2. Ve chvíli, kdy x = x1 výstupní hodnota se prudce sníží na hodnotu ух a při snižování zůstává přibližně nezměněna х až na nulu.
Obrázek 1.5 Hlavní charakteristiky relé
Skoková změna výstupní hodnoty у v okamžiku, kdy x = x2, tzv. hodnota odezvy (např. provozní proud, provozní napětí pro elektrická relé). Skoková změna výstupní hodnoty у v okamžiku, kdy х = х1 tzv. hodnota uvolnění (spouštěcí proud, spouštěcí napětí). Poměr velikosti хх na hodnotu odezvy х2 se nazývá návratový koeficient, tzn. Kв = x1/х2. Jako obvykle х1 < х2, že Kв 1.
Existují různé typy relé, ale hlavní jsou elektromechanická relé (elektromagnetická, magnetoelektrická, elektrodynamická atd.), u kterých změna vstupní elektrické veličiny způsobí sepnutí nebo rozepnutí kontaktů. Existují bezkontaktní magnetická relé a bezkontaktní elektronická relé.
5. Distributor (vyhledávač kroků) – prvek automatizace, který střídavě připojuje jednu veličinu k řadě obvodů. V tomto případě jsou připojené obvody obvykle elektrické.
Rozváděče se používají tehdy, když je potřeba ovládat více objektů ze stejného řídícího orgánu a podle způsobu přenosu impulsů do řízených obvodů se dělí na elektromechanické (kontaktní), elektronické a iontové (bezkontaktní).
6. Akční členy – elektromagnety s výsuvnými a rotačními kotvami, elektromagnetické spojky a také elektromotory související s elektromechanickými akčními členy automatických zařízení.
Elektromagnety převést elektrický signál na mechanický pohyb; slouží k pohybu pracovních částí, jako jsou ventily, ventily, cívky atd.
Elektromagnetické spojky používá se v elektrických pohonech a ovládacích zařízeních k rychlému zapnutí a vypnutí hnaného mechanismu a také k jeho zpětnému chodu, tzn. změna směru pohybu ovládaného zařízení.
V některých případech se pro regulaci rychlosti a omezení přenášeného točivého momentu používají elektromagnetické spojky.
Elektrický motor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na energii mechanickou a zároveň překonává značný mechanický odpor pohybujících se zařízení. Jedním z hlavních požadavků na elektromotory je jejich schopnost vyvinout požadovaný mechanický výkon. Elektromotor navíc musí zajišťovat zpátečku, stejně jako pohyb objektu při stanovených rychlostech a zrychlení.
Jako elektromechanické pohony se nejvíce používají stejnosměrné a střídavé elektromotory.
Automatizační prvky jsou extrémně rozmanité ve svých funkcích, provedení, principu činnosti, charakteristikách, fyzikální povaze převáděných signálů atd.
1) Podle toho, jak prvky přijímají energii potřebnou k přeměně vstupních signálů, se dělí na pasivní a aktivní.
Pasivní automatizační prvky – jedná se o prvky, jejichž vstupní akce (signál xin) se převede na výstupní efekt (signál xout) v důsledku energie vstupního signálu (například převodovky).
Aktivní automatizační prvky Pro převod vstupního signálu se používá energie z pomocného zdroje (například motoru, zesilovače).
2) V závislosti na energii na vstupu a výstupu se prvky automatizace dělí na:
3) Na základě funkcí vykonávaných v regulačních a řídicích systémech se prvky automatizace dělí na:
pomocné prvky atd.
Senzory vnímat informace přijaté na jejich vstupu o řízené hodnotě řídicího objektu a převádět je do podoby vhodné pro další použití v automatickém řídicím zařízení. Většina snímačů převádí vstupní neelektrický signál xin ve výstupním elektrickém signálu xout. V závislosti na typu vstupního neelektrického signálu xin přidělit:
mechanické snímače (snímače dráhy, snímače rychlosti, snímače zrychlení atd.);
teplotní senzory (teplotní senzory);
optické senzory (senzory záření) atd.
Často se používají snímače s dvojitým převodem signálu, např. neelektrický vstupní signál xin se nejprve převede na výchylku a poté se přemístění převede na elektrický výstupní signál xout.
Takže například v systému automatického řízení výšky letadla je změna barometrického tlaku, ke které dochází při změně výšky letu, převedena nejprve na mechanický pohyb středu aneroidní skříně a poté na napětí měřené pomocí potenciometr.
Zesilovače – jedná se o automatizační prvky, které provádějí kvantitativní transformaci, zesílení výkonu vstupního signálu xin. V některých případech provádějí zesilovače současně s kvantitativní transformací i kvalitativní transformaci (např. přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý, u pneumatických a hydraulických zesilovačů se posun převádí na změnu tlaku).
V závislosti na typu energie přijímané zesilovačem se zesilovač dělí na:
Nejpoužívanější jsou elektrické zesilovače, které mají vysokou citlivost, vysoký zisk a snadno se používají.
Výkonná zařízení odkazují na prvky automatizace, které vytvářejí řídicí vlivy na řídicí objekt. Mění stav nebo polohu regulačního orgánu objektu tak, aby řízený parametr odpovídal zadané hodnotě. Ovládací zařízení, která vytvářejí řídicí akci ve formě síly nebo krouticího momentu, zahrnují výkonové elektromagnety, elektromagnetické spojky a motory.
V závislosti na typu energie použité k provozu mohou být motory:
Zesilovače nebo relé lze použít jako akční členy, které mění stav regulačního orgánu.
Relé – jedná se o automatizační prvky, u kterých dojde ke změně výstupního signálu (xout) nastane diskrétně (tj. náhle), když vstupní signál dosáhne (xin) určitou hodnotu, která způsobí činnost relé.
Tato hodnota vstupního signálu se nazývá provozní úroveň relé.
Vstupní výkon (xin) způsobující činnost relé je výrazně nižší než výkon, který může relé ovládat. Proto se relé používá jako zesilovač i jako akční člen.
Relé se často používají jako automaticky řízené signálové spínače ve vícekanálových systémech sběru a přenosu dat, ve kterých se zpracovávají informace z desítek, stovek a dokonce tisíců senzorů. Používají se také v řídicích, poplachových, blokovacích a ochranných systémech.
Výpočetní prvky V automatických řídicích zařízeních se provádějí matematické transformace se signály přicházejícími na jejich vstup. Tyto operace se provádějí za účelem zajištění daného algoritmu provozu systému.
V nejjednodušším případě výpočetní prvky provádějí jednotlivé matematické operace, jako je algebraické sčítání, derivování, integrace, logické sčítání, logické násobení atd.
V uzavřených systémech automatického řízení je nutné sečíst signál snímače a signál zpětné vazby. Nápravná zařízení využívají diferenciaci a integraci signálů. K provádění těchto operací se používají především výpočetní prvky analogového typu.
Ve složitějších případech lze jako výpočetní prvek použít mikroprocesor, specializované a unifikované digitální a analogové počítače nebo komplex těchto strojů. Úlohy automatického řízení, jako je optimalizace, vytváření adaptivních (nastavitelných) automatických řídicích systémů a použití řídicích algoritmů založených na pravděpodobnostních a statistických metodách zpracování signálů, nelze realizovat bez použití počítače.
Koordinační a pomocné prvky jsou součástí automatického ovládacího zařízení pro zlepšení jeho parametrů, rozšíření funkčnosti hlavních prvků atd.
Transformátory a převodovky se často používají jako párovací prvky, které umožňují koordinaci parametrů pohonu s parametry řídicího objektu.
V automatických řídicích systémech, ve kterých se jako výpočetní prvek používá mikroprocesor nebo počítač, je často potřeba koordinovat počítač s informačními senzory a akčními členy analogového typu, které jsou široce používány v automatizaci. K tomuto účelu jsou na vstupu počítače instalovány analogově-digitální převodníky (ADC). Analogově-digitální převodníky převádějí mechanický signál (posun, rychlost atd.) nebo elektrický signál (napětí, proud, odpor atd.) přijatý z analogových snímačů na diskrétní kódový signál, který může být vnímán počítačem.
Řídící akce v takových systémech je přijímána v diskrétní formě jako výsledek počítačového zpracování přijatých informací.
Pokud automatické řídicí zařízení používá jako ovládací prvek elektromotory na stejnosměrný nebo střídavý proud, elektromagnetické spojky, výkonové zesilovače stejnosměrného nebo střídavého proudu atd., pak je potřeba zpětně převést diskrétní počítačový signál na analogový signál vnímaný ovládacím prvkem. živel.
Tento problém je vyřešen pomocí digitálně-analogových převodníků (DAC).
Převádějí kódový signál přijatý z počítače na výchylku, napětí, proud, frekvenci atd.
Pomocné automatizační prvky – jedná se o stabilizátory napětí nebo proudu, spínače a rozdělovače, generátory napětí zvláštního tvaru („pila“), tvarovače impulsů, indikační a záznamová zařízení, signalizační a ochranná zařízení.
Tyto automatizační prvky, i když nejsou pro činnost automatického řídicího zařízení zásadně nutné, zároveň umožňují zvýšit přesnost a stabilitu jeho provozu, usnadnit nastavení a obsluhu a rozšířit možnosti využití tohoto zařízení při vytváření vlastních – hnaná děla.
