Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Системы автоматизации производства и ремонта вагонов: Методические указания к выполнению самостоятельной работы

Голосов: 0

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов при подготовке их к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Системы автоматизации производства и ремонта вагонов". Содержатся сведения о типах, конструкциях, принципах работы, схемах включения и основных характеристиках применяемых в системах автоматического управления датчиков систем электроавтоматики и релейных устройств.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
         Министерство путей сообщения Российской Федерации
          Департамент кадров и учебных заведений


САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ




                    Кафедра "Вагоны"




              МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

    к выполнению самостоятельной работы по дисциплине
  "Системы автоматизации производства и ремонта вагонов"

      Для студентов специальности 150800 – "Вагоны"




                                        Составители: Волошко Г.П.
                                                    Курилкин Б.В.




                       Самара 2002


УДК 621.38 : 621.33
УДК 658.012.011.56 : 629 45/46

     Методические указания к выполнению самостоятельной работы по дисциплине
«Системы автоматизации производства и ремонта вагонов». Для студентов специально-
сти 150800 – «Вагоны». - Самара: СамИИТ, 2002 – 32с.

    Утверждены на заседании кафедры «Вагоны» 16.04.02 г. Протокол № 8.
    Печатается по решению редакционно-издательского совета института.


    Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов при
подготовке их к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Системы автоматиза-
ции производства и ремонта вагонов». Содержатся сведения о типах, конструкциях,
принципах работы, схемах включения и основных характеристиках применяемых в сис-
темах автоматического управления датчиков систем электроавтоматики и релейных уст-
ройств.

Составители: Волошко Геннадий Павлович,
             Курилкин Борис Викторович.

Рецензенты: доцент кафедры СДМ и ТМ СамГАПС, к.т.н. Воронцов А.П.;
            доцент кафедры теоретической механики СГАУ, к.т.н. Авраменко А.А.



Редактор:      И.А. Шимина




Компьютерная
верстка:         Н.В.Чертыковцева




Подписано в печать 14.06.2002 .Формат 60х84 1/16
Бумага писчая. Усл. п.л. 0,8.
Тираж 200 экз. Заказ № 79




               © Самарская государственная академия путей сообщения,2002

                                          2


                               ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………..4
1. ДАТЧИКИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ ………………………...4
1.1. Общие сведения и основные характеристики датчиков…………….…..4
1.2. Потенциометрические датчики (проволочные потенциометры)……….6
1.3. Емкостные датчики………………………………………………………...7
1.4. Индуктивные датчики…………………………………………………….10
1.5. Сельсинные измерительные устройства………………………………...12
2. РЕЛЕ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ ……………………………………14
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………….…………………………20
3. ТИПОВЫЕ ЗВЕНЬЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО
   РЕГУЛИРОВАНИЯ, ИХ СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ
   ХАРАКТЕРИСТИКИ ……………………………………………………….20
3.1. Усилительное звено (пропорциональное звено)………………………...23
3.2. Апериодическое звено…………………………………………………….23
3.3. Колебательное звено………………………………………………………24
3.4. Дифференцирующее звено……………………………………………… 26
3.5. Интегрирующее звено…………………………………………………… 27
4. СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
   ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ
   КОМАНДОАППАРАТОВ …………………………………………………28
4.1. Основные виды систем программного управления по методу
     задания перемещения рабочего органа………………………………….28
4.2. Командные приборы………………………………………………………30
4.3. Устройство и принцип работы командного прибора КЭП-12У………..31
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………….………………………… 32




                                      3


                                    ВВЕДЕНИЕ

     Учебная дисциплина "Системы автоматизации производства и ремонта вагонов"
имеет своей целью познакомить студентов с современными методами и средствами ав-
томатизации производственных процессов вагоностроительного и вагоноремонтного
производств. Эти процессы отличаются большим разнообразием, трудоемкостью, высо-
ким уровнем ручного труда, а применяемое для их реализации оборудование определяет-
ся типом производства и его организацией. В этих условиях успешное решение вопросов
автоматизации производственных процессов связано с детальным знанием теории авто-
матического управления, с основными принципами разработки и построения унифици-
рованных систем автоматического управления техническими объектами.
     При управлении сложными объектами первостепенную роль играют элементы и
системы электроавтоматики, которые позволяют решать такие задачи, как контроль, сиг-
нализация, блокировка, защита и автоматическое управление с использованием унифи-
цированных элементов и систем. Так, устройства автоматического контроля определяют
качество продукции, правильность протекания технологического процесса, обеспечение
надежной и безаварийной работы оборудования. Устройства блокировки и защиты пре-
дотвращают неправильный порядок работы оборудования, отключая его. Устройства
сигнализации преобразуют сигналы, применяемые в системах автоматики, в сигналы,
воспринимаемые человеком.
     По своей структуре и функциональному назначению элементы электроавтоматики
достаточно разнообразны. Основными их составляющими являются: задающие и изме-
рительные устройства (датчики), переключающие устройства (реле), программные сред-
ства (командоаппараты), элементы сравнения, двигатели и исполнительные механизмы,
регулирующие органы, корректирующие устройства и т. д. Элементы систем электро-
автоматики могут быть устройствами различной физической природы (магнитные, элек-
тронные, полупроводниковые и др.), что существенно повышает их функциональные
возможности и расширяет области их применения.
     Важнейшими разновидностями систем электроавтоматики являются автоматиче-
ский электропривод, электромагнитные и электронные устройства различного назначе-
ния, гибридные электропневматические и электрогидравлические системы управления.
     Знание особенностей конструкции, назначения, функциональных возможностей, ра-
боты и настройки элементов систем электроавтоматики дает достаточный объем инфор-
мации для решения многих практических задач автоматизации производственных про-
цессов, а также унификации автоматизируемого технологического оборудования.

                1. ДАТЧИКИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ

             1.1 Общие сведения и основные характеристики датчиков

    Для непрерывного контроля за протеканием технологических процессов, режимом
работы машин и аппаратов используются преобразовательные элементы – датчики. Дат-
чик – это устройство, реагирующее на изменение параметров процесса и осуществляю-
щее преобразование измеряемой физической величины в другую, удобную для использо-
вания в последующих элементах систем автоматики.


                                         4


         Почти любую физическую величину можно легко преобразовать в электрический
    сигнал. Поэтому при создании систем автоматики широкое применение получили элек-
    трические датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические.
         В общем случае датчик, являющийся преобразователем информации (рис. 1.1, а) со-
    стоит из первичного преобразователя (ПП), преобразующего контролируемую величину
    x в величину, удобную для измерения, xı и преобразователя (П), в котором величина xı
    преобразуется в электрический сигнал y за счет подводимой извне энергии z. Во многих
    случаях датчики имеют более простую структуру (рис. 1.1, б и в), непосредственно пре-
    образуя входную величину в электрический сигнал.




                 а)                         б)                     в)

                      Рис. 1.1. Структурные схемы электрических датчиков

         Основными характеристиками датчиков систем электроавтоматики являются:
-           статистическая характеристика у = φ(х) – зависимость выходной     величины
    от входной в установившемся режиме;
-           чувствительность S = Δу / Δх – отношение приращений выходной (Δу) и входной
    (Δх) величин;
-           порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, вызы-
    вающее изменение выходной;
-           динамическая характеристика – определяет поведение датчика при различных
    изменениях входной величины.
         К датчикам, применяемым в системах электроавтоматики, предъявляются следую-
    щие требования:
-           необходимый диапазон изменения входных и выходных сигналов;
-           линейность статических характеристик;
-           высокая чувствительность;
-           малые инерционность и погрешность;
-           достаточная мощность выходного сигнала;
-           наименьшее влияние датчика на измеряемый параметр;
-           надежность в работе, малые габариты и вес.

        В зависимости от характера преобразования входной величины электрические дат-
    чики делятся на параметрические и генераторные (датчики ЭДС).
        К параметрическим датчикам относятся такие, в которых изменение входной вели-
    чины преобразуется в изменение одного из параметров выходной цепи (активного со-
    противления, индуктивности, емкости). Такие датчики используются для измерения пе-
    ремещений, контроля давления, температуры, уровня жидкости и т.д.
        Генераторные датчики преобразуют входную величину в ЭДС (датчики термо –
    ЭДС, тахометрические генераторы и т.д).


                                                 5


                           1.2. Потенциометрические датчики
                             (проволочные потенциометры)

    Эти датчики используются в автоматике для преобразования перемещений в элек-
трическое напряжение и представляют из себя реостаты с ползунком, включаемые по
схемам, соответствующим потенциометрическому методу измерений. В электроавтома-
тике используются нереверсивная   (рис. 1.2) и реверсивная (рис.1.3) схемы включения
потенциометров.




                      а)                                    б)

                       Рис.1.2. Нереверсивная схема включения

     Представленная на рис. 1.2 схема является нереверсивной, так как при любом поло-
жении ползунка знак Uвых и его фаза не меняются. Статическая характеристика такой
схемы Uвых = f(xвх) (рис. 1.2, б) в общем виде является нелинейной и становится линейной
только при условии, что Rн>>r0, где r0 – сопротивление самого потенциометра. При несо-
блюдении этого условия будет сказываться шунтирующее действие нагрузки Rн, что и
сказывается на характере нелинейности статической характеристики схемы. Так как эта
кривая всегда имеет плавный вид, то поэтому потенциометрические устройства и отно-
сятся к категории датчиков. При активной нагрузке потенциометр практически безынер-
ционен, т.е.:

                           Uвых = k · xвх .                            (1.1)

Переходные процессы в данной схеме будут иметь место только при значительной емко-
сти или индуктивности нагрузки.




                Рис. 1.3. Реверсивная схема включения потенциометра

                                              6


         На рис. 1.3 показана реверсивная схема со вторым (постоянным) контактом с витка-
    ми потенциометра. Эта схема дает линейную статическую характеристику, малозавися-
    щую от величины нагрузки, и позволяет обеспечить более высокий к.п.д. Достоинства
    такой схемы заключаются в конструктивной простоте, в небольших габаритах и весе
    датчика, а также в возможности питания схемы как постоянным, так и переменным то-
    ком. В случае питания переменным током перемещению пропорциональна величина
    огибающей Uвых, а изменение знака перемещения, то есть знака отклонения положения
    ползунка относительно его нулевого положения сопровождается изменением фазы Uвых
    на 180˚ (рис. 3.1).
         Построим статическую характеристику Uвых = f(xвх) для данной схемы. Полагаем,
    что потенциометр является линейным, то есть его витки имеют одинаковую длину. При
    xвх = (xвх)max = L / 2 и при условии Rн>>r0 получим:

                              Uвых = (U / L) · xвх .                     (1.2)

         Эта зависимость представляет из себя прямую, проведенную из начала координат
    под углом β = arctg (U / L).
         Полученное выражение для статической характеристики дает точные результаты
    уже при Rн > (8…10)r0.
         В процессе эксплуатации датчиков возможен нагрев их контактных поверхностей.
    Желательно, чтобы температура не превышала 200 ˚С, так как при больших температу-
    рах начинается интенсивное окисление конструкционных материалов.
         В датчиках желательно использовать проволоку меньшего диаметра. Это необходи-
    мо как для снижения уровня “шумов” в САУ, так и для уменьшения размеров датчика.


                                      1.3. Емкостные датчики

        Эти датчики относятся к преобразователям параметрического типа. Принцип их
    действия основан на изменении емкости конденсатора при воздействии входной величи-
    ны. Основными параметрами и характеристиками емкостных датчиков являются:
-           начальная емкость С0;
-           реактивное xc = 1 / ωC и активное Rc сопротивления;
-           тангенс угла диэлектрических потерь tg δ;
-           постоянная времени T = Rc · C0;
-           максимальное изменение емкости, чувствительность, статическая и динамиче-
    ская характеристики.

    Для плоских конденсаторов величина емкости зависит от площади электродов (S), рас-
    стояния между ними (d) и диэлектрической проницаемости среды (ε). Емкостные датчи-
    ки выпускаются трех типов со статическими характеристиками, изображенными на рис.
    1.4:

                       ∆C = φ(S), ∆C = φ(d) и ∆C = φ(ε).                (1.3)

        Такие датчики применяют для преобразования линейных и угловых перемещений.


                                                  7


              а)                           б)                  в)

                Рис. 1.4. Датчики с переменной площадью электродов
     Для плоского конденсатора (рис. 1.4, а):

                         ∆C = ε · b · ∆l / d,                        (1.4)

где b – ширина электрода.
     Для цилиндрического конденсатора (рис. 1.4, б):

                        С = 2π · ε ·∆l / ln (d2 / d1).               (1.5)

     Емкость датчиков поворотного типа (рис. 1.4, в) линейно зависит от угла поворота
φ:

                         C = ε · S (1 – φ / π) / d.                  (1.6)

    Емкостные датчики с изменяющимся зазором (d) (рис. 1.5) в общем случае имеют
нелинейную статическую характеристику C = φ (∆d).




          Рис. 1.5. Датчик с изменяющимся расстоянием между электродами

     При малых перемещениях (∆d << d) изменение емкости конденсатора:

                           C = ε · S ·∆d / d² ,                      (1.7)

а статическая характеристика будет линейной. Датчики такого типа обладают большой
чувствительностью и используются для контроля очень малых перемещений (от 0 до 1
мм). Датчики с изменяющейся площадью электродов применяются для измерения пере-
мещений больших 1 мм.
                                                8


     Емкостные датчики с изменяющейся диэлектрической проницаемостью (рис. 1.6, а и
б) применяют для контроля уровня, состава и концентрации жидких, а также толщины и
влажности твердых диэлектриков.




                  а)                                  б)
        Рис. 1.6. Датчики с изменяющейся диэлектрической проницаемостью

    Датчик для измерения уровня жидкости (рис. 1.6, а) представляет собой сложный
конденсатор, общая емкость которого равна емкости 2–х параллельно включенных кон-
денсаторов:

                     C = (ε1· b· h / d) + (ε2 – ε1)· b· h2 / d.    (1.8)

    Емкость такого конденсатора линейно зависит от h2 , по величине которой и кон-
тролируют уровень жидкости.
    Конденсатор с 2 – слойным диэлектриком (рис. 1.6, б) представляет собой два по-
следовательно включенных конденсатора, эквивалентная емкость которых:

                          C = S / (d1 / ε1+d2 / ε2 ).              (1.9)

    Большие отклонения емкости проверяются довольно просто. Для измерения малых
отклонений емкости датчики включают в резонансные, мостовые и т.д. схемы. Для уве-
личения чувствительности емкостных датчиков используют источники питания высокой
(свыше 400 Гц) частоты.
    Одной из схем включения емкостных датчиков (дифференциальных емкостных пре-
образователей) является емкостно – диодная цепь (рис. 1.7).




                          Рис. 1.7. Емкостно – диодная цепь

    При положительной полярности U конденсатор С1 заряжается через С3 и VD1, а
при отрицательной – разряжается через С4 и VD2 . Конденсаторы С3 и С4 имеют равные
емкости, а диоды VD1 и VD2 - равные прямые сопротивления. Если все диоды имеют
одинаковые прямые сопротивления, то при С1 = С2 напряжение между точками c и d от-
                                               9


сутствует. Если же      С1 ≠ С2 , то между точками c и d появится переменное напряже-
ние пропорциональное разности С1 – С2 . Это напряжение выпрямляется в течение одно-
го полупериода диодами VD1 и VD3 , а в течение второго – диодами VD2 и VD4 . Выход-
ное напряжение снимается с диодов VD3 и VD4. Среднее выпрямленное напряжение
Uвых определяется разностью С1 – С2 и приближенно равно:

                     Uвых = 2U ~ (C1 – С2) / (С1 + С2 + 2С1С2 / C3).   (1.10)

    Достоинством емкостных датчиков являются простота конструкции, высокая чувст-
вительность, малая инерционность, небольшие габариты и масса.

                                1.4. Индуктивные датчики

    Принцип работы этих датчиков основан на изменении индуктивности катушки с
магнитопроводом под воздействием различных факторов. Датчики применяются при
преобразовании линейных и угловых перемещений, при контроле изменения давления,
расходов жидкостей и газов. Индуктивность L катушки с магнитопроводом при наличии
воздушного зазора δ равна:

                      L = w2 / [lм / (μSм) + 2δ / (μ0 Sδ)] ,           (1.11)

где w - число витков катушки;
    lм – средняя длина стального магнитопровода;
    δ - длина воздушного зазора;
    Sм – площадь поперечного сечения стального магнитопровода;
    Sδ - площадь поперечного сечения воздушного зазора;
     Согласно данному соотношению индуктивные датчики можно построить на исполь-
зовании изменения величин зазора и его площади или магнитной проницаемости (магни-
тоупругие датчики).
     Простейший индуктивный датчик линейного перемещения с переменной величиной
воздушного зазора δ представлен на рис. 1.8.




             Рис. 1.8. Датчик с переменной величиной воздушного зазора

 В этом датчике изменения величины воздушного зазора δ приводит к изменению индук-
тивности катушки L. Магнитное сопротивление цепи определяется сопротивлениями
Rм.ст. двух воздушных зазоров Rδ , т.е.      Rм = Rм.ст. + Rδ , где
Rм.ст. = lм / μSм – магнитное сопротивление магнитопровода;
Rδ = 2 δ / μ0 Sδ – магнитное сопротивление воздушного зазора.

                                             10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика