книги / Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики
..pdfПРОЕКТИРОВАНИЕ
БЕСКОНТАКТНЫХ
УПРАВЛЯЮЩИХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ
МОСКВА
«ЭНЕРГИЯ» 1977
6Ф6.5
П 79
УДК 62-52.681.325.6
Авторы: Г. Р. Грейнер, В. П. Ильяшенко, В. П, Май, Н. Н. Первушин, Л. И. Токмакова
ГАНС РОЛАНДОВИЧ ГРЕЙНЕР, ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ ИЛЬЯШЕНКО. ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ МАИ, НИКОЛАИ НИКОЛАЕВИЧ ПЕРВУШИН, ЛИДИЯ ИОСИФОВНА ТОКМАКОВА
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ
Редактор В. А. К и б л л ц ки й Редактор издательства Г. В. Л и х а ч е в а
Переплет художника |
П. |
П. П е р е в а л о в а |
Художественный редактор |
Д . И. Ч е р н ы ш е в |
|
Технический редактор Н. А. Г а л а н ч е в а |
||
Корректор 3. Б. |
Д р а н о в с к а я |
ИБ № 515
Сдано в набор 29/Х 1976 г. |
Подписано к печати 19/1 1977 г. |
Т-03424 |
||
Формат 70X1001/!, |
Тираж |
Бумага типографская № S |
Уел. печ. л. 31,2 |
|
Уч.-яэд. л. 31,76 |
1S 000 акэ. |
Зак. 856 |
Цена 1 р. 97 к. |
Издательство «Энергия*. Москве. М-114, Шлюзовая паб., 10.
Московская типография № 10 Союэаолиграфироыа при Государственном Комитете Совета Министров СССР во делам издательств, полиграфии
и книжной торговли. Москва, М-114, Шлюзовая паб., 10.
Проектирование бесконтактных управляющих ло- П 79 гических устройств промышленной автоматики. М.,
«Энергия», 1977.
384 с. с ил.
На обороте ткт. л. авт.: Г. Р. Грейнер, В. П. Ильяшенко, В. П. Май и др.
Книга посвящена вопросам проектирования бесконтактных управ ляющих логических устройств промышленной автоматики. Изложены математические основы построения логических устройств и инженерные методы их синтеза, а также основы унификации функциональных узлов и блоков, Кинга содержит сведения о рекомендуемых методах построения контролирующих и диагностических тестов н нх примене нии ори наладке я техническом обслужиааиии управляющих логиче ских устройств. Уделено внимание расчетам надежности я экономиче ской эффективности бесконтактных логических устройств.
Книга предназначена для инженеров н техников промышленных предприятий н проектных органхэацнй, а также дли студентов, специа лизирующихся по автоматнэацни электроприводов, промышленных уста новок я производственных процессов.
6Ф6.&
© Издательство «Энергия», 1977.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие промышленного производства характеризуется непрерыв ным укрупнением и усложнением технологических агрегатов, повыше нием скоростей и других параметров технологических процессов.
Во многих отраслях промышленности определилась тенденция к автоматизации производства путем создания автоматических линий, поточно-транспортных систем, устройств программного управления механизмами. Существенное повышение экономической эффективности производства достигается путем создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с использованием вычислительных машин. Многие крупные технологические агрегаты и процессы в энергетике, черной и цветной металлургии, химии, нефте химии, горнорудной и других отраслях промышленности оснащаются управляющими вычислительными машинами (УВМ).
Автоматизированные системы управления агрегатами и технологи ческими процессами, построенные на основе управляющих логических устройств и выполняющие логические функции, называются системами логического типа. Кроме управляющих логических устройств в такие системы входят технические средства для управления позиционными исполнительными механизмами, выполнения функций контроля, сигна лизации и защиты, реализации программного управления последова тельностью операций по заданному алгоритму. В более сложных системах управления предусматриваются автоматическая смена алго
ритмов, изменение уставок регуляторов непрерывного |
действия, |
сбор |
|
и передача информации на пост управления и в УВМ. |
|
|
|
Сложные системы управления логического типа |
имеют, |
как |
пра |
вило, двухили трехъярусную структуру и иерархический |
принцип |
построения. Нижний ярус системы состоит из комплекса логических блоков, обеспечивающих выполнение логических операций управления по заданному алгоритму. Второй ярус системы включает в себя устройства управления блоками первого яруса и выполняет функции программного управления агрегатами и группами механизмов. Третий ярус системы автоматически формирует требуемый алгоритм управле ния в зависимости от изменения условий и режима технологического процесса.
Автоматизированные системы управления технологическими про цессами и сложными агрегатами характеризуются большим объемом перерабатываемой информации, сложными алгоритмами управления и высокой скоростью обработки информации.
Ритмичность и бесперебойность технологических процессов, обес печение выполнения плановых производственных и экономических по казателей в значительной степени зависят от надежности элементов и
от качества технического обслуживания управляющих логических устройств. Высокие требования к надежности управляющих логических устройств обусловили широкое применение в них бесконтактных логи ческих элементов.
Происходят глубокие изменения в принципах и методах проекти рования, изготовления и технического обслуживания управляющих логических устройств промышленной автоматики: создаются унифици рованные устройства управления технологическими процессами и меха низмами, внедряются индустриальные методы изготовления и монтажа блоков и бесконтактных станций управления, разрабатываются доку ментация и технические средства для контроля технического состояния и локализации неисправностей в устройствах.
При автоматизации производства в первую очередь должно про изводиться технико-экономическое обоснование необходимости и сте пени автоматизаций. При проектировании управляющих логических устройств необходимы технико-экономические расчеты, обосновываю щие выбор технических средств для их реализации.
Предлагаемая книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой, проектированием, изготовле нием, наладкой и техническим обслуживанием бесконтактных управ ляющих логических устройств промышленной автоматики.
Книга составлена на основе анализа |
литературных источников |
и личного опыта авторов, приобретенного' в |
процессе опытно-конструк |
торских разработок и исследований управляющих логических устройств в условиях промышленной эксплуатации.
Авторы надеются, что книга прикладного характера окажется полезной в практической инженерной работе и в учебном процессе под готовки специалистов.
Авторы благодарят рецензента канд. техн. наук В. В. Павлова, чьи замечания помогли улучшить содержание книги, а также редактора В. А. Киблицкого, немало способствовавшего повышению качества книги.
Авторы
Г Л А В А П Е Р В А Я
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
1-1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЧИСЕЛ
Элементы системы счисления
Систему счисления можно определить как некоторый порядок написания знаков (цифр), служащий для количественных измерений или записи величин [49].
Системы счисления, в которых величина, представляемая цифрой, зависит от позиции, которую цифра занимает в последовательности цифр, изображающих число, называются позиционными.
Число различных цифр, используемых в позиционной системе счис ления, называется ее основанием. Основанием системы счисления может быть любое целое число, большее 1.
Места цифр, определяемые относительно запятой, разделяющей целую и дробную части числа, называют разрядами числа.
Когда счет в каком-либо разряде выходит за пределы самой стар шей цифры системы счисления, то появляется перенос в соседний слева-— старший разряд числа.
Для определения последующего числа в любой системе счисления необходимо выполнить следующие действия:
заменить правую крайнюю цифру числа на следующую цифру системы;
если правая крайняя цифра числа является самой старшей цифрой
системы, |
то |
ее надо |
заменить на самую младшую цифру системы, |
а цифру |
в |
соседнем |
разряде слева заменить на следующую цифру |
системы; |
|
|
|
если цифра в соседнем разряде слева также является самой стар шей цифрой системы, то второе действие надо осуществлять до тех пор, пока не будет достигнут разряд с цифрой, меньшей самой старшей цифры системы, которую можно заменить на следующую цифру данной системы счисления.
В любой позиционной системе счисления число Nq можно предста вить как сумму степеней основания q, умноженных на соответствующие коэффициенты О ^ а ^ у — 1, являющиеся цифрами данного числа:
Ng=a.„:qn+ an-\qn- l + :! . . . + а ^ + a0q° + a -iq -y + s ... !+ 0 -m<Tm, (1-1)
где п и т — произвольные целые числа. Сокращенная запись числа будет иметь вид:
■Nq= a n, йи_ 1, . . . , Gi, йо>О—ь ••• у
5
Например, число 7309, 204 в десятичной системе счисления можно записать как
7309,204ю=7-103+ 3 -1 0 2-Ь0-10^+9-1 0 °+ 2 -1 (Н + 0 -1 0 -2+ 4 -1 0 -8,
откуда видно, что соответствующие коэффициенты изображают данное число в виде сокращенной записи.
Принимая за основание системы любые целые положительные числа: два, три, пять, восемь, десять, шестнадцать и т. д. — можно полу чить двоичную, троичную, пятеричную, восьмеричную, десятичную, шестнадцатиричную и т. д. системы счисления.
Десятичная система — лишь одна из многих возможных систем счисления. Она привычна для нас, однако не является наиболее удобной и рациональной для применения в вычислительных и логических устройствах. Так, двоичная система используется в вычислительных машинах для представления и хранения чисел и команд и при выпол нении арифметических операций. Восьмеричная система используется при составлении программ и подготовке задач к решению для сокра щенной и удобной записи двоичных чисел-команд, поскольку эта система не требует специальных операций для перевода в двоичную систему. Десятичные числа, необходимые для решения задачи, перед вводом в машину преобразуются специальным устройством в двоично десятичные, а после ввода в машину переводятся в двоичные. При выводе осуществляется обратный перевод, и результаты расчета пред ставляются в десятичной системе.
Двоичная система счисления
Двоичная система счисления имеет основанием число 2, которое является наименьшим из возможных. Для записи чисел в этой системе счисления приняты лишь две цифры 0 и 1, означающие целые числа нуль и единицу. Любое число в двоичной системе счисления записы вается как комбинация только двух выбранных цифр 0 и 1, в том числе и основание 2 считается единицей второго разряда и записывается как 10. В качестве примера в табл. 1-1 приведена запись нескольких чисел в десятичной и двоичной системах счисления.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
|
1-1 |
|||
Число в десятичной си |
Число в двоичной систе |
Чрсло в десятичной |
Число в двоичной систе |
|||||||||
стеме счисления |
ме счисления |
системе счисления |
|
|
ме счисления |
|
||||||
0 |
|
|
0 |
15 |
|
|
1 |
l |
i |
i i |
0 |
|
1 |
|
1 |
1 |
16 |
|
|
0 |
0 |
0 |
|
||
2 |
|
0 |
17 |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
3 |
|
1 |
1 |
18 |
|
|
1 0 |
0 |
1 0 |
|
||
4 |
1 0 |
0 |
1/2 |
|
|
0,1 |
1 |
|
|
|
|
|
5 |
1 0 |
1 |
1/4 |
|
|
0,0 |
1 |
|
|
|
||
6 |
1 1 0 |
1/8 |
|
|
0,0 |
0 |
|
|
|
|||
7 |
1 |
1 |
1 |
3/8 |
|
|
0,0 |
1 |
1' |
|
|
|
8 |
1 0 |
0 |
0 |
7/8 |
|
|
0,1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
9 |
1 0 |
0 |
1 |
1/16 |
|
|
0,0 |
0 |
0 |
|
|
|
10 |
1 0 |
1 0 |
7/16 |
|
|
0,0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
11 |
1 0 |
11 |
1/32 |
|
|
0,0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
||
12 |
1 1 0 |
0 |
1/64 |
|
1 |
0,0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
||
13 |
1 1 0 |
1 |
31/8 |
1 |
1,0 |
0 |
1 |
|
|
|
||
14 |
1 1 1 0 |
41/2 |
0 |
0,1 |
|
|
|
|
|
6
П еревод целого числа из одной системы счисления в другую осу ществляется последовательным делением данного числа на основание той системы, в которую оно переводится. Деление выполняют в той системе счисления, в которой записано подлежащее преобразованию число. На каждом шаге последовательного деления операцию деления обрывают, как только получится остаток, меньший основания, а остаток запоминают. Получившуюся при делении целую часть снова делят на основание и регистрируют остаток. Таким образом продолжают дейст вовать до тех пор, пока при делении не получится целочисленное част ное, меныцее основания. Записав теперь зарегистрированные остатки
вобратной последовательности, т. е. начиная с последнего, и приписав
вначале последнее целочисленное частное, получают представление данного числа в новой системе счисления.
Пусть требуется десятичное число 49 записать в двоичной системе счисления. Последовательное деление на 2 выполняется следующим образом:
Делимое-частное Остаток
4912 |
1 |
24II |
0 |
12J2 |
О |
6 12_ |
О |
®е.___ |
| |
Результат 4 9 , ,= 1100012
Перевод целого двоичного чцсла в десятичное можно выполнить аналогично переводу десятичного числа в двоичное, но при этом следует делить на 1010 (двоичный эквивалент десятичного числа 10), пользуясь двоичной, а не десятичной арифметикой, поскольку перво начальное число представлено в двоичной форме.
Существует, однако, более простой способ перевода в десятичную систему, когда составляют степенной ряд ( 1-1) с основанием 2, а за тем подсчитывают значение суммы.
Этот способ применим также и для дробей.
Несмотря на всю свою простоту, двоичная система счисления име ет один серьезный недостаток, заключающийся в большой длине двоичных чисел при записи, что требует большого внимания при вы числениях и увеличивает вероятность ошибок. Это обстоятельство делает систему непрактичной для расчетов вручную, однако она имеет существенные преимущества при использовании ее в цифровых вычис лительных машинах, где применяются двухпозиционные элементы, способные находиться в одном из двух устойчивых состояний, которым можно поставить в соответствие цифры 0 и 1.
Достоинство двоичной системы счисления, заключающееся в про стоте выполнения арифметических операций, дает возможность значи тельно упростить структуру арифметических и запоминающих устройств.
Благодаря указанным преимуществам двоичная система счисления в настоящее время является основной системой, применяемой в цифро вых вычислительных машинах.
7
1-2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Действие автоматического устройства можно описать функциональ ными зависимостями между величинами на его Входах и выходах. Входные й выходные переменные величины, называемые также сигна лами, могут иметь непрерывный или дискретный характер. В дискретной форме переменная величина выражается конечным (или счетным) чис лом ее значений. Устройства, сигналы на выходах которых могут при нимать лишь конечные числа (как правило, 2 или 3) значений, назы ваются устройствами релейного действия или просто релейными устройствами. Релейные устройства, осуществляющие логические преобпазования сигналов, называются логическими устройствами. В даль нейшем рассматриваются только такие логические устройства, в кото рых каждая переменная может принимать лишь одно из двух возможных значений, обозначаемых цифрами 0 и 1.
Математическим аппаратом анализа и синтеза логических устройств служит двузначная алгебра логики (булева алгебра), которая изучает связи между переменными, принимающими только два значения. Этим двум значениям ставятся в соответствие различные взаимоисключающие действия, условия или состояния в логических устройствах. Например: замыкание контакта — размыкание контакта; наличие сигнала — отсут ствие сигнала; замкнутая цепь — разомкнутая цепь.
Необходимо подчеркнуть, что цифры 0 и 1 не выражают здесь количественных соотношений и являются не числами, а символами, и, следовательно, алгебра логических устройств является не алгеброй чисел, а алгеброй состояний.
Управляющее логическое устройство обычно содержит следующие основные части:
1.Входные элементы, воспринимающие входные воздействия от аппаратов управления и датчиков и преобразующие их с помощью согласующих элементов в сигналы, обозначаемые цифрами 0 и 1.
2.Промежуточные (логические) элементы, преобразующие в соот ветствии с заданной программой работы входные сигналы в выходные сигналы двух значений, также обозначаемые цифрами 0 й 1.
3.Усилители, повышающие мощность выходных сигналов.
4.Исполнительные элементы, воспринимающие выходные сигналы
ивыполняющие функции, для которых предназначено устройство. Ими являются контакторы, электромагниты, сигнальные лампы и т. п.
Элементы и сигналы (переменные) обозначаются обычно буквами латинского алфавита. В данной главе применяются в основном следу ющие обозначения:
Входные элементы.............................................. |
|
А, |
В, |
С . |
Контакты входных элементов: |
|
а, |
Ь, |
с . |
замыкающие.................................................. |
|
|||
размыкающие . . . ................................. |
а, |
Ъ, |
с . |
|
Входные переменные ......................................... |
|
а, |
Ъ, |
с . |
Промежуточные элементы и промежуточные |
Рг • |
|||
функции ......................................... |
|
Р и |
||
Промежуточные переменные ......................... |
|
Р г , Р г , Р г • |
||
Исполнительные элементы и |
выходные |
Y, |
X . |
|
функции.......................................................... |
. |
Z, |
||
Контакты исполнительных элементов: |
г, |
у, |
х . |
|
замыкающие................................................. |
|
|||
размыкающие . . . . . . . . . . . . |
г, |
у, |
х . |
|
Выходные переменные............................. |
.... . |
г, |
у, |
х . |
Ш
Однако данная система буквенных обозначений не является обя зательной, в иных случаях целесообразно применять другие обозначения, как, например, в § 1-10.
1-3. ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Логической переменной называется величина, которая может при нимать только два значения — 0 или 1. Логические переменные обозна чаются буквами латинского алфавита.
Логической функцией (функцией алгебры логики) называется функция, которая, как и ее аргументы (логические переменные), может принимать только два значения — 0 или 1. Логические функции выра жают зависимость выходных переменных от входных переменных. Эти функции в зависимости от числа входных переменных делятся на функ ции одной переменной, двух переменных и многих переменных. .
Различные комбинации значений входных переменных в логических функциях называются наборами. Функция является полностью задан ной, если указаны ее значения для всех наборов.
Например, три входные переменные, принимая значения 0 или 1, могут дать всего восемь различных сочетаний нулевых и единичных значений, т. е. восемь наборов. Сопоставляя каждому набору значение функции, равное 0 или 1, можно получить табличное задание данной функции (табл. 1-2). Такая таблица называется таблицей истинности или таблицей соответствия.
|
|
|
|
|
|
Таблица 1-2 |
|
а |
ь |
с |
№, Ь, с) |
а |
ь . |
С |
№ Ь, с) |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
.1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Для |
упорядочения |
записи наборов в |
таблицах |
их можно |
записы |
вать в виде целых положительных чисел в двоичной системе счисления, располагаемых в порядке их возрастания.
Обозначим через тп число различных наборов для п входных переменных.
Для одной входной переменной возможны два набора: 0 и 1, т\=2. Для двух переменных — четыре набора: 00, 01, 10, 11, m2= m i - 2 =
— 2 - 2 = 2 2= 4 .
Для трех переменных — восемь наборов: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, тз= / п 2'2 = 4 - 2 — 23= 8 .
Для п входных переменных число различных наборов конечно и равно т „ = 2п.
Задавая то или иное конкретное значение функции для каждого из 2п наборов, можно тем самым задавать одну из возможных функ ций п переменных. Но так как каждому набору может соответствовать одно из двух значений (0 или 1) функции независимо от ее значений при других наборах, то число N различных логических функций от п
переменных конечно и равно 22П, поэтому прямое изучение логических
9
функций с помощью таблиц практически возможно лишь до п = 3. Для описания логических функций от большего числа переменных исполь зуют принцип суперпозиции, который состоит в подстановке в функцию новых функций вместо аргументов. Например, функция от трех пере менных /(а, Ь, с) может быть преобразована в две функции от двух переменных f[g (a , b), с] и g (a, b).
Поэтому в алгебре логики очень важную роль играют логические функции одной и двух переменных, с помощью которых, используя принцип суперпозиции, можно построить все логические функции от любого числа переменных.
Функции одной переменной
Рассмотрим функции одной переменной f(a ) . Так как входная переменная а может иметь значения 0 или 1, существуют четыре функ ции одной переменной (табл. 1-3).
Функция fo=0, называемая нулевой, и функция /3= 1 , называемая единичной, не зависят от значений входной переменной последователь но, являются постоянными или функциями-константами.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Та блица |
1-S |
|
|
Таблица истинно |
Содержание логичес |
Структурная |
Контактная |
Условное |
||||||||
Функция |
|
ста |
|
||||||||||
а. |
1 |
0 |
1 " ! |
кой функции |
формула |
схема |
обозначе- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Нулевая |
и |
0 |
0 |
0 |
Функция НИКОГ- |
/о(2) = 0; |
л |
£ |
|
|
|||
|
|
|
|
да не имеет зна |
f„(Z) = |
аа |
~° °ii~ |
—С* |
О— |
||||
|
|
|
|
чение |
1, |
каким |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Z |
||||||
|
|
|
|
бы ни |
было зна |
|
|
н ь И - |
> |
|
|||
|
|
|
|
чение переменной |
|
|
|
|
|
|
|||
Инверсия |
Л |
0 |
1 |
a |
Функция имеет |
|
|
|
2 |
|
|
||
^функция |
|
|
|
значение, |
обрат |
|
|
|
|
|
Z |
||
НЕ) |
|
|
|
ное значению пе- |
|
|
— Я |
} |
f b |
||||
|
|
1 |
0 |
ременной |
|
f2(Z) = |
а |
|
|
|
|
||
Повторе- |
f« |
a |
Функция повто- |
|
Z |
) |
“”2 |
||||||
ние |
|
|
|
ряет значение пе |
|
|
н н о н |
||||||
|
|
|
|
ременной а |
|
|
ч |
|
|||||
Единич- |
fa |
1 |
1 |
i |
Функция |
всег- |
|
|
г |
г |
|
|
|
ная |
|
|
|
да |
имеет |
значе |
|
|
|
|
—L'>"Ir1TS«wr* |
||
|
|
|
|
ние 1, |
каким бы |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
ни было значение |
fs(Z)=a+a |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
переменной |
|
|
|
|
Функция /]— а называется инверсией, она является одной из основ ных в алгебре логики. Ее называют также отрицанием, дополнением или просто функцией НЕ. Среди ее обозначений еще встречаются:
а, а', <■—'й. |
: |
. |
Функция U— a называется повторением, поскольку ее значение является повторением значения входной переменной. Ее называют еще тождеством или тождественностью.
so