10366

61

через обмотку 2 сердечник 1 намагничивается и притягивает якорь 3. Механическое движение якоря приводит к замыканию контакта 5 и размыканию контакта 6. В результате происходит замыкание или размыкание электрической цепи. Контакты реле замыкают или размыкают преимущественно цепи управления, где ток не превышает нескольких ампер. На схеме 11 – амортизирующие пружины.

Взависимости от времени срабатывания контактов различают реле

мгновенного действия и реле с выдержкой времени. В реле мгновенного действия контакты замыкаются (или размыкаются) практически сразу после поступления напряжения на катушку реле (или после исчезновения напряжения на катушке).

Вреле с выдержкой времени контакты замыкаются или размыкаются не сразу после поступления на реле сигнала управления, а с некоторой выдержкой времени. Применение контактов реле с выдержкой времени вызвано практической необходимостью. Реле с выдержкой времени используются, например, при автоматическом управлении пуском асинхронных двигателей с фазным ротором в крановых механизмах, конвейерах и других случаях, где требуется создать выдержку времени, необходимую для работы того или иного механизма.

30º

6

Рис. 2.27. Конструкция электромагнитного реле

Наиболее простым способом выдержка времени (до 10-12 с) при отпускании реле может быть создана, например введением медной гильзы между обмоткой реле и сердечником. Выдержку времени можно создать и другими способами, например вводя часовой механизм в конструкцию реле. Такие реле называются маятниковыми реле времени.

В некоторых типах реле времени имеется кулачковый распределительный валик, который приводится во вращение электродвигателем небольшой мощности. При вращении валика кулачковым механизмом замыкаются или размыкаются контакты в определённой последовательности через соответствующие промежутки времени. В таких реле выдержка времени может исчисляться от нескольких секунд до нескольких часов. Примером такой конструкции может быть электрический прибор КЭП-12,

63

применяющийся при автоматизации, например вентиляционных установок.

В отдельных случаях электромагнитные реле могут выполнять функцию защиты электроустановок.

Такую функцию выполняют реле максимального тока. Эти реле срабатывают при коротких замыканиях в электрических цепях и настраиваются на ток в обмотке реле, превышающий номинальный в 2-2,5…11 раз.

Для защиты электроустановок при длительных перегрузках применяются реле тепловые. Эти реле, в отличие от электромагнитных, катушек не имеют. В конструкцию теплового реле (рис. 2.28) входит нагревательный элемент (нихромовая пластина или отрезок нихромовой проволоки) 4, включаемый в цепь главного тока, биметаллическая пластина 1, представляющая продольный спай инваровой и стальной пластин, защёлка 2, контактная система 3, основание 6. Если в цепи нагревательного элемента ток длительно превышает номинальный на 20-25 %, то происходит нагревание этого элемента, биметаллическая пластина нагревается и за счёт различного коэффициента линейного расширения инвара и стали изгибается, освобождая защёлку. Контакты 3 под действием пружины 7 размыкаются, в результате происходит отключение электроустановки от питающей сети. После остывания нагревательного элемента и биметаллической пластины контакт теплового реле может быть возвращён в исходное рабочее состояние кнопкой возврата 5.

4

a)

1

Рис. 2.28. Конструкция теплового реле:

а – схема реле; б – условное обозначение контакта теплового реле в электрических схемах

65

Рис. 2.29. Схема, поясняющая логическую функцию электромагнитного реле

Логическая операция ДА соответствует условно названному состоянию логической единицы (логическая 1), а логическая операция НЕ соответствует состоянию логического нуля (логический 0). Такие же состояния можно перенести на входной сигнал x и выходной сигнал y: наличие сигнала соответствует состоянию логической единицы, отсутствие – состоянию логического нуля (для краткости x = 0 или x = 1; y = 0 или y = 1).

Релейно-контактная аппаратура, длительное время применявшаяся для замыкания и размыкания электрических цепей с помощью механического контакта и выполнения при этом различных логических операций, имеет ряд существенных недостатков: сравнительно низкую надёжность из-за обгорания контактов, большую массу и габариты, невозможность использования во взрывоопасных и агрессивных средах, значительное потребление энергии.

Современные технические средства промышленной электроники позволяют выполнять замыкание и размыкание электрической цепи на бесконтактном принципе. Для этих целей применяются различные полупроводниковые устройства – преимущественно диоды и транзисторы.

Бесконтактные логические элементы, выполненные на основе полупроводниковых устройств, обладают целым рядом преимуществ, важнейшими из которых являются: долговечность работы, малые габариты, быстродействие, высокая чувствительность к входным управляющим сигналам, малая чувствительность к условиям внешней среды, отсутствие необходимости в постоянном эксплутационном уходе, малое потребление энергии, низкая стоимость, технологичность изготовления, высокая надёжность.

Не вдаваясь в техническую реализацию логических элементов (внутреннюю структуру), можно анализировать их состояние, учитывая при этом, что значение сигнала выхода зависит от сигналов входа в соответствии с той функцией, которую выполняет тот или иной логический элемент. Логические элементы обозначают в соответствии с ГОСТ 2.743-82 упрощённым символом – прямоугольником, добавляя в прямоугольнике те или иные знаки. В соответствии с принятыми обозначениями, логический элемент ДА примет вид, как показано на рис. 2.30, а его состояние выразится такой записью: если x = 1, то y = 1; если x = 0 , то y = 0 .

66

Логический элемент НЕ обозначается в соответствии с рис. 2.31, а его состояние можно представить записью: если x = 1, то y = 0 ; если x = 0 , то y = 1.

Кроме простейших логических элементов, выполняющих функции ДА, НЕ, имеются другие, выполняющие более сложные логические функции. К ним относятся наиболее часто применяющиеся основные логические элементы ИЛИ, ИЛИ – НЕ, И, И – НЕ, ПАМЯТЬ. В этих логических элементах число входов всегда не менее двух. Условные обозначения основных логических элементов приведены в табл. 2.2.

68

−возможность использования одних и тех же универсальных средств УВТ для автоматизации различных технологических процессов;

−возможность быстрого изменения программы и алгоритма управ-

ления;

−сравнительно простое обслуживание всей системы автоматиза-

ции;

−достигнута высокая надёжность системы управления за счёт сокращения числа внешних соединений, числа настроек, сокращения числа подвижных элементов, снижения напряжений в блоках обработки сигна-

ла до 1,5 - 5 В.

Применение УВТ стало возможным благодаря достижениям совре-

менной микроэлектроники.

Современная технология в микроэлектронике позволяет размещать на одном кристалле полупроводникового материала размером, например 10 ×10 мм и толщиной 0,2 мм, десятки и сотни миллионов транзисторов, составляющих единое целое – сверхбольшую интегральную схему (СБИС) определённого функционального назначения.

Электронная промышленность выпускает разнообразные средства управляющей (вычислительной) техники, выполненные на базе СБИС: микропроцессоры, микро- и мини-ЭВМ.

Микропроцессор – это управляемое по программе устройство обработки информации, выполненное на сверхбольшой интегральной схеме. Микропроцессор выполняет следующие операции: ввод и вывод данных, арифметические и логические операции над данными, функции управления.

Первый микропроцессор был разработан в 1971 г. Марианом Хоффом в корпорации Intel Corporation. Фирма Intel анонсировала в июне 1971 г. первый микропроцессор под номером 4004, затем были созданы последовательно процессоры 8008, 8080 (наш отечественный аналог К580ИК80), 8086. На микропроцессоре 8086 был разработан первый персональный компьютер. После этого в 1982 г. был разработан той же фирмой микропроцессор серии 286 (цифра 8 в последующем не указывалась в начале номера), затем, последовательно, процессоры 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III. В настоящее время выпускается микропроцессор Pentium 4. Все перечисленные микропроцессоры также и других фирм (например, AMD) относятся к разряду универсальных. Как известно, эти микропроцессоры применяются в персональных настольных компьютерах, называемых IBM PC совместимых, но эти же микропроцессоры применяются и для целей управления технологическими процессами в различных отраслях. Многочисленные аналоги этих микропроцессоров под другими названиями выпускают различные фирмы для промышленных целей, в том числе и для автоматизации систем теплоэнергетики.

Следует отметить, что далеко не во всех системах автоматического управления требуются по быстродействию и объёму выполняемых опера-

69

ций микропроцессоры уровня Pentium 4. В системах теплоэнергетики во многих случаях требуются менее быстродействующие микропроцессоры уровня 286, 386, 486, а значит и более дешёвые.

Отдельно взятый микропроцессор никакого управления обеспечить не может, это всего лишь сверхбольшая интегральная схема специального назначения, он должен быть включён в состав микроЭВМ.

МикроЭВМ – вычислительная машина, основу которой составляет микропроцессор, дополненный памятью, внешними устройствами и набором средств связи.

МиниЭВМ – вычислительная машина, ориентированная на решение массовых задач. Возможности этих машин значительно шире, чем у микроЭВМ.

Сейчас граница между микро- и миниЭВМ почти стёрлась. Вычислительная техника постоянно совершенствуется, расширяется

и круг задач, решаемых с её применением. По мере совершенствования технологии производства вычислительной техники резко уменьшается её стоимость.

Универсальные микропроцессоры фирмы Intel, AMD и аналогичные им других фирм для управления технологическими процессами, агрегатами и машинами часто по своим функциональным возможностям являются избыточными.

Например, для управления венткамерой, кондиционером, процессами в тепловых пунктах требуются сравнительно простые вычислительноуправляющие устройства. Для этих целей разработаны специализированные однокристалльные микроЭВМ, выполненные на одном кристалле полупроводникового материала, называются они микроконтроллерами (англ. control – управление). На этом кристалле располагается микропроцессор с количеством функций, необходимых только для управления данным агрегатом. На этом же кристалле расположено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и порты (устройства) ввода-вывода информации.

Стоимость микропроцессоров, микроЭВМ и других устройств управляющей вычислительной техники снижается. В общей стоимости УВТ значительную часть составляет стоимость программного обеспечения. Программы для управления технологическими процессами не являются универсальными, для каждого конкретного процесса требуется своя программа управления; труд программиста очень трудоёмок.

Программа управления микроконтроллера, микроЭВМ для промышленных целей записывается на том или ином программном носителе: в микросхемах ПЗУ, магнитном диске.

При необходимости программа управления может быть за короткое время заменена новой, заранее составленной и записанной на программном носителе (например, в ПЗУ).

Вариант функциональной схемы системы управления с применением микроЭВМ показан на рис. 2.32. В общем виде такая схема может быть

70

применена для управления, например приточной вентиляционной системой, тепловым пунктом и другими устройствами.

Наличие в системе управления аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей (АЦП и ЦАП) является принципиальной необходимостью в случае применения УВТ, поскольку микроЭВМ работает в цифровом коде. В узле АЦП аналоговый непрерывный сигнал датчиков и других входных устройств преобразуется в дискретную форму (в цифровой код), а в ЦАП – из дискретной в аналоговую.

Микропроцессор выполняет все арифметические и логические операции, формирует команды управления.

Таймер на схеме (рис. 2.32) задаёт тактовую частоту, на которой работает микропроцессор.

ОЗУ – это оперативное запоминающее устройство, где кратковременно хранятся результаты вычисления на время выполнения определённой команды или группы команд.

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, хранит в своей памяти всю программу управления или последовательность действий регулятора. ПЗУ может быть перепрограммируемым, тогда его сокращённо называют ППЗУ. При необходимости программа в ППЗУ может быть изменена (перезаписана) с помощью специального устройства – программатора. В этом случае микроЭВМ имеет разъём (вход) для программатора ВП.

Порт ввода и порт вывода микроЭВМ – это специальные схемные структуры, к которым через АЦП и ЦАП подключаются внешние устройства.

Взаимодействие процессора с ОЗУ, ПЗУ и объектом управления происходит через шину адреса, шину данных и шину управления. Здесь термин «шина» обозначает магистраль, через которую поступает поток данных в направлении стрелок на рис. 2.32. Физически же шина выполнена из нескольких параллельных проводников (например, в количестве

8, 16).