книги / Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики

Ь\ЛВС

IАВСдЕГ

1 ИЗ GH

£

Интегральные микросхемы серии К155 выполняются в прямоуголь­ ном пластмассовом корпусе 301ПЛ14-1 с 14 плоскими выводами. Этот корпус предъявляет минимальные требования к технологии печатного монтажа плат, на которых устанавливаются ИС.

Аналоговые интегральные схемы служат для обработки аналоговых сигналов и позволяют заменить выпускаемые электротехнической про-

181

мышленностью блоки УБСР для построения систем автоматического ре­ гулирования.

Отечественная промышленность выпускает несколько серий анало­ говых ИС, из которых наиболее широкое применение нашли ИС опера­ ционных усилителей серии К140. Интегральные схемы серии К140 вдо-

ав+ав*АБ+лв

Рис. Т8-12-&.

Рис. Т8-12-1.

Н-

182

Т а б л и ц а 8-14

Тип операционного усилителя

Параметр

гут быть использованы в масштабном, инвертирующем и интегрирую­

Рис. 8-17. Интегральная схема операционно­ го усилителя К1УТ401Б.

2, 3, 12 — выходы коррекции; 5 —выход; 9, 10 — входы; 1, 4, 7 — питание.

Рис. 8-18. Интегральная схема операционного усилителя К1УТ402А.

. S — выход; 9, 10 — входы; 2, 8, 11, 12 — вход коррекции; 1, 7 — питание.

183

Бесконтактные входные и выходные устройства для интегральных схем строятся с использованием оптронов.

Оптрон представляет собой сочетание двух полупроводниковых элементов, находящихся в оптической связи: источника излучения — инфракрасного излучателя — светодиода из арсенида галлия и фотопри­ емника— кремниевого тиристора.

Оптическая связь двух элементов позволяет осуществить полную

водами 2 и 8, что повышает стабильность работы фототиристора в жду­ щем режиме.

Если тиристор оптрона включается в цепи переменного или одно- и двухпериодного выпрямленного напряжения, прибор включается при подаче входного сигнала и выключается при снятии входного Сигнала (в момент снижения тока до тока отключения).

184

Высокая надежность и помехозащищенность оптической связи вы­ годно отличают ее от гальванической. Оптроны используются в каче­ стве бесконтактного ключевого элемента в схемах управления, усилите­ лях мощности, формирователях импульсов и других устройствах, тре­ бующих гальванической развязки входных и выходных цепей.

Оптрон может быть использован в качестве элемента согласования низковольтных транзисторных, интегральных, гибридных и т. п. схем с выходными устройствами повышенного напряжения, обеспечивая при этом полную электрическую развязку аппаратуры управления от ис­ полнительных устройств.

Г Л А В А Д Е В Я Т А Я

УНИФИКАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ И БЛОКОВ УПРАВЛЯЮЩИХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

9-1. И СХО Д Н Ы Е П О ЛО Ж ЕН ИЯ И ЗАДАЧИ УНИФИКАЦИИ

Ф УН КЦИО НАЛЬНЫ Х УЗЛ О В И БЛ О К О В

Развитие и совершенствование систем управления логического типа производственными механизмами и промышленными установками до настоящего времени осуществлялись на основе релейно-контактных электроаппаратов. Для некоторых классов производственных механиз­ мов, например для мостовых кранов, налажено серийное производство типовых контроллеров, станций управления и других электроаппаратов. Разработаны строго обоснованный ряд типоразмеров мостовых кранов и соответствующие ему типовые электрические схемы управления. Это позволило провести широкую унификацию и нормализацию деталей и узлов как механизмов, так и электрооборудования.

Унификация, т. е. приведение к единообразию, а следовательно, к сокращению количества конструктивных исполнений и схемных реше­ ний, является основным условием современного серийного производст­ ва промышленного оборудования. Унификация функциональных узлов и конструкций существенно упрощает проектирование и организацию тех­ нического обслуживания оборудования и систем управления.

Одной из важнейших задач унификации управляющих логических устройств является выбор элементной базы.

Важнейшими показателями системы элементов являются ресурс износоустойчивости, безотказность в работе, надежность, начальные за­ траты и эксплуатационные расходы. Элементами систем промышлен­ ной автоматики, способными заменить релейно-контактные электроап­ параты, являются электрические аппараты с применением магнитоуп­ равляемых герметических контактов (герконов) и бесконтактные транзисторные логические элементы серии «Логика-Т».

Перспективными элементами для систем цифрового программного управления и других подобных систем можно считать интегральные схемы.

В последнее время произведен ряд опытно-конструкторских разра­ боток и исследований применения герконов и бесконтактных логических элементов в системах промышленной автоматики.

Так, например, выполненные ЦПКБ объединения «Союзлифтмаш» опытно-конструкторские разработки и исследования системы авоматики пассажирского лифта грузоподъемностью 500 кг и скоростью 1 м/с

185

с применением магнитоуправляемых контактов показали ряд сущест­ венных технических и экономических преимуществ разработанной си­ стемы по сравнению с аналогичной действующей типовой системой. Ресурс по износоустойчивости новых реле и аппаратов с применением герконов составляет 1ХЮ 8 переключений, а электрических аппаратов в существующих системах управления не превышает 1 х 10е переключе­ ний. Электроаппараты с магнитоуправляемыми контактами не требуют обслуживания. Расчеты технико-экономической эффективности приме­ нения электроаппаратов с магнитоуправляемыми контактами подтверж­ дают целесообразность применения этой элементной базы.

Несмотря на преимущества электроаппаратов с магнитоуправляе­ мыми контактами широкое их применение сдерживается отсутствием промышленного выпуска многих электрических аппаратов с герконами: вызывных и блокировочных аппаратов, датчиков и т. п.

Опыт проектных разработок, исследований и промышленной экс­ плуатации бесконтактных управляющих логических устройств из эле­ ментов системы «Логика» показывает их преимущество в надежности, износоустойчивости и сокращении расходов на техническое обслужива­ ние. Для многих, классов промышленных установок, производственных механизмов и технологических процессов выбор элементов серии «Ло- гика-Т» в качестве элементной базы при построении управляющих ло­ гических устройств является экономически обоснованным.

Анализ структуры системы логического управления показывает, что она состоит из трех основных функциональных частей.

Входная часть воспринимает с помощью датчиков релейного дей­ ствия непрерывные и дискретные сигналы различной природы, характе­ ризующие состояние управляемого процесса, технологического-оборудо­ вания и внешней среды, преобразует их в унифицированные двоичные электрические сигналы и вводит эту информацию в логическую часть системы.

Логическая часть осуществляет преобразование двоичной информа­ ции в соответствии с алгоритмом управления и формирует управляю­ щие воздействия, направляемые в выходную часть системы.

Выходная часть усиливает управляющие воздействия, преобразует их в сигналы, обеспечивающие срабатывание исполнительных механиз­ мов, и подает на них командные воздействия, информационные сигналы

с обеспечением логической части систем управления, реализуемых на базе элементов серии «Логика». Созданию более совершенных бескон­ тактных систем логического управления препятствует мало освоенное промышленное производство бесконтактных датчиков, кнопок управле­ ния, путевых и конечных выключателей и других элементов входной ча­ сти систем управления.

Разработанные тиристорные усилители релейного действия [67] до настоящего времени широкого распространения не получили в связи с их высокой стоимостью.

Унификация систем логического управления должна проводиться обязательно комплексно, т. е. для входной, логической и выходной ча­ стей совместно. При подборе или разработке элементов входной части системы управления необходимо стремиться к исключению согласую­ щих элементов, преобразующих сигналы датчиков для ввода в логи-

186

входную информацию в виде двоичных унифицированных сигналов. Для элементов серии «Логика-Т» сигнал, принятый как 1, ограничивается диапазоном — 4-^12 В, а сигнал, обозначаемый как 0, — диапазоном 0-^1 В. Поэтому если входная информация от датчиков поступает в виде сигналов переменного напряжения 127 или 220 В, то перед логическим блоком необходимо включение входного блока (ВБ) с согласующими функциональными элементами. Усилительный блок (УБ) необходим

случае, если командные сигналы должны быть поданы на контактор или магнитный пускатель (МП).

Управляющие логические устройства применяются в виде логиче­ ских блоков, логических станций управления и управляющих логиче­ ских машин.

Логический блок (Л Б) реализует строго определенный алгоритм управления одним исполнительным механизмом или несколькими меха­ низмами, управляемыми одной командой, и представляет собой функ­ ционально и конструктивно объединенную совокупность типовых функ­ циональных узлов, унифицированных модулей и логических элементов, а также других аппаратов и деталей, размещаемых на монтажных платах.

При этом в блоке располагается аппаратура для формирования сгного или нескольких функциональных узлов.

Функциональный узел есть схема, выполняющая определенную опе­ рацию управления или функцию формирования, усиления, преобразова­ ния, сигнала и имеющая законченное схемное оформление. Типовые функциональные узлы схем автоматизации создают возможность для разработки рациональной системы блоков устройств автоматики.

Функциональные узлы реализуются на унифицированных функцио­ нальных модулях и логических элементах.

187

Функциональный модуль представляет собой функционально свя­ занную совокупность элементов, законченную в конструктивном отно­ шении и реализующую определенные логические функции (И, ИЛИ, НЕ, ЗАДЕРЖКА и т. п.). В одном модуле могут быть размещены один, два и более логических элементов.

Логический элемент реализует элементарные логические функции. Логическая станция управления (ЛСУ) реализует алгоритм управ­ ления технологическим агрегатом или технологической системой, в со­ став которых входят различные исполнительные механизмы, и пред­ ставляет собой функционально и конструктивно объединенную совокуп­ ность логических блоков, блоков питания и другого вспомогательного

оборудования.

Управляющая логическая машина (УЛМ) реализует алгоритм управления группой технологических агрегатов или производственным процессом и представляет собой функционально и конструктивно объ­ единенную совокупность логических блоков, логических станций управ­ ления и другого вспомогательного оборудования: блоков питания, бло­ ков самоконтроля, блоков сигнализации, пультов управления и т. п. Управляющая логическая машина может взаимодействовать с ЭВМ, обеспечивающей оптимизацию процесса управления путем оперативного изменения алгоритма работы УЛМ.

Системы управления, построенные на базе управляющих логиче­ ских устройств совместно с другими средствами автоматизации и пред­ назначенные для осуществления функций управления производственны­ ми процессами в соответствии с заданными заранее или определяемыми в процессе управления логическими алгоритмами, называются систе­ мами логического управления.

Под логическим алгоритмом понимают алгоритм, состоящий из по­ следовательности двузначных или многозначных, временных или невре­ менных логических функций. Основным типом сигнала, с помощью ко­ торого в системе логического управления передаются информационные сигналы и команды, является унифицированный двоичный электриче­ ский сигнал I/O (ДА'-НЕТ).

Рассматривая иерархическую структуру системы управления ре­ лейного действия, можно сделать вывод о том, что основой и непремен­ ной составной частью всех видов управляющих логических устройств, а следовательно, и построенных на их базе систем логического управ­ ления являются логические блоки. Алгоритм функционирования и соот­ ветственно структура блоков определяются их назначением и отлича­ ются значительным многообразием.

Многообразие алгоритмов и структур логических блоков затрудняет разработку унифицированной системы блоков и приводит к необходи­ мости анализа и обобщения алгоритмов управления различными испол­ нительными механизмами в разных отраслях промышленности.

В этом направлений выполнен ряд работ. Среди них следует отме­ тить создание комплекса технических средств локальных информацион- но-упрявляющих систем (КТС ЛИУС), предназначенного для построе­ ния автоматических систем централизованного контроля, цифрового регулирования и логического управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности [28, 94]. Разработан агрегатный комплекс средств вычислительной техники (АСВТ), представляющий собой набор устройств, позволяющих комплектовать управляющие и информационные вычислительные системы для технологических объек-

188

тов и промышленных предприятий [71]. Разработаны унифицированные средства автоматики и телемеханики из бесконтактных логических эле­ ментов применительно к управлению поточно-транспортными система­ ми [75].

9-S. УСЛОВИЯ и ПРИНЦИПЫ УНИФИКАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ И БЛОКОВ

Управляющие логические устройства, независимо от степени уни­ фикации, должны удовлетворять ряду общих требований, к которым относятся:

высокая эксплуатационная надежность, устойчивость к механиче­ ским воздействиям и защищенность от неблагоприятных воздействий окружающей среды;

технологичность изготовления, простота технического обслуживания, удобство проведения проверочных испытаний, ремонта и замены дета­ лей, элементов и электроаппаратов;

технико-экономическая целесообразность и эффективность приме­ нения.

В основу разработки комплекса унифицированных логических бло­ ков должны быть положены следующие системотехнические принципы:

унификация структур и сопряжений; унификация элементной и конструктивной баз;

совместимость информационная (виды сигналов и носителей инфор­

ные размеры, взаимозаменяемость вне зависимости от места установки блоков);

обесценение необходимых эксплуатационных характеристик, исходя из единых технических требований к блокам и другим устройствам с учетом их работы в промышленных условиях;

образование функционально-полного параметрического ряда с наи­ меньшим количеством типов блоков и максимально возможным исполь­ зованием элементов, входящих в состав блоков;

агрегатирование технических средств путем сочетания минимально­ го количества типовых блоков и устройств для комплексного решения задач автоматизации управления технологическими процессами и про­ мышленными установками.

Реализация изложенных принципов позволяет рационально проек­ тировать системы логического управления на основе применения типо­ вых схемных решений, сократить объем и сроки проектирования, вве­ сти автоматизацию проектирования систем. Значительно уменьшаются сроки и стоимость изготовления блоков, повышается их надежность за счет специализации ■производства деталей и конструкций, ускоряются монтаж и наладка, облегчаются техническое обслуживание и техниче­ ский диагноз состояния управляющих логических устройств, увеличи­ вается ремонтоспособность систем управления. За счет согласованности по входным и выходным сигналам, параметрам питания, габаритным, установочным и присоединительным размерам обеспечивается сопряже­ ние блоков между собой и другой аппаратурой. Создаются условия для эффективного проектирования систем логического управления различ­ ного характера и назначения из ограниченного набора типовых блоков

189

путем их электрического и конструктивного объединения с помощью унифицированных сопряжений. Облегчается модернизация системы управления, которая может осуществляться посредством замены некото­ рых блоков и устройств без изменений в остальных частях системы.

9-3. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ УНИФИЦИРОВАННЫХ УЗЛОВ И БЛОКОВ

При разработке системы унифицированных блоков можно выделить несколько направлений.

Одним из них является создание универсальных блоков, примени­ мых для реализации многих алгоритмов. Если блоки предназначаются для реализации элементарных алгоритмов, их структура будет относи­ тельно простой, близкой к структуре логических элементов и модулей с сохранением присущих им свойств. Задачи унификации блоков при этом, однако, не получают существенного решения. Если блоки пред^ назначаются для реализации любого из возможных алгоритмов функ­ ционирования для определенного класса технологического оборудова­ ния, то их структура будет существенно сложнее. В этом случае потре­ буются многофункциональные блоки с неизбежной высокой избыточ­ ностью входящих в их состав элементов при реализации несложных функциональных узлов. Одним из вариантов блоков такого вида могут быть однородные структуры из настраиваемых элементов [10].

Другое направление связано с созданием агрегатных комплексов средств автоматизации различного назначения для информационных, измерительных, вычислительных, управляющих и других систем. Уни­ фицированные блоки, входящие в каждый из этих комплексов, пред­ назначаются для реализации вполне определенных функций и алгорит­ мов и используются в системах независимо или совместно. К этому на­ правлению непосредственно относится и создание систем унифициро­ ванных логических блоков применительно к определенным классам производственного оборудования.

Разработка системы типовых унифицированных блоков состоит из следующих этапов [55].

1.Выбор широкого класса производственного оборудования, изуче­ ние технологического процесса, условий работы механизмов, условий оперативного управления и технического обслуживания. К таким клас­ сам оборудования можно отнести общепромышленные установки и ме­ ханизмы, например насосные, компрессорные и другие энергетические установки, лифты, механизмы непрерывного транспорта, поточно-транс­ портные системы, многопостовые сварочные и преобразовательные уста­ новки, операторы, штабелеры и т. п.

2.Классификация механизмов по выделенным для выбранного

класса установок признакам и разделение механизмов иа функцио­ нальные группы одного типа. Классификационными признаками явля­ ются назначение механизма, принцип действия, тип и параметры элек­ тропривода, условия функционирования, способ регулирования произ­ водительности, вид управления и т. д.

3. Анализ технологического процесса и систематизация функций, выполняемых исполнительными механизмами, с использованием техни­ ческой документации, включающей технологические циклограммы, ки­ нематические схемы, функциональные и принципиальные схемы и т. д.

Составление словаря входных, выходных и промежуточных логи­ ческих переменных.

198