Исполнительные устройства и исполнительные механизмы

Исполнительные устройства и механизмы преобразуют электрическую энергию в механическую или физическую величину для воздействия на управляемый процесс. Как уже говорилось, исполнительные механизмы служат для преобразования электрической энергии в движение. В качестве исполнительных механизмов чаще всего выступают электродвигатели, которые используются в роли приводов насосов и вентиляторов, применяются для перемещения манипуляторов роботов и т.п. К исполнительным механизмам относят и электромагнитные клапаны, где в качестве привода используется соленоид.

Исполнительные устройства используются для преобразования электрической энергии в другие виды энергии (индукционные печи, печи сопротивления, микроволновые печи, лазеры). Для работы исполнительных механизмов обычно требуется электроэнергия большой мощности, подачей которой управляет также исполнительное устройство, поэтому понятие «исполнительное устройство» является обобщающим.

Следует отметить, что исполнительные устройства лишь опосредованно влияют на параметры физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, а исполнительные устройства управляют подводом тепла. И уже от динамических характеристик физической системы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.

Требования к исполнительным устройствам – потребляемая мощность, разрешающая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т.д. – могут существенно различаться в зависимости от конкретного технологического процесса. Для успешного управления процессом правильный выбор исполнительных устройств так же важен, как и правильный выбор датчиков.

Для перемещения клапанов часто применяется сжатый воздух. Если необходимо развивать значительные усилия, обычно используют гидропривод. Электрический сигнал компьютера должен быть преобразован в давление или расход воздуха либо масла. Бинарное управление обеспечивается электромеханическими реле или электронными переключателями.

 

2. АППАРАТНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭВМ

 

   2.1. ОСНОВЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АППАРАТНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭВМ

Управляющие компьютеры, применяющиеся для построения систем цифрового управления могут значительно отличаться друг от друга, как по конструктивному исполнению, так и по вычислительной мощности. Обычно выбор компьютера обусловлен требованиями технического процесса по количеству подключаемых датчиков и исполнительных механизмов, сложностью управляющего алгоритма, а также требованиями по быстродействию системы. Основные свойства и тенденции развития современных управляющих ЭВМ (УВМ) можно сформулировать следующим образом [9].

1) Магистрально-модульное исполнение. Модульность – свойство УВМ, означающее конструктивное выполнение всех узлов УВМ в виде набора функционально законченных автономных модулей, имеющих одинаковый интерфейс с общей магистралью или шиной, таким образом, подразумевается, что все модули связаны между собой через одинаковые разъёмы с параллельно соединёнными контактами. Каждый контакт и соединяющая их линия имеют определённое назначение и наименование. Временные и электрические параметры сигналов также определены правилами, созданными для конкретного типа шины.

Модульность позволяет легко заменять вышедшие из строя модули, т.е. повышается ремонтопригодность системы.

2) Гибкость − свойство модульных УВМ легко изменять свою структуру за счёт различного сочетания модулей. Кроме того, под гибкостью системы понимается возможность осуществления модернизации УВМ за счёт независимой модернизации каждого из модулей. Облегчается разработка новых систем и увеличивается срок морального старения за счёт применения комбинации новых и уже существующих модулей, повышаются регулярность структуры и, как следствие, контрольно-диагностические качества, обеспечивается простота переориентации УВМ на другой объект управления.

3) Наращиваемость (масштабируемость) − свойство, заключающееся в возможности простого увеличения или уменьшения количества модулей УВМ.

4) Многофункциональность − свойство УВМ, означающее, что она не имеет жёсткой специализации и привязки к объекту управления и, соответственно, может выполнять разные функции.

5) «Интеллектуальность» – свойство большинства модулей современных УВМ, связанное с наличием в них микроконтроллеров или микропроцессоров, работающих по своей индивидуальной программе, уровень интеллектуальности

можно легко увеличивать в уже работающей УВМ путём модификации программного обеспечения модулей.

6) Конструктивное единство – понятие, означающее конструктивное единообразное исполнение всех модулей УВМ.

Развитие магистрально-модульных УВМ предполагает обеспечение принципа максимальной универсализации, состоящего в том, что каждый вводимый в состав УВМ модуль должен обеспечивать построение системы, удовлетворяющей требованиям максимального числа применений.

Кроме того, очевидно выполнение принципа асинхронности и минимальности количества сигналов управления, упрощающего протокол обмена между модулями, повышающего надёжность связи и быстродействие обмена.

  2.2. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ

В большинстве случаев, при построении автоматизированных систем управления технологическими процессами, используются программируемые логические контроллеры (ПЛК, PLC – Programmable Logic Controller).

Первоначально термином ПЛК обозначали специальные УВМ, предназначенные для выполнения операций переключения в промышленных условиях. В настоящее время это название не соответствует действительности, т.к. ПЛК сегодня могут гораздо больше, чем просто выполнять логические операции. Однако эта аббревиатура сохранена, чтобы избежать путаницы с более общими терминами (программируемый контроллер – ПК, персональный компьютер – ПК).

Конструктивно ПЛК обычно приспособлены для работы в типовых промышленных условиях, с учётом уровней сигналов, термо- и влагостойкости, ненадёжности источников питания, механических ударов и вибраций. Кроме того, термин ПЛК отображает ещё одну особенность конструктивного исполнения такой УВМ – это отсутствие интерфейса с оператором. Т.е. в состав типового ПЛК не входят ни клавиатура, ни мышь, ни монитор – ничего из тех устройств, которые используются оператором для взаимодействия с обычным компьютером. Конечно, в случае необходимости ПЛК может быть оснащён средствами отображения информации, однако его основная задача – обмен информацией с техническим процессом, а не с человеком.

Типичный программируемый логический контроллер состоит из следующих частей:

• промышленное шасси или крейт (от англ. crate – корзина);

• модуль центрального процессора;

• модули ввода-вывода данных.

Промышленное шасси представляет собой сборный конструктив (рис. 2.1), включающий защитный кожух, пассивную объединительную плату (кросс-плата, backplane), вентиляторы, фильтры, источник питания.

 

 

 

       Рис. 2.1. Промышленное шасси стандарта CompactPCI

 

Защитный кожух изготавливается из прочной стали, возможно, оцинкованной, и алюминиевых элементов. Он обеспечивает защиту компьютера от пыли, вибрации, влаги, ударов, перегрева, электромагнитных помех и позволяет размещать компьютер в сложных цеховых условиях. В шасси устанавливаются и фиксируются электронные компоненты компьютера. Пассивная объединительная плата, которая содержит несколько разъёмов, служит для электрического объединения электронных компонентов. Тип разъёмов определяется стандартом шины.

Модуль центрального процессора (одноплатный компьютер), содержит процессор и оперативную память, контроллер шины и контроллер интерфейса для программирования. В некоторых случаях здесь же может размещаться и контроллер сети.

Модуль центрального процессора устанавливается в один из разъёмов объединительной платы, а остальные заполняются модулями ввода-вывода данных.

Пользователь может выбрать наиболее подходящее шасси, отвечающее лучшим образом требованиям по количеству посадочных мест, мощности источника питания и т.д.

В том случае, когда каждый модуль выполнен в корпусе с соответствующей защитой, промышленное шасси может выродиться до рейки или стойки (rack – стойка), иногда выполняющей функции объединительной платы. В этом случае в состав контроллера должен входить и модуль источника питания.

В качестве системного интерфейса ПЛК используются либо открытые стандарты шин (VME, ISA, CompactPCI), либо собственные стандарты фирм-изготовителей контроллеров (закрытые стандарты). Естественно, собственные стандарты могут позволить себе только крупные фирмы, которые в состоянии поставлять на рынок весь спектр модулей расширения для своей шины, а также средства программирования таких контроллеров. К таким компаниям относятся Siemens, Schneider Electric, ABB, Mitsubishi.

 

2.5. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ ПЛК