9372

61

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 надѐжность 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 надѐжность.

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 упрощѐнным 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

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.

62

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.

Т а б л и ц а 2.2

Условные обозначения логических элементов и их состояния

В соответствии с табл. 2.2 в логическом элементе ИЛИ при наличии сигнала логической 1 хотя бы на одном из входов – на выходе – сигнал принимает значение логической 1. Если все входные сигналы равны логическому нулю, то сигнал на выходе элемента ИЛИ равен логическому нулю. Такие логические операции соответствуют логическому сложению.

Логический элемент ИЛИ – НЕ выполняет операцию логического сложения с отрицанием результата.

Логический элемент И выполняет функцию логического умножения: при наличии сигнала логической 1 на всех входах – на выходе – устанавливается сигнал логической 1, если хотя бы на одном из входов сигнал принимает значение логического 0 – на выходе – также устанавливается сигнал логического 0.

63

Логический элемент И – НЕ выполняет функцию логического умножения с отрицанием результата.

В логическом элементе ПАМЯТЬ (в простейшем исполнении) имеется два входа и два раздельных выхода – y1, y2. По условиям работы этого элемента нельзя подавать сигнал логической 1 одновременно на оба входа: если на входе x1 имеется сигнал, равный логической 1, то на входе x2 – сигнал логического 0, при этом на выходе y1 элемента устанавливается сигнал логической 1, на выходе y2 – сигнал логического 0. Если на входе x1 сигнал логической единицы заменить сигналом логического нуля, то значения выходных сигналов не изменятся, т. е. действие входного сигнала, ранее имевшего значение логической единицы, элементом ПАМЯТЬ «запомнилось». Изменить значение выходных сигналов возможно, если на вход x2 подать сигнал логической 1.

Логические элементы ИЛИ – НЕ, И – НЕ являются базовыми, поскольку на их основе можно выполнять различные логические операции за счѐт соединения их в определѐнной последовательности.

Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент различных логических элементов в микросхемном исполнении. Обычно несколько однотипных логических элементов помещаются в один миниатюрный корпус, имеющий несколько внешних выводов.

Логические элементы применяются как в относительно простых схемах управления, так и в сложных схемах цифровой автоматики с «жѐсткой» программой. «Жѐсткая» программа управления определяется системой внешних соединений между отдельными логическими элементами, в результате программа управления не может быть изменена без перепайки внешних соединений.

2.9. Управляющая вычислительная техника в системах ПСМ

Управляющая вычислительная техника (УВТ) позволила существенно повысить уровень автоматизации технологических процессов. Основные преимущества применения УВТ:

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

возможность быстрого изменения программы и алгоритма управле-

ния;

сравнительно простое обслуживание всей системы автоматизации;

достигнута высокая надѐжность системы управления за счѐт сокращения числа внешних соединений, числа настроек, сокращения числа подвижных элементов, снижения напряжений в блоках обработки сигнала до 1,5

-5 В.

Применение УВТ стало возможным благодаря достижениям современной микроэлектроники.

64

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) определѐнного 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, после-

довательно, процессоры 386, 486, Pentium , Pentium II, Pentium III. В настоя-

щее 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 ПСМ.

Следует отметить, что далеко не во всех системах автоматического управления требуются по быстродействию и объѐму выполняемых операций микропроцессоры уровня Pentium 4. В системах ПСМ во многих случаях требуются менее быстродействующие микропроцессоры уровня 286, 386, 486, а значит и более дешѐвые.

Отдельно взятый микропроцессор никакого управления обеспечить не может, это всего лишь сверхбольшая интегральная схема специального назначения, он должен быть включѐн 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 стѐрлась.

65

Вычислительная техника постоянно совершенствуется, расширяется и круг задач, решаемых с еѐ применением. По мере совершенствования технологии производства вычислительной техники резко уменьшается еѐ 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 тепловыми процессами в ямных камерах требуются сравнительно простые вычислительно-управляющие 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) вводавывода информации. В результате появился класс аппаратурыпрограммируемые логические контроллеры.

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 трудоѐмок.

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

Наличие в системе управления аналого-цифрового и цифро-аналогового 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) задаѐт тактовую частоту, на которой работает микропроцессор.

66

ОЗУ – это оперативное запоминающее устройство, где кратковременно хранятся результаты вычисления на время выполнения определѐнной 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 сокращѐнно называют ППЗУ. При необходимости программа в ППЗУ может быть изменена (перезаписана) с помощью специального устройства – программатора. В этом случае микроЭВМ имеет разъѐм (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).

Рис. 2.32. Функциональная схема системы автоматического управления с применением микроЭВМ

67

Как показано на рис. 2.32, шины справа не ограничены. Это значит, что к этим шинам можно дополнительно подключать ОЗУ, ПЗУ, расширять количество портов ввода-вывода, подключать дополнительные микропроцессоры. Поэтому микроЭВМ является расширяемым (масштабируемым) устройством.

Весь комплекс правил и технических средств микроЭВМ, регламентирующих и обеспечивающих обмен информацией между процессором, ОЗУ, ПЗУ и объектом управления называют интерфейсом (от англ. interface – связующее звено). Составной частью интерфейса являются шины адреса, данных и управления.

Система управления с применением микроЭВМ работает следующим образом. Аналоговые датчики DI … DN вырабатывают сигналы, пропорциональные регулируемым величинам. Аналоговый сигнал датчиков преобразуется в АЦП в дискретную форму. МикроЭВМ принимает информацию от АЦП в дискретной (цифровой) форме и в соответствии с заложенной программой определяет степень еѐ соответствия заданию. Сигнал задания (программа) вводится в ПЗУ с помощью специального программатора.

При отклонении регулируемой величины от заданного значения на выходе микроЭВМ появляется сигнал в дискретной форме, поступающий на ЦАП. В узле ЦАП сигнал из дискретной формы преобразуется в непрерывную форму. Такое преобразование необходимо ввиду того, что исполнительные механизмы работают под воздействием аналоговых сигналов. Исполнительные механизмы воздействуют на соответствующие регулирующие органы, которые изменяют параметры объекта О в требуемом направлении.

Отметим, что, хотя системы управления с применением микроЭВМ функционально и по структуре сложнее по сравнению с системами, выполненными на транзисторах и логических элементах, но они дешевле благодаря достижениям современной микроэлектроники.

3. ПРИМЕРЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Выделим предварительные замечания. В соответствии с нормативными документами регуляторы давления в технологической схеме автоматизации упрощѐнно изображается, как показано на рис. 3.1.

РС

Рис. 3.1. Условное обозначение регулятора давления в технологических схемах автоматизации

68

Регулятор расхода в технологических схемах автоматизации показан на рис. 3.2.

FC

Рис. 3.2. Условное обозначение регулятора расхода

втехнологических схемах автоматизации

3.1.Пример автоматизации нагревательной печи или камеры, работаю-

В качестве примера автоматизации рассмотрим печь для термообработки изделий; топливо для печи – природный газ.

Рациональное использование природного газа требует постоянного внимания к вопросам его экономии. Эту задачу можно решить только средствами автоматического управления печи, экономное расходование топлива возможно только при использовании автоматических систем регулирования. Кроме того, при эксплуатации газоиспользующих установок особое требование предъявляется к выполнению условий техники безопасности. Правильная и безопасная эксплуатация печей, работающих без применения средств автоматизации, невозможна. Использование автоматики в цехе даѐт возможность сократить расход топлива, обеспечить безопасность использования газа. Надѐжная, экономичная и безопасная работа системы газоснабжения с минимальным числом обслуживающего персонала может осуществляться только при наличии автоматического регулирования и управления.

Общие требования к автоматизации печей

Целью автоматизации является:

обеспечение выработки необходимого количества теплоты при заданных параметрах;

достижение экономии сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд установки;

доведение потерь теплоты до минимума;

обеспечение надѐжности и безопасности работы каждого агрегата без участия оператора.

Регулируемые и контролируемые параметры печи

К регулируемым параметрам печи относятся: температура, разрежение в топке, давление газа перед горелкой. Контролируемый параметр печи – наличие факела в зоне горения.

69

Регулятор температуры обеспечивает поддержание температуры в рабочем пространстве печи за счѐт изменения количества подаваемого газа и воздуха.

Регулятор разрежения поддерживает постоянное разрежение в топке печи изменением проходного сечения направляющего аппарата дымососа (при этом частота вращения лопастей вентилятора постоянна).

Для каждой печи предусмотрен регулятор давления газа перед горелками. Основная функция регулятора давления – поддержание заданного давления газа, подаваемого к горелкам. При повышении или понижении давления газа перед горелками на 20 – 25 % против установленного максимального или минимального значения его подача прекращается. Перед регулятором давления газа устанавливается клапан-отсекатель, обеспечивающий прекращение подачи газа при аварийном отключении сетевого напряжения, а также при неисправностях в электронных устройствах системы управления. Горение факела в топке отслеживается автоматом контроля пламени.

Структурная схема системы автоматического регулирования температуры в топке печи показана на рис. 3.3.

Регулятор температуры в топке печи работает по структурной схеме, из которой видно, что с помощью задающего устройства ЗУ устанавливается необходимая температура в печи t0 . В печи измеряется фактическое значе-

ние температуры tф с помощью термопары и прибора, например, КСП-4 или

программируемого логического контроллера. Прибор КСП-4 представляет собой электронный потенциометр со встроенным блоком регулирования. В элементе сравнения ЭС прибора КСП-4 определяется разность значений t0 и

tф , т.е. отклонение температуры в печи. Элемент сравнения ЭС входит в со-

став прибора КСП-4 как конструктивный узел. Далее через усилительпреобразователь УП и исполнительное устройство ИМ вырабатывается регулирующее воздействие y t , то есть определѐнный характер перемещения ре-

гулирующего органа РО.

Рассматриваемая структурная схема позволяет поддерживать заданное значение температуры в топке печи: если температура в печи понизилась как результат, например загрузки новой партии инструмента, то регулирующий клапан будет приоткрыт на большее проходное сечение, и температура в печи достигнет заданного значения.

Рис. 3.3. Структурная схема системы автоматического регулирования температуры в топке печи:

ЗУ – задающее устройство для задания температуры в топке печи; ЭС – элемент сравнения; УП – усилительно-преобразовательное устройство, входит в состав электронного блока

вторичного прибора КСП-4 с блоком регулирования; ИМ – исполнительный механизм – электродвигатель с редуктором; РО – регулирующий орган – двухседельный регулирующий клапан; О – объект регулирования – печь для нагрева инструмента; ЧЭ – чувствительный элемент – термопара; F – внешнее воздействие на печь, приводящее к измене-

нию температуры, например, загрузка холодной партии инструмента; t0 – заданное значение регулируемой величины – температуры; tф – фактическое значение регулируемой

клонение температуры в печи от заданного значения)

Кроме регулятора температуры, автоматика печи имеет регулятор подачи воздуха в зависимости от расхода газа и регулятор разрежения в топке. Регулятор разрежения обеспечивает полное удаление продуктов сгорания в атмосферу и предотвращает их попадание в цех через неплотности загрузочного устройства.

Технологическая схема автоматизации печи

На технологической схеме автоматизации показаны все устройства автоматического управления и контроля в виде принятых условных обозначений (рис. 3.4).

Технологическая схема автоматического контроля и управления предназначена для отображения основных технических решений, принимаемых при проектировании системы автоматизации технологических процессов. Она является одним из основных документов проекта и входит в его состав при разработке технической документации на всех стадиях проектирования.

В процессе разработки функциональной схемы формируется структура создаваемой системы и функциональные связи между объектом управления –