Глава 13. Системы автоматического контроля и сигнализации

1. СТРУКТУРА И ВИДЫ СИСТЕМ

В современных литейных и термических цехах число контролируемых параметров технологических процессов стано­вится настолько большим, что оператор не в состоянии следить за показаниями приборов и делать правильные выводы из полу­чаемой информации. В связи с этим возникла необходимость в создании систем централизованного контроля, с помощью которых можно было бы осуществлять быстродействующий после­довательный опрос состояния контролируемых величин, произ­водить простейшую обработку и регистрацию получаемой ин­формации.

В)

а)

Рис. 113. Схемы системы автоматического контроля: а — иебвлансной; б — балансной

Системы автоматического контроля предназначены для кон­троля параметров технологических процессов, сигнализации о на­рушениях их нормального протекания, а также для контроля количества или качества обрабатываемых изделий.

Система автоматического контроля (рис. 113, а) представляет собой совокупность отдельных элементов, последовательно воздей­ствующих друг на друга. Изменение контролируемого пара­метра в объекте контроля 1 воспринимается измерительным элементом — первичным преобразователем 2, который преобра­зует поступивший на его вход какую-либо физическую величину А в сигнал X, способный воздействовать на исполнительный эле­мент 3. Результат действия У исполнительного элемента подается на воспроизводящий элемент 4, который записывает или показы­вает текущее значение контролируемого параметра.

В зависимости от функции воспроизводящего элемента системы автоматического контроля подразделяются на системы: измере­ния, сигнализации и сортировки (система контроля готовой продукции).

В автоматических измерительных системах воспроизводящий элемент указывает или регистрирует текущее значение контроли­руемого параметра. Как правило, эта система представляет собой прибор, предназначенный для одного параметра (температуры, давления, запыленности и т. д.).

Автоматическая сигнализирующая система используется для оповещения обслуживающего персонала о возникших отклоне­ниях в контролируемом объекте путем подачи звуковых или све­товых сигналов. Системы автоматической сигнализации в зави­симости от их назначения подразделяются на контрольные и предупредительные.

Автоматическая система сортировки осуществляет контроль обработанных изделий по их качественным и количественным признакам.

По структуре автоматические системы измерения делят на системы с разомкнутой структурой, т. е. системы прямого пре­образования (называемые также небалансными), и с замкнутой структурой, т. е. балансные системы.

Небалансные системы (см. рис. 113, а) основаны на непосредст­венном измерении выходного сигнала первичного преобразователя. Все преобразования от выходного сигнала преобразователя X до выходного сигнала Y всей системы имеют одно направление: от входа системы к выходу.

Балансные системы (рис. 113, б) имеют замкнутую схему. В них контролируемая величина А уравновешивается известной величиной того же рода (например, напряжение уравновешивается напряжением). Выходная величина первичного преобразователя используется для компенсации (уравновешивания) входной изме­ряемой величины. К основной (прямой) цепи балансной системы добавляется обратная связь. В прямую цепь дополнительно вводятся элементы сравнения 5 и усиления 6. В обратную цепь входит балансирующий элемент 7, преобразующий выходной сигнал системы Х_ВЫ1 в компенсирующий Х_к. На выходе элемента сравнения образуется разность АХ = X — Х_к. Если эта раз­ность равна нулю, то система находится в равновесии и показания воспроизводящего элемента соответствуют измеряемой вели­чине А. При возникновении разбаланса ДХ балансирующий элемент изменяет значения Х_к до наступления нового равенства с изменившимся значением X. Показание воспроизводящего элемента изменяется пропорционально АХ.

В зависимости от характера процесса уравновешивания во времени балансные системы делят на системы непрерывного ба­лансирования (следящего уравновешивания) и системы периоди­ческого балансирования (развертывающего уравновешивания).

В системах непрерывного балансирования балансирующая Х_к и выходная Х_вых величины непрерывно следят за изменениями входной контролируемой величины А. При неизменной входной величине А = const все элементы этих систем находятся в со­стоянии равновесия.

В системах периодического балансирования уравновешивающая величина X изменяется через определенные моменты времени по заданному закону независимо от изменения значения А. Перед каждым новым циклом уравновешивания значение выходной величины сбрасывается на нуль. При А = const все элементы непрерывно работают.

По виду выходного сигнала измерительные системы подразде­ляют на аналоговые, в которых используются стрелочные при­боры, и системы с цифровым отсчетом, получившие наибольшее распространение. *

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ЦИФРОВЫМ ОТСЧЕТОМ

В настоящее время все более широкое распространение получает дискретное (цифровое) воспроизведение измеряемой величины, которая обычно является непрерывной (аналоговой) функцией времени.

В цифровых приборах измеряемая величина представляется в дискретной форме (числом), т. е. в виде окончательного резуль-

Рис. 114. Виды квантования сигналов: а — по уровню: б — по времени; в — по уровню и по вре-

Рис. 115. Цифровая газоразрядная лампа

тата измерения. Все бесконечное множество значений измеряемой величины в заданных пределах заменяется в цифровом приборе ограниченным рядом числовых значений, например, в четырех­декадном цифровом приборе'—ограниченным рядом значений от 1 до 9999. Дискретная форма измеряемой величины обычно представляет собой определенное число электрических импульсов или их определенную комбинацию — код.

Дискретная форма представления величины по сравнению с аналоговой более удобна для визуального отсчета и регистра­ции, а также для передачи на расстояние. Применение приборов с цифровым отсчетом исключает субъективную погрешность от­счета.

При измерении числовое значение контролируемой величины определяется в процессе квантования. Квантованием называется процесс преобразования непрерывных (аналоговых) величии в дис­кретные. Различают три вида квантования: по уровню, по вре­мени и смешанное по уровню и по времени.

Квантованием непрерывной величины по уровню (рис. 114, а) называют операцию, при которой непрерывная функция заме­няется определенными дискретными значениями. Диапазон зна­чений измеряемой величины X разбивается на одинаковые интер­валы, называемые шагом квантования ДХ, и вместо действи­тельных значений измеряемой величины воспроизводятся бли­жайшие дискретные к ним значения.

Квантованием по времени (рис. 114,6) называется замена непрерывной величины ее значениями, взятыми в определенные дискретные моменты времени т_к, 2т_к, ..., т_к, где величина т_к называется периодом дискретности или интервалом кванто­вания.

В цифровых измерительных приборах измеряемая величина преобразуется в число в результате комбинированного квантова­ния (по уровню и по времени) — цифрового кодирования (рис. 114, е).

Для перехода от непрерывных значений измеряемого пара­метра в цифровой код автоматические измерительные приборы с цифровым выходом имеют аналого-цифровые преобразова­тели, осуществляющие преобразование непрерывных выходных сигналов первичных преобразователей в соответствующие им цифровые коды. Аналого-цифровой преобразователь является одним из основных узлов цифровой системы- автоматического измерения.

Существующие аналого-цифровые преобразователи по кон­структивному признаку делят на электромеханические и электрон­ные, а по виду аналоговой величины — на преобразователи меха­нических перемещений (линейных и угловых) и преобразователи электрических величин (токов, напряжений и т. д.).

Для воспроизведения показаний в цифровой форме приме­няют цифровые указатели (индикаторы) и регистраторы. Инди­каторы выдают результаты измерений в цифровой форме для непо­средственного восприятия оператором. Регистраторы воспроиз­водят результаты измерений также в цифровой форме и хранят их для дальнейшего непосредственного восприятия.

По принципу действия и конструктивному исполнению циф­ровые индикаторы выполняются в виде электромеханических устройств, цифровых ламп, электролюминесцентных знаковых элементов, устройств с подсветкой изображаемых цифр («световое табло»), электронно-лучевых трубок и др.

Цифровые индикаторы электромеханического типа представ­ляют собой набор колес или непрерывных лент вращения, на которых нанесены изображения цифр. Эти индикаторы приме­няют главным образом в медленно действующих приборах, на­пример в электрических счетчиках, массоизмерительных прибо­рах различного рода и др.

В индикаторах на цифровых лампах для изображения цифр применяют газоразрядные лампы. Такая лампа (рис. 115) пред­ставляет собой стеклянную цилиндрическую колбу, заполненную неоном. Внутри колбы расположены десять катодов, которые выполнены из нихромовых проволочек, изогнутых в форме цифр от 0 до 9, и один сетчатый’ анод, охватывающий пакет катодов. При подаче напряжения на один из катодов между ним и анодом возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность катода, который начинает светиться, и очертания данной цифры становятся видимыми.

Электролюминесцентные знаковые индикаторы выполняют обычно из семи (иногда больше) изолированных полосок, обра-

Рис. 116. Электролюминесцентный знаковый индика- _г тор:

1 // // // // И // /■' и ■'/ /! /! /!

5 зующих цифру 8. При подаче возбужда­ем ющего напряжения на соответствующие по­

лоски возникает светящееся изображение любой десятичной цифры.

Принцип действия индикатора состоит в использовании явления электролюмине­сценции, заключающегося в возникновении свечения люминофора (например, различных соединений фосфора) под воздействием элек­трического поля. Принципиально электро­люминесцентный индикатор (рис. 116) яв­ляется конденсатором с общим электродом 2, выполненным в виде прозрачной токопрово­дящей пленки из оксида кадмия, нанесенной на стекло 1. Второй электрод 4 конденса­тора представляет собой изолированные друг от друга непрозрачные проводящие полоски из алюминия, отражающие свет, излучаемый люминофором 3. Электролюмино- форный слой — смесь порошкообразного фосфора с диэлектри­ком — расположен между электродами 2 и 4 конденсатора. Кон­денсатор помещен в корпус 5 из диэлектриков. Для получения изображения нужной цифры напряжение подводят к определен­ным полоскам. Например, для получения цифры 2 необходимо включить пять полосок (на рис. 116, б, включенные полоски заштрихованы). Считывание происходит со стороны стекла, на котором темные полоски 4 отражают излучение люминофора, при этом очертание цифр возникает на темном фоне.

Регистрирующие устройства по их назначению можно разбить на две группы: цифропечатающие, выдающие результаты измере­ния для непосредственного восприятия их оператором; запоми­нающие, предназначенные для хранения и дальнейшей перера­ботки информации. Их конструкция рассмотрена в гл. 20.

3. СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО КОНТРОЛЯ

Для уменьшения числа индивидуальных приборов применяют системы централизованного обегающего контроля. Основным техническим средством этих систем являются машины централизованного контроля, которые собирают, хранят и пере­рабатывают по определенному закону (алгоритму) информацию о ходе производственного процесса, поступающую от различных первичных преобразователей.

В этих системах показания всех приборов в форме электри­ческих сигналов считываются в определенной последовательности обегающим устройством и перерабатываются в цифровую инфор­мацию, которая печатается в виде таблицы.

К машинам централизованного обегающего контроля можно присоединить первичные преобразователи, у которых выходной величиной является термоЭДС или изменение электрического сопротивления. Последовательное подключение к измеритель­ному устройству машины централизованного обегающего контроля различных преобразователей требует от последних максимальной унификации выдаваемых сигналов по их виду и значению.

Рассмотрим принципы действия и типовую схему машины централизованного контроля (рис. 117). Основные функции, вы­полняемые машиной, следующие: опрос первичных преобразова­телей и сравнение полученных значений с заданной нормой; световая (звуковая) сигнализация и цифровая регистрация откло­нений; измерение контролируемой величины и представление результатов измерения (в виде показания стрелочного прибора, цифрового указателя нли записи) по запросу оператора; вычисле­ние и анализ технико-экономических показателей, характеризу­ющих объект контроля; цифровая регистрация измеренных и вычисленных значений параметров с заданной периодичностью, в том числе на перфокартах или магнитных лентах, для последу­ющей обработки на вычислительной машине; цифровая регистра­ция значений параметров по запросу оператора.

На вход машины от первичных преобразователей Д1 ... ДЗ поступают сигналы в аналоговой форме, чаще всего в виде напря­жения или постоянного тока. Входной переключатель 2 по оче­реди подключает преобразователи к узлу обнаружения отклоне­ния 4, фиксирующему отклонение контролируемого параметра от установленных задатчиком 1 пределов. При наличии отклоне-

Рис. 117. Типовая схема устройства централизованного контроля

ния с учетом знака последнего («меньше», «больше») через выход­ной переключатель 5, работающий синхронно с входным, сигнал поступает на выходные реле Р1 ... РЗ. Реле срабатывает и вклю­чает индикаторную лампу (Л М—«меньше», Л Б—«больше»). Для цифрового представления значения контролируемого пара­метра преобразователи через входной переключатель 11 подклю­чены к аналого-цифровому преобразователю 9, который выдает цифровой код, полученный в преобразователе; этот код исполь­зуется в печатающем устройстве 8, регистрирующем значения контролируемых параметров, и в блоке логики 6, служащем для выявления причин нарушения работы объекта контроля, анализа причин аварий и т. д.

Печатающее устройство регйстрирует значения всех или опре­деленным образом выбранных контролируемых параметров. При регистрации всех параметров машина как бы опрашивает все каналы контроля, поэтому такая печать называется опросной. Опросная печать может запускаться либо автоматически в зара­нее выбранные и введенные в блок управления 3 моменты вре­мени (периодическая регистрация), либо по произвольному вы­бору оператора с помощью блока выбора 10. Кроме того, этот блок позволяет вызвать данный параметр на показывающий и записы­вающий приборы. Визуальное наблюдение за параметрами осу­ществляется также с помощью цифрового показывающего при­бора 7, на который оператор может вызвать значение любого контролируемого параметра из аналого-цифрового преобразова­теля либо из вычислительного устройства.

Информация, подлежащая обработке, поступает в вычисли­тельное устройство, которое хранит результаты обработки в своей оперативной памяти и может выдавать их по требованию на печатающее устройство или цифровой показывающий прибор.

Промышленность выпускает различные виды устройств цен­трализованного автоматического контроля. К их числу относятся ЭЛРУ-2, МАР-1, ЗЕНИТ-1 и др.

ЭЛРУ-2 (электронное логическое регистрирующее устройство) предназначено для автоматического централизованного измере­ния и цифровой регистрации на специальных бланках в виде таб­лиц параметров технологических процессов, а также для сигна­лизации при выходе этих параметров за пределы заданных зна­чений. ЭЛРУ-2 может быть использовано для измерения и реги­страции температуры, состава газовой фазы, давления, расхода и т. п. К устройству ЭЛРУ-2 может быть подключено 56 преоб­разователей.

МАР-1 служит для централизованного автоматического изме­рения и сигнализации 240 параметров и цифровой регистрации 200 параметров технологических процессов.

ЗЕНИТ-1 предназначен для измерения цифровой регистра­ции, сигнализации и позиционного регулирования 40 параметров технологических процессов.

МАРС-200-Р обеспечивает контроль по 200 параметрам тех­нологических процессов и регулирование по 144 параметрам. Наиболее успешно машина работает при контроле температуры, реагируя на отклонение температуры до ±1 °С.

Дальнейшим развитием централизованного контроля являются машины, содержащие блоки математической обработки получен­ной информации и выдачи результатов в соответствии с законом управления. Такие машины называют управляющими вычисли­тельными машинами (УВМ).

4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Предупредительная сигнализация извещает обслужи­вающий персонал о различных режимах работы оборудования или о непредвиденном его выключении, вызванном неисправно­стью или внешними причинами. Получаемая обслуживающим пер­соналом информация может быть как звуковой, так и световой.

Для подачи звуковых сигналов используются сирены, звонки, гудки, зуммеры и магнитофоны с предварительно записанными сообщениями. Громкость и частота звукового сигнала должны обеспечивать его хорошую слышимость на фоне производствен­ных шумов (уровень сигнала должен быть выше на 10 дБ общего шума). Повышенной надежностью обладают модулированные (по высоте) и прерывающиеся во времени звуки.

В качестве визуальных сигнализаторов используются свето­вые приборы: фонари, прожекторы, табло, транспаранты

с надписью, указывающие характер событий, электромеханиче­ские реле с сигнальными флажками.

Отдельные сигнализаторы могут объединяться в комплекс (на пультах управления), дающий изображение текущего состоя­ния контролируемого объекта.

Конструкция и параметры светосигнальных устройств должны обеспечивать надежное фиксирование сигнала глазом человека. Для этого необходимо создавать такую освещенность, при которой начинает восприниматься цвет сигнала. Сигнальные цвета должны быть контрастными по отношению друг к другу и окружающему фону.

В аварийной световой сигнализации предпочтение отдается красному цвету, который лучше всего виден сквозь пыль и дым. Хорошо воспринимается мигающий свет с частотой мигания не более 10 Гц и продолжительностью не менее 0,05 с.

Для надежного обнаружения светового сигнала сигнализаторы должны располагаться в пределах 30° от нормальной оси зрения оператора.

В качестве источников света в сигнализаторах используют лампы накаливания, лампы тлеющего разряда и электролюминес- центные приборы.

Рис. 118. Схема предупредительной сигнализации рольганговой печи

Характерным примером предупреди­тельной сигнализации в термических цехах является устройство, применяемое на селитровых ваннах. Перегрев селитры выше определенной температуры недопу­стим, так как может вызвать взрыв. Для предупреждения перегрева предусматри­вается световая и звуковая сигнализации. Сигнальная лампа и звуковой сигнал включаются по достижении максимально допустимой температуры.

В литейных цехах при транспортировании и разливке жидкого металла обязательно предусматривается звуковая сигнали­зация.

Упрощенная схема предупредительной сигнализации рольган­говой печи с водоохлаждаемыми роликами показана на рис. 118. Если по каким-либо причинам вода недостаточно охлаждает ролики (или совсем прекратилась подача воды), приводится в дей­ствие световая и звуковая сигнализации. При недостатке воды в охлаждающей системе реле ВР замыкают контакты и включает промежуточное реле КЬ1, контакт которого включает сигнальную лампу ЕЬ и звуковой сигнал НА. Одновременно возбуждается реле КТ, которое своим контактом КТ 1 через определенный интервал времени включает промежуточное реле КЬ2. Кон­такт КЬ2.1 этого реле размыкается, и цепь управления маг­нитным пускателем КМ с управляющим контактом УК раз­рывается.

Аналогичные схемы применяют и для контроля смазки под­шипников ответственных механизмов.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о значении систем автоматического контроля и их видах.

2. Какай система носит название системы контроля с цифровым от­счетом?

3. Что такое квантование?

4. Расскажите о видах цифровых индикаторов.

5. Какое назначение имеет система централизованного контроля?

6. Расскажите о назначении и характеристике систем централизованного контроля, выпускаемых промышленностью.

7. Расскажите о видах систем автоматической сигнализации.

8. Расскажите о средствах технологической сигнализации.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Управление, сопровождающееся непрерывным контро­лем, называют регулированием, а параметр, которым необходимо управлять, т. е. регулировать, — регулируемой величиной. Напри­мер, если уровень жидкости в закалочном баке снижается, то необходимо увеличивать подачу воды в бак до тех пор, пока уровень не достигнет заданного значения. В данном примере уровень жидкости является регулируемой величиной, а закалоч­ный бак, в котором регулируется уровень, — объектом регулиро­вания. Следовательно, операция поддержания равенства регу­лируемой величины ее заданному значению является регулирова­нием. Регулирование может осуществляться вручную и автр- матически.

Рассмотрим принцип работы лабораторной нагревательной печи, подключенной к электросети через автотрансформатор. Пусть для измерения температуры в печи установлен термо­электрический преобразователь (термопара), подключённый к мил­ливольтметру. Лаборант, наблюдая за показаниями милливольт­метра, регулирует напряжение на нагревательных элементах печи. Если температура в печи оказывается ниже заданной, он увеличивает напряжение на нагревательных элементах, отчего температура повышается; и наоборот, если температура повы­шается, то лаборант уменьшает напряжение на нагревательных элементах. Таким образом, лаборант, изменяя напряжение на нагревательных элементах, регулирует температуру. Такое регу­лирование называют ручным регулированием.

Для автоматизации процесса регулирования необходимо, чтобы какое-либо устройство непрерывно или периодически измеряло значение регулируемой величины, сравнивало с заданным зна­чением и в случае несоответствия с помощью регулирующего органа корректировало технологический процесс, поддерживая заданное значение регулируемой величины. Такое регулирование, при котором управление осуществляется различными устрой-, ствами без вмешательства человека, называют автоматическим регулированием, а совокупность устройств, состоящих из изме­рительного элемента (первичного преобразователя), исполнитель­ного механизма и регулирующего органа, называют автоматиче­ским регулятором.

Система автоматического регулирования (рис. 119) представ­ляет собой совокупность отдельных элементов, направленно воздействующих друг на друга. В сравнивающем устройстве происходит сравнение текущего значения регулируемой вели­чины X, которое поступает по главной обратной связи, с ее задан­ным значением Х₀.

Рис. 119. Схема системы автоматического регулирования