Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
(ТюмГНГУ)
Институт Нефти и Газа
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе
"Исследование контактных и бесконтактных элементов
автоматики"
для студентов неэлектротехнических специальностей
очной и заочной форм обучения
Тюмень 2006
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N4
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ И БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Экспериментально снять статические
характеристики реле. Определить
логические функции, выполняемые
бесконтактными устройствами автоматики.
1. Основные теоретические сведения
Систему автоматического управления объектом в общем виде можно представить с помощью схемы, изображенной на рис.1.
Рис.1. Взаимодействие устройств автоматики с
объектом управления
Устройства автоматики перерабатывают измеренную и запрограммированную информацию в информацию исполнения и контроля.
Носителями информации являются сигналы, Физические свойства которых могут быть самыми различными.
В общей схеме системы автоматики можно выделить четыре группы устройств предназначенных для формирования сигналов, а также центральное устройство управления, выполняющее функции переработки всей информации и формирующее требуемые управляющие воздействия. Вспомогательные устройства четырех групп обеспечивают взаимосвязь объекта и оператора с центральным управляющим устройством.
Представленная на рис.1 схема является в достаточной степени общей. Таким способом можно представить работу как обычного регулятора в печи, так и управление прокатным станом с помощью универсальной ЭВМ.
Входные и выходные сигналы устройства управления, обычно электрические, гидравлические или пневматические, могут быть двух видов : сигналы непрерывные ( аналоговые ) и дискретные. Дискретные сигналы могут квантоваться по времени или по величине.
Непрерывные сигналы поступают с типовых измерительных преобразователей температуры, давления и т.п. Они могут использоваться при непрерывном управлении частотой вращения при передаче выходных данных регистраторов, при управлении шаговыми двигателями и т.д.
Различный характер входных и выходных сигналов приводит к необходимости применения в системе управления разных элементов и устройств для обработки непрерывных и дискретных сигналов.
Использование дискретных сигналов имеет ряд существенных преимуществ:
- большая точность преобразования;
- большая помехозащищенность и надежность;
- простота устройства запоминания информации и хранения ее в течении длительного времени;
- точное цифровое отображение выходной информации с помощью цифровых индикаторов и печатающих устройств;
- относительно низкая стоимость систем, реализующих сложные и точные преобразования дискретной информации.
Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинстве случаев они имеют всего два различных состояния: включено - выключено (реле), открыт-закрыт (транзистор) и т.д.
Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигналы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе - со вторым. Физически это означает, что сигнал имеет импульсный характер: высокий уровень - одно значение, низкий - другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0. На таких элементах строят устройства, которые получили название переключательных устройств.
Различают два типа переключательных (дискретных, логических, релейных) устройств с разными свойствами. В устройствах первого типа значение каждого выходного сигнала У1 определяется только конкретными значениями X1,Х2,...Хn в рассматриваемый момент времени и не зависит от последовательности значений входных сигналов, подаваемых в предыдущие моменты времени. Такие устройства называются комбинационными автоматами, комбинационными схемами, или автоматами без памяти.
В устройствах второго типа значения У1 зависят не только от конкретной комбинации значений входных сигналов X1,Х2,...Хn, но также и от их предыдущих значений, имевших место в более ранние моменты времени. Такие устройства называют последовательными или автоматами с памятью.
Комбинационный автомат с п входами и m выходами можно описать следующей системой уравнений:
У1=f1(X1,Х2,...Хn). i=l, 2,... m.
Поскольку X и У могут принимать только два значения- 0 или 1, функции f1 не могут быть обычными арифметическими функциями. Для описания переключательных функций применяют двухэлементную алгебру Буля. Эта алгебра вводит три новые операции по сравнению с обычной арифметикой или функции, аргументами и значениями которых служат элементы 0 и 1.
Этими операциями являются:
- логическая сумма (дизъюнкция) аргументов А и В равна 1, если ИЛИ ;
- логическое произведение (конъюнкция) аргументов А и В равна 1, если И ;
- отрицание аргумента , если НЕ есть (или если ).
Существуют различные обозначения приведенных булевых операций: логическая сумма ; логическое произведение ; отрицание . Эти операции можно записать в виде следующих равенств:
Из этих соотношений вытекают следующие законы алгебры логики:
- сочетательный закон
;
- переместительный закон
- распределительный закон
- закон де Моргана
Наряду с конъюнкцией, дизъюнкцией и отрицанием практическое применение находят и другие функции двух аргументов.
Импликация принимает значение 1. если или , т. е.
Функция запрета (или несимметричная разность) (или ) принимает значение 1, если И , т.е.
Функция Пирса (функция ИЛИ - НЕ) принимает значение 1, если И :
Функция Шеффера (функция И - НЕ) принимает значение 1, если ИЛИ :
Функция логической равнозначности ( ~ ) принимает значение 1, если аргументы принимают одинаковые значения:
Функция логической неравнозначности (сумма по модулю 2, исключающее ИЛИ ) принимает значение 1, если только один из аргументов принимает единичное значение:
В переключательных устройствах автоматики применяются три основных вида элементов:
- контактные элементы (электромагнитные реле, пускатели, контакторы и другие);
- полупроводниковые элементы (транзисторы, тиристоры, диоды, логические микросхемы);
- пневматические элементы.
Электромагнитными называются реле, преобразующие электрический сигнал в перемещение якоря электромагнита, которое вызывает замыкание или размыкание контактов. Электромагнитные реле можно рассматривать как один из видов электрических усилителей, так как мощность сигнала необходимого для срабатывания реле может быть существенно меньше мощности электрической цепи, которой управляют контакты реле. Электромагнитные реле подразделяются на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока могут быть нейтральными и поляризованными. Нейтральные реле работают независимо от направления (полярности) тока в обмотке. Поляризованные реле работают по-разному, в зависимости от направления поступившего на обмотку тока.
Электромагнитное нейтральное реле по конструкции может быть трех видов: с поворотным якорем, с втяжным якорем и с герметизированным магнитоуправляемым контактом (герконом).
Устройство реле с поворотным якорем показано на рис.2. В выключенном состоянии якорь 2 находится под действием возвратной пружины 1 и занимает верхнее положение. При этом средний контакт 3. связанный с якорем реле, замкнут с контактом 4 (размыкающий контакт). Если подать ток в обмотку 6, то возникнет магнитный поток , замыкающийся по сердечнику (магнитопроводу) 7, якорю 2 и воздушному зазору. Магнитный поток намагничивает якорь, при этом возникает электромагнитная сила Fэ :
где К - коэффициент пропорциональности;
I - ток в обмотке;
W - число витков в обмотке;
- воздушный зазор между якорем и сердечником.
Под действием электромагнитной силы якорь поворачивается и переключает контакты. Этот этап работы реле называют срабатыванием. При выключении тока электромагнитная сила исчезает и под действием возвратной пружины якорь вернется в исходное положение. Этот этап работы реле называется отпусканием.
Реле с герконом (рис.3) имеют самую простую конструкцию: геркон 1 размещается внутри катушки 2 (обмотки) реле. Геркон представляет собой миниатюрную стеклянную трубку 3 (баллон) с впаянными во внутрь нее двумя контактными пружинами из магнитомягкого ферромагнитного материала (пермаллоя). Концы пружин покрывают тонким слоем серебра, золота или радия для обеспечения надежного контакта при соприкосновении пружин. Баллон заполняется инертным газом азотом, аргоном либо создается вакуум.
При подаче тока в обмотку реле возникает магнитный поток, намагничивающий контактные пружины геркона. Между ними возникает сила F3 и контакты замыкаются. Реле с герконом отличаются повышенной надежностью, долговечностью и большим быстродействием, чем реле с поворотным и втяжным якорем. Недостатком этих реле является небольшая мощность, которой могут управлять1 контакты геркона, и влияние внешних магнитных полей, способных вызывать ложное срабатывание геркона.
Герконы могут применяться в концевых выключателях, дискретных датчиках положения, кнопочных и клавишных выключателях, используемых в пультах управления ЦВМ.
Управление замыканием герконов в этом случае осуществляется от небольших постоянных магнитов, закрепляемых на подвижной части конструкции кнопки или выключателя.
Поляризованные реле в отличие от нейтральных реагируют не только на значение, но и на направление (полярность) тока в обмотке. Устройство поляризованного реле показано на рис.4.
Поляризация реле осуществляется от постоянного магнита 1. Магнитный поток М , создаваемый магнитом, проходит по якорю 2 и разделяется на два потока: 1 и 2 . Если якорь находится в левом положении (как показано на рис.4), то расстояние между якорем и левым полюсом сердечника 3 меньше чем расстояние между якорем и правым полюсом сердечника 3. поэтому поток 1 больше потока 2 . Положение якоря реле устойчивое, так как на него будет действовать электромагнитная сила, пропорциональная разности магнитных потоков и направленная в сторону большего потока, т.е. 1 .
Контакт якоря 4 будет замкнут с левым контактом 5. К контакту якоря ток подводится через безмоментный токопровод 7.
При включении тока в обмотке реле создается магнитный поток 0, замыкающийся по сердечнику 3. якорю 2 и воздушным зазорам. Направление магнитного потока 0 зависит от направления (полярности) тока, протекающего в обмотке. Магнитный поток обмотки 0 направлен встречно потоку 1 и согласно потоку 2.
Значение потока 0 больше разности магнитных потоков , поэтому якорь реле переключается в правое положение и его контакт замыкается с контактом 6. Если же при левом положении якоря направление тока в обмотке было противоположным, то магнитный поток 0 будет направлен согласно с потоком 1. Якорь реле останется в левом положении.
Таким образом, при одной полярности тока в обмотке якорь реле переключается в новое устойчивое положение, при другой - остается неподвижным. При выключении тока в обмотке якорь остается в том положении, которое он занимал в момент выключения тока (якорь "запоминает" состояние, соответствующее моменту выключения тока). Такое реле называется двухпозиционным.
Существуют и трехпозиционные поляризованные реле, у которых контакты расположены симметрично по отношению к нейтральной линии, а якорь удерживается на нейтральной линии центрирующими пружинами. В зависимости от направления тока в обмотке реле якорь переключается или в левое, или в правое положение, а после выключения тока возвращается в нейтральное положение.
Поляризованные реле имеют высокую чувствительность (за счет влияния постоянного магнита) и быстродействие.
Для управления большими токами применяют, специальные электромагнитные реле, которые получили название контакторов. Контакторы могут быть как постоянного, так и переменного тока.
Для управления трехфазными электродвигателями применяют контакторы переменного тока, получившие название магнитных пускателей.
Срабатывание или отпускание реле может быть замедлено. В телефонных реле и реле переменного тока для этого на сердечнике помещают коротко-замкнутые витки (наведенные в них вихревые токи замедляют изменение магнитного потока), что исключает "дребезг" контактов.
При выборе реле для конкретного устройства автоматики и при сравнении реле различных типов пользуются рядом параметров, характеризующих свойства реле:
Рис. 2. Устройство электромагнитного нейтрального
реле с поворотным якорем
Рис. 3. Устройство герконового реле
Рис. 4. Устройство поляризованного реле
- ток срабатывания Iср (напряжение срабатывания, мощ-ность срабатывания) - это ток (напряжение или мощ-ность), который нужно подать на обмотку реле для его надежного срабатывания;
- ток отпускания I0ТП (напряжение отпускания, мощность отпускания) - ток в цепи обмотки, при котором реле выключается;
- управляемая мощность (ток, напряжение) - параметр электрической цепи, которой управляют контакты реле;
- время срабатывания реле - интервал времени от момента подачи тока в обмотку реле до начала воздействия контакторов на управляемую цепь;
- долговечность - гарантируемое число срабатываний реле при номинальной нагрузке в цепи контактов;
- коммутационные возможности реле - число и вид контак-торов.
Для реле принято рассматривать статическую характе-ристику. Статическая характеристика реле показана, на рис.5. Статическая характеристика показывает зависимость коммутируемой мощности от силы тока в обмотке электромагнита. Статическая характеристика показывает возможности применения реле в той или иной схеме управления для работы в качестве порогового элемента, реагирующего на определенный уровень входного сигнала или для работы в силовых устройствах.
Надежность по срабатыванию релейного элемента оценивается коэффициентом запаса, который определяется по формуле:
В зависимости от условий работы К3 выбирается в пределах от 1,2 до 4,0.
Совершенство конструкции реле характеризуется коэффициентом возврата:
Обычно Кв лежит в пределах 0,1 - 0,99.
Каждое устройство, состоящее из соединенных между собой катушек реле и контактов, можно описать с помощью булевых функций и, наоборот, любую логическую функцию можно реализовать с помощью схемы, состоящей из соеди-
Рис. 5. Статическая характеристика реле
ненных между собой катушек и контактов реле. Обычно при записи функций катушки реле обозначаются большими буквами, а контакты - маленькими. Включенное состояние реле (контакта реле) записывается как Р=1 (р=1), отключенное состояние реле (контакта реле) - Р=0 (р=0). Для схемы, изображенной на рис.6а, можно записать:
Р = 1, если а = 1, и Р = 0, если а = 0, или Р = а.
Рис. 6. Реализация основных логических функций на контактных элементах
В схеме рис.6б, реле Р включено, когда отключено реле А, или
На схеме рис.6в, реле Р включено, если включены оба реле А и В:
а на схеме рис.6г, реле включено, если включено хотя бы одно реле А или В:
Отсюда вытекает общее правило: последовательному соединению контактов соответствует конъюнкция, параллельному - дизъюнкция, а нормально замкнутый контакт в схеме соответствует отрицанию.
Функции памяти реализуются в релейных схемах, путем поддержания включенного состояния реле собственным контактом этого реле. Возможны следующие два варианта реализации функции памяти, представленные на рис. 7.
Рис. 7. Схемы реализации функции памяти
Оба варианта называются соответственно схемой с приоритетом выключения (а) и включения (б):
для рис. 7а ;
для рис. 7б .
В логических устройствах систем автоматики реле постепенно вытесняются бесконтактными элементами, особенно в случаях peaлизации сложных функций и в случаях требующих большого быстродействия и надёжности.