В.Л. Конюх Технические средства автоматизации
.pdfМинистерство образования Российской Федерации Государственное учреждение
Кузбасский государственный технический университет Кафедра информационных и автоматизированных производственных систем
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 210200 – "Автоматизация технологических процессов и производств"
Составитель В.Л.КОНЮХ
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 2 от 08.10.02
Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией по специальности 210200 Протокол № 76 от 09.10.02
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ
Кемерово 2002
1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Дисциплина "Технические средства автоматизации " изучается в течение шестого семестра. Учебным планом предусмотрено 12 часов лекций, 4 часа лабораторных занятий и 114 часов самостоятельной работы. В ходе обучения должна быть выполнена контрольная работа. По окончании обучения требуется сдать экзамен.
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
С переходом от аппаратных к программным системам управления техника автоматизации стала принципиально меняться. Появились и быстро развиваются программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры, компьютерные системы диспетчеризации SCADA, промышленные шины, интеллектуальные датчики, системы технического зрения, средства связи автоматизированного оборудования с Интернет. Инженерный корпус промышленных предприятий России оказался не готов к освоению современной техники компьютерной автоматизации производства. Накапливающееся отставание в этой области приведет к потерям продукции при отказах автоматизированного оборудования, убыткам от неквалифицированного обслуживания и неэффективной работе автоматизированного производства. Для освоения сложных средств компьютерной автоматизации необходима специальная подготовка инженеров.
1.1. Цель преподавания дисциплины
Освоение принципов работы и применения современных средств компьютерной автоматизации производства
1.2.Задачи изучения дисциплины
Врезультате изучения дисциплины студент должен:
•изучить принципы работы датчиков, управляющих устройств и исполнительных устройств, применяемых в системах компьютерной автоматизации производства;
2
•освоить приложения средств автоматизации для решения производственных задач;
•решать практические задачи с техническими средствами автоматизации производства.
Студент направления 550200 – "Автоматизация и управление" и специальности 210200 – "Автоматизация технологических процессов (в машиностроении)", прошедший курс обучения "Технические средства автоматизации", должен знать:
-типовые структуры систем автоматизации производства:
принципы управления непрерывными и дискретными процессами, методы моделирования объекта и управления объектом; способы преобразования команд на исполнительные устройства и сигналов датчиков;
-технические средства получения информации о состоянии объекта управления и технологической среды: способы преобразования физических величин в электрические, виды датчиков, характеристики датчиков, размещение датчиков для управления технологическим процессом, встроенные в датчики первичные преобразователи сигналов, ввод сигналов датчиков в микропроцессорное управляющее устройство, приложения датчиков в задачах автоматизации производства;
-исполнительные устройства: электрогидравлические преобразователи, электропневматические клапаны, сервоприводы, редукторы, способы преобразования команд управляющего устройства в перемещения механических элементов;
-управляющие устройства: программоносители, универсальные логические модули, программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры, распределенные управляющие системы, языки программирования управляющих устройств;
-системы передачи данных между распределенными средствами автоматизации: линии и каналы передачи информации, протоколы обмена информацией, промышленные шины, маршрутизаторы, связь с Интернет;
-компьютерные системы диспетчеризации: построение и задачи комплексов SCADA, человеко-машинный интерфейс, новые возможности компьютерной диспетчеризации и ее применение на производстве, привязка программных комплексов SCADA к конкретному производству.
3
На основании изученного теоретического материала, выполнения лабораторного практикума и самостоятельной работы студент должен уметь:
-разрабатывать структуру системы компьютерной автоматизации процесса;
-формировать требования к средствам автоматизации конкретного процесса;
-выбирать средства автоматизации по заданному критерию и стоимостным ограничениям; решать практические задачи автоматизации производства путем грамотного применения технических средств автоматики.
1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины
Для изучения дисциплины необходимо предварительное освоение дисциплин: "Физика", "Информатика", "Общая электротехника и электроника", "Теория автоматического управления", "Механика промышленных роботов".
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ
2.1. Введение
История и предпосылки автоматизации производства. Непрерывные и дискретные объекты автоматизации. Разомкнутое
управление. Управление с компенсацией возмущений. Управление по отклонению.
Пять уровней компьютерной автоматизации производства и их задачи. Требования к техническим средствам компьютерной автоматизации.
Классификация и характеристики датчиков. Принципы преобразования физических величин в электрические. Погрешность измерения, разрешающая способность, чувствительность, линейность, гистерезис, повторяемость, время отклика, полоса пропускания. Соединение датчиков с микропроцессорным устройством управления. Датчикигенераторы и датчики-модуляторы. Защита от дребезга контактов.
4
Гальваническая развязка. Восстановление импульса. Нормализация уровней напряжений. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Теорема Котельникова.
Литература: [1, с.4-71; 2, с.63-83; 3, с.3-135; 4-5; 9, 10]
Методические указания
При изучении этапов развития автоматизации выделите переход от аппаратных к программным устройствам управления. Обдумайте, какие объективные предпосылки развития промышленности привели к необходимости автоматизации производства. Уясните принципиальное различие между непрерывными и дискретными объектами автоматизации. Сопоставьте достоинства и недостатки трех способов автоматического регулирования. Разделите задачи пяти уровней автоматизации производства и рассмотрите решение этих задач на примере какоголибо производства. Подумайте, почему датчики для диспетчерского управления оказались непригодны для автоматического управления. Разделите между собой такие характеристики датчиков, как погрешность измерения, разрешающая способность, чувствительность, линейность, гистерезис, повторяемость, время отклика, полоса пропускания. Почему подключение датчиков к микроЭВМ потребовало специальных устройств согласования? Подумайте, как избежать потери информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой.
Как происходит квантование непрерывного сигнала по времени и уровню перед его вводом в микроЭВМ?
Контрольные вопросы
1.Перечислите объективные предпосылки ускорения автоматизации производства.
2.Почему, несмотря на малое число персонала в современном производстве, предприниматели вкладывают деньги в автоматизацию?
3.Какой из трех способов регулирования наиболее эффективен и почему?
4.Какие задачи выполняет каждый из пяти уровней автоматизации компьютерно-интегрированного производства?
5.Чем отличаются задачи уровней MES и MRP?
6.Откуда вводятся сигналы в уровень SCADA?
5
7.Чем SCADA отличается от традиционной диспетчеризации?
8.На каком уровне заканчивается управление единицей технологического оборудования?
9.Почему существующие датчики для диспетчеризации оказались непригодны для автоматизации?
10.Приведите примеры характеристик датчиков.
11.Почему датчики для автоматизации должны иметь линейную характеристику?
12.Чем отличается подключение датчиков к релейно-контактным системам от подключения к микроЭВМ?
13.Как требуется преобразовать сигналы датчиков при их подключении к микроЭВМ?
14.Чем датчики-генераторы отличаются от датчиковмодуляторов?
15.Перечислите методы преобразования физических величин в электрические.
16.Как реализуется защита от дребезга контактов?
17.Зачем нужна гальваническая развязка и какими средствами она реализуется?
18.Из-за чего изменяется форма электрических импульсов в ли-
нии?
19.Зачем нужна нормализация уровней напряжения?
20.Как определить интервал разбиения аналогового сигнала по времени и уровню?
21.Как работает аналого-цифровой преобразователь?
22.Для чего применяется цифро-аналоговый преобразователь?
23.Что доказывает теорема Котельникова?
2.2.Датчики для автоматизации производства
Датчики положения и их характеристики. Работа магнитоуправляемых контактов. Генераторные датчики. Индуктивные датчики. Емкостные датчики. Фотоэлектрические датчики.
Измерители перемещений. Потенциометрические измерители. Вращающийся трансформатор. Индуктосин. Сельсинная пара. Способы цифрового кодирования перемещений. Накапливающие и абсолютные преобразователи перемещения в цифровой код. Работа фотоэлектриче-
6
ского измерителя перемещений. Аналоговый и цифровой измерители скорости.
Тактильные датчики касания и контактного давления. Применение тактильного датчика для измерений. Распознавание формы объекта тактильными датчиками. Тактильная матрица и ее применение. Эластомерные и углеволоконные тактильные датчики. "Искусственная кожа".
Силомоментные датчики. Пьезоэлектрический датчик динамических и статических усилий. Тензорезистор и его включение в мост. Магнитоупругий датчик. Вихретоковый датчик. Волоконно-оптические датчики усилий. Применение силомоментных датчиков для распознавания объектов, дистанционного управления, сборочных операций и обработки объектов.
Локационные датчики дальней и ближней локации. Активная и пассивная локация. Работа ультразвуковых локационных датчиков. Оптические локационные датчики. Лазерные дальномеры. Радиолокационный дальномер. Датчики ближней локации.
Системы технического зрения и их применение. Распознающие, измерительные и обзорно-информационные системы технического зрения. Структура и режимы работы систем технического зрения. Типы видеодатчиков. Методы распознавания изображений.
Оценка координат объектов распознавания интегральным и контурным методами, методом характерных точек. Интегральная и структурная обработка изображений в ЭВМ. Построение и применение в промышленности современных систем технического зрения.
Датчики температуры, тока и напряжения. Интеллектуализация современных датчиков.
Литература: [2, c.18-54; 3-5; 10, с.5-73]
Методические указания
Рассмотрите задачи автоматизации, для решения которых применяют датчики положения. Усвойте, что характеризуют зона чувствительности, дифференциал хода и рабочий зазор датчиков положения. Особое внимание обратите на дифференциал хода. Разберите принципы работы магнитоуправляемых контактов, генераторных, индуктивных, емкостных и фотоэлектрических датчиков положения. Перечислите достоинства и недостатки различных датчиков положения. Сопоставьте задачи датчиков положения и измерителей перемещения. Изучите ра-
7
боту и возможности аналоговых измерителей перемещений (потенциометрического датчика, вращающегося трансформатора, индуктосина, сельсинной пары). Сопоставьте способы цифрового кодирования перемещений, накапливающие и абсолютные преобразователи перемещений в цифровой код. Изучите устройство и работу фотоэлектрического измерителя угловых перемещений. Как аналоговый и цифровой измерители перемещений применяют для измерения скорости перемещения?
Выделите два вида тактильных датчиков и сопоставьте их задачи. Как тактильные датчики применяют для измерения физических величин? Выделите новые возможности тактильной матрицы. Определите, какие физические принципы используются при создании эластомерных и углеволоконных датчиков, "искусственной кожи".
Обдумайте, где могут применяться силомоментные датчики и на каких физических принципах основана их работа. Для измерения каких усилий применяют пьезоэлектрические, магнитоупругие, вихретоковые и волоконно-оптические датчики?
Сопоставьте их достоинства и недостатки. Выделите особенности силомоментных датчиков для распознавания объектов, дистанционного управления, операций сборки и обработки объектов.
Разработайте классификацию локационных датчиков. Сопоставьте методы измерения дальности различными локационными датчиками. На чем основана работа ультразвуковых, оптических, лазерных, радиолокационных и пневматических локационных датчиков?
При изучении систем технического зрения выделите задачи видеодатчика, блока предварительной обработки, буферного регистра. Сопоставьте возможности видеодатчиков. Классифицируйте системы технического зрения по выполняемым задачам. Продумайте этапы и режимы работы систем технического зрения. Разделите методы распознавания изображений, оценки координат объектов и обработки изображений в ЭВМ. Подумайте, какие задачи могли бы решать системы технического зрения на вашем производстве.
Сопоставьте виды датчиков температуры, тока и напряжения. Для чего современные датчики оснащают встроенными микропроцессорами?
8
Контрольные вопросы
1.Для чего нужны датчики при автоматизации производства?
2.С помощью каких способов физические величины преобразуют
вэлектрические сигналы?
3.Чем отличаются датчики для контроля и датчики для автоматического управления процессом?
4.Как время отклика датчика связано с его полосой пропускания?
5.Как рассчитать чувствительность датчика?
6.Какие датчики обладают гистерезисом?
7.Из-за каких недостатков герконы нашли ограниченное применение в автоматизации процессов?
8.Что такое дифференциал хода и зона чувствительности датчика положения?
9.Какие датчики положения обеспечивают минимальную погреш-
ность?
10.Чем индуктивные датчики положения отличаются от генераторных?
11.Как повысить чувствительность фотоэлектрического датчика положения?
12.Чем измерители перемещений отличаются от датчиков поло-
жения?
13.Как работает сельсинная пара?
14.В каких пределах изменяется напряжение на выходе потенциометрического измерителя перемещений?
15.На чем основана работа индуктосина?
16.Чем отличаются способы преобразования перемещений по приращению и по абсолютному значению?
17.Как устроен фотоэлектрический измеритель перемещений?
18.Что может измерять тактильный датчик?
19.Какие размеры выступа можно измерить тактильным датчи-
ком?
20.От чего зависит длина щупа тактильного датчика для торможения перед препятствием?
21.Как формируется тактильный образ объекта?
22.Два способа преобразования усилий и моментов в электрический сигнал.
23.В чем принцип действия тензорезисторного датчика?
9
24. Почему тензорезистор устанавливают вдоль линии деформа-
ции?
25.Как работают пьезоэлектрический, магнитоупругий, вихретоковый и волоконно-оптический датчики усилий?
26.Области применения силомоментных датчиков.
27.Классификация локационных датчиков.
28.В чем заключается принцип ультразвуковой локации?
29.Как определить расстояние до объекта методом оптической ло-
кации?
30.На чем основана работа радиолокационного датчика?
31.Какие методы локации применяют при малых расстояниях до объектов?
32.Какие виды систем технического зрения применяют при автоматизации?
33.Чем система технического зрения отличается от системы промышленного телевидения?
34.Из чего состоит система технического зрения?
35.Для чего нужен буферный регистр?
36.В каких режимах работает система технического зрения?
37.Какие системы технического зрения превышают возможности человека?
38.На какие три группы делят методы распознавания изображений? Чем отличаются принципы распознавания для каждой группы?
39.Какие модули входят в систему технического зрения?
40.Как в системе технического зрения разделяют касающиеся объекты?
41.Какие методы определения положения объектов применяют в системах технического зрения?
42.Чем отличаются интегральный и структурный методы обработки изображения объектов?
43.В каком порядке усложняются задачи распознавания объектов системой технического зрения?
2.3.Исполнительные устройства
Реализация принципов мехатроники в исполнительных устройствах промышленной автоматики. Цикловое, позиционное и контурное управление движением механического элемента. Системы координат