Любое автоматическое устройство состоит из связанных между собой элементов, задачей которых является качественное или количественное преобразование полученного ими сигнала.
Элемент автоматики — это часть устройства автоматической системы управления, в которой происходят качественные или количественные преобразования физических величин. Помимо преобразования физических величин элемент автоматики служит для передачи сигнала от предыдущего элемента к последующему.
Элементы, входящие в автоматические системы, выполняют различные функции и в зависимости от функционального назначения подразделяются на воспринимающие, преобразующие, исполнительные, задающие и корректирующие органы (элементы), а также на элементы сложения и вычитания сигналов.
Базовые элементы автоматики — это конструктивно законченные устройства, выполняющие определенные функции в системах автоматического управления и контроля. Они могут быть классифицированы по выполняемым функциям, физической природе сигналов и энергетическим характеристикам.
Воспринимающие органы (чувствительные элементы) предназначаются для измерения и преобразования контролируемой или управляемой величины объекта управления в сигнал, удобный для передачи и дальнейшей обработки.
Примеры: датчики для измерения температуры (термопары, терморезисторы), влажности, частоты вращения, силы и т. д.
Датчики играют ключевую роль в системах автоматического управления, поскольку они обеспечивают точную и своевременную информацию о состоянии объекта управления.
Например, термопары используются для измерения температуры в различных промышленных процессах, а терморезисторы — для точного контроля температуры в электронных устройствах. Датчики влажности применяются в системах контроля климата, а датчики частоты вращения — в двигателях и других механизмах.
Кроме того, существуют датчики давления, которые используются для контроля давления в различных системах, таких как гидравлические и пневматические системы. Датчики уровня применяются для измерения уровня жидкостей или сыпучих материалов в резервуарах и бункерах.
Все эти датчики работают в тесной связке с другими элементами автоматики, такими как усилители и исполнительные устройства, для обеспечения эффективного управления и контроля технологических процессов.
Усилительные органы (элементы), усилители — устройства, которые, не изменяя физической природы сигнала, производят лишь усиление, т.е. увеличение его до требуемого значения. В автоматических системах применяются механические, гидравлические, электронные, магнитные, электромеханические (электромагнитные реле, магнитные пускатели), электромашинные усилители и т. и.
Преобразующие органы (элементы) преобразуют сигналы одной физической природы в сигналы другой физической природы для удобства дальнейшей передачи и обработки.
Примеры: преобразователи неэлектрических величин в электрические.
Исполнительные органы (элементы) предназначаются для изменения значения управляющего воздействия на объекте управления, если объект представляет собой единое целое с управляющим органом, либо для изменения входных величин (координаты) регулирующего органа, который также следует рассматривать как элемент автоматических систем. По принципу работы и конструкции исполнительные и регулирующие элементы многообразны.
Примеры: нагревательные элементы в системах управления температурой, вентили и клапаны с электрическим приводом в системах регулирования расхода жидкости и газа и т. д.
Кроме того, к исполнительным элементам относятся электрические двигатели, которые могут использоваться для привода механизмов в различных технологических процессах. Например, электродвигатели переменного и постоянного тока, а также шаговые двигатели, широко применяются в системах автоматики для обеспечения точного управления механическими движениями.
Задающие органы (элементы) предназначены для задания требуемого значения управляемой величины.
Корректирующие органы (элементы) служат для коррекции автоматических систем с целью улучшения их работы.
В зависимости от функций, выполняемых элементами автоматики, их можно разделить на датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели и др.
Датчик (измерительный орган, чувствительный элемент) — элемент, преобразующий одну физическую величину в другую, более удобную для использования в автоматическом устройстве.
Наиболее распространены датчики, преобразующие неэлектрические величины (температуру, давление, расход жидкости и т. д.) в электрические. Среди них различают датчики параметрические и генераторные.
Параметрическими называют такие датчики, которые преобразуют измеряемую величину в параметр электрической цепи — ток, напряжение, сопротивление и т. д.
Например, температурный контактный датчик преобразует изменение температуры в изменение сопротивления электрической цепи от минимального при замкнутых до бесконечно большого при разомкнутых контактах. Таким элементом является датчик температуры, устанавливаемый в бытовых утюгах.
Рис. 1. Схема регулирования температуры нагрева термоконтактом
В холодном утюге термоконтакт, чувствительный к изменению температуры замкнут, и при включении утюга в сеть через нагревательный элемент проходит ток, нагревающий его. При достижении подошвой утюга температуры срабатывания контакта он размыкается и отключает нагревательный элемент от сети.
Генераторным называют такой датчик, который преобразует измеряемую величину в эдс, например термопара, применяемая совместно с вольтметром для измерения температуры. Эдс на концах такой термопары пропорциональна разности температур холодного и нагретого спая.
Рис. 2. Устройство термопары
Устройство и принцип действия термопары. Рабочим органом термопары является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9, сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10. Свободные концы элемента подключены к контактам термопары 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком " + ".
Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда 8. Рабочий конец термопары изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать. Термопары могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов.
Подробнее про классификацию, устройство и принцип действия термопар читайте в этой статье: Термоэлектрические преобразователи
Отличия параметрических датчиков от генераторных
В параметрических датчиках под воздействием входного сигнала изменяется какой-либо параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность) и соответственно его выходной сигнал. Для их работы требуется внешний источник энергии. Генераторные датчики под действием входного сигнала генерируют эдс и не требуют дополнительного источника энергии.
Подробнее про различные виды датчиков читайте здесь: потенциометрические датчики, индуктивные датчики
Другие элементы автоматики
Усилитель — элемент, в котором входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу, но преобразуются в количественном отношении. Эффект усиления получается в результате использования энергии источника питания. В электрических усилителях различают коэффициент усиления по напряжению ku = Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току ki=Iвых/Iвх и коэффициент усиления по мощности kp=kuki.
Усилителем может служить любой электромашинный генератор. Небольшое изменение возбуждения приводит в нем к значительному изменению выходного сигнала — тока или напряжения нагрузки. Источником энергии служит двигатель, приводящий генератор во вращение.
Примеры усилителей, ранее активно использовавшихся в электроприводе: электромашинные усилители, магнитные усилители. В настоящее время для этих целей активно используются усилители и преобразователи на тиристорах и транзисторах с большой частотой коммутации.
Стабилизатор — элемент автоматики, обеспечивающий практически неизменное значение выходной величины при изменении входной величины в заданных пределах. Основной характеристикой стабилизатора является коэффициент стабилизации, показывающий, во сколько раз относительное изменение входной величины больше относительного изменения выходной величины. В электротехнических устройствах используют стабилизаторы тока и напряжения.
Подробнее о стабилизаторах читайте здесь: Феррорезонансные стабилизаторы напряжения и Электронные стабилизаторы напряжения
Реле — элемент, в котором при достижении определенной входной величины выходная величина изменяется скачком. Реле прнменяют для фиксации определенных значений входной величины, усиления сигнала, одновременной передачи сигнала в несколько электрически не связанных цепей. Наиболее распространены различные конструкции электромагнитных реле управления.
Электромагнитные реле используются в широком диапазоне применений благодаря своей простоте и надежности. Они состоят из катушки, якоря и контактов. Когда через катушку проходит ток, она магнитит якорь, который притягивается и замыкает или размыкает контакты. Это позволяет реле выполнять функции коммутации и усиления сигналов в электрических цепях.
Кроме электромагнитных реле, существуют также полупроводниковые реле, которые используются для управления высокочастотными сигналами и имеют более высокую скорость срабатывания по сравнению с электромагнитными аналогами. Эти реле часто используются в современных электронных устройствах, где требуется быстрое и точное переключение сигналов.
Распределитель — элемент автоматики, обеспечивающий поочередную коммутацию цепей для передачи сигнала. Распределение чаще всего используют в электрических цепях. Примером распределителя служит шаговый искатель.
Двигатель — механизм, преобразующий энергию какого-нибудь вида в механическую. Наиболее часто в устройствах автоматики используют электрические двигатели, но применяют и пневматические. В автоматике самыми распространенными устройствами такого типа являются шаговые двигатели.
Шаговые двигатели особенно популярны благодаря своей способности обеспечивать точное и дискретное вращение, что позволяет им выполнять заданные движения с высокой точностью. Они широко используются в различных приложениях, таких как робототехника, 3D-печать и точные механизмы, где требуется высокая точность позиционирования и управления.
Передатчик — устройство, предназначенное для преобразования одной величины в другую, удобную для передачи по каналу связи. Помимо основной функции передатчик обычно осуществляет кодирование преобразованной величины, позволяющее рационально использовать каналы связи и уменьшить влияние помех на передаваемый сигнал.
Приемник — устройство, преобразующее сигнал, полученный по каналу связи, в величину, удобную для восприятия элементами системы автоматики. Если при передаче сигнал кодируют, в приемник входит декодирующее устройство. Приемники и передатчики активно используются в системах телеуправления и телесигнализации.
Контроллер как базовый элемент автоматики играет ключевую роль в управлении и контроле технологических процессов. Он представляет собой устройство, которое собирает информацию от датчиков, обрабатывает ее в соответствии с заданными алгоритмами и выдает управляющие сигналы на исполнительные механизмы.
Основная функция контроллера заключается в сборе данных от датчиков, измеряющих различные параметры, такие как температура, давление или уровень жидкости. Затем контроллер обрабатывает полученную информацию, выполняя логические операции и принимая решения о дальнейших действиях. На основе этих решений контроллер отправляет управляющие сигналы на исполнительные устройства, такие как двигатели или клапаны, обеспечивая автоматическое выполнение заданных задач.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК, PLC) являются одним из наиболее распространенных типов контроллеров, используемых для автоматизации сложных производственных процессов и управления машинами. Распределенные системы управления (РСУ, DCS) применяются для управления большими и сложными технологическими процессами, а системы числового программного управления (ЧПУ, CNC) необходимы для контроля станков с числовым программным управлением.
Контроллер работает в циклическом режиме, постоянно собирая информацию, принимая решения и приводя в действие исполнительные механизмы. Он использует дискретные и аналоговые входы и выходы для взаимодействия с окружающей средой и управляет различными устройствами через преобразователи сигналов.
Что такое автоматизация и для чего она нужна? Ответ здесь: Значение автоматизированных устройств и автоматических систем управления
Презентация на тему "Введение в автоматику": cкачать в PDF, cкачать в PPTX