Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Конспект лекций

Омск 2006
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

Г
Р е ц е н з е н т ы:
Н.С. Галдин, д.т.н., профессор кафедры «ПТТМ и Г» СибАДИ,

В.В. Захаров, начальник отдела автоматизации ЗАО «НОМБУС».
Гудинов В.Н., Корнейчук А.П.

Г Технические средства автоматизации: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 52 с.
В конспекте лекций даны основные сведения о современных технических и программно-технических средствах автоматизации (ТСА) и программно-технических комплексах (ПТК), о принципах их построения, классификации, составе, назначении, характеристиках и особенностях применения в различных автоматизированных системах управления и регулирования технологическими процессами (АСУ ТП).

Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

© В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Целью курса «Технические средства автоматизации» (ТСА) является изучение элементной базы систем автоматического управления технологическими процессами. Вначале приведем основные понятия и определения.

Элемент (устройство) – конструктивно законченное техническое изделие, предназначенное для выполнения определённых функций в системах автоматизации (измерение, передача сигнала, хранение информации, ее обработка, выработка команд управления и т.п.).

Система автоматического управления (САУ) – совокупность технических устройств и программно-технических средств, взаимодействующих между собой с целью реализации некоторого закона (алгоритма) управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – система, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляющая собой человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку информации, необходимую для управления этим технологическим объектом в соответствии с принятыми критериями (техническими, технологическими, экономическими).

Технологический объект управления (ТОУ) - совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая инте­грация и унификация технических решений. Основное требова­ние современных САУ – это открытость системы, когда для нее определены и описаны используе­мые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет под­ключить к ней «внешние» независимо разработанные устройства и приборы. За последние годы рынок ТСА су­щественно изменился, создано много отечественных предприятий, выпус­кающих средства и системы автоматизации, появились фирмы – системные инте­граторы. С начала 90-х годов ведущие зарубежные производители ТСА, начали широкое внедрение своей продукции в страны СНГ через торговые представительства, филиалы, со­вместные предприятия и фирмы-дилеры.

Интенсивное развитие и быстрая динамика рынка современной техники управления требуют появления литературы, отражающей со­временное состояние ТСА. В настоя­щее время свежая информация о средствах автоматизации оте­чественных и зарубежных фирм имеет разрозненный характер и в основном представлена в периодической печати либо в глобальной сети Internet на сайтах фирм-производителей или на специализиро­ванных информационных порталах, таких как www.asutp.ru, www.mka.ru, www.industrialauto.ru. Целью настоящего конспекта лекций является систематизированное представление материала о элементах и про­мышленных комплексах ТСА. Конспект предназначен для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», изучающих дисциплину «Технические средства автоматизации».

1.1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ

В соответствии с ГОСТ 12997-84 весь комплекс ТСА по их функциональному назначению в САУ делят на следующие семь групп (рис.1).

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ:

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки информации;

УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные преобразователи

1.2. Тенденции развития ТСА
1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств).

2. Усложнение элементной базы – означает переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции (рис.2).

Рис. 2. Этапы развития электрических ТСА
3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

1.3. Методы изображения ТСА
В процессе изучения данного курса могут применяться разнообразные методы изображения и представления ТСА и их составных частей. Наиболее часто используются следующие:

1. Конструктивный метод (рис. 7-13) предполагает изображение приборов и устройств методами машиностроительного черчения в виде технических рисунков, компоновок, общих видов, проекций (в том числе и аксонометрических), сечений, разрезов и т.п. .

2. Схемный метод (рис. 14,16-21,23) предполагает в соответствии с ГОСТами ЕСКД представление ТСА схемами различных видов (электрических, пневматических, гидравлических, кинематических) и типов (структурных, функциональных, принципиальных, монтажных и др.) .

3. Математическая модель применяется чаще для программно-реализуемых ТСА и может быть представлена:

– передаточными функциями типовых динамических звеньев;

– дифференциальными уравнениями протекающих процессов;

– логическими функциями управления выходов и переходов;

– графами состояния, циклограммами, временными диаграммами (рис. 14, 28);

– блок-схемами алгоритмов функционирования (рис. 40) и т.п.
1.4. Основные принципы построения ТСА
Для построения современных АСУ ТП требуются разнообразные устройства и элементы. Удовлетворение потребностей столь различных по качеству и сложности СУ в средствах автоматизации при их индивидуальной разработке и изготовлении сделало бы проблему автоматизации необозримой, а номенклатуру приборов и устройств автоматики практически беспредельной.

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. А с 70-х годов ГСП охватывает и непромышленные сферы деятельности человека, такие как: научные исследования, испытания, медицина и др.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств. Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ

И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

ГСП представляет собой сложную развивающуюся систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Рассмотрим функционально-иерархическую и конструктивно-технологическую структуры технических средств ГСП.
2.1. Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП
Отличительными особенностями современных структур построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями являются: проникновение вычислительных средств и внедрение сетевых технологий на все уровни управления.

В мировой практике специалисты по комплексной автоматизации производства также выделяют пять уровней управления современным предприятием (рис. 4), что полностью совпадает с выше приведенной иерархической структурой ГСП.

На уровне Е RP – Enterprise Resource Planning (планирования ресурсов предприятия) осуществляют­ся расчет и анализ финансово-эко­номических показателей, решают­ся стратегические административные и логисти­ческие задачи.

На уровне MES – Manufacturing Execution Systems (системы исполнения производством) – задачи управления качеством про­дукции, планирования и контро­ля последовательности операций технологического процесса, уп­равления производственными и людскими ресурсами в рамках тех­нологического процесса, техничес­кого обслуживания производ­ственного оборудования.

Эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированным системам управления предприятием) и технические средства, с помощью которых эти задачи реализуются – это офисные персональные компьютеры (ПК) и рабочие станции на их основе в службах главных специалистов предприятия.


Рис. 4. Пирамида управления современным производством.
На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами).

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (система сбора данных и супервизорного (диспетчерского) управления) – это уровень тактического оперативного управления, на котором решаются задачи оптимизации, диагностики, адаптации и т.п.

Control - level – уровень непосредственного (локального) управления, который реализуется на таких ТСА как: ПО – панели (пульты) операторов, ПЛК – программируемые логические контроллеры, УСО – устройства связи с объектом.

HMI – Human-Machine Interface (человеко-машинная связь) – осуществляет визуализацию (отображение информации) хода технологического процесса.

Input / Output – Входы/Выходы объекта управления представляют собой

датчики и исполнительные механизмы (Д/ИМ) конкретных технологических установок и рабочих машин.

2.2. Конструктивно-технологическая структура ГСП


Рис. 5. Структура ГСП
УКТС (унифицированный комплекс технических средств) – это совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатныйкомплекс технических средств) – это совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу. Примеры известных отечественных УКТС и АКТС приведены в табл. 1.

ПТК (программно-технический комплекс) – этосовокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Примеры современных отечественных и зарубежных ПТК приведены в табл. 2.

Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и устройств.

Тип изделия – это совокупность технических изделий, одинаковых по функциональному назначению, единого принципа действия, имеющие одинаковую номенклатуру главного параметра.

Типоразмер – изделия одного и того же типа, но имеющие свои конкретные значения главного параметра.

Модификация – это совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструктивные особенности.

Исполнение – конструктивные особенности, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Комплексы ТСА Таблица 1

Наименование	Состав оборудования	Область применения
Агрегатные средства контроля и регулирования (АСКР)	Преобразователи; устройства программной обработки сигналов; средства отображения информации	Централизованный контроль и регулирование непрерывными и дискретными ТП
Агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования на микроэлементной базе (АКЭСР)	Устройства ввода/вывода; регуляторы; задатчики; функциональные блоки; бесконтактные ИМ	Локальные САУ, АСУ непрерывными ТП
Агрегатный комплекс щитовых электрических средств регулирования (КАСКАД-2)	Аналоговые и позиционные регуляторы; вспомогательные устройства	Локальные САУ; системы централизованного контроля и регулирования
Комплекс ТС для локальных информационно- управляемых систем (КТСЛИУС-2)	Устройства преобразования сигналов; ввод/вывод информации в процессор; ОЗУ и внешняя память; контроллеры	Локальные САУ в составе АСУ ТП для непрерывных и дискретных ТП
Микропроцессорные средства диспетчеризации автоматики и телемеханики (МикроДАТ)	Устройства сбора, первичной обработки, отображения и хранения данных; цифровое, программно-логическое управление	Распределенные непрерывные и дискретные АСУ ТП
Агрегатный комплекс щитовых пневматических средств регулирования (СТАРТ)	Регуляторы; показывающие и регистрирующие приборы; функциональные блоки	Пожароопасные технологические процессы
Агрегатный функционально-технический комплекс пневматических средств (ЦЕНТР)	Устройства контроля; ПИ-регуляторы; дистанционное управление ИМ; пульты операторов
Агрегатный комплекс средств сбора и первичной обработки дискретной информации (АСПИ)	Устройства регистрации, первичной обработки, сбора и передачи информации	АСУ ТП и АСУП для сбора и формирования дискретной первичной информации
Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ)	Устройства сбора и преобразования информации; коммутаторы; ЦАП и АЦП	Научные исследования, испытания; диагностика
Агрегатный комплекс средств вычислительной техники (АСВТ-М)	Устройства непрерывного управления и переработки, хранения информации, ввода/вывода на носители	АСУ ТП и АСУП, связанные с обработкой большого количества информации
Агрегатный комплекс электрических исполнительных механизмов (АКЭИМ)	Исполнительные механизмы, построенные из унифицированных блоков и модулей	АСУ ТП во всех отраслях промышленности

Введение 4

Тема 1. Этапы развития и принципы формирования состава технических средств автоматизированных систем управления 4

Тема 2. Технические средства автоматизированных систем

управления 10

Тема 3. Электродвигательные исполнительные механизмы 19

Тема 4. Электромагнитные исполнительные механизмы 40

Тема 5. Электромеханические муфты 46

Тема 6. Релейные исполнительные механизмы 58

Ответы на тесты 69

Итоговый тест 70

Список литературы 72

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда и повышения качества выпускаемой продукции. Непременным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие и совершенствование ее технических средств, к которым относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих воздействий на объект управления. Эти воздействия осуществляются с помощью исполнительных механизмов и регулирующих органов, описанию которых посвящено данное пособие.

Основное внимание уделяется электромеханическим исполнительным механизмам, т.к. они получили широкое распространение на практике, благодаря удобству преобразования электрических сигналов устройства управления –регулятора в требуемое механическое перемещение регулирующего органа, изменяющего материальные и энергетические потоки в управляемом объекте.

Тема 1. Этапы развития и принципы формирования состава технических средств автоматизации

Этапы развития технических средств автоматизации. Развитие технических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат экономические интересы и технические потребности автоматизируемых производств, с одной стороны, и те же интересы и технологические возможности производителей технических средств автоматизации, – с другой. Первичным стимулом развития является повышение экономической эффективности работы предприятий, благодаря внедрению новых, более совершенных технических средств автоматизации.

В развитии экономических и технических предпосылок внедрения и использования автоматизации технологических процессов (ТП) можно выделить следующие этапы:

1. Начальный этап, для которого характерны избыток дешевой рабочей силы, низкая производительность труда, малая единичная мощность агрегатов и установок. Благодаря этому самое широкое участие человека в управлении ТП, т.е. наблюдение за объектом управления, а также принятие и исполнение управляющих решений, на данном этапе было экономически оправданным. Механизации и автоматизации подлежали только те отдельные процессы и операции, управление которыми человек не мог осуществлять достаточно надежно по своим психофизиологическим данным, т.е. технологические операции требовавшие больших мускульных усилий, быстроты реакции, повышенного внимания и др.

2. Переход к этапу комплексной механизации и автоматизации производства произошел благодаря росту производительности труда, укрупнению единичной мощности агрегатов и установок, развитию материальной и научно–технической базы автоматизации. На этом этапе, при управлении ТП человек–оператор все более занимается умственным трудом, выполняя разнообразные логические операции при пусках и остановах объектов, особенно при возникновении всевозможных непредвиденных обстоятельств, предаварийных и аварийных ситуаций, а также оценивает состояние объекта, контролирует и резервирует работу автоматических систем. На данном этапе формируются основы крупносерийного производства технических средств автоматизации, ориентированного на широкое применение стандартизации, специализации и кооперации. Широкие масштабы производства средств автоматизации и специфика их изготовления приводят к постепенному выделению этого производства в самостоятельную отрасль.

3. С появлением управляющих вычислительных машин (УВМ) начинается переход к этапу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), совпавший с началом научно–технической революции. На данном этапе становится возможной и экономически целесообразной автоматизация все более сложных функций управления, осуществляемая с использованием УВМ. Но, поскольку УВМ тогда были весьма громоздкими и дорогими, то для реализации более простых функций управления достаточно широко применялись и традиционные аналоговые устройства автоматики. Недостатком таких систем была их невысокая надежность, т.к. вся информация о ходе ТП поступает и обрабатывается УВМ, при выходе которой из строя, ее функции должен был взять на себя оператор–технолог, контролирующий работу АСУТП. Естественно, что в таких случаях качество управления ТП значительно снижалось, т.к. человек не мог осуществлять управление столь же эффективно, как УВМ.

4. Появление относительно недорогих и компактных микропроцессорных устройств позволило отказаться от централизованных систем управления ТП, заменив их распределенными системами , в которых сбор и обработка информации о выполнении отдельных взаимосвязанных операций ТП, а также принятие управленческих решений осуществляется автономно, локальными микропроцессорными устройствами, получившими название микроконтроллеров. Поэтому надежность распределенных систем значительно выше, чем централизованных.

5. Развитие сетевых технологий, позволившее связать в единую корпоративную сеть многочисленные и удаленные друг от друга компьютеры, с помощью которых осуществляется контроль и анализ финансовых, материальных и энергетических потоков при производстве предприятием продукции, а также управление ТП, способствовало переходу к интегрированным системам управления . В этих системах с помощью весьма сложного программного обеспечения совместно решается весь комплекс задач по управлению деятельностью предприятия, включая задачи учета, планирования, управления ТП и др.

6. Повышение быстродействия и других ресурсов микропроцессоров, используемых для управления ТП, позволяет в настоящее время говорить о переходе к этапу создания интеллектуальных систем управления , способных принимать эффективные решения по управлению предприятием в условиях информационной неопределенности, т.е. нехватке необходимой информации о факторах, влияющих на его прибыль.

Методы стандартизации и структура технических средств автоматизации. Экономика отрасли, производящей средства автоматизации требует достаточно узкой специализации предприятий, выпускающих крупные серии однотипных устройств. В то же время с развитием автоматизации, с появлением новых, все более сложных объектов управления и увеличением объема автоматизируемых функций возрастают требования к функциональному разнообразию устройств автоматизации и к разнообразию их технических характеристик и конструктивных особенностей исполнения. Задача уменьшения функционального и конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении запросов автоматизируемых предприятий решается при помощи методов стандартизации .

Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные исследования практики автоматизации, типизация имеющихся решений и научное обоснование экономически оптимальных вариантов и возможностей дальнейшего сокращения многообразия применяемых устройств. Принимаемые при этом решения после их практической проверки оформляются обязательными к исполнению государственными стандартами (ГОСТ). Более узкие по сфере применения решения могут оформляться и в виде отраслевых стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более ограниченную применимость стандартов предприятий (СТП).

Агрегатирование – принцип формирования состава серийно изготавливаемых средств автоматизации, направленный на максимальное удовлетворение запросов предприятий–потребителей при ограниченной номенклатуре серийно выпускаемой продукции.

Агрегатирование базируется на том, что сложные функции управления можно разложить на простейшие составляющие (также, как, например, сложные вычислительные алгоритмы можно представить в виде совокупности отдельных простейших операторов).

Таким образом, агрегатирование основывается на разложении общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций, повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных системах управления . При анализе большого количества подобных систем управления можно выделить ограниченный набор простейших функциональных операторов, на комбинации которых строится практически любой вариант АСУТП. В результате формируется состав серийно изготавливаемых средств автоматизации, включающий такие конструктивно завершенные и функционально самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и механизмы.

Блок – конструктивное сборное устройство, выполняющее одну или несколько функциональных операций по преобразованию информации.

Модуль – унифицированный узел, выполняющий элементарную типовую операцию в составе блока или прибора.

Исполнительный механизм (ИМ)– устройство для преобразования управляющей информации в механическое перемещение с располагаемой мощностью, достаточной для воздействия на объект управления.

В соответствии с принципом агрегатирования системы управления создаются путем монтажа модулей, блоков, приборов и механизмов с последующей коммутацией каналов и линий связи между ними. В свою очередь, сами блоки и приборы создаются также путем монтажа и коммутации различных модулей. Модули же собираются из более простых узлов (микромодулей, микросхем, плат, устройств коммутации и т.п.), составляющих элементную базу технических средств. При этом изготовление блоков, приборов и модулей осуществляется полностью в заводских условиях, в то время как монтаж и коммутация АСУТП полностью завершается лишь на месте ее эксплуатации. Такой подход к построению блоков и приборов получил название блочно–модульного принципа исполнения технических средств автоматизации.

Применение блочно–модульного принципа не только позволяет проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в рамках отрасли, производящей средства автоматизации, но и ведет к повышению ремонтопригодности и увеличению коэффициентов использования этих средств в системах управления. Обычно предприятия, выпускающие средства автоматизации промышленного назначения, специализируются на изготовлении комплексов или систем блоков и приборов, функциональный состав которых ориентирован на реализацию каких–либо крупных функций или подсистем АСУТП. При этом в рамках отдельного комплекса все блоки и приборы выполняются совместимыми по интерфейсу , т.е. совместимыми по параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, равно как и по конструктивным параметрам и характеристикам устройств коммутации. Принято называть такие комплексы и системы средств автоматизации агрегатными или агрегатированными.

В России производство средств автоматизации промышленного назначения осуществляется в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации промышленного назначения (или сокращенно ГСП). ГСП включает все средства автоматизации, отвечающие единым общим технологическим требованиям к параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, к характеристикам точности и надежности средств, к их параметрам и особенностям конструктивного исполнения.

Унификация средств автоматизации. Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандартизации, также направленный на упорядочение и разумное сокращение состава серийно изготовляемых средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия параметров и технических характеристик, принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей исполнения средств автоматизации.

Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации. В рамках ГСП применяются в серийном производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:

Электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);

Пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);

Гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).

Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая, пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.

Наиболее развитой ветвью средств автоматизации является электрическая. В то же время широко используются и пневматические средства. Развитие пневматической ветви ограничивается относительно низкой скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов. Тем не менее в области автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств пневматические средства находятся, по существу, вне конкуренции. Гидравлическая ветвь средств ГСП не получила широкого развития.

По форме представления информации сигнал может быть аналоговым, импульсным и кодовым.

Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями какого–либо физического параметра–носителя (например, мгновенными значениями электрического напряжения или тока). Такой сигнал существует практически в каждый данный момент времени и может принимать любые значения в пределах заданного диапазона изменений параметра.

Импульсный сигнал характерен представлением информации только в дискретные моменты времени, т.е. наличием квантования по времени. При этом информация представляется в виде последовательности импульсов одинаковой продолжительности, но различной амплитуды (амплитудно-импульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной продолжительности (широтно-импульсная модуляция сигнала). Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) сигнала применяется в тех случаях, когда значения физического параметра–носителя информации могут изменяться со временем. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала используется, если физический параметр–носитель информации может принимать лишь некоторое постоянное значение.

Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При этом каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности импульсов, т.е. кода, а передаваемый сигнал является дискретным (квантуется) и по времени, и по уровню.

В соответствии с формой представления информации средства ГСП подразделяются на аналоговые и дискретно-цифровые . К последним относятся также средства вычислительной техники.

Все параметры и характеристики сигналов–носителей информации в средствах ГСП унифицированы. Стандартами предусматривается использование в аналоговых средствах следующих видов электрических сигналов:

Сигнал по изменению силы постоянного тока (токовый сигнал);

Сигнал по изменению напряжения постоянного тока;

Сигнал по изменению напряжения переменного тока;

Частотный электрический сигнал.

Сигналы постоянного тока используются чаще. При этом токовый сигнал (с большим внутренним сопротивлением источника) применяется для передачи информации в относительно длинных линиях связи.

Сигналы переменного тока редко используются для преобразования и передачи информации во внешних линиях связи. Это связано с тем, что при сложении и вычитании сигналов переменного тока необходимо выполнить требование синфазности, а также обеспечить подавление нелинейных искажений гармоник тока. В то же время при использовании этого сигнала легко реализуются задачи гальванического разделения электрических цепей.

Электрический частотный сигнал является потенциально наиболее помехоустойчивым аналоговым сигналом. В то же время получение и осуществление линейных преобразований этого сигнала вызывает известные затруднения. Поэтому частотный сигнал не получил широкого распространения.

Для каждого вида сигналов установлен ряд унифицированных диапазонов их изменений.

Стандарты на виды и параметры сигналов унифицируют систему внешних связей или интерфейс средств автоматизации. Такая унификация, дополненная стандартами на устройства коммутации блоков друг с другом (в виде системы разъемов), создает предпосылки для максимального упрощения проектирования, монтажа, коммутации и наладки технических средств систем управления. При этом блоки, приборы и прочие устройства с одинаковым типом и диапазоном параметров сигналов на входах–выходах стыкуются путем простого соединения разъемов.

Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.

Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации - исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.

Основные сведения об автоматизации

В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.

На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках - это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.

Системы автоматизированного управления

Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.

Объекты автоматизации и их параметры

Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.

Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором - это непосредственно качественные показатели готового продукта.

Регулирующие технические средства

Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.

Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.

Программируемые системы автоматизации

Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.

Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.

Агрегаты и механизмы в системах автоматизации

Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.

Электродвигатели в системах автоматизации

Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители - электрические или магнитные.

Щиты и пульты управления

Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.

Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления - это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.

Проектирование систем автоматизации

Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации. В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:

• уровень (масштаб) автоматизации на конкретном предприятии;
• определение параметров работы объекта, которые должны быть обеспечены средствами контроля и регулирования;
• характеристики управления - полное, дистанционное, операторское;
• возможности блокировки исполнительных механизмов и агрегатов;
• конфигурацию расположения технических средств, в том числе на пультах и щитах.

Вспомогательные средства автоматизации

Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.

Вопрос 1 Основные понятия и определения САиУ

Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Автоматизация позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции, оптимизировать процессы управления, отстранить человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи. В состав систем автоматизации входят датчики (сенсоров), устройства ввода, управляющие устройства (контроллеры), исполнительные устройства, устройства вывода, компьютеры. Применяемые методы вычислений иногда копируют нервные и мыслительные функции человека. Весь этот комплекс средств обычно называют системами автоматизации и управления .

В основе всех систем автоматизации и управления лежат такие понятия как объект управления, устройство связи с объектом управления, контроль и регуляция технологических параметров, измерение и преобразование сигналов.

Под объектом управления понимается технологический аппарат или их совокупность, в которых осуществляются (или с помощью которых осуществляются) типовые технологические операции смешения, разделения или их взаимное сочетание с простыми операциями. Такой технологический аппарат вместе с технологическим процессом, который в нем протекает и для которого разрабатывают систему автоматического управления и называют объектом управления или объектом автоматизации. Из совокупности входных и выходных величин управляемого объекта можно выделить управляемые величины, управляющие и возмущающие воздействия и помехи. Управляемой величиной является выходная физическая величина или параметр управляемого объекта, которая в процессе функционирования объекта должна поддерживаться на определённом заданном уровне или изменяться по заданному закону. Управляющим воздействием является материальный или энергетический входной поток, изменяя который, можно поддерживать управляемую величину на заданном уровне либо изменять её по заданному закону. Автоматическим устройством или регулятором называют техническое устройство, позволяющее без участия человека, поддерживать величину технологического параметра или менять её по заданному закону. Автоматическое управляющее устройство включает в себя комплекс технических средств, выполняющих в системе определённые функции.В состав автоматической системы регулирования входят: Чувствительный элемент или датчик , служащий для преобразования выходной величины управляемого объекта в пропорциональный электрический или пневматический сигнал, Элемент сравнения - для определения величины рассогласования между текущим и заданным значениями выходной величины. Задающий элемент служит для задания величины технологического параметра, которую необходимо поддерживать на постоянном уровне. Усилительно-преобразующий элемент служит для выработки регулирующего воздействия в зависимости от величины и знака рассогласования за счёт внешнего источника энергии. Исполнительный элемент служит для реализации регулирующего воздействия. выработанного УПЭ. Регулирующий элемент – для изменения материального или энергетического потока с целью поддержания выходной величины на заданном уровне. В практике автоматизации производственных процессов автоматические системы регулирования комплектуются типовыми общепромышленными приборами, выполняющими функции вышеперечисленных элементов. Основным элементом таких систем является вычислительная машина, получающая информацию от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров. Эта же информация может поступать на аналоговые или цифровые устройства представления информации(вторичные приборы). Оператор-технолог обращается к этой машине с помощью пульта для ввода информации, не получаемой от автоматических датчиков, запроса необходимой информации и советов по управлению процессом. Работа САиУ базируется на основе получения и обработки информации.

Основные виды систем автоматизации и управления:

· автоматизированная система планирования (АСП),

· автоматизированная система научных исследований (АСНИ),

· система автоматизированного проектирования (САПР),

· автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК),

· гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП),

· автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ)

· система автоматического управления(САУ).

Вопрос 2 Состав технических средств автоматизации и управления САиУ.

Технические средства автоматизации и управления - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса.

Типовые средства автоматизации и управления могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными.

К техническим средствам автоматизации и управления относят:

− датчики;

− исполнительные механизмы;

− регулирующие органы (РО);

− линии связи;

− вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);

− устройства аналогового и цифрового регулирования;

− программно-задающие блоки;

− устройства логико-командного управления;

− модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объектауправления (ТОУ);

− модули гальванической развязки и нормализации сигналов;

− преобразователи сигналов из одной формы в другую;

−модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;

− буферные запоминающие устройства;

− программируемые таймеры;

−специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.

Технические средства автоматизации и управления можно систематизировать следующим образом:

СУ – система управления.
ЗУ – Задающее устройство (кнопки, экраны, тумблеры).

УОИ – Устройство отображения информации.
УОИ – Устройство переработки информации.

УсПУ – Преобразовательное / Усилительное устройство.
КС – Канал связи.
ОУ – Объект управления.
ИМ – Исполнительные механизмы.

РО – Рабочие органы (Манипуляторы).

Д – Датчики.
ВП – Вторичные преобразователи.

По функциональному назначению их делят на следующие 5 групп:

Входные устройства. К ним относятся - ЗУ, ВП, Д;

Выходные устройства. К ним относятся - ИМ, УсПИ, РО;

Устройства центральной части. К ним относятся - УПИ;

Средства промышленных сетей. К ним относятся - КС;

Устройства отображения информации – УОИ.

ТСАиУ выполняют следующие функции : 1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса; 2. передачу информации по каналам связи; 3. преобразование, хранение и обработка информации; 4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем); 5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связь с оператором с помощью исполнительных механизмов. Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы: 1. средства на входе системы (датчики); 2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых); 3. внутрисистемные САиУ (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором; 4. средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций САиУ приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае. Одним из наиболее важных критериев выбора ТСАиУ может служить их стоимость.

Таким образом, технические средства автоматизации и управления включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства .

Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.
Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, автоматизированный участок, цех и т. д.), нуждающийся в автоматическом или автоматизированном
управлении, называется объектом управления (ОУ) или техническим объектом управления
(ТОУ).
Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой
автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).
Ниже приведены наиболее широко используемые термины и их определения:
элемент - простейшая составная часть устройств, приборов и других средств, в которой
осуществляется одно преобразование какой-либо величины;(мы в дальнейшем дадим более
точное определение)
узел - часть прибора, состоящая из нескольких более простых элементов (деталей);
преобразователь - устройство, преобразующее один вид сигнала в другой по форме или виду
энергии;
устройство - совокупность некоторого числа элементов, соединенных между собой
соответствующим образом, служащая для переработки информации;
прибор - общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений,
производственного контроля, вычислений, учета, сбыта и др.;
блок - часть прибора, представляющая собой совокупность функционально объединенных
элементов.

Любая система управления должна выполнять следующие функции:
сбор информации о текущем состоянии технологического объекта
управления (ОУ);
определение критериев качества работы ОУ;
нахождение оптимального режима функционирования ОУ и оптимальных
управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев
качества;
реализация найденного оптимального режима на ОУ.
Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА.
Различают четыре типа систем управления (СУ):
информационные;
автоматического управления;
централизованного контроля и регулирования;
автоматизированные системы управления технологическими процессами.

В САУ все функции выполняются автоматически
при помощи соответствующих технических
средств.
Функции оператора включают в себя:
- техническую диагностику состояния САУ и
восстановление отказавших элементов системы;
- коррекцию законов регулирования;
- изменение задания;
- переход на ручное управление;
- техническое обслуживание оборудования.

ОПУ - операторский пункт управления;
Д - датчик;
НП - нормирующий преобразователь;
КП - кодирующие и декодирующие
преобразователи;
ЦР - центральные регуляторы;
MP - многоканальное средство
регистрации (печать);
С - устройство сигнализации
предаварийного режима;
МПП - многоканальные показывающие
приборы (дисплеи);
МС - мнемосхема;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
К – контроллер.

Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП) - это машинная система, в которой ТСА
осуществляют получение информации о состоянии объектов,
вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки
управления.
Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и
реализации с помощью локальных АСР или дистанционного
управления РО.
Различают следующие типы АСУТП:
- централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и
управления выполняет один компьютер;
- супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на
базе ТСА индивидуального пользования и центральным
компьютером, имеющим информационную линию связи с
локальными системами) ;
- распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций
контроля обработки информации и управления между несколькими
территориально распределенными объектами и компьютерами.

Типовые средства автоматизации могут
быть:
-техническими;
-аппаратными;
-программно-техническими;
- общесистемными.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТСА ПО УРОВНЯМ ИЕРАРХИИ АСУ
Информационно-управляющие вычислительные комплексы (ИУВК)
Централизованные информационные управляющие системы (ЦИУС)
Локальные информационно-управляющие системы (ЛИУС)
Регулирующие устройства и устройства управления (РУ и УУ)
Вторичный
преобразователь (ВП)
Первичный преобразователь (ПП)
Чувствительный элемент (ЧЭ)
Исполнительный
механизм (ИМ)
Рабочий
орган (РО)
ОУ

ИУВК: ЛВС, серверы, ERP-, MES-системы. Здесь реализуются все цели АСУП,
вычисляется себестоимость продукции, издержки на производство.
ЦИУС: промышленные компьютеры, пульты управления, управляющие
комплексы, средства защиты и сигнализации.
ЛИУС: промышленные контроллеры, интеллектуальные контроллеры.
РУ и УУ: микроконтроллеры, регуляторы, регулирующие и сигнализирующие
устройства.
ВП: показывающие, регистрирующие (вольтметры, амперметры,
потенциометры, мосты), интегрирующие счетчики.
ИМ: двигатель, редуктор, электромагниты, электромагнитные муфты и пр.
ЧЭ: датчики тепло-технологических параметров, перемещения, скорости,
ускорения.
РО: механическое устройство, изменяющее количество вещества или
энергии, поступающей на ОУ, и несущее информацию об управляющем
воздействии. РО могут быть вентили, клапаны, нагреватели, затворы,
задвижки, заслонки.
ОУ: механизм, агрегат, процесс.

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:
датчики;
исполнительные механизмы;
регулирующие органы (РО);
линии связи;
вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
устройства аналогового и цифрового регулирования;
программно-задающие блоки;
устройства логико-командного управления;
модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния
технологического объекта управления (ТОУ);
модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
преобразователи сигналов из одной формы в другую;
модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов
управления;
буферные запоминающие устройства;
программируемые таймеры;
специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной
подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
управляющие средства;
блоки многоконтурного, аналогового и аналого-цифрового регулирования;
устройства многосвязного программного логического управления;
программируемые микроконтроллеры;
локально-вычислительные сети.
К общесистемным средствам автоматизации относят:
устройства сопряжения и адаптеры связи;
блоки общей памяти;
магистрали (шины);
устройства общесистемной диагностики;
процессоры прямого доступа для накопления информации;
пульты оператора.

В системах автоматического управления в качестве
сигналов обычно используются электрические и
механические величины (например, постоянный ток,
напряжение, давление сжатого газа или жидкости,
усилие и т.п.), так как они позволяют легко
осуществлять преобразование, сравнение, передачу на
расстояние и хранение информации. В одних случаях
сигналы возникают непосредственно вследствие
протекающих при управлении процессов (изменения
тока, напряжения, температуры, давления, наличия
механических перемещений и т.д.), в других случаях
они вырабатываются чувствительными элементами
или датчиками.

Элементом автоматики называется простейшая конструктивно законченная в
функциональном отношении ячейка (устройство, схема), выполняющая определенную
самостоятельную функцию преобразования сигнала (информации) в системах
автоматического управления:
преобразование контролируемой величины в сигнал, функционально связанный с
информацией об этой величине (чувствительные элементы, датчики);
преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии: электрической
в неэлектрическую, неэлектрической в электрическую, неэлектрической в неэлектрическую
(электромеханические, термоэлектрические, электропневматические, фотоэлектрические и
другие преобразователи);
преобразование сигнала по значению энергии (усилители);
преобразование сигнала по виду, т.е. непрерывного в дискретный или обратно
(аналогоцифровые, цифроаналоговые и другие преобразователи);
преобразование сигнала по форме, т.е. сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока
и наоборот (модуляторы, демодуляторы);
функциональное преобразование сигналов (счетно-решающие элементы, функциональные
элементы);
сравнение сигналов и создание командного управляющего сигнала (элементы сравнения,
нуль-органы);
выполнение логических операций с сигналами (логические элементы);
распределение сигналов по различным цепям (распределители, коммутаторы);
хранение сигналов (элементы памяти, накопители);
использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные
элементы).

Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы
управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на
чертежах изображают в виде различных схем:
электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.
Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о
составе и связях любого устройства или системы.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические
схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы
соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.
Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и
взаимосвязей.
Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих
в отдельных функциональных цепях или установке в целом.
Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все
связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей
установки.
Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью
проводов, кабелей, трубопроводов.
Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.
Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения
на месте эксплуатации.
Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного
раскрытия содержания и связей элементов установки.

Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой
величины, т. е. у(t) - регулируемая величина.
Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения.
Величину g(t) будем называть задающим воздействием.
Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства
y(t)=g(t). Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на
элемент сравнения (ЭС).
На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g(t).
В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается у (t). На выходе ЭС
формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка
∆ = g(t) – y(t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный
элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования
(ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у (t) не
станет равна заданной g(t).
На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия:
нагрузка объекта, внешние факторы и др.
Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t).
Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал,
стремящийся свести это отклонение к нулю.

По выполняемым функциям основные элементы
автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы,
реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы
импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).
По роду физических процессов, используемых в основе
устройств, элементы автоматики делятся на электрические,
ферромагнитные, электротепловые, электромашинные,
радиоактивные, электронные, ионные и др.

Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) -
устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую
на его вход в виде некоторой физической величины, функционально
преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную
для воздействия на последующие элементы (блоки).

Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий
количественное преобразование (чаще всего усиление)
поступающей на его вход физической величины (тока,
мощности, напряжения, давления и т.п.).

Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство
выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных
пределах.
Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины
х определенного значения выходная величина у изменяется скачком.

Распределитель (шаговый искатель) - элемент
автоматики, осуществляющий поочередное подключение
одной величины к ряду цепей.
Исполнительные устройства - электромагниты с втяжным
и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также
электродвигатели, относящиеся к электромеханическим
исполнительным элементам автоматических устройств.
Электродвигатель - это устройство, обеспечивающее
преобразование электрической энергии в механическую и
преодолевающее при этом значительное механическое
сопротивление со стороны перемещаемых устройств.

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
Основные понятия и определения
Каждый из элементов характеризуется какими-либо свойствами, которые
определяются соответствующими характеристиками. Некоторые из этих
характеристик являются общими для большинства элементов.
Главной общей характеристикой элементов является коэффициент
преобразования (или коэффициент передачи, представляющий собой
отношение выходной величины элемента у к входной величине х, или
отношение приращения выходной величины ∆у или dy к приращению
входной величины ∆х или dx.
В первом случае К=у/х называется статическим коэффициентом
преобразования, а во втором случае К" = ∆у/∆х≈ dy/dx при ∆х →0 -
динамическим коэффициентом преобразования.
Связь между значениями х и у определяется функциональной
зависимостью; значения коэффициентов К и К" зависят от формы
характеристики элемента или вида функции у =f(х), а также от того, при
каких значениях величин подсчитываются К и К". В большинстве случаев
выходная величина изменяется пропорционально входной и
коэффициенты преобразования равны между собой, т.е. К= К" = const.

Величина, представляющая собой отношение относительного приращения
выходной величины ∆у/у к относительному приращению входной величины
∆х/х, называется относительным коэффициентом преобразования η∆ .
Например, если изменение входной величины на 2 % вызывает изменение
выходной величины на
3 %, то относительный коэффициент преобразования η∆ = 1,5.
Применительно к различным элементам автоматики коэффициенты
преобразования К", К, η∆ и η имеют определенный физический смысл и свое
название. Например, применительно к датчику коэффициент
преобразования называется чувствительностью (статической, динамической,
относительной); желательно, чтобы она была как можно больше. Для
усилителей коэффициент преобразования принято называть коэффициентом
усиления; желательно, чтобы он был также как можно больше. Для
большинства усилителей (в том числе и электрических) величины х и у
являются однородными, и поэтому коэффициент усиления представляет
собой безразмерную величину.

При работе элементов выходная величина у может отклоняться от требуемого
значения за счет изменения их внутренних свойств (износа, старения материалов и
т.п.) или за счет изменения внешних факторов (колебания напряжения питания,
окружающей температуры и др.), при этом происходит изменение характеристики
элемента (кривая у" на рис. 2.1). Это отклонение называется погрешностью, которая
может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между полученным
значением выходной величины у" и расчетным (желаемым) ее значением ∆у = у"- у.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ∆у к
номинальному (расчетному) значению выходной величины у. В процентах
относительная погрешность определяется как γ = ∆ у 100/у.
В зависимости от причин, вызывающих отклонение, различают температурную,
частотную, токовую и другие погрешности.
Иногда пользуются приведенной погрешностью, под которой понимается
отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины.
В процентах приведенная погрешность
γприв = ∆y 100/уmax
Если абсолютная погрешность постоянна, то приведенная погрешность также
постоянна.
Погрешность, вызванная изменением характеристик элемента со временем,
называется нестабильностью элемента.

Порогом чувствительности называется минимальная
величина на входе элемента, которая вызывает изменение
выходной величины (т.е. уверенно обнаруживается с помощью
данного датчика). Появление порога чувствительности
вызывают как внешние, так и внутренние факторы (трение,
люфты, гистерезис, внутренние шумы, помехи и др.).
При наличии релейных свойств характеристика элемента
может приобретать реверсивный характер. В этом случае она
также обладает порогом чувствительности и зоной
нечувствительности.

Динамический режим работы элементов.
Динамическим режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного
установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а
следовательно, и выходная величина у изменяются во времени. Процесс изменения величин х и у
начинается с некоторого порогового времени t = tп и может протекать в инерционном и
безинерционном режимах.
При наличии инерционности наблюдается запаздывание изменения у по отношению к изменению
х. Тогда при скачкообразном изменении входной величины от 0 до х0 выходная величина у достигает
установившегося Yуст не сразу, а по истечении промежутка времени, в течение которого происходит
переходный процесс. При этом переходный процесс может быть апериодическим (неколебательным) затухающим или колебательным затухающим.Время tуст(время установления), в течение
которого выходная величина у достигает установившегося значения, зависит от инерционности
элемента, характеризуемой постоянной времени Т.
В простейшем случае установление величины у происходит по показательному закону:
где Т - постоянная времени элемента, зависящая от параметров, связанных с его инерционностью.
Установление выходной величины у тем продолжительнее, чем больше значение Т. Время установления tycт выбирается в зависимости от необходимой точности измерения датчика и составляет
обычно (3... 5) Т, что дает ошибку в динамическом режиме не более 5... 1 %. Степень приближения ∆у
обычно оговаривается и в большинстве случаев составляет от 1 до 10 % от установившегося значения.
Разность между значениями выходной величины в динамическом и статическом режимах называется динамической погрешностью. Желательно, чтобы она была как можно меньше. В электромеханических и электромашинных элементах инерционность в основном определяется механической
инерцией движущихся и вращающихся частей. В электрических элементах инерционность
определяется электромагнитной инерцией или другими подобными факторами. Инерционность
может быть причиной нарушения устойчивой работы элемента или системы в целом.