2. Релейно-контактные системы управления

Область применения САУ, однородных по физическому принципу действия (например, гидравлических, пнев­матических или электрических), ограничивается недостатками, присущими каждой из них. Стремление свести к минимуму отрицательные свойства вновь создаваемых систем послужило причиной появления комбиниро­ванных (гибридных) структур. Подобные структуры состоят из элементов, функционирующих на основе раз­личных физических принципов, что позволяет использовать положительные свойства применяемых элемен­тов с максимальной отдачей.

Наиболее распространены в технике САУ с электрической управляющей частью — как достаточно быстродействующей, гибкой, компактной и простой в обслуживании.

В электропневматических системах силовая часть выполненяется на пневматической элементной базе, а управляющая — на электрической. В таких системах сочетаются высокие скорости перемещений исполнительных механизмов, высокие скорости формирования и обработки управляющих электрических сигналов, простота регулирова­ния развиваемых усилий, высокая взаимозаменяемость информационных и коммутирующих электрических элементов.

Несмотря на то, что в настоящее время широко используются и активно продолжают внедряться в производ­ство электронные системы управления на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК), электричес­кие управляющие системы по-прежнему часто применяются в связи с простотой, удобством коммутации, а главное — невысокой ценой.

Безусловным достоинством релейно-контактных схем, на основе которых разрабатывают электрические управляющие системы, является их универсальность, т. е. возможность использования одного и того же схема­тического решения для управления силовыми частями приводов, построенных на базе как пневматических, так и гидравлических устройств.

Пример электрической системы управления, выполненной на основе релейно-контактных устройств показан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Электропневматический привод

2.1. Устройства ввода электрических сигналов

Рис. 2.2. Типы контактов и их условные графические обозначения

Устройства ввода электрических сигналов можно отнести к элементам информационной подсистемы. Назначение данных устройств — вводить электрические сигналы в систему управления или передавать их для последующей обработки и преобразования путем замыкания определенных участков электрической цепи.

Основными конструктивными элементами этих устройств являются контактная система (состоящая из подвижныx и неподвижных контакт-элементов) и привод. Электрические контакты делятся по функциональному назначению на замыкающие, размыкающие и переключающие (рис. 2.2).

Тип контакта определяется помимо условного обозначения также цифровой индексацией. Клеммы размыкающего контакта обозначаются цифрами 1 и 2, замыкающего — 3 и 4, переключающего — 1,2, 4. Допускается зеркальное изображение обозначений контактов по сравнению с приведенными на рис. 2.2.

Считается, что при отсутствии управляющего воздействия контакты находятся в нормальной позиции. В соответствии с данным положением замыкающий контакт называют нормально разомкнутым, а размыкающий - нормально замкнутым.

2.1.1. Кнопочные выключатели (кнопки управления)

Кнопочными выключателями называют устройства ввода электрических сигналов с ручным управлением, рис. 2.3.

Рис. 2.3. Кнопочные выключатели: а) одноконтактный;

б) двухконтактный

Контакты кнопочных выключателей имеют различные условные обозначения на схемах в зависимости от конструктивного исполнения приводного механизма (рис. 2.4).

На принципиальных электрических схемах рядом с изображением контакта проставляют буквенно-цифровую индексацию устройства, включающего данный контакт. Устройства ввода электрических сигналов обычно обозначают латинскими буквами S или В.

В случаях, когда выключатели имеют несколько контактных групп, клеммы контактов обозначают двузначным числом, первая цифра которого указывает на порядковый номер контактной группы в данном устройстве, а вторая — на тип контакта (см. рис. 2.3, б). Если контакты подобного выключателя задействованы в разных цепях, то на схеме допускается изображе­ние механической связи между ними (рис. 2.5).

Рис. 2.4.Обозначения контактов кнопочных выключателей

Рис. 2.5. Варианты изображения многоконтактных кнопочных выключателей

Выключатели применяют для пуска-останова технологических процессов, а также для управления исполнительными механизмами в ручном режиме. Монтируют кнопочные выключатели, как правило, на щитах или на пультах управления.

Наиболее ответственным звеном в электрических системах управления являются первичные преобразователи параметров управляемого процесса в электрический сигнал, среди которых большинство составляют дат­чики положения (путевые выключатели), выдающие на выходе дискретный электрический сигнал.

2.1.2. Электромеханические путевые (концевые) выключатели

Путевые выключатели предназначены для автоматической коммутации релейно-контактных цепей в элект­рической управляющей части привода, когда подвижные элементы приводимой в действие установки достига­ют положения, требующего изменения режима ее работы.

Рис. 2.6. Электромеханический путевой выключатель

В электромеханических путевых выключателях коммутация контактов осуществляется при механическом воздействии контролируемого объекта на чувствительный элемент (рис. 2.6).

Рис. 2.7. Условные графические обозначения контактов путевых выключателей

На принципиальных электрических схемах условные графические обозначения контактов электромехани­ческих путевых выключателей могут быть представлены в следующем виде (рис. 2.7).

Электромеханические путевые выключатели чаще всего применяют для управления автоматизированны­ми линиями, в которых необходимо контролировать положение изделий либо подвижных узлов установки, а также ограничивать перемещения последних (например, в качестве аварийных датчиков в грузоподъемных машинах).

Электромеханические путевые выключатели являются наиболее слабым звеном в системах электроавто­матики. Такая ситуация объясняется, в первую очередь, необходимостью установки путевых выключателей непосредственно у рабочих элементов технологического оборудования, находящегося в тяжелых условиях экс­плуатации (ударные нагрузки, вибрации, запыленность). Данная особенность местоположения путевых вык­лючателей обусловливает специфические требования к их надежности, помехоустойчивости, сроку службы, габаритным размерам (а также накладывает другие ограничения). Большинство задач, возникающих в связи с этими требованиями, можно решить (и они решаются) путем использования бесконтактных путевых выключа­телей.

2.1.3. Бесконтактные путевые выключатели

Бесконтактными называют выключатели, в которых выходной сигнал формируется без механического кон­такта с контролируемым объектом.

Герконовые путевые выключатели

Путевые выключатели, в которых коммутация электрических контактов осуществляется под действием внеш­него магнитного поля, называются герконовыми. Геркон (герметический контакт) представляет собой переклю­чатель с пружинными контактами (в виде пластин) из ферромагнитного материала, запаянными в герметичную стеклянную колбу (наполненную газом или вакуумированную). Попадая в магнитное поле, контакты намагничи­ваются и притягиваются друг к другу, замыкая электрическую цепь.

Рис. 2.8. Герконовый выключатель

Герконовые выключатели (рис. 2.8) традиционно применяют с целью контроля крайних положений выход­ных звеньев пневмоцилиндров, поршни которых снабжены постоянными магнитами. Для индикации включен­ного состояния герконовые выключатели снабжают светодиодами

Поскольку герконовые выключатели устанавливают непосредственно на гильзах цилиндров, а не в зоне рабочих ходов исполнительных механизмов, приводы, снабженные такими выключателями, становятся более компактными.

В зависимости от варианта конструктивного исполнения (двухпроводная или трехпроводная схема подключе­ния) коммутация герконовых выключателей с нагрузкой (устройством, на которое подается электрический сигнал) будет различной (рис. 2.9, а). На схемах герконовые выключатели обозначают латинской буквой S (рис. 2.9, б).

Рис. 2.9. Двух- и трехпроводные схемы включения герконовых выключателей и их изображение на принципиальных пневматических схемах

Герконовые выключатели выпускают не только с замыкающими контактами, но и с размыкающими и пере­ключающими. Строго говоря, выключатели на герконах занимают промежуточное положение: будучи контактными выклю­чателями, они в то же время являются выключателями параметрического действия, т. е. для их срабатывания не требуется механического контакта с подвижным управляющим элементом.

Электронные путевые выключатели

Электронные путевые выключатели не имеют электрических контактов и других подвижных элементов, что делает их более надежными и долговечными по сравнению с электромеханическими и герконовыми.

Выходной электрический сигнал в электронных путевых выключателях вырабатывается электронной схе­мой при попадании контролируемого объекта в зону действия выключателя. В зависимости от принципа рабо­ты различают выключатели генераторного и волнового типов. Наиболее распространены индуктивные и емко­стные выключатели (в которых используют датчики генераторного типа), а также оптические (в которых приме­няют датчики волнового типа).

Принцип действия выключателей генераторного типа заключается в изменении параметров колебательного контура генератора, встроенного в их корпус, при вводе контролируемого объекта в зону срабатывания выклю­чателя (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Выключатели генераторного типа: а) структурная схема,

б) внешний вид

При подаче питания на путевой выключатель его генератор 1 создает переменное магнитное поле. Контро­лируемый объект в зоне срабатывания выключателя вызывает изменение амплитуды колебаний генератора, что приводит к выработке аналогового сигнала, величина которого зависит от расстояния между выключателем и контролируемым объектом. Триггер 2 преобразует аналоговый сигнал в дискретный, который и подается через усилитель 3 на нагрузку 4.

Параметром, в результате изменения которого перемещение контролируемого объекта преобразуется в электрический сигнал, является индуктивное или емкостное сопротивление колебательного контура генерато­ра 1, что и отражается в названии выключателя.

На условном графическом обозначении бесконтактных путевых выключателей может быть приведен сим­вол, определяющий тип выключателя (индуктивный или емкостный), а также тип контакта, функции которого он выполняет (рис. 2.11).

И ндуктивный путевой выключатель формирует сигнал на выходе, если в зоне его действия находится металлический объект (в данном случае выключатель отключает сигнал, поскольку выполняет функцию размыкателя, что следует из его УГО).

Емкостной путевой выключатель формирует сигнал на выходе, если в зоне его действия находится металлический или неметал­лический объект, величина диэлектрической проницаемости которого больше единицы.

Рис. 2.11. Условные графические обозначения и схемы подключения индуктивных и емкостных путевых выключателей

При установке нескольких индуктивных датчиков в металлические корпусные детали технологического обо­рудования следует придерживаться рекомендаций, перечисленных ниже (рис. 2.12).

И ндуктивные выключатели, встраиваемые заподлицо в металл

бесконтактные выключатели могут быть встроены в металл на одном уровне с торцевой чувствительной поверхностью без изменения рабочих параметров. рас­стояние между двумя соседними выключателями должно составлять не менее величины диаметра датчика.

Индуктивные выключатели, не встраиваемые заподлицо в металл

Бесконтактный выключатель не является встраиваемым в металл, если для под­держания установленного значения какого-либо параметра такого выключателя требуется свободная зона, в которой не должны находиться материалы, влияю­щие на данный параметр.

Встречное расположение выключателей

Расстояние между активными поверхностями датчиков должно быть больше ве­личины 3S _ном.

Рис. 2.12. Установка нескольких индуктивных путевых выключателей

Здесь величина S_ном — номинальное расстояние переключения — такое расстояние от активной поверхно­сти выключателя до приближающегося к нему объекта, при достижении которого последний вызывает гаранти­рованное срабатывание выключателя.

В большинстве емкостных выключателей для изменения их чувствительности используют регулировочные потенциометры (рис. 2.13, а). Предел чувствительности можно настроить таким образом, что выключатель не будет реагировать на те материалы, диэлектрическая проницаемость которых недостаточно велика для его срабатывания. Таким образом, появляется возможность, к примеру, определения уровня жидкости в пластико­вых бутылках через их стенки, индикации наличия содержимого в картонных коробках и т. п. (рис. 2.13, б).