среднее профессиональное образование

А.Н.АлексАНдровскАя

АвтомАтикА

Рекомендовано

Федеральным государственным учреждением

«Федеральный институт развития образования»

в качестве учебника для использования в учебном

процессе образовательных учреждений, реализующих

программы среднего профессионального образования

по специальности «Техническая эксплуатация и обслуживание

электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)»

Регистрационный номер рецензии 435 от 28 ноября 2010 г. ФГУ «ФИРО»

2-еиздание,стереотипное Москва Издательский центр «Академия»

2013 УДК 681.5(075.32) ББК 32.965я723 А467 Р е ц е н з е н т ы:

зам. директора по учебно-экспериментальной и научно-исследовательской работе ГОУ СПО «Московский политехнический колледж», преподаватель высшей категории, канд. техн. наук с. а.петрова Александровская А.Н.

А467 Автоматика: учебник для студ. учреждений средн. проф.

образования / А. Н. Александровская. — 2-е изд., стер — М. :

«Издательский центр «Академия», 2013. — 256 с.

ISBN 978-5-7695-9752- Приведены сведения о роли автоматики в современной технике и технологии, показаны тенденции развития и социально-экономические аспекты автоматизации производства. Рассмотрены общие характеристики и принципы действия основных элементов автоматики. Подробно описаны различные системы автоматики и телемеханики. Изложены основы автоматизации различных технологических процессов и функционирования различного электрического и электромеханического оборудования. Показано применение цифровых систем, использующих ЭВМ в автоматических манипуляторах, а также в системах телемеханики и передачи данных. Особое внимание уделено конструкциям промышленных роботов и применению робототехнических систем.

Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.01 «Организация технического обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования (МДК.01.01-01.04)» по специальности 140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования».

Для студентов учреждений среднего профессионального образования.

УДК 681.5(075.32) ББК 32.965я оригинал-макет данного издания является собственностью издательского центра «академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Александровская А. Н., Образовательно-издательский центр «Академия», © ISBN 978-5-7695-9752-7 Оформление. Издательский центр «академия», © ВВедение Современный уровень развития науки и техники стал возможен благодаря отвоевыванию у природы все большего количества тайн устройства окружающего нас мира. Потребности развития сначала продовольственной базы, а затем и других отраслей хозяйства привели к созданию механизмов и машин, облегчающих труд человека.

Первоначально единственной управляющей системой этих механизмов и машин являлся сам человек, который направлял их работу в нужном ему направлении и контролировал достигнутые результаты. При этом ему приходилось выполнять много рутинных операций, которые быстро его утомляли и приводили к срыву выполнения заданий производства. Возникла необходимость автоматизации этих рутинных операций, а значит и необходимость познания закономерностей процессов управления. В результате их познания и появились «умные» машины и агрегаты, называемые автоматами, а наука о создании таких автоматов получила название автоматика.

Создание автоматических устройств требует развития всех элементов, входящих в состав этой автоматизированной системы управления:

датчиков состояния окружающей среды и происходящих процессов;

приборов, вырабатывающих управляющее воздействие;

исполнительных элементов, реализующих управляющее воздействие.

В зависимости от назначения автоматизированные системы управления имеют дело с микро- и макромиром. Соответственно и датчики должны отражать явления, происходящие в этих мирах.

В настоящее время начали стремительно развиваться нанотехнологии, позволяющие значительно повысить качество и возможности создаваемой техники. Технологические процессы в этом случае имеют дело с манипуляциями молекулами и атомами, расставляя их в нужные места для получения необходимых свойств материалов, из которых создаются новые машины и аппараты. Датчики таких автоматических систем должны различать молекулы различных веществ и чувствовать состояние составляющих их атомов.

В макромире датчики, как правило, измеряют температуру, давление и влажность окружающей среды, состав окружающих газов и жидкостей, размеры и свойства различных твердых тел.

Процесс познания природы человеком идет непрерывно, и каждый новый уровень этого познания требует создания все более совершенных датчиков. Некоторые датчики необходимы для работы в условиях, недоступных или вредных для существования человека.

Например, прежде чем отправить человека в космос, необходимо изучить условия, в которых будет находиться человек. Эту задачу решают автоматические межпланетные станции, снабженные соответствующими датчиками и системами передачи данных на Землю.

Управляющие элементы автоматических систем за последнее время претерпели значительное изменение : от механических и аналоговых вычислителей до цифровых высокоскоростных вычислительных машин, способных с большой точностью и в реальном масштабе времени моделировать требуемые технологические процессы. Стало возможным создание виртуальных объектов управления, например тренажеров для обучения летчиков и космонавтов.

Прогресс в области промышленной электроники, электромагнитной техники предопределил пути развития электроавтоматики. В сочетании с вычислительной техникой и современными достижениями в теории автоматического управления стало возможным создание автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП), отраслями (ОАСУ), широкое применение промышленных роботов и гибких автоматизированных производственных систем.

Исполнительные элементы автоматических систем управления (электродвигатели, сельсины, контакторы, гидравлические системы и т. д.) за последние 20 лет также претерпели значительные изменения. Электродвигатели и сельсины становятся малоэнергоемкими и высокоточными, контакторы заменяются сильноточными транзисторами и микросхемами. Появление сверхпроводимых материалов, работающих при обычных температурах и давлениях, приводит к дальнейшим коренным изменениям в конструкциях исполнительных механизмов автоматов.

В развитие автоматики вложен труд многих отечественных и зарубежных ученых.

С именем М. В. Ломоносова связано начало развития приборостроения. Он вместе с академиком Г. В. Рихманом впервые в мире построил электрический измерительный прибор со шкалой. М. В. Ломоносов доказал, что «электричество взвешено быть может».

Автоматический регулятор, принцип действия которого лежит в основе всех современных регуляторов, был разработан и испытан в 1765 г. И. И. Ползуновым.

Академик Б. С. Якоби создал электродвигатель и синхронную передачу (1834 г.). В 1874 г. В. Н. Чиколевым был разработан электрический регулятор со следящей системой. Профессор Петербургского технологического института И. А. Вышнеградский в 1877 г. заложил основы теории автоматического регулирования.

Создание автоматических участков, цехов и заводов с широким использованием ЭВМ, автоматических систем управления производством, систем управления качеством, гибких роботизированных комплексов привело к комплексной автоматизации производственных процессов.

Интенсивное развитие автоматики вызвало необходимость выделения ее в самостоятельную область науки и техники. Это было осуществлено в 1930 г. на Второй международной энергетической конференции.

Каким бы коренным изменениям не подвергались элементы автоматических систем, основным управляющим звеном систем управления всегда был и остается человек. Автоматы лишь позволяют ему легче, быстрее и точнее добиваться поставленных целей.

В производственных процессах участие человека минимально, но контроль правильности работы автоматов все равно остается за ним.

Чем сложнее автоматическое устройство, тем образованнее должны быть специалисты, контролирующие его работу. Если человек не понимает, как работает автомат, он не сможет принять правильного решения в случае появления сбоев в его работе.

В России теоретическим и практическим вопросам автоматики придается большое значение. Создан ряд научно-исследовательских институтов в составе Российской академии наук (РАН), разрабатывающих теоретические и прикладные вопросы автоматики, а также институты, конструкторские бюро и объединения в составе отраслей промышленности, разрабатывающих прикладные вопросы автоматизации производства.

Все большее применение находит автоматика на коммунальнобытовых предприятиях и объектах жилищно-гражданского строительства. Полностью автоматизированы различного назначения насосные станции и тепловые пункты, широкое распространение получила объединенная диспетчерская служба (ОДС), контролирующая состояние инженерного оборудования зданий и работу лифтов.

Область применения автоматизации и механизации безгранична.

Автоматика постепенно охватывает все отрасли хозяйства.

ГлаВа Производственный Процесс 1.1. основные Понятия и оПределения Автоматика — отрасль науки и техники об управлении и контроле протекания различных процессов, действующих без непосредственного участия человека.

Автоматика является одним из разделов кибернетики — науки об общих законах управления как в живой, так и неживой природе.

Управление — это процесс воздействия на объект с целью привести его в желаемое состояние или положение.

Задачей автоматики как науки является разработка принципов и средств, необходимых для управления техническими объектами без участия человека. Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, цех, завод и т. д.), нуждающийся для успешного взаимодействия с другими объектами (внешней средой) в специально организованном управляющем воздействии, называется объектом управления (ОУ).

Целенаправленное воздействие на объект управления возможно при выполнении следующих условий:

наличия правил, позволяющих добиваться поставленной цели управления в различных ситуациях, т. е. алгоритма существования автоматического управляющего устройства (АУУ), способного создавать в соответствии с алгоритмом управляющее воздействие.

Совокупность объекта управления и автоматического управляющего устройства, взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели управления, называется системой автоматического управления (САУ).

В общем виде САУ и ее взаимодействие с внешней средой можно представить в виде структурной схемы, показанной на рис. 1.1. Объект управления создает воздействие Y на внешнюю среду. Воздействие Y характеризует желаемое состояние или положение ОУ и называется управляемой величиной. Информация о действительном (текущем) значении управляемой величины Y в большинстве САУ используется для выработки управляющего воздействия U на ОУ, поэтому информация о Y вводится в АУУ. Воздействие ОУ на внешнюю среду может осуществляться комплексно (одновременно по нескольким параметрам). В этом случае оно будет векторной величиной Y.

Со стороны внешней среды на ОУ действует возмущающее воздействие F, нарушающее нормальную работу объекта и затрудняющее достижение поставленной цели управления. В некоторых САУ информация о возмущающем воздействии F используется в АУУ для выработки управляющего воздействия U.

На вход АУУ подается задающее воздействие G, содержащее информацию о цели управления, т. е. о предписанном (заданном) значении Y. Воздействия U, G, F, так же как и Y, в общем случае могут быть векторными. В показанной на рис. 1.1 схеме САУ управляющее воздействие U вырабатывается в результате переработки информации об управляемой величине Y, задающем воздействии G и возмущающем воздействии F. Возможно построение САУ, использующих только часть информации. Существуют САУ, управляющие только по задающему воздействию G, представляющему в этом случае команды программы. Такое управление называется жестким, так как при этом не учитываются действительные значения управляемой величины Y и возмущающего воздействия F (параметры САУ и значение F считаются постоянными). Подобные САУ дают удовлетворительное качество управления лишь при высокой стабильности параметров САУ и внешней среды и при невысоких требованиях к точности. По структуре эти САУ являются разомкнутыми, так как не имеют обратной связи по управляемому параметру Y и не образуют замкнутого контура управления. Существуют разомкнутые САУ, управляющие только по возмущающему воздействию F или по двум воздействиям: задающему G и возмущающему F.

Более высокое качество управления позволяют получить замкнутые САУ, в которых используется информация об управляемой величине Y и задающем воздействии G. Управляющее воздействие U в этих САУ вырабатывается в зависимости от отклонения Y от значения G и независимо от причин, вызвавших это отклонение. Такое управление может быть названо гибким, так как при этом учитывается действительное состояние ОУ. Информация об Y передается в АУУ, образуя контур главной обратной связи (сигнал с выхода системы подается на вход).

Системы автоматического управления, в которых используется информация одновременно о трех воздействиях: G, Y и F, называются комбинированными. Комбинированные САУ имеют более высокое качество управления, чем системы, работающие только по отклонению, так как информация о значении возмущающего воздействия F позволяет АУУ работать с предвидением, т. е. начинать компенсацию внешнего возмущения, нарушающего нормальную работу ОУ, раньше, чем возникнет достаточно большое отклонение.

Еще более совершенными по качеству управления являются адаптивные САУ. Они обладают способностью приспосабливаться к изменению внешних условий работы, улучшать свою работу по мере накопления опыта. Адаптивные САУ используются для управления объектами, информация о которых не является полной либо недостаточно достоверна, а взаимодействие ОУ с внешней средой неоднозначно или мало изучено.

Автоматическое управляющее устройство состоит из отдельных элементов, соединенных определенным образом для выработки управляющего воздействия U. Элемент является функционально обособленной составной частью АУУ, выполняющей часть общей задачи по переработке информации. Элементы систем автоматики отличаются однонаправленностью потока информации со входа на выход. В энергетическом отношении каждый элемент является преобразователем энергии.

В сложных САУ (система управления посадкой самолета, система управления адаптивным роботом-манипулятором и т. д.) информация о действительном значении управляемой величины вводится в вычислительное устройство (ВУ). Это устройство должно воспринимать информацию от нескольких датчиков, находить оптимальное сочетание параметров и вырабатывать одновременно несколько управляющих воздействий. В этом случае в качестве ВУ используются микропроцессоры, микроЭВМ и мини-ЭВМ, управляющие цифровые вычислительные машины [ЦВМ] и т. д. Комплексная автоматизация производства, создание автоматизированных систем управления производством (АСУП) возможны только на основе ЭВМ.

Создание систем гибкого автоматизированного производства (ГАП) требует применения целых вычислительных комплексов, так как в единый процесс включаются все этапы создания нового изделия: проектирование, технологическая подготовка производства, изготовление и контроль, автоматическое управление вспомогательными операциями (складирование, транспортировка и т. д.).

1.2. Понятие об автоматизации Производственных Процессов В развитом обществе автоматизация производства закономерна.

Она является одним из средств уничтожения существенного различия между умственным и физическим трудом.

Средства автоматики и телемеханики заменяют труд человека при контроле производственных процессов и управлении ими. Рассмотрим пример поддержания постоянной заданной температуры в помещении. Для выполнения этой задачи без применения автоматики, человек должен, во-первых, наблюдать за показаниями термометра, во-вторых, сравнивать эти показания с заданной температурой и, в-третьих, в случае разности между заданной и наблюдаемой величинами изменять температуру нагревателя таким образом, чтобы эта разность стала равной нулю. Таким образом, человек выполняет здесь следующие функции:

контроль температуры;

сравнение ее с заданным значением;

управление температурой. Автоматическое устройство призвано заменить утомительный труд человека по постоянному наблюдению и регулированию температуры.

Поэтому структура его выглядит так, как это представлено Датчик (измерительный орган) измеряет величину, подлежащую регулированию в данном объекте, и преобразует ее в величину другого вида, более удобную для воздействия на управляющий орган.

Управляющий орган воспринимает это воздействие, сравнивая его с заданным значением величины, и при наличии расхождения передает соответствующее воздействие на исполнительный орган, который и восстанавливает заданное значение регулируемой величины.

Рис. 1.2. Структура системы автоматического регулирования В приведенном примере при неавтоматическом регулировании объектом является комната, регулируемой величиной — температура, датчиком — термометр, исполнительным органом — нагреватель, а функцию управляющего органа выполняет человек.

Автоматизация — процесс, при котором функции управления и контроля осуществляются методами и средствами автоматики. Она характеризует освобождение человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам.

Техническая направленность автоматизации позволяет организовать технологические процессы с такой скоростью, точностью, надежностью и экономичностью, которые человек обеспечить не может.

Экономическая направленность позволяет получить сравнительно быструю окупаемость первоначальных затрат за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объема и качества выпускаемой продукции.

Социальная направленность позволяет изменить характер и улучшить условия труда человека.

1.3. классификация автоматизации По выПолняемым функциям По степени автоматизации производства различают частичную, комплексную и полную автоматизацию.

Частичная автоматизация — это автоматическое выполнение отдельных производственных операций, осуществляемое в тех случаях, когда определенные производственные процессы вследствие своей сложности или быстродействия невыполнимы для человека.

а — система автоматического управления (разомкнутая); б — система автоматического контроля; в — система автоматического регулирования (замкнутая система автоматического управления);

Функции человека сводятся к участию в производственных операциях, контроле и управлении.

Комплексная автоматизация — это автоматическое выполнение всех производственных операций участка, цеха, завода, электростанции и других объектов как единого взаимосвязанного комплекса. Функции человека при комплексной автоматизации ограничиваются контролем и общим управлением. При комплексной автоматизации отдельные автоматические регуляторы и программные устройства должны быть связаны между собой и образовывать единую систему управления.

Полная автоматизация — высшая ступень, при которой автоматизируются все основные и вспомогательные участки производства, включая систему управления и контроля. Управление и контроль автоматизируются с помощью вычислительных машин или специализированных автоматических устройств. Функции человека при полной автоматизации сводятся к наблюдению за работой оборудования и устранению возникающих неисправностей.

В зависимости от выполняемых функций автоматизация классифицируется таким образом, как это представлено на рис. 1.3: управление, контроль, сигнализация, блокировка, защита, регулирование.

Управление — это совокупность действий, направленных на поддержание функционирования объекта в соответствии с заданной программой, выполняемых на основе определенной информации о значениях параметров управляемого процесса.

Любой процесс управления в каждый момент времени характеризуется одним или несколькими показателями, которые отражают физическое состояние управляемого объекта (температура, скорость, давление, электрическое напряжение, ток, электромагнитное поле и т. д.). Эти показатели могут изменяться или оставаться постоянными при изменении внешних условий и режимов работы управляемого устройства. Такие показатели называются параметрами управляемого процесса. С точки зрения автоматизации производства управление подразделяется на автоматическое и полуавтоматическое.

При автоматическом управлении подача команд на управляемый объект осуществляется от специальных устройств либо по заданной программе, либо на основании информации контролируемых параметров.

При полуавтоматическом управлении контроль работы управляемого объекта и подача команд осуществляются частично оператором. Полуавтоматическое управление может быть местным и дистанционным. При местном управлении аппараты управления и контроля размещаются рядом с объектом, при дистанционном — на любом расстоянии от объекта.

Автоматический контроль — автоматическое получение и обработка информации о значениях контролируемых параметров объекта с целью выявления необходимости управляющего воздействия. Автоматический контроль можно рассматривать как составную часть автоматического управления.

Контроль может быть непрерывным и дискретным, местным и дистанционным.

Непрерывный контроль — это контроль, при котором контролируемые параметры постоянно сопоставляются с заданными значениями.

Дискретный контроль — это контроль, при котором сопоставление параметров осуществляется периодически.

Местный контроль — это контроль, при котором наблюдение за состоянием параметров осуществляется непосредственно у объекта, при дистанционном контроле наблюдение за состоянием параметров осуществляется на расстоянии от объекта.

Сигнализация — это преобразование информации о функционировании контролируемого объекта (о значении характерных параметров) в условный сигнал, понятный дежурному или обслуживающему персоналу.

Сигнализация подразделяется на технологическую и аварийную.

Технологическая сигнализация извещает персонал о ходе процесса при возможных допустимых отклонениях контролируемых параметров. Извещение может быть в виде световых сигналов (загорание или мигание ламп, табло, и т. д.), а также сочетания световых и звуковых сигналов.

Аварийная сигнализация извещает об отклонениях контролируемых параметров технологического процесса за допустимые пределы и необходимость вмешательства персонала. Обычно она выполняется в виде световых и звуковых сигналов.

Блокировка — это фиксация механизмов, устройств в определенном состоянии в процессе их работы. Блокировка позволяет сохранить механизм, устройство в фиксированном положении после получения внешнего воздействия. Блокировка повышает безопасность обслуживания и надежность работы оборудования, обеспечивает требуемую последовательность включения механизмов, устройств, а также ограничивает перемещение механизмов в пределах рабочей зоны.

Автоматическая защита — это совокупность методов и средств, прекращающих процесс при возникновении отклонений за допустимые значения контролируемых параметров. В ряде случаев устройства защиты одновременно выполняют функции управления.

Автоматическое регулирование — это автоматическое обеспечение заданных значений параметров, определяющих требуемое протекание управляемого процесса в соответствии с установленной программой. Автоматическое регулирование можно рассматривать как составную часть автоматического управления.

Параметры управляемого процесса, подлежащие заданным изменениям или стабилизации, называются регулируемыми параметрами.

Устройство, которое обеспечивает автоматическое поддержание заданного значения, регулируемого в управляемом объекте, или его изменения по определенному закону, называется регулятором.

Совокупность объекта регулирования и автоматического ре гулятора называется системой автоматического регулирования (САР).

В системе автоматического регулирования различают прямую и обратную связь.

Прямая связь — это воздействие каждого предыдущего элемента регулятора на последующий.

Обратная связь — это воздействие одного из последующих элементов регулятора на предыдущий.

Обратная связь может быть положительной и отрицательной.

При положительной связи — направление ее воздействия совпадает с направлением воздействия предыдущего элемента на последующий, а при отрицательной — в противоположном направле- нии.