Датчики дискретных параметров

К основным дискретным параметрам, преобразуемым датчи­ками в электрические сигналы, можно отнести состояние объекта («включен —выключен», «открыт—закрыт» и т.д.) и количество объектов. Частным случаем параметра «состояние» можно считать параметр «код» (операции, позиции и т.д.), который, как и со­стояние, определяется по некоторому признаку или набору при­знаков.Как уже говорилось ранее, любой аналоговый (т.е. непрерыв­ный) параметр может быть дискретизирован, т.е. представлен на­бором значений, отличающихся одно от другого на определен­ную величину. Предположим, что суппорт обрабатывающего станка может иметь фиксированные значения угла поворота 0, 10, 20° и т.д. Угол поворота — величина аналоговая, но если пронумеро­вать положения суппорта, то мы будем иметь дело с дискретными величинами — кодами позиций: 1, 2, 3 и т.д. Для получения ин­формации о том, на какой угол повернут суппорт в данный мо­мент, можно использовать датчик углового перемещения, но если на суппорте есть указатель, по которому можно определить код позиции суппорта, то проще использовать датчик состояния.

Разница между датчиками состояния и количества заключает­ся в следующем. Датчик состояния формирует электрический сиг­нал, однозначно соответствующий одному из двух или несколь­ких признаков состояния объекта. Например, двигатель включен — на выходе датчика есть сигнал; двигатель выключен — на выходе датчика сигнала нет. И наличие, и отсутствие сигнала содержат информацию о состоянии объекта.

Датчик количества формирует сигнал при наличии единствен­ного признака (например, при наличии изделия на конвейере), после чего он возвращается в исходное состояние. При каждом очередном появлении этого признака формируется новый сиг­нал, т.е. именно в наличии этого сигнала заключается полезная информация.

Сигналы с датчика количества поступают на устройство обра­ботки дискретных сигналов — счетчик, который подсчитывает количество поступивших сигналов, а значит, количество объек­тов, с которыми связан датчик. Сигналы с датчика состояния по­ступают на другое устройство — регистр, по которому оператор или управляющее устройство судят о состоянии объекта, с кото­рым связан датчик.

Простейший датчик дискретных параметров — контактный (рис. 4.26). Его дискретный входной параметр — перемещение; диск­ретная выходная величина — сопротивление электрической цепи, которое может быть или равным нулю (контакты замкнуты), или бесконечно большим (контакты разомкнуты). Дискретность вход­ного параметра означает, что датчик воспринимает только два значения перемещения движущегося штока относительно его на­чального положения: либо перемещение меньше определенного значения и контакт разомкнут, либо больше и контакт замкнут. Такой датчик может использоваться, например, как концевой выключатель цепи управления движущимся элементом, достиг­шим крайнего положения, или для контроля предельно допусти­мого размера деталей на конвейере. Погрешность его может быть очень маленькой — около 1 мкм.

100

 

Широко используются для преобразования дискретных сигна­лов оптические датчики. В подразд. 4.2.3 была рассмотрена работа оптического датчика как преобразователя аналоговой величины (углового перемещения), работающего в дискретном режиме. Но он может использоваться также и как датчик состояния, и как датчик количества.

В первом случае объект, состояние которого контролируется, должен быть снабжен непрозрачным «флажком», который при одном состоянии объекта перекрывает поток света от источника к приемнику излучения, а при другом его состоянии пропускает этот поток. Соответственно в цепи приемника излучения либо нет тока, либо он есть. Роль флажка может выполнять и сам контро­лируемый объект.

В режиме датчика количества источник и приемник излучения располагаются так, что каждый очередной объект, подлежащий счету, перекрывает оптический канал и очередной сигнал с при­емника излучения передается на счетчик.

Оптические датчики удобны тем, что в них отсутствует меха­нический контакт с контролируемым объектом. Они широко ис­пользуются не только для измерения и контроля технологических параметров, но и для защиты обслуживающего персонала от по­падания в опасную зону. В такой ситуации сигнал с датчика может не только предупредить персонал об опасности, но при необхо­димости автоматически отключить оборудование во избежание травмирования людей.

Комбинация дискретного контактного датчика с первичными механическими преобразователями позволяет создавать дискрет­ные датчики аналоговых параметров, называемые релейными. Кон­тактный датчик размещается рядом с механическим преобразова­телем, выходной величиной которого является перемещение (на­пример, пружинным преобразователем силы, сильфонным пре­образователем давления или биметаллическим — температуры). По достижении заданного значения параметра перемещающийся эле­мент замыкает контакты датчика, формируя выходной сигнал. При изменении параметра в обратном направлении контакты снова размыкаются, причем обычно имеется небольшая разница в зна­чениях параметров, соответствующих замыканию и размыканию контактов (гистерезис).

101

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение датчика.

2. Почему именно в электрический сигнал датчик преобразует техно­логический параметр?

3. Какие датчики называются активными? Назовите их.

4. Назовите основные выходные параметры пассивного датчика.

5. Перечислите основные характеристики датчиков.

6.  Перечислите виды датчиков перемещения. Что является их входной и выходной величиной?

7. Назовите основные датчики деформации, силы. Что является их входной и выходной величиной?

8.  Назовите основные датчики температуры. Что является их входной и выходной величиной?

9. Назовите основные датчики дискретных параметров. Какие прин­ципы положены в основу их работы?

 

Г ЛАВА 5 УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Если человек сильно утомлен, то может не заметить, напри­мер, идущего ему навстречу приятеля или не услышать с первого раза звонок в дверь. Но ведь его датчики — глаза и уши — получи­ли информацию и преобразовали ее в сигналы, поступившие в нервную систему. Почему же мозг не отреагировал на эти сигна­лы? Возможно, потому, что они оказались слишком слабыми — из-за переутомления ваша нервная система не обеспечила необ­ходимое усиление этих сигналов или не смогла выделить их на фоне других поступивших сигналов (помех).

В технических системах тоже возможны ситуации, когда сигна­лы датчиков слишком слабые, сопровождаются помехами, поэто­му в них большое внимание уделяют устройствам преобразования сигналов. Эти устройства обеспечивают:

•      передачу информационных сигналов от датчиков к аппарату­ре обработки сигналов и управляющих сигналов к исполнитель­ным механизмам;

•           предварительную обработку (нормализацию) сигналов дат­чиков;

•      усиление сигналов;

•        коммутирование сигналов;

•           преобразование аналоговой величины в дискретную, и на­оборот;

•       подсчет событий;

•       хранение информации;

•           формирование управляющих сигналов для исполнительных механизмов.

Переходные устройства

Современные системы управления технологическими процес­сами включают в себя сотни датчиков и исполнительных меха­низмов. Каждый из них надо подключить к аппаратуре управле­ния, расположенной во многих случаях на большом удалении от технологического оборудования. Прокладывать от каждого датчика отдельный кабель на такое расстояние дорого и громоздко, гораздо дешевле и компактнее использовать многожильные кабе­ли. Но ведь для подключения одного датчика достаточно всего 2...4 провода. Компромиссом в этой ситуации является разделе­ние соединительных линий на участки, на каждом из которых используется оптимальный вид кабеля, а стыковка участков обес­печивается соответствующими соединительными устройствами — разъемами и клеммными колодками.

Датчики, расположенные на оборудовании близко друг от дру­га, объединяются в группы, и хотя от каждого датчика идет 2-или 4-жильный кабель, от всей группы сигналы передаются уже по многожильным (до нескольких десятков жил) кабелям. Сты­ковка кабелей производится с помощью клеммных колодок (рис. 5.1). Аналогично подключаются и исполнительные механизмы.

Кабели, провода, разъемы и клеммные колодки составляют группу переходных устройств.

Выходная цепь датчика заканчивается обычно 2- или 4-кон­тактным разъемом. Ответная часть разъема соединяется с клемм-ной колодкой, располагаемой непосредственно на технологиче­ском оборудовании или вблизи него. Клеммные колодки, содер­жащие набор клемм, позволяют подключать соединительные про­вода, как правило, под винт. Концы проводов должны быть облу-жены. В качестве соединительных проводов для датчиков исполь­зуются 2- или 4-жильные кабели управления соответствующего сечения (обычно 0,35 или 0,50 мм²). Для подключения исполни­тельных механизмов используют кабели, имеющие от 4 до 10 жил, поскольку по ним не только передаются сигналы управления, но и принимаются сигналы с датчиков состояния ИМ.

Ко второй стороне клеммных колодок подключаются инфор­мационные (передающие сигналы от датчиков) и управляющие

Рис 5.1 клеммная колодка.

104

Рис. 5.2. Бронированный (а) и экранированный (б) кабели

(передающие управляющие сигналы к ИМ) кабели. Это много­жильные кабели, соединяющие технологическое оборудование с аппаратурой управления, которая обычно размещается в непос­редственной близости от ЭВМ и на значительном расстоянии от технологического оборудования (до нескольких километров).

На пути от технологического оборудования до аппаратуры уп­равления сигналы претерпевают различные изменения, вызывае­мые воздействием внешних электрических и магнитных полей. Если эти воздействия сильны, то полезная информация искажается и приходит к аппаратуре управления с ошибками. Для устранения или уменьшения ошибок принимают определенные меры. Это, в первую очередь, правильный выбор типа кабелей и выбор спосо­ба их прокладки.

В качестве информационных и управляющих кабелей основное применение нашли кабели марки КУПВ и КУПР — кабели управ­ления в поливинилхлоридной и резиновой изоляции. Сечение жил кабелей 0,35, 0,50, 0,75 и 1,00 мм²; количество изолированных многопроволочных медных жил — от 4 до 37. Промышленностью выпускаются кабели с общим экраном из переплетенных медных проводов или алюминиевой фольги, с отдельными экранирован­ными жилами и витыми парами жил. Для защиты от механических повреждений кабели могут покрываться сверху броней из сталь­ной проволоки — бронированные кабели (рис. 5.2, а).

Общий медный экран (рис. 5.2, б) защищает передаваемые по жилам сигналы от внешних переменных электрических полей. Ка­бели с отдельными экранированными жилами (рис. 5.3, а) ис­пользуют для исключения взаимного влияния сигналов, переда­ваемых в одном кабеле. Это особенно касается маломощных сиг­налов, например сигналов от датчиков температуры.

Витая пара жил (рис. 5.3, 6) защищает передаваемый сигнал от внешних магнитных полей, создаваемых работающими вблизи

105

Рис. 5.3. Кабели с экранированными жилами (а) и витыми парами (б)

кабельных трасс трансформаторами, сварочными аппаратами, электродвигателями и т.д. Пересекая жилы витой пары, перемен­ное магнитное поле в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в них ЭДС определенного знака. На длине, рав­ной периоду скрутки, знаки ЭДС противоположны и суммарная ЭДС равна нулю. Чем меньше период скрутки, тем меньшее влия­ние магнитные поля оказывают на передаваемый сигнал.

Большую роль в передаче сигналов играет способ прокладки информационных и управляющих кабелей. Наиболее применимые способы прокладки — на лотках и в коробах. В обоих случаях реко­мендуется во избежание влияния мощных управляющих сигналов на слабые сигналы от датчиков информационные кабели прокла­дывать отдельно от управляющих на своих лотках (рис. 5.4, а) или в своих коробах (рис. 5.4, б). При этом расстояние между лотками (коробами) должно быть не менее 300 мм.

Стр 106

На стороне аппаратуры управления концы информационных и управляющих кабелей подводятся и подключаются к клеммным стойкам, которые представляют собой набор клеммных колодок, располагаемых на специальных рельсах. К одной стороне этих ко­лодок и подключаются кабели. Ко второй стороне подключаются кабели, заканчивающиеся разъемами, которые подсоединяются к блокам системы управления (устройствам нормализации сигна­лов, запоминающим устройствам, выходным регистрам и т.д.).

Весь комплекс переходных устройств показан на рис. 5.5.

Таким образом, переходные устройства в процессе передачи сигнала играют такую же важную роль, как и остальные техни­ческие средства АСУ ТП.