1.6. Управление машинами

Устройства управления позволяют человеку направлять и регулировать работу машины.

Самодействующие устройства, работающие по заданной программе, называются автоматами. Если управление частично производится автоматами, а частично человеком, его называется автоматизированным. Если самодействующее устройство работает циклически, и для каждого нового цикла необходимо вмешательство человека – оно называется полуавтоматическим. Полуавтоматически обычно действуют различные контрольные и предохранительные устройства [4].

В строительных машинах управление подразделяется по нескольким назначениям:

- управление двигателем;

- управление установкой рабочего оборудования;

- управление сцепными муфтами и тормозами;

- управление движением всей машины.

Системы управления строительных машин по конструктивным признакам разделяются на механические, гидравлические, пневматические, электрические и смешанные (комбинированные).

С целью частичной или полной автоматизации управления машинами применяют комбинированные системы – гидропневматические, гидроэлектрические, гидропневмоэлектрические и ряд других.

2. Элементы и устройства автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами (лабораторная работа №2)

Цель работы: ознакомление с отдельными элементами систем автоматического контроля управления и регулирования технологических процессов.

Системы автоматического контроля, управления и регулирования состоят из отдельных элементов, выполняющих опреде­ленные функции. По характеру выполняемых функций элементы подразделяются на датчики, усилители ко­мандных (управляющих) сигналов и ис­полнительные устройства [5].

2.1. Датчики

Датчиком в системе автоматического контроля и регулирова­ния называют специальное устройство, слу­жащее для преобразования контролируе­мой или регулируемой величины в выход­ной сигнал, удобный для измерения.

Контролируемым параметром может быть температура в пропарочной камере завода железобетонных конструкций; угол наклона отвала автогрейдера при нарезке сливной призмы земляного полотна; напряжения и деформации в конструкциях зданий, сооружений, элементах технологического оборудования и т.д.

Датчик состоит из одного или несколь­ких элементов (преобразователей). Глав­ным элементом датчика является первич­ный преобразователь, воспринимающий контролируемую величину и называемый чувствительным элементом. Чувствитель­ные элементы по физическому принципу могут быть электрические, механические, акустические, оптические, тепловые, гид­равлические, радиоактивные, электромаг­нитные и других видов [1].

Классификация датчиков, применяе­мых в строительстве, приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Классификация датчиков

Наименование датчика	Вид преобразования	Примеры применения в строительстве
Механические датчики
1. Датчики перемещения
Потенциометрический (реостат)	Изменение активного сопротивления	Приборы для автоматического учета работы кранов, телемеханические устройства, уров­немеры, жидкостные моделирующие устрой­ства, системы автоматизации дорожно-строи­тельных и путевых машин
Проволочный тензометрический	То же	Измерение деформаций; механические ис­пытания строительных сооружений, конст­рукций и машин; измерение веса в весовых конструкциях (дозаторах)
Индуктивный дифференциальный	Изменение индуктивного сопротивления	Измерение силы, давления, уровня жидко­сти; применяется в дозаторах бетонных за­водов, работомерах, ограничителях грузоподъемности, задатчиках программ регули­рования и т. п.
Емкостный	Изменение емкостного сопротивления	Уровнемеры, измерение малых перемеще­ний, измерение прогиба ленты конвейера, контроль влажности строительных материа­лов
2. Датчики скорости
Тахогенератор	Преобразование угловой скорости в ЭДС	Измерение и регулирование частоты враще­ния различных машин и механизмов, в том числе электропривода строительных машин
3. Датчики ускорения
Пьезоэлектрический	Преобразование ускорения в ЭДС	Транспортные и подъемные устройства, измерение вибраций
4.Датчики силы
Угольный	Преобразование силы в изменение активного сопротивления	Механические испытания строительных сооружений и конструкций
Магнитоупругий	Преобразование силы в изменение индуктивного сопротивления	То же, кроме того, применяется в дозаторах и системах автоматического контроля натяжения арматуры в предварительно напряженных железобетонных конструкциях
Пьезоэлектрический	Преобразование силы в разность потенциалов	Измерение усилий, вибраций
Акустические датчики
1. Звуковые
Электродинамический микрофон	Преобразование ультразвуковых колебаний в ЭДС	Звукометрический регулятор производительности шаровых мельниц
2. Ультразвуковые (универсальные)
Ультразвуковой	Преобразование ультразвуковых колебаний в разность потенциалов	Испытание строительных материалов и конструкций, определение расположения арматуры в железобетонных изделиях, дефектоскопы, толщиномеры, контроль тепловлажной обработки железобетонных изделий по набору прочности
Тепловые датчики
Термометры сопротивления, полупроводниковые термосопротивления	Преобразование температуры в изменение активного сопротивления	Измерение и регулирование температуры в пропарочных камерах заводов железобетонных изделий и при электропрогреве бетона, измерение температуры подшипников
Термопары металлические, термометры полупроводниковые	Преобразование температуры в ЭДС	Измерение высоких температур, регулиро­вание температуры в асфальтосмесителе, ре­гулирование температуры в отдельных частях машин, аппаратов
Оптические датчики
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом	Преобразование светового потока в электрический ток	Автоматическое включение транспортных установок и освещения, сигнализация, блокировка, учет штучной продукции
Фотосопротивления	Преобразование светового потока в измерение активного сопротивления	Дозаторы бетонных заводов, учет штучной продукции, контроль размеров, регулирова­ние процессов, взвешивание, автоматический контроль и управление рабочими орга­нами путевых машин, шифраторы на заво­дах – автоматах
Вентильные фотоэлементы	Преобразование светового потока в ЭДС	Автоматическое управление транспортными установками
Радиоактивные датчики
Радиоактивные элементы	Преобразование радиоактивных излучений в ионизационный ток	Измерение уровня жидких и сыпучих материалов, влажности песка, щебня и бетонной смеси, толщины и высоты слоя; контроль запыленности среды, газопроницаемости материала; расходомеры материалов

Наибольшее распространение в систе­мах автоматики, применяемых в транс­портном строительстве, получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические, так как выходной сигнал (ток, напряжение) может записываться, передаваться на расстояние и, тем самым, дистанционно управлять производствен­ным процессом.

Основными характеристиками датчи­ка являются статическая характеристика и чувствительность. Статическая характеристика датчика отображает функциональную зависимость выходной величины у от входной величи­ны х ,т.е.

у = f(x), (1)

где у – величина, полученная после преобразова­ния (выходная); х – контролируемая (входная) величина, действующая на датчик.

При плавном изменении выходной ве­личины статическая характеристика датчи­ка представляет собой плавную кривую. При скачкообразном изменении выходной величины статическая характеристика име­ет разрывной характер. Такие датчики на­зывают датчиками с релейной характери­стикой. По статической характеристике датчика определяют его чувствительность.

Чувствительность датчика показывает степень изменения выходной величины в зависимости от изменения входной

. (2)

Так, например, чувствительность тер­мопары показывает степень изменения раз­виваемой ею термоэлектродвижущей силы при изменении температуры. Наименьшее изменение входной величины, вызываю­щее заметное изменение выходного сигнала, называют порогом чувствительности датчика [2].

По выходной величине все электриче­ские датчики разделяются на параметри­ческие и генераторные. Параметрическим датчиком называют датчик, который для своей работы требует дополнительного источника питания. При­мером такого датчика может служить тер­мометр сопротивления, у которого конт­ролируемая величина – температура – преобразуется в изменение электрического активного сопротивления, а значит и тока, за счет источника питания, включенного в диагональ моста, т.е. подключенного к зажимам термо­метра.

Генераторным датчиком называют дат­чик, который для своей работы не требует дополнительного источника питания. При­мером генераторных датчиков являются: термопара, в которой за счет энергии вход­ной величины (температуры) возникает электродвижущая сила (выходная величи­на); тахогенератор; пьезодатчики и ряд других.

Датчики выполняют контактными и бесконтактными. Чувствительный элемент в контактных датчиках непосредственно соприкасается с контролируемым объек­том, а в бесконтактных не соприкасается. К бесконтактным относятся радиоактив­ные, ультразвуковые, фотоэлектрические и электромагнитные датчики.

При автоматизации существующих и разрабатываемых вновь производствен­ных и строительных процессов в транспорт­ном строительстве, а также при автомати­зации строительных и дорожных машин приходится измерять, контролировать и регулировать разнообразные параметры технологических операций, как, например, скорости, углы наклона, перемещения, крутящие моменты, уровни, механические напряжения, температуры и т. д., для чего применяют различные датчики [1].

Рис. 2.1. Проволочный тензодатчик: а – вид датчика при снятом покрытии; б – поперечное сечение;

в – конструкция; 1 – выводные провода; 2 – проволока; 3 – подкладка из бумаги или лаковой пленки;4 – покрытие из бумаги, фетра или лака; 5 – бумажный каркас

Основными достоинствами проволочных тензодатчиков (рис. 2.1) являются почти полное отсутствие их влияния на деформацию детали и низкая стоимость.

Индуктивные датчики (рис. 2.2) при­меняются для преобразования в электри­ческий сигнал небольших линейных и уг­ловых перемещений. Принцип действия их основан на изменении индуктивности ка­тушки с магнитопроводом при перемещении якоря. Индуктивные датчики имеют различную конструкцию.

Преимуществом индуктивных датчи­ков являются простота и надежность устройства, отсутствие подвижных контак­тов, возможность использования перемен­ного тока промышленной частоты и воз­можность непосредственного включения измерительного прибора. Данные обстоя­тельства способствуют широкому их расп­ространению в промышленности.

Рис. 2.2. Схемы индуктивных датчиков:

а – с воздушным зазором δ; б – дифференциального типа; в – плунжерного типа; г – поворотный трансформаторный; Р – сила, воздействующая на якорь; , ₁, ₂ – воздушные зазоры; L₁, L₂ ,W_1,W₂ – обмотки;  – угол поворота вторичной обмотки; U, U_вых – входное и выходное напряжения

Емкостные датчики преоб­разуют механические перемещения в изме­нения электрической емкости, т. е. изме­няют емкостное сопротивление

, (5)

где f – частота источника питания, Гц; С – емкостъ, Ф.

. (6)

Емкостные датчики, как и индуктив­ные, работают на переменном токе, только в отличие от индуктивных в большинстве случаев они работают на частоте выше 1 кГц.

Значение емкости С можно регулировать изменением зазора δ, площа­ди S и выбором материала диэлектрика (диэлектрической постоянной ε). Емкост­ные датчики могут иметь различную кон­струкцию. В одних датчиках пластины конденсатора сдвигаются и раздвигаются (рис. 2.3, а), в других они выполнены в виде пластин и взаимно поворачиваются (рис. 2.3, б); у других цилиндры смеща­ются один параллельно другому (рис. 2.3, в) или между двумя неподвижными пласти­нами конденсатора перемещается третья (рис. 2.3, г).

Рис. 2.3. Схемы емкостных датчиков

Последняя конструкция представляет собой дифференциальный емкостный дат­чик. При перемещении средней пластины емкость конденсатора изменяется. Емко­стные датчики обладают высокой чувст­вительностью, а отсутствие электрических контактов обеспечивает их надежную работу. Однако эти датчики в автоматике получили небольшое распространение, так как имеют серьезные недостатки. В частно­сти, они непригодны для работы на низких частотах и требуют специального высоко­частотного генератора. Схемы с емкостны­ми датчиками сложны в регулировке и не­удобны в эксплуатации, так как они чувст­вительны к посторонним электрическим полям и паразитным емкостям [1].

Электроконтактные (электромеханические) датчики предназ­начены для управления электроприводами механизмов и машин, а также для ограни­чения перемещения (в частности, аварий­ного) различных частей механизмов. К датчикам такого рода относятся путевые (конечные) выключатели, которые приво­дятся в действие движущимися элемента­ми машин и механизмов.

Бесконтактные датчики и концевые выключатели получи­ли большое распространение в системах автоматизации строительных машин и ме­ханизмов. Эти приборы состоят из следую­щих функциональных элементов: металли­ческой пластины (или детали механизма) ­воздействующего (контролирующего) элемента, преобразователя (генератора) перемещений контролируемого элемента в электрический сигнал и электрической схемы релейного действия для получения выходного сигнала дискретной формы.

Датчики скорости. Одним из наиболее распространенных датчиков скорости является тахогенератор, который представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее механическое вращение в электрический сигнал. Тахоге­нераторы используются как электрические датчики угловой скорости и работают как обычные маломощные электрические машины в режиме генератора для выработки напряжения, пропорционального частоте вращения. В зависимости от конструкции и соответственно выходного напряжения тахогенераторы подразделяются на тахоге­нераторы постоянного (рис. 2.4) и пере­менного тока с независимым возбуждени­ем. Вал тахогенератора соединяется с ва­лом, частоту вращения которого необхо­димо замерить или контролировать. Вы­ходное напряжение, снимаемое с его ще­ток, пропорционально частоте вращения вала. При изменении направления враще­ния меняется полярность напряжения [1].

Рис. 2.4. Схема тахогенератора постоянного тока с обмоткой возбуждения

Тахогенераторы широко применяют в схемах автоматического управления электроприводами конвейеров, дозаторов неп­рерывного действия и при выполнении различных измерений.

Датчики усилий. Преобразование из­меряемых усилий в электрическое напряжение производится датчиками усилий, которые подразделяются на магнитоупру­гие, пьезоэлектрические, емкостные, ин­дуктивные, тензометрические и др.

В магнитоупругом (магни­тострикционном) датчике ис­пользовано явление изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных мате­риалов при создании в них упругих дефор­маций. В магнитоупругом датчике (рис. 2.5) пропорционально силе F изме­няется индуктивное сопротивление катуш­ки, которая включена в мостовую измери­тельную схему.

Рис. 2.5. Схема магнитного датчика

Температурные датчики. Способность тел изменять физические свойства при воз­действии на них температуры положена в основу конструкции температурных преобразователей.

В строительной технике используются такие физические явления, как тепловое расширение тел (биметаллы), появление термоэлектродвижущей силы (термопа­ры), изменение электропроводности про­водников и давления газов при нагреве.

Рис. 2.6. Схема включения термопары

Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на свойстве некоторых металлов и спла­вов создавать ЭДС при нагревании ме­ста их соединения (спая); по величине ЭДС (рис. 2.6) можно судить о температуре нагрева спая. Наиболее широкое применение имеют термопары, проводники которых изготовлены из сле­дующих специальных сплавов: хромель-­копель (термопара типа ТХК для изме­рения температур до 700 °С) и хромель­-алюмель (термопары типа ТХА для изме­рения температур до 1200 °С), платина-радий (термопара для измерения температур до 1600 °С). Термопары работают в комплекте с вторичными приборами – милливольтметрами и потенциометрами. Так, например, термопары типа ТХК применяют в системах автоматики регу­лирования температуры минеральных составляющих асфальтобетона.

Радиоактивные датчики используют для автоматического контроля и регулирования степени заполнения бункера, приготовления и уплотнения бетонной смеси, контроля влажности материалов.

Ультразвуковые датчики применяют при контроле качества изделий из метал­лов, железобетона и т. п. К акустическим датчикам относится микрофон.