1.4. Завдання електроніки

У другій половині 20-го й на початку 21-го сторіччя, завдяки новітнім науковим відкриттям і вдосконалюванню технологій, електроніка одержала достататочно інтенсивний розвиток [3,26,31,35]. Тепер важко уявити собі коло діяльності людини, де б не застосовувалися електронні засоби керування, регулювання, контролю, а також інформаційні системи. Від авіації й космонавтики до медицини й метеорології, від засобів масової інформації до забавних дитячих іграшок і сувенірів - усюди можна зустріти ці мініатюрні, але могутні з погляду можливостей електронні інтегральні схеми.

Розвиток сучасної технології дозволило створити принципово нові засоби керування, що рятують людини від важкої ручної праці або виснажливих і одноманітних виробничих рухів. У наш лексикон міцно ввійшли такі поняття як мікросхема, процесор, електронна пошта глобальна мережа Інтернет і мобільний телефонний зв'язок. Тепер жодне сучасний виріб не може обійтися без електронної системи керування або регулювання: комп'ютери, телевізори, пральні машини й

автомобілі й багато інших агрегатів містять маленькі блоки електронного керування - мікропроцесори, можливості яких ростуть буквально не щодня, а щогодини.

Наприклад, якщо в середині минулого століття середня по потужності й швидкодії електронно-обчислювальна машина по своїх габаритах могла займати приміщення в одну або кілька більших кімнат, то в цей час на кілька порядків більше продуктивна мікро-эвм вільно міститься в нас на долоні [34, 35]. При цьому різко зросли швидкодія, надійність, точність і обсяг інформації, які вона здатна переробити.

Напрямок на мініатюризацію електронних елементів і модулів дозволило одержати більше складні й універсальні схеми для реалізації численних виробничих і інтелектуальних функцій - таймерів, лічильників, пристроїв кодування й розшифровки інформації, распознавателей образів, відеосистем, блоків порівняння й запам'ятовування й інших. Одночасно розширилися області застосування засобів електроніки, охоплюючи неможливі дотепер процеси і явища [12].

Завдяки створенню новітніх електронних комплексів і мініатюрних схем з'явився цілий клас пристроїв, чутливих до температури, тиску, прискоренням, масі й іншим параметрам процесів, які назвали датчиками або сенсорами. З їхньою допомогою багато неелектричних величин, наприклад, переміщення, швидкість, тиск, деформацію, рівні рідких або сипучих матеріалів і ін., можна виразити електричними аналогами - напругою, струмом, опором, індуктивністю, ємністю, частотою, магнітною напруженістю й т.д. [27,36,37].

Електронні модулі й сенсори

Елементна база електронних схем становить основу для створення численних варіантів вимірювальних, регулюючих, логічних і керуючих модулів і систем. Ці досить складні й універсальні схеми дозволяють одержати відомі всім резистори, ємності, діоди, транзистори й інші елементи, электрически зв'язані між собою [3, 12, 14, 27].

Розвиток технологій і новітні розробки в області електроніки дозволили різко зменшити розміри й підвищити технічні характеристики єлектронных схем, створивши мініатюрні елементи - мікроелементи й мікросхеми, виконані, наприклад, на напівпровідникових кристалах. У свою чергу, ці електронні модулі стали більше універсальними й застосовуються в схемах як стандартні блоки, наприклад, елементи порівняння - компаратори, генератори сигналів - программаторы й мультиплексоры, пристрою зв'язку - інтерфейси, контролери й ін. Така модульность елементної бази спростила проектування нових електронних схем і систем, зробивши їх універсальними й досить надійними в роботі.

Однак, саму більших і різноманітну по конструкціях, принципам дії й методам обробки електронних сигналів групу електронних пристроїв становлять датчики або сенсори [14]. Інформація про ці пристрої, їхній роботі, характері перетворення сигналів та ін. настільки велика, що могла б зайняти обсяг декількох подібних підручників, однак обмежимося тільки основними відомостями про їх.

Як відомо, сенсори являють собою пристрої, що сприймають інформацію про стан об'єкта або системи й формуючі адекватні сигнали для обліку або створення коригувального впливу на поточні параметри об'єкта. Роль сенсорів чи представляється не визначальної, як від якості й своєчасності подібних сигналів залежить не тільки складність, але й працездатність тої або іншої електронної системи. Характеристики й функціональні можливості сенсорів досліджуються фахівцями настільки ж ретельно, як і складні явища й процеси.

Оскільки складність об'єктів керування значно зросла, різко збільшився й обсяг інформації, що збирається сенсорами й підлягаючій обробці системами регулювання й керування. Таким чином, зросли й вимоги до швидкодії й надійності пристроїв обробки сигналів, від яких залежить якість керування об'єктом.

Про високу складність об'єкта керування й регулювання можна судити на малюнка 1.12, на якому представлена схема модулів контролю й керування сучасного автомобіля [http://kvn.sibsutis.ru/]. Центральним блоком обробки сигналів є мікропроцесор, до якого зводиться вся інформація від сенсорів, що контролюють такі основні функціональні параметри, як поточна швидкість, робота системи запалювання, стан гальмової системи, температура двигуна й т.д. По заздалегідь уведеній у процесор програмі сигнали від сенсорів рівняються з еталонними величинами й робиться вивід про наявність або відсутність необхідності створення коригувального або компенсаційного впливу на той або інший параметр.

Таким чином, залежно від потужності й продуктивності микроэвм і її процесора можна контролювати до декількох тисяч сигналів від сенсорів, відповідальних за технічні параметри об'єкта керування.

По своєму типі сенсори можна підрозділити на электроконтактные (з відкритими й закритими контактами), так звані пелюсткові або герметичні магнитоуправляемые контакти (герконы). Розташовані безпосередньо на виконавчому пристрої, наприклад, пневматичному циліндрі, вони замикаються при підході до них поршня з убудованим постійним магнітом, генеруючи електричний сигнал про положення поршня.

Індуктивні і ємнісні сенсори є частиною електронних вимірювальних схем, що реєструють зміну під дією зовнішніх факторів параметрів котушки індуктивності і ємності конденсатора. Такі конструкції здатні відрізняти матеріал деталі, що проходить по конвеєрі (наприклад, метал або пластмаса). Подібні типи сенсорів часто використовуються як датчики дальності, тобто, без фізичного контакту з контрольованим об'єктом або системою.

Робота тензометричних сенсорів заснована на застосуванні тензоэффекта, що полягає в зміні опору провідника при його деформації. Такі конструкції використовуються для визначення зусиль, навантажень, кругових моментів і інших силових впливів.

Поряд зі стандартними сенсорами, що стали останнім часом, деякі їх яким перераховані вище, більшу популярність завоювали пьезокерамические сенсори. Вони побудовані на застосуванні п'єзоелектричного ефекту, де основним носієм вимірювальної інформації є електричний заряд особливим образом розташованого кристала. Залежно від напрямку додатка зусилля до кристала на його гранях виникають різні по величині заряди, що дозволяє застосовувати їх для виміру зусиль і кругових моментів. Більшу групу сучасних перетворювачів сигналів становлять фотоелектричні сенсори, які здатні перетворювати світловий потік в електричний сигнал. Це фоторезистори й фотодіоди, фототранзистори й тріодні тиристори, або фототиристори, стан яких залежить від освітленості їхніх чутливих елементів. Формування вихідного сигналу в електронній вимірювальній схемі залежить від наявності або відсутності світлового променя.

Найпоширенішими в автоматизованих системах і об'єктах регулювання в цей час представляються напівпровідникові прилади, у яких конструктивно об'єднані як джерело, так і приймач випромінювання. Вони називаються оптронами й можуть становити одну або кілька оптичних пар типу « джерело-приймач» (оптопара). Основним достоїнством оптичних перетворювачів є утсутствие електричного зв'язку між входом і виходом приладу. Такі сенсори реагують на наявність светопоглощающей перешкоди або відбиття лучачи, передаючи електронний сигнал системі реєстрації.

Одним з видів сучасних оптичних сенсорів, що дозволяють забезпечити передачу світлових сигналів у самі важкодоступні місця автоматизованої системи, представляються волоконно-оптичні перетворювачі. За допомогою оптичного кабелю, серцевина якого складається зі спеціального светопроводящего волокна, сенсор можна зорієнтувати довільно, а світловий промінь можна направити з будь-якої позиції, під довільним кутом. Ця обставина зробила подібні конструкції широко застосовуваними в багатьох механотронных системах керування й регулювання. На мал. 1.13 показаний один з видів оптичних сенсорів НПО «СТОЇК» [http://www.stoikltd.ni].

Перераховані типи й конструкції сенсорів являють собою більшу групу застосовуваних у цей час первинних приладів для виміру параметрів керованих об'єктів і систем. Однак, для забезпечення адекватності й своєчасності обробки генерируемых сенсорами електронних сигналів необхідне використання відповідних систем виміру й реєстрації.

Апаратне забезпечення в системах механотроники.

Як відзначалася, механотронная система являє собою складний комплекс механічних і електронних модулів і зв'язків, побудований на iнтеллектуальном взаємодії систем керування й виконавчих пристроїв. Серед найбільш важливих її властивостей можна відзначити можливість гнучкого перенастроювання виконавчої частини й перепрограмування систем керування на інші виробничі завдання й об'єкти регулювання.

Реалізація цих властивостей забезпечується так званою вторинною апаратурою, роль якої виконують, як правило, електронні модулі перетворення сигналів від сенсорів (первинних перетворювачів) і блоки формування керуючих впливів на виконавчі органи механотронной системи. Як і в обчислювальній техніці, вони становлять апаратну частину, тобто, що втримуються в конструкції системи електронні засоби, і програмну частину, що вводяться на згадку мікропроцесора й змінювані на вимогу того або іншого технологічного завдання послідовні інструкції для виконавчих механізмів. Без програмного забезпечення апаратна частина представляється просто набором електронних елементів, нездатних вирішувати завдання керування й регулювання.

Раніше кожну з функцій системи керування міг виконувати окремий, спеціально спроектований модуль, наприклад, компаратор -порівнював сигнали, мультиплексор - розподіляв, процесор - обробляв їх, а контролер здійснював зв'язок з іншими блоками. У цей час, з розвитком електронної технології стали можливим всі зазначені функції об'єднати в одному модулі, наприклад, у контролері. Тепер контролер, по своїй архітектурі фактично є мікро-эвм, може становити як апаратну, так і програмну частину системи керування й регулювання об'єкта. На мал. 1.14 показаний зовнішній вигляд свободнопрограммируемого контролера компанії Siemens [http://www.inpromtex.ru/searchindex.html], MS 700 призначеного для роботи в машинобудуванні й складському господарстві.

Проте, для забезпечення надійної й коректної роботи механотронной системи кожна з перерахованих функцій блоку керування повинна бути досліджена й погоджена з характеристиками системи. Наприклад, малопотужний процесор з низькою частотою квантування сигналів не зможе досить швидко обробити великий масив даних від декількох аналогових сенсорів, і система ризикує залишатися на «голодному інформаційному пайку». Тоді як придбання занадто потужного процесора й дорогого програмного забезпечення буде для всієї системи керування економічно невиправданим.

Для розширення можливостей проектування мікропроцесорної техніки сучасні виробники обчислювальної техніки й програмного забезпечення широко сповідають принцип модульности й взаємозамінності електронних засобів. З їхньою допомогою їм простіше задовольнити пропоновані споживачем вимоги до архітектури конкретної механотронной системи. Так, для керування екскаватором або навантажувачем не потрібно потужного процесора, а стандартна мікро-эвм не впорається з контролем і регулюванням всіх параметрів при польоті сучасного авіалайнера.

Слід зазначити, що кожне з ланок довгого й складного ланцюжка елементів механотронной системи виконує свою конкретну й важливу роль, тому зневага або ігнорування її може привести до неконтрольованих і непоправних наслідків у роботі системи [3, 31]. Неточне орієнтування або низька чутливість сенсорів, неправильна програма й некоректний алгоритм її реалізації можуть стати причиною збоїти або аварії автоматизованої лінії, а її ремонт і переналагодження викличуть додаткові фінансові витрати споживача.