Виды датчиков в асу тп
10.1 Нижний уровень оборудования, полевой (Input/Output-Field level)
1. Датчик (Sensor) — это устройство, преобразующее контролируемую величину (давление, температуру, уровень, расход, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, хранения , регистрации, преобразования и передачи на управляющее устройство (контроллер, регулятор, компьютер), которое должно принять и обработать этот сигнал.
Обычно датчик (sensor) состоит из двух частей — измерительной головки (sensorhead) и преобразователя (transducer). Измерительная головка или первичный преобразователь непосредственно реагирует на контролируемый параметр ” X ” и преобразует его в электрический параметр (R,C,L, U, I ), пневматический или гидравлический сигналы. Вторичный преобразователь преобразует полученный от первичного преобразователя сигнал в выходной сигнал датчика “ X ’ “ Рис.25. Например: первичный преобразователь (sensorhead) термопара — преобразует температуру ” X ” в термо э.д.с., а затем вторичный преобразователь (transducer)- преобразует термо э.д.с. в кодированную последовательность импульсов “ X ’ “.
Рис.25 Структура датчика. Х — контролируемый параметр; Х’ – выходной сигнал датчика (рисунок автора).
В автоматизированных системах применяют электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные устройства, которые управляются соответствующими сигналами
В АСУ ТП наиболее распространены электрические сигналы связи, достоинствами которых являются высокая скорость передачи сигнала, низкая стоимость и доступность источников энергии, простота прокладки линий связи. В чистом виде пневматические сигналы применяют в основном в нефтяной, химической и нефтехимической промышленности, где необходимо обеспечить взрывобезопасность и не требуется высокое быстродействие. Гидравлические сигналы в основном применяют в гидравлических следящих системах и устройствах управления гидравлическими исполнительными механизмами. Имеются комбинированные системы. Например, при управлении пневмо- или гидро- исполнительными механизмами с помощью PLC , электрические сигналы надо преобразовать в пневмо- или гидросигналы и наоборот.
Различают три класса датчиков:
— аналоговые датчики — датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;
— цифровые датчики — генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
— бинарные (двоичные) датчики — вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (т.е. 1 или 0).
В качестве выходной величины у аналогового выхода в основном используется ток 4 – 20 мА, а также напряжение 0 – 5 V , но их применение снижается (напряжение 0 – 10 V и ток 0 – 20 мА считаются устаревшими).
У цифровых датчиков сигнал на выходе кодируется в последовательность импульсов определенного формата, в соответствии с протоколом сети, в которой они используются.
Промышленные датчики являются одними из основных элементов в системах регулирования, управления и АСУ ТП.
По физическому принципу работы датчики подразделяются на бесконтактные — индуктивные, емкостные, магнитные, оптические (фотоэлектрические), ультразвуковые, и на контактные, основными из которых являются энкодеры – устройства, преобразующие угловые повороты или линейные перемещения в последовательность импульсов определенного формата и др.
Примеры промышленных датчиков.
Рис.26 Промышленные датчики
В настоящее время в автоматизированных системах все более широко применяют интеллектуальны е датчик и (smart sensor), которые имеют :
1. первичный преобразователь (sensorhead) и вто р ичный преобразователь (transducer) . В одном датчике может иметься несколько первичных преобразователей , взаимодействующих с одним вторичным .
2. усилители, для усиления сигнала с первичного преобразователя, мультиплексоры для выбора первичного преобразователя, встроенны й аналогово цифровой, вторичный, преобразователь (АЦП),
3. микроконтроллер , осуществляющий необходимые преобразования сигнала, коррекцию погрешностей преобразователя, фильтрацию помех, контроль работоспособности
4. цифровой интерфейс , поддерживающий сетевой протокол и подключающий датчик через сетевой адрес в информационную сеть для передачи данных в цифровой форме пользователю, который, в свою очередь, имеет возможность настраивать параметры датчика ( например, пределы измерения и т. п.) и запрашивать дополнительную информацию о состоянии датчика и результатах измерений.
5. память для записи значений параметров, сетев ого адрес а, данные для выполнения функций коррекции, автоматическ ой калибровк и и компенсаци и нелинейностей датчик а, самодиагностики и выбора режима работы.
6. д ополнительным блоком может являться устройство местной индикации
Интеллектуальные датчики в пределах сети должны обладать свойством взаимозаменяемости, в частности иметь один и тот же протокол обмена и физический интерфейс связи, а также нормированные метрологические характеристики и возможность смены адреса перед заменой датчика.
Датчик может быть включ ен в проводную или беспроводную сеть датчиков.
Рис. 27 . Блок схема интеллектуального датчика
Примеры интеллектуальных датчиков:
Рис. 28 Интеллектуальные датчики.
Контрольно измерительные приборы
Приборы для измерения различных параметров : температуры, давления, расхода, уровня , позиционирования, записи и регулирования , устанавливаются по месту в точках контроля или на щите. Позволяют непосредственно наблюдать значения параметров при наладке, профилактике и являются важнейшей частью системы управления. Приборы фирмы Siemens‘ изображённые на Рис. 29 являются частью концепции Totally Integrated Automation и потому гарантируют лёгкое внедрение в систему управления.
Рис.29. Контрольно измерительные приборы
2. Исполнительный механизм ( Actuator)
Исполнительный механизм — это часть исполнительного устройства. Исполнительн ое устройство осуществляет перемещение регулирующего органа в соответствии с сигналами, поступающими от регулятора или управляющего устройства. . Исполнительные устройства являются последним звеном цепи автоматического управления и в общем случае состоят из блоков :
1. (УУ) устройство усиления ( контактор, частотный преобразователь, усилитель , и т.п.);
2. (ИМ) исполнительного механизма ( электро-, пневмо-, гидропривод ) с дополнительны ми ( датчик положения выходного вала т.е. обратной связи, сигнализации конечных положений , ручного привода и т. п.) элементами;
3. (РО) регулирующего органа (вентили, клапаны, заслонки, шиберы и т.п.) .
В зависимости от условий применения исполнительные устройства конструктивно могут различаться между собой. К основным блокам исполнительных устройств , обычно, относят исполнительные механизмы и регулирующие органы.
Часто исполнительное устройство в целом, называют исполнительным механизмом (ИМ)
В зависимости от вида потребляемой энергии ИМ подразделяются на:
— комбинированные (электрогидравлические, электропневматические) .
Рис. 30 Разновидности исполнительных механизмов.
По характеру движения выходного элемента большинство ИМ подразделяются на: прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° ( однооборотные ) и с вращательным движением на угол более 360° ( многооборотные ) И сполнительный механизм можно рассматривать как усилитель мощности, в котором слабый входной сигнал, усиливаясь много кратно , передается на рабочий орган.
Электрические исполнительные устройства являются наиболее распространенными и разделаются на следующие типы:
Электродвигательные ИМ состоят из электродвигателя постоянного или переменного тока , редуктора с возможностью ручн ого привода , тормоза, соединительных муфт, контрольно-пусковой аппаратуры (указателя положения, датчика положения), устройства , формирующе го перемещение выходного вала. В зависимости от типа ИМ те или иные блоки могут отсутствовать.По характеру изменения положения выходного органа электродвигательные исполнительные механизмы могут быть постоянной и ли переменной скорости, а также шаговыми.
В электромагнитны е ИМ дискретного действия выполняются в основном на базе электромагнитов постоянного и ли переменного тока . У силие, необходимое для перестановки затвора РО, создается электромагнитом . При подаче тока в катушк у электромагнита сердечник , соединенный с затвором РО, втягивается, открывая проход для рабочей среды. При выключении электромагнита , пружина возвращает сердечник и затвор РО за крывает проход для рабочей среды. Электромагнитные ИМ применяются в основном в системах двухпозиционного регулирования (on- off) и в системах защиты и блокировки . Электромагниты применяют также в разного рода электро-магнитных муфтах .
Примеры электрических исполнительных механизмов:
Регулирующий клапан с электрическим ИМ. 
Драйвер шагового двигатела 
Прямоходовой ИМ 
Рис. 31 Примеры электрических исполнительных механизмов.
Рис. 32 Примеры применения прямоходового механизма.
Рис. 33. Устройство электромагнитной муфты.
1- ротор муфты, связанный с ведущим валом двигателя; 2 — якорь муфты с электромагнитом 3; 4 — контактные кольца; 5 — щетки; 6 — ведомый вал.
При подаче тока в электромагнит через контактные кольца 4, возникает магнитное поле, которое сцепляет ротор1 и якорь 2 и вращение с ведущего вала передается на ведомый.
Электрические исполнительные механизмы характеризуются разнообразием типов, большим числом способов управления, легкостью получения различных скоростей и мощностей, а в промышленных условиях — легкостью получения источников питания .
В общем случае исполнительный механизм перемещает регулирующий орган. Это перемещение , как было видно, может быть поворотным (в пределах одного оборота) , многооборотным и поступательным . Исполнительные механизмы могут выполнять простейшие операции (например, открыть — закрыть регулирующий орган). Такие исполнительные механизмы называют двухпозициоиными (on-off) , т.к. имеет только два крайних устойчивых состояния. Если же они предназначены для плавного перемещения регулирующего органа и регулирующий может останавливаться в любом положении между двумя крайними , то их называют пропорциональными.
Регулирующие органы , используемые в системах автоматического управления , выполняют в виде клапана, задвижки, заслонки, шибера , крана и т. д. Это зависит от назначения регулирующего органа. В некоторых случаях исполнительный механизм и регулирующий орган изготовляют в одном блоке, поэтому вид исполнительного механизма зависит от вида регулирующего органа, в комплекте с которым он работает.
Пневматические и гидравлические ИМ
В пневматических ИМ усилие перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на рабочий орган — мембрану, поршень или сильфон . Рабочее давление обычно не превышает 10 3 к Р а ( 10 Bar )
В гидравлических ИМ усилие перемещения создается за счет давления жидкости на – рабочий орган — мембрану, поршень или лопасть . Рабочее давление жидкости в них обычно находится в пределах (2,5-20)10 3 кPа (25- 200Bar) Отдельный подкласс гидравлических ИМ составляют ИМ с гидромуфтами.
Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных (моностабильных) ИМ перемещени е в одном направлении осуществляется за счет давлени я на раб ч и й орган ИМ (мембрана, поршень, лопасть) , а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ( бистабильных) ИМ усилие перемещения в обоих направлениях осуществляется за счет давления на рабоч ий орган механизма. Пневматические и гидравлические ИМ обладают рядом преимуществ перед электрическими ИМ: простотой конструкции, большими выходными моментами или усилиями при малом габарите, высоким КПД, высок ой надежностью , не боятся перегрузок , большим ресурсом работы, возможностью плавного изменения выходных параметров в широком диапазоне, простотой преобразования энергии потока жидкости или газа в механическую мощность на выходе ИМ, устойчивостью к вибрации. При этом гидравлические ИМ, при тех же габаритах, развивают значительно большие усилия, чем пневматические, так как они работают при больших рабочих давлениях, но д.б. значительно более прочными по конструкции. Однако , для работы пневматических и гидравлических ИМ нужны достаточно дорогие источники питания, обеспечивающие нужное рабочее давление.
Рис. 34 Принцип работы пневматических ИМ.
Где а, б, в,- мембранные; г- поршневой; д- сильфонный; е- лопастный.
Источник: http :// epasu . ru / content / pnevmaticheskie — ispolnitelnye — mekhanizmy
Управление направлением движения таких ИМ осуществляется с помощью специальных распределителей, которые получают управляющие сигналы (электрические, пневматические, гидравлические, механические) от соответствующего управляющего устройства.
Рис. 35. Мембранный исполнительный механизм.
Рис. 36 Пневматические поршневые исполнительные механизмы.
Рис.37. Гидравлические исполнительные механизмы.
К устройствам цифровой гидравлической сервотехники относятся ротационные и линейные приводы с механическим или электрическим управлением, а также управляемые регуляторы расхода и предохранительные клапаны. Управляемые цифровые гидравлические приводы различных типов применяются в станках и технологическом оборудовании с ЧПУ средней точности, промышленных роботах, вспомогательных механизмах для регулирования скорости движения серводвигателей. См. http://elvip.ru/?p=290#more-290.
Интеллектуальные исполнительные механизмы (Smart actuators)
Современное ново е технологическо е оборудовани е предъявляе т и новые требования к функциональным характеристикам исполнительных механизмов для этого оборудования. В первую очередь это: сверхвысокие скорости движения рабочих органов ; сверхвысокая точность движений, необходимая для прецизионных технологий ( перемещений вплоть до микро- и нано метров, ); быстрое и точное перемещение рабочих органов по сложным контурам и поверхностям; минимизация массо-габаритных показателей ; интеллектуальное поведение технологических машин, работающих в изменяющихся и неопределенных внешних средах; высокая надежность и безопасность функционирования . Эти требования вызвали появление интеллектуальных ИМ, которые способны:
совершать сложные траекторные движения;
адаптироваться к изменениям внешней среды;
изменять и расширять диапазон регулирования скорости, ускорения, момента,
координировать свои перемещения с другими ИМ;
установить направление движения привода в случае пропадания управляющего сигнала;
выбрать метод остановки привода: по достижению конечного положения или по превышению момента;
поддерживают сетевые протоколы и могут обмениваться цифровой информацией через сетевой интерфейс с другими участниками информационной сети.
Такие ИМ построены по модульному принципу и объединение модулей МИКРОКОНТРОЛЛЕР + УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО + ДВИГАТЕЛЬ + МЕХАНИЗМ + ДАТЧИК с соответствующим программным обеспечением МИКРОКОНТРОЛЛЕРА представляет собой интеллектуальный исполнительный механизм .
Рис. 38 Структурная схема интеллектуального ИМ (рисунок автора).
МК- микроконтроллер( запись информации в память, обмен информацией контроллера с силовым преобразователем, датчиком и, при необходимости, вышестоящей управляющей ЭВМ осуществляется на основе стандартных интерфейсов) ;
УУ- усилительное устройство (управляемые выпрямители, широтно-импульсные преобразователи, преобразователи частоты, усилители мощности переменного тока).
ДВ-двигатель( асинхронные трехфазные двигатели, исполнительные асинхронные микродвигатели, исполнительные двигатели постоянного тока, синхронные шаговые двигатели).;
М- механизм (передаточное устройство — муфты, кинематические механизмы типа редукторов, тормозные устройства);
ДП- датчик положения регулирующего органа для преобразования механических величин (скорость, перемещение) в электрический сигнал( энкодер).
Примеры интеллектуальных ИМ Рис.39.
Интеллектуальный электропневматический позиционер SIPART PS2 (Siemens) используется для управления регулирующими клапанами с поворотным или линейными перемещениями .
Источник