Применение электронных устройств в системах автоматизации4

Проект «Инженерные кадры Зауралья»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганский государственный университет»

Б.П.Кудряшов, А.А.Иванов

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

Учебное пособие

Курган 2014

УДК 621.38:621(075.8)

ББК 32.85я73

К 88

Рецензенты:

Доцент кафедры «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства»КГСХАим.

Т.С. Мальцева, И.И.Копытин.

главный технолог ОАО «СКТБ «Курганприбор», канд. техн. наукВ.М. Коротенко.

Печатается по решению методического совета Курганского государственного университета в рамках проекта «Инженерные кадры Зауралья»

К88 Кудряшов Б.П., Иванов А.А. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ

АВТОМАТИЗАЦИИ. Курган: изд-во Курганского гос. ун-та, 2014. 98с.

Приведены схемотехнические решения электронных устройств широко применяемых при автоматизации технологических процессов в машиностроении. Рассмотрены принципы их построения и схемные решения на современной элементной базе, основные расчетные соотношения и рекомендации по применению. Представлены характеристики современных микросхем обработки сигналов различныхпроизводителей.

Учебное пособие предназначено для студентов и магистрантов, обучающихся по курсу «Электротехника и электроника» в рамках направления «Автоматизация технологическихпроцессов и производств».

УДК 621.38:321(075.8)

ББК 32.85я73

© Кудряшов Б.П., Иванов А.А. 2014

© Курганский государственный

университет, 2014

2

Оглавление Введение …………………….………………………………………5

1.Обобщенная структура систем управления и регулирования в автоматизированных системах…….……………………………………….6

2.Устройство, работа, основные характеристики, схемы и расчеты усилителей и преобразователей сигналов датчиков…………………...8

2.1Выбор усилителя для нормирования сигналов и расчет

элементов его обвязки……….……………………………………………….9

2.1.1. Входное напряжение смещения………………………………..….10

2.1.2Линейность передаточной характеристики ОУ……………………12

2.1.3.Шумы операционного усилителя…………………………………..14 2.1.4.Ослабление синфазного сигнала и влияния источника питания…16 2.2 Инструментальные усилители ……………………………………….18

3.Особенности усилителей сигналов для различных типов

3.1Усилители для термопары…………………….……………………….22

3.2Усиление и нормирование сигналов резистивных датчиков………..26

4.Подключение датчиков, обладающих особыми свойствами…….36

5.Фильтры…………………………………………………...…………………43

5.1 Практические схемы активных фильтров на ОУ и расчет их

элементов………………………………………………………………...……..44

5.1.1. Фильтры первого порядка…………………………………………..44

5.1.2 Фильтры второго порядка……………………………..…………….47

3

5.1.3. Фильтры второго порядка на основе преобразователей полного сопротивления………………………………………………………..………….52

5.1.4 Фазовые фильтры………………………………………….…………56

6.Цифроаналоговые преобразователи………………………..…………..60

6.1 Сигма-дельта ЦАП…………………………………………………….68

7.Аналого-цифровые преобразователи…………………………………..72

7.1Принципы аналого-цифрового преобразования. Параметры АЦП….72

7.2.АЦП параллельного типа……………………………………………...75

7.3.АЦП поразрядного уравновешивания……………………….………..77

7.4.АЦП двойного интегрирования…………………………..……………80

7.5.Сигма-дельта АЦП………………………………………….………….83

7.6. Преобразователи напряжение-частота (ПНЧ)…………………….….88

Заключение……………………………………………………………………92

Список литературы и интернет источников…………………...……….93

4

Введение

Современные технологические процессы призванные обеспечить высокое качество изделий при высокой производительности могут быть реализованы только с применением различных способов автоматизации. Это обусловлено с одной стороны высокими требованиями к точности выполнения операций механической обработки или сборки изделий, с другой стороны высокими скоростями выполнения этих операций современным оборудованием. В связи с этим автоматизация становится возможной только при применении различных электронных приборов и устройств, имеющих высокие быстродействие и точность. В мире накоплен большой опыт построения электронных устройств обеспечивающих требуемые параметры в широком диапазоне их применения. В базовом курсе «Электротехники и электроники» невозможно изложить всё разнообразие принципов работы,

схемных решений и расчетов узлов и блоков автоматических и автоматизированных систем. Данное пособие разработано для самостоятельного изучения материала студентами при выполнении ими курсовой работы по курсу «Электротехника и электроника» , а также будет полезным при выполнении курсовых проектов по дисциплинам старших курсов и дипломной работы.

Цель настоящего пособия – помочь студентам и магистрантам,

обучающимся в рамках направления «Автоматизация технологических процессов и производств», получить дополнительные знания по курсу

«Электротехника и электроника». Обрести навыки инженерных расчетов и применить полученные знания в дальнейшем на практике при разработке и обслуживании автоматизированного технологического оборудования на промышленных предприятиях Зауралья.

5

1.Обобщенная структура систем управления и регулирования в

автоматизированных системах.

Автоматизированная система управления технологическим процессом

(АСУ ТП) решает задачи оперативного управления и контроля техническими объектами в промышленности, в частности в машиностроении, энергетике и т.д., и представляет собой комплекс оборудования и программного обеспечения. Как правило, различают три уровня АСУ ТП: верхний, средний и нижний.

На верхнем уровне происходит визуализация технологического процесса

иобработка данных - здесь можно управлять процессом, менять параметры

иуставки. Наблюдение реализуется при помощи компьютеров с установленным на них программным обеспечением.

На среднем уровне происходит сбор данных с нижнего уровня, обработка информации и передача сигналов на регулирующие органы. Технически эти манипуляции реализуются на программируемом логическом контроллере

(ПЛК).

На нижнем уровне происходит сбор информации о состоянии объекта управления и выработка управляющих воздействий на него. К данному уровню относятся датчики, первичные преобразователи, клапаны с различными приводами, электроприводы - т.е. все то, что непосредственно связано с объектом управления.

Таким образом, нижний уровень АСУ ТП обеспечивает контроль параметров технологических процессов и непосредственное управление оборудованием. Технические средства нижнего подуровня (уровня систем автоматического управления (САУ)) обеспечивают, в общем случае,

выполнение следующих функций:

6

-сбор и обработка технологической информации, поступающей от датчиков и измерительных преобразователей;

-управление технологическим оборудованием на основе собранной информации и команд, поступающих от вышестоящего уровня управления;

-регулирование режимов технологических процессов по заданию верхнего уровня системы;

-автоматическое управление приводами основных механизмов;

-аварийная защита технологического оборудования;

- передача в смежные системы команд управления на исполнительные механизмы, управление которыми предусматривается по команде оператора;

- обмен информацией между уровнями системы.

Системы автоматического управления нижнего подуровня АСУ ТП в большинстве своем являются замкнутыми, так как это обеспечивает необходимую точность регулирования параметров объекта управления благодаря тому, что регулирующее воздействие вырабатывается на основании непрерывного контроля состояния объекта. Отсюда следуют основные функции отдельных частей системы. Это обработка информации (

контроль, хранение, отображение, преобразование ), обмен информацией и доведение выработанных управляющих воздействий до объекта управления и передача информации лицу, принимающему решение (оператору).

Комплекс аппаратных средств, предназначенный для управления различными устройствами в рамках технологического процесса,

обеспечивающий необходимую степень автоматизации включает в себя различные электронные устройства, блоки и подсистемы. В общем случае

7

структуру САУ ТП можно представить, как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1- Обобщенная структура САУ ТП

В соответствии с обобщенной структурой САУ ТП (рисунок 1) в данном пособии будут рассмотрены схемные решения и расчеты элементов её основных электронных устройств (усилители и преобразователи сигналов датчиков, фильтры, АЦП, ЦАП, ПНЧ,).

8

2.Устройство, работа, основные характеристики, схемы и расчеты

усилителей и преобразователей сигналов датчиков.

При автоматизации технологических процессов применяются разнообразные первичные преобразователи (датчики) основанные на различных физических эффектах. В технологическом процессе часто бывает необходимо контролировать температуру, усилие, скорость, ускорение,

давление, положение органов оборудования, линейные и угловые размеры,

освещенность, интенсивность магнитного и электрического полей и так далее. В первичных преобразователях физическая величина, как правило,

преобразуется в напряжение, ток, сопротивление, индуктивность или емкость, при этом значения электрических величин варьируются в весьма широком диапазоне. В связи с этим возникает необходимость нормирования сигналов датчиков с целью их согласования с другими элементами САУ.

Широкая номенклатура операционных усилителей (ОУ) позволяет построить схемы усилителей и преобразователей с заданными параметрами для любых типов датчиков, а низкая стоимость ОУ практически отменяет применение транзисторов, поэтому будем рассматривать преимущественно схемы на ОУ. Кроме того, многие производители выпускают специализированные микросхемы для подключения конкретных типов датчиков, отличающиеся расширенным функционалом. По возможности,

приведем описание работы и параметры таких микросхем.

2.1. Выбор усилителя для нормирования сигналов и расчет

элементов его обвязки.

При выборе усилителя сигнала датчика необходимо учитывать заданные характеристики преобразователя и, исходя из них, выбирать ОУ по следующим основным параметрам, оказывающим основное влияние на точность преобразования:

9

-коэффициент усиления без обратной связи ; -нелинейность усиления в рабочем диапазоне выходного напряжения преобразователя;

-входное напряжение смещения см; -шумы ш;

-КОСС (коэффициент ослабления синфазного сигнала) и КОВИП

(коэффициент ослабления влияния напряжения питания).

Разработчику доступен широкий выбор операционных усилителей, на базе которых возможно построение инструментальных усилителей, усилителей стабилизированных прерыванием, прецизионных усилителей и усилителей,

работающих с однополярным питанием. Рассмотрим характеристики ОУ,

оказывающие определяющее влияние на точность работы схем на их основе более подробно.

2.1.1. Входное напряжение смещения

Некомпенсированное входное напряжение смещения снижает динамический диапазон усиливаемого сигнала, поэтому оно должно быть меньше чем минимальное значение сигнала хотя бы на порядок. Напряжение смещения является систематической ошибкой и его можно скомпенсировать либо с помощью внешних цепей, либо калибровкой сигнала с использованием микропроцессора. Оба метода имеют недостатки, поэтому,

где это возможно необходимо применять усилители с самокалибровкой или с возможно более низким значением начального смещения. Нужно отметить,

что прецизионные операционные усилители имеют начальное смещение не более 10 мкВ для биполярных устройств и еще меньше для операционных усилителей, стабилизированных прерыванием, что позволяет в некоторых разработках отказаться от их калибровки.

Напряжение смещения зависит от температуры и изменяется с течением времени. Биполярные операционные усилители в большинстве случаев имеют минимальную величину дрейфа при минимальном напряжении

смещения. Дрейфовые параметры для операционного усилителя с КМОП

10