XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

В наш век компьютерных технологий автоматизация технологических процессов является одним из важнейших факторов повышения производительности труда, ведь всё больше информации оцифровывается и тем самым даёт возможность использовать её в производстве. Так, одним из основополагающих элементов автоматизации является сбор данных и их обработка. т.е. любая автоматизация процесса начинается с того, что нужно замерить и обработать данные, этим и занимаются цифровые и аналоговые элементы автоматизации. Практически ни одна техническая система от железной дороги до ядерного реактора - не работает без той или иной формы управления. В совокупности текущее состояние науки и техники отсутствием реальный альтернативы компьютерному управлению процессами. [1] Эффективное и качественное экономическое развитие ставит перед производством и управление им новые задачи, а именно, создание интегрированных систем управления производством, включающим системой автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), автоматизированные системы управления производством (АСУП), а также автоматизированные системы управления качеством выпускаемой продукции. Все эти системы находятся во взаимодействии и образуют сложную иерархическую систему. Дискретные системы отличаются от непрерывных тем, что среди сигналов, действующих в системе, дискретные сигналы. Дискретные сигналы получаются из непрерывного квантования по уровню, по времени или одновременно и по уровню, и по времени. Системы, в структуре которых используются цифровые устройства, контроллеры, микропроцессоры, ЭВМ, являются дискретными. В САУ обычно имеется большое количество разнообразных датчиков и преобразователей информации физических величин, таких, как температура, давление, расход жидкостей, скорость и т.п. Датчики преобразуют исходную физическую величину в некоторую стандартную величину, например, напряжение. При использовании в САУ ЭВМ встает задача преобразования этой промежуточной величины в цифровую форму, появилось и стремительно развивается новое поколение датчиков, в которых имеются встроенные контроллеры, осуществляющие такое преобразование. Такой интеллектуальный датчик сам становится элементом вычислительной сети, поддерживающим сетевой протокол и передающим данные в цифровой форме.

Цифровые и аналоговые элементы

Цифровыми элементами систем автоматизации являются комплексы средств вычислительной техники, такими как:

Центральное вычислительное устройство (ЦВУ)

Устройства ввода или аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

устройства вывода или цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Цифровые элементы всё чаще внедряются во всевозможные автоматические и автоматизированные системы.

Их подразделяют на две группы: пассивные и активные.

Пассивные следят за ходом процесса, но не вмешиваются в него, и только сообщают результаты измерений и в случае отклонений от нормы оповещают оператора об ошибке. К таким системам относятся аварийные оповещения на предприятиях, индикаторы поломки на станках, автомобилях и т.д.

Активные же чаще всего заменяют человека там, где нужно обработать большое количество информации и при этом минимизировать вероятность ошибки, человеческого фактора

Аналоговые элементы автоматики создают различные аналоговые системы автоматизации. В таких системах входная информация преобразуется в аналоговые сигналы выходной информации, т.е. напряжение, ток, емкость, давление, угл поворота, перемещение и т.д.

Так в аналоговой системе автоматизации изменению входного сигнала соответствует изменение его физического аналога выходной величины. Закон изменения зависит от целей системы. Например, наипростейший пример это поплавковый регулятор уровня жидкости [3]

Классификация цифровых и аналоговых элементов автоматики по назначению:

чувствительные элементы (датчики) — это преобразователи контролируемых или регулируемых величин в выходные сигналы, удобные для дистанционной передачи и последующей обработки; датчики прежде всего отслеживают изменение технологических параметров: от простейшего изменения уровня воды в баке до размеров лесоматериалов, влажности древесины, температуры и давления среды, расхода энергии, сырья и т.д.;

усилительные элементы - это устройства, в которых увеличивается мощность управляющего сигнала за счёт вспомогательного источника питания, при этом связь между сигналами непрерывная и однозначная.

исполнительные элементы – это устройства, которые по командному сигналу воздействуют на ОУ (объект управления), изменяют поток материала или энергии, перемещая регулирующие органы.

релейные элементы – это устройства, в которых непрерывные изменения входных величин вызывают резкое (скачкообразное) изменение выходных величин, так релейные элементы дают возможность регулировать распространение больших мощностей малыми.

логические элементы реализуют некоторые логические зависимости между входящими и выходящими сигналами, их используют для создания дискретных систем автоматического управления, контроля и для создания устройств.

регулирующие и управляющие элементы используются для изменения по определённому алгоритму или стабилизации. они состоят из разнообразных устройств: от кнопок управления и простых регуляторов до управляющих цифровых вычислительных машин

Аналоговые элементы и устройства управления

Прогресс электроники и микроэлектроники движется по пути создания, интегрированные элементов и устройств, так мы пришли к созданию интегральных схем (ИС) и устройств управления на их основе. Микросхемы, составляющими которых являются транзисторы, резисторы, диоды и т.д. называют интегральными, они соединены технологически, электрически и конструктивно. ИС содержат один или более полупроводниковых кристаллов, а количество элементов в современных ИС могут исчисляться тысячами.

Интегральные схемы классифицируются по нескольким критериям: типу электрических сигналов (аналоговые и цифровые), функциональному назначению, степени интеграции, быстродействию, потребляемой мощности и т. Д. Оптоэлектронные компоненты образуют отдельную группу полупроводниковых компонентов.

Оптоэлектронные устройства - это устройства, которые чувствительны к электромагнитному излучению в спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового или излучают электромагнитную энергию в том же диапазоне. Оптоэлектронные устройства широко используются для передачи, обработки и отображения информации, а также в различных устройствах, когда требуется электрическая изоляция между электрическими цепями, например, между цепью управления и силовой частью трансформатора тока. Используются следующие типы оптоэлектронных устройств.

Светоизлучающий диод (LED) - это полупроводниковый диод, преобразующий электрическую энергию в свет. В основном они используются для индикации готовности электрооборудования к работе, сигнализации наличия напряжения, аварийных ситуаций и других состояний различных объектов.

Инфракрасный излучающий диод (ИК-диод) - это полупроводниковый диод, излучающий электромагнитную энергию в инфракрасном диапазоне при прохождении постоянного тока. Это излучение не воспринимается человеческим глазом и может быть обнаружено только фотодетектором, чувствительным к соответствующему спектральному диапазону.

Принцип действия, устройство и основные области применения ИК-диодов аналогичны светодиодам. Кроме того, они используются в устройствах и кабелях, требующих оптической связи или гальванической развязки, а также в различных датчиках для контроля и автоматизации технологических процессов.

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется в зависимости от освещения.

Фотодиод - диод, проводимость которого возникает при воздействии излучения в оптическом диапазоне.

Фототиристор - устройство, переходящее из одного устойчивого состояния в другое под действием светового потока.

Фототранзистор - полупроводниковый элемент, действие которого основано на использовании явления внутреннего воздействия.

Оптопара - оптоэлектронный полупроводниковый элемент, состоящий из излучающих и фотоприемных элементов, между которыми имеется оптическая связь и предусмотрена гальваническая развязка (гальваническая развязка). Эмиттером в оптроне может быть светодиод, ИК-диод или сверхминиатюрная лампа накаливания. В зависимости от типа фотоприемного элемента бывают резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптопары.

Аналоговые элементы и устройства работают с непрерывными (аналоговыми) электрическими сигналами. Основным элементом аналоговых устройств управления является операционный усилитель на базе операционного усилителя, на базе которого создаются различные контроллеры и преобразователи функций электрического сигнала. [4]

Цифровые автоматические системы

С целью повышения качества работы автоматические системы часто дополняют разнообразными вычислительными устройствами, такие автоматические системы называются цифровыми автоматическими системами или цифровыми системами автоматического управления. Большие перспективы имеет использование компьютерной техники для автоматического управления различными объектами. Это связано со значительными вычислительными и логическими возможностями современных компьютеров, которые позволяют реализовать сложные алгоритмы управления.

Цифровые автоматические системы основаны на комплексе компьютерной техники, основными элементами которой являются:

Центральное вычислительное устройство (ЦВП);

устройства ввода или аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

Устройства вывода или цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

С каждым годом все больше таких устройств и оборудования внедряется в конструкции автоматических систем. Они разделены на две большие группы. К первым относятся пассивные устройства, которые контролируют, но не мешают контролируемому процессу. Они сообщают только результаты своих наблюдений. Это такие устройства, как измерительные приборы. Они трезво маркируют состояние контролируемого параметра на экране и в лучшем случае информируют оператора об отклонениях контролируемого параметра за допустимые пределы. Эти устройства хорошо подходят для предотвращения несчастных случаев или повреждения машин и механизмов. [5]

Вторая группа - активные устройства. Это не просто люди-помощники. В некоторых случаях они выполняют контролируемый процесс намного плавнее и точнее, чем это может сделать человек.

Обычно целесообразно вводить вычислительное устройство в автоматизированную систему, когда требуется сложная обработка поступающей информации или сложные алгоритмы автоматического управления. Учитывая относительную сложность вычислительного устройства, его включение в автоматизированную систему оправдано при решении задач распределенного или оптимального управления.

Цифровая автоматическая система - это дискретная система, основанная на функциональном принципе. Таким образом, цифровые автоматические системы представляют собой дискретные автоматические системы. Как и дискретные, цифровые автоматические системы делятся на дискретную и непрерывную части. Функциональные схемы возможных вариантов цифровых автоматических систем.

Поскольку цифровые автоматические системы обычно представляют собой системы со многими переменными, что является очень громоздкой задачей, на практике они обычно ограничиваются исследованием каждого контура управления с управляемой переменной y и эталонным действием x.

Функции центрального вычислительного устройства могут выполняться:

стационарные вычислительные устройства (компьютеры);

вычислительные устройства на базе микропроцессоров и микрокомпьютеров;

вычислительные устройства на базе цифровых сигнальных процессоров;

Вычислительные устройства, основанные на жесткой логике.

Первые два являются универсальными устройствами управления и могут использоваться для различных целей, третий - для приложений, а четвертый - для устройств специального назначения.

В системах цифровой автоматизации вычислительные устройства могут играть следующие роли:

автоматический регулятор;

автоматический регулятор и компаратор;

Корректирующее устройство.

Если в качестве вычислительного устройства использовать универсальный компьютер, то можно строить многофункциональные цифровые автоматические системы, тогда он обслуживает комплекс устройств, составляющих предмет регулирования:

система управления электростанцией;

система управления вспомогательными агрегатами;

система управления питанием;

система навигации и др.

Включение вычислительного устройства в систему автоматического управления требует решения двух групп задач.

Первая группа включает вопросы, связанные с проектированием и реализацией вычислительного устройства и его устройств ввода и вывода для преобразования физических величин в цифровой код и наоборот.

Во вторую группу входят вопросы, связанные с исследованием влияния дискретности выходных сигналов цифровой автоматической системы на динамические свойства объекта управления.

В таких случаях вычислительное устройство должно включать аналоговые или цифровые мультиплексоры и демультиплексоры.

Во всех случаях вычислительное устройство обеспечивает легкодоступные информационные потоки, которые, помимо прямого управления, позволяют выполнять следующие функции:

контроль;

оптимизация;

согласование;

организация всех процессов передачи информации.

Дискреционность компьютера привела к наличию в цифровых автоматических системах двух процессов:

дискретизация сигналов во времени (получение решеточной функции);

Квантование сигналов АЦП и ЦАП.

Временная дискретизация сигналов делает систему дискретной, а квантование уровней нелинейным. Оба процесса сопровождаются возникновением методических ошибок.

Частота дискретизации выбирается в зависимости от полосы пропускания или времени управления. Приемлемые частоты дискретизации в 6 раз превышают ширину полосы или от 2 до 4 дискретных выборок за время нарастания, в противном случае качество системы резко ухудшается.

Количество шагов квантования на уровень оказывает значительное влияние на динамические свойства систем. При недостаточном их количестве возможны периодические режимы переключения между дискретными (автоколебания).

Может случиться так, что задачи, выполняемые вычислительным устройством (опрос датчиков, расчетные программы, формирование информационных потоков, запись в порты вывода), могут выполняться только с систематической задержкой синтезируемого действия на одну частоту дискретизации. В этом случае в цифровой автоматической системе возникает задержка t, которую необходимо учитывать оператору задержки z -1 и, возможно, смещенной передаточной функции W (z, e).

Обычно количество шагов квантования на уровне велико, поэтому их влиянием можно пренебречь. Это делает цифровую автоматическую систему линейной и позволяет использовать математический аппарат, используемый для исследования дискретных автоматических систем.

Одним из недостатков цифровых автоматических систем является то, что информация о входном сигнале поступает только с выхода цифрового автоматического устройства в дискретные моменты времени, что приводит к определенной потере информации. В цифровых системах процессы преобразования сигналов обычно не происходят в реальном времени, что приводит к некоторой задержке. Эти факторы приводят к снижению точности цифровых автоматических систем. [5]

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Каждая физическая величина может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значения) или аналоговой (если она может иметь бесконечное количество значений) из-за ее изменения значения. Все эти значения можно оцифровать.

Аналоговые сигналы

Аналоговый сигнал - это сигнал, который может быть представлен сплошной линией из набора значений, определенных в любой момент времени относительно оси времени. Значения аналогового сигнала произвольны в любое время, поэтому, в принципе, он может быть представлен как своего рода непрерывная функция (зависящая от времени как переменная) или как кусочно-непрерывная функция времени.

Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, который генерируется обмоткой электромагнитного микрофона или лампового усилителя, поскольку такой сигнал является непрерывным и его значения (напряжение или ток) равны. каждый момент очень разный.

Рисунок 1

На следующем рисунке 1 показан пример аналогового сигнала этого типа.

Аналоговые значения могут принимать бесконечное количество значений в определенных пределах. Они непрерывны, и их значения не могут быстро меняться.

Пример аналогового сигнала: термопара передает значение температуры в аналоговой форме на программируемый логический контроллер, который использует твердотельное реле для управления температурой в электрической духовке.

Дискретные сигналы

Если сигнал принимает произвольные значения только в определенные моменты времени, то такой сигнал называется дискретным. На практике чаще всего используются дискретные сигналы, распределенные по единой временной сетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает только определенные ненулевые значения во время выборки, то есть, в отличие от аналогового сигнала, он не является непрерывным. Если через определенные промежутки времени из звукового сигнала вырезаются небольшие кусочки определенного размера, такой сигнал можно назвать дискретным.

Рисунок 2

Ниже приведен пример создания такого дискретного сигнала с интервалом дискретизации T. Обратите внимание, что квантуется только интервал дискретизации, а не сами значения сигнала.

Дискретные сигналы имеют два или более фиксированных значения (количество их значений всегда выражается целыми числами).

Пример простого цифрового сигнала для двух значений: Активация концевого выключателя (переключение переключающих контактов в определенное положение механизма). Сигнал от концевого выключателя может быть получен только в двух вариантах - контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (становится активным, напряжение присутствует).

Цифровые сигналы

Когда дискретный сигнал принимает только несколько фиксированных значений (которые могут быть на сетке с определенным шагом), чтобы их можно было представить в виде серии квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал - это дискретный сигнал, который квантован не только по временным интервалам, но и по уровню.

На практике дискретные и цифровые сигналы идентифицируются в ряде задач и могут быть легко идентифицированы как шаблоны с помощью вычислительного устройства.

Рисунок 3

На рисунке 3 показан пример формирования цифрового сигнала на основе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточные значения, а только определенные - целое число шагов сетки по вертикали.

Цифровой сигнал легко записывать и перезаписывать в памяти вычислительных устройств, он просто считывается и копируется без потери точности, а перезапись аналогового сигнала всегда влечет за собой потерю некоторой, хотя и незначительной, информации.

Цифровая обработка сигналов позволяет получать устройства с очень высокой производительностью за счет выполнения арифметических операций без потери качества или с небольшими потерями.

Благодаря этим преимуществам именно цифровые сигналы сегодня широко используются в системах хранения и обработки данных. Все современные системы хранения - цифровые. Аналоговые носители информации (например, ленты и т. Д.) Давно ушли в прошлое.

Заключение

В данной работе собрана и проанализирована информация про цифровые и аналоговые элементы автоматизации. Была представлена классификация цифровых и аналоговых элементом автоматики, разобраны некоторые системы, основанные на этих элементах. Так же описаны: Центральное вычислительное устройство (ЦВП), устройства ввода или аналого-цифровые преобразователи (АЦП), Устройства вывода или цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Перечислены функции центрального вычислительного устройства, роли вычислительных устройств в цифровой автоматизации, функции вычислительного устройства помимо прямого управления.

Всё это необходимо знать каждому кто как-либо связан с автоматизацией систем, ведь цифровые и аналоговые элементы лежат в основе автоматизации.

Список литературы:

1 - Цифровые системы управления - https://books.ifmo.ru/file/pdf/2526.pdf - Дата обращения 05.12.2021 17:33

2 - Цифровые автоматические системы - https://pandia.ru/text/78/292/77697.php - Дата обращения 05.12.2021 17:34

3 - Аналоговые и цифровые элементы автоматики - http://industrial-wood.ru/avtomatizaciya/5452-analogovye-i-cifrovye-elementy-avtomatiki.html - Дата обращения 05.12.2021 17:35

4 - Аналоговые элементы и устройства управления - https://studref.com/354814/stroitelstvo/analogovye_elementy_ustroystva_upravleniya - Дата обращения 05.12.2021 17:35

5 - Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы - http://electricalschool.info/automation/2238-analogovye-diskretnye-i-cifrovye-signaly.html - Дата обращения 05.12.2021 17:36

6 - Автоматизация технологических комплексов и систем в промышленности - https://portal.tpu.ru/SHARED/l/LSV/uch_deyat/Tab/atk_svp_0.pdf - Дата обращения 07.12.2021 17:52

Код для цитирования: Скопировать