Исполнительный механизм (ИМ} — это устройство, воздействующее на объекты в соответствии с полученным управляющим сигналом.
Рассмотрим на примерах, как исполнительные механизмы воспринимают управляющие сигналы и выполняют предписанные ими действия.
В подразд. 2.2.3 был рассмотрен алгоритм сортировки изделий. Не учитывая организацию повторения цикла и измерения диаметра изделия, рассмотрим выполнение команд Поместить изделие в магазин № 1 и Поместить изделие в магазин № 2. Очевидно, что исполнительный механизм, выполняющий эти действия, должен иметь некий рычаг, сдвигающий изделие с конвейера либо в сторону первого магазина, либо в сторону второго магазина. В такой ситуации на ИМ может подаваться сигнал, например, в виде
43
электрического тока, протекающего либо в одном, либо в другом направлении. Электрический ток обладает энергией, за счет которой может производиться перемещение рычага. Информация о номере магазина выражается направлением тока, в зависимости от которого рычаг смещается в ту или другую сторону.
В подразд. 2.2.3 также был рассмотрен алгоритм погрузки контейнеров. Легко представить кран, который поднимает контейнер, переносит его к вагону и погружает в вагон. Вопрос заключается в том, какие сигналы надо подавать крану для выполнения этих действий.
Пусть подъем и перемещение груза осуществляются с помощью электродвигателей, которые являются исполнительными механизмами. Тогда сигнал может представлять собой электрическое напряжение, которое подается на двигатель в течение какого-то времени.
Очевидно, что чем больше это время, тем на большую высоту кран поднимет груз и на большее расстояние его переместит. Следовательно, информация в этом сигнале представлена его длительностью, т.е. временем подачи напряжения на электродвигатель.
Для выполнения команды Поднять очередной контейнер напряжение подается на двигатель подъема груза в течение времени, необходимого для подъема груза на достаточную высоту. Для выполнения следующей команды Переместить контейнер к вагону напряжение подается на двигатель, перемещающий кран с грузом, в течение времени, необходимого для перемещения груза от контейнерной площадки до вагона. Для выполнения команды Погрузить контейнер в вагон напряжение подается на двигатель, опускающий груз, в течение времени, необходимого для опускания груза до пола вагона.
Конечно, выполнение алгоритмов представлено здесь упрощенно, но оно позволяет понять, какими могут быть сигналы и как на них реагируют ИМ.
Наиболее часто в автоматических системах используются электрические ИМ. Однако существуют механизмы, использующие в качестве источника энергии сжатый воздух, — пневмоприводы. В гидроприводах используется энергия жидкости под давлением. Чаще эти механизмы являются комбинированными и используют еще и электрическую энергию.
Датчики
В подразд. 2.2.2 был рассмотрен алгоритм изготовления бутерброда. Это алгоритм с ветвлением, и выполняемые действия зависят от того, есть ли хлеб в хлебнице. Как это проверить?
44
Если исполнителем алгоритма являетесь вы, то вам достаточно заглянуть в хлебницу. Информацию о том, есть ли там хлеб, вы получите с помощью органов зрения — глаз.
У машины глаз нет, поэтому машине — исполнителю алгоритма — требуется какое-то устройство, которое сообщало бы ей нужную информацию. В данном случае это должна быть информация типа «есть —нет». Аналогичное устройство необходимо для выполнения алгоритма сортировки изделий, рассмотренного в подразд. 2.2.3 (там нужно было определить наличие изделий на конвейере). Каким может быть такое устройство и как оно может определить наличие или отсутствие хлеба в хлебнице или детали на конвейере, будет рассмотрено далее.
В подразд. 2.2.4 был рассмотрен алгоритм нагрева детали до нужной температуры. В этом алгоритме есть условие Если температура меньше /, то... Как узнать температуру детали? Для этого нужно какое-то устройство, получающее информацию о температуре и передающее ее дальше для использования при выполнении алгоритма. Причем это уже не простейшая информация типа «есть — нет», а информация о текущем значении температуры, изменяющейся в широком диапазоне.
По этим примерам можно сделать вывод, что для выполнения алгоритмов кроме исполнительных механизмов нужны устройства, умеющие получать информацию об объектах окружающего мира, в том числе воспринимать физические величины, характеризующие свойства и состояние этих объектов (перемещение, температуру, влажность, давление, электрическое напряжение и т.д.). Полученную информацию они должны передавать тому, кто будет использовать ее для принятия решения о дальнейших действиях, — оператору или управляющему устройству.
Поскольку в автоматических системах практически всегда используются электрические сигналы, именно их мы и будем рассматривать далее как носителей полезной информации. Таким образом, рассматриваемые устройства должны формировать электрические сигналы, которые содержат информацию о свойствах и состоянии объектов окружающего мира. Устройства, выполняющие эту функцию, называются датчиками.
Датчики — это устройства, которые преобразуют физические величины, характеризующие свойства и состояние объектов, в сигналы.
Если речь идет об автоматизации технологического процесса, то датчики получают информацию о свойствах и состоянии обрабатываемых материалов, оборудования, реализующего технологический процесс, выпускаемых изделий и т.д. Эти свойства и состояния могут характеризоваться различными физическими величинами, которые называются параметрами технологического процесса, или технологическими параметрами.
45
Параметрами называются физические величины, которые характеризуют свойства и состояние объектов.
Существуют датчики перемещения, скорости, температуры, давления, влажности и др. (см. гл. 4). В автоматических устройствах их называют датчиками технологических параметров. Так как параметры могут быть как аналоговыми, так и дискретными, датчики тоже подразделяются на аналоговые (датчики перемещения, температуры и т.д.) и дискретные (датчики состояния (например, «включено—выключено»), количества и т.д.).
Каналы связи
Оператор или управляющее устройство с помощью сигналов передает исполнительным механизмам информацию о требуемых действиях, а датчики с помощью сигналов сообщают о состоянии связанных с ними объектов. Как происходит передача сигналов?
При использовании электрических сигналов под каналом связи понимают, как правило, обычную двухпроводную электрическую линию, которая конструктивно может как состоять из отдельной пары проводов, так и являться частью многопроводного кабеля.
В последнее время широко применяются также оптические кабельные линии связи с использованием лазеров и волоконной оптики. Они позволяют передавать одновременно огромное количество сигналов, но требуют установки специальной аппаратуры на обоих концах оптоволоконного кабеля. Эта аппаратура тоже является частью канала связи.
Канал связи — это совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигналов.
В автоматизированных системах каналы связи играют важную роль, особенно если объекты управления занимают большую территорию и отдалены от оператора или управляющего устройства на значительное расстояние.
Именно в каналах связи сигналы подвергаются наибольшим искажениям из-за воздействия естественных (а иногда и искусственно создаваемых) помех. Поэтому передача сигналов с высокой точностью и без искажений возможна лишь при правильном выборе каналов связи и их грамотном конструктивном исполнении. Например, недопустима прокладка электрических кабелей, по которым передаются слабые информационные сигналы от датчиков, рядом с кабелями, передающими мощные сигналы управления к исполнительным механизмам.
По мере прохождения сигналов по линии связи их мощность уменьшается, так как в кабелях происходит затухание сигналов из-за потерь энергии. Затухание сигналов — одна из важных ха-
рактеристик линий связи. Другой важной характеристикой линий связи является пропускная способность. Она показывает максимальное количество информации, которое можно передать без ошибок по линии связи за единицу времени.
Для снижения стоимости каналов связи при их большой протяженности в качестве линий связи стремятся использовать линии, предназначенные для других целей. Широко используются телефонные линии (например, для выхода в Интернет) и даже линии электропередачи. Такие линии наряду со своей основной функцией — передачей электроэнергии переменного тока промышленной частоты 50 Гц — передают информационные сигналы на частотах от 30 до 500 кГц.
В зависимости от возможного направления передачи сигналов каналы связи подразделяются на симплексные (сигналы передаются в одном направлении), дуплексные (сигналы могут одновременно передаваться в обоих направлениях) и полудуплексные (с переключением направления).