Isbn 978-5-8196-0211-9

ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Книга 2

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

В двух частях

Часть 2

Под общей редакцией д.т.н., проф. А.Б. Козлова

Допущено учебно-методическим объединением по образованию
в области технологии и проектирования текстильных изделий
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности 220700
«Автоматизация производственных процессов и производств
(текстильная промышленность)»

ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина»

Москва, 2011

УДК 658.011.56:677 (075.8)

Т 38

Авторы: А.А. Ермаков, С.В. Захаркина, А.Б. Козлов, А.А. Макаров, Ю.Д. Румянцев, Е.А. Рыжкова, А.Н. Тимохин, Л.П. Себина. Технические средства автоматизации текстильных производств: Учебное пособие в двух книгах: Кн. 2 Ч.2 / Под редакцией А.Б. Козлова. – М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2011 – 224 с., ил.

ISBN 978-5-8196-0211-9

В учебном пособии изложены основы теории, физические принципы работы, конструкции и характеристики элементов в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами текстильных производств. Рассмотрены основные типы первичных измерительных преобразователей, функциональные устройства для обработки измерительной информации, формирователи законов управления, микропроцессорные и программируемые логические контроллеры, исполнительные и регулирующие устройства.

Различные по своему физическому устройству элементы автоматики рассматриваются с единой точки зрения, что позволяет установить общность построения конструктивных схем и расчетных методик.

Учебное пособие предназначено для студентов, преподавателей и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием систем автоматизации технологических процессов и производств.

Р е ц е н з е н т ы:

заведующий кафедрой автоматики московского
государственного университета дизайна и технологии (МГУДТ),
канд. техн. наук А.В.Кочеров;

ведущий специалист ООО «Фирма Роджет»,

докт. техн. наук В.В.Губин

ISBN 978-5-8196-0211-9 © ФГБОУ ВПО

«МГТУ им. Косыгина», 2011

© Ермаков А.А., Захаркина С.В., Козлов А.Б., Макаров А.А.,
Румянцев Ю.Д., Рыжкова Е.А.,

Себина Л.П., Тимохин А.Н. 2011

Дизайн обложки – Коршунова Е.К.

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 4. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИКИ 5

4.1. Логические элементы.. 6

4.2. Функциональные узлы комбинационного типа. 10

4.2.1. Шифраторы и дешифраторы.. 10

4.2.2. Мультиплексоры.. 13

4.2.3. Сумматоры.. 15

4.2.4. Цифровые компараторы.. 20

4.3. Функциональные узлы последовательностного типа. 23

4.3.1. Асинхронные триггеры.. 23

4.3.2. Синхронные триггеры.. 25

4.3.3. Регистры параллельного действия. 27

4.3.4. Регистры последовательного действия. 30

4.3.5. Счетчики. 32

4.4. Схемотехника запоминающих устройств. 34

4.4.1. Запоминающие устройства ЭВМ... 34

4.4.2. Запоминающие элементы статических ОЗУ.. 37

4.4.3. Оперативные запоминающие устройства динамического типа 39

4.4.4. Постоянные запоминающие устройства. 40

4.4.5. Перепрограммируемые ПЗУ, Flash-память. 42

4.4.6. Построение модуля ОЗУ заданной емкости. 46

4.5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. 48

4.5.1. Цифро-аналоговые преобразователи. 48

4.5.2. Аналого-цифровые преобразователи параллельного кодирования 50

4.5.3. Аналого-цифровые преобразователи последовательного кодирования 52

4.6. Программируемые логические матрицы и интегральные схемы.. 54

ГЛАВА 5. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ 57

5.1. Микропроцессоры в системах автоматизации текстильного производства 57

5.1.1. Архитектура микропроцессорных устройств. 60

5.1.2. Классификация микропроцессоров. 65

5.1.3. Взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами 70

5.1.4. Структура типового микропроцессорного комплекта. 71

5.1.5. Однокристальные микроконтроллеры.. 73

5.1.6. Программируемые логические контроллеры.. 79

5.2. Вычислительные машины и вычислительные системы АСУ ТП текстильных производств 87

5.2.1. ЭВМ общего назначения. 87

5.2.2. Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы 88

5.2.3. Рабочие станции. 89

5.3. Сетевые компоненты систем автоматики. 89

5.3.1. Локальные управляющие вычислительные сети. 91

5.3.2. Топологии локальных сетей. 93

5.3.3. Сетевые среды.. 97

5.4. Промышленные интерфейсы и протоколы.. 99

5.4.1. Интерфейс стандарта RS-232. 103

5.4.2. Интерфейсы стандартов EIA RS‑422A/RS-485. 107

5.4.3. Интерфейс и протокол CAN.. 113

5.4.4. Шина USB.. 121

5.4.5. Протокол PROFIBUS. 122

5.4.6. Протокол MODBUS. 123

5.5. Программные средства автоматизации. 125

5.5.1. Структура программного обеспечения. 125

5.5.2. Системное программное обеспечение. 126

5.5.3. Прикладное программное обеспечение. 128

5.5.4. Инструментальные средства разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения 132

5.5.5. Системы SCАDA.. 134

ГЛАВА 6. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ 143

6.1. Электрические исполнительные механизмы.. 144

6.1.1. Электромагнитные исполнительные элементы.. 146

6.1.2. Электродвигательные исполнительные устройства. 152

6.1.3. Двигатель постоянного тока как элемент исполнительных механизмов 155

6.1.4. Двухфазный асинхронный двигатель как элемент исполнительных механизмов 160

6.1.5. Трехфазный асинхронный двигатель как элемент исполнительных механизмов 162

6.1.6. Синхронный двигатель как элемент исполнительных механизмов 167

6.2. Автоматизированный электропривод. 176

6.2.1. Асинхронные электроприводы со скалярным управлением 180

6.2.2. Асинхронные электроприводы с векторным управлением 183

6.2.3. Вентильные и бесконтактные машины постоянного тока. 186

6.3. Силовые полупроводниковые преобразователи в системе автоматизированного электропривода 188

6.3.1. Управляемые выпрямители. 190

6.3.2. Широтно-импульсные преобразователи. 196

6.3.3. Автономные инверторы.. 199

6.3.4. Непосредственные преобразователи частоты.. 208

6.4. Пневматические исполнительные механизмы.. 213

6.5. Регулирующие органы. Классификация и области применения. 218

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 224

ГЛАВА 4.
ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И
УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

В современных условиях имеется устойчивая тенденция увеличения доли цифровых методов обработки, передачи и хранения информации. Под такими цифровыми методами понимаются все методы, которые связаны с преобразованием информации в цифровую форму для последующей обработки с использованием вычислительной техники.

Необходимо отметить, что не бывает на 100% цифровых систем, включающих в себя процессы окружающей природы, так как в таких системах обязательно имеются звенья преобразователей аналоговых и непрерывных процессов в цифровую форму. Лишь в системах виртуальной реальности возможны полностью цифровые системы. Однако, системы виртуальной реальности бессмысленны сами по себе, без участия человека. А как только учитывается наличие человека, любая система перестаёт быть полностью цифровой.

Кроме вычислительных средств, используемых при автоматизации, имеются стремительно устаревающие цифровые устройства, основанные на применении дискретных цифровых логических элементов низкой степени интеграции с жёсткой логикой работы без программного управления. Логические элементы вырабатывают сигнал на выходе в зависимости от определенных сочетаний сигналов на входе и реализуют логические функции, которые, как и их аргументы, имеют значения 0 или 1. Символами «0» обозначают минимальный уровень (сигнала нет), а «1» – максимальный уровень сигнала (сигнал есть). Синтез систем автоматического управления с использованием логических элементов осуществляют с помощью различных методов, в основе которых лежит алгебра логики. Однако время отдельных логических элементов заканчивается, так как практически все задачи, решаемые на их основе, могут быть гораздо эффективнее решены с помощью микропроцессорной техники.

Тенденции перехода на цифровые методы наблюдаются в области технических средств автоматизации. В этой области идёт смена поколений технических средств обработки информации и информационного обмена. Сами по себе эти средства могут непосредственно не затрагивать традиционные предметные области автоматизации: датчики, приводы, регуляторы, однако, меняют всю среду существования средств автоматизации в целом. При этом пока ещё имеются проверенные временем технические решения, в которых удельная доля микропроцессорных, микроконтроллерных устройств недостаточна, но сами решения отлажены и в своих областях применения могут ещё долгое время быть использованы. Такими решениями, например, являются локальные аналоговые регуляторы, предназначенные для управления некоторыми, не особенно точными (3 – 5 %), процессами.