Первоначально устройства автоматизации развивались в виде автономных средств, используемых при решении отдельных задач, таких, как управление, стабилизация, обработка данных измерений. На современном уровне развития все эти устройства можно рассматривать с некоторых обобщенных точек зрения. Для этой цели в основу такого подхода следует положить понятие об информации и классифицировать функции, выполняемые отдельными устройствами, с точки зрения обработки информации.

Рис. 1. Структура и взаимодействие средств автоматизации.

Согласно рис. 1, средства автоматизации могут быть подразделены на устройства для сбора, передачи, обработки и представления информации.

Далее классификация устройств автоматизации может исходить из типа средств сбора и приема информации.

Для устройства автоматизации источниками и потребителем информации может быть как контролируемый процесс, так и человек. В соответствии с этим устройства для сбора и использования информации могут быть подразделены на такие, которые находятся в связи либо с человеком, либо с процессом.

Устройства для сбора информации. Устройства для сбора информации воспринимают либо физические величины, характеризующие процесс, либо команды, подаваемые прямо или косвенно человеком.

а) Получение информации о процессе. Постоянный контроль таких параметров процессов, как температура, давление, расход топлива или сырья, объем, уровень заполнения, расстояние, угол, скорость, частота вращения, напряжение, ток, мощность и т. д. происходит с помощью измерительных устройств. Измерительное устройство либо передает результаты измерений соответствующих величин на индикатор, либо преобразует их в сигнал, который может быть подвергнут дальнейшей обработке. Если механизм индикатор-а связан с датчиком сигнала устройством дистанционной связи, то с него также может быть получен передаваемый на расстояние сигнал.

Измерительные устройства могут быть функционально, а частично и конструктивно подразделены на датчики и преобразователи. Выходной сигнал датчика воспроизводит изменение во времени измеряемой величины, скорости изменения численного значения этой величины, или же последовательности дискретных численных значений. Важными промежуточными величинами являются напряжения (например, для термопар, термоэлементов), изменения сопротивления (термометры сопротивления, влагомеры), силы или перемещения (манометры, дифманометры, указатели уровня, расходомеры). В немецкой технической терминологии измерительный преобразователь принято называть измерительным умформером (Мев-umformer), если воспроизводящий сигнал преобразуется дальше в аналоговый (электрический или пневматический) сигнал. Если же происходит преобразование измеряемой величины в цифровой выходной сигнал, то говорят об измерительном кодирующем устройстве (MefSumsetzer).

Особое положение занимают так называемые инициаторы. Под ними понимают измерительные устройства с бинарной оценкой измеряемой величины. Инициаторы применяются преимущественно тогда, когда интересует изменение не абсолютного значения измеряемой величины, а ее отношение к определенному диапазону ее изменения. Они имеют чувствительный элемент, задатчик или настроечный элемент и элемент сравнения (компаратор). При превышении измеряемой величиной предельного значения изменяется состояние выходного сигнала. Выпускаются инициаторы для измерения различных параметров, как, например, давления, температуры, частоты вращения, перемещения и т. д. и их иногда называют сигнализаторами предельных значений, выключателями, предохранителями, и т. п.

На рис. 2 приведены наиболее важные устройства для ввода информации, отображающей характер протекания процесса.

б) Ввод информации человеком. Ввод информации человеком происходит либо непосредственно через соответствующие командные органы, либо косвенно через читаемые машиной носители программ. Эти действия могут осуществляться подачей команд на переключение и управление, изменение заданных величин, параметров структур и программ, вызовы измерительных и исполнительных каналов и т. д. Ввод информации может быть при этом аналоговым, цифровым или бинарным. В качестве командных органов применяются переключатели, ключи, рукоятки, кнопки и т. д. Носителями программ могут быть перфоленты, магнитные ленты и т. д. На рис. 3 приведены наиболее существенные средства ввода информации.

Устройства для обработки информации. Задача устройств для обработки информации состоит, как правило, во взаимной увязке по заданным закономерностям сигналов, полученных из процесса или введенных человеком. Если не учитывать чисто измерительное устройство (без устройства обработки данных), то устройство для обработки информации представляет собой основу автоматики.

Устройства для обработки информации в соответствии с рис. 4 могут быть подразделены в основном на устройства стабилизации (непрерывного действия, дискретные, с обратной связью и без нее; немодулированные и модулированные и т. д.), устройства управления с постоянной программой, устройства обработки данных и вычислительные устройства с постоянной программой (например, централизованные устройства для обработки данных измерений, вычислительные устройства для определения местоположения судна, вычисления характеристик, оценки данных радаров и т. д.) и цифровые вычислительные машины с программами в запоминающем устройстве (вычислительные машины для управления процессами).

Рис. 2. Устройства сбора информации.

Рис. 3. Устройства ввода информации человеком

За исключением управляющих вычислительных машин и некоторых устройств управления, конструкции которых в значительной степени типизированы, конструкции устройств для обработки информации индивидуализированы в зависимости от решаемой задачи.

Поэтому данные общего характера могут быть приведены только для применяемых в них элементов. В этом случае целесообразно различать элементы аналоговых и цифровых систем обработки информации.

Основным элементом современных аналоговых устройств обработки информации является операционный усилитель. Путем комбинации его в соответствующих схемах можно обеспечить выполнение

различных функций, как, например, суммирование сигналов, интегрирование, дифференцирование, умножение на постоянную величину, получение нелинейных зависимостей и т. д. Необходимые функции управления и некоторые вычислительные функции могут при этом синтезироваться путем комбинации таких функциональных элементов. Хотя операционные усилители появились впервые в электронной аналоговой вычислительной технике, этот принцип с внедрением струйного усилителя с непрерывным управлением стал проникать также и в пневмоавтоматику.

Классическим основным элементом двоичных или цифровых систем обработки информации является электромагнитное реле. В технике автоматизации оно в течение длительного времени использовалось прежде всего для реализации функций управления. Даже сами измерительные устройства и цифровые вычислительные машины Одно в.ремя выполнялись на релейной основе. Однако с появлением электронных двоичных элементов применение реле в устройствах для обработки информации резко сократилось и в настоящее время оно обычно ограничивается отдельными случаями.

С помощью бесконтактных двоичных элементов, получивших в настоящее время широкое применение, могут быть непосредственно реализованы все необходимые логические (комбинаторные) операции под двумя или более дискретными переменными. При этом теоретически возможно обойтись даже двумя основными логическими элементами, например, звеном И и НЕ, звеном ИЛИ и НЕ или даже одним элементом, как, например звеном ИЛИ—НЕ или И—НЕ. Обычные системы в большинстве случаев базируются на применении звеньев И, ИЛИ и НЕ или звеньев ИЛИ—НЕ и И—НЕ. Они выполняются, как правило, с 2, 3, 4 или более входами.

Для построения последовательных (секвентенциальных) схем необходимы также элементы памяти (бистабильные элементы). Последние наиболее часто реализуются в виде бистабильного опрокидывающего каскада (мультивибратора с двумя устойчивыми состояниями, триггера). Путем изменения подключений к этому каскаду могут далее создаваться моностабильные мультивибраторы и неустойчивые мультивибраторы. Моностабильные мультивибраторы могут служить для создания импульса определенной продолжительности или для сдвига (смещения) импульса и поэтому их можно применять в качестве блоков временных функций. С помощью неустойчивых мультивибраторов могут создаваться периодические последовательности импульсов.

Рис. 4. Устройства обработки информации.

В ассортимент электронных двоичных элементов входят, как правило, также и дополнительные стандартные элементы, как, например, импульсные схемы для динамического воздействия на накопительные элементы памяти, триггеры Шмитта (формирование импульсов), двоичные усилители и т. д.

В технике автоматизации существуют отдельные функциональные узлы, как, например, счетчики (счетные декаты, реверсивные счетчики, кольцевые счетчики), сдвигающие регистры, сумматоры, кодирующие элементы и т. д. в виде готовых типизированных устройств.

Для построения разнообразных логических схем управления, устройств для обработки данных измерений, цифровых вычислительных устройств и дискретных управляющих устройств (двух-позиционных и цифровых) могут применяться в соответствующей комбинации как отдельные элементы, так и функциональные узлы указанных видов.

Устройства для использования информации. Устройства для использования информации различаются в зависимости то того, проходят ли сигналы, сформированные в устройстве, дальнейшую обработку в системе или они непосредственно с помощью индикаторов выдаются человеку.

а) Ввод информации в процесс. Устройство автоматизации оказывает воздействие на процесс через исполнительные органы. Основные типы исполнительных органов приведены на рис. 5.

Для регулирования потоков рабочей среды и заключенной в них энергии, используются механические исполнительные органы, как, например, клапаны (вентили), шиберы и дроссельные заслонки. Они приводятся в действие исполнительными- механизмами (серводвигателями), которые могут работать с помощью электрической, пневматической или гидравлической вспомогательной энергии. Исполнительные механизмы преобразуют подведенный к ним сигнал в геометрическую ве’личину (перемещение, угол). В большинстве случаев эти механизмы оборудуются устройством для обратной связи по положению.

Так как энергия выходного сигнала устройства обработки информации во многих случаях недостаточна для приведения в действие серводвигателя, необходимы дополнительные усилители мощности. Усиление мощности часто осуществляют с помощью преобразователя, позволяющего переходить от одного вида вспомогательной энергии к другому (например, электропневматические или электрогидравлические преобразователи).

В качестве электрических усилительных элементов могут применяться главным образом магнитные усилители, транзисторные усилители (для небольших мощностей), тиристорные усилители с выходами постоянного, переменного однофазного и трехфазного тока. В отдельных случаях оказываются необходимыми предварительные усилители или импульсные управляющие устройства (для тиристор-ных исполнительных элементов). При медленно протекающих управляющих воздействиях управление потоком электрической энергии можно осуществить также и электромеханическими исполнительными элементами, такими, как регулируемые трансформаторы и установочные сопротивления (реостаты, потенциометры), приводимые в действие серводвигателями.

Рис. 5. Устройства для выдачи информации.

Исполнительные устройства могут различаться также и по их передаточным характеристикам. В автоматизированных установках наряду с аналоговыми часто применяются также и дискретные исполнительные устройства. Среди дискретных исполнительных устройств особой конструктивной простотой отличаются двухпози-ционные (двоичные) устройства. Примером таких устройств могут сложить электромагнитные клапаны (потоки рабочей среды) и контакторы (потоки энергии). В будущем в сочетании с управляющими вычислительными машинами также будут широко применяться исполнительные устройства с цифровым управлением.

б) Представление информации человеку. Представление информации человеку-оператору может производиться как непосредственно с помощью индикаторов, регистрирующих устройств и средств сигнализации, так и с использованием памяти.

Информация может представляться в аналоговом, цифровом или двоичном виде. Для показаний наряду с аналоговыми указательными приборами (электрическими и пневматическими), в возрастающей мере используются также цифровые индикаторы и экранные (разверточные) индикаторы. В качестве устройств для

регистрации применяются преимущественно аналоговые самописцы, а также алфавитно-цифровые записывающие и печатающие устройства. Дискретная информация представляется оптически посредством сигнальных ламп, мнемонических схем, световых табло, или акустически с помощью сирен или звонков (зуммеров).

Наконец, входные сигналы устройства обработки информации также могут накапливаться на читаемых машиной носителях информации (например, перфолентах, магнитных лентах).

Рис. 6. Устройства представления информации человеку.

Устройства для передачи и преобразования информации. Часто

в цепь между устройствами сбора и обработки информации или между последними и средствами использования информации включаются дополнительные устройства, осуществляющие передачу и преобразование сигналов. Иногда эти дополнительные устройства относят к устройствам для обработки информации.

Прежде всего следует различать устройства для передачи информации на малые и большие расстояния. Если передача информации между техническими устройствами на небольшие расстояния может производиться по проводам, то передача ее на большие расстояния может осуществляться и беспроволочным путем (радиотехнические методы).

В судоходстве беспроволочная передача данных измерений технических и навигационных сообщений, донесений и команд для связи между разными судами и между судами и береговыми станциями приобретает постоянно возрастающее значение. Наиболее широко применяются методы многоканальной передачи с уплотнением во времени и с частотным уплотнением на кодированных сигналах.

При передаче информации по проводам каких-либо специальных устройств не требуется. В особых случаях при передаче аналоговой информации применяются стандартные фильтрующие элементы для подавления помех, а при необходимости также и адаптационные элементы для подготовки сигналов.

При применении цифровых устройств обработки информации, непосредственно связанной с техническими процессами (связанный режим работы), требуется ряд дополнительных устройств для преобразования сигналов. Так как переменные рабочие параметры процессов являются, как правило, аналоговыми величинами, они должны превращаться в цифровые сигналы посредством аналого-цифровых преобразователей и при необходимости после их обработки снова преобразовываться с помощью преобразователей дискретных данных в непрерывные.

Для многократного использования обрабатывающей части цифровых устройств, в первую очередь устройств для сбора информации и цифровых вычислительных устройств для управления процессами, необходимы управляемые переключатели каналов (муль-типлексеры). С помощью таких мультиплексеров параллельно подведенные каналы передачи сигналов подключаются последовательно во времени к устройству обработки информации. Это соответствует параллельно-последовательному преобразованию. После обработки сигналов каждая выходная величина должна быть также подключена к соответствующему выходному каналу, т. е. снова должно быть произведено последовательно-параллельное преобразование. Для того чтобы из этих выдаваемых со сдвигами во времени последовательностей мгновенных величин снова образовать хотя бы квазинепрерывный сигнал, необходимы интерполяторы. В качестве таких интерполяторов в большинстве случаев применяются элементы памяти (накопители аналоговых величин), которые до тех пор удерживают выданную мгновенную величину, пока она не будет заменена более актуальной величиной. Таким путем образуется ступенчатый выходной сигнал.