Устройства автоматизации могут сами по себе рассматриваться как технические системы. Отдельные функциональные задачи здесь решают соответствующие конструктивные элементы, так называемые функциональные модули, которые находятся в определенном взаимодействии между собой.
Для выполнения требований, предъявляемых в каждом отдельном случае к технической системе, современная техника предлагает множество возможных решений, для наглядного представления о которых необходима соответствующая классификация.
В рассматриваемом случае классификацию технических средств следует произвести по критерию функциональных взаимосвязей. При этом прежде всего следует различать устройства, использующие электрическую, пневматическую и гидравлическую вспомогательную энергию. Устройства автоматизации, использующие ка; ждый из этих видов вспомогательной энергии, имеют специфические свойства, определяющие области их применения.
Электрические устройства автоматизации. Электрические устройства автоматизации получили в настоящее время наиболее широкое распространение. Это объясняется- прежде всего особыми требованиями, вытекащими из возрастающей централизации и сложности управления установками, которые лучше всего могут выполняться с помощью электрических средств.
К особым преимуществам электрических устройств автоматизации относится практически мгновенная передача сигналов на большие расстояния, а также возможность реализации высоких скоростей действия, высокой точности и сложного взаимодействия различных сигналов.
Существенным недостатком электрических устройств до сих пор считается их взрывоопасность, предотвращение которой требует повышенных затрат технических средств. Однако проблемы собственной надежности электрических цепей и их взрывозащищенности могут считаться в настоящее время решенными. Благодаря этому за последние годы оказалось возможным применять электрические системы и в тех условиях, которые считаются особенно взрывоопасными.
Обеспечение повышенных мощностей для электрических исполнительных механизмов связано с более высокими техническими и, следовательно, финансовыми затратами (двигатель, редуктор и дополнительные устройства).
Следует также учитывать, что стоимость электрических устройств, как правило, еще несколько выше стоимости сравниваемых пневматических систем. Однако можно ожидать, что в ходе дальнейшего развития техники эта разница будет уменьшаться. В то же время к квалификации персонала, обслуживающего электрические устройства, обычно предъявляются более высокие требования.
Техника электрических устройств автоматизации находится в настоящее время в стадии интенсивного развития. Достигнутые результаты весьма плодотворно влияют на смежные специальные области, прежде , всего на вычислительную технику. Если прежде реализация электрических устройств осуществлялась, как правило, на электромеханических функциональных принципах (релейные, магнитоэлектрические, электромашинные устройства), то в настоящее время все возрастающее применение имеют электронные элементы. В этой области электронная лампа в значительной мере уже вытеснена полупроводниковыми элементами, первоначально на германиевой, а затем и на кремниевой основе. При помощи полупроводниковой техники также облегчается выполнение требований к помехозащищенности электрических устройств.
В настоящее время происходит замена схем с дискретными конструктивными элементами интегральными схемами. Последнее объясняется не столько стремлением к дальнейшей миниатюризации, сколько к повышению эксплуатационной надежности и снижению стоимости. Однако возможности в этом направлении ограничены минимальными размерами органов обслуживания и индикаторов, которыми должен пользоваться человек.
Внедрение электроники и в особенности полупроводниковой техники также привело к новым техническим решениям в области технологии и конструирования.
Дискретные элементы и интегральные схемы выполняются в настоящее время преимущественно на печатных одно- и многослойных платах со штекерными разъемами. Печатные платы частично объединяются в стандартные конструктивные элементы, которые монтируются в виде съемных блоков в специальных выдвигаемых кассетах. Такое конструктивное решение наряду с прочими преимуществами позволяет вышедшие из строя элементы быстро заменить новыми. Благодаря этому повышается экслуатационная готовность устройства автоматизации.
Большинство электрических устройств автоматизации работают на постоянном токе или постоянном напряжении. В противоположность пневматике здесь еще не достигнута международная унификация уровня сигналов. Соответствующие стандарты принимаются, как правило, только в рамках отдельных фирм.
На судах еще встречаются многочисленные системы на переменном напряжении. Их предпочтительными конструктивными узлами являются сельсины или индукционные регуляторы, усилители переменного напряжения и асинхронные электродвигатели. Они применяются преимущественно для дистанционной передачи угловых перемещений, например, в системах управления курсом и дистанционного управления механизмами.
Питание вспомогательной энергией электрических и электронных устройств автоматизации в большинстве случаев значительно проще, чем пневматических и гидравлических средств. В некоторых случаях требуются устройства Для стабилизации напряжения питания. Снабжение вспомогательной энергией также следует считать важной задачей, обеспечивающей эксплуатационную надежность устройств автоматизации. Для этой цели на случай исчезновения напряжения предусматривается переключение на аварийный агрегат или питаемый от аккумуляторной батареи преобразователь. В устройствах автоматизации, работающих с преобразованием импульсов (бинарные и цифровые сигналы), должны быть приняты меры, исключающие влияние даже коротких перерывов питания при переключениях, так как в -противном случае они будут вызывать неконтролируемые изменения состояния системы.
Электрические устройства автоматизации применяются более широко, чем другие системы, использующие вспомогательную энергию. В этих устройствах такие измеряемые параметры процесса, как температура, частота вращения, углы и т. д. могут особенно легко быть преобразованы в электрические величины. Многие переменные процессы сами по себе являются электрическими величинами (напряжение, ток, мощность и т. д.). В чувствительных элементах измерительных датчиков для ряда других переменных, таких, как давление, разность давлений, уровень и т. п., генерирующих на выходе какой-либо физический сигнал, в случае необходимости могут быть предусмотрены преобразователи этого сигнала в электрический или пневматический выходной сигнал. Кроме того, на судах применяются многочисленные измерительные устройства с непосредственным показанием результатов измерений электрическим путем. Электротехника располагает также обширной номенклатурой командных органов и индикаторов, так что сравнительно сложные посты управления оборудуются преимущественно электрическими элементами.
Для решения даже сравнительно простых задач стабилизации наряду с дискретными электромеханическими регуляторами в постоянно возрастающем количестве применяются электронные устройства. Благодаря их более высокой точности и надежности при умеренной цене они во многих случаях вытеснили даже пневматические стабилизаторы (например, в системах кондиционирования воздуха). В области непрерывной стабилизации преимущества элект-тронных стабилизаторов заключаются прежде всего в более широких возможностях суммирования сигналов, более высокой точности и меньшей инерционности. Кроме того, в связи с общим стремлением к централизации управления,стабилизаторы, как правило, устанавливаются вне взрывоопасной зоны, так что для них надо обеспечивать лишь достаточную помехоустойчивость.
Более сложные системы управления, устройства для обработки информации и цифровые вычислительные устройства также реализуются почти исключительно электронными средствами.
Исполнительные органы, в особенности после внедрения тиристоров, также широко используют электронную аппаратуру. Особенно это относится к силовым исполнительным органам для управления генераторами и электродвигателями приводов, например, для приведения в действие лебедок и судовых кранов. Разработаны также и безредукторные исполнительные органы, используемые в качестве привода в различных механических устройствах (клапанах, задвижках, рулях), стоимость которых, однако, все еще остается сравнительно высокой.
Пневматические устройства автоматизации. Одно из наиболее существенных преимуществ пневматических устройств автоматики заключается в их взрывобезопасности. Далее, вследствие их сравнительно простой конструкции, более умеренными являются требования к квалификации обслуживающего персонала. Пневматические устройства все еще на 25% дешевле сравнимых электронных функциональных узлов [3.10]. Кроме того, необходимое силовое воздействие на объект управления обеспечивается пневматическим путем с гораздо меньшими затратами, чем при помощи электронных средств.
Область применения пневматических устройств ограничивается, с одной стороны, относительно малыми скоростями и небольшими расстояниями передачи сигналов (<200 м), а с другой стороны, ограниченными возможностями для согласования сигналов. Кроме того, значительные затраты технических средств требуются для обеспечения вспомогательной энергии нужного качества. Если при применении пневматики в промышленных технологических установках важную роль играет проблема загрязнения воздуха, то при ее использовании на судах в первую очередь надо обращать внимание на замерзание трубопроводов.
Уровень сигнала пневматических устройств стандартизован в мировом масштабе (0,2—1 кГ/см2). Устройства так называемой пневматики низкого давления (уровень сигнала, например, 100 мм вод. ст.) применяют лишь в особых случаях.
Аппаратостроительные фирмы предлагают в настоящее время целый ряд технически совершенных пневматических устройств. Характерной особенностью их является использование ограниченного числа типов конструктивных элементов. К ним относятся в первую очередь мембранные или сильфонные элементы, управляемые и неуправляемые дроссели, пружинные элементы и емкости, которые применяются в сочетании с механическими конструктивными элементами. С появлением струйных элементов снова началось интенсивное развитие пневматики. С ее помощью можно реализовать преимущественно логические конструктивные узлы, но можно осуществлять также и операционные усилители непрерывного действия.
Техника пневмоавтоматики располагает в настоящее время полным комплектом измерительных датчиков и преобразователей с пневматическим выходным сигналом для всех основных параметров процессов. Пневматика широко применяется для решения сравнительно простых задач регулирования, прежде всего из экономических соображений. В области техники управления применение струйных элементов в будущем может еще привести к известной конкуренции с электроникой. В сфере исполнительных устройств ведущее положение пневматического привода также остается на длительную перспективу неоспоримым. Решающее значение при этом имеет механическая прочность, взрывозащищенность, а также достигаемые перестановочные силы в сочетании с достаточным быстродействием при благоприятной цене. Хотя общее стремление направлено на использование только одного вида вспомогательной энергии, пневматический исполнительный привод применяют также и в электрических системах управления. В ряде случаев ему отдают предпочтение даже в системах, управляемых вычислительными устройствами.
Тем не менее доля пневматических устройств по сравнению с электрическими и электронными устройствами имеет тенденцию к снижению, что объясняется прежде всего стремлением к увеличению централизации управления и взаимосвязи сигналов.
Гидравлические устройства автоматизации. Гидравлические устройства автоматизации в сравнении с устройствами, работающими на электрической и пневматической вспомогательной энергии имеют, как правило, гораздо меньшее значение. Такие свойства гидравлических систем, как возможность создания практически неограниченных сил’и мощностей при малых размерах конструктивных элементов, с одной стороны, и очень ограниченная взаимоувязываемость сигналов, большие затраты на прокладку трубопроводов, а также пожарная опасность рабочей среды, с другой стороны, обусловливают их применение, в основном, лишь в качестве исполнительных устройств. Гидравлические исполнительные приводы находят на судах применение прежде всего в рулевых устройствах, устройствах стабилизации судов при качке и в системах управления гребными винтами регулируемого шага.