Автоматика част I

Автоматиката или още автоматизацията, представлява силно намаляване и дори изключване на намесата на човека в различни индустриални и технологични процеси, свързани с производството, проектирането, научните изследвания, добиването на полезни изкопаеми, управлението на машини и устройства, преработката и събирането на информация и др. Автоматиката включва не само технически средства и електронни устройства, но и систематични, статистически и математически методи за управление на машини и процеси. В съвременността прилаганите изчислителни методи копират нервните и мисловни функции на човека. За автоматизиране на даден процес е необходимо да има източник на информацията (напр. сензор), средство за преработване на информацията (процесор, чип), управляващо устройство (контролер), изпълнителен механизъм и обратна връзка. Този комплекс от механизми се възприема в своята цялост и се нарича система. Автоматиката има за цел освобождаването на човека от участието му в процеса на производство и други тежки, опасни или еднообразни дейности. Автоматизацията се счита за дял от научно-техническия прогрес, защото чрез нея се увеличава производителността на труда, качеството на продукцията и се намалява себестойността. Основните видове системи за автоматизация се наричат:

• автоматизирана система за прогностика и планиране;
• автоматизирана система за научни изследвания, разработки и експерименти;
• автоматизирана система за проектиране на нови изделия;
• гъвкави автоматизирани системи за производство;
• автоматизирана система за управление на технологични процеси;
• автоматизирана система за управление на машини и устройства.

При автоматизираните системи ролята на човека се свежда до избор на алгоритъм за машината, подбор на входящите данни и анализ на получените резултати. Намесата на човек също така се изисква при аварии или настъпване на непредвидени събития, нестандартни ситуации и решаване на нетипични задачи. С други думи, на човекът е отредена ролята на анализатор, мислител, креативно звено в системата.

Автоматизацията е невъзможна без компютъризацията, информатиката, електрониката, информатиката и роботизацията. Независимо от достиженията на автоматизираните системи огромна част от процесите в промишлеността и добиването на суровини могат да бъдат извършване единствено от човек. Все още няма компютър или устройство, което да си съперничи с човека като ниво на комплекса от сетивни и логически възприятия, разпознаване на логически модели, съзнаване на действителността, съобразителност и преценка. В други случаи човешката работна ръка е икономически по изгодно от сложно, времеемко и скъпоструващо автоматизиране на процесите.

Автоматиката се използва още в началото на ХХ век в телефонните централи, като навлиза с автоматичния телефонен номератор, първоначално работещ на базата на вакуумни лампи, а след това на превключващи релета и накрая става основа на създаването на компютъра. Други първи постижения на автоматизацията са при производството на хартия и валцуване на метал. Нововъведените контролери и релета ускоряват производствения процес и драстично намаляват себестойността на продукцията. Автоматизацията скоро навлиза в бита на хората, като се автоматизират процесите при обслужване на клиентите в заведенията за хранене. Някои ресторанти използват конвейерни ленти за сервирането на поръчките директно до масата на клиента, други използват кафе-автомати и автомати за напитки. В магазините също започва използването на принципите на автоматизацията по отношение на подреждането на стоката и въвеждането на самообслужването, за да достигнем в днешни дни до онлайн пазаруването, където дори отпада нуждата от физически съществуващ магазин. Стоката от склада отива направо към клиента, както е в онлайн магазина на Викиват.

Основните компоненти на автоматизираните системи са:

• броячи (на импулси и на часове, електромеханични и електронни);
• датчици (датчици на Хол, индуктивни датчици, капацитивни датчици, магнитни датчици, оптични датчици, температурни датчици, ултразвукови датчици, датчици за влага и др.);
• джойстици;
• електромагнитни вентили;
• термостати;
• крайни и пътни изключватели;
• ниворегулатори за течностти;
• таймери и релета за време;
• сигнални лампи за пултове и транспортни средства;
• средства за алармена сигнализация (сирени, звънци и др.)
• термоконтролери;
• фотоелектрически ключове;
• честотни инвертори;
• хидравлични и пневматични превключватели, кранове и разпределители
• фоторастерни преобразуватели;
• пресостати;
• контактни и индикаторни манометри;
• електронни спомагателни устройства за автоматика.

Броячи на импулси и часове

Броячите са устройства, които се използват за регулиране, управление и автоматизация на производствени процеси, поточни линии и др. Броячите са основно два големи типа – електромеханични и електронни.

Броячите на импулси работят посредством механичен контакт, чрез бутон или друг механизъм или чрез електронен датчик. Функционира в режим на събиране на импулсите. При достигане на определен брой импулси, определени от BCD кодер, устройството включва или изключва механичен превключвател. Може да бъде нулирано по електронен или механичен път.

Броячите на часове работят в режим натрупване на време. Натрупаното време се изобразява на многоразряден дисплей. Броенето започва веднага след подаване на входното напрежение. Може да се използва за броене на работните часове на различни машини и съоръжения. Някои от броячите на часове са без възможност за нулиране.

Датчици

1. Датчици на Хол.

Безконтактни клавишни превключватели базирани на ефекта на Хол. Представляват преобразувател, изменящ изходното си напрежение в резултат на промяна на магнитното поле. Много често датчиците на Хол се използват в автомобилната индустрия, където прилагането им е позволило да се направят двигателите по екологични, благодарение на по-пълното изгаряне на горивната смес. Могат да бъдат линейни, ключове и тригерни. При линейните датчици на Хол изходния сигнал, който е напрежение е правопропорционален, в линейна зависимост, от интензитета на магнитното поле. Може да има разнообразни конструкции със или без постоянен магнит. Този тип датчици на Хол се използват за прецизни безконтактни измервания на стационарни положения или премествания. Датчиците на Хол – ключове навмират приложение във вентилаторите на компютрите и в автомобилната индустрия. При тях има монтиран тригер, който дава на изхода си „1“ при високо напрежение и „0“ при ниско напрежение. Ползват се също за крайни изключватели или измерване на обороти. Тригерните датчици на Хол също работят в ключов режим, като имат изходен сигнал логическа „1“ при високо магнитно поле, но не минават в състояние „0“ при ниско поле. За целта трябва да се изключи захранването на датчика. Намират приложение в автомобилната промишленост. Датчика на Хол не може да се ремонтира, защото електрониката е свързана неразривно с пластината, която проявява ефекта на Хол.

2. Индуктивни датчици.

Индуктивните датчици са много разпространени при контрол на подвижни елементи в производството, следене на броя на детайли и продукти, засичане на скорости и обороти, мониторинг на машинни вибрации от разстояние, контрол на елементи като валове, лагери, втулки. Представляват електронни устройства реагиращи на приближаване на метален обект към активната им повърхност, генерирайки дигитален или аналогов изходен сигнал, който отваря или затваря електрическа верига. Липсата на механичен контакт осигурява на индуктивния датчик дълъг живот и висока надежност. Основни параметри на индуктивните датчици са разстояние на включване, представлява разстоянието между активната повърхност на датчика и металния предмет. Бързодействие – разликата във времената на промяната на разстоянието от сензора до обекти и времето на скокообразното изменение на изходния сигнал. Хистерезис – разликата в разстоянията на включване и изключване на датчика. Има различни видове индуктивни датчици. Според захранващото напрежение има постояннотокови и променливотокови датчици. Има датчици за инклинация, самообучаващи се индуктивни датчици, линейни индуктивни датчици, датчици с микропроцесорен контрол и др.

3. Капацитивни датчици.

Капацитивните датчици се използват в промишлени системи, следене броя на детайли, регулиране нивото на течности,  като безконтактен сензор за движение на предмети и обекти, както и индуктивните датчици. Разликата е, че при капацитивните обекта на контрол може да не е метален. Капацитивния датчик реагира на вода, стъкло, пластмаса, масла и др. Устройството им включва кондензатор, два коаксиални електрода и RC генератор.

4. Магнитни датчици.

Магнитните сензори реагират на промяна в магнитното поле. Активират се при повишаване на магнитното поле и отварят или затварят електрическа верига. Използват се за охрана и блокировка на прозоречни отвори, врати, люкове. Контрол на достъпа в охраняеми обекти и складове. Могат да работят с дистанционно или магнитен чип или карта. Често се съвместяват с алармени системи.

5. Оптични датчици.

Оптичните или фотоелектричните, съща оптоелектричните датчици реагират на промяна на светлинен лъч без физически контакт между сензора и контролирания обект. Светлинният лъч може да бъде във видимия или инфрачервения спектър. Оптичните датчици се използват за охрана и контрол на достъпа до обекти, в автоматизацията на производствени процеси, регистриране на обекти върху промишлени конвейерни ленти, създаване на невидими бариери за безопасност на работника при работа с опасни машини, пакетиране и маркировка на артикули и др. Оптичните датчици според принципа на действие могат да бъдат:

• оптични сензори от бариерен тип. Съставени са от предавател и приемник в два отделни корпуса, разположени срещуположно един спрямо друг.  Предавателя генерира и излъчва постоянен светлинен лъч към приемника. Датчика се задейства при прекъсване на светлинния лъч помежду им. Този тип датчици функционират в инфрачервената част на спектъра.
• оптични датчици дифузен тип. Предавателя и приемника се намират в един корпус. Предавателя генерира и излъчва светлинен лъч, който се отразява от стационарен обект и малка част от него се връща обратно към приемника. Когато лъчът се прекъсне приемника сменя работното си състояние и включва електрическа верига на изхода. Дифузните оптични датчици също работят с инфрачервени лъчи.
• оптични датчици маркерен тип. Излъчвателят и приемникът са в един корпус и работят във видимата част на спектъра. Използват се за за проследяването на цвете маркер върху цветна или прозрачна основа. Намират приложение в производствени процеси на продукти движещи се по конвейерни ленти.

6. Температурни датчици.

Температурните датчици са основно на принципа на термодвойките. Термодвойките са сензори за температура съставени от два различни проводника, които реагират на температура по различен начин и в резултат на това генерират напрежение пропорционално на разликата в температурите на между двата края на на проводниците. Във физиката това се нарича термоелектрически ефект. В зависимост от материала на проводниците термодвойките се делят на няколко вида:

• термодвойка тип К. Този тип термодвойка се среща в две разновидности – хромел, представляващ сплав от от никел и хром в съотношение 90 към 10 и алумел, представляващ сплав от никел 95%, алуминий 2%, магнезий 2% и силикон 1%
• термодвойки тип J. Този тип термодвойка има сравнително ниска чувствителност. По-ниска от термодвойките тип К. Като материал представляват сплав от желязо и константан.
• терморезистор платина 100. Терморезистора Pt100 представлява сплав от редки метали и платина. Този тип температурен датчик има висока точност. Основен негов параметър е, че при 0°C има съпротивление 100 Ohm.

Температурните датчици с индустриално приложение реално са термодвойки затворени в метален корпус, с помощта на който се измерва температурата на различни процеси, помещения, обекти или съдове. Наричат се още термистори и служат като осезателен елемент в система за автоматизация, като подават обратна връзка към термоконтролери и управляващи устройства.

Освен Pt100 има и други терморезистори, като основното при всички е, че са температурнозависими. Делят се на два вида:

• NTC (negative temperature coeficient). Това е терморезистор (термистор) с отрицателен температурен коефициент. Представлява полупроводник с отрицателна температурна зависимост, т.е. при увеличаване на температурата, съпротивлението на терморезистора NTC намалява. Причината за увеличението на температурата може да бъде топлинната съставка на тока, протичащ през полупроводника или увеличение на температурата на окръжаващата среда, като по този начин изпълняват функцията си на температурен датчик.
• PTC (positive temperature coeficient). Термистор с положителен темепературен коефициент, чието съпротивление се увеличава при повишаване на температурата.

Терморезисторите се използват за измерване на температурата, за огроничаване и стабилизиране на тока в електронни схеми или при компенсация на температурата в транзисторни схеми.

7. Ултразвукови датчици

Ултразвуковите датчици имат следните предимства: висока точност и бързодействие, проста конструкция, устойчивост на удари и вибрации, липса на механичен контакт, работят в широк диапазон на температура и налягане. Принципа на действие на класическия ултразвуков датчик е следния: предавател вграден в датчика излъчва кратък ултразвуков импулс и едновременно с това се стартира таймер, който отчита времето. Когато импулса се отрази в наблюдаемия обект и се върне в датчика – таймера спира. Времето между излъчения и отразения импулс служи за изчисляване на разстоянието до обекта. При повторен импулс – се сравнява с времето на предишният и може да се анализира степента на преместване на обекта. Често изходния сигнал е напрежение, което варира при преместване на обекта или при преместване на обекта в зоната на чувствителност на датчика пропорционално се променя изходен ток. Ултразвуковите датчици имат приложение при контрол на всякакъв вид течности, включително взриво и пожароопасни, проводими и непроводими в закрити и открити резервоари. Използват се за измерване на разстояние до гранули, насипни материали, прозрачни и непрозрачни повърхности.