Применение логических элементов в схемах управления

Электротермические установки часто находятся в помещениях с агрессивной средой, повышенной влажностью, высокой температурой и т. д., что накладывает на электрооборудование дополнительные требования в отношении надежности и безопасности его обслуживания. Высокие требования к аппаратуре управления по влагостойкости, устойчивости при анормальных температурных условиях, защищенности от внешней среды и другим показателям вынуждают прибегать к поискам более надежных средств, чем релейно-контакторные аппараты.
Большая часть операций, выполняемых схемами автоматики, носит характер логических решений, когда то или иное действие может быть выполнено в данный момент только при наличии определенных условий. Такие решения могут быть представлены в виде алгебраических уравнений, в которых зависимости между переменными выражены специальными символами логических функций. Дискретные устройства, с помощью которых реализуются логические функции, называются логическими элементами.
Наиболее распространенным видом логических элементов являются электромагнитные реле. Однако их применение в ряде случаев затруднено или даже вообще невозможно вследствие недостатков, присущих контактной аппаратуре. Основной причиной замены механических контактных аппаратов бесконтактными является их низкая допустимая частота включений и низкая долговечность. Бесконтактные элементы более надежны в работе, менее чувствительны к влиянию окружающей среды, не требуют регулировки в процессе работы, срок их службы практически неограничен. Но эти преимущества еще не означают, #что бесконтактные логические элементы могут заменить реле во всех случаях. В отличие от реле эти элементы не могут коммутировать электрические цепи с силовой нагрузкой, а также работать в цепях с плавно изменяющимися сигналами, если их значение ниже сигналов срабатывания этих элементов. Схемы на бесконтактных элементах содержат обычно в несколько раз больше элементов, чем аналогичные релейные, поэтому в ряде случаев применение бесконтактных элементов может только неоправданно усложнить схему. Это относится прежде всего к схемам с простой функциональной частью, где число контактов в схеме управления невелико, а количество входных сигналов ненамного превышает число выходных. Обычно стоимость схем с логическими элементами выше вследствие большего их количества в схемах по сравнению с контактными аппаратами, использования сложных источников питания схем и специального контрольно-испытательного оборудования. Применение бесконтактных логических элементов целесообразно в схемах, когда количество входных сигналов в схеме в несколько раз превышает количество выходных.
Наиболее распространенными являются логические элементы, в основу которых положены электрические принципы. К электрическим бесконтактным элементам относятся, в частности, магнитно-полупроводниковые, полупроводниковые (вентильные и транзисторные) и электронные логические элементы. Вне зависимости от устройства они классифицируются также по выполняемым ими функциям. Количество различных логических устройств, начиная от самых простых и кончая сложными, велико. Однако любая сложная функция может быть разбита на ряд простых, реализуемых с помощью логических элементов нескольких или даже одного типа. Отметим также, что каждый элемент имеет один или более входов и один выход, причем сигналы на входе и выходе могут иметь только два значения. Обычно сигналами являются Напряжения, большее Напряжение срабатывания элементов условно обозначается индексом 1, а другое, меньшее, близкое к нулю,— индексом 0.
В схемах автоматического управления приводами наибольшее распространение получили бесконтактные логические элементы серии «Логика И», выполненной на интегральных микросхемах. Базовым элементом серии является элемент И —НЕ с управлением нулем. Распространение получили три вида логических устройств, разработанных на базе элементов серии «Логика И»: набор логических элементов и узлов; набор универсальных логических модулей матричного типа; программируемый контроллер. При числе входов системы от 20 до 40 схемы выполняются на отдельных элементах, при числе входов от 40 до 100 —на базе устройств матричной логики, более сложные схемы — с использованием программируемого контроллера.
Входные сигналы на логические элементы могут подаваться от бесконтактных й контактных аппаратов и датчиков. Следует иметь в виду, что при подаче сигналов от контактных аппаратов, используемых для управления электроприводами (кнопок, ключей управления, командоконтроллеров, путевых и конечных выключателей и т. п.), напряжение ниже 60В коммутировать этими аппаратами нежелательно, так как надежность коммутационных операций при этом снижается. Для коммутации низкого напряжения срабатывания логических элементов используются малогабаритные аппараты со специальными контактами.
Способы подачи напряжения на логический элемент показаны на рис. 7.21. Если значение напряжения питания £/л соответствует напряжению срабатываемого логического элемента, оно подается непосредственно на вход логического элемента D коммутационным аппаратом К (рис. 7.21,а). При напряжении коммутации, превосходящем напряжение срабатывания логического элемента, в цепь D включаются дополнительные резисторы. Возможно использование специальных элементов, например герконовых или электромагнитных реле, обеспечивающих потенциальную развязку входных сигналов. Подключение силовых устройств на выход логических элементов выполняется специальными усилителями Л, как показано на рис. 7.21,г. Усилители в схемах с логическими элементами представляют собой устройство, входящее в номенклатуру всей серии логических устройств. Если нагрузка Н усилителя А является индуктивно-активной (обмотка машины, катушки контакторов, электромагнитов), то для защиты схемы от перенапряжений нагрузка Н шунтируется диодом V.
Основными узлами в схемах автоматического управления приводами с использованием бесконтактных логических элементов являются схемы памяти, задержек (выдержек времени), счета импульсов, контроля положения, а также схемы, обеспечивающие выполнение вспомогательных функций — блокировок, контроля цепей, сигнализации, х/. Память в контактном исполнении обеспечивается аппаратом, блокирующим командный аппарат. Например, контакт Кл блокирует командные кнопки S3 и S4 на рис. 7.1,а. В бесконтактной схеме память обеспечивается схемой с двумя элементами ИЛИ — НЕ (рис. 7.22).
В схеме рис. 7.22 входной сигнал вход которого подается выходной сигнал У= 1, он заменяет командный импульс. Сброс памяти осуществляется подачей контактом К2 входного сигнала 1 на вход второго логического элемента D2. В качестве контактных элементов К1 и К2 могут быть использованы любые контактные устройства, например кнопки.
Для осуществления выдержек времени используются логические элементы выдержек времени, которые обеспечивают задержку выходного сигнала относительно входного. Элементы серии «Логика И» обеспечивают выдержку времени от 0,01 до 1 с на включение и отключение элемента. Для увеличения выдержек времени применяют специальные схемы соединения элементов.
При управлении возвратно-поступательным движением, как и в релейно-контакторных схемах, могут использоваться конечные и путевые выключатели. На рис. 7.23,а приведен узел схемы управления возвратно-поступательным движением с конечными выключателями и памятью, собранной на элементах ИЛИ — НЕ.
Движение может выполняться электро- или гидроприводом по командам Y1 (вперед) и Y2 (назад), осуществляющим включение реверсирующих контакторов /Св и Ки соответственно в электроприводе или реверсирующих электромагнитов золотников В и И соответственно в гидроприводе. Начало движения обеспечивается в любом направлении кнопками S1 и 52. Ограничение движения осуществляют конечные выключатели SD и 5Н, выполняющие функции сброса памяти прет движении вперед или назад. В любом положении механизма движение-может быть прекращено кнопкой S, выполняющей функции сброса памяти при движении в обоих направлениях. Перекрестная связь Б обеспечивает электрическую блокировку, запрещающую включения любой из\ команд при наличии другой команды. Нельзя подать команду Y1 при команде Y2 и наоборот. Релейно-контакторный аналог схемы рис. 7.23,а приведен на рис. 7.23,6.
Схема управления приводом производственного механизма с использованием командоаппарата и логических бесконтактных элементов приведена на рис. 7.24. Она обеспечивает движение механизма в направлении Вперед и Назад и остановку в конце обратного движения, т. е. цикл работы, характерный для печных толкателей и таскателей. Такой цикл задает командоаппарат SI, S2. Команда на включение двигателя в направлении Вперед подается кратковременным нажатием кнопки SO. При этом на выходе триггера D2 появляется сигнал У/ = 1, который через герконовое реле К1 включает контактор (или электромагнит золотника гидропривода) Кв, включающий двигатель. Сигнал Yl— 1 подается также на вспомогательный вход R триггера D4 и переключает его так, что его выходной сигнал У2==0. В крайнем положении движения Вперед замыкается контакт S1 командоаппарата и подает сигнал 0 на вход S триггера D49 а через логический элемент D1 — сигнал 1 на вспомогательный вход триггера D2. При этом на выходе триггера D2 появляется 0, контактор Кп отключается, а на выходе триггера D4 появляется сигнал Y2= 1, герконовым реле К2 включается контактор (или электромагнит золотника) /Си. В конце обратного хода механизма размыкается контакт К2 командоаппарата и отключает контактор Ка (сигналы 0 на входе «/? триггера D4 и на его выходе).
Схемы на бесконтактных логических элементах позволяют обеспечивать все требуемые электрические блокировки, применяемые в схемах автоматического управления приводами, например от появления сигналов сразу на нескольких выходах, что актуально для схем управления пуском, торможением, реверсом приводов, многочисленные технологические блокировки. Такая блокировка приведена, например, в схемах рис. 7.23,а и 7.24. Она запрещает одновременную подачу двух сигналов выхода в реверсивных схемах. Для этого сигнал одного выхода при его появлении подается на вход запрета узла памяти другого выхода и запрещает появление его сигнала. В схеме рис. 7.23,а сигнал выхода Y1 (Вперед) подается на вход элемента D6, отключает память, если она имелась, и запрещает появление сигнала Y2 {Назад). Также и сигнал Y2 (Назад) подается на вход элемента D2 и запрещает появление сигнала У/. Такой же принцип построения запрещающей блокировки реализован и в схеме рис. 7.24.