Переключательные устройства. 
Технические средства автоматизации и управления

Общие характеристики релейных элементов

Релейные переключательные элементы служат для коммутации цепей в различных схемах, используемых в системах автоматики, исследовательских установках и вообще в технических устройствах, реализующих те или иные процессы. Суть работы такого переключающего элемента заключается в том, чтобы под влиянием того или иного воздействия направлять (перекоммутировать) различные потоки по заранее заданным направлениям. Эти коммутируемые потоки по своей физической природе могут быть весьма различными:

• • электрическими (различного рода токами: переменными и постоянными);
• • гидравлическими (потоками различных жидкостей);
• • пневматическими (потоками различных газов, в частности, воздуха);
• • световыми;
• • механическими.

В первых четырех случаях переключательные элементы принято называть соответственно электрическими, гидравлическими, пневматическими или оптическими реле, а в последнем случае — муфтами.

Управляющее воздействие по своей физической природе также может быть весьма разнообразным, а именно:

• • механическим (в том числе ручным);
• • электрическим (подачей или снятием напряжения);
• • гидравлическим или пневматическим (подачей или снятием соответствующего давления);
• • световым (включением или выключением светового сигнала). В зависимости от того, что является входной величиной, а

что коммутируется на выходе, получаются различные переключающие элементы, которые сведены в табл. 8.1.

Для построения логических электрических, гидравлических и пневматических сетей используются переключательные элементы соответствующей физической природы.

Таблица 8.1.

Различные виды переключающих элемеетов.

Однако независимо от их физической сущности переключательные элементы должны обладать релейной зависимостью между входным и выходным сигналом. Это значит, что при превышении входной величиной Х_п некоторого уровня, называемого порогом срабатывания Х_ср> выходная величина Х_шиж «скачком» переключается в положение, соответствующее состоянию насыщения, и при дальнейшем увеличении Х_т величина Х_щих не изменяется. Это состояние выходной величины условно обозначается «1». До того как входная величина, повышаясь от 0 до X_cv> вызвала переключение выходной величины Х^ в состояние 1, эта выходная величина сохраняет другое постоянное значение, как правило, нулевое, которое условно обозначается «О». Для того чтобы при обратном ходе, уменьшаясь от значения, большего порога срабатывания Х_ер, входная величина Х_п вызвала обратное переключение выходной величины Х^ из состояния «1» в состояние «О», нужно, чтобы эта входная величина упала до уровня, меньшего так называемого порога отпускания Х^.

Рис. 8.1. Релейные характеристики переключающих элементов.

Релейные характеристики переключающих элементов изображены на рис. 8.1. Как правило, в переключающих элементах Х_ат<�Хф что соответствует графику на рис. 8.1, я, но может также быть Х^ = X_Cf> (рис. 8.1, б) и Х^ > X_cf> (рис. 8.1, в). Явление, заключающееся в том, что * Х_ср, называется гистерезисом.

Величина X — Х_тп называется шириной петли гистерезиса. Гистерезис может быть отрицательным, положительным и нулевым.

Может также оказаться, что Х^ < 0, как изображено на рис. 8.2, а. Это соответствует так называемому элементу «с памятью». Здесь снятие входного сигнала, после того как он ранее превысил порог срабатывания, не приводит к изменению ранее установленного единичного состояния выходной величины Х_шк. Для возвращения этой выходной величины в исходное нулевое состояние нужно подать на вход некоторый сигнал противоположного знака, так чтобы Х_т < Х^. В некоторых конструкциях переключающих элементов на выходе может быть не два, а три состояния, которые условно можно назвать состояниями «-1», «О» и «+ 1». Это соответствует перекидному контакту в электроконтактных схемах и трехпозиционному золотнику в гидравлических схемах. Такая характеристика с симметричным относительно нуля гистерезисом приведена на рис. 8.2, б.

Таким образом, вход переключательного элемента должен принимать дискретные значения: одно, большее порога срабатывания (с определенным запасом), можно условно считать единичным, а другое, меньшее порога отпускания (также с определенным запасом), можно условно считать нулевым. Выходы переключательного элемента также являются дискретными, и в большинстве случаев они также принимают два значения: нулевое и единичное. Сеть, собранная из переключательных элемен

Рис. 8.2. Статические характеристики переключательных элементов

с гистерезисом тов, называется переключательной схемой. В переключательной схеме срабатывания одних элементов вызывают срабатывания других, т. е. устанавливаются соответствующие коммутационные связи. Некоторые сигналы являются при этом аргументами происходящих переключений, а другие — функциями этих аргументов.

Применительно к переключательным схемам, как и к прочим техническим устройствам, должны решаться задачи анализа и синтеза. Анализ переключательной схемы заключается в установлении зависимостей, связывающих состояние данной схемы в целом с состояниями составляющих ее элементов. Синтез переключательной схемы заключается в установлении таких связей между базовыми переключательными элементами, при которых создаваемая переключательная схема будет заданным образом реагировать на изменения состояний составляющих ее элементов.

Для описания процессов, происходящих в переключательных схемах, был разработан специальный математический аппарат, называемый логикой переключательных схем, или алгеброй логики, или булевой алгеброй (по фамилии английского математика Буля, разработавшего основы этого математического аппарата). Для алгебры логики характерно то, что в отличие от школьной алгебры аргументы здесь могут принимать только два значения: 0 и 1. Функции также могут принимать только два значения: «ложно» и «истинно», обозначаемые также 0 и 1.

В простейшем случае рассматривается соединение двух переключательных элементов, входами которых являются дискретные двузначные аргументы Х_х и Х₂ Эти элементы могут соединяться между собой различными способами, так что выход построенной сети У будет различным в зависимости от того, как между собой соединены исходные переключательные элементы. Таким образом, величина У будет представлять собой булеву функцию от аргументов Л', и Х₂.

Как и всякая функция, она может быть представлена либо в виде аналитической записи, либо в виде таблицы, либо в графической форме. Возможные состояния переключательных элементов представлены в табл. 8.2, называемой таблицей состояний, или диаграммой Вейча.

Таблица 8.2.

Таблица состояний переключательных элементов.

Как видно из этой таблицы, функция У_{ принимает единичное значение только тогда, когда и X_v и Х_г принимают единичное значение. Это соответствует последовательному соединению соответствующих переключательных элементов. Такая функция называется «функция И», конъюнкция или логическое умножение. Обозначением этой функции является &, л или *, так что можно записать:

Иногда в конкретном контексте, как и в обычной алгебре, пишут У, = X, X_v но понимают это как запись булевой функции.

Функция У₂ принимает единичное значение, когда хотя бы один из аргументов Х_х и Х₂ или оба этих аргумента сразу принимают единичное значение. Она равна нулю лишь тогда, когда оба аргумента Х_х и Х₂ принимают нулевое значение. Это соответствует параллельному соединению переключательных элементов. Такая функция называется «функция ИЛИ», дизъюнкция

или логическое сложение. Обозначением этой функции является v или +, так что можно записать:

Логическое сложение, где 1 + 1 = 1, не следует путать с арифметическим сложением, где 1 + 1=2. Иногда в описаниях переключательных, главным образом цифровых, схем используется функция арифметического сложения, иначе называемая «исключенное ИЛИ», которая принимает единичное значение только тогда, когда лишь один из аргументов: либо Х_ХУ либо Х₂ принимает единичное значение. Если же они оба равны 1, то в соответствии с арифметическим равенством 1 + 1 = 2 (причем обычное 2 в двоичной записи равняется 10), эта функция принимает значение, равное 0, что обозначается знаком Ф.

Наконец, из этой таблицы можно заключить, что функция У₃ противоположна аргументу Х_х (принимает единичное значение, когда Х_х равняется нулю и, наоборот, равняется нулю, когда Х_х принимает единичное значение) и не зависит от аргумента Х_г Тогда говорят, что функция К₃ есть инверсия аргумента Х_г Это соответствует размыкающему контакту в контактных реле (подробнее см. далее). Инверсия какого-либо дискретного аргумента изображается черточкой, расположенной над этим аргументом:

Приведенным аналитическим записям и табличному представлению булевых функций соответствует их графическое отображение, представленное на рис. 8.3. На этом рисунке в точ;

Рис. 8.3. Графическая интерпретация логических функций дискретных аргументов ках с координатами Х_х и Х₂₁ равными (0,0), (0,1), (1,0) и (1, 1), функции К" У₂ и У, принимают значения 0 или 1 в соответствии с представленной таблицей состояний.

Как доказывается в булевой алгебре, любая логическая функция может быть выражена через названные выше функции конъюнкции, дизъюнкции и инверсии. Поэтому это сочетание функций принято называть нормальным базисом. Из практических наблюдений вытекает также, что любая переключательная схема может быть реализована с помощью различных сочетаний последовательного, параллельного и инвертирующего соединений.

Заметим, что нормальный базис (т. е. три элементарные логические операции) может быть еще уменьшен и сведен к любым двум из этих операций. Это Вытекает из так называемой формулы двойственности, гласящей, что дизъюнкция инверсий равняется инверсии конъюнкций и, наоборот, конъюнкция инверсий равняется инверсии дизъюнкций. В справедливости этой формулы можно убедиться, рассматривая графическую интерпретацию булевых функций, приведенную на рис. 8.3.