Принципова електрична схема керування електродвигуном. Типові схеми керування. Матеріали, що використовуються для монтажу схеми

Усі електричні принципові схеми верстатів, установок та машин містять певний набір типових блоків та вузлів, які комбінуються між собою певним чином. У релейно-контакторних схемах головними елементами управління двигунами є електромагнітні пускачі та реле.

Найчастіше як привод у верстатах і установках застосовуються. Ці двигуни прості у пристрої, обслуговуванні та ремонті. Вони задовольняють більшості вимог до електроприводу верстатів. Головними недоліками асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором є великі пускові струми (в 5-7 разів більше за номінальний) і неможливість простими методами плавно змінювати швидкість обертання двигунів.

З появою та активним впровадженням у схеми електроустановок такі двигуни почали активно витісняти інші типи двигунів (асинхронні з фазним ротором та двигуни постійного струму) з електроприводів, де потрібно обмежувати пускові струми та плавно регулювати швидкість обертання в процесі роботи.

Однією з переваг використання асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором є простота їхнього включення в мережу. Достатньо подати на статор двигуна трифазну напругу і двигун відразу запускається. У простому варіанті для включення можна використовувати трифазний рубильник або пакетний вимикач. Але ці апарати при своїй простоті та надійності є апаратами ручного керування.

У схемах верстатів і установок часто повинна бути передбачена робота того чи іншого двигуна в автоматичному циклі, забезпечуватися черговість включення декількох двигунів, автоматична зміна напрямку обертання ротора двигуна (реверс) і т.д.

Забезпечити всі ці функції з апаратами ручного керування неможливо, хоча в ряді старих металорізальних верстатів той же реверс і перемикання числа пар полюсів для зміни швидкості обертання ротора двигуна дуже часто виконується за допомогою пакетних перемикачів. Рубильники та пакетні вимикачі у схемах часто використовуються як вступні пристрої, що подають напругу на схему верстата. Все ж таки операції управління двигунами виконуються.

Увімкнення двигуна через електромагнітний пускач забезпечує крім всіх зручностей при керуванні ще й нульовий захист. Що таке буде розказано нижче.

Найчастіше у верстатах, установках та машинах застосовуються три електричні схеми:

схема управління нереверсивним двигуном з використанням одного електромагнітного пускача та двох кнопок "пуск" і "стоп",

схема управління реверсивним двигуном з використанням двох пускачів (або одного реверсивного пускача) та трьох кнопок.

схема управління реверсивним двигуном з використанням двох пускачів (або одного реверсивного пускача) та трьох кнопок, у двох з яких використовуються спарені контакти.

Розберемо принцип роботи всіх цих схем.

Схема показано малюнку.

При натисканні на SB2 "Пуск" на котушка пускача потрапляє під напругу 220, т.к. вона виявляється включеною між фазою і нулем (N) . Рухлива частина пускача притягується до нерухомої, замикаючи у своїй свої контакти. Силові контакти пускача подають напругу на двигун, а блокувальний замикається паралельно кнопці "Пуск". Завдяки цьому під час відпускання кнопки котушка пускача не втрачає живлення, т.к. струм у цьому випадку йде через блокувальний контакт.

Якщо б блокувальний контакт не був би підключений паралельно кнопки (за будь-якої причини був відсутній), то при відпусканні кнопки "Пуск" котушка втрачає живлення і силові контакти пускача розмикаються в ланцюги двигуна, після чого він відключається. Такий режим роботи називають "поштовховим". Застосовується він у деяких установках, наприклад, у схемах кран-балок.

Зупинка працюючого двигуна після запуску у схемі із блокувальним контактом виконується за допомогою кнопки SB1 "Стоп". При цьому, кнопка створює розрив у ланцюгу, магнітний пускач втрачає живлення і своїми силовими контактами відключає двигун від мережі живлення.

У разі зникнення напруги через якусь причину магнітний пускач також відключається, т.к. це рівносильно натискання на кнопку "Стоп" і створення розриву ланцюга. Двигун зупиняється та повторний запуск його за наявності напруги можливий лише при натисканні на кнопку SB2 "Пуск". Таким чином, магнітний пускач забезпечує т.зв. "нульовий захист". Якби він у ланцюзі був відсутній і двигун керувався рубильником або пакетним вимикачем, то при поверненні напруги двигун запускався б автоматично, що несе серйозну небезпеку обслуговуючого персоналу. Детальніше дивіться тут.

Анімація процесів, що протікають у схемі, показана нижче.

Схема працює аналогічно до попередньої. Зміна напрямку обертання (реверс) ротор двигуна змінює зміну порядку чергування фаз з його статорі. При включенні пускача КМ1 на двигун приходять фази - A, B, З, а при включенні пускача KM2 - порядок фаз змінюється на З, B, A.

Схема показано на рис. 2.

Включення двигуна на обертання в один бік здійснюється кнопкою SB2 та електромагнітним пускачем KM1. При необхідності зміни напрямку обертання необхідно натиснути кнопку SB1 "Стоп", двигун зупиниться і після цього при натисканні на кнопку SB 3 двигун починає обертатися в інший бік. У цій схемі для зміни напрямку обертання ротора необхідно проміжне натискання на кнопку "Стоп".

Крім цього, у схемі обов'язково використання в ланцюгах кожного з пускачів нормально-закритих контактів для забезпечення захисту від одночасного натискання двох кнопок "Пуск" SB2 - SB 3, що призведе до короткого замикання в ланцюгах живлення двигуна. Додаткові контакти ланцюгах пускачів не дають пускачам включиться одночасно, т.к. будь-який із пускачів при натисканні на обидві кнопки "Пуск" увімкнеться на секунду раніше і розімкне свій контакт в ланцюзі іншого пускача.

Необхідність створення такого блокування вимагає використання пускачів з великою кількістю контактів або пускачів з контактними приставками, що здорожчує і ускладнює електричну схему.

Анімація процесів, що протікають у схемі з двома пускачами, показана нижче.

3. Схема керування реверсивним двигуном за допомогою двох магнітних пускачів та трьох кнопок (дві з яких мають контакти з механічним зв'язком)

Схема показано малюнку.

Відмінність цієї схеми від попередньої в тому, що в ланцюзі кожного пускача крім загальної кнопки SB1 "Стоп" включені по 2 контакти кнопок SB2 і SB 3, причому в ланцюзі КМ1 кнопка SB2 має нормально-відкритий контакт (замикає), а SB 3 - нормально -закритий (розмикаючий) контакт, в ланцюзі КМ3 - кнопка SB2 має нормально-закритий контакт (розмикаючий), а SB 3 - нормально-відкритий. При натисканні кожної кнопки ланцюг одного з пускачів замикається, а ланцюг іншого одночасно при цьому розмикається.

Таке використання кнопок дозволяє відмовитися від використання додаткових контактів для захисту від одночасного включення двох пускачів (такий режим при цій схемі неможливий) і дозволяє виконувати реверс без проміжного натискання на кнопку "Стоп", що дуже зручно. Кнопка "Стоп" потрібна для остаточної зупинки двигуна.

Наведені у статті схеми є спрощеними. Вони відсутні апарати захисту (автоматичні вимикачі, теплові реле), елементи сигналізації. Такі схеми часто доповнюються різними контактами реле, вимикачів, перемикачів і датчиків. Також можливе живлення котушки електромагнітного пускача напруга 380 В. У цьому випадку він підключається від двох будь-яких фаз, наприклад, А і B . Можливе використання понижуючого трансформатора для зниження напруги у схемі управління. У цьому випадку використовуються електромагнітні пускачі з котушками на напругу 110, 48, 36 або 24 ст.

Для керування засувками застосовується реверсивний електропривод. Засувки з електричним приводом широко застосовуються в схемах керування парових та водогрійних котлів. Їх встановлюють на трубопроводах мережної води до та після котла, газопроводі та мазутопроводі до котла, трубопроводах обв'язки насоса живильної води, на напірному трубопроводі мережної води.

Наприклад розглянемо схему управління електроприводом засувки на напірному трубопроводі мережевої води (рис. 2.22) . У схемі застосовано реверсивний магнітний пускач, що складається з двох контакторів. КМ1, КМ2та електротеплового реле КК. Схемою передбачається ручне та автоматичне керування електроприводом. У ручному режимі натисканням кнопки управління SB1 подається напруга на котушку КМ1магнітного пускача відкриття засувки При досягненні запірним органом повного відкриття кінцевий вимикач SQ1 розриває ланцюг живлення котушки магнітного пускача, і електропривод зупиняється. Закриття засувки здійснюється будинок натисканням на кнопку керування SB2 .

Зупинка електроприводу при закритті засувки здійснюється муфтою граничного моменту SQ5 . При досягненні необхідної щільності при закритті засувки момент обертання, що розвивається електроприводом, стає більшим за номінальне значення, і муфта граничного моменту впливає на кінцевий вимикач. SQ5 який, спрацьовуючи, короткочасно розмикає свій контакт. Ланцюг котушки КМ2магнітного пускача розривається, та електропривод зупиняється. Для припинення дії помилково поданої команди, а також для

короткочасно зупинки засувки у проміжному положенні у схемі передбачається встановлення кнопки управління SB3 (Стоп).

Мал. 2.22. Принципова електрична схема керування

електроприводом засувки на напірному трубопроводі мережної води

При включенні магнітним пускачем електроприводу на відкриття засувки блокконтактом контактора КМ1розмикається ланцюг котушки контактора КМ2, і навпаки, тобто у схемі передбачено електричне блокування, що виключає можливість одночасного включення обох котушок реверсивного магнітного пускача. Сигнальні лампи HL1, HL2 і HL3 сигналізують відповідно повне відкриття, повне закриття запірного органу та спрацьовування муфти граничного моменту. Ключ SA, встановлений у ланцюгах сигнальних ламп HL1 і HL2 забезпечує експлуатацію щита автоматизації з нормально погашеними сигнальними лампами.

В автоматичному режимі відкриття та закриття засувки здійснюється контактами. К1реле дистанційного керування К1насоса мережної води (Див. рис. 2.27). При пуску електродвигуна насоса засувка відкривається та після його відключення закривається.

2.3.3. Електрична схема управління

циркуляційними насосами

Циркуляційні насоси встановлюють ЦТП для гарячого водопостачання. Вони підтримують необхідну температуру та тиск води біля водорозбірних точок.

Наприклад розглянемо електричну схему управління циркуляційними насосами (рис. 2.23), встановлюваними на ЦТП для циркуляції гарячої води контуру системи теплоспоживання (див. рис. 3.1-3.3 ).

Принцип роботи схеми. Перед включенням насосів у роботу подають напругу в силовий ланцюг та ланцюг управління насосними агрегатами автоматичними вимикачами QF1, QF2 і SF. Вибір робочого насоса здійснюється перемикачем SA. При виборі робочим насосом НЦ1перемикач SAвстановлюють у становище I. Подається напруга на котушку реле управління К1, яке спрацьовує і своїм замикаючим контактом К1(1-13) подає напругу на котушку магнітного пускача КМ1. Магнітний пускач спрацьовує і своїми силовими контактами КМ1включає електродвигун М1насосу НЦ1. Одночасно блок-контактом КМ1(1-21) подається напруга на сигнальну лампу HL1 «Нормальна робота насоса НЦ1».

Мал. 2.23. Принципова електрична схема керування

циркуляційними насосами

Е
якщо з якоїсь причини зупинився насос НЦ1, то спрацьовує реле перепаду тиску SPі своїм замикаючим контактом SP(1-25) подає напругу на котушку реле часу КТ, яке із затримкою часу замикає свій контакт КТ(1-27) та подає напругу на реле КАдля спрацьовування автоматичного включення резерву (АВР), що забезпечує автоматичне включення резервного насоса НЦ2. Це відбувається в такий спосіб. Реле КАспрацьовує і своїм контактом, що розмикає КА(3-5) знімає напругу з котушки реле управління К1, а замикаючим контактом КА(3-7) подає напругу на котушку проміжного реле К2. Реле К2спрацьовує та замикаючим контактом К2(1-17) подає напругу на котушку магнітного пускача КМ2, який силовими контактами КМ2включає в роботу електродвигун М2насосу НЦ2. Одночасно спалахує сигнальна лампа HL2 «Нормальна робота насоса НЦ2», включається дзвінок гучного бою НАі спалахує сигнальна лампа HL3 « АВРвключена». Замикаючим контактом КА(1-27) шунтується замикаючий контакт КТ. Сигналізацію можна вимкнути, натиснувши кнопку керування SB (27-29).

При виборі робочим насосом НЦ2перемикач SAвстановлюють у становище II. Тоді робітником буде насос НЦ2, а резервний насос НЦ1.

У схемі передбачені всі види захисту силового ланцюга та ланцюга управління. Максимальний захист здійснюється автоматичними вимикачами QF1, QF2 і SF, захист від перевантаження тепловими розчіплювачами автоматичних вимикачів QF1, QF2 та електротепловими реле КК1і КК2., нульовий захист магнітними пускачами. КМ1і КМ2.

Найбільш поширена схема дистанційного керування асинхронним двигуном із короткозамкненим ротором зображена на рис. 12.6.

Захист силових ланцюгів та двигуна від коротких замикань здійснюється плавкими запобіжниками П, захист двигуна від перегріву, викликаного перевантаженнями або іншими причинами, - тепловим реле РТ.Вмикання та відключення двигуна виробляються електромагнітним апаратом - контактором До.Для пуску та зупинки використано дві кнопки Пускі СтопВимикач Услужить для зняття напруги з установки після закінчення робочого дня або ремонту.

Розглянемо пристрій та принцип дії апаратів управління, використаних у цій схемі.

Контактор - силовий електротехнічний апарат, за допомогою якого здійснюються увімкнення та відключення силових ланцюгів двигунів, електричних печей та інших пристроїв.

У деяких випадках замість контактора використовують автомати або безконтактні системи включення на тиристорах.

Контактори бувають змінного та постійного струму.

На рис. 12.7 зображено триполюсний контактор змінного струму. Електромагнітна система контактора складається з котушки 1, нерухомого сердечника 2 і якоря 3, укріпленого на валику 4. Після включення котушки в мережу магнітний потік, створений змінним струмом котушки, притягує якір та повертає валик 4, на якому укріплені силові рухомі контакти 5. В результаті відбувається замикання силових рухомих. 5 та нерухомих 6 контактів. Крім силових контактів контактор має допоміжні замикаючі 8 та розмикаючі 7 контакти. Ці контакти замикаються та розмикаються пластинами 14, укріпленими на траверсах 9 , які у свою чергу укріплені на валику 4. При повороті валика контакти 8 замикаються, а контакти 7 розмикаються. Для зменшення втрат у сердечнику на вихрові струми сердечник та якір зібрані з окремих листів електротехнічної сталі.

Сила, з якою якір контактора притягується до осердя, пропорційна квадрату магнітного потоку: F~ Ф 2 а магнітний потік змінюється за синусоїдальним законом. З цього випливає, що сила тяжіння за один період змінного струму досягає двічі амплітудного та нульового значень, внаслідок чого виникає вібрація якоря та рухомих контактів. Для зменшення вібрацій, а також неприємного гудіння, що виникає при цьому, якір 3 забезпечується короткозамкненим витком 10, що охоплює частину його перерізу. Частина основного магнітного потоку пронизує короткозамкнутий виток і наводить у ньому ЕРС. ЕРС викликає струм, а струм - магнітний потік, зрушений фазою щодо основного потоку. Цей магнітний потік викликає силу, яка утримує якір у притягнутому стані, коли сила тяжіння від основного потоку дорівнює нулю.

Мал. 12.6. Схема дистанційного керування асинхронним двигуном із короткозамкненою обмоткою ротора

Після відключення котушки контактора якір під дією сили тяжіння рухомої системи повертається у вихідне положення та контакти розмикаються. Для прискорення гасіння дуги, що виникає при розмиканні контактів, і запобігання їх швидкому руйнуванню дугою контактор забезпечується дугогасною камерою 12, всередині якої розташовані металеві пластини 13. При розмиканні контактів електрична дуга, що виникла між ними, перекидається на металеві пластини; у момент, коли струм дуги дорівнює нулю, відбувається деіонізація проміжку між контактами (відновлення ізоляційних властивостей повітряного проміжку) та дуга гасне.

Підведення струму до рухомих контактів 5 здійснюється за допомогою гнучких провідників 11. Силові контакти контактора розраховані великі струми - від кількох десятків за кілька сотень ампер, допоміжні контакти - на струм 2 - 10 - 20 А.

Мал. 12.7. Пристрій контактора змінного струму

Принцип дії найпростішого теплового реле легко усвідомити з рис. 12.8, а. Реле складається з нагрівального елемента 1, який включається послідовно з статора обмоткою. Усередині нагрівального елемента розташована біметалічна пластина 2, що складається із двох пластин металу з різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення. При струмі, що перевищує номінальний струм двигуна, нагрівальний елемент настільки нагріває біметалічну пластину, що вона згинається і незакріплений її кінець піднімається вгору. Під дією пружини 3 важіль 4, втративши опору, повертається, внаслідок чого контакти 5 , включені в ланцюг котушки контактора, розмикаються. Для повернення реле у вихідне положення використовується штифт 6 . На рис. 12.8, бзображено пристрій кнопки із двома контакторами. У корпус 1, виготовлений з ізоляційного матеріалу, вмонтовані нерухомі контакти 2 і 3 . При натисканні на штифт 4 кнопки нерухомі контакти 2 замикаються, а контакти 3 розмикаються рухомим металевим місточком 5. Пружина 6 повертає кнопку у вихідне положення. У схемі управління (див. рис. 12.6) застосовані дві кнопки: Пускі Стоп.

Рис. 12.8. Влаштування теплового реле (а), кнопка з двома контактними елементами (б)

Після ознайомлення з пристроєм та принципом дії апаратів можна розглянути роботу схеми керування (див. рис. 12.6) при включенні та відключенні двигуна.

Однак, перш ніж розглядати роботу схеми, необхідно звернути увагу на таке.

Всі елементи апаратів мають встановлені ГОСТ графічні зображення та назви, найбільш поширені з яких наведені у табл. 12.2.

Всім елементам того самого апарату надають однакове буквене позначення.
Замикаючим контактом електромагнітного апарату називається такий контакт, який розімкнутий за відсутності струму в його котушці, а в апаратах, що не мають котушок (кнопкові станції, вимикачі колій тощо), - при відсутності зовнішнього впливу. Розмикаючий контакт за цих умов замкнутий.

При натисканні на кнопку Пусккотушка контактора Доотримує живлення, якір контактора притягується і в результаті силові контакти контактора замикаються та підключають двигун до мережі. Одночасно з цим замикається блокувальний контакт контактора та шунтує кнопку Пуск,що дозволяє відпустити кнопку, не перериваючи живлення котушки контактора. Для зупинки двигуна потрібно натиснути кнопку Стоп.При цьому ланцюг котушки контактора розмикається, якір контактора відпадає і його силові контакти розмикаються і відключають двигун від мережі. У разі перевантаження двигуна спрацьовує теплове реле та своїми контактами РТрозмикає ланцюг котушки контактора, що призводить до вимкнення двигуна.

Для керування силовим електрообладнанням в електричних ланцюгах використовують різноманітні пристрої дистанційного керування, захисту, телемеханіки та автоматики, що впливають на комутаційні апарати його включення та відключення чи регулювання.

На рис.5.4 наведено принципову схему управління асинхронним електродвигуном з короткозамкненим ротором. Дана схема широко використовується на практиці при керуванні приводами насосів, вентиляторів та багатьох інших.

Перед початком роботи включається автоматичний вимикач QF. При натисканні кнопки SВ2 вмикається пускач КМ та запускається двигун М. Для зупинки двигуна необхідно натиснути кнопку SВ1, при цьому відключаються пускач КМ та двигун М.

Рис.5.4. Схема включення асинхронного електродвигуна із короткозамкненим ротором

При перевантаженні електродвигуна М спрацьовує електротеплове реле КК, що розмикає контакти КК:1 ланцюга котушки КМ. Пускач КМ вимикається, двигун М зупиняється.

У випадку схеми управління можуть здійснювати гальмування електроприводу, його реверсування, змінювати частоту обертання тощо. У кожному даному випадку використовується своя схема управління.

У системах керування електроприводами широко використовуються блокувальні зв'язки. Блокування забезпечують фіксацію певного стану або положення робочих органів пристрою або елементів схеми. Блокування забезпечує надійність роботи приводу, безпеку обслуговування, необхідну послідовність увімкнення або відключення окремих механізмів, а також обмеження переміщення механізмів або виконавчих органів у межах робочої зони.

Розрізняють механічне та електричне блокування.

Прикладом найпростішого електричного блокування, що застосовується практично у всіх схемах управління, є блокування кнопки "Пуск" SB2 (рис. 5.4) контактом КМ2. Блокування цим контактом дозволяє після увімкнення двигуна кнопку SB2 відпустити, не перериваючи ланцюга живлення котушки магнітного пускача КМ, що йде через блокувальний контакт КМ2.

У схемах реверсування електродвигунів (при забезпеченні руху механізмів вперед-назад, вгору-вниз і т.д.), а також при гальмуванні застосовуються магнітні реверсивні пускачі. Реверсивний магнітний пускач складається із двох нереверсивних. При роботі реверсивного пускача необхідно унеможливити їх одночасно включення. Для цього у схемах передбачаються і електричне, і механічне блокування (рис. 5.5). Якщо реверсування двигуна виконується двома нереверсивними магнітними пускачами, роль електричної блокування грають контакти КМ1:3 і КМ2:3, а механічне блокування забезпечується кнопками SВ2 і SВ3, кожна з яких складається з двох контактів, пов'язаних між собою механічно. При цьому один із контактів-замикаючий, інший - розмикаючий (механічне блокування).

Схема працює в такий спосіб. Припустимо, що при включенні пускача КМ1 двигун М обертається за годинниковою стрілкою і проти годинникової - при включенні КМ2. При натисканні кнопки SВ3 спочатку розмикаючий контакт кнопки розірве ланцюг живлення пускача КМ2 і потім замикаючий контакт SВ3 замкне ланцюг котушки КМ1.

Рис.5.5. Механічна та електрична блокування при реверсуванні приводу

Пускач КМ1 включається, запускається з обертанням за годинниковою стрілкою двигун М. Контакт КМ1:3 розмикається, здійснюючи електричне блокування, тобто. поки включений КМ1, ланцюг живлення пускача КМ2 розімкнена і його не можна увімкнути. Для здійснення реверсу двигуна необхідно зупинити його кнопкою SВ1, а потім, натиснувши кнопку SВ2, запустити в зворотний бік. При натисканні SВ2 спочатку контактом SВ2 розривається ланцюг живлення котушки КМ1 і далі замикається ланцюг живлення котушки КМ2 (механічне блокування). Пускач КМ2 вмикається і реверсує двигун М. Контакт КМ2:3, розмикаючись, здійснює електричне блокування пускача КМ1.

Найчастіше реверсування двигуна виконується одним реверсивним магнітним пускачем. Такий пускач складається з двох простих пускачів, рухомі частини яких між собою механічно пов'язані за допомогою пристрою у вигляді коромисла. Такий пристрій називається механічним блокуванням, яке не дозволяє силовим контактом одного пускача КМ1 одночасно замикатися силовим контактам іншого пускача КМ2 (рис. 5.6).

Мал. 5.6. Механічна блокування «коромислом» рухомих частин двох пускачів єдиного реверсивного магнітного пускача

Електрична схема управління реверсом двигуна за допомогою двох найпростіших пускачів єдиного реверсивного магнітного пускача така сама, як і електрична схема управління реверсом двигуна з використанням двох нереверсивних магнітних пускачів (рис. 5.5), із застосуванням електричної схеми таких же електричних і механічних блокувань.

При автоматизації електроприводів потокових ліній, конвеєрів тощо. застосовується електричне блокування, яке забезпечує пуск електродвигунів лінії у певній послідовності (рис. 5.7). За такої схеми, наприклад, включення другого двигуна М2 (мал. 5.7) можливе тільки після включення першого двигуна М1, включення двигуна М3 після включення М2. Така черговість пуску забезпечується блокувальними контактами КМ1:3 та КМ2:3.

Рис.5.7. Схема послідовного вмикання двигунів

Приклад 5.1.Використовуючи електричну схему (рис. 5.4) управління асинхронним електродвигуном з короткозамкненим ротором, необхідно включити до цієї схеми додаткові контакти, що забезпечують автоматичну зупинку електродвигуна робочого механізму в одній і двох заданих точках.

Рішення. Вимога завдання забезпечити зупинку електродвигуна в одній заданій точці може бути виконано колійним вимикачем SQ1 з нормально закритим контактом, встановленим послідовно блок-контактом KM2, шунтуючим кнопку SB2. Для зупинки електродвигуна робочого механізму двох заданих точках послідовно з контактом колійного вимикача SQ1 розміщують контакт другого колійного вимикача SQ2. На рис. 5.8 наведено електричні схеми зупинки електродвигуна в одній та двох заданих точках. Після пуску двигуна механізм починає рухатися і при досягненні місця зупинки натискає на колійний вимикач, наприклад SQ1, і електродвигун зупиняється. Після виконання необхідної технологічної операції знову натискаємо кнопку SB2, і механізм продовжує рух до наступного вимикача SQ2, де технологічна операція закінчується.

Мал. 5.8 Наприклад 5.1

Приклад 5.2.В електричну схему (рис. 5.5) управління реверсом короткозамкнутого асинхронного двигуна за допомогою блокувальних зв'язків слід ввести елементи світлової сигналізації для контролю напрямку обертання двигуна.

Рішення. Схема світлової сигналізації контролю напрямку обертання двигуна при реверсі, суміщена зі схемою управління реверсом двигуна, наведено на рис. 5.9. При обертанні двигуна, наприклад вправо, горить лампа HL1, що включається контактом KM1.4 магнітного пускача KM1, лампа HL2 при цьому погашена, т.к. магнітний пускач KM2 не включено. При обертанні двигуна ліворуч горить лампа HL2, увімкнена контактом KM2.4 магнітного пускача KM2. Таким чином, лампа HL1 сигналізує про обертання двигуна вправо, а лампа HL2 - обертання двигуна вліво. В результаті блокування зв'язками світлова сигналізація забезпечує контроль над напрямом обертання двигуна при реверсі.

Мал. 5.9 Наприклад 5.2

Щоб забезпечити ефективний контроль використання пам'яті, ОС повинна виконувати такі функції:

• відображення адресного просторупроцесу на конкретні галузі фізичної пам'яті;
• розподіл пам'яті між конкуруючими процесами;
• контроль доступу до адресним просторампроцесів;
• вивантаження процесів (цілком або частково) у зовнішню пам'ять, коли в оперативної пам'ятінедостатньо місця;
• облік вільної та зайнятої пам'яті.

У наступних розділах лекції розглядається низка конкретних схем управління пам'яттю. Кожна схема включає певну ідеологію управління, а також алгоритми і структури даних і залежить від архітектурних особливостей використовуваної системи. Спочатку буде розглянуто найпростіші схеми. Домінуюча сьогодні схема віртуальної пам'яті буде описана в наступних лекціях.

Найпростіші схеми керування пам'яттю

Перші ОС застосовували дуже прості методи керування пам'яттю. Спочатку кожен процес користувача повинен був повністю поміститися в основній пам'яті, займати безперервну область пам'яті, а система приймала до обслуговування додаткові процеси користувача до тих пір, поки всі вони одночасно поміщалися в основній пам'яті. Потім з'явився " простий свопинг " (система як і розміщує кожен процес у основний пам'яті цілком, але іноді виходячи з деякого критерію цілком скидає образ деякого процесу з основний пам'яті у зовнішню і замінює їх у основний пам'яті образом іншого процесу). Такі схеми мають як історичну цінність. В даний час вони застосовуються в навчальних та науково-дослідних модельних ОС, а також в ОС для вбудованих (embedded) комп'ютерів.

Схема із фіксованими розділами

Найпростішим способом управління оперативною пам'яттює її попереднє (зазвичай на етапі генерації чи момент завантаження системи) розбиття на кілька розділів фіксованої величини. Процеси, що надходять, поміщаються в той чи інший розділ. При цьому відбувається умовне розбиття фізичного. адресного простору. Зв'язування логічних і фізичних адрес процесу відбувається на етапі його завантаження в конкретний розділ, іноді - на етапі компіляції.

Кожен розділ може мати свою чергу процесів, а може існувати й глобальна черга всім розділів (див. рис. 8.4).

Ця схема була реалізована в IBM OS/360 (MFT), DEC RSX-11 та ряді інших систем.

Підсистема управління пам'яттю оцінює розмір процесу, що надійшов, вибирає відповідний для нього розділ, здійснює завантаження процесу в цей розділ і налаштування адрес.

Мал. 8.4.

Очевидний недолік цієї схеми – кількість одночасно виконуваних процесів обмежена кількістю розділів.

Іншим істотним недоліком є ​​те, що пропонована схема сильно страждає від внутрішньої фрагментації- Втрати частини пам'яті, виділеної процесу, але не використовуваної ним. Фрагментація виникає тому, що процес не повністю займає виділений йому розділ або тому, що деякі розділи занадто малі для виконуваних програм користувача.

Один процес у пам'яті

Частковий випадок схеми з фіксованими розділами- Робота менеджера пам'яті однозадачної ОС. У пам'яті розміщується один користувальницький процес. Залишається визначити, де розташовується програма користувача по відношенню до ОС - у верхній частині пам'яті, в нижній або в середній. Причому частина ОС може бути ROM (наприклад, BIOS, драйвери пристроїв). Головний фактор, що впливає на це рішення, – розташування вектора переривань, який зазвичай локалізований у нижній частині пам'яті, тому ОС також розміщують у нижній. Прикладом такої організації може бути ОС MS-DOS.

Захист адресного просторуОС від програми користувача може бути організована за допомогою одного граничного регістру, що містить адресу кордону ОС.

Оверлейна структура

Оскільки розмір логічного адресного просторупроцесу може бути більшим, ніж розмір виділеного йому розділу (або більше, ніж розмір найбільшого розділу), іноді використовується техніка, яка називається оверлей (overlay) або організація структури з перекриттям. Основна ідея – пам'ятати лише ті інструкції програми, які потрібні в даний момент.

Потреба такого способу завантаження з'являється, якщо логічне адресний простірсистеми мало, наприклад, 1 Мбайт (MS-DOS) або навіть всього 64 Кбайта (PDP-11), а програма відносно велика. На сучасних 32-розрядних системах, де віртуальне адресний простірвимірюється гігабайтами, проблеми з нестачею пам'яті вирішуються іншими способами (див. розділ "Віртуальна пам'ять").

Коди гілок оверлейної структурипрограми знаходяться на диску як абсолютні образи пам'яті та зчитуються драйвером оверлеїв за потреби. Для опису оверлейної структуризазвичай використовується спеціальна нескладна мова (overlay description language). Сукупність файлів виконуваної програми доповнюється файлом (зазвичай з розширенням. odl), що описує дерево викликів усередині програми. Наприклад, наведеного на рис. 8.5 текст цього файлу може виглядати так:

Синтаксис файлу може розпізнаватись завантажувачем. Прив'язка до фізичної пам'ятівідбувається в момент чергового завантаження однієї з гілок програми.

Оверлеї можуть бути повністю реалізовані на рівні користувача в системах з простою файловою структурою. ОС у своїй лише робить трохи більше операцій вводу-вывода. Типове рішення - породження лінкером спеціальних команд, які включають завантажувач кожного разу, коли потрібно звернення до однієї з гілок програми, що перекриваються.

Ретельне проектування оверлейної структуризабирає багато часу і вимагає знання пристрою програми, її коду, даних та мови опису оверлейної структури. З цієї причини застосування оверлеїв обмежено комп'ютерами з невеликим логічним адресним простором. Як побачимо надалі, проблема оверлейних сегментів, контрольованих програмістом, відпадає завдяки появі систем віртуальної пам'яті.

Зауважимо, що можливість організації структур з перекриттями багато в чому обумовлена ​​властивістю локальності, яка дозволяє зберігати в пам'яті тільки ту інформацію, яка потрібна в конкретний момент обчислень.

Динамічний розподіл. Свопінг

Маючи справу з пакетними системами, можна обходитися фіксованими розділамиі не використовувати нічого складнішого. У системах з поділом часу можлива ситуація, коли пам'ять не в змозі містити всі процеси користувача. Доводиться вдаватися до свопінг (swapping) - переміщення процесів з головної пам'яті на диск і повністю. Часткове вивантаження процесів на диск здійснюється в системах зі сторінковою організацією (paging) і буде розглянуто нижче.

Вивантажений процес може бути повернутий у те саме адресний простірчи інше. Це обмеження диктується шляхом зв'язування. Для схеми зв'язування на етапі виконання можна завантажити процес до іншого місця пам'яті.

Свопінг не має безпосереднього відношення до управління пам'яттю, швидше він пов'язаний із підсистемою планування процесів. Очевидно, що свопінг збільшує час перемикання контексту. Час вивантаження може бути скорочений за рахунок організації спеціально відведеного простору на диску (розділ для свопінгу). Обмін із диском при цьому здійснюється блоками більшого розміру, тобто швидше, ніж через стандартну файлову систему. У багатьох версіях Unix свопінг починає працювати тільки тоді, коли виникає необхідність зниження завантаження системи.

Схема зі змінними розділами

В принципі, система свопінгу може базуватися на фіксованих розділах. Більш ефективною, однак, представляється схема динамічного розподілу або схема зі змінними розділами, яка може використовуватися і в тих випадках, коли всі процеси повністю містяться в пам'яті, тобто відсутність свопінгу. І тут спочатку вся пам'ять вільна і розділена заздалегідь розділи. Знову надходить завдання виділяється строго необхідну кількість пам'яті, не більше. Після розвантаження процесу пам'ять тимчасово звільняється. Через деякий час пам'ять являє собою змінну кількість розділів різного розміру (рис. 8.6). Сумежні вільні ділянки можуть бути об'єднані.

Моделювання показало, що частка корисної пам'яті в перших двох випадках більша, при цьому перший спосіб дещо швидше. Принагідно зауважимо, що перелічені стратегії широко застосовуються й іншими компонентами ОС, наприклад розміщення файлів на диску.

Типовий цикл роботи менеджера пам'яті полягає в аналізі запиту на виділення вільної ділянки (розділу), виборі його серед наявних відповідно до однієї зі стратегій (першого відповідного, найбільш відповідного і найменш відповідного), завантаження процесу у вибраний розділ та наступних змін таблиць вільних та зайнятих областей. Аналогічне коригування необхідне після завершення процесу. Зв'язування адресможе здійснюватися на етапах завантаження та виконання.

Цей метод більш гнучкий у порівнянні з методом фіксованих розділів, проте йому властива зовнішня фрагментація- Наявність великої кількості ділянок пам'яті, що не використовується, не виділеної жодному процесу. Вибір стратегії розміщенняпроцесу між першим відповідним і найбільш відповідним слабко впливає на величину фрагментації. Цікаво, що метод найбільш відповідного може бути найгіршим, оскільки він залишає безліч дрібних незайнятих блоків.

Статистичний аналіз показує, що зникає в середньому 1/3 пам'яті! Це відоме правило 50% (дві сусідні вільні ділянки на відміну від двох сусідніх процесів можуть бути об'єднані).

Одне з вирішення проблеми зовнішньої фрагментації– організувати стиск, тобто переміщення всіх зайнятих (вільних) ділянок у бік зростання (зменшення) адрес, так, щоб вся вільна пам'ять утворила безперервну область. Цей метод іноді називають схемою з розділами, що переміщуються. В ідеалі фрагментація після стиснення повинна бути відсутня. Стиснення, однак, є дорогою процедурою, алгоритм вибору оптимальної стратегії стиснення дуже важкий і, як правило, стиск здійснюється в комбінації з вивантаженням та завантаженням на інші адреси.