Курс лекций по дисциплине «Автоматика, автома- тизация и АСУТП» для студентов химико-

технологических специальностей

Автор доц. Кафедры АППиЭ Кобринец В.П.

Введение:

а). История развития и современное состояние автоматики

Автоматика – (от греческого слова автоматос) – самодвижущийся. Пер- вые сведения об автоматических устройствах появились во 2 в. н. э. В трудах Герона Александрийского, где описывались автоматы по открытию дверей храма, дозировки воды.

Промышленное внедрение автоматики связано с промышленным перево- ротом в Европе (регулятор уровня воды в котле паровой машины Ползунова, регулятор скорости паровой машины Уатта).

Основные этапы развития автоматики:

- появление электроавтоматики связано с изобретением Якби электродви- гателя постоянного тока, Шиллинга – электромагнитного реле, Доливо- Добровольского - асинхронного 3-х фазного двигателя.

- появление радиоэлектроники связано с открытием Яблочковым явления фотоэффекта и Поповым -радио.

- появление ЭВМ для управления технологическими процессами связано с трудами Н. Винера, который в 1946 г. опубликовал книгу «Кибернетика или контроль связи у животных и машин», в основу которой положена аналогия между процессами, происходящими в мозгу человека и в автоматическом уст- ройстве. Методы кибернетики включают теорию автоматического регулирова- ния, математического моделирования процессов и явлений, методы их оптими- зации применимы до настоящего времени.

Современный этап состояния автоматизации в области химической тех-

нологии включает:

-внедрение и эксплуатацию систем приборов, которые реализуют основ- ные функции автоматических систем.

-широкое внедрение микропроцессорных контроллеров, которые реали- зуют функции преобразователя сигнала в цифровые коды, логического управ- ления, которые легко адаптируется к изменению технологических процессов, т.к. является программируемыми устройствами.

-разработку и внедрение автоматических систем управления технологи- ческими процессами (АСУТП). Основой АСУТП является ЭВМ, который осу- ществляет сбор информации, ее обработку по соответствующим параметрам. Данная информация используется оператором для управления процессом, а также с помощью ЭВМ определяется оптимальный режим протекания химико- технологического процесса. Автоматизированный – это значит что в контуре есть оператор.

В настоящее время внедряются такие АСУТП, где используются инфор- мационный, управляющий режим (первый является предпочтительным).

б). Классификация автоматических систем

Механизация – замена ручного труда работой машин и механизмов. В

механизации процессами работы машин управляет человек.

Автоматизация – замена человеческой функции управления машинами, специальными техническими устройствами.

Совокупность технологического процесса с техническими средствами для его управления называется автоматизированной системой (АС).

По принципу действия и по назначению АС подразделяются на следую- щие типы:

- Дистанционное управление – со сравнительно небольшого расстояния (в пределах видимости). Например, управление конвейером. В условиях частич- ной автоматизации этот метод является основным. В условиях полной автома- тизации - дублирующий. Как правило, все АС дублируются ручным управлени- ем, и оно включается при отказе основной системы.

- Телеуправление – управление со сравнительно большого расстояния. При этом по 1 каналу связи нужно передать большое число команд из пульта

управления на объект управления. На пульте применяется специальное кодиро- вочное устройство, а на пульте- расшифровывающее устройство. Пример: на- сосная станция, тепловой пункт.

Автоматическое управление – управление с помощью технических средств без участия человека.

Схема соединения основных элементов данной автоматической системы приведена рисунке

ОУ  ИУ  УУ  КС

ОУ - объект управления

ИУ - исполнительное устройство УУ - управляющее устройство КС - командный сигнал

КС в УУ преобразуется в управляющее воздействие, которое поступает в

ИУ. Данное устройство воздействует на объект, изменяя режим его работы в соответствии с величиной КС.

Автоматический контроль – предназначен для автоматического измере- ния параметров процессов и аппаратов, для учета энергоресурсов и т.д.

Схема соединения элементов данной системы приведена на рисунке

_{ОУ Д ВП}

Д - датчик

ВП - вторичный прибор

Датчики воспринимают текущее значение технологического параметра и преобразовывает его в сигнал, удобный для дальнейшей его передачи и усиле- ния. Данный сигнал от Д поступает в ВП, в которой на диаграмме отражается величина данного технологического параметра. Шкала ВП градуируется в еди- ницах измеряемого параметра.

Автоматическое регулирование – обеспечивает поддержание на заданном уровне какого-либо параметра без участия человека и с помощью устройств ав- томатического регулятора.

ОР - объект регулирования

СУ - сравнивающее устройство

ЗУ - задающее устройство

ПР - преобразователь

УС - усилитель

УМ - исполнительный механизм

РО - регулирующий орган

Д воспринимает величину технологического параметра и преобразовыва- ет ее в электрический сигнал  _т соответствующий значению данного параметра.

^{ЗУ формирует электрический сигнал } _з

пропорционально заданному значению

_{технологического параметра в ОФ. Оба сигнала сравниваются в СУ и на выходе}

_{формируется сигнал }

_{равный разности сигналов}

^{  } _з

^{ } _т

_{ - рассогласование или ошибка регулирования.}

Она возникает, когда текущее значение параметра отличается от заданно- го его значения, согласно технологическому регламенту.

_{Цель работы данной системы - устранить}

_{ , чтобы в ОР поддержива-}

_{лось заданное значение параметра. }

_{преобразовывается в ПР по заданному}

_{закону регулирования, усиливается в УС и на выходе регулятора формируется}

_{регулируемое воздействие М функции от величины}

_{ .}

Сигнал пропорциональный М поступает в ИМ, который жестко связан

РО. Данный РО приводится в движение ИМ и изменяемый сигнал поступает в

ОР. Следовательно, изменяется значение регулирующей величины  _т

^{изменяться до тех пор пока } _т ^{= } _з ^.

и будет

Технологическая сигнализация подразделяется на следующие виды:

- аварийная – для извещении об аварии на объекте. Выполняется звуковой и световой сигнал. Звук вначале в виде сирены, далее свет указывающий

на конкретный аппарат.

- контрольная - извещает о состоянии объекта.

-предупредительная - предназначена для извещении персонала об пере- ключении оборудования

Автоматическая защита применяется для отключения оборудования, на- ходящегося в аварийной ситуации (защита от короткого замыкания).

Автоматическая блокировка - делится на 2 вида.

-аварийная - служит для отключения аппаратов, находящихся в техноло- гической цепи до аппаратов, находящихся в аварийной ситуации.

-запретно-разрешающая - предназначена для реализации сложных циклов оборудования по заданным режимам и не допускает вкл/откл персоналом само- стоятельно отдельных аппаратов, работающих по сложному циклу

1.Элементы автоматических устройств.

1.1 Функции и характеристики элементов автоматических устройств.

Каждая АС состоит из отдельных элементов, выполняющих определен- ную функцию. Каждый элемент воспринимает сигнал, поступающий от преды- дущих элементов осуществляют количественное и качественное преобразова- ние сигнала и передает его другому, т.е. каждый элемент является преобразова- телем некоторого входного сигнала У в выходной сигнал Х.

Схема данного элемента имеет следующий вид:

Осуществляется преобразование за счет Е входного сигнала. Пример:

термометр сопротивления, термопара и др.

Существуют элементы, на которые подается сигнал от дополнительных источников Е. Схема элементов имеет следующий вид.

Z - сигнал от элемента или пневматического устройства; X - управляет передачей E от Z к Y.

Пример: усилители, реле и т.д.

По назначению все элементы автоматический устройств делятся на сле- дующие виды:

- датчики

- реле

- усилители

- исполнительные механизмы

- автоматические регуляторы

- регулирующие органы (вентили, краны)

- элементы дистанционных передач (электрические и пневмотические преобразователи)

Основными характеристиками каждого элемента являются величины входного сигнала Х и выходного сигнала У. Y/X - статический передаточный коэффициент (S)

_S ^' _ ^y _{- динамический передаточный коэффициент}

^x

_{S } ^y _ ^x _{- относительный динамический передаточный коэффициент}

x y

_{S и S} ^'

_{называются по-разному: для датчиков это чувствительность, а для}

усилителей – коэффициент усиления.

_{При работе каждого элемента возникает погрешность, которая заключа-}

^{ется в отклонении фактического значения выходной величины Y}_ф

от его рас-

четного значения

^Y _р ^{. Эта погрешность связана с износом материала элемента, с}

отклонением U питающей сети от номинального, а также с изменением усло- вий окружающей среды.

_{Различают следующие виды погрешности:}

1. Абсолютная - это разность:

_y

y 

y _р  y_ф

2. Относительная ^{ }

_100%

^y _р

_y

3. Относительная приведенная

_{ }

^y_max

^{ 100%} _{- она называется еще и}

класс точности прибора, как правило он указывается на шкалах всех приборов.

1.2 Датчики, основные показатели и характеристики.

Датчик - устройство, осуществляющее функцию преобразования физиче- ской величины одного рода в физическую величину другого рода, удобную для передачи другим элементам и на усиление.

Основные характеристики:

1. Статическая характеристика y=f(x)

1 - линейная характеристика, поэтому чувствительность стоянной для всего диапазона х.

S  ^y x

будет по-

2 - нелинейная, поэтому чувствительность будет различной и зависит от крутизны данной характеристики.

Датчики, статическая характеристика которого непрерывна называются датчиками непрерывного действия или функциональными. Если статическая

_{характеристика описывается следующей функцией}

y  k  x _{, где k=const, то та-}

кой датчик называется линейным. Если статическая характеристика датчика имеет разрывный характер вида y=0 при 0<x<a, y=y1 при x>a, то датчик называ- ется релейным.

1 - Динамическая характеристика - зависимость y от времени при скачко- образном изменении входной величины x.

y=f(t) при x=const

1 – экспоненциальные.

2 - колебательный затухающий процесс.

По виду выходной величины сигнала у датчики делятся на:

- омические

- термоэлектрические

- емкостные

- индуктивные

- трансформаторные

По измеряемым технологическим параметрам:

- температуры

- давления

- расхода

- уровня

- плотности

- влажности и т.д.