2.2. Основные структуры систем автоматизации

Анализ состава элементов САР показывает, что для автоматической системы характерно наличие замкнутого контура регулирования «объект регулирования – измерительное устройство – суммирующее устройство – регулирующее устройство – исполнительный механизм – регулирующий орган – объект регулирования».

Структура системы – совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, и путей передачи воздействия между ними. Структурная схема автоматической системы – графическое изображение структуры системы.

Структурная схема одноконтурной автоматической системы регулирования показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Одноконтурная автоматическая система регулирования:

1 – регулятор; 2 – обобщенный объект регулирования

Обозначения на рис. 2.1: ЗУ – задающее устройство; СУ – суммирующее устройство; РУ – регулирующее устройство; ИМ – исполнительный механизм; РО – регулирующий орган; ОР – объект регулирования; ИУ – измерительное устройство.

На рис. 2.1 в задающем устройстве ЗУ вырабатываются задающие воздействия g(t), которые поступают в суммирующее устройство СУ. В это устройство с противоположным знаком подается действительное значение х регулируемого параметра. Отклонение регулируемого значения от заданного [ = g(t) – x] поступает в регулирующее устройство (РУ) для формирования закона регулирования и воздействия через исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО) на объект регулирования (ОР) в сторону ликвидации отклонения регулируемой величины от заданного значения.

Если исполнительный механизм (ИМ) не является простым преобразующим усилительным элементом, а в динамическом отношении является более сложным звеном (интегрирующим, апериодическим и т.п.), то его динамические свойства при построении схем автоматизации технологическими процессами также используются при формировании закона регулирования,

Регулирующее устройство с исполнительным механизмом, задающий и суммирующий элементы образуют автоматический регулятор. Регулирующий орган, собственно объект регулирования и измерительное устройство образуют обобщенный объект регулирования. Таким образом, автоматическая система регулирования состоит из регулятора и объекта регулирования, взаимодействующих между собой по замкнутому контуру.

Контур регулирования имеет два канала: канал регулирования или управления от регулятора к объекту и канал главной отрицательной обратной связи от объекта к регулятору При отклонении значения регулируемой величины от заданного от регулятора по каналу до тех пор будут поступать регулирующие (управляющие) воздействия х_р на объект, пока по каналу главной отрицательной обратной связи не поступит сигнал, равный заданному значению регулируемой величины x = g(t). При этом на вход регулятора сигнал поступать не будет [ = g(t) – x = 0], регулирующее воздействие на объект прекратится, и регулирующий орган остановится в положении, при котором обеспечивается заданное значение регулируемой величины.

Так как в реальном объекте необходимо регулировать несколько величин, то он имеет несколько самостоятельных контуров автоматического регулирования и обобщенный объект в каждом контуре регулирования является динамической моделью части реального объекта.

При построении схем автоматического управления следует иметь в виду, что некоторые элементы контуров регулирования конструктивно и функционально могут быть объединены. Так, регулятор конструктивно может быть выполнен со встроенными задающими и суммирующими устройствами, исполнительный механизм и регулирующий орган конструктивно могут быть выполнен как единое устройство и т.д. Однако это не нарушает общего принципа построения.

Кроме основных контуров регулирования в системе могут быть вспомогательные контуры, предназначенные для улучшения качества регулирования.

Структурная схема, имеющая два дополнительных контура регулирования, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Многоконтурная автоматическая система регулирования

В систему введена дополнительная отрицательная обратная связь х_к.у по положению исполнительного механизма через корректирующее устройство КУ и дополнительная положительная обратная связь по промежуточной величине х_д объекта регулирования, имеющей связь с основной регулируемой величиной х. Промежуточная величина х_д измеряется дополнительным измерительным устройством ИУ_Д.

На рис. 2.1 и 2.2 показано, что основной контур образован элементами СУ, РУ, ИМ, РО, ОР, ИУ, СУ, а два дополнительных – соответственно СУ₁, РУ, ИМ, КУ, СУ₂ и СУ₁, РУ, ИМ, РО, ОР, ИУ_д, СУ₂, СУ₁,

Дополнительные отрицательные обратные связи суммируются в промежуточном суммирующем устройстве СУ₂, а их результирующая составляющая суммируется с ошибкой регулирования  по основному контуру в промежуточном суммирующем устройстве СУ₁. На вход регулирующего устройства РУ поступает воздействие ₁ =  – (x_к.у – x_д).

В автоматическую систему управления технологическими процессами кроме устройств автоматического регулирования входят устройства технологического контроля, защиты, блокировки и дистанционного управления отдельными исполнительными механизмами и регулирующими органами. Технологический контроль и дистанционное управление в этих системах в отличие от автоматических систем регулирования осуществляются по разомкнутым каналам.

Канал технологического контроля по исполнению аналогичен каналу главной обратной связи в автоматической системе регулирования.

Канал технологического контроля имеет первичное измерительное устройство, контролирующее параметр и преобразующее его в удобную для дистанционной передачи форму, линии связи (передачи сигнала) и вторичный показывающий, сигнализирующий или записывающий прибор или устройство.

Канал дистанционного управления имеет орган ручного включения (кнопку, ключ управления), линию связи (передачи команды включено – выключено), исполнительный механизм и регулирующий орган. По исполнению канал дистанционного управления аналогичен каналу регулирования автоматической системы регулирования. Отличие состоит только в том, что в автоматической системе регулирования командное воздействие на исполнительный механизм поступает от автоматического регулятора, а в системе дистанционного управления – при включении органа ручного управления оператором. Таким образом, канал дистанционного управления, и соответствующий канал технологического контроля образуют замкнутый контур управления только через человека-оператора.

Как правило, число каналов технологического контроля значительно больше числа каналов дистанционного управления, так как автоматическая система управления технологическими процессами имеет большее число параметров измерения, с помощью которых оператор корректирует уставки автоматических регуляторов, вводит в работу или останавливает агрегаты, осуществляет дистанционное управление исполнительными механизмами, обеспечивая, таким образом, оптимальный ход технологического процесса. Кроме того, с помощью определенного числа приборов измеряется и суммируется расход и производство вещества и энергии. Значительное место в устройстве автоматизации занимают технологическая и аварийная сигнализация и блокировки.