Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

А.Н. Лыков автоматизация технологических процессов и производств

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 62-52

Л88

Рецензенты:

зав. кафедрой «Информационные технологии и автоматизированные системы» Пермского государственного технического университета

д-р экон. наук, проф. Р.А. Файзрахманов;

начальник отдела электропривода ООО «Тяжпромэлектропроект» канд. техн. наук, доц. Г.А. Сторожев

Лыков, А.Н.

Л88   Автоматизация технологических процессов и производств: учеб. пособие / А.Н. Лыков. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 423 с.

ISBN 978-5-398-00116-7

Излагаются основы автоматизации технологических процессов и производств. Рассмотрены социально-экономические предпосылки, история и тенденции развития систем автоматизации, информационные потоки, формы и преобразователи информации. Более подробно рассмотрены системы автоматизации в отраслях, превалирующих в Пермском крае, – машиностроении (аппаратное и программное построение систем с ЧПУ) и энергетике (автоматизированные системы учета и контроля энергоресурсов, котельные установки, турбомеханизмы).

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 220300 «Автоматизированные технологии и производства», 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Может быть полезно также для преподавателей и инженеров, работающих в области автоматизации отраслей машиностроения и энергетики.

УДК 62-52

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

ISBN 978-5-398-00116-7 © ГОУ ВПО

«Пермский государственный

технический университет», 2008

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ. НАДЕЖНОСТЬ 7

1.1. Необходимость автоматизации 7

1.2. Факторы, влияющие на эффективность автоматизации 13

1.3. Показатели социально-экономической эффективности 14

1.4. «Подводные камни» при автоматизации 15

1.5. Качество с позиций надежности 17

1.6. Проблемы с надежностью в России 18

2. Автоматизация в машиностроении, системы ЧПУ 21

2.1. Системы автоматизации в машиностроении 21

2.2. История развития СЧПУ (до 1990 года) 24

2.3. Классификация существующих СЧПУ 27

2.4. Промышленные роботы 29

2.4.1. Промышленные роботы (история начального развития) 29

2.4.2. Необходимость роботов 30

2.4.3. Сферы применения роботов 30

2.4.4. Примеры применения роботов 31

2.5. Словарь терминов и определений в СЧПУ 32

3. Информация в системах автоматизации 34

3.1. Точность информации 34

3.2. Дискретизация по уровню и по времени непрерывного сигнала 36

3.3. Аппаратные информационные уровни 38

3.4. Преобразователи информации 38

3.5. Уровни управления в системах автоматизации 39

3.6. Тенденции в построении производственных систем 40

3.7. Фазы информационных преобразований для станка с СЧПУ 43

3.8. Стандартизация и унификация средств автоматизации 44

4. Кодирование информации 46

4.1. Буквенные коды 46

4.2. Буквенно-цифровые коды 48

4.3. Цифровые коды 51

5. Интегральные преобразователи информации 55

5.1. Интегральные догические микросхемы 55

5.2. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 57

5.3. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 60

5.4. Цифроаналоговый процессор КМ1813ВЕ1 65

6. Преобразователи информации 67

6.1. Преобразователь «частота – напряжение» 67

6.2. Преобразователь «частота – код» 69

6.3. Преобразователь «код – частота» 70

6.4. Преобразователь «унитарный код – фаза» 73

6.5. Преобразователь «фаза – код» 74

6.6. Преобразователь «фаза – напряжение» 74

6.7. Узлы гальванической развязки в системах автоматизации 76

7. Управляющие программы СЧПУ 80

7.1. Структура управляющих программ для станков с ЧПУ 80

7.2. Значения символов адресов 81

7.3. Формат кадра УЧПУ 82

7.4. Повышение языкового уровня управляющих программ 89

8. САП станков и роботов 91

8.1. Подготовка управляющей программы (УП) 91

8.2. Системы автоматизированного программирования УП 92

8.3. Системы CAD/CAM 101

8.3.1. Система AutoCAD 104

8.3.2. Система bCAD 105

8.3.3. Система ГеММА-3D при производстве технологической оснастки на оборудовании с ЧПУ 110

8.3.4. Продукты ADEM CAD/CAM 111

8.3.5. ГРАФИКА-81 113

8.3.6. БАЗИС 3.5 116

8.3.7. SOLID EDGE 120

9. Интерполяция. АППАРАТНЫЕ СТОЙКИ ЧПУ 125

9.1. Траектории движения 125

9.2. Основные задачи при интерполяции 126

9.3. Математическое решение уравнений движения 127

9.4. Реализация интегрирования в СЧПУ 128

9.5. СЧПУ «Контур-2ПТ» 130

9.6. СЧПУ «Н22» 130

9.7. СЧПУ «Н33» 133

9.8. Блок задания скорости (БЗС) аппаратной стойки ЧПУ 133

10. Системы связи СЧПУ со станком 139

10.1. Позиционные кодовые СЧПУ 139

10.2. Позиционная счетно-импульсная СЧПУ 140

10.3. Контурные СЧПУ 140

10.4. Частичная инвариантность по управлению 141

10.5. Первые поколения контурных СЧПУ .144

10.6. Фазовый индикаторный и разностный режимы работы устройства связи с электроприводом 144

10.7. Расчетные соотношения для фазовых систем 146

10.8. Микропроцессорные стойки ЧПУ 148

11. Микропроцессорные СЧПУ и тенденции развития 150

11.1. Архитектура и возможности микропроцессорных систем управления типа СNС до 1990 года (однопроцессорные МПС КМ85, 2Р-32М, 2С42-45, многопроцессорные МПС Нейрон И3, МС2101, 3С150, S8600) 150

11.2. Новые системы ЧПУ 160

11.2.1. Архитектура открытой системы ЧПУ 160

11.2.2. Открытое ядро ЧПУ 162

11.2.3. Системы ЧПУ с web-доступом 164

11.2.4. Система понятий стандарта ISO 14649 166

11.2.5. ЧПУ, воспринимающие стандарт STEP-NC 168

11.2.6. Среда разработки управляющих программ для систем ЧПУ

AdvancEd 169

11.3. Примеры интеллектуальных СЧПУ последнего поколения 186

12. АСУ ТП 188

12.1. Примеры АСУ ТП, в том числе на предприятиях в Пермском крае (ELMATIC-100, DIMATIC XP, Проконтроль К и Проконтроль П, ТДС 3000, MICON МДС-100 и МДС-200, Квинт, FISHER – ROSENMAUT SYSTEM FOXBORO-ECKART и др.) 189

12.2. ЛВС: доступ к каналу, способы кодирования, типы сообщений, сетевые системы 210

13. Автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ) 220

13.1 Требования к автоматизированным системам контроля и учета энергоресурсов 220

13.2 Уровни АСКУЭ 226

13.3 Коммерческие и технические АСКУЭ 228

13.4 Первичные измерительные приборы 230

13.5 Первые российские АСКУЭ 231

13.6 Современные АСКУЭ 237

13.7 АСКУЭ бытовых потребителей 242

13.8. Энергосбережение и АСКУЭ 258

14. Автоматизация котельных 266

14.1. Описание и классификация котельных установок 266

14.2. Котельная как объект регулирования 274

14.3. Регулирование нагрузки котла 282

14.4. Регулирование уровня воды в барабане котла 286

14.5. Регулирование температуры перегретого пара 293

14.6. Управление вентилятором 294

14.7. Управление дымососом 300

14.8. Система управления шиберами 308

14.9. Автоматика безопасности котельной 309

14.10. Определение параметров объекта регулирования, регуляторов и настройка АСР 319

15. Автоматизация турбомеханизмов и энергосбережение 347

15.1. Характеристика турбомеханизмов 347

15.2. Расчет мощности на валу турбомеханизма 348

15.3. Регулирование производительности турбомеханизмов 352

15.4. Особенности регулирования скорости турбомеханизмов 359

15.5. Расчет экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода 364

Список литературы 368

Приложение 372

Список сокращений 421