Введение

Предполагается, что читатель перед прочтением данного пособия уже освоил:

• автоматизированный электропривод (его возможности, в том числе полосу пропускания различных электроприводов);

• элементную базу систем автоматизации – интегральные операционные усилители и практические схемы на их основе, интегральные дискретные элементы (логика, триггеры, счетчики, сумматоры, регистры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, шинные усилители, цифровые компараторы, элементы памяти и т.д.);

• элементы автоматики (реле, контакторы, датчики, счетчики и расходомеры энергии и т.д.);

• микропроцессорные устройства;

• основы программирования;

• основы технологических процессов и производств.

Предполагается, что материал в абзацах, напечатанных мелким шрифтом, читатель уже изучил или этот материал имеет описательный, общий познавательный характер.

1. Эффективность автоматизации. Надежность

1.1. Необходимость автоматизации

Необходимость автоматизации обусловлена следующими причинами:

• стремление повысить производительность труда, интенсивность работы при стабильности и надежности функционирования оборудования;

• более совершенный технологический процесс невозможен без автоматического управления (обычно при переходе от периодических процессов к непрерывным);

• стремление уменьшить затраты на вспомогательные производства, удельный вес которых по капитальным затратам до 50 %, по трудовым – до 70 %, освободиться от физического, монотонного, малоквалифицированного труда;

• необходимость упорядочения получения и переработки информации и использование ее для управления всеми производственными процессами.

Процесс отдаления человека от непосредственного воздействия на органы управления и расширения функций автоматических устройств продолжается и становится главным направлением развития всей техники.

Необходимость передачи автоматическим устройствам функций управления дикту­ется значительным усложнением процессов, повышением требований к точности, необ­ходимостью экономии энергоресурсов, быстротой протекания процессов и т.п. Количест­во информации, которое необходимо переработать человеку в единицу времени, чтобы управлять, оказывается столь большим, что он не успевает следить за им же созданными агрегатами и процессами. Устранение этой трудности путем простого увеличения обслуживающего персонала невозможно. Кроме того, часто сам характер процесса (как в слу­чае контроля параметров безопасности газифицированного агрегата) требует автомати­зации.

Разрешить указанные трудности можно, переложив с человека на автоматику не только простые, но и сложные функции регулирования. Тогда появляется реальная возможность не только автоматически управлять отдельными агрегатами и процессами (что характерно для частичной автоматизации), не только осуществлять комплексную автома­тизацию, при которой создается взаимосвязанная система операций с объединением в единый комплекс процессов и агрегатов в масштабе котельных, цехов, заводов, но и пе­реходить к полной автоматизации, когда обеспечивается как автоматизация всех основ­ных и вспомогательных участков, процессов и агрегатов производства, так и автоматиза­ция информационных процессов (получение, передача, хранение и обработка информации) посредством автоматизированных систем управления (АСУ) с применением средств вычислительной техники, с сокращением (или полным выводом) обслуживающего персонала и сведением его функций к наблюдению за работой оборудования и устранению возникающих неполадок.

В общем случае процесс управления состоит из следующих основных элементов: получение информации о задачах управления; получение информации о результатах управления (т.е. о поведении объекта); анализ полученной информации и выработка ре­шения; исполнение решения (т.е. осуществление управляющих воздействий).

На каждый объект оказывает влияние бесчисленное множество внешних воздейст­вий, но из них отбирают лишь те, которые в условиях решаемой задачи существенно влияют на состояние объекта. Эти внешние воздействия называют входными величинами (входными воздействиями или переменными). Для решения задач управления важно различать два типа входных величин: управляющие и возмущающие.

К управляющим относятся такие величины, значениями которых можно распоряжаться при управлении объектом и которые можно изменять для осуществления цели управления. К возмущающим относятся остальные существенные воздействия на объект.

Воздействия объекта на окружающую среду характеризуются значениями выходных величин, совокупность которых определяет состояние объекта, так как именно они позволяют оценивать соответствие изменений в объекте целям управления.

Изменение входных величин, как правило, вызывает изменение выходных величин. Однако изменения на выходе объекта не всегда проявляются сразу, они могут иногда запаздывать, но никогда не могут опережать изменения входных величин, так как входные величины – причина, а выходные – следствие управления.

Целесообразно заметить, что возмущающие воздействия, влияющие на объект, могут иметь не только внешнее происхождение, но и проявляться внутри объекта как результат изменения свойств его элементов после длительной работы и вообще при нарушении нормального функционирования этих элементов.

Управляемый объект и присоединенное к нему устройство, воздействующее на объект с целью обеспечения требуемого режима работы и называемое управляющим устройством, в совокупности образуют систему управления.

В зависимости от выполняемых автоматическими устройствами функций различа­ют следующие основные виды автоматизации: измерения и контроль, сигнализацию, защиту, управление, регулирование.

Автоматические измерения и контроль позволяют при помощи контрольно-измерительных приборов непрерывно или дискретно (периодически) контролировать ко­личественные и качественные показатели технологического процесса, передавать данные на пульты диспет­чера или оператора и в случае необходимости регистрировать измеряемые параметры.

Необходимость в автоматическом контроле возникает всегда, когда операция кон­троля вследствие своей сложности требует от оператора много времени, или когда тре­буется высокая точность контроля, или когда контролируемая величина изменяется с та­кой скоростью, что превышает возможности человека, или когда человек не в состоянии следить за контролируемой величиной из-за ее недоступности, специфики протекающего процесса, опасности и т.п.

Обычно различают два вида контроля: контроль предельных положений и непре­рывный контроль. При контроле предельных положений контролируются только границы изменяющегося параметра, например включенное или выключенное положение машины, начало или окончание какого-либо процесса, предельные нижний или верхний уровни во­ды.

При непрерывном контроле происходит непрерывное или повторяющееся через определенные промежутки времени контролирование и измерение процессов и операций.

Автоматический контроль и измерения не только имеют большое самостоятельное значение, но и являются основой всех других, в том числе самых сложных, видов автома­тизации.

Автоматическая сигнализация предназначена для передачи командных, инфор­мационных и контрольных сигналов оператору или диспетчеру. Зачастую автоматическую сигнализацию трудно отделить от других видов автоматизации, тем не менее она имеет и самостоятельное применение в виде:

• предупредительной (сигнализация момента пуска агрегата, начала технологического процесса и т.п.);

• исполнительной (контроль выполнения распоряжения обслуживающего персонала, например загорание сигнальной лампы «Отсечка»);

• аварийной (извещение обслуживающего персонала о нарушении производственного процесса).

Автоматическая защита предназначена для предотвращения повреждений оборудования при возникновении аварийных режимов работы. Устройства автоматической защиты либо прекращают контролируемый процесс при возникновении ненормальных режимов, либо обеспечивают другие меры ликвидации опасности.

Существует два вида автоматической защиты – это защита, основанная на непосредственном контроле параметров процесса (температуры, давления, уровня и пр.), и защита, основанная на контроле работы агрегатов и их узлов по нагрузке электрической сети или приводных электродвигателей (защита от коротких замыканий и перегрузок, тепловая защита от перегрева, защита непрерывности заземления и т.д.), когда используются различные реле: максимального тока, тепловые, минимального тока, утечки и т.п.

Автоматическая защита, контроль и сигнализация обычно сопутствуют друг другу: часто сначала дается сигнал о существенном отклонении контролируемого параметра от заданного значения, а затем, когда отклонение превысит допустимый уровень, срабатывает автоматика безопасности и выдается соот­ветствующий сигнал.

Особый вид автоматической защиты – автоблокировка, устройства которой не допускают неправильных включений и выключений оборудования, предотвращая повреж­дения и аварии.

Автоматическое управление служит для автоматического пуска и останова раз­личных двигателей и приводов, запуска в работу и останова отдельных узлов оборудова­ния и агрегатов в целом. По способу посылки импульса на включение или останов уст­ройства автоматического управления делят на полуавтоматические и автоматические. В первом случае устройство приводится в действие нажатием кнопки или поворотом руко­ятки оператором с пульта управления (дистанционное управление) или непосредственно у агрегата (местное управление). Во втором случае импульсы посылаются датчиками, контролирующими режим работы (например, автоматическое включение подпиточного насоса котельной при утечке воды из системы отопления).

Автоматическое регулирование предназначено для поддержания без участия человека в течение определенного промежутка времени с требуемой точностью заданных режимов технологического процесса.

Автоматическое регулирование – частный случай автоматического управления, заключающегося в поддержании заданного состояния технологического процесса (необходимых режимов агрегатов) или обеспечении хода этого процесса по заданному заранее или задаваемому в зависимости от каких-либо условий закону.

В системах автоматического регулирования (САР) как совокупности объекта и управляющего устройства последнее называется регулятором, объект – регулируемым объектом, выходная величина – регулируемой величиной или регулируемым параметром.

По функциональной зависимости заданного закона воспроизведения регулируемой величины от входного сигнала, от времени или от других параметров, т.е. в зависимости от выполняемых задач, САР делятся на системы: стабилизации, программного регулиро­вания, следящие, оптимального регулирования.

При выполнении задачи стабилизации система регулирования должна поддерживать регулируемую величину вблизи некоторых неизменных значений, несмотря на действие возмущений. Устанавливаемое с помощью задающего устройства предписанное значение регулируемой величины для такого типа регуляторов остается постоянным.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения ре­гулируемых параметров изменяются во времени заранее известным образом. Поскольку закон изменения регулируемого параметра заранее известен, то информация о нем может быть зафиксирована в каком-либо запоминающем задающем устройстве, присоеди­няемом к регулятору. Если изменение заданных значений регулируемых параметров не известно и они должны меняться в зависимости от значения других величин, возникает задача слежения (например, регулирование подачи воздуха к дутьевым горелкам в зависимости от количества подаваемого топлива). В регуляторе следящей системы для формирования управляющего воздействия используется информация о значении величины, за которой необходимо следить, и информация о состоянии регулируемого объекта, передаваемая по каналу обратной связи.

При стремлении оптимизировать работу регулируемой системы необходимо располагать какой-то мерой, пригодной для того, чтобы сравнивать различные варианты и выделять из них лучшие. Такая мера – величина, характеризующая эффективность управления, называется критерием эффективности. Под системой оптимального регулирования понимают систему с такой совокупностью управляющих воздействий, которая с учетом наложенных на систему ограничений обеспечивает наивыгоднейшее значение критерия эффективности.

Важным классификационным признаком систем регулирования является источник энергии, за счет которой осуществляется перемещение регулирующего органа. Регуляторы, работающие без использования постороннего источника энергии, т.е. перемещаю­щие регулирующий орган с помощью энергии, развиваемой непосредственно измерительным устройством, называются регуляторами прямого действия.

Таким образом, при автоматизации решаются следующие задачи:

1. Задачи регулирования параметров путем решения разностных уравнении, эквивалентных, например, П-, ПИ- и ПИД-алгоритмам в аналоговой технике, и разностных уравнений более высокого порядка, реализация операций канала регулирования, программного управления заданиями регуляторов, синтеза алгоритмов регулирования и т.п.

2. Задачи логического управления путем реализации однотактных (комбинационных) схем при пуске, останове и блокировке работы оборудования с непрерывными процессами, реализации многотактных последовательных схем (конечных автоматов с памятью) при управлении циклическими процессами, обладающими множеством режимов управления (состояний автомата).

3. Задачи анализа динамики объектов и адаптивного управления, сводящиеся к идентификации модели объекта в форме разностных или дифференциальных уравнений при проведении активного или пассивного эксперимента на объекте; синтеза закона регулирования и регулирования по этому закону в каждом или выбранном такте измерения.

4. Задачи контроля, сводящиеся к вводу и выводу данных, линейным и нелинейным преобразованиям переменных процессов, сигнализации, индикации и регистрации данных.