АХ Староверов

основы

АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ Староверов Анатолий Георгиевич

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

Настоящий учебник написан в соответствии с программой курса «Основы автоматизации производства» для учащихся сред­них специальных учебных заведений, что обусловило некоторую специфичность изложения материала. Так, для иллюстрации об­ласти применения измерительных приборов, регуляторов, систем управления приводятся несколько примеров, каждый для своей специальности. Структурно излагаемый материал делится на пять разделов.

В первом разделе рассмотрены элементы автоматики, т. е. сведения о первичных преобразователях, усилителях и стабили­заторах, задающих и исполнительных устройствах.

Во втором разделе приведены данные о контроле и измери­тельных приборах, используемых для измерения различных ве­личин, характеризующих технологические процессы.

В третьем разделе изложены основы автоматического управле­ния контроля и регулирования. Описываются типы, конструкции и характеристики промышленных регуляторов.

Четвертый раздел посвящен общим характеристикам микро­процессорных систем и их применению для управления производ­ственными процессами.

В пятом разделе изложены основные сведения о конструкциях промышленных роботов и областях их применения.

К основным задачам развития народного хозяйства страны относятся всемерное ускорение темпов комплексной автоматиза­ции производственных процессов во всех отраслях народного хозяйства, особенно механизации и автоматизации вспомогатель­ных работ, и существенное сокращение доли ручного труда. Для выполнения этих задач, поставленных XXVII съездом КПСС, важное значение имеет широкое применение микропроцессорной техники и промышленных роботов, позволяющих внедрять авто­матизированные системы управления, механизировать трудоемкие, тяжелые и опасные для здоровья человека работы, увеличивать производительность труда, улучшать качество продукции и сни­жать ее себестоимость. Здесь под управлением понимается опре­деленная совокупность операций, необходимых для пуска и оста­нова какого-либо агрегата или устройства, а также для поддер­жания или изменения величин, характеризующих протекающий на нем технологический процесс. При наиболее простых целях управления (например, поддержания температуры в рабочем пространстве печи) процесс управления называют регулирова­нием.

В настоящее время под термином «автоматизация» понимается применение и внедрение автоматических устройств, приводящие к освобождению человека от непосредственного участия в техно­логических процессах. Теоретическую и научную базу автома­тизации составляет целая область знаний — автоматика. Этим же словом обозначается определенная совокупность механизмов и устройств, действующих автоматически.

ВВЕДЕНИЕ

В современной автоматизации слились достижения различных областей знаний — математики и электроники, физики и химии, кибернетики и бионики. Влияние автоматизации распростра­няется даже на область психологии и философии.

Автомат (в переводе с греческого — самодействующий) — устройство (машина, аппарат, прибор, приспособление), позво­ляющее осуществлять производственный процесс без непосред­ственного участия человека и лишь под его контролем.

Практическое воплощение идеи автоматизации не было в ходе истории прямым: оно шло, то замедляясь, то приобретая бурный темп. Могучим толчком к развитию автоматики было изобретение часов. На базе часовых механизмов были созданы многие сотни и тысячи автоматов-игрушек в виде фигур людей, богов, живот­ных, имитировавших движения, забавлявших своих владельцев, поражавших взоры современников. Но значение часов, их влия­ние на жизнь человечества гораздо шире и сложнее.

В развитие автоматики и вычислительной техники вложен труд многих отечественных и зарубежных ученых.

С именем великого мыслителя М. В. Ломоносова связано на­чало развития приборостроения. Он вместе с академиком Г. В. Рих- маном впервые в мире построил электрический измерительный прибор со шкалой. М. В. Ломоносов доказал, что «электричество взвешено быть может».

Автоматический регулятор, принцип которого лежит в основе всех современных регуляторов, был разработан и испытан в 1765 г. И. И. Ползуновым за 20 лет до изобретения регулятора Уатта. В регуляторе Ползунова, правда в несовершенном виде, был заложен принцип прямой и обратной связи.

Академик Б. С. Якоби создал электродвигатель (1834 г.) и синхронную передачу. В 1850 г. Э. X. Ленц разработал осцилло­граф. Изобретатель А. П. Давыдов в 1865 г. создал следящий привод. В 1874 г. В. Н. Чиколевым был разработан электриче­ский регулятор со следящей системой. Профессор Петербургского технологического института И. А. Вышнеградский в 1877 г. заложил основы теории автоматического регулирования.

Дальнейшее развитие теория автоматического регулирования получила в работах А. М. Ляпунова и, особенно, в трудах отца русской авиации проф. Н. Е. Жуковского.

После Великой Октябрьской социалистической революции большой вклад в развитие теории автоматического регулирования сделали советские ученые член-корреспондент АН СССР И. Н. Воз­несенский, академики Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронов, В. А. Котельников.

В настоящее время советские ученые занимают ведущее поло­жение в разработке теории автоматического управления.

Огромный скачок в развитии автоматического управления был совершен, когда в системы автоматического регулирования стали включаться быстродействующие электронные вычислительные ма­шины. Развитие вычислительной техники сделало возможным создание больших автоматических систем управления сложными производственными процессами и целыми отраслями промыш­ленности.

Большой вклад в дело создания приборов и машин, связанных с развитием счетно-решающей техники, внесли русские ученые и инженеры. Описание приборов, относящихся к классу счетчи­ков, даны еще М. В. Ломоносовым в работе «Оптические и хими­ческие записки».

В XVII в. Б. Паскаль создал машину, выполняющую арифме­тические операции над числами и получившую большую извест­ность во многих странах, но наладить в то время массовое произ­водство счетных машин было невозможно.

В 1819 г. Ч. Бэббедж приступил к изготовлению разностной машины для расчета астрономических и морских таблиц. Из-за финансовых и технических трудностей проект этой машины не был осуществлен. Однако машина Ч. Бэббеджа послужила прообра­зом универсальных вычислительных машин.

В 1854 г. П. А. Зарубин изобрел ручной планиметр, являю­щийся по существу интегратором. Академик П. Л. Чебышев в 1883 г. создал счетную машину, выполняющую операции сло­жения, вычитания, умножения и деления. В 1874 г. русский ин­женер В. Т. Однер сконструировал механический арифмометр, который завоевал большую популярность.

Академик А. Н. Крылов основал теорию решения машинным способом сложных дифференциальных уравнений.

В конце XIX в., когда в технике начали использовать элек­тричество, американский ученый Г. Холлерит предложил в ка­честве носителя информации при машинной обработке статисти­ческих данных использовать перфокарты. Этот ученый явился родоначальником машин, которые сейчас носят название счетно­перфорационных .

Счетно-аналитические машины непрерывно совершенствова­лись: в 1913 г. бьу! создан табулятор, печатающий результаты; в 1921 г. к табулятору была прибавлена коммутационная форма, на которой могла храниться своеобразная программа обработки данных.

В середине 30-х годов нашего столетия счетно-аналитические машины начали использоваться для выполнения научно-техниче- ских расчетов. Инициатором этого направления был англичанин Дж. Комри, создавший разностную машину на электромеханиче­ской основе по идеям Ч. Бэббеджа.

В начале 40-х годов американский ученый Шеннон и совет­ский физик В. И. Шестаков независимо друг от друга предложили применение аппарата математической логики к анализу и синтезу релейных схем.

Первые электронные вычислительные машины были построены на электронных лампах. Они имели низкую надежность и боль­шие габаритные размеры.

Развитие полупроводниковой техники и серийного производ­ства полупроводниковых приборов позволило приступить к раз­работке ЭВМ второго поколения. В этих машинах использовались полупроводниковые приборы и малогабаритные радиодетали, а со­единение элементов между собой осуществлялось методом печат­ного монтажа. Высокая надежность, сравнительно малые размеры элементов дали возможность разработать специализированные ЭВМ, включаемые в системы автоматического управления.

Дальнейшее развитие технологии изготовления радиоэлемен­тов привело к созданию микроэлектронных вычислительных ма­шин и устройств автоматики. Эти машины получили название машин третьего поколения* По сравнению с машинами второго поколения они имеют меньшие габаритные размеры и потребляе­мую мощность и более высокие надежность и быстродействие. Автоматизация производства интегральных схем, использование многослойного печатного монтажа снизили в целом стоимость ЭВМ, позволили шире применять их в системах автоматики.

В настоящее время без применения ЭВМ, микропроцессорной техники не мыслится современное производство.

Анализируя тенденции развития автоматизации производствен­ных процессов, можно отметить три основных ступени, на кото­рых решались различные по своей сложности задачи.

На первой ступени автоматизации рабочего цикла основное внимание уделялось созданию автоматов и полуавтоматов, кото­рое явилось неизбежным следствием развития и совершенствова­ния конструкции рабочих машин. На этой ступени автоматизация технологических процессов охватывает лишь отдельные операции обработки, а сборку, контроль и упаковку готовой продукции проводят вручную или с применением средств механизации.

Второй ступенью автоматизации является создание автомати­ческих машин (автоматических линий), объединяющих выполне­ние разнообразных операций обработки, контроля, сборки, упа­ковки и т. д. Автоматической линией называется автоматическая система машин, расположенных в технологической последователь­ности, объединенных средствами транспортировки, управления, автоматически выполняющих весь комплекс операций, кроме наладки.

Третьей ступенью автоматизации является комплексная авто­матизация производственных процессов — создание автоматиче­ских участков, цехов и заводов с широким использованием ЭВМ, автоматических систем управления производством (АСУП), систем управления качеством, гибких роботизированных комплексов.

РАЗДЕЛ І

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

Глава 1. Общие сведения

О СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ И СОСТАВЛЯЮЩИХ ЕЕ ЭЛЕМЕНТАХ

1. Основные понятия и определения

Технологические процессы в литейных и термических цехах характеризуются различными физическими величинами, на которые накладываются определенные ограничения. Во время работы оборудования эти величины должны поддерживаться на определенном уровне или изменяться по заданной программе. Правильное проведение технологического процесса на какой-либо установке возможно при выполнении определенных правил, назы­ваемых алгоритмом (законом) функционирования, а установку (или машину), нуждающуюся в определенных внешних командах для выполнения алгоритма функционирования, называют объек­том управления.

Управлением называют целесообразное воздействие на объект управления для проведения технологического процесса. Если управление осуществляется без участия человека, то оно назы­вается автоматическим, а если с участием человека — ручным.

Все виды литейного и термического оборудования являются объектами управления. Объектом управления может быть и сам технологический процесс. Каждый объект имеет управляющее устройство для поддержания установленных значений физических величин или их изменения в заданном направлении. Через управ­ляющий орган в объект поступают воздействия, которые позво­ляют выполнять заданный алгоритм функционирования. Для управления объектом извне с целью выполнения заданного алго­ритма функционирования необходима совокупность предписаний (правил), называемых алгоритмом управления.

Любое техническое устройство, воздействующее на объект управления в соответствии с алгоритмом управления, называют автоматическим управляющим устройством.

Совокупность автоматического управляющего устройства и объекта управления, связанных и взаимодействующих между со­бой в соответствии с алгоритмом управления, называют системой автоматического управления (САУ). В процессе работы система автоматического управления испытывает на себе различные вну­тренние и внешние воздействия. Внутренние воздействия — это такие, которые передаются от одной части автоматической системы к другой, образуя последовательную цепь воздействий, обеспе­чивающих нормальное протекание технологического процесса. Их называют управляющими воздействиями. Внешние воздействия подразделяются на два вида. Первые, необходимые для нормаль­ного протекания технологического процесса, подаются на вход системы в соответствии с алгоритмом функционирования. Их на­зывают задающими воздействиями. Вторые поступают в систему (объект управления) из внешней среды. Они не планируются в работе системы, носят случайный характер и затрудняют управ­ление. Поэтому их называют возмущающими воздействиями.

Значение управляемой величины, которое следует поддержи­вать в данный момент времени для правильного протекания тех­нологического процесса, называют предписанным {заданным) зна­чением, а фактическое, т. е. измеряемое значение, — действи­тельным (текущим). Разницу между заданным и действительным значениями регулируемой величины называют рассогласованием.

Все виды литейного и термического оборудования должны работать в стационарном (установившемся) режиме. Однако в ре­альных эксплуатационных условиях установившийся режим по­стоянно нарушается в результате различных внешних возмуще­ний, что приводит к изменению различных параметров техноло­гического процесса. Поэтому необходимо управлять оборудова­нием (объектом управления), т. е. вырабатывать управляющее воздействие с таким расчетом, чтобы управляемая величина изменялась бы в соответствии с заданным законом (программой) независимо от влияния на объект возмущающего воздействия. Для плавильных и термических печей управляемая величина — температура, управляющее воздействие — напряжение на элек­тродах или нагревательных элементах, а основным возмущающим воздействием является изменение тепловых потерь.