Основи автоматики і автоматизації теплогенеруючих об’єктів

Конспект лекцій

1. Вступ (основні терміни, визначення, поняття).

1. Походження ключового слова у назві курсу:

АВТО – ( з грецької - autos ) – сам;

АВТОМАТ – (з грецької - automatos) – самодіючий.

2. Автоматика – це ділянка науки і техніки яка займається теорією та принципами побудови систем керування без участі людини.

3. Керування – це комплекс операцій, необхідних для забезпечення заданого протікання технологічного процесу, у тому числі запускання та зупинки процесу.

4. Автоматизація – це галузь техніки, яка займається застосуванням методів і засобів автоматики для переведення технологічного процесу на автоматичне керування, тобто це заміна фізичної і розумової праці людини автоматичним регулюванням і керуванням або повне усуненням безпосередньої участі людини з технологічного процесу.

5. Механізація займається заміною лише фізичної праці людини.

6. Типи систем керування.

Розрізняють автоматичні і автоматизовані системи керування.

1.6.1. Автоматичні системи керування в виробничому процесі функціонують самостійно без участі людини.

1.6.2. Автоматизовані системами в своєму складі мають людину - оператора, як одну із ланок системи, яка виконує у виробничому процесі певні функції вручну.

До функцій керування системи в виробничому процесі не відносяться такі операції, що виконуються людиною вручну, як контроль, профілактика, виявлення неполадок, ремонтні роботи з обслуговування системи тощо.

2. Ступені (стадії) автоматизації.

Розрізняють три ступені чи стадії автоматизації: часткову, комплексну і повну.

2.1. Часткова – автоматизовані основні виробничі процеси. Завдання керування на цьому ступені автоматизації зводиться до стабілізації заданих параметрів в окремих апаратах. Вона вирішується з допомогою локальних систем автоматичного регулювання різноманітних технологічних параметрів: температури, тиску, рівня, витрати середовища, складу, тощо. (Локальний – місцевий; той, що не виходить за певні межі; обмежений рамками певного об’єкту).

2.2. Комплексна – повністю автоматизований процес керування, ручне керування залишається лише для запуску та зупинки технологічного процесу і виведення технологічного апарату або системи апаратів з аварійного стану. На другому ступені групи технологічних процесів об’єднані у відділи і цехи. Завдання керування зводиться до забезпечення отримання продукції необхідної якості при мінімальних затратах на її виробництво. Системи керування на цьому ступені є складнішими за своєю структурою і функціональними характеристиками; вони вирішують питання автоматичного розподілу навантажень між агрегатами, здійснюють пошук оптимальних технологічних режимів і дають завдання локальним системам автоматичного регулювання для підтримування необхідних режимів роботи.

2.3. Повна – всі операції здійснюються автоматично. Третій ступінь забезпечує керування теплоенергетичним, хімічним чи іншим підприємством вцілому. Керування на цьому ступені передбачає вирішення планово-економічних завдань, які визначають ефективність роботи усього підприємства. Для вирішення завдань керування на третьому ступені автоматизації застосовуються найскладніші засоби автоматики, швидкодіючі електронні обчислювальні машини, у тому числі мікропроцесорні контролери. Таким чином, автоматизована система керування сучасним підприємством має складну структуру з великою кількістю зв’язків між підсистемами, що в нього входить.

Вирішення перерахованих вище завдань на більш високих ступенях керування (другому і третьому) неможливе без чіткого функціонування локальних систем автоматичного регулювання (САР), які здійснюють безпосередню дію на технологічні процеси. Це ставить високі вимоги до якості і надійності локальних САР. Якість локальних САР визначається вибором раціональної схеми автоматичного регулювання і законів регулювання технологічних процесів. При цьому необхідно знати як властивості типових технологічних процесів, так і автоматичних регуляторів, які застосовуються для автоматизації.

Користь від автоматизації виробничих процесів:

1. Підвищення продуктивності праці;

2. Підвищення економічності установок і агрегатів;

3. Полегшення умов праці і підвищення культури виробництва;

4. Підвищення надійності роботи технологічного обладнання і зниження аварійності.

3. Пристрої ( елементи, системи ) автоматизації.

За своїм призначенням і функціональними діями розрізняють такі пристрої автоматизації:

3.1. Пристрої автоматичного технологічного контролю;

3.2. Пристрої автоматичного регулювання;

3. Пристрої дистанційного керування;

4. Пристрої автоматичної сигналізації;

5. Пристрої автоматичного захисту і автоматичного ввімкнення резерву (АВР);

6. Пристрої автоматичного блокування;

7. Пристрої автоматичного керування.

3.1. Системи автоматичного технологічного контролю (САТК) здійснюють без участі людини вимірювання (контроль) різних параметрів і величин, які характеризують роботу конкретного технологічного агрегату, установки або протікання якогось технологічного процесу. САТК служать для отримання інформації про стан об’єкту і умови його роботи. В більшості випадків система автоматичного контролю однієї технологічної величини (фізико-хімічного параметру) складається з чотирьох елементів: технологічного об’єкту (ТО), чутливого елементу (ЧЕ), лінії зв’язку (ЛЗ) і приладу вимірювання (ПВ).

Чутливий елемент розтащовують безпосередньо в об’єкті контролю або на деякій віддалі від нього. Він сприймає величину (значення) параметру і перетворює її (його) у відповідний сигнал, який надходить лінією зв’язку до приладу вимірювання (ПВ). На схемі видно, що проходження сигналів від її елементів здійснюється лише в одному напрямі, тобто від технологічного об’єкту до приладу вимірювання, в складі якого можуть бути схема вимірювання (СВ) і вимірювальний (реєструючий) прилад (В(Р)П). Такі системи автоматичного контролю називають розімкнутими. В деяких системах технологічного контролю чутливий елемент входить безпосередньо в вимірювальний прилад. В цьому випадку відсутня лінія зв’язку між чутливим і вимірювальним елементами. Тоді вимірювальний прилад (ВП), наприклад термометр або манометр, встановлені безпосередньо на об’єкті і система технологічного контролю має такий вигляд:

Якщо вимірювальний прилад, наприклад манометр, встановлений на невеликій віддалі від об’єкту і з’єднаний з об’єктом лінією зв’язку (імпульсною трубкою), то система контролю має вигляд:

Системи автоматичного контролю поділяють на місцеві, дистанційні і телевимірювальні.

Системи контролю, в яких вимірювальні прилади розташовані поблизу об’єкту (тобто поблизу місця встановлення чутливого елементу), називаються місцевими.

Автоматичний контроль можна здійснювати і на деякий віддалі від технологічного об’єкту, подовживши лінії зв’язку між ЧЕ і ВП. В цих умовах система місцевого контролю доповнюється введенням у ВП елементу для перетворення результату вимірювання в пропорційний пневматичний або електричний сигнал. Цей сигнал містить в собі інформацію про величину параметру і по відповідній лінії зв’язку передається до другого вимірювального перетворювача, розташованого на віддалі від об’єкту контролю. В другому ВП здійснюється зворотне перетворення сигналу результату вимірювання, переданого по лінії зв’язку, в форму, зручну для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Така система автоматичного контролю називається дистанційною. Таким чином, дистанційна система технологічного контролю (вимірювання) має два вимірювальні пристрої: первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) і вторинний вимірювальний прилад (ВВП).

Залежно від вигляду енергії дистанційні системи поділяють на електричні (у тому числі частотні), пневматичні і гідравлічні.

Для передавання результатів вимірювання на віддаль десятків і сотень кілометрів застосовують телевимірювальні або телемеханічні системи технологічного контролю. В таких системах сигнал результату вимірювання, який надходить від ПВП, при допомозі шифратора (Ш) спочатку перетворюється в закодований, звичайно, дискретний цифровий сигнал, який далі надсилається через канал (лінію) зв’язку до дешифратора (ДШ). Після розкодування сигналу в дешифраторі він надходить до ВВП, де знову перетворюються в результат вимірювання і фіксується в цифровій або аналоговій формі.

Дистанційні і телевимірювальні або телемеханічні системи також можуть застосовуватися для автоматичного керування різними машинами і механізмами.

3.2. Системи автоматичного регулювання призначені для автоматичного підтримування постійного значення параметрів процесу з допомогою стабілізуючих регуляторів, а також для зміни параметрів процесу за наперед заданим або невідомим законом.

Автоматичне регулювання є найбільш складною ділянкою автоматизації виробничих процесів і найбільш поширеною різновидністю управління безперервними технологічними процесами.

Для підтримання технологічних параметрів об’єкту на заданому значенні без втручання людини використовується система автоматичного регулювання (САР). Функціональна схема САР має вигляд:

ОР – об’єкт регулювання; ЧЕ – чутливий елемент; ЕП – елемент порівняння;

ВМ – виконавчий механізм; Q_п – притікання речовини; Q_в – витікання речовини; Y – регульована величина; ∆φ – розбаланс; μ – регулююча дія.

Як і всяка система управління, САР складається з об’єкту регулювання і відповідних технічних засобів автоматизації. Під об’єктом регулювання розуміють промислову установку, в якій автоматично регулюється технологічний процес.

3.3. Системи дистанційного керування служать для керування будь-яким технологічним процесом з допомогою ввімкнення або вимкнення різних механізмів, машин, апаратів у тому числі за наперед заданою програмою, яка є функцією часу або іншої змінної. Зазначена система здійснює керування машинами та механізмами на відстані.

Екстремальне керування – спосіб автоматичного керування, який полягає у встановлені такого режиму роботи об’єкта керування, при якому вимірювальний показник якості (цільова функція) має екстремальне (мінімальне або максимальне) значення.

Оптимальне керування – спосіб автоматичного керування об’єктом, системою або процесом, при якому забезпечується виконання певного критерію оптимальності (швидкодія, продуктивність, собівартість та ін.)

3.4. Системи автоматичної сигналізації призначені для повідомлення обслуговуючого персоналу про стан того чи іншого об’єкту, обладнання (апарату або про протікання того чи іншого процесу). Якщо автоматичний контроль призначений для безперервного визначення параметрів об’єкту з допомогою давача (Д) або ПВП, вимірювальної схеми (ВС) і реєструючого приладу (РП), то його структурна схема має вигляд:

В такій схемі сигнали давача сприймаються вимірювальною схемою і передаються на реєструючий прилад для безпосереднього сприйняття їх значень оператором і документування.

Схема автоматичної сигналізації щодо структури та поширення сигналу є аналогічною до попередньої за винятком кінцевого елементу:

З – блок завдання; ЕП – елемент порівняння; С – блок сигналізації.

При досяганні контрольованим параметром сформованого блоком завдання З заданого значення в блоці сигналізації С утворюються акустичні (звукові) або оптичні (світлові) сигнали, які сприймає людина-оператор. Для порівняння заданого і контрольованого значень параметру передбачений елемент порівняння ЕП.

Застосовуються такі типи сигналізації: контрольна і технологічна.

Контрольна сигналізація – показує стан агрегату (переважно є світловою);

До технологічної сигналізації відноситься попереджувальна сигналізація, яка виявляє несприятливі тенденції, та аварійна сигналізація, яка може бути звуковою або світловою.

Крім цього, може застосовуватися командна сигналізація, яка дає операторові вказівки щодо дій, які б не допускали розвитку аварійних ситуацій.

3.5. Системи автоматичного захисту і автоматичного ввімкнення резерву служать для запобігання можливості виникнення аварійних ситуацій в технічних агрегатах і пристроях. У тому випадку, коли яка-небудь величина, що характеризує поведінку автоматизованого агрегату досягає свого критичного (з тих чи інших міркувань) значення, система автоматичного захисту без участі людини чинить дію на агрегат, який підлягає захисту, частково або повністю припиняючи його роботу. При необхідності продовження роботи ТО в таких випадках спрацьовує система автоматичного ввімкнення резерву.

Структурна схема системи автоматичного захисту крім технологічного об’єкту (ТО), давача (Д), вимірювальної схеми (ВС), блоку завдання (З) і елементу порівняння (Е П), які присутні в схемі сигналізації; додатково містить елемент захисту (Е З).

При досягненні критичного режиму, сигнал розбалансу між завданням і контрольованою величиною з елементу порівняння ЕП надходять до елементу захисту ЕЗ. Останній припиняє подачу енергії до технологічного об’єкту ТО, не допускаючи аварійної ситуації. Якщо системи аварійного контролю і сигналізації були розімкненими, то системи автоматичного захисту, як і системи автоматичного регулювання, є замкненими.

3.6. Системи автоматичного блокування служить для запобігання неправильної послідовності вмикання і вимикання механізмів, машин і апаратів.

3.7. Системи автоматичного керування (САК) або управління (САУ) аналогічні за своєю структурою до систем автоматичного регулювання (САР). Їх структурна схема має вигляд:

Такі схеми в своєму складі мають перераховані вище елементи і додатково виконавчий механізм ВМ, який безпосередньо діє на технологічний об’єкт ТО управління чи регулювання.