2598

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

С.Ф. Абдулин

СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ

ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ

Учебное пособие

Рекомендовано Новосибирским региональным отделением УМО Российской Федерации по образованию в области строительства для использования в учебном процессе при изучении дисциплин по автоматизации производственных процессов при подготовке специалистов по направлению «Строительство»

Омск Издательство СибАДИ

2007

12

УБК 681.5: 69 ББК 32.965: 38 А13

Рецензенты:

кафедра «Автоматизация и робототехника» ОмГТУ (заведующий кафедрой, д-р техн. наук, проф. В.Г. Хомченко); Р.Т. Файзуллин, д-р техн. наук, проф.,

заведующий кафедрой «Информационная безопасность» ОмГУ

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также специальностей: 270113 «Механизация и автоматизация строительства»; 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций; 290300 «Промышленное и гражданское строительство»; 290700 «Теплоснабжение и вентиляция» с учетом раздела 6.

Абдулин С.Ф.

А 13 Системы автоматики предприятий стройиндустрии: Учебное пособие. – Омск:

Изд-во СибАДИ, 2007. – 643 с.

ISBN 978–5–93204–333–2

Приведены сведения о структуре, составе и функциях распределенных систем управления (РСУ) от уровня полевой, контроллерной до диспетчерско-административ- ной. Рассмотрены традиционные программируемые логические контроллеры (ПЛК), средства коммуникации, развитие интегрированных систем управления предприятия в целом.

Изложены теоретические основы автоматизации непрерывного и дискретного технологических процессов предприятий стройиндустрии от ПТС до конечных технологических процессов, а также современных процессов строительства интеллектуальных зданий и управления автоматизированным строительством.

Учебное пособие представляет интерес для специалистов по автоматизации, может быть полезно преподавателям и аспирантам, а также рекомендовано студентам, обучающимся по специальности 220301.

Табл.54. Ил.297. Библиогр.:105 назв.

13

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения……………………………………………….. 11 Предисловие……………………………………………………………. 14 Введение………………………………………………………………... 16

Раздел 1. Общие сведения об автоматизации на предприятиях строительной индустрии……………………………………………... 20

1. Некоторые общие принципы автоматизации производственных процессов в строительной индустрии………………………………… 20

1.1.Строительство как одна из ведущих отраслей народного хозяйства………………………………………………………………...

1.2.Некоторая общность технологических процессов и систем автоматизации многих подотраслей строительной индустрии………... 21

1.3.Общие сведения об автоматизации производства в основных производящих подотраслях строительной индустрии……………...... 26

1.3.1.Важнейшие технологические процессы и основы их авто-

матизации………………………………………………………………. 26

1.3.2.Автоматические системы управления объектами непре-

рывного действия………………………………………………………. 29

1.3.3.Автоматические системы управления объектами дискретного действия………………………………………………………………… 38

1.3.4.Автоматические системы контроля…………………………….. 47

1.3.5.Комплексные системы автоматизации зданий и сооруже-

ний……………………………………………………………………….. 52

Раздел 2. Технические средства автоматизации и системы управления производственными процессами. Современное состояние и тенденции развития………………………………………. 55

2. Состояние технических средств автоматизации…………………... 55

2.1.Назначение и проблемы проектирования технических средств автоматизации…………………………………………………………... 55

2.2.Этапы развития государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)……………………………. 59

2.3.Назначение, цели и функции АСУ ТП………………………........ 67

2.4.Типовые структуры и средства управления технологическими процессами……………………………………………………………… 70

2.5. Средства построения ЛУВС с магистральной структурой……… 82

2.6.Типовой состав технических средств АСУТП…………………... 89

2.7.Основные понятия и определения типизации, унификации и агрегатирования технических средств и КТС…………………………... 92

2.8.Состояние и тенденция развития КТС АСУ ТП……………......... 95

14

2.8.1.Общая характеристика современного состояния КТС АСУТП и их практической реализации на зарубежных и отечественных предприятиях. Программируемые микропроцессорные контроллеры

(ПМК) ремиконты и ломиконты……………………………………….. 95

2.8.2.Общее описание и классификация программируемых логических контроллеров (ПЛК)…………………………………......... 128

2.8.2.1.Применение ПЛК в системах управления……………………. 128

2.8.2.2.Моноблочные (компактные) контроллеры………………….... 131

2.8.2.3.Коммуникационные модули…………………………………… 161

2.8.2.4.Модули специального назначения…………………………….. 165 2.8.3. Программное обеспечение АСУ ТП……………………………. 165

2.8.3.1.Языки программирования ПЛК по стандарту IEC 61131–3……………………………………………………………........... 165

2.8.3.2.Объекты адресации языков программирования ПЛК………... 166

2.8.3.3.Язык Ladder Diagram (LD)……………………………………… 167

2.8.4.SCADA - системы в распределенных системах управ-

ления……………………………………………………………………... 168

2.8.5.SCADA - системы, встраиваемые в ПЛК…………………......... 187

2.8.6.ОРС - стандарт взаимодействия SCADA - систем и ПЛК……... 189

2.8.7.Методика выбора ПО различных производителей…………….. 194

2.8.8.Промышленные сети контроллеров……………………………... 196

2.8.8.1.Архитектура промышленных сетей……………………............ 197

2.8.8.2.Топология промышленных сетей……………………………… 204

2.8.8.3.Методы организаций доступа к линии связи…………………. 206

2.8.9.Открытые промышленные сети…………………………….......... 206

2.8.10.Интегрированные системы управления………………………... 214

2.8.10.1.ЕRP - системы…………………………………………………. 218

2.8.10.2.CRM - системы……………………………………………….. 220

2.8.10.3.MES - системы……………………………………………….. 221

2.8.10.4.Серверы баз данных…………………………………………... 222

2.8.11.Примеры применения ПЛК при разработке распределенных систем управления (РСУ)……………………………………................. 227

2.8.11.1.Решение типовых задач управления на языках IEC 61131–3…………………………………………………………………… 227

2.8.11.2.Составление программ управления объектом………………. 233

2.8.11.3.ПЛК в распределенных системах………………….................. 236

2.8.11.4.АСУ ТП печей обжига цементного клинкера……………….. 237

Раздел 3. Автоматизация технологических процессов……………. 240

3. Автоматизация процессов производства бетона и железобетонных изделий и конструкций…………………………………………………. 240 3.1. Автоматизация поточно-транспортных систем…………………... 240

15

3.1.1.Характеристика транспортных средств как объектов авто-

матизации………………………………………………………………... 240

3.1.2.Автоматический контроль и сигнализация работы конвей-

ерного транспорта…………………………………………………......... 241

3.1.3. Автоматическое управление конвейерным транспортом……… 247

3.1.4.Автоматическое управление устройствами пневматического транспорта……………………………………………………………….. 252

3.1.5.Автоматическое управление транспортными машинами периодического действия…………………………………………......... 257 3.2. Автоматизация складов материалов и изделий………………....... 259

3.2.1. Характеристика складов как объектов автоматизации………… 259

3.2.2.Автоматическое управление оборудованием склада це-

мента……………………………………………………………………… 261

3.2.3.Автоматическое управление оборудованием склада запол-

нителей…………………………………………………………………… 267

3.2.4.Автоматический контроль и учет материалов на складе за-

полнителей…………………………………………………………......... 272

3.2.5.Автоматизация процесса сушки и нагрева материалов на складах…………………………………………………………………… 274 3.3. Автоматизация процессов дробления и сортировки…………...... 275

3.3.1.Основные сведения о предприятиях по переработке нерудных строительных материалов………………………………………………. 275

3.3.2.Автоматическое регулирование производительности дро-

билок……………………………………………………………………… 277

3.3.3.Статические и динамические характеристики щековой дробилки……………………………………………………………......... 282

3.3.4.Автоматическая оптимизация дробильно-сортировочных процессов………………………………………………………………... 286

3.3.5.Автоматическое управление щековой дробилкой……………... 288

3.3.6.Автоматическая защита, сигнализация и учет работы щековых дробилок…………………………………………………….................... 294

3.3.7.Автоматизация конусных и валковых дробилок………………. 299

3.3.8.Автоматизация управления работой виброгрохотов………….. 301

3.3.9.Оптимизация процессов грохочения………………………........ 306

3.3.10.Автоматизация поточных технологических линий дро- бильно-сортировочных систем………………………………………… 308

3.4. Автоматизация процессов дозирования и взвешивания………… 311

3.4.1.Классификация технологических дозаторов и весов………….. 311

3.4.2.Динамические погрешности процесса дискретного дозиро-

вания…………………………………………………………………….. 313

3.4.3.Автоматическое управление дозаторами дискретного дей-

ствия……………………………………………………………………… 314

16

3.4.4.Динамические и статические характеристики дозаторов непрерывного действия……………………………................................ 319

3.4.5.Автоматическое управление дозаторами непрерывного действия………………………………………………………………..… 321

3.4.6.Автоматический контроль расхода материалов при дози-

ровании…………………………………………………………………... 325

3.4.7.Автоматический контроль расхода материалов на конвей-

ерных лентах…………………………………………………………..… 327

3.4.8.Автоматическое взвешивание материалов в железнодорожных вагонах и автомашинах…………………………………………………. 330 3.5. Автоматизация смесительного оборудования……………………. 334

3.5.1.Классификация смесительных установок и процессов……..…. 334

3.5.2.Автоматическое управление смесительными установками в функции времени……………………………………………………….. 335

3.5.3.Автоматическое управление смесительной установкой с контролем тока двигателя………………………………………………. 336

3.5.4.Автоматическое регулирование вязкости (подвижности)

бетонной смеси…………………………………………………………... 339 3.6. Некоторые передовые технологии автоматизации (ПТА) на российских бетонных заводах………………………………………….. 342

3.6.1.Микроволновой метод управления вязкостью (подвижностью)

бетонной смеси………………………………………………………….. 361

3.7. Автоматизация процессов формования и уплотнения…………… 363

3.7.1.Классификация установок и процессов формования и уп-

лотнения………………………………………………………………..... 363

3.7.2.Автоматическое управление установкой для центрифуги-

рования труб…………………………………………………………..… 364

3.7.3.Автоматическое управление установкой для радиального прессования труб………………………………………………………... 366

3.7.4.Автоматическое управление установкой для формования плит……………………………………………………………………..... 369

3.7.5.Автоматическое управление оборудованием для формования многопустотных панелей ………………………………………………. 373 3.8. Автоматизация термовлажностной обработки изделий………….. 377

3.8.1.Основные процессы и установки для термовлажностной обработки изделий……………………………………………………..... 377

3.8.2.Автоматизация термовлажностной обработки изделий в пропарочных камерах…………………………………………………... 378

3.8.3.Системы автоматического регулирования пропарочных камер

……………………………………………………………………………. 383

3.8.4.Автоматизация процессов термовлажностной обработки изделий в кассетах…………………………………………………......... 387

17

3.8.5.Автоматизация процесса термовлажностной обработки железобетонных изделий в вертикальной камере башенного типа…………………………………………………………………..…... 390

3.8.6.Автоматизация процесса термовлажностной обработки изделий в автоклавах………………………………………………….... 391

3.8.7.Автоматизация термовлажностной обработки изделий с контролем прочности..………………………………………………….. 398

3.8.8.Многоканальное регулирование температуры в пропарочных камерах, кассетах, автоклавах………………………………………… 400

3.8.9.Расчет устойчивости многоканальных систем автоматического регулирования……………………………………………….................... 405 3.9. Автоматизация арматурных работ при производстве железобетонных изделий. Общие сведения об арматуре и её изготовле-

нии………………………………………………………………………... 410

3.9.1.Автоматическая машина и автоматическая линия для сварки арматурных сеток……………………………………………………….. 411

3.9.2.Автоматизация процесса предварительного напряжения арматуры……………………………………………………………..…... 416

Раздел 4. Автоматизация зданий……………………………………... 422

4. Интеллектуальное здание…………………………………………….. 422

4.1.Современные инженерные системы..…………………………....... 428

4.2.Системы электротеплоснабжения …….…………………………... 445

4.2.1.Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора.……………………………………………. 445

4.2.2.Автоматические котлы пульсирующего горения……………..... 448

4.2.3. Пароутилизаторы – новое слово в энергосбережении……….… 451

4.2.4.Современный взгляд на обычные учетно-распределительные приборы………………………………………………………………..… 456

4.2.5.Тиристорный регулятор как средство экономии в нагрева-

тельных системах……………………………………………………….. 458 4.3. Технология комплексного теплового неразрушающего контроля зданий и строительных сооружений. Опыт и современная теория…………………………………………………………………….. 460

4.4. Перспективные мониторинги……………………………………… 476

4.4.1.Мониторинг технического состояния строительных конст-

рукций…………………………………………………………………..... 476

4.4.2.Методы обнаружения и мониторинга развития трещин в строительных конструкциях……………………………………………. 479

4.4.3.Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ и системами безопасности………………………………………………... 484

18

4.4.4. Практические задачи по организации системы строительного 487

мониторинга……………………………………………………………...

4.5.Архитектура и безопасность среды обитания человека………….. 493

4.6.Нейроинформационные технологии на службе безопасности населения………………………………………………………………… 497

4.7.Классификация, определения и функциональная терминология в строительном мониторинге…………………...……………………….... 501

4.8.Автоматизация зданий: от теории к практике…………………….. 506

4.9.Вихревые гидрокавитационные установки – путь к энергоресурсосбережению и повышению качества строительных материалов…………………………………………………………….…. 514

Раздел 5. Автоматизация управления строительным предприятием…………………………………………………………... 519

5. Общая характеристика вопросов управления строительным предприятием………………………………………………………….… 519

5.1.Роль АСУП в управлении предприятием…………………………. 519

5.1.1.Классификация АСУ по основным признакам……………….... 520

5.1.2.Научно-технический уровень АСУП……………………..…….. 520

5.1.3.Экономическая эффективность АСУП……………………..…... 521

5.1.4.Автоматизация проектирования АСУП…………………..…….. 521

5.1.5.Современные направления развития АСУП………………...….. 523

5.2.Разработка специального ПО АСУ строительным предприятием

(АСУ СП)……………………………………………………………….... 524

5.3.Модели и алгоритмы постановки задач разработки АСУ про-

мышленными объектами……………………………………………….. 530

5.4.Нейросетевое управление ресурсами в структурном подразде-

лении предприятия………………………………………………………. 539

Раздел 6. Основы автоматики и автоматизации производства…. 552

6. Общие сведения об автоматизации………………………………..… 552

6.1.Основные понятия об объектах и системах автоматического 552

управления………………………………………………………………..

6.2.Общие сведения о Государственной системе промышленных 555 приборов и средств автоматизации (ГСП)……………………………..

6.3.Автоматический контроль и измерения технологических 556

параметров………………………………………………………………..

6.3.1.Основы метрологии и техники измерений…………………...…. 556

6.3.2.Типовые измерительные схемы и приборы технологического 560

контроля……………………………………………………………….….

19

6.3.2.3. Методы измерения важнейших параметров технологических процессов………………………………………………………………… 565

6.3.2.3.1.Измерение температуры…………………………………….... 565

6.3.2.3.2.Измерение давления………………………………………….. 571

6.3.2.3.3. Измерение количества и расхода вещества………………… 573

6.3.2.3.4.Измерение уровня……………………………………………. 575

6.3.2.3.5.Измерение влажности газов и твердых материалов………... 576

6.3.2.3.6.Измерение кислотности (щелочности) растворов………….. 576 6.4. Автоматические системы регулирования технологических параметров……………………………………………………………….. 577 6.4.1. Классификация автоматических систем регулирования технологических параметров………………………………………….... 578 6.4.2. Объекты регулирования и их свойства………………………...... 581 6.4.3. Автоматические регуляторы и законы регулирования……….... 583

6.4.4.Нелинейные законы регулирования…………………………...… 586

6.4.5.Усилительно-преобразовательные устройства……………..…... 586

6.4.6.Реле……………………………………………………………...…. 588

6.4.7.Исполнительные механизмы и регулирующие органы……..…. 590

6.4.9.Управление приводами машин и механизмов………………….. 595

6.4.9.Основные характеристики элементов и линейных систем автоматического регулирования непрерывного действия…………..... 597

6.4.9.1.Дифференциальные уравнения для элементов системы……... 598

6.4.9.2.Передаточные функции……………………………...…………. 601

6.4.9.3.Временные характеристики…………………………………..... 602

6.4.9.4.Частотные характеристики……………………………………... 602

6.4.9.5.Типовые динамические звенья АСР…………………………… 603

6.4.9.6.Основные виды соединений звеньев системы…………….….. 606

6.4.9.7.Устойчивость АСР. Понятия об устойчивости..…………….... 608

6.4.9.8.Качество автоматических систем регулирования…………….. 611

6.5. Дискретные автоматические системы регулирования………....… 613

6.5.1.Понятия о дискретных АСР и их классификация…………......... 613

6.5.2.Классификация релейных АСР………………………………...… 614

6.5.3.Автоколебания в релейных АСР…………………………….…... 615 6.6. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и гибкие автоматизированные производства (ГАП). Робототехнические системы………………………………….... 618

6.6.1.Общая характеристика АСУ ТП……………………………….… 618

6.6.2.Назначение, цель и функции АСУ ТП……………………….….. 619

6.6.3.Упрощенная структура комплекса технических средств (КТС)

АСУ ТП…………………………………………………………………... 620

6.6.4.Технические средства распределенных АСУ ТП………………. 621

6.6.5.Микропроцессорные автоматические устройства…………….... 624

20