Автоматизация технологических процессов и производств
..pdfФедеральное 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
итенденции 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)
иэнергетике (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 |
3
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 |
4
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 |
5
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.
6
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
7
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
ивспомогательных участков, процессов и агрегатов производства, так
иавтоматизация 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.
Вобщем 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.
8
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.
9
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
10