Информационные технологии и автоматизация в металлургии. Лабораторный практикум

1.4.Порядок проведения работы

1.Выключателем ВК1 включить лабораторный стенд.

2.Выключателем ВК2 включить нагревательный элемент.

3.Нагреть печь НП1 до температуры в зоне №1 450 °С, при этом переключая двухпозиционное коммутирующее устройство К1, с дис- кретностью 10 секунд, снять показания температуры для термопар ТП1 и ТП2, отображаемые на индикаторе регулятора МР1.

4.Выключателем ВК2 выключить нагревательный элемент печи

НП1.

5.Переключая двух позиционное коммутирующее устройство К1

инаблюдая за индикатором регулятора МР1 снять показания темпе- ратуры для термопар ТП1 и ТП2 с дискретностью 10 секунд, до тех пор, пока температура не снизится до 50 °С.

6.Выключателем ВК1 выключить лабораторный стенд.

1.5. Отчет по работе

Каждый студент составляет отчет о проделанной работе объемом 4–5 стр., который должен содержать следующие материалы:

1.Краткое изложение теории.

2.Схему и описание лабораторной установки.

3.Краткое описание методики проведения лабораторной работы.

4.Экспериментальные данные в табличном и графическом виде.

5.Выводы о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.Определение информации.

2.Определение сбора информации.

3.Технология сбора.

4.Определение данных.

5.Иерархическая структура технических средств ГСП.

6.Уравнение суммарной электродвижущей силы в замкнутой це- пи термопары.

7.На чем основан принцип действия термопары?

8.Как устроена термопара?

9.Назначение компенсационных проводов?

10.Требования к материалам термоэлектродов.

12

Лабораторная работа №2 ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

СПОМОЩЬЮ БЕСКОНТАКТНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

2.1. Цель работы

Ознакомится с устройством и приобрести практические навыки получения информации о технологическом процессе с помощью ти- повых технических средств автоматики контроля температуры кон- тролируемой среды бесконтактным способом.

2.2. Теоретическая часть

Информация характеризуется определенными свойствами, зави- сящими как от данных (содержательной части информации), так и от методов работы с ними. Перечислим наиболее важные из этих свойств:

•информация предоставляет новые сведения об окружающем ми- ре, отсутствовавшие до ее получения;

•информация не материальна, несмотря на то, что она проявляет- ся в форме знаков и сигналов на материальных носителях;

•знаки и сигналы могут предоставить информацию только для получателя, способного их воспринять и распознать;

•информация неотрывна от физического носителя, но в тоже вре- мя не связана ни с конкретным носителем, ни с конкретным языком;

•информация дискретна – она состоит из отдельных фактических данных, передающихся в виде отдельных сообщений;

•в то же время информация непрерывна – она накапливается и развивается поступательно.

Такие понятия, как «качество» и «ценность», применительно к информации определить достаточно сложно в силу их субъективно- сти. Наиболее часто под качеством информации понимают сово- купность свойств, отражающих степень пригодности конкретной информации об объектах и их взаимосвязях для достижения целей, стоящих перед пользователем.

13

Среди основных потребительских показателей качества информа- ции, определяющих возможность и эффективность ее использования, можно назвать следующие:

•репрезентативность – правильность отбора и формирования ин- формации для адекватного отражения передаваемого явления;

•содержательность – семантическая емкость информации, равная отношению количества семантической информации в сообщении к объему обрабатываемых данных;

•достаточность – содержательная полнота сообщаемого набора показателей для принятия решения;

•доступность – удобство формы представления информации для восприятия потребителем;

•актуальность – степень ценности информации на момент ее ис- пользования в зависимости от срока возникновения и динамики из- менения информации;

•своевременность – степень соответствия момента поступления информации назначенному моменту времени;

•точность и достоверность – близость информации к реальному состоянию описываемого объекта или явления;

•ценность – важность информации для решения конкретных задач;

•понятность – соответствие содержания информации уровню зна- ний потребителя;

•краткость – степень сжатости изложения сообщаемых сведений;

•устойчивость – способность информации реагировать на изме- нения исходных данных без нарушения необходимой точности.

В теории информации также существует понятие «количества ин- формации».

Количество информации – мера снятия неопределенности одной случайной величины в результате наблюдения за другой.

Для измерения температуры бесконтактным способом в телеме-

ханике используют датчики измерения температуры бесконтакт- ным способом или пирометры.

Телемеханика – область науки и техники, предметом которой яв- ляется разработка методов и технических средств передачи и приема информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

•удаленность объектов контроля и управления;

•необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

•недопустимость большого запаздывания сигналов;

•высокая надежность передачи команд управления;

14

• высокая степень автоматизации процессов сбора информации. Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объеди-

нить разобщенные или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, ж.-д. узлом), либо когда присутствие человека на объекте управления нежелатель- но (например, в атомной промышленности, на металлургических и (или) химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой).

Внедрение телемеханических систем позволяет сократить числен- ность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях.

Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значи- тельно улучшить контроль за технологическим процессом и упро- стить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия «те- лемеханика» все чаще и чаще используется сокращение АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процес- сом. Современная система телемеханики также немыслима без ком- пьютера, поэтому можно сказать, что телемеханика и АСУТП – близнецы-братья. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Напри- мер, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях – АСУТП.

Ванглоязычных источниках аналогом понятия «телемеханика» является сокращение SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.

Втелемеханике оперируют следующими понятиями: Телеуправление (ТУ) (в англоязычных источниках DO – Digital

Output) обеспечивает дистанционное управление объектом контроля. Управление начинается с выдачи оператором (диспетчером) коман- ды телеуправления с ЭВМ или пульта управления. Команды ТУ обычно двухпозиционные:

•ТУ Включить.

•ТУ Отключить.

Команда ТУ передается с пункта управления (ПУ) на контроли-

руемый пункт (КП) по каналу связи. Контроллер КП, получив ко- манду ТУ, проверяет ее достоверность и выдает электрический сиг-

15

нал на исполнительное устройство (например, включает пусковое реле электродвигателя). Для контроля выполнения команды кон-

троллер КП передает на ПУ подтверждение о корректности ТУ.

Применяются также более сложные алгоритмы выдачи ТУ, напри- мер, с промежуточным контролем готовности исполнительных це- пей. Для защиты команд ТУ от искажений при передаче применяют специальное кодирование, например, передают команду дважды, в прямом и инверсном виде и т.п. Обычно в одном цикле управляют только одним объектом.

Пункт Управления (ПУ) – в телемеханике и АСУТП это место размещения диспетчерского персонала, аппаратуры для приема и обработки информации от контролируемых пунктов.

В задачи ПУ входят:

•прием данных с КП по каналам связи;

•организация опроса КП при использовании одного канала связи для подключения нескольких КП;

•передача на КП команд управления;

•передача данных и прием команд ЭВМ;

•переадресация, передача данных на верхний уровень и прием команд с верхнего уровня в многоуровневых системах;

•фильтрация, преобразование и передача данных при интеграции

ссистемами других производителей.

Для реализации полного набора перечисленных функций кон- троллеры ПУ оснащают микропроцессорами и соответствующим программным обеспечением. Перенастройка программного обеспе- чения позволяет гибко изменять конфигурацию системы, протоколы обмена и алгоритмы обработки данных в процессе эксплуатации сис- темы. Для настройки ПУ используют специальные программы- конфигураторы, функционирующие на ПЭВМ. В современных ПУ программы и настройки хранят во внутренней FLASH-памяти кон- троллеров, что обеспечивает быстрый запуск системы и восстанов- ление в случае сбоев.

Контролируемый пункт (КП) – в телемеханике и АСУТП это место размещения объектов контроля и управления, а также аппара- тура, выполняющая функции контроля и управления, обычно назы-

ваемая контроллером КП.

Часто под термином КП подразумевают один контроллер, уста- новленный на контролируемом объекте.

Контроллер КП выполняет непосредственный сбор данных с объ- екта (посредством опроса датчиков и преобразователей) и передачу

16

их на ПУ (реализуя функции телесигнализации и телеизмерения),

а также непосредственно выполняет команды телеуправления.

На большинство технологических процессов в металлургии нахо- дятся несколько контроллеров КП. Для точной идентификации каж- дый из контроллеров КП на объекте имеет свой логический номер, который называют номером КП или адресом КП.

В настоящее время практически все контроллеры КП оснащены микропроцессорами и работают по заданной программе. Программ- ное обеспечение решает задачи сбора данных (фильтрует дребезг контактов ТС и ослабляет сетевые наводки на цепи ТИ), выполняет буферизацию событий перед выдачей в канал связи.

Современные контроллеры КП вместе с базовыми функциями (ТС, ТИ, ТУ) обеспечивают интеграцию в систему различных элек- тронных устройств: приборов учета энергии, автоматических защит и проч. Например, контроллеры КП снимают показания электронных счетчиков, расходомеров и передают их для обработки на ПУ по единому телемеханическому каналу связи.

Телесигнализация (ТC) (DI – Digital Input) используется для дис- танционного контроля дискретных изменений состояния объекта, например, включен/выключен, движется/стоит, норма/авария и т.п. Для получения данных объект оснащают датчиками. В простейшем случае применяют двухпозиционные контактные переключатели, но могут использоваться и многопозиционные переключатели. Кон- троллер КП опрашивает состояние датчиков и при изменении со- стояния передает информацию о событии на ПУ в короткой посылке, обычно называемой Телесигналом. Контроллер ПУ при получении ТС передает его для обработки в ЭВМ (и на контроллер щита) для оповещения диспетчера и отображения изменившегося состояния объекта.

Телеизмерения (ТИ) (ТИТ – ТИ Текущие) (AI – Analog Input) ис-

пользуют для получения количественной оценки характеристик кон- тролируемого процесса, например, температуры, напряжения, тока, давления и пр. Для измерения на объекте используют преобразовате- ли, которые преобразуют физические параметры в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП измеряет значения этих сиг- налов и по запросам ПУ или спорадически передает их на ПУ в циф- ровом виде. ТИ поступают на ЭВМ и щит для отображения. ЭВМ следит за уровнями измерений и предупреждает оператора о превы- шении заданных пороговых значений (уставок).

17

Важным параметром телеизмерений является точность. В ста- рых системах обычно использовались 8-разрядные аналого- цифровые преобразователи (АЦП), которые обеспечивают погреш- ность измерения более 0,8 % для однополярных сигналов и более 1,6 % для двуполярных. Современные системы оснащают 10...14-раз- рядными АЦП, что позволяет достичь точности измерений 0,25...0,1 %. Дальнейшее повышение точности ограничивается нали- чием наводок на измерительные цепи. Для ослабления наводок от промышленной силовой сети с частотой 50 Гц в контроллерах КП применяют алгоритмы цифровой фильтрации.

Телерегулирование (ТР) (AО – Analog Output) обеспечивает дис-

танционное задание уровня воздействия на объект управления. Управление начинается с задания оператором величины воздействия, а затем выдачей команды с ЭВМ. Команда ТР передается с пункта управления (ПУ) на контролируемый пункт (КП) по каналу связи. Контроллер КП, получив команду ТР, проверяет ее достоверность и выдает сигнал заданного уровня на исполнительное устройство (на- пример, открывает вентиль на 56 %). Кроме ручной выдачи управле- ния применяется и автоматизированная выдача. В данном случае на ЭВМ устанавливают программу с алгоритмом вычисления величины управления. Для предотвращения «удара» при выдаче телерегулиро- вания применяют плавное изменение выходного сигнала до достиже- ния заданного уровня. Эту задачу обычно выполняет контроллер КП.

Достоверность телеизмерений и телесигнализации (отсутствие искажений данных при передаче по каналам связи) обеспечивается за счет введения в посылки кодов защиты. Обычно в посылке передают контрольную сумму данных. Наиболее надежными являются поли- номиальные контрольные суммы.

Датчики измерения температуры бесконтактным способом подразделяются на:

Пирометры излучения

В частности пирометр «ТЕХНО-АС» С-700.1. Тепловой поток от нагретых тел образуется совокупностью элементарных (монохромати- ческих) излучений с различной длиной волн от 0,3 до 10 мкм и более. Сюда входит видимый человеческим глазом диапазон длин волн от 0,4 до 0,76 мкм и невидимая инфракрасная область, на которую прихо- дится наибольшая доля энергии теплового излучения. Измеряя энер- гию излучения нагретого тела, можно определить его температуру.

18

Наиболее полно изучено тепловое излучение абсолютно черного тела, которое по всем длинам волн и по всем направлениям полусфе- рического пространства называется интегральным (полным) лучи- стым потоком W0. Излучение с единицы поверхности тела df назы- вают плотностью интегрального полусферического излучения или

излучательной способностью: E0 = dW 0 / df . Тогда лучистый поток равен интегралу

W 0 = ∫ E0df .

0

Если Е0 во всех точках поверхности одинакова, то W°= Ef. Поток излучения, отнесенный к интервалу длин волн от λ до λ + dλ называ- ется потоком монохроматического (однородного излучения) Wλ. Со- ответственно плотность монохроматического излучения в узком ин-

тервале длин волн равна Eλ0 = dWλ0 / df .

Отношение плотности монохроматического излучения dEλ0 к ве- личине интервала длин волн dλ называется монохроматической, или спектральной, интенсивностью излучения: Jλ0 = dEλ0 / dλ .

Зависимость интенсивности излучения Jλ от температуры, описы- вается уравнением Планка:

где λ – длина волны, м;

Т – температура, К; С1 = 0,374 · 10–15 Вт/м и С2 = 1,438 · 10–2 мК – постоянные Планка.

В более простом виде эта зависимость выражается формулой Вина:

Уравнение Вина для участка видимого спектра излучения до 2900 К дает расхождение по сравнению с. экспериментальными дан- ными не более 1 %.

Если продифференцировать уравнение Планка по λ и приравнять нулю первую производную, то получим, что максимум интенсивно- сти излучения соответствует значению

Это выражение называется законом смещения Вина.

19

Интеграл от интенсивности излучения по всем длинам волн дает плотность интегрального полусферического излучения Е0, которая называется полной мощностью излучения (закон Стефана-Больц- мана):

где С0 = 5,67 Вт · м–2 · К–4 – коэффициент излучения абсолютно чер- ного тела.

Все рассмотренные выше законы установлены для абсолютно черного тела. На практике измеряют температуру реальных, так на- зываемых серых тел, у которых излучение на всех длинах волн меньше излучения абсолютно черного тела.

Отношение интенсивностей излучений серого тела Jλ и абсолютно черного тела Jλ0 при одинаковой температуре называется монохро-

матической степенью черноты ελ. Аналогично этому отношение пол- ных мощностей излучений серого тела Е и абсолютно черного тела Е0 называется степенью черноты ε.

Для определения температуры нагретых тел используют следую- щие методы.

1. Измерение интенсивности монохроматического излучения с помощью пирометров частичного излучения оптических и фотоэлек- трических.

Из полного спектра излучения тела при помощи специального светофильтра выбирается узкий интервал с заданной длиной волны λ + Δλ. Интенсивность излучения в этом интервале служит мерой тем- пературы тела и определяется непосредственно путем сравнения с интенсивностью излучения эталонного источника.

20