Системы управления технологическими процессами и информационные технологии. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Т.Г. Шевцова

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие Для студентов вузов

Кемерово 2014

1

УДК 005.93+004(075) ББК 30.606-6я7

Ш 31

Рецензенты:

И.В. Чичерин, заведующий кафедрой «Информационные и автоматизированные производственные системы» ФГБОУ ВПО КузГТУ, доцент, канд. техн. наук;

Е.Н. Карнадуд, руководитель группы АСУ ТП ООО «КЭНЭС»

Рекомендовано редакционно-издательским советом Кемеровского технологического института пищевой промышленности

Шевцова, Т.Г.

Ш31 Системы управления технологическими процессами и информационные технологии: учебное пособие/ Т.Г. Шевцова; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2014. – 82 с.

ISBN 978-5-89289-817-1

Изложен теоретический материал по дисциплине «Системы управления технологическими процессами и информационные технологии». Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 260100 «Продукты питания из растительного сырья».

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Системы управления технологическими процессами пищевых производств должны обеспечивать оптимальные режимы работы технологического оборудования, гарантирующие выпуск качественных полуфабрикатов или готовой продукции. Это невозможно без использования современных разработок теории и практики автоматического управления, анализа технологических процессов как объектов управления и построения их математических моделей.

Целью настоящего учебного пособия является облегчение изучения, осмысления и усвоения сложных вопросов управления технологических процессов пищевых производств на базе современных технологий.

В учебном пособии рассмотрены основы теории автоматического управления и регулирования, принципы построения и функционирования систем автоматизации и управления, подходы к их описанию и анализу качества процессов управления, использование информационных технологий в системах управления технологическими процессами.

3

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ И ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Технологический процесс (ТП) – это совокупность тех-

нологических операций, проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких аппаратах с целью получения определенного продукта. Совокупность оборудования и реализованного на нем технологического процесса называется технологическим объектом управления (ТОУ).

Для нормального протекания технологического процесса необходимо производить:

-контроль (наблюдение) за ходом ТП;

-управление технологическим процессом, то есть целенаправленное воздействие на параметры ТП посредством различных технических устройств.

Целью управления является поддержание заданных значений параметров технологического процесса или их изменение по заданному алгоритму

Данные функции выполняет система управления техно-

логическим процессом (СУТП). СУТП – это совокупность:

-объекта управления;

-технических средств контроля и управления ТП;

-оперативного персонала, выполняющего задачу управления.

Взависимости от степени участия оператора в процессе управления можно выделить следующие способы управления.

Ручное местное управление – осуществляется человеком непосредственно на месте управляемого оборудования, иногда с местных щитов управления. Местное управление необходимо для ввода системы в автоматический режим и проведения проверочных, наладочных и ремонтных работ.

Ручное дистанционное управление – осуществляется че-

ловеком на значительном расстоянии от управляемого оборудования с пультов и щитов управления, размещенных в операторских или диспетчерских пунктах.

Автоматизированное управление – осуществляется че-

ловеком и комплексом технических средств. Последний получа-

4

ет информацию об объекте, преобразует и обрабатывает ее, формирует управляющие команды и выполняет их на объекте управления. Человек осуществляет основные командные операции – пуск, останов, изменение режима работы оборудования, определяет цели и критерии управления.

Автоматическое управление – все операции управления и контроля осуществляются комплексом технических средств без участия человека.

1.2. Функционально-структурная схема СУТП

Рис. 1.1. Функционально-структурная схема системы управления

Несмотря на разнообразие систем управления, в любой из них можно выделить три основных элемента: объект управления, комплекс технических средств (КТС) контроля и управления, оперативный персонал. Исходя из этого, рассмотрим функ-

5

ционально-структурную схему системы управления технологическим процессом.

Информация о состоянии ТОУ, то есть текущие значения параметров y(t), x(t) воспринимается датчиками. Измеренные значения передаются на устройства отображения информации, выполняющие функции контроля и сигнализации параметров ТОУ. Средства контроля отображают количественные изменения измеряемых параметров. Средства сигнализации оповещают оперативный персонал о состоянии ТОУ и каких-либо событиях посредством световых и звуковых сигналов.

В ручном режиме работы системы оперативный персонал на основании информации, полученной от устройств отображения информации, с помощью исполнительных устройств создает управляющие воздействия, поддерживающие нормальный технологический режим. В автоматическом режиме работы системы управляющие устройства на основании информации, воспринятой непосредственно от датчиков, выполняют функции управления (регулирование, программно-логическое управление, защиту и блокировку) автоматически, то есть без участия оперативного персонала. Последний устанавливает задания управляющим устройствам и осуществляет общий контроль над ходом технологического процесса.

1.3. Параметры ТОУ и входные воздействия

Для создания эффективной системы управления необходимо в первую очередь провести анализ технологического процесса как объекта управления и охарактеризовать его параметры. Несмотря на многообразие параметров ТОУ, все они разделяются на две группы: входные и выходные.

y(t) - выходные параметры, подлежащие управлению (управляемые). По y(t) оценивают эффективность работы объекта и качество производимого продукта. В качестве выходных параметров обычно выступают физико-химические переменные, характеризующие состояние или поведение объекта. Например, это показатели продукта внутри и на выходе аппарата, такие как

6

температура, концентрация определенных веществ, влажность, кислотность, плотность и т.д.

x(t) - это параметры, характеризующие входные материальные и энергетические потоки, то есть их качественные и количественные показатели. Например, расход продукта на входе в аппарат является количественным показателем материального потока, давление и расход теплоносителя на входе в аппарат - показатели энергетических потоков.

Изменения значений входных параметров называются входными воздействиями. Входные воздействия вызывают изменение значений выходных параметров. В зависимости от вызываемых изменений они делятся на две группы: возмущающие и управляющие.

z(t) - возмущающие воздействия, нарушающие нормаль-

ный режим работы объекта. Многие возмущающие воздействия трудно заранее учесть, что значительно усложняет проведение процесса.

В зависимости от места возникновения можно выделить следующие группы возмущающих воздействий. К первой группе относятся колебания физико-химических параметров входных потоков, например неравномерность подачи в аппарат сырья и теплоносителей, скачки напряжения в электросети. Ко второй группе относятся суточные и сезонные изменения окружающей среды, например температуры и влажности воздуха в производственных помещениях. К третьей группе относятся внутренние возмущающие воздействия, возникающие в самом объекте управления, например загрязнение и коррозия стенок аппарата.

Возмущающие воздействия могут быть контролируемыми и неконтролируемыми. Контролируемые возмущающие воздействия можно измерять автоматически непосредственно на действующем ТОУ, неконтролируемые – нельзя.

u(t) - управляющие воздействия, при помощи которых поддерживают заданный технологический режим и устраняют отклонения от нормы выходных параметров, вызванных возмущающими воздействиями. Управляющие воздействия производят с помощью различных устройств, регулирующих материальные и энергетические потоки. Например, изменяя положение регулирующего клапана или заслонки на линии подачи теплоно-

7

сителя в аппарат, поддерживают заданный температурный режим. Для регулирования потока электроэнергии используют реостаты, контактные и бесконтактные пускатели, разного рода переключатели.

1.4. Параметрическая схема ТОУ

zК(t)

zн(t)

Рис. 1.2. Параметрическая схема ТОУ: u(t) - управляющее воздействие; y(t) - управляемый параметр; zк(t) - контролируемое возмущающее воздействие; zн(t) - неконтролируемое возмущающее воздействие

При анализе технологического процесса после определения входных и выходных параметров ТОУ необходимо выявить взаимосвязи между ними, что и отображает его параметриче-

ская схема.

Объект управления на параметрической схеме представляют в виде прямоугольника или совокупности прямоугольников, объединенных между собой линиями связи (см. рис.1.2). Входные воздействия на ТОУ на схеме показываются стрелками. Линия связи между управляющим воздействием u(t)и управляемым параметром y(t) называется каналом управления, а между возмущающим воздействием z(t) и y(t) – каналом возмущения.

8

Fт Тт Fс Тс То

k

Рис. 1.3. Параметрическая схема теплообменника как объекта управления

Рассмотрим составление параметрической схемы ТОУ на примере теплообменника, в котором сырье нагревается теплоносителем до заданной температуры Тк, которая является управляемым параметром (см. рис.1.3). В соответствии с уравнением теплового баланса, конечная температура Тк зависит от расходов

иначальных температур входных потоков теплоносителя (Fт и Тт соответственно) и сырья (Fс и Тс соответственно), коэффициента теплопередачи k, а также потерь тепла в окружающую среду, которые изменяются в зависимости от ее температуры То.

Управляющие воздействия, то есть целенаправленные изменения температуры Тк можно создать, изменяя расходы сырья

итеплоносителя посредством регулирующих органов (клапанов, вентилей и пр.), установленным на их трубопроводах, то есть изменяя положение регулирующего органа на трубопроводе теплоносителя (Sт) и на трубопроводе исходного сырья (Sс). Случайные колебания расходов и температур входных потоков, а также температуры То можно измерить непосредственно на объекте в ходе технологического процесса, поэтому они относятся к контролируемым возмущающим воздействиям. В ходе технологического процесса возможны изменения коэффициента теплопередачи, например, вследствие отложения загрязнений на

9

поверхности теплообмена и колебаний физико-химических характеристик нагреваемого сырья. Такое изменение относится к неконтролируемым возмущающим воздействиям.

1.5. Статические характеристики

При проектировании и эксплуатации систем управления наиболее эффективные решения могут быть приняты на основании данных о статических и динамических свойствах объекта и системы управления, которые описываются соответственно статическими и динамическими характеристиками.

Статическая характеристика объекта управления – это функциональная зависимость выходных параметров объекта от входных в установившемся (то есть статическом) режиме работы объекта, то есть:

y = f ( x )

Статическим называется такой режим, в котором параметры объекта управления постоянны во времени. Статические характеристики делятся на линейные и нелинейные. Линейные характеристики описываются алгебраическим уравнением вида:

Рис. 1.4. Линейные статические характеристики

10