Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматическое регулирование. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
В. П. Ившин, М. Ю. Перухин
АВТОМАТИЧЕСКОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2016
УДК 658.5:66
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор кафедры
С. А. Терентьев
ISBN 978-5-7882-1941-7
©
Ившин В. П. Перухин М. Ю., 2016
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
ББК 32.965
И 28
Ившин В. П.
Автоматическое регулирование : учебное пособие / В. П. Ившин,
М. Ю. Перухин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед.
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 80 с.
ISBN 978-5-7882-1941-7
Учебное пособие представляет собой дополнение к курсу
лекций и циклу лабораторных работ по разделу СУХТП «Системы
автоматического регулирования». Приведены описания устройств,
терминология, основные понятия и определения, принятые в курсе
лекций, предварительное знакомство с которыми необходимо при
усвоении материала.
Предназначено для студентов всех специальностей, изучающих
дисциплины «Системы управления химико-технологическими
процессами», «Автоматизированные системы управления».
Подготовлено на кафедре «Автоматизированные системы сбора
и обработки информации».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
автоматизации технологических процессов
и производств Казан. гос. энерг. ун-та
К. Х. Гильфанов
канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики
и управления КНИТУ им. А.Н. Туполева
2
Посвящается светлой памяти
Мирона Семёновича Вайнера
ВВЕДЕНИЕ
Основной вопрос экономической стратегии государства –
ускорение научно – технического прогресса, что позволит
добиться значительного повышения производительности труда.
Одним из важнейших направлений, повышающих
производительность труда, является освоение передовых
технологий, таких как мембранная, лазерная, плазменная
технологии, нанотехнология, а также использование сверхвысоких
давлений и импульсных нагрузок. Бурно развивается
робототехника, внедряются роторно-конвейерные линии.
Второе направление – это автоматизация производства.
Развитие автоматизации связано с возрастающей интенсификацией
технологических процессов и ростом производств, использованием
агрегатов большой единичной мощности, усложнением
технологических схем, предъявлением повышенных требований к
получаемым продуктам.
Человек обладает конечной скоростью восприятия
ограниченного объема информации; ему требуется некоторое время
на ее обдумывание, принятие решения и выполнение
соответствующих мероприятий. Действия человека отличаются
субъективностью. Оператор должен непрерывно следить за
процессом, с максимальной быстротой оценивать текущую
обстановку и в случае необходимости принимать решения с целью
поддержания заданного режима, что чрезвычайно сложно, а иногда и
невозможно. Поэтому в настоящее время эксплуатация процессов
химической технологии без автоматизации практически немыслима.
3
1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Механизация производственного процесса - замена
физического труда человека работой механизмов (автоматических
устройств), получающих энергию от какого либо источника.
Автоматическое устройство - это устройство, выполняющее свои
функции без вмешательства человека. Автоматизация
производственного процесса - это внедрение автоматически
действующих устройств в промышленное производство.
Управление - формирование управляющих воздействий,
обеспечивающих требуемый режим работы объекта управления (ОУ).
Автоматическая система управления (АСУ) – разновидность
систем управления, включающая технические средства, которые
обеспечивают автоматический сбор, обработку информации, в том
числе принятие решения и реализацию принятого решения.
Автоматическая система управления состоит из управляемого объекта
и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих
между собой [1].
Объект управления – устройство, требуемый режим работы
которого должен поддерживаться извне специально организованными
управляющими воздействиями.
По отношению к ОУ различают величины входные и выходные.
Под входными величинами понимают изменение параметров на входе
в ОУ, под выходными изменение параметров на выходе из ОУ. Для
нормального функционирования объекта выходные величины должны
поддерживаться на определенном заранее заданном значении или
изменяться по определенной программе. Во время работы выходные
величины отклоняются от заданных значений под действием
возмущений, и появляется рассогласование между текущими и
заданными значениями выходных величин объекта. Для компенсации
влияния возмущений на ОУ налагают управляющее воздействие,
изменяя с помощью исполнительного устройства материальные или
энергетические потоки объекта. Таким образом, в процессе
управления на объект наносятся воздействия, которые компенсируют
возмущения и обеспечивают поддержание нормального режима его
работы. Управление может быть ручным или автоматическим. При
ручном управлении воздействие на химико-технологический объект
через исполнительное устройство осуществляет человек (оператор),
4
наблюдающий за ходом процесса. Оператор следит за отклонением
режима работы объекта от требуемого и, в зависимости от этого
отклонения, воздействует на исполнительное устройство таким
образом, чтобы процесс удовлетворял заданным условиям. При
автоматическом управлении воздействие на объект осуществляется
специальным автоматическим устройством (АУ) в замкнутом контуре;
такое соединение элементов образует автоматическую систему
управления.
Частным случаем управления является регулирование.
Регулированием называют поддержание выходных величин объекта
вблизи требуемых постоянных или переменных значений с целью
обеспечения нормального режима его работы посредством подачи на
объект управляющих воздействий. Автоматическое устройство,
обеспечивающее поддержание выходных величин объекта вблизи
требуемых значений, называют автоматическим регулятором.
На предприятиях ряда отраслей промышленности различают
три уровня автоматизации управления в общей схеме
автоматизированного управления предприятием:
• автоматизация управления технологическими процессами
(нижняя ступень);
• автоматизация управления на уровне производств (средняя
ступень);
• автоматизация управления на уровне предприятия (верхняя
ступень).
На нижней ступени решаются технические задачи:
соблюдение технологических режимов, правил эксплуатации
оборудования и техники безопасности. АСУТП предназначены для
выработки и реализации управляющих воздействий на
технологический объект управления (ТОУ) в соответствии с
принятым критерием управления и с помощью современных средств
ЭВМ. ТОУ – это совокупность технологического оборудования и
реализованного на нем по соответствующим регламентам
технологического процесса. Критерий управления – это
соотношение, характеризующее качество работы ТОУ в целом и
принимающий конкретные числовые значения. Наиболее
распространенным критерием управления является прибыль
предприятия. На этой ступени применяют локальные системы
стабилизации и регулирования параметров, поисковую автоматику,
5
некоторые элементы вычислительной техники, а также
автоматическую сигнализацию, блокировку, регистрацию и т. п.
На средней ступени определяется экономически обоснованное
распределение нагрузок между цехами и агрегатами, оптимальный
режим технологического процесса, а также вырабатываются и
передаются команды управления системам автоматизации нижней
ступени. Для этого используют системы централизованного сбора
информации и программы для анализа деятельности производства.
На верхней ступени решаются технические и в основном
экономические задачи. Планируется производство отдельных цехов и
участков, выполняются учетные работы, осуществляется управление
транспортом, складами, энергоресурсами, определяются показатели
для оперативного управления, которые передаются в
соответствующие системы автоматизации средней ступени.
Решение вопросов автоматизации на уровне всех трех ступеней
является, по существу, решением вопросов комплексной
автоматизации производств.
1.1. Система автоматического регулирования (САР)
технологическими процессами
Современная теория автоматического регулирования является
основной частью теории управления. Автоматизированная система
управления (АСУ) – это человеко-машинная система,
обеспечивающая автоматизированный сбор, обработку информации
и оптимизацию управления в различных сферах человеческой
деятельности. Цель внедрения АСУ – создание
общегосударственной системы управления всем народным
хозяйством (ОГАС).
Система автоматического регулирования состоит из
регулируемого объекта и элементов управления, которые
воздействуют на объект при изменении одной или нескольких
регулируемых переменных.
Под влиянием входных сигналов (управления или
возмущения) изменяются регулируемые переменные. Цель же
регулирования заключается в формировании таких законов, при
которых выходные регулируемые переменные мало отличались бы от
требуемых значений. В схеме, представленной на рис. 1, выбор
оптимального хода технологического процесса обеспечивается АСУ
6
ТП. Обратная связь проявляется в том, что изменения состояния
процесса, возникшие в результате управляющих воздействий со
стороны АСУ ТП и внешних случайных воздействий, в виде данных о
ходе процесса снова поступают в АСУ ТП [2].
Рис. 1. Схема автоматизированного управления технологическим процессом
Качество управления определяется тремя основными
факторами: выбором эффективного решения, своевременностью его
принятия и возможностью реализации этого решения. Система
управления технологическим процессом независимо от размещения
ЭВМ должна обеспечить получение информации, передачу ее в
систему обработки данных, обработку (систематизацию, сортировку,
вычисления) и выдачу команд, управляющих ходом производства и
обеспечивающих строгую регламентацию протекающих процессов,
печатных документов, информационных сообщений и советов (рис 2).
Рис. 2. Структурная схема автоматизированного управления ТП
В автоматизированной системе управления сбор, переработка
и вывод информации осуществляются автоматически или
автоматизировано. При обработке информации для анализа
обстановки, кроме текущих данных о состоянии производственного
процесса, используют также нормативные данные, плановые данные и
математическое описание (модель) производства
7
Современный этап автоматизации базируется на широком
использовании промышленных ЭВМ и персональных
компьютеров, а также программируемых контроллеров в
функциональных схемах автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУТП) [3].
При большом расстоянии между технологическими
аппаратами и пунктами управления целесообразно вместо
инерционных пневматических средств автоматизации применять
электрические средства автоматизации (ЭСА). Многие химические
производства относятся к числу взрывопожароопасных и
автоматизация осуществляется на основе использования
взрывозащищенных средств автоматизации с использованием
контроллеров и станций управления на базе персональных
компьютеров (ПК).
1.2. Классификация технологических процессов
1.2.1. Классификация по характеру процесса
Согласно временной характеристике, технологические
процессы по характеру могут быть подразделены на непрерывные,
непрерывно-дискретные и дискретные [4].
Непрерывные процессы – это процессы, в которых
конечный продукт производится поточным способом при
непрерывном подводе сырья, энергии, компонентов, управляющих
воздействий и т.п. Эти процессы (например, переработка сырья
при производстве муки, сахара и т.п.) имеют достаточную
стабильность и стационарность и наиболее удобны для
управления.
Непрерывно – дискретные процессы – это процессы, при
которых в течение определенного относительно длительного
промежутка времени (часов или дней) вырабатывается
определенное ограниченное количество конечного продукта,
периодически производимого порциями. Для них характерно
наличие циклов и сочетание особенностей непрерывного и
дискретного процессов. Сырье и полуфабрикаты вводятся
регламентированными дозами и в определенной
последовательности (операции смешивания и подачи энергии
осуществляются в заданном порядке). После выполнения всех
8
операций последовательной переработки продукции в
соответствии с требованиями качества и рецептуры формируется
порция конечного продукта (например, первичное виноделие и
розлив, сахарорафинадное производство, стерилизация консервов,
ферментация табака и чая и др.).
Дискретные процессы – это процессы, характеризующиеся
периодической повторяемостью различных преобразований или
чередованием операций перемещения и дозирования, наиболее
важных для управления при производстве штучных изделий. Для
данных процессов характерно большое количество однородных
изделий во времени. К дискретным процессам относят процессы
порционного и многокомпонентного дозирования: фасовка муки,
печенья в пачки и другую тару, фасовка порошкообразных
продуктов. Эти процессы отличаются высокой
производительностью.
1.2.2. Классификация технологических процессов
в зависимости от поставленных задач
Автоматизацию производственных процессов в
зависимости от поставленных задач подразделяют на частичную,
комплексную и полную.
Частичная автоматизация (отдельных производственных
процессов, устройств, элементов оборудования) реализуется
простыми техническими средствами без сложной подготовки
автоматизируемого оборудования и процессов.
Комплексная автоматизация проводится на участке, в
отделении, цехе, которые функционируют как единый
взаимосвязанный автоматизированный комплекс, т.е. при участии
людей. Комплексная автоматизация возможна при
высокоразвитом производстве с совершенной технологией и при
прогрессивных методах управления с применением надежного
производственного оборудования, действующего по заданной или
саморегулирующейся программе. При комплексной
автоматизации функции человека состоят в контроле и
управлении работой комплекса. При комплексной автоматизации
необходимо автоматизировать операции обслуживания
технологических машин и аппаратов: транспортирование к ним
заготовок и деталей, полуфабрикатов и материалов, готовой
9
продукции, а также ее упаковывание, складирование и т.п.
Практика показала, что далеко не все ручные технологические
операции можно автоматизировать традиционными техническими
средствами автоматики, поэтому и возникла необходимость
создания промышленных роботов. Промышленный робот – это
автоматическая машина (стационарная или передвижная),
состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора,
имеющего несколько степеней подвижности, и
перепрограммируемого устройства программного управления для
выполнения в производственном процессе двигательных и
управляющих функций. Все выпускаемые в настоящее время
промышленные роботы включают в себя органы манипулирования
– «руки» и схваты; при необходимости – органы перемещения –
тележки и другие устройства, программную управляющую
систему; датчики, контролирующие положение рабочих органов.
Функция манипулятора состоит в перемещении «руки» и
ориентации схвата относительно технологического оборудования, с
которым взаимодействует робот. Конструкция «руки»
промышленного робота может быть выдвижной или шарнирной.
Число степеней свободы, которые можно определить как число
элементарных независимых движений схвата, осуществляемых
роботом, определяет подвижность механизма манипулятора. С
увеличением числа свободы робот становится более
универсальным и гибким, способным выполнять сложные
технологические операции. Для простых операций применяют
роботы с 3-5 степенями свободы.
Полная автоматизация предусматривает передачу всех
функций управления и контроля производством автоматическим
системам управления. Полностью автоматизируют рентабельно
устойчивые производства, режимы работы которых практически
неизменны. Особенно важна полная автоматизация в условиях
опасных для жизни и здоровья человека.
1.2.3. Классификация потенциально опасных процессов
Из всей совокупности процессов химической технологии
можно выделить процессы, которые при определенных условиях
выходит в аварийный режим. Причинами возникновения аварийной
ситуации могут быть:
10