Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
П. С. БЕЛЯЕВ, А. А. БУКИН
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов 3 и 4 курсов
направлений подготовки 151000, 222900, 240100,
240700, 241000, 261700
Учебное электронное издание
комбинированного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2014
1
УДК 621.0
ББК 34.5
Б44
Рецензенты:
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
зам. директора ОАО «НИИРТМаш»
В. Н. Шашков
Кандидат технических наук,
профессор кафедры ИСиЗИ ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
Ю. Ф. Мартемьянов
Б44
Беляев, П. С.
Системы управления технологическими процессами : учебное
пособие [Электронный ресурс] : учебное пособие для студентов
3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100,
240700, 241000, 261700/ П. С. Беляев, А. А. Букин. – Тамбов : Изд-во
ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). –
Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROMдисковод
40,3 Mb RAM ; Windows 95/98/XP ; мы
Рассмотрены базовые принципы построения автоматических цепей управления; основы Государственной системы приборов (ГСП); принципы действия
датчиков теплоэнергетических величин, давления, расхода вещества, уровня
жидкостей и сыпучих веществ, концентрации и состава веществ, влагосодержания в газовых средах, твёрдых и пастообразных веществах; типовые схемы автоматизированных систем управления различными технологическими процессами;
классификация регуляторов, основные положения их пр
ляторы и их функциональные возможности.
Предназначено для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки
151000, 222900, 240100, 240700, 241000, 261700 дневной и заочной форм обучения при изучении дисциплин «Системы управления химико-технологическими
процессами», «Управление технологическими процессами и системами», «Системы управления биотехнологическими процессами», «Управление технологическими потоками», «Автоматический контроль технологических параметров»,
«Автоматизированные сис
ы управления технологическими процессами».
тем
шь. – Загл. с экрана.
именения, типовые регу-
УДК 621.0
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2014
2
ББК 34.5
ВВЕДЕНИЕ
Проведение практически любого технологического процесса в химической промышленности, машиностроительном производстве, упаковочной технологии, пусконаладочном процессе и т.д. (можно перечислить практически
все отрасли производства и сферы человеческой деятельности) подразумевает,
что в ходе этого процесса должны выдерживаться заданные параметры (параметры технологического процесса). К параметрам технологического процесса
относятся температура, давление, расход ве
сыпучего вещества в ёмкости, состав вещества, концентрация вещества, влажность вещества и т.д. Для того чтобы организовать управление каким-либо
технологическим параметром, необходимо в первую очередь получить информацию о состоянии (величине) контролируемого параметра на объекте управления. Для этого используются соответствующие датчики, которые должны
однозначно реагировать на изменение интер
представляет собой прибор, который состоит из чувствительного элемента и
измерительного преобразователя. Непосредственно на изменение контролируемого параметра реагирует чувствительный элемент. При этом изменение
состояния чувствительного элемента должно достаточно легко поддаваться
контролю либо визуально, либо при помощи какого-либо прибора (измерительного преобразователя). Назначение измерительного преобразова
в данном случае – преобразовать информацию о состоянии чувствительного
элемента в унифицированный сигнал Государственной системы приборов
(ГСП). Об этом более подробно будет сказано ниже. Часто датчик состоит из
одного только чувствительного элемента. В этом случае информация об изменении состояния чувствительного элемента поступает непосредственно на
контрольный или регулирующий прибор. В этом сл
прибора должен быть адаптирован к получению информации в таком виде.
Об этом более подробно будет сказано в разделе «регуляторы».
Ещё одним очень важным свойством датчика является то, что он должен
реагировать на изменение только контролируемого параметра и не реагировать
(или ничтожно мало) на изменение дру
примере. В качестве датчика температуры часто используется ртуть (в ртутных термометрах) и подкрашенный спирт (спиртовые термометры). И ртуть и
спирт имеют большой коэффициент объёмного расширения. Именно это свойство используется для получения информации о температуре среды, контактирующей напрямую или опосредованно с ртутью и спиртом. При эт
щества, уровень жидкости или
есующего нас параметра. Датчик
теля
учае входной канал такого
гих параметров. Это можно пояснить на
ом необхо-
3
димо подчеркнуть, что изменяется объём рабочего тела (ртути), и шкала, вдоль
которой движется столбик ртути в стеклянном капилляре, реально показывает
увеличение объёма ртути. Но вместо единиц объёма на шкале нанесены
в соответствии с тарировочной таблицей градусы (либо по Цельсию, либо
по Кельвину, либо по Фаренгейту, либо по Реомюру). И, соответственно,
нет необходимости каждый раз пользоваться переводными таблицами объём
рту
ти – её температура. И этот принцип прямого перевода одной информации
в другую для удобства пользователя широко используется в технике (и в автоматике, в частности). Теперь возвратимся ко второму важному свойству датчиков – реагированию на контролируемый параметр, и игнорированию изменения других параметров. Та же рту
увеличением объёма; и в то же время её объём практически никак не изменяется ни при изменении освещённости, ни при изменении атмосферного давления, ни при изменении влажности окружающей среды и т.д.
Для организации управления в ручном режиме достаточно визуальной
информации. Если необходимо организовать пол
матическую цепь управления, то кроме (или вместо) визуальной информации
необходимо получить от датчика сигнал, который можно использовать в автоматической системе управления (АСУ), или системе автоматического управления (САУ). При этом любая АСУ технически состоит (кроме самого объекта
управления) минимум из трёх элементов: датчика, регулятора, исполнительного механизма. Форм
системы АСУ, состоящие из двух элементов: датчика-реле и исполнительного
механизма. Но, так как любой датчик-реле конструктивно состоит из чувствительного элемента и механизма, реализующего управляющее воздействие
в соответствии с заданием пользователя (либо по жёсткой заводской схеме,
либо посредством уставки на с
ни назвать регулятором, то и в этом случае, по сути, можно выделить те же
три элемента. В этой связи особо хочется подчеркнуть, что ни в коем случае
нельзя строить АСУ, состоящие из двух элементов – датчика и исполнительного механизма, даже в том случае, если в
с управляющим сигналом исполнительного механизма (что очень часто пытаются сделать студенты на ранних этапах изучения дисциплины). Так, например, если датчик избыточного давления имеет выходной сигнал 4…20 мА,
то механизм электродвигательный однооборотный (МЭО) имеет такой же
управляющий сигнал и имеет возможность воздействовать на величину давления на объекте у
функционировать так, как это изначально задумано, не будет, так как между
этими двумя элементами отсутствует регулятор, назначением которого является
выработка управляющего воздействия в соответствии с заложенным алгоритмом
функционирования (см. курс лекций) и заданием, выставленным пользователем.
При этом на вход регулятора поступает и
а выходит на исполнительный механизм управляющий. Хотя они и совпадают
по диапазону изменения, по значению они будут совпадать в очень редких
случаях, да и то случайно.
4
альным исключением в данном случае можно считать
правления. Цепь управления, состоящая из двух этих элементов,
ть реагирует на изменение температуры
уавтоматическую или авто-
рабатывание), который можно в какой-то степе-
ыходной сигнал датчика совпадает
нформационный сигнал,
1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ
Для согласования работы приборов и средств автоматизации между
собой создана Государственная система приборов (ГСП). Все аспекты
взаимосвязанной работы регламентированы ГОСТ 13033 «ГСП. Приборы и средства автоматизации электрические аналоговые. Общие технические условия». Этот стандарт распространяется на электрические аналоговые приборы и средства автоматизации Государственной системы
промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), в которых
естве энергии питания используется электрическая энергия,
в кач
а входными и (или) выходными сигналами информационной связи между изделиями являются непрерывные электрические сигналы. Стандарт
устанавливает требования к изделиям, изготовляемым для нужд народного хозяйства и экспорта.
На ранних этапах создания средств автоматики в различных организациях и на предприятиях разрабатывалось множество разли
приборов измерения и контроля со сходными техническими характеристиками, однако при этом не учитывалась возможность совместной работы приборов различных производителей. Это приводило к увеличению стоимости разработок сложных систем и тормозило широкое внедрение средств автоматизации. Поэтому в 1960 г. было принято решение
о создании ГСП, а с 1961 г. нача
лись работы по её реализации.
В настоящее время ГСП представляет собой эксплуатационно, информационно, энергетически, метрологически и конструктивно организованную совокупность изделий, предназначенных для использования
в качестве средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования технологических процессов, а также
информационно-измерительных систем. ГСП стала технической базой
для создания автоматических сист
ем управления технологическими
процессами (АСУ ТП) и производством (АСУП) в промышленности.
Её развитие и применение способствовали формализации процесса проектирования АСУ ТП и переходу к машинному проектированию.
В основу создания и совершенствования ГСП положены следующие системотехнические принципы: типизация и минимизация многообразия функций автоматического контроля, регулирования и управления; мини
мизация номенклатуры технических средств; блочномодульное построение приборов и устройств; агрегатное построение
систем управления на базе унифицированных приборов и устройств;
совместимость приборов и устройств.
По функциональному признаку все изделия ГСП разделены
на следующие четыре группы устройств: получения информации
чных
5
о состоянии процесса или объекта; приёма, преобразования и передачи
информации по каналам связи; преобразования, хранения и обработки
информации, формирования команд управления; использования командной информации.
В первую группу устройств в зависимости от способа представления информации входят: датчики; нормирующие преобразователи,
формирующие унифицированный сигнал связи; приборы, обеспечивающие представление измерительной информации в форме, дос
тупной для непосредственного восприятия наблюдателем, и устройства
алфавитно-цифровой информации, вводимой оператором вручную.
Вторая группа устройств содержит коммутаторы измерительных
цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы,
согласующие устройства, средства телесигнализации, телеизмерения и
телеуправления. Эти устройства используют для преобразования как
измерительных, так и управляющих сигналов.
Третью группу составляют анализаторы сигналов, фу
нкциональные и операционные преобразователи, логические устройства и устройства памяти, задатчики, регуляторы, управляющие вычислительные устройства и комплексы.
В четвёртую группу входят исполнительные устройства (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные исполнительные механизмы), усилители мощности, вспомогательные
устройства к ним, а также устройства представления информации.
Минимизация номенклатуры средств контроля и упр
авления реализуется на основе двух принципов: унификации устройств одного
функционального назначения на основе параметрического ряда этих
изделий и агрегатирования комплекса технических средств для решения крупных функциональных задач.
В настоящее время разработаны параметрические ряды датчиков
давления, расхода, уровня, температуры и электроизмерительных приборов. Тем не менее продолжается их оптимизация по тех
никоэкономическим показателям, например по критерию минимума суммарных затрат на удовлетворение заданных потребностей. Этот критерий основан на противоречии между интересами потребителя и изготовителя: чем меньше в ряду приборов, тем меньше затраты на их разработку и освоение, и тем большими партиями они выпускаются, что
также снижает затраты и
зготовителя. Увеличение числа приборов
в ряду даёт экономию потребителю за счёт более эффективного использования их возможностей или более точного соблюдения режимов
технологических процессов.
6
По роду используемой энергии носителя информационных сигналов устройства ГСП делятся на электрические, пневматические, гидравлические, а также устройства, работающие без использования вспомогательной энергии – приборы и регуляторы прямого действия. Для того
чтобы обеспечить совместную работу устройств различных групп, применяют соответствующие преобразователи сигналов. В АСУ наиболее
эффективно комбинированное применение устройств р
азличных групп.
Достоинства электрических приборов общеизвестны. Это, в первую очередь, высокая чувствительность, точность, быстродействие,
удобство передачи, хранения и обработки информации. Пневматические приборы обеспечивают повышенную безопасность при применении в легко воспламеняемых и взрывоопасных средах, высокую надёжность в тяжёлых условиях работы и агрессивной атмосфере. Однако они уступают электронным пр
иборам по быстродействию, возможности передачи сигнала на большое расстояние. Гидравлические приборы позволяют получать точные перемещения исполнительных механизмов и большие усилия.
Обмен информацией между техническими средствами ГСП реа-
лизуется при помощи сигналов связи и интерфейсов.
В АСУ наиболее распространены электрические сигналы связи,
достоинствами которых являются высокая скорость передачи сигнала,
низкая стоимость и доступность исто
чников энергии, простота прокладки линий связи. Пневматические сигналы применяют в основном
в нефтяной, химической и нефтехимической промышленности, где
необходимо обеспечить взрывобезопасность и не требуется высокое
быстродействие. Гидравлические сигналы в основном применяют в
гидравлических следящих системах и устройствах управления гидравлическими исполнительными механизмами.
Информационные сигналы могут быть п
редставлены в естественном или унифицированном виде. Естественным сигналом называется
сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон
изменения которого определяются его физическими свойствами и диапазоном изменения измеряемой величины. Обычно это выходные сигналы измерительных преобразователей, чаще всего электрические,
которые можно передать на небольшое расстояние (до нескольких
метров). Вид но
сителя информации и диапазон изменения унифициро-
ванного сигнала не зависят от измеряемой величины и метода измере-
ния. Обычно унифицированный сигнал получают из естественного
с помощью встроенных или внешних нормирующих преобразователей.
Основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП приведены в табл. 1.1.
7
1.1. Основные виды унифицированных
Постоянный
ток, мА
0...5
0...20
–5...0...5
4...20
электрических сигналов ГСП
Постоян-
ное напряже-
ние, мВ
Перемен-
ное напря-
0...10
0...20
–1...0...1
–10...0...10
0...1000
жение, В
0...2
Частота,
кГц
4...8
2...4
Индуктивность, мГн
0...10
Пневма-
тика, МПа
0,02...0,10
Из электрических сигналов наиболее распространены унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Частотные сигналы используют в телемеханической аппаратуре и комплексе технических средств локальных информационно-управляющих систем.
При создании сложных систем, особенно на базе микропроцессорных устройств и вычислительных средств, обмен информацией
между техническими средствами верхнего уровня осуществляется
с помощью интер
фейсов. Интерфейс – это совокупность программных
и аппаратных средств, устанавливающих и реализующих взаимодействие устройств, входящих в систему, и предназначенных для сбора, переработки и использования информации.
Интерфейс состоит из программной и аппаратной частей.
Программная (информационная) часть определяет протокол (порядок)
обмена сигналами и информацией (алгоритмы и временные диаграммы). Аппаратная часть (интер
фейсные карты, платы) позволяет осуществлять информационный обмен управляющими, адресными, известительными и другими сигналами между функциональными модулями.
Исходя из имеющихся задач контроля, подбирают необходимый
датчик. В случае необходимости контроля параметра, например температуры, подбирают датчики, чувствительные к изменению теплоэнергетических величин.
8
2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В автоматических системах измерение и контроль температуры
осуществляют на основе физических свойств тел, функционально связанных с температурой последних. Приборы для измерения и контроля
температуры по принципу действия могут быть разделены на следующие группы:
А. Термометры для измерения температуры контактным методом.
1. Термометры расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкости (жидко
метрические, биметаллические).
2. Манометрические термометры и преобразователи, использующие зависимость между температурой и давлением газа (газовые) или
насыщенных паров жидкости (конденсационные).
3. Термоэлектрические преобразователи (ТП), работающие в комплекте с вторичными приборами или измерительными преобразователями; принцип действия основан на измерении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой тер
личных проводников (термоЭДС зависит от разности температур спая
и свободных концов ТП, присоединяемых к измерительной схеме).
4. Термопреобразователи сопротивления (ТС), работающие в комплекте с вторичными приборами или измерительными преобразователями различного типа; используют измерение электрического сопротивления материалов (металлов, полупроводников) в зависимости от измерения тем
нагретого тела на данной длине волны.
ловому действию лучеиспускания накалённого тела во всём спектре
длин волн.
«Международная практическая температурная шкала 1968 г.»
(МП
Цельсия (°С). Соотношение между ними следующее:
где t68 – температура в градусах Цельсия; T68 – температура в Кельвинах.
пературы.
Б. Приборы для измерения температуры бесконтактным методом.
1. Яркостные пирометры, измеряющие температуру по яркости
2. Радиационные пирометры для измерения температуры по теп-
При измерении температуры используют шкалу под названием
ТШ-1968).
Единицей температуры является кельвин (К), а также градус
t68 = T68 – 273,15,
стные) или твёрдых тел (дилато-
мопарой (спаем) из двух раз-
9
2.1. ТЕРМОМЕТРЫ ТЕХНИЧЕСКИЕ СТЕКЛЯННЫЕ ЖИДКОСТНЫЕ
Жидкостные стеклянные термометры расширения применяют для
измерения температур в пределах от –35 до +500 °С. В зависимости от
формы нижней части они подразделяются на прямые (тип П) и угловатые (тип У) с углом 90°. По конструктивному исполнению жидкостные
стеклянные термометры выпускаются трёх типов:
1. Термометры палочные (тип А). У этого типа термометров тол-
стенный массивный капилляр переходит в резервуар, который из-
сто
готовлен из стекла капилляра или припаян к нему в виде заготовки
заданной конфигурации. Деления шкалы нанесены на наружной поверхности капиллярной трубки. Такую конструкцию имеет большинство образцовых термометров.
2. Термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной обо-
лочки (тип Б). У этого тип
а термометров капилляр впаян в оболочку,
из стекла которой сформирован чувствительный элемент – резервуар.
Шкала изготовлена из стекла молочного цвета, из алюминия или бумаги. Такие термометры получили наибольшее распространение.
3. Термометры с наружной шкальной пластиной (тип В). Этот
тип термометров изготовлен в виде капиллярной трубки, прикреплённой к шкальной пластине или оп
раве, на которых нанесена шкала.
Такие термометры применяют в основном для измерения температуры
воздуха в производственных и бытовых помещениях.
По способу получения информации об изменении температуры
термометры подразделяются на контрольные (предназначены для визуального отсчёта показаний) и контактные (предназначены для замыкания или размыкания цепей электрического тока в целях поддержа-
стоянной температуры или сигнализации о достижении темпе-
ния по
ратурой заданного значения). Контактные термометры (электротерморегуляторы) изготавливают как с заданной температурой контактирования, так и с магнитной регулировкой положения контакта, обеспечивающего сигнализацию или поддержание температуры в любой точке
предела измерения термометра. Все контактные термометры и термоконтакторы заполняются ртутью. Некоторые типы жи
дкостных стек-
лянных термометров расширения показаны на рис. 2.1 и 2.2.
Помимо термометров специального назначения для контроля
температуры влажностно-тепловых процессов используют термометры
промышленные, лабораторные и метеорологические. Некоторые
из этих термометров (ТС-11, ТМ-4, ТМ-6) применяют для измерения
влажности воздуха психрометрическим методом.
10