Авторы Введение

С различными измерениями человек сталкивается с момента своего рождения всю жизнь, осуществляя их самостоятельно или наблю­дая за выполнением измерений. Достаточно вспомнить как часто приходится использовать стеклянные термометры, линейки, весы и др.

Всем известно понятие «мерить» («измерять»). Под ним в быту понимают определенную операцию, которая без труда выполняется с помощью названных приборов. В настоящее время простейшие измерения осуществляются уже учениками младших классов шко­лы. Наряду с этим современные фундаментальные научные иссле­дования требуют проведения сложнейших измерений, постановку и выполнение которых осуществляют целые научные организации, располагающие специалистами высшей квалификации. В то же время общей для указанных и всех других измерений является осуществляемая при каждом измерении экспериментальная опера­ция, состоящая в сравнении измеряемой физической величины с од­ноименной ей величиной, принятой за единицу. Целью такого срав­нения является определение количественной оценки (значения) из­меряемой величины в виде определенного числа принятых для нее единиц. За внешней простотой указанной экспериментальной операции скрываются глубокие философские концепции, связанные с материалистическими представлениями о познаваемости явлений природы.

Измерения осуществляются с помощью специальных техниче­ских средств, различных по сложности и принципам действия. Ука­занные технические средства называют измерительными устройствами, установками или системами (см. гл. 2).

Совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпрета­ции их результатов, принято определять понятием измерительная техника.

Исторически развитие измерительной техники неразрывно свя­зано с развитием потребностей общества. XX век характеризуется ускоренным развитием науки и промышленного производства. По­следнее немыслимо без широчайшего применения самых разнооб­разных измерений и измерительных устройств.

Место измерительной техники в современном мире могут харак­теризовать, следующие данные. Затраты на измерительную технику в настоящее время составляют 10—15 % всех материальных затрат на общественное производство, а в таких отраслях промышленности, как нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, радиоэлектронная, самолетостроительная и другие, эти затраты до­стигают 25 %.

В нашей стране ежедневно проводится более 20 млрд. измере­ний. Выполнением измерений и связанных с ними операций конт­роля занимается более 3 млн. трудящихся. В настоящее время без измерений не может обойтись практически ни одна область дея­тельности человека.

Основной потребитель измерительной техники — промышлен­ность. Здесь измерительная техника является неотъемлемой частью технологических процессов, так как используется для получения информации о многочисленных режимных параметрах, определяю­щих ход процессов. На использовании разнообразных и часто сложных измерительных устройств и установок базируется в про­мышленности контроль качества продукции и сырья.

Область измерительной техники, объединяющую измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах, принято определять понятием технологические измере­ния.

Набор измеряемых параметров, включаемых в технологические измерения, весьма различен для различных отраслей промышлен­ности и во многом зависит от специфики технологических процес­сов.

Все производства различных отраслей промышленности в зави­симости от характера технологического процесса можно подразде­лить на две группы: производства с непрерывным и производства с дискретным (штучным) характером технологических процессов. К первой группе относятся производства таких отраслей промыш­ленности, как нефтеперерабатывающая, газоперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, металлургическая, теплоэнергетиче­ская и др., ко второй группе — машиностроение, приборостроение, радиоэлектронная, пищевая и др. Приближенное представление о том, какие параметры и в каком относительном количестве изме­ряются на производствах с непрерывным и дискретным характе­ром технологических процессов, поможет составить табл. В.1 [8].

Из таблицы следует, что на производствах с непрерывным ха­рактером технологических процессов (к таким производствам от­носятся практически все, в которых используются химико-техноло­гические процессы) измерения давления, температуры, расхода, уровня и количества вещества составляют более 86 % от общего числа всех измерений. Остающиеся 14 % измерений составляют из­мерения состава и физико-химических свойств вещества, а также электрических величин.

Измерения давления, температуры, расхода и уровня принято называть теплотехническими измерениями; измерения состава и физико-химических свойств вещества — физико-химическими изме­рениями, а измерения электрических величин — электрическими из­мерениями. Таким образом, технологические измерения для химико-технологических процессов включают в себя теплотехнические, физико-химические и электрические измерения.

В производствах с непрерывными технологическими процессами, в том числе с химико-технологическими, над исходными вещества­ми (сырьем и реагентами) осуществляют непрерывно во времени различные операции в аппаратах, соединенных технологическими линиями. Указанные операции направлены на изменение физико-химических свойств состава или состояния исходных веществ. В ре­зультате проведения процесса получают готовые продукты задан­ной номенклатуры и качества.

Таблица В.1

Измерения параметров производств с непрерывным и дискретным характером технологических процессов

Параметр	Количество, в % от общего числа измерений для каждого из производств
	Производства с непрерывными процессами	Производства с дискретными процессами
Температура Расход (массовый, объемный) вещества Количество (масса, объем) вещества Давление Уровень Число изделий Длина (размеры, положение, расстояние ) Время Состав веществ Прочие (физико-химические свойства, напряжение, ток, скорость)	50 15 5 10 6 - - 4 4 6	8 4 5 4 4 25 25 15 - 10

Современные производства нефтегазоперерабатывающей, нефте­химической и других отраслей промышленности характеризуются сложностью, значительной мощностью технологических аппаратов и большим числом различных параметров, от которых зависит про­текание химико-технологических процессов. Все это определяет тот факт, что проведение современных технологических процессов без их частичной или полной автоматизации невозможно.

Автоматизацией производственного процесса называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические опе­рации осуществляются автоматически с помощью специальных тех­нических устройств без непосредственного участия человека. Авто­матизация технологического производства предполагает автомати­ческий контроль технологических параметров, автоматическое регулирование и автоматическое (см. приложение 1) или автомати­зированное управление, а также защиту процессов от аварийных режимов, сигнализацию отклонении от номинальных режимов, за­щиту окружающей среды.

Для автоматического контроля, регулирования и управления, необходимо располагать определенной информацией о состоянии объекта автоматизации. Эту информацию получают путем проведения измерений. Для оценки роли измерений в автоматизации химико-технологических процессов рассмотрим как решаются здесь вопро­сы автоматического контроля, регулирования и управления. При решении этих вопросов используются: системы автоматического контроля (САК); автоматические системы регулирования (АСР) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Автоматический контроль является наиболее старым и в то же время наиболее важным видом автоматизации. По существу разви­тие автоматизации началось с создания и применения в технологи­ческих процессах систем автоматического контроля.

На рис. В.1, а показана схема системы автоматического контро­ля некоторого объекта автоматизации 0А (в данном случае объект автоматизации называют объектом контроля).

Р ис. В.1. Схемы систем автоматического контроля (а) и автоматического регулирования (б)

Схема, как правило, включает в свой состав по меньшей мере два измерительных уст­ройства, соединенных между собой каналом связи.

Одно из этих измерительных устройств воспринимает измеряе­мый параметр Х_вых объекта автоматизации; его называют датчи­ком Д (или первичным измерительным преобразователем). Датчик служит для преобразования физического параметра в другой па­раметр—сигнал (например, электрический ток, давление сжатого воздуха и т. д.), который удобно передавать по каналу связи КС. Другое устройство, называемое вторичным прибором ВП, измеряет сигнал, поступающий по каналу связи и несущий информацию о значении измеряемого параметра, а затем представляет его в фор­ме, удобной для восприятия человеком-оператором.

Наблюдая за показанием ВП и зная установленную норму для значения измеряемого параметра (допустимые отклонения часто наносят на шкалу вторичного прибора) , Человек-оператор может— осуществлять контроль, а при необходимости и ручное регулирова­ние объекта автоматизации. В последнем случае с помощью соот­ветствующих устройств оператор изменяет подачу Х_вх материаль­ного потока или анергии на вход объекта до тех пор, пока значение измеряемого параметра не достигнет установленной нормы.

Применение систем автоматического контроля характерно для начального этапа развития автоматизации, когда число технологи­ческих аппаратов и измеряемых параметров было небольшим. С развитием технологии нефтеперерабатывающей, нефтехимиче­ской, химической и других отраслей промышленности количество аппаратов, используемых для проведения процесса, быстро увели­чивалось. На смену ручному регулированию пришло автоматиче­ское. Тенденция такова, что развитие автоматизации производствен­ных процессов неотступно следует за развитием технологии этих процессов.

Па рис. В.1, б показана схема автоматической системы регули­рования. Необходимость регулирования, как ручного, так и авто­матического, вызвана тем, что на объект автоматизации (в данном случае его называют объектом регулирования) постоянно действу­ют различные дестабилизирующие факторы, нарушающие одно­значность связи между входным Х_вх и выходным Х_вых параметрами объекта. Эти факторы называют возмущающими воздействиями ВВ. Под влиянием ВВ выходной параметр Х_вых отклоняется от за­данного значения (нормы). Датчик Д измеряет текущее значение параметра Х_вых и преобразует его в сигнал Y, который поступает на вторичный прибор ВП и специализированное вычислительное устройство, называемое автоматическим регулятором АР. В авто­матический регулятор кроме сигнала Y поступает сигнал Y_зд (за­дание), который пропорционален заданному значению регулируе­мого параметра X_вых и имеет такую же природу, как сигнал Y. Ав­томатический регулятор выполняет определенные вычислительные операции в соответствии с заложенным в него законом регулирова­ния и отрабатывает сигнал Z — регулирующее воздействие, посту­пающий к исполнительному механизму ИМ. Последний изменяет подачу Х_вх материи или энергии в объект регулирования до тех пор, пока параметр АВЬІХ не достигнет заданного значения.

Кроме рассмотренной простейшей автоматической системы ре­гулирования применяются каскадные, комбинированные, автоном­ные, программные и др. Работа этих систем строится на информа­ции, получаемой от одной или нескольких систем автоматического контроля.

Функции управления производственным процессом в системах автоматической стабилизации или программного регулирования параметров выполнял человек-оператор, который в основном руковод­ствовался своим субъективным опытом.

Развитие полупроводниковой вычислительной техники сделало возможной автоматизацию управления путем применения электронных вычислительных машин (ЭВМ) и микропроцессоров (МП) не­посредственно в технологических процессах. Это ознаменовало но­вый этап развития автоматизации, характерной чертой которого для непрерывных технологических процессов явился переход к их оптимальному управлению.

Для оптимизации (см. приложение 1) используются АСУ ТП, технической базой которых помимо САК и АСР являются ЭВМ, снабженные соответствующими устройствами и способные участво­вать в технологических процессах. Их называют управляющими вычислительными машинами (УВМ).

Схема АСУ ТП с УВМ показана на рис. В.2, а. В объект авто­матизации ОА, в данном случае представляющий собой химико-тех­нологический процесс или ряд технологических процессов, составляющих целое производство, поступают сырье и реагенты, необхо­димые для проведения процесса (входные параметры объекта).

Рис. В.2. Схемы автоматизированных систем управления технологически­ми процессами

В результате получается ряд продуктов. На объект автоматизации (в данном случае его называют объектом управления) непрерывно оказывают влияние возмущающие воздействия ВВ. С помощью датчиков Д измеряют режимные параметры и параметры, опреде­ляющие качество продуктов (выходные параметры объекта), а так­же значения входных параметров объекта управления. Информа­ция о результатах этих измерений по каналам связи КС поступает во вторичные приборы ВП и автоматические регуляторы АР. По­следние вырабатывают регулирующие воздействия, поступающие на исполнительный механизм ИМ, которые изменяют подачу энер­гии или материального потока (управляющие воздействия) в соот­ветствующие аппараты объекта управления. Задание регуляторам устанавливается с помощыо задатчиков 3d. Таким образом, все названные устройства осуществляют автоматический контроль или наряду с ним и автоматическое регулирование режимных парамет­ров объекта управления.

Как видно из рис. В.2, а, сигналы датчиков одновременно по­ступают на УВМ. Для использования УВМ в целях управления технологическими процессами предварительно проводится большая исследовательская работа, в результате которой должны быть опре­делены: математическая модель объекта управления, критерий управления (оптимизации), ограничения и алгоритм управления (см. приложение 1). Использование УВМ позволяет решать общую задачу управления технологическими процессами, состоящую в следующем: в текущей ситуации на объекте управления, опреде­ляемой входными параметрами и возмущающими воздействиями, найти такие значения управляющих воздействий при известных ограничениях, при которых удовлетворяется критерий оптимизации, а выходные параметры не выходят за заданные пределы. Возмож­ность решения с помощью УВМ указанной задачи позволяет пол­ностью автоматизировать управление технологическими процесса­ми и отказаться от использования субъективного опыта управления ими человека-оператора.

Вычислительная техника используется в АСУ ТП в одном из сле­дующих режимов.

Режим советов (советчика) оператору. Текущую информацию УВМ получает от датчиков и на основе этой информации решает задачу оптимизации. В результате решения определяются значения технологических параметров, обеспечивающие достижение критерия оптимизации в текущей ситуации. Эти значения технологических параметров используются оператором, обслуживающим процесс в качестве рекомендаций (советов). За оператором остается право выбора и установки (в виде заданий соответствующим регулято­рам) рекомендуемых значений параметров (см. пунктирные линии рис. В.2, а).

Супервизорный (от англ. supervision — наблюдение, надзор) ре­жим. УВМ с помощью специальных средств сама устанавливает та­кие задания регуляторам, которые соответствуют рассчитанным значениям (штрихпунктирные линии на рис. В.2, а).

Рассмотренные режимы используются в случае, если применяе­мые УВМ не обладают необходимой надежностью.

Режим непосредственного цифрового управления (НЦУ). В со­став АСУ ТП включается управляющий вычислительный комплекс (УВК) (см. рис. В.2, б). При этом уже не используются автомати­ческие регуляторы и вторичные приборы для стабилизации и конт­роля отдельных параметров, а все эти функции возложены на УВК. Обычно УВК строят на базе микропроцессорной техники по распределенному (децентрализованному) принципу, в соответствии с которым функции управления распределены между отдельными микропроцессорами.

Информация о ходе процесса при таком режиме управления на одном или нескольких черно-белых или цветных дисплеях (от англ. display — показ, выставка) отображается в буквенно-цифровой или графической форме.

Итак, работа САК, АСР и АСУ ТП строится на измерениях, осу­ществляемых датчиками. Этим определяется первостепенное значе­ние измерений для систем автоматизации любого уровня и слож­ности, что в свою очередь делает необходимым приобретение студентами глубоких знаний основ измерительной техники и совре­менных средств автоматического контроля режимных параметров химико-технологических процессов и качества сырья, реагентов, про­межуточных и конечных продуктов этих процессов.