Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Программа, контрольные задания и

методические рекомендации

2011

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Программа, контрольные задания и

методические рекомендации

Казань

КГТУ

2011

Составитель: доц. Перухин М.Ю.

Системы управления и автоматизации производственных процессов: программа, контрольные задания и методические рекомендации / М.Ю.Перухин, М-во образ. и науки РФ, Казанский национальный исследовательский технол. ун-т. – Казань: КНИТУ, 2011 – с.

Изложена программа, контрольные вопросы по курсу, контрольные задания с указанием литературных источников. Представлены локальные схемы контроля и автоматизации производственных процессов и вопросы метрологии при выполнении квалификационной работы. Рассмотрены примеры.

Предназначена для студентов-заочников факультета легкой промышленности.

В процессе обучения в КНИТУ студенты-заочники факультета легкой промышленности изучают курс «Системы управления химико-технологическими процессами» или «Автоматизация технологических процессов» в зависимости от специальности. Целью изучения дисциплины является усвоение будущими инженерами-технологами необходимого количества сведений о принципах действия, конструкциях, а также областях применения современных автоматических контрольно-измерительных и регулирующих систем, регуляторов, средств автоматической защиты, блокировки, сигнализации и прочих средств автоматизации.

Основным руководящим материалом при изучении курса является «Рабочая программа», утвержденная цикловой методической комиссией и проректором университета. Приводимая в настоящем пособии рабочая программа курса разбита не темы, каждая из которых сопровождается указаниями о том, какие разделы литературных источников необходимо изучить. Возникновение значительных трудностей при изучении какой-либо темы свидетельствует о пробелах в смежных или фундаментальных дисциплинах. Поэтому потребуется повторное обращение к литературным источникам по конкретной дисциплине. В подобных ситуациях существенной может оказаться помощь преподавателя.

Поскольку основной формой обучения студентов-заочников является самостоятельная работа, в целях облегчения усвоения курса на кафедре АССОИ во время сессий проводятся лекции объемом до 18 часов в зависимости от специальности. Учебным планом предусмотрено также выполнение студентами-заочниками лабораторного практикума (в пределах 12 часов – в зависимости от специальности). Самостоятельно должна быть выполнена контрольная работа.

Знания, полученные при изучении дисциплины «Системы управления химико-технологическими процессами» и «Автоматизация производственных процессов», применяются студентами при работе над разделами «Автоматизация» или «Метрологическое обеспечение дипломных работ» выпускной квалификационной работы и в дальнейшей практической деятельности.

Кроме рабочей программы в настоящем пособии представлены: контрольные вопросы для самоконтроля усвоения курса в форме вопросов экзаменационных билетов; задачи контрольной работы; указания по метрологической проработке дипломных научно-исследовательских работ; вопросы проектирования систем автоматизации в дипломных проектах.

1. Содержание рабочей программы.

   1. Введение.

Предмет и задачи курса «Автоматические системы контроля» (АСК). Автоматические системы управления (АСУ), их классификация. Роль человека и микропроцессорной техники в АСУ.

Литература: [1], с. 4-8.

2. Методы и средства контроля технологических параметров.

   1. Метрология в научных исследованиях и промышленности. Основные понятия метрологии. Классификация погрешностей измерений, средств измерений. Класс точности. Поверка средств измерений.

Литература: [1], с.40-45; [2], с. 5-82; [3], с.7-52.

2. Измерение температуры.

Общие положения МТШ-90. Классификация методов измерения температуры. Термометры расширения. Манометрические термометры. Термоэлектрические термометры. Термометры сопротивления. Понятие о пирометрах.

Литература: [1], c. 54-68; [2], c. 111-149; [3], c. 56-186.

3. Измерение давления, разрежения, разности давлений.

Классификация, единицы измерения. Жидкостные, деформационные, электрические манометры. Дифференциальные манометры.

Литература: [1], c. 69-75; [2], c. 155-172; [3], c. 347-431.

4. Измерение расхода и количества вещества.

Основные понятия, единицы измерения расхода и количества вещества. Классификация. Расходомеры переменного перепада давления. Расходомеры обтекания (постоянного перепада давления). Скоростные и объемные счетчики.

Литература: [1], с. 76-85; [2], с. 173-192; [3], с.433-527.

5. Измерение уровня жидкости и сыпучих веществ.

Общие сведения. Классификация. Поплавковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые преобразователи уровня.

Литература: [1], с. 90-94; [2], с. 192-200; [3], с. 530-569.

6. Измерение влажности.

Единицы измерения. Классификация влагомеров. Гигрометры. Методы измерения влажности капиллярно-пористых материалов (диэлькометрический, кондуктометрический).

Литература: [2], с. 244-253.

7. Контроль геометрических размеров тел.

Общие положения. Реостатные, индуктивные, емкостные преобразователи. Счетчики длины рулонных материалов. Измерение площади. Измерение толщины. Измерение количества штучных изделий.

Литература: [2], с. 260-279; [4], с. 362-395.

3. Основы теории систем автоматического регулирования

(САР) технологических параметров.

1. Основные понятия.

Классификация САР (стабилизирующие, программные, следящие). Структурная схема САР. Функции элементов САР. Виды воздействий. Статические и астатические САР. Устойчивость. Принципы регулирования (по отклонению, по возмущению, комбинированные). Понятие обратной связи.

Литература: [1], с. 117-133; [5], с. 176-217.

2. Основные характеристики динамических звеньев автоматических систем.

Понятие о структурных схемах САР, динамические звенья, динамических звеньях и связях. Дифференциальные уравнения, передаточные функции и частотные характеристики динамических звеньев. Типовые динамические звенья. Структурная схема САР. Качество процесса регулирования.

Литература: [1], с. 141-205; [5], с. 217-234.

3. Автоматические регуляторы и законы регулирования.

Классификация автоматических регуляторов. Регуляторы непрерывного и дискретного действия. Законы регулирования (пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный, пропорционально-дифференциальный, пропорционально-интегрально-дифференциальный). Динамические характеристики регуляторов. Запаздывание в регуляторах.

Литература: [1], с. 126-132; [5], с. 235-248; [6], с. 271-279.

4. Объекты регулирования.

Классификация объектов. Статические и динамические характеристики объектов регулирования. Свойства объекта регулирования (емкость, нагрузка, самовыравнивание, запаздывание). Эквивалентность объекта регулирования типовым динамическим звеньям и их математическое описание.

Литература: [1], с. 132-140; [5], с. 188-216.

5. Исполнительные устройства САР.

Исполнительный механизм (пневматический, гидравлический, электромоторный). Регулирующий орган (прямого и обратного действия).

Литература: [1], с. 30-37; [5], с. 267-305.

6. Релейные САР.

Статические характеристики релейных элементов. Автоколебания в релейных САР.

Литература: [1], с. 211-224.

4. Примерный перечень тем лабораторных работ (число работ зависит от количества часов, предусмотренных учебным планом).

   1. Изучение, поверка и градуировка контрольно-измерительных приборов (манометров, термометров, расходомеров, уровнемеров и др.). лабораторные работы №1, 2, 4, 5, 6, 15.

   2. Экспериментальное получение и обработка статических и динамических характеристик, технологических объектов управления. Лабораторная работа №7.

   3. Исследование регуляторов непрерывного действия. Лабораторная работа №8.

   4. Исследование линейной САР. Лабораторная работа №10.

   5. Ознакомление с работой робота МП-9с. Лабораторная работа №16.

1. Вопросы для самоконтроля усвоения курса.

Ниже приводятся примерные вопросы экзаменационных билетов, охватывающие основные разделы теоретического курса.

1. Что понимают под автоматическим контролем? Задачи автоматического контроля. Назначение различных видов автоматической сигнализации, защиты, блокировки.

2. Классификация измерений. Измерения прямые, косвенные. Примеры.

3. Методы измерений: непосредственной оценки, нулевой (компенсационный) и др. Их характеристики.

4. Классификация измерительных приборов. Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП).

5. Основные метрологические характеристики измерительных приборов. Понятия: истинное значение измеряемой величины; действительное значение измеряемой величины; погрешность абсолютная, относительная и приведенная. Понятие класса точности прибора. Погрешность основная и дополнительная. Понятие класса точности прибора. Вариация показаний. Чувствительность, порог чувствительности.

6. Погрешности измерений: систематические, случайные, грубые. Группа систематических погрешностей: инструментальные, теоретические, субъективные.

7. Основные сведения о температурных шкалах. Термометры расширения: жидкостные стеклянные, биметаллические и дилатометрические. Манометрические термометры.

8. Термоэлектрические термометры, физический смысл, заключенный в основу работы. Материалы, конструкция, стандартные градуировки. Методы компенсации погрешности, обусловленной отклонением температуры свободных спаев от градуировочной.

9. Вторичные приборы для подключения термоэлектрических термометров. Милливольтметры, потенциометры, их измерительные схемы.

10. Термометры сопротивления. Физические основы метода. Металлические и полупроводниковые термометры сопротивления. Конструкция. Градуировки.

11. Вторичные приборы для подключения термометров сопротивления. Мостовая измерительная схема (уравновешенная и неуравновешенная). Логометры.

12. Измерение давления, разрежения. Единицы измерения. Классификация приборов: жидкостные, пружинные (деформационные). Упругие чувствительные элементы пружинных приборов.

13. Измерение количества и расхода вещества. Единицы измерения. Измерение расхода вещества методом переменного перепада давления в сужающих устройствах. Распределение давления и скорости в потоке при установке в трубопроводе диафрагмы. Стандартные сужающие устройства. Дифференциальные манометры, их подключение к сужающему устройству.

14. Измерение расхода вещества методом постоянного перепада давления. Ротаметры. Уравнение расхода, условие равновесия поплавка.

15. Измерение уровня жидкостей. Поплавковые и буйковые уровнемеры. Гидростатические уровнемеры. Электрические уровнемеры (емкостный, ультразвуковой, индуктивный).

16. Методы и средства измерения плотности жидкостей. Плотномеры: поплавковые, весовые, гидростатические.

17. Вязкость, методы и средства ее измерения, единицы измерения. Динамическая, кинематическая вязкость. Вискозиметры: истечения, с падающим в измеряемой среде телом, с крутящим моментом, вибрационные.

18. Контроль геометрических размеров. Измерение длины рулонных материалов. Измерение толщины материалов и покрытий. Измерение площадей плоских фигур.

19. Автоматический учет штучных предметов и продукции. Принципиальная схема устройства для счета готовой продукции с фотоэлектрическим датчиком.

20. Чувствительные элементы и датчики; измерительные преобразователи. Дифференциально-трансформаторный преобразователь; преобразователи ГСП (электрической аналоговой ветви с силовой компенсацией, пневматической ветви). Нормирующие преобразователи. Реле.

21. Системы автоматического регулирования. Классификация. Функциональная схема САР по возмущению; схема САР по отклонению; схема комбинированной САР; достоинства, недостатки. Стабилизирующие, программные, следящие САР. Непрерывные и дискретные САР.

22. Понятие динамического звена. Статическая характеристика звена. Коэффициент передачи (усиления) звена. Динамическая характеристика звена. Типовые динамические звенья, их уравнения.

23. Понятие передаточной функции. Последовательное, параллельное, встречно-параллельное соединение звеньев. Эквивалентные передаточные функции при указанных видах соединений звеньев. Понятие обратной связи (положительной, отрицательной).

24. Общие сведения об объектах автоматического регулирования. Понятия: нагрузка, емкость, самовыравнивание, запаздывание. Коэффициент усиления, устойчивость, постоянная времени.

25. Экспериментальное определение свойств объекта. Кривая разгона. Понятие о частотной характеристике.

26. Регуляторы. Классификация. Законы регулирования: пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный, пропорционально-дифференциальный, пропорционально-интегрально-дифференциальный. Регуляторы прямого и непрямого действия.

27. Исполнительные механизмы: электрические, пневматические и гидравлические. Регулирующие органы. Области применения.

28. Метрологический анализ НИР. Основные положения ГОСТ 8.207-76.

29. Изображение приборов и средств автоматизаии на схемах по ГОСТ 21.404-85 «Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах».

30. Типовые локальные схемы САК и САР (температура, давление, уровень, расход, влажность и т.д.).

1. В результате изучения материала, предложенного в разделах 1 и 2, Вы можете приступить к выполнению контрольной работы, содержащей задачи по разделам метрологии, контролю технологических параметров [7], системам и элементам автоматического регулирования и управления.

Решения задач должны быть написаны разборчивым почерком, ответы на поставленные вопросы должны быть четкими, ясными и подтверждены необходимыми схемами, расчетами, графиками, ссылками на используемую литературу с указанием соответствующих страниц.

Выполненная работа должна быть зарегистрирована в деканате и передана на кафедру АССОИ (Б-104) за 1 месяц до установочной сессии.

В течение семестра на кафедре проводятся еженедельные консультации по предмету.

Метрология

Задача №1. В цехе по пошиву верхней женской одежды установлен технический термометр со шкалой 0-50ºС. при действительной температуре 23ºС термометр показывает 24ºС. определить абсолютную, относительную и приведенную относительную погрешности измерения.

Задача №2. В красильной ванне для измерения температуры раствора установлен манометрический термометр газовый. Будет ли одинаковым предел допускаемой относительной погрешности измерения во всех точках шкалы манометрического термометра?

Задача №3. Измерение расхода газа в швейном цехе фабрики осуществляется калориметрическим расходомером. Мощность нагревателей определяется по показаниям амперметра и вольтметра. Оба прибора имеют класс точности 0.5, эксплуатируются в нормальных условиях и имеют шкалы соответственно 0-5А и 0-30В. Номинальные значения составляют: силы тока 3.6А, напряжение 26В. Какова величина погрешности, с которой производится измерение мощности?

Задача №4. В складском помещении обувной фабрики установлен термометр -40÷0÷+60ºС. При действительной температуре t_g=20ºC термометр показывает t_п=20,8ºC. Определить приведенную относительную погрешность измерения.

Задача №5. В гладильном цехе швейной фабрики установлен термометр со шкалой 20-100ºС. При действительной температуре 30ºС термометр показывает 29.4ºС. Определить приведенную относительную погрешность измерения.

Задача №6. При измерении ширины клапана кармана получены следующие результаты (см): 10.1, 10.4, 10.2, 10.3, 10.6, 10.5, 10.4, 10.3, 10.2, 10.5, 10.4, 10.4. Число измерений n=12. Определить среднюю арифметическую измерения х. Какую величину следует принять за результат измерения?

Задача №7. Для измерения силы тока используется миллиамперметр с равномерной шкалой, разделенной на 50 интервалов. Нижний предел измерения I_н= -10 mA, верхний I_в= +10 mA. Определить цену деления шкалы и чувствительность миллиамперметра.

Задача №8. Температура верхней плиты пресса для ВТО текстильных материалов, измеренная в пяти различных точках посредством хромель-копелевых термопар, составила: 175, 188, 195, 181, 183ºС. Полагаем, что температура во всех точках плиты одинакова, а разница в температурах обусловлена систематической погрешностью за счет окисления поверхности плиты в местах заделки термопар. Оцените наиболее вероятное значение температуры верхней плиты пресса.

Задача №9. При раскройке одежды получены следующие результаты (см): 30.1, 30.4, 30.2, 30.3, 30.6, 30.5, 30.4, 30.3, 30.2, 30.5, 30.4, 30.4. Использовалась линейка. Число измерений n=12. Определить среднюю арифметическую измерения х. Какую величину следует принять за результат измерения?

Задача №10. При выполнении лабораторной работы было проведено однократное измерение термо-ЭДС автоматическим потенциометром класса точности 0,5 градуировки ХК со шкалой 200÷800ºС при нормальных условиях работы. Указатель прибора стоит на отметке 750ºС. Оцените максимальную относительную погрешность измерения термо-ЭДС потенциометром на указанной отметке. Зависит ли относительная погрешность от показаний прибора?