МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩІЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Гірнича електротехніка і автоматика»

Конспект лекцій

з дисципліни:

«Автоматизація виробничіх процесів та мікропроцесорна техніка»

Кваліфікаційний рівень бакалавр

За напрямком підготовки 8.050401 «Металургія»

Розглянуто

на засіданні кафедри

«Гірнича електротехніка і автоматика»

Протокол №

від

Затверджено

на засіданні учбово-методичної ради ДонНТУ

Протокол №

від

2012

Зміст:

Лекция 1 – Основные понятия, определения автоматизации. Процессы управления, структурная схема АСУ ТП. Виды управления. Автоматизированные системы, виды схем автоматизации. 3

Лекция 2 – Классификация систем автоматизации, автоматические системы. 9

Лекция 3 – Технические средства автоматизации, э/м реле, геркон, магнитные и электронные усилители, транзисторы, исполнительные механизмы. 12

Лекция 4 – Микропроцессорная техника, контроллеры, программирование. 36

Лекция 5 - Цифровая обработка сигналов (квантование, цифровая фильтрация). 41

Лекция 6 - Регуляторы. Методы получения информации, датчики, измерительные устройства. 47

Анализ современных методов автоматического контроля давления и выбор наиболее рационального метода 60

3.1 Классификация приборов для измерения давления 61

Манометры сопротивления 63

3.1.6 Емкостные манометры 65

Лекция 7 Компьютерные сети. 74

Лекция 8 - Магистральная структура компьютерных сетей. Уровни программного обеспечения сети. 79

Лекция 9 - Интерфейсы (RS 232) 83

Лекция 10 - SCADA системы 89

Лекция 11 - Нечеткие алгоритмы управления 91

Лекция 12 - Искусственная нейронная сеть. 97

Лекция 13 - Система автоматического контроля и регулирования 3-х зонной методической печи. 105

Лекция 14 - Система автоматического контроля и регулирования 3-х зонной методической печи 122

Лекция 15 - Система автоматического регулирования разливкой стали на МНЛЗ. 125

Лекция 16 - Система автоматического регулирования тепловым режимом дуговой сталеплавильной печи и установки внепечной обработки стали «Печь-ковш». 135

Лекция 1 – Основные понятия, определения автоматизации. Процессы управления, структурная схема асу тп. Виды управления. Автоматизированные системы, виды схем автоматизации.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВТОМАТИКИ

Автоматикой называют область современной науки и техники, в которой рассматриваются принципы и технические средства управления машинами, комплексами оборудования и технологическими процессами без непосредственного участия человека.

Управлением называют совокупность специально организованных воздействий, прикладываемых к объекту управления, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание функционирования управляемого объекта в соответствии с поставленной целью управления.

Любой процесс управления (Рис 1.1) можно представить в виде шести основных элементов:

Исполнение решения

Объект

управления

Получение информации об объекте

Передача информации

Анализ информации и принятие решений

Выработка задания

Под объектом управления понимается устройство (рабочие механизмы, машины, комплексы машин), осуществляющее технический процесс.

Примеры объектов управления: очистные комбайны, конвейеры, вентиляторы, подъемные установки, насосные агрегаты и т.д.

Получение информации производится датчиками – устройствами, воспринимающими контролируемую величину и преобразующими ее в другую величину, удобную для дальнейшего использования. Обычно – в электрические сигналы.

Передача информации от датчиков до устройств, анализирующих информацию, производится по каналам передачи, таким как проводные (кабельные) каналы (без уплотнения информации, с уплотнением информации, телемеханические каналы передачи). Передача информации в беспроводных каналах осуществляются при помощи электромагнитных волн (в том числе инфракрасного диапазона).

Анализ информации и принятие решения включает в себя обработку поступившей информации, определение рационального режима эксплуатации технологического процесса или установки, формирование управляющих воздействий на объект, выдачу обслуживающему персоналу рекомендаций по его управлению. Как правило, это осуществляется в виде математических (в том числе логических) зависимостей между входными и выходными сигналами.

Исполнение решения – это непосредственное воздействие на объект, с целью обеспечения заданной функции управления. Для этих целей используются специальные исполнительные устройства.

Выработка задания – подача в систему автоматики автоматических (неавтоматических) воздействий, пропорциональных требуемому значению управляемой величины или закону ее изменения, который система должна обеспечить.

ВИДЫ УПРАВЛЕНИЯ

Управление объектам может быть мест­ным (ручным), дистанционным, автоматическим, автоматизированным и централизованным.

Местное (ручное) управление механизмом или машиной осу­ществляется оператором непосредственно у места их установки с помощью таких простейших аппаратов, как ручные пускатели, контроллеры и выключатели. Используется в основном при монтажных и наладочных работах.

При дистанционном управлении оператор, находясь на некото­ром расстоянии, не превышающем нескольких сотен метров, от электропривода, осуществляет включение, реверсирование и оста­нов механизма или установки. При этом, управляемый объект чаще всего находится в поле зрения оператора, а пульт управления располагается в месте, удобном для управления (например, управле­ние конвейерной линией), или оператор с пульта управления (кно­почного поста), установленного на машине осуществляет управ­ление магнитным пускателем, расположенным на расстоянии (например, управление очистным комбайном или угольным стругом).

Телемеханическое управление, являясь дальнейшим развитием и совершенствованием дистанционного, обеспечивает передачу команд на значительно большие расстояния по меньшему количе­ству жил кабелей, проводов. При этом, используются специальные методы и технические средства.

Автоматическое управление обеспечивает заданный режим ра­боты машины или установки с помощью аппаратуры, исключаю­щей постоянное присутствие обслуживающего персонала, в функ­ции которого входят только периодические ревизии и наладки оборудования и аппаратуры. Например, насосные агрегаты водо­отливных установок включаются и отключаются в зависимости от уровня воды в водосборнике.

При автоматизированном управлении подача управляющего сигнала осуществляется оператором нажатием кнопки, а необходимая последова­тельность операций, предусмотренных технологическим режимом производственного процесса, осуществляется средствами автома­тизации. Оперативный останов осуществляется нажатием кнопки или поворотом рукоятки, а аварийный — автоматически. Этот вид управления получил широкое распространение для конвейерных линий.

Централизованное управление, сочетающее в себе, как прави­ло, средства дистанционного, телемеханического и автоматическо­го управления, дает возможность оператору или диспетчеру управ­лять машинами и установками технологического комплекса или предприятия, не находящимися в его поле зрения. Для этого на горных предприятиях оборудуются центральные диспетчерские пункты.

АВТОМАТИЗАЦИЯ

Автоматизация- применение технических средств, экономико-математических методов, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, передачи, преобразования и использовании энергии, материалов или информации.

Автоматизация, как высшая стадия механизации производства, освобождает человека не только от тяжелого физического труда, но и от напряженного умственного труда, связанного с процес­сом управления. Повышает безопасность и комфортность труда трудящихся, и надежность работы оборудования.

Автоматизация производства угольных шахт подразделяется на этапы – частичную (локальную), комплексную и полную. (Этапы- это условная классификация по охвату объекта средствами автоматизации).

При частичной автоматизации - автоматизированы отдельные машины и установки, участвующие в технологическом процессе. Устройства автоматизации не имеют связей и блокировок с другими технологическими процессами. Функции постоянно присутствующего оператора, в этом случае, заключаются в оценке состояния различных технологических звеньев, в определении времени подачи пускового импульса, а также в принятии решения после аварийного отключения установки или комплекса оборудо­вания одним из устройств защиты аппаратуры автоматизации. Если автоматизируемая установка не требует постоянного при­сутствия обслуживающего персонала, то проводятся периодиче­ские проверки технического состояния оборудования и аппарату­ры с последующими ремонтами и настройками.

Комплексная автоматизация предусматривает введение общей системы управления и контроля для отдельно замкнутого технологического процесса. Например, процесса угледобычи от выемки в очистном забое до погрузки в бункер магистральной конвейерной линии. В этом случае операторы отдельных комплексов оборудования на очистном участке, внутришахтном транспорте, а также общешахтный диспетчер наблюдают за ходом технологических процессов, анализируют состояние и принимают решения по необходимым согласованиям режимов работы взаимосвязанных технологиче­ских установок и комплексов оборудования.

Одним из основных признаков комплексной автоматизации производственных процессов является сосредоточение контроля, управления и связи в одном месте—на центральном диспетчер­ском пункте шахты.

При полной автоматизации, комплексная автоматизация допол­няется управляющей вычислительной машиной, общешахтной системой телемеханики и автоматизированной систе­мой управления производством (АСУП). При этом автоматизи­руется как технологический процесс, так и оперативное управле­ние производством. Вся информация о ходе технологических процессов на шахте поступает в управляющую вычис­лительную машину по каналам телемеханики (или по каналам передачи данных в случае применения микроконтроллеров), где она анализируется по заданным программам. Управляющие команды от ЭВМ поступают либо непосредственно в локальные системы автоматизации для поддержания оптимальных режимов работы отдель­ных установок и технологических комплексов, либо обработанная машинная информация используется руководящим персоналом для согласования и обеспечения ритмичной высокопроизводитель­ной работы различных технологических участков шахты.

Автоматизация производства также классифицируется на уровни по глубине автоматизации объекта. Различают три уровня:

1-й уровень – автоматизируются самые элементарные операции: пуск, останов, защита, сигнализация, блокировка. Ни один из параметров не регулируется.

2-й уровень - имеет автоматическое устройство регулирования хотя бы одного параметра объекта плюс функции первого уровня.

3-й уровень- весь технологический объект управления полностью управляется.

Этапы и уровни не обязательно совпадают.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Автоматизированная система - совокупность экономико-математических методов, технических средств (ЭВМ, средства связи, устройства отображения информации и т.д.) и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процессом) в соответствии с заданной целью при участии человека.

Автоматизированные системы применительно к шахтам разделяются на автоматизированные системы производством (АСУП) и автоматизированные системы технологическими процессами (АСУ ТП).

АСУП обеспечивает управление хозяйственной (экономической) деятельностью масштаба объединения и не являются предметом нашего изучения.

АСУ ТП + объект управления = АТК – автоматизированный технологический комплекс (по ГОСТ 24.003 –84 “ Автоматизированные системы управления. Термины и определения)

Структурная схема АСУ ТП приведена на рис.1.1.

.

Рисунок 1.1 - Структурная схема АСУ ТП:

1-ЭВМ; 2-устройство связи с оператором ( пульт диспетчера); 3-оператор; 4-УСО; 5 – устройство визуального контроля ( пульт оператора) ; 6,9 – датчики; 8 – локальное устройство автоматизации; 7- исполнительные устройства

В зависимости от технического оснащения АСУ ТП, выполняе­мых функций, роли ЭВМ и диспетчерско­го (операторского) персонала возможна АСУ ТП трех технических уровней: информационно-справочные, информационно - советующие, информационно - управляющие.

При функционировании информационно - справочной АСУ ТП достигается автоматизация контроля за протеканием технологиче­ского процесса, учета и анализа технико-экономических показате­лей. При этом оперативная и справочная информация о состоянии управляемых объектов автоматически отбирается, преобразуется и отображается на мнемосхеме диспетчера, пульте оператора, накап­ливается в памяти ЭВМ. Обработанная информация выво­дится на автоматическую печать по программе или по запросу диспетчера. В оперативные функции диспетчерского персонала входит контроль за обеспечением службами шахты нормального протекания технологических процессов. Таким образом, в структу­ре такой АСУ ТП отсутствуют технические средства выработки и передачи управляющих воздействий с ЦДП на исполнительные ме­ханизмы машин и установок шахты.

Информационно - советующая АСУ ТП является более совершен­ной по сравнению с информационно-справочной, выполняет функ­ции последней и в реальном масштабе времени формирует "советы" диспетчеру и оператору по управлению технологическим процес­сом. В оперативные функции диспетчерского персонала входит на­ряду с контролем протекания технологического процесса и непо­средственное воздействие с ЦДП на исполнительные механизмы.

Информационно-управляющая АСУ ТП является высшей формой организации АСУ ТП, при функционировании которой непосредственное управление технологическим процессом осуществляет ЭВМ. Как правило, такие системы могут пе­реходить в режим информационно - советующей в случаях, непред­усмотренных алгоритмом управления, например, в непредвиденных аварийных ситуациях. При функционировании информационно-управляющей АСУ ТП человек выводится из контура управления. Эти функции передаются УВМ. За человеком сохраняются лишь функции визуального контроля протекания процессов, организации бесперебойного их обеспечения службами шахты. В настоящее время на шахтах не существует информационно-управляющих АСУ ТП по причине сложности технической реализации управляющих воздействий в подземных условиях, отсутствия локальных средств автоматизации.

АСУ ТП следует рассматривать как высший этап автоматизации производства. В этом смысле АСУ ТП имеет следующие качественные отличия от локальных средств автоматизации.

1. В АСУ ТП технологический процесс в принципе должен протекать в оптимальном режиме, т.е. управляется по выбранному критерию оптимизации с учетом ограничений. Критерий и ограничения могут быть техническими, экономическими или технико-экономическими. В локальных средствах автоматизации также можно применить оптимальный регулятор, но последний будет вести процесс по какому-то одному жесткому техническому критерию (уставке). При этом невозможно управлять по экономическому критерию и осуществлять реализацию сложных алгоритмов оптимального управления с многообразными и разнохарактерными ограничениями, что имеет место для важнейших технологических процессов.

2. В АСУ ТП имеется возможность введения в процесс управления принципиально новой функции прогнозирования. При применении локальных средств автоматизации управление по прогнозированию неосуществимо. Если использовать микропроцессоры, то можно вводить некоторые элементы прогнозирования процессом методом слежения, если контроль осуществлять не только по выбранному параметру, а также по первой и второй производной от него. Но это далеко не те возможности всестороннего прогнозирования хода технологического процесса по критериям, которые имеются в условиях АСУ ТП при использовании мощных ЭВМ.

3. При применении локальных средств автоматизации реализуются только алгоритм управления (как правило, носящего жесткий характер) отдельными машинами без связи между ними. АСУ ТП позволяет осуществлять управление комплексом машин и технологических операций, что создаёт возможность комплексной автоматизации шахты.

Автоматизацию производства горного предприятия в современном понимании необходимо осуществлять в форме создания АСУ. При этом изменяется и принципы разработки локальных средств автоматизации отдельных машин и установок – они должны формироваться исходя из задач и критериев управления как технологическими процессами так и общешахтного уровня.

ВИДЫ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

При разработке систем автоматизации, проектировании, мон­таже и эксплуатации всех видов аппаратуры автоматизации шахт­ных машин и установок используются различные схемы расста­новки отдельных элементов и узлов, функциональных и электри­ческих связей, которые поясняют принцип действия и их устрой­ство.

В зависимости от применяемых видов энергии, элементов и связей схемы бывают электрические, гидравлические, пневмати­ческие, кинематические и комбинированные.

В соответствии с Единой системой конструкторской докумен­тации в. зависимости от основного назначения схемы подразделяются на: структурные, функциональные, принципиальные электрические , монтажные, подключения, общие и располо­жения.

На структурной схеме изображаются все основные блоки (в виде геометрических фигур) и взаимосвязи между ними. Графи­ческое построение такой схемы дает наглядное представление о последовательности взаимодействия отдельных, блоков. Наимено­вания, буквенные обозначения, порядковые номера отдельных бло­ков, как правило, вписываются внутри прямоугольника или круга.

Функциональной называют схему, подобную по изображению структурной, в которой отдельные блоки имеют наименования вы­полняемых ими функций, обеспечивающих представление о про­цессах, протекающих в отдельных частях системы.

На принципиальных электрических схемах не дается истинное расположение элемен­тов и наглядное представление о них; каждый элемент в схеме имеет условное графическое изображение и буквенно-цифровое позиционное обозначение (состоящее из буквенного обозначения и порядкового номера после буквенного обозначения). Однако показанные на ней все элементы и все связи между ними позволяют объяснить принцип работы системы, все электрические процессы, протекающие в ходе работы системы и пути прохождения тока в схеме.

Монтажные схемы (схемы соединений) предна­значены для монтажа элементов системы, прокладки и присоединений проводов, кабелей, а также наладки. На них графиче­ски изображено действительное взаимное расположение отдельных элементов и приборов, электрических проводов и кабелей с указанием основных размеров, буквенных обозначений и марки­ровки концов приводов.

На схеме подключения обычно изо­бражаются внешние подключения аппаратуры автоматизации. Эта схема является разновид­ностью монтажных схем и показывает электрическую или механи­ческую связь между отдельными, удаленными друг от друга, частями схемы.

На общей схеме, как правило, показываются составные части системы автоматизации, а также соединяющие их провода, жгуты и кабели. Общими схемами пользуются при ознакомлении с систе­мой, а также при её контроле и эксплуатации.

На схеме расположения обычно показыва­ют относительное расположение составных частей аппаратуры, а при необходимости также проводов, жгутов и кабелей, причем составные части аппа­ратуры изображаются в виде внешних очертаний или условных графических обозначений.