Лекция 2 – Классификация систем автоматизации, автоматические системы.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Совокупность технических средств, обеспечивающих выполнение операций по получению, передачи, преобразованию и использованию энергии, материалов или информации без участия человека или при ограниченном его участии, называется системой автоматизации.

При этом различают системы автоматизации: автоматические и автоматизированные.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Автоматическая система - управляемый объ­ект, измерительная и управляющая аппаратура, объединенные в систему, в которой обработка информации, формирование команд и их преобразование в воздействие на управляемый объект осуществляется без участия человека

В зависимости от характера выполняемых функций можно выделить следующие основ­ные автоматические системы: контроля и сигнализации, защиты и блокировки, управления и регули­рования.

Система автоматического контроля следит за выполнением рабочего режима установки (например, за депрессией и производительностью главной вентиляторной установки, давле­нием сжатого воздуха в воздухопроводе компрессорной установки, давлением масла в системе смазки подъемной машины, уровнем напряжения на шинах центральной подземной подстанции).

Структурная схема системы автоматического контроля представлена на рис.2.1. Контролируемая величина x объекта О измеряется блоком ИБ и поступает на управляющий блок УБ, в котором формируется сигнал u, подаваемый на воспринимающий блок ВБ. Последний фиксирует результаты контроля в форме удобной для оператора, используя световые, стрелочные, цифровые и др. приборы. Например, по такому принципу построена аппаратура контроля уровня РКУ.1М.

О

ИБ

УБ

ВБ

x u

Рисунок 2.1- Структурная схема системы автоматического контроля

Простейшим видом автоматического контроля является автома­тическая сигнализация, когда при отклонении контролируемого параметра от заданной величины автоматическое устройство пода­ет обслуживающему персоналу звуковой или световой сигнал с указанием места и характера на­рушения режима работы установ­ки. Получив такой сигнал, обслу­живающий персонал принимает ме­ры по восстановлению нормально­го режима работы установки. В ряде случаев результаты измере­ний автоматически регистрируются самопишущими приборами на бу­мажной ленте или специальной ди­аграммной бумаге. Графическая запись контролируемых параметров позволяет делать анализ характе­ра и частоты нарушений установ­ленного режима работы установки (процесса) за различные периоды времени. Например, самописцы ап­паратуры автоматической газовой защиты непрерывно реги­стрируют уровень содержания ме­тана в рудничной атмосфере в раз­личных точках вентиляционной се­ти шахты. Регистрирующие прибо­ры главной вентиляторной установ­ки непрерывно записывают уровень депрессии и производительность вентилятора.

Под автоматической защитой подразумеваются средства и методы активного контроля без участия оператора. В случае возник­новения аварийного режима работы аппаратура защиты автома­тически останавливает контролируемую машину, технологический процесс (частично или полностью). Например, устройство УКС автоматизации конвейерной линии отключает электродвигатель кон­вейера при снижении скорости ленты на 25% . Аппаратура “Метан” отключает электроэнергию на участ­ке, где содержание метана в шахтной атмосфере превышает допус­тимую концентрацию.

Разновидностью автоматической защиты являются различного рода блокировки- устройства, которые предотвращают возможность неправильных включений и выключений, передвижений под­вижного состава или движущихся органов машин. Устройства блокировки, например, применяемые на подъемных установках предотвра­щают переподъем скипов или клетей. На электровозной откатке в шахте автоблокировка не допускает движение состава на заня­тый участок пути.

Автоматическая защита в ряде случаев может воздействовать на отдельные исполнительные устройства рабочих машин для ликвидации опасности, не останавливая ход технологического процесса (например, открытие перепускного клапана в гидроси­стеме маслостанции при малом расходе масла; открытие клапана компрессора для снижения его производительности при "превышении установленного давления в сети сжатого воздуха и т. д.).

Как правило, функции автоматического контроля и защиты совмеща­ются в одной аппаратуре, например, в аппаратуре “Метан” концентрация метана в рудничной атмо­сфере шахты контролируется специальными датчиками и передается на регистрирующие приборы центрального диспетчерского пункта. Одновременно при увеличении этой концентрации до опас­ного значения автоматически отключаются все токоприемники на контролируемом участке.

Реле утечки непрерывно контролирует сопротивление изоля­ции шахтных электросетей, об уровне которого можно судить по показаниям омметра. В случае снижения этого сопротивления до опасной величины автоматически отключается поврежденный участок кабельной сети.

Наиболее совершенным и сложным видом автоматизации технологических процессов является автоматическое управление (системы автоматического управления - САУ).

В общем случае функциональная схема САУ приведена на рис.2.2.,где обозначено УО – управляемый объект, УУ – управляющее устройство, x - задающее воздействие, u - управляющее воздействие, Z и Z – возмущающие воздействия, - сигнал обратной связи, y – управляемая величина. При этом под управляемой величиной понимают параметр, характеризующий рабочий процесс объекта, например, угловую скорость, температуру, момент нагрузки и др.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема САУ

Воздействием называют какой-либо фактор, влияющий на работу системы автоматического управления.

Управляющее воздействие u изменяет количе­ство энергии или вещества, подводимого к объекту, обеспечивая этим изменение его состояния в соответствия с заданием.

Воздействия Z , изменяющиеся при работе системы и нарушаю­щие требуемую функциональную связь между x и y называются возмущающими или возмущениями. Они делятся на основные Z и второстепенные (помехи) Z . Основные возмущающие воздействия сильно влияют на управляемый процесс и, как правило, прило­жены к объекту. К ним относятся нагрузка объекта управления, влияние температуры, влажности и т. п. Помехи — это многочис­ленные воздействия, слабо влияющие на ход процесса. К ним можно отнести колебания напряжения в сети переменного тока, изме­нения сопротивлений цепей, воздушные зазоры и упругие дефор­мации в деталях и т. п. Помехи могут воздействовать на часть или на все элементы системы.

Управляющее устройство УУ, преобразующее информацию, принято называть автоматом [6]. Современные САУ должны проектироваться на дискретных (цифровых) автоматах – на базе микроконтроллеров.

Системы автоматического управления (САУ) классифицируются по ряду признаков, характеризующих различные их особенности. Основные:

1. По типу контура управления: разомкнутые, замкнутые.

2. По принципу управления: по отклонению, комбинированные, адаптивные.

3. По характеру изменения задания: стабилизирующие, про­граммные, следящие.

4. По характеру сигнала: непрерывные, дискретные (импульс­ные, релейные, цифровые).

5. По виду вспомогательной энергии: электрические, пневма­тические, гидравлические, комбинированные.

Разомкнутой называется система управления, в которой для формирования управляющего воздействия не используется информация о состоянии выходных параметров объекта управления.

Замкнутая САУ, в которой управляющее воздей­ствие вырабатывается в функции отклонения действительного значения управляемой величины от ее заданного значения, назы­вается системой автоматического регулирования (САР). В САР используется принцип управления по отклонению. Управле­ние в таких системах называют регулированием, управляющее устройство — регулятором, а управляемую величину — регулируе­мой величиной. В таких системах существует обратная связь между входом и выходом. САР широко используются для автоматизации технологических процессов. Например, при автоматизации процесса выемки угля используются автоматические регуляторы нагрузки очистных комбайнов; при автоматизации вентиляции шахты- системы автоматической стабилизации температуры подаваемого в шахту воздуха; при автоматизации подъема – САР скорости шахтной подъемной установки и т.д.

В комбинированных САУ создаются две цепи воздействий – по заданию и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору

Y(t)=A [e(t)] + A [z(t)],

где e(t)=x (t) – x(t) – сигнал рассогласования (ошибки); z(t) – возмущающее воздействие.

Примером комбинированной САУ является автоматическая система подогрева воздуха в шахтном стволе.

Адаптивные САУ – системы, управляющие объектами с переменными свойствами и условиями функционирования, например: добычными механизмами, в процессе работы которых затупляются режущие элементы, изменяются физико-механические свойства горного массива; подъёмными установками, у которых от цикла к циклу может изменяться масса скипа (как следствие для этих объектов изменяются передаточный коэффициент и постоянная времени). Такие объекты, для которых изменяются собственные параметры и параметры внешних воздействий называются объектами с неполной информацией. Адаптивные САУ, кроме основного управляющего устройства, имеют дополнительное автоматическое устройство, которое вырабатывает корректирующие воздействия таким образом, чтобы автоматическая система в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования адаптивной системы обычно предписывает максимизацию показателя качества, который характеризует либо свойства процесса управления в автоматической системе (быстродействие, точность и т.д.), либо свойства процессов протекающих в управляемом объекте (производительность, извлечение полезного ископаемого и т.д.). Управление, во время которого происходит изучение характеристик объекта, называется дуальным.

Стабилизирующие CАУ - поддерживают управляемую величину на заданном постоянном уровне, например, стабилизация нагрузки очистного комбайна.

Программные САУ – изменяют управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т.д.), например, САУ шахтной подъемной установки.

Следящие САУ - изменяют управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величиной, закон изменения которой заранее неизвестен. Например, САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая производство сжатого воздуха в соответствии с потреблением, имеющим случайный характер изменения во времени.

Непрерывные САУ – имеют на входе и выходе всех элементов сигналы, представляющие собой непрерывные функции времени.

Дискретные САУ – имеют по крайней мере один элемент, преобразующий непрерывный входной сигнал в дискретный. Непрерывный входной сигнал квантуется в импульсных – по времени, в релейных – по уровню, в цифровых – по времени и уровню.