3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления техническимиобъектамиитехнологическимипроцессами

[1]

Множество разнообразных технологических объектов управления, отличающихся физической природой, видом перерабатываемого сырья и энергии, технологическим оборудованием, затрудняет рассмотрение всех видов технологии. Однако в системе промышленного производства можно выделить два существенно отличных класса технологических процессов: добычу исходного сырья и переработку сырья или полуфабриката в готовый продукт. В последнем случае готовым продуктом может быть и полуфабрикат, служащий исходным материалом для дальнейшей переработки. В свою очередь каждый из этих классов технологических процессов имеет специфические стороны. Так, первый может быть разделен на добычу твердых, жидких или газообразных продуктов. Во втором – переработка сырья или полуфабриката – выделяются отрасли с технологией изменения агрегатного состояния или химического состава вещества и процессы, технология которых направлена на изменение формы исходной заготовки или исходного материала.

Транспортировка сырья, полуфабрикатов и готовой продукции может рассматриваться в качестве самостоятельного класса. Здесь можно выделить технологические и межпроизводственные или межотраслевые транспортные средства.

Каждый класс имеет два четко выраженных подкласса. В подклассе добычи твердого сырья выделены три самостоятельные отраслевые технологии: подземных и открытых разработок и воднотранспортная (драги, земснаряды и др.); подкласс добычи жидкого или газообразного сырья представлен технологиями бурения и откачки.

Подкласс получения продукции, связанной с процессами изменения агрегатного или физико-химического состояния материала, присущ таким отраслям, как энергетика, химическая промышленность, металлургия (доменное, сталеплавильное производство, электрохимическая металлургия и др.). В этих процессах используются различные виды энергии (тепловая, электрическая, химическая, атомная). Энергоноситель поступает к технологическому агрегату в виде пара, газа, компонентов исходных материалов (например, кокс в доменном и

9

агломерационном производстве). Управляемыми параметрами здесь являются поток материала и его состав, а также поток энергоносителя и его состав.

В данном случае технологическими объектами управления являются транспортные, дозирующие и массоизмерительные устройства, подготавливающие технологический процесс изменения агрегатного и. физикохимического состояний исходных продуктов и собственно процессы этих преобразований. Непрерывность протекания физико-химических процессов определяет их взаимную связь с транспортировкой и дозированием, что позволяет рассматривать весь технологический комплекс как единый технологический объект управления.

Подкласс производства продукции, связанный с изменением формы исходного сырья или полуфабриката, включает любые процессы поточного или индивидуального производства. К ним могут относиться прокатка, штамповка, волочение, формовка, обработка резанием и т.д. Здесь используется только один вид энергии – механическая, источником которой в подавляющем большинстве случаев служит автоматизированный электропривод. Управляемым параметром является поток энергии.

Объединение ряда производственных механизмов в общий технологический комплекс осуществляется с помощью транспортных средств и механизмов изменения ориентации изделия. Наиболее характерной машиной в таком производстве становится управляемый манипулятор - промышленный робот.

Любой современный технологический комплекс следует рассматривать как АТК. В задачу АТК входит преобразование исходного вещества в готовую продукцию (переработанное вещество) на основе получения от технологической среды информации в виде задающей программы и энергии. В соответствии с технологическим процессом работа АТК определяется задающей программой. Осуществляются контроль и регулирование электромагнитных, механических, технологических переменных, показателей качества готовой продукции (переработанного вещества); автоматическая оптимизация обобщенных показателей качества работы АТК; контроль состояния электротехнического, механического и технологического оборудования.

Механизмы АТК оснащаются индивидуальными электроприводами с электродвигателями, управляемыми преобразователями, программируемыми микроконтроллерами приводов. Совместную работу приводов и механизмов, 10

Применение микромашин в устройствах автоматики и вычислительной техники весьма разнообразно. Здесь машины используются в качестве: двигателей, преобразователей частоты вращения в электрический сигнал, получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала.

Электрические машины разделяют и по принципу действия: коллекторные и бесколлекторные. Эти машины различаются как конструкцией, так и рабочими свойствами. Коллекторные машины применяют, главным образом, для работы на постоянном токе как в качестве генераторов, так и двигателей. Бесколлекторные машины работают только на переменном токе.

Электрический привод является одним из основных элементов любой электромеханической системы. От его свойств и характеристик в значительной мере зависит производительность рабочей машины и качество выпускаемой ею продукции.

Выбор типа привода должен подчиняться тем требованиям, которые предъявляются к приводимым им машине, агрегату. Поэтому, приступая к его проектированию, прежде всего необходимо определить параметры, которые определяют поведение рабочей машины.

Рациональное проектирование современного автоматизированного электропривода требует глубокого знакомства с условиями работы производственного механизма. Оно может вестись лишь на основе тщательно разработанного технического задания, в котором должны быть учтены все особенности производственного процесса и условия работы исполнительного механизма. В техническом задании должны найти отражение вопросы, касающиеся характера статического момента, необходимых пределов регулирования скорости, плавности регулирования, стабильности скорости, допустимого ее отклонения от среднего значения, требуемого набора механических характеристик, условий пуска и торможения, характера переходных процессов и др.

Вопрос о выборе типа двигателя и системы управления достаточно просто решается лишь в случае применения нерегулируемого привода. При этом, следует использовать двигатели переменного тока: для установок малой и средней мощности – асинхронные короткозамкнутые, а для механизмов, требующих больших мощностей – синхронные. Двигатели переменного тока по конструкции проще, стоимость их ниже, обслуживание тоже требует меньших затрат. В отношении надежности также следует отдать предпочтение двигателям переменного тока. Вопросы пуска асинхронного короткозамкнутого двига-

13

теля решаются достаточно просто, так как все современные двигатели выпускаются со специальной формой паза ротора, что обеспечивает существенное ограничение пусковых токов при достаточно больших моментах. Для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и торможениями, рационально использовать двигатели повышенного скольжения. При выборе двигателя по пусковому и перегрузочным моментам следует учитывать возможные колебания напряжения сети. Как было показано выше, момент асинхронного двигателя снижается пропорционально квадрату напряжения.

Синхронные двигатели иногда применяются в области малых мощностей для специальных установок и в устройствах автоматики. Свойство синхронного двигателя поддерживать неизменным средний уровень скорости является определяющим при использовании их в лентопротяжных механизмах, устройствах отработки времени, модуляторах светового потока и др.

Значительно сложнее решить задачу о выборе типа привода при необходимости иметь регулируемый привод. В этом случае должно быть подробно и очень глубоко проанализировано техническое задание и произведено техникоэкономическое сопоставление возможных вариантов. В основном выбор типа привода предопределяется требованиями, касающимися условий регулирования скорости, – диапазоном, плавностью, относительной длительностью работы на пониженных скоростях, а также требованиями, относящимися к его переходным процессам. Весьма обстоятельно сформулированы требования к электроприводу применительно к металлорежущим станкам и роботам в ГОСТ

27803–91.

Естественно, что при глубоком регулировании скорости и необходимости иметь хорошую управляемость, возможно использование только приводов с индивидуальными преобразователями. В большинстве случаев вопрос решается в пользу приводов постоянного тока. Однако конкурентными по своим свойствам и характеристикам являются приводы с частотным и частотно-токовым управлением. Преимущества приводов с асинхронными двигателями – простота конструкции и повышенная надежность двигателей, отсутствие необходимости использования средств для повышения коэффициента мощности, так как естественный коэффициент мощности привода с частотным управлением имеет значение выше 0,9.

В некоторых случаях в качестве приводов малой мощности могут исполь14

зоваться приводы с двухфазными асинхронными двигателями, питаемыми от полупроводниковых или магнитных усилителей. По энергетическим показателям и статическим характеристикам они уступают приводам постоянного тока. По динамическим свойствам иногда они могут быть сопоставимы, однако диапазон скоростей у них всегда уже.

Следует отметить, что одной из основных предпосылок к переходу к приводам переменного тока является непосредственное использование энергии переменного тока. Однако применение приводов с частотным управлением никак не приближает нас к решению задачи по непосредственному использованию энергии, поступающей из сети. Напротив, при этом необходимо преобразование и в некоторых случаях преобразователь частоты оказывается более сложным, чем преобразователь переменного тока в постоянный. Стоимость привода переменного тока несколько выше, чем регулируемого привода постоянного тока.

Приводы постоянного тока тоже укрепляют свои позиции. Прежде всего следует отметить существенное расширение диапазона использования приводов с транзисторными преобразователями. В связи с увеличением предельных номинальных токов и напряжений силовых транзисторов в ближайшее время следует ожидать использования транзисторных приводов мощностью до 10 – 20 кВт. Пока среди приводов постоянного тока доминирующее значение имеют приводы с тиристорными выпрямительными преобразователями и приводы с ШИП. Принципиально система с ШИП может иметь более высокие технические показатели: больший диапазон скоростей, большую стабильность скорости на его нижнем участке, меньшие пульсации тока, соответственно меньшую опасность возникновения субгармонических колебаний скорости и т. п. Системы с ШИП преимущественно используются для прецизионных механизмов – точных металлорежущих станков, в сложных приборных комплексах, в лабораторном оборудовании, а также в следящих приводах. Применение приводов с ШИП практически является обязательным в локальных установках с бортовой сетью постоянного тока. В установках средней и большой мощности пока они находят ограниченное применение. Как правило, приводы с широтноимпульсным управлением строятся на малые мощности.

Существенным недостатком приводов постоянного тока является наличие коллектора у двигателя, который создает большие трудности в сфере обслуживания и эксплуатации. Поэтому естественно стремление исключить коллектор

15