Элементы и устройства автоматики

Размещено на http:www.allbest.ru/

Некоммерческое Акционерное Общество

Алматинский университета энергетики и связи

Кафедра инженерной кибернетики

ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИКИ

Конспект лекций

для студентов специальности

5В070200 - Автоматизация и управление

Алматы 2013



СОСТАВИТЕЛЬ: А.М. Ауэзова. Элементы и устройства автоматики. Конспект лекций для студентов специальности 5B070200 - Автоматизация и управление. - Алматы: АУЭС, 2013.-  57с.

Настоящие конспекты лекций включают в себя краткое содержание теоретического материала по дисциплине «Элементы и устройства автоматики» в рамках обязательных дисциплин для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 - Автоматизация и управление.

Ил.-24, табл.-1, библиогр.-12

Рецензент: доц. каф. ЭПП Башкиров М.В.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества “Алматинский университета энергетики и связи” на 2013г.

© НАО “Алматинский университет энергетики и связи”, 2013г.



Содержание

1 лекция. Классификация элементов систем автоматики. Основные принципы управления и регулирования

2 лекция. Типовые структуры и средства АСУ ТП. Локальные системы контроля, регулирования и управления. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

3 лекция. Типизация, унификация и агрегатирование средств АСУ ТП. Унифицированные сигналы устройств автоматизации

4 лекция. Функциональные схемы автоматизации. Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации на функциональных схемах

5 лекция. Автоматические регуляторы систем автоматики

6 лекция. Электронные элементы систем автоматики. Программируемые логические контроллеры

7 лекция. Электромагнитные устройства автоматики. Типовые релейные схемы

8 лекция. Выбор элементов систем автоматики. Выбор промышленных приборов и средств автоматизации

9 лекция. Трансформаторы. Принцип действия и конструкция

10 лекция. Измерительные преобразователи. Основные характеристики датчиков систем автоматики

11 лекция. Исполнительные механизмы и устройства систем автоматики

12 лекция. Электрические машины постоянного тока

Список литературы



1 лекция. Классификация элементов систем автоматики

Содержание лекции: основные понятия и определения элементов систем автоматики.

Цель лекции: изучить основные принципы управления и регулирования систем автоматики, определения и понятия современных элементов систем автоматики.

Автоматика как научная дисциплина рассматривает принципы и технические средства управления производственными процессами без непосредственного участия человека. В общем случае управление представляет собой такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей. Управление осуществляется с помощью специально организованных воздействий, прикладываемых к объекту управления и изменяющих его количественное и качественное состояние в соответствии с поставленной целью.

Любой процесс управления можно разделить на четыре составляющих:

1) получение информации о цели управления или задание величины параметров состояния объекта; автоматика управление элемент

2) получение информации о состоянии объекта;

3) переработка полученной информации и принятие решения, т.е. формирование сигнала управления;

4) исполнение решения -- реализация управляющего воздействия, соответствующего выработанному сигналу управления.

Соответственно для реализации автоматического управления необходимо иметь элементы -- задающие, измерительные, управляющие (регулирующие) и исполнительные.

Под элементом системы управления понимают составную, относительно самостоятельную ее часть, предназначенную для выполнения какой-либо определенной функции.

Задающим элементом (задатчиком), называется элемент, вырабатывающий сигналы, соответствующие цели управления. В качестве задающего устройства могут использоваться простейшие реостатные задатчики, контактные командоаппараты, бесконтактные программные устройства и др.

Измерительный элемент (измерительный преобразователь) служит для контроля состояния объекта, его выходных параметров, а также параметров внешней среды и передачи этой информации управляющему элементу системы.

Управляющий (регулирующий) элемент в простейшем случае вырабатывает сигнал управления (регулирования), пропорциональный отклонению управляемой (регулируемой) величины от заданного значения. Обычно управляющий элемент (регулятор) имеет весьма сложное строение и может рассматриваться как система, состоящая из других элементов (усилителей, фильтров, суммирующих устройств и др.).

Исполнительные элементы служат для непосредственного изменения состояния объекта управления. К исполнительным элементам относятся исполнительные механизмы ирегулирующие органы, которые конструктивно могут быть объединены в едином изделии или собираются из индивидуально выпускаемых блоков. В некоторых случаях исполнительный элемент может состоять из одного блока, выполняющего функции исполнительного механизма.

Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок, преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регулирования. Как правило, это весьма мощные устройства, например, электродвигатели, гидравлические и пневматические исполнительные механизмы.

Регулирующим органом называют блок исполнительного элемента, с помощью которого оказывается регулирующее воздей¬ствие на объект регулирования. Регулирующие органы по конструкции представляют собой устройства, монтируемые непосредственно в технологические объекты. Так, для трубопроводов используют различные клапаны, заслонки, шиберы и т.п. Управление регулирующими органами осуществляется исполнительными механизмами, выполняющими функции их приводов [1].

Принципиальными особенностями систем автоматики являются наличие цели их функционирования и способность изменять свое состояние под влиянием различных воздействий. Подвоздействием понимают такое влияние окружающей среды или одной части системы на другую, при котором происходят изменения в части, испытывающей это влияние. Внешние воздействия, которые существенно влияют на состояние системы, называют входными, а составные части системы, к которым приложены эти воздействия, называют входами системы.

Системы автоматики классифицируют по ряду признаков, характеризующих различные их особенности:

1) по типу контура управления -- разомкнутые и замкнутые;

2) по принципу управления -- по отклонению, по возмущению, комбинированные и адаптивные;

3) по характеру изменения задания -- стабилизирующие, программные, следящие;

4) по характеру сигнала -- непрерывные и дискретные (импульсные, релейные, цифровые);

5) по характеру реакции на возмущение -- статические и астатические;

6) по виду вспомогательной энергии -- электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные.

Рассмотрим основные принципы построения систем автоматики, используя их функциональные и принципиальные схемы. На функциональных блок-схемах составные части (блоки) системы представляются прямоугольниками кружками, а их взаимодействие -- линиями со стрелками. Блоки обозначаются буквами (словами) согласно выполняемым ими функциям, которые, как правило, соответствуют рассмотренным ранее элементам.

Задающим элементом (задатчиком), называется элемент, вырабатывающий сигналы, соответствующие цели управления.

Измерительный элемент (измерительный преобразователь) служит для контроля состояния объекта, его выходных параметров, а также параметров внешней среды и передачи этой информации управляющему элементу системы.

Управляющий (регулирующий) элемент в простейшем случае вырабатывает сигнал управления (регулирования), пропорциональный отклонению управляемой (регулируемой) величины от заданного значения.

Исполнительные элементы служат для непосредственного изменения состояния объекта управления. К исполнительным элементам относятся исполнительные механизмы и регулирующие органы, которые конструктивно могут быть объединены в едином изделии или собираются из индивидуально выпускаемых блоков.

Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок, преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регулирования.

Регулирующим органом называют блок исполнительного элемента, с помощью которого оказывается регулирующее воздействие на объект регулирования. Регулирующие органы по конструкции представляют собой устройства, монтируемые непосредственно в технологические объекты.

Простейшими системами управления являются разомкнутые САУ.

Они обеспечивают заданный закон изменения состояния объекта управления (включение, выключение, изменение режима работы и др.) без контроля результатов управления. Закон изменения состояния объекта управления во времени называется программой управления, которая размещается в задатчике (задающем элементе). Задатчик (см. рисунок 1.1) в свою очередь формирует значение хЗ управляемой величины х объекта и, таким образом, закон ее изменения во времени. При этом под управляемой величиной понимают параметр, характеризующий технологический процесс, например, угловую скорость и развиваемый момент электропривода технологической машины.

Управляющий блок воспринимает сигнал задатчика, преобразует его и выдает командный сигнал на вход исполнительного устройства, которое вырабатывает управляющее воздействие, прикладываемое ко входу объекта. Последнее изменяет количество энергии или вещества, подводимого к объекту, обеспечивая этим изменение его состояния в соответствии с заданием.

Воздействия z, изменяющиеся при работе системы и нарушающие требуемую функциональную связь между х3 и х, называются возмущающими, или возмущениями. Они делятся на основные и второстепенные (помехи). Основные возмущающие воздействия значительно влияют на управляемый процесс. Они, 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.

Недостаток разомкнутых САУ -- малая точность выполнения заданного закона управления, поскольку возмущающие воздействия не компенсируются. Поэтому такие системы в основном применяют для автоматизации процессов пуска и останова машин и механизмов, когда не требуется точное выполнение заданного закона изменения скорости (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и др.), а также для обеспечения требуемой последовательности рабочих операций.

Замкнутые САУ строятся на основе принципа обратной связи, сущность которого заключается в том, что управляющее воздействие ставится в зависимость от того результата, который оно вызывает. Под обратной связью понимают устройство, осуществляющее передачу воздействия с выхода системы или ее элемента на их входы. Такие связи (их может быть несколько в одной системе) реализуются на основе измерительных устройств.

Обратные связи могут быть жесткими и гибкими, положительными и отрицательными. Жесткая обратная связь действует постоянно, т. е. в переходных и установившихся режимах работы системы, а гибкая -- только в переходных режимах. Сигнал положительной обратной связи суммируется с входным сигналом системы (элемента), а сигнал отрицательной -- вычитается из входного сигнала.

Замкнутая САУ, в которой управляющее воздействие вырабатывается в функции отклонения действительного значения управляемой величины от ее заданного значения, называетсясистемой автоматического регулирования (САР). Управление в таких системах называют регулированием, управляющее устройство -- регулятором, а управляемую величину --регулируемой величиной.

В САР, представленной на рисунке 1.2, а, реализован принцип управления по отклонению. Блок ИБ измеряет регулируемую величину х, преобразует ее в величину хп, подобную выходной величине х3 задатчика ЗБ, и подает на элемент сравнения ЭС, который определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения

Дх = х3 -- хП .

Сигнал Дх после преобразования в управляющем блоке УВ передается на исполнительное устройство, которое формирует управляющее воздействие u = f (Дх), прикладываемое к регулирующему органу объекта (задвижке, клапану и др.) и обеспечивает тем самым приближение регулируемой величины к заданному значению. Регулирующий орган может отсутствовать, если весь поток энергии или вещества поступает в объект от исполнительного устройства, например, от генератора к электродвигателю.

Для САР характерно наличие отрицательной обратной связи и замкнутой цепи передачи воздействий: УБ -- ИУ -- О -- ИБ -- ЭС -- УБ. Благодаря этому они способны обеспечить высокую точность управления.

На практике САР широко применяют для обеспечения требуемых режимов работы машин и установок путем поддержания на заданном уровне или изменения по заданному закону величин, характеризующих их рабочие процессы.

Системы, имеющие задание поддерживать управляемую величину на постоянном уровне х3=const, называются автоматическими стабилизирующими системами. К ним относятся, например, системы автоматической стабилизации температуры подаваемого в шахту воздуха, давления в пневмосети и др.

Замкнутые системы, изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т.д.), называются программными автоматическими системами. К таким системам относится, например, САР скорости шахтной подъемной машины.

Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величиной, закон изменения которой заранее неизвестен, называются следящими автоматическими системами. Примером таких систем является САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая производство сжатого воздуха для пневмосети в соответствии с его потреблением, имеющим случайный характер изменения во времени.

Автоматические системы управления высокой точности обычно строят по принципу комбинированного управления (см. рисунок 1.2, б). В таких системах воздействие вырабатывается управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ2 и подается на вход системы в виде сигнала, который суммируется с заданием х3, компенсируя тем самым вредное влияние возмущения на управляемую величину х.

Успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый принципом адаптации (самонастраивающиеся системы). Системы, использующие этот принцип, способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функционирования, например, буровыми установками, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства горного массива, масса подвижных частей и др.

Адаптивная (самонастраивающаяся) САУ (см. рисунок 1.2, в) содержит дополнительное управляющее устройство УУД, которое вырабатывает корректирующее воздействие иД, используя информацию об изменении управляемой величины, задающего и возмущающего воздействия. Сигнал вызывает необходимые изменения структуры и параметров основного управляющего устройства УУ0, т. е. осуществляет самонастройку системы в процессе ее функционирования.

В зависимости от характера реакции на возмущения САУ делятся на статические и астатические.

К статическим САУ относятся системы, у которых установившееся значение управляемой величины зависит от величины возмущающего воздействия так, что отклонение от задания пропорционально величине последнего. В такой системе всегда имеется, так называемая, статическая погрешность.

В астатических системах установившееся значение управляемой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю [2].

Проектированию любой автоматической системы предшествует анализ производственного процесса, условий эксплуатации и формулирование требований к САУ. В связи с этим далее рассматриваются некоторые вопросы теории, раскрывающие принципы построения автоматических систем и закономерности протекающих в них процессов.



2 лекция. Типовые структуры и средства АСУ ТП. Локальные системы контроля, регулирования и управления. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Содержание лекции: типовые структуры и средства АСУ ТП, обобщенная блок-схема АСУТП.

Цель лекции: изучить основные цели и задачи обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами.

В соответствии с ГОСТ 20.003--84 автоматизированные системы управления технологическими процессами предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляют собой человекомашинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Технологический объект управления (ТОУ) -- это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. В зависимости от уровня АСУ ТП в качестве ТОУ можно рассматривать: технологические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (цехи, участки), реализующие самостоятельный технологический процесс; производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им заключается в рациональном выборе и согласовании режимов ра-боты агрегатов, участков и производств. Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК). АСУ ТП являются частным видом систем управления, которые представляют, в свою очередь, особый класс систем, характеризующихся наличием самостоятельных функций и целей управления и необходимой для реализации этого специальной системной организацией. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью критерия управления. Критерием может быть технико-экономический показатель, например, себестоимость выходного продукта при заданном качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта, технологические показатели -- параметры процесса, характеристики выходного продукта и т. п. Отметим, что определение АСУ ТП как системы отличается от классического определения системы управления из теории автоматического управления, согласно которому система автоматического управления -- это совокупность объекта управления и регулятора. В этом смысле понятие АТК подпадает под классическое определение системы управления, где в роли объекта выступает ТОУ, а в роли регулятора -- АСУ ТП. Обобщенная блок-схема АСУ ТП изображена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 - Обобщенная блок-схема АСУ ТП Сформулированное выше определение подчеркивает, во-первых, наличие в составе АСУ ТП современных автоматических средств сбора и переработки информации (в первую очередь средств вычислительной техники); во-вторых, роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке ре-шений по управлению; в-третьих, что АСУ ТП -- это система, осуществляющая переработку технологической и другой информации. Еще один важный признак АСУ ТП -- это осуществление управления в темпе протекания технологического процесса, т. е. в реальном масштабе времени. АСУ ТП как компонент общей системы управления промышлен-ным предприятием (АСУП) предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и выше-стоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют низовой уровень автоматизированных систем управления производством. Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУ ТП и другими взаимосвязанными с ней системами управления определяется в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и структуры управления им [3]. Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выполнением в них определенной последовательности операций и вычислительных процедур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в комплекс типовых функций АСУ ТП. Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющие функции АСУ ТП -- это функции, результатами которых является выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. К управляющим функциям АСУ ТП относятся: регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных; однотактное логическое управление операциями или аппаратами; программное логическое управление группой оборудо-вания; оптимальное управление установившимися или переходными режимами или отдельными стадиями процесса; адаптивное управление объектом в целом, например, управление участком станков с ЧПУ. Информационные функции АСУ ТП -- это функции системы, содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относятся: централизованный контроль и изме-рение технологических параметров; косвенное измерение; вычисление параметров процесса (технико-экономических, внутренних переменных); формирование и выдача данных оперативному персона-лу АСУ ТП или АТК; подготовка и передача информации в смежные системы управления; обобщенная оценка и проверка состояния АТК и его оборудования. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУ ТП -- их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления). Вспомогательные функции АСУ ТП состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы.
Локальные системы контроля, регулирования и управления ЛСКРУ (см. рисунок 2.2) эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации. Локальные регуляторы (ЛР) могут быть аналоговыми, цифровыми, одно- или многоканальными. Наличие человека-оператора в системе позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществлять общий контроль за выполнением технологического процесса и ручное управление (РУ) [1]. Структура ЛСКРУ соответствует классической структуре систем управления: содержит датчи-ки измеряемых переменных (Д) на выходе ТОУ, автоматические регуляторы, исполнительные устройства (ИУ), передающие команды управления (в том числе, оператор в режиме ручного управле-ния) на регулирующие органы ТОУ. Устройство связи с оператором состоит, как правило, из измерительных, сигнализирующих и регистрирующих приборов. Рисунок 2.2 --  Типовая структура ЛСКРУ
Развитие экономико-математических методов управления с широким использованием современной вычислительной техники позволило существенно облегчить работу оператора при управлении сложными технологическими объектами. В результате появились человеко-машинные системы управления технологическими процессами, в которых обработка информации и формиро-вание оптимальных управлений осуществляются человеком с помощью управляющей вычисли-тельной машины (УВМ). УВМ в этом случае является многоканальным информационно-управляющим устройством в системе автоматизированного управления технологическим процессом. В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между человеком и УВМ, между УВМ и средствами контроля и регулирования возможны различные принципы построе-ния АСУ ТП. Наибольшее распространение в промышленной прак-тике нашли три принципа построения АСУ ТП: централизованные АСУ ТП, АСУ ТП с супервизорным управлением и децентрализо-ванные распределенные АСУ ТП. Типовая структура централизованной АСУ ТП (см. рисунок 2.3) включает в себя устройство связи с объектом (УСО) и УВМ, осуществляющую централизованное управление одним или несколькими технологическими процессами. Надежность всего комплекса определяется в этом случае надежностью УСО и УВМ, и при выходе их из строя нормальное функционирование технологического оборудо-вания невозможно. Рисунок 2.3 -- Типовая структура централизованной АСУ ТП Характерным примером централизованной АСУ ТП является система, УВМ которой непосредственно вырабатывает оптимальные регулирующие воздействия и с помощью соответствующих преоб-разователей передает команды управления на исполнительные устройства (механизмы). Централизованные АСУ ТП, УВМ которых работают в таком режиме, называются системами с непосредствен-ным или прямым цифровым управлением (ПЦУ). В АСУ ТП с ПЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать избранные переменные, варьировать диапазоны допусти-мого изменения переменных, изменять параметры настройки и иметь доступ к управляющей программе. Для обеспечения этих функций необходимо иметь сопряжение (человек -- машина) в виде пульта оператора и средств отображения информации [2]. Применение УВМ в режиме ПЦУ позволяет строить програм-мным путем системы регулирования по возмущению, комбинированные системы каскадного и многосвязного регулирования, учитывающие связи между отдельными частями объекта управления. ПЦУ позволяет реализовать не только оптимизирующие функции, но и адаптацию к изменению внешней среды и перемен-ным параметрам объекта. В системах с ПЦУ упрощается реализация режимов пуска и остановки процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов. Главный недостаток систем с ПЦУ заключается в том, что при отказе в работе УВМ объект теряет управление. Несмотря на высокую надежность всех средств системы, отказы в УВМ возможны, и это обстоятельство необходимо особо учитывать при построении АСУ ТП с ПЦУ.



3 лекция. Типизация, унификация и агрегатирование средств АСУТП

Содержание лекции: типизация, унификация и агрегатирование средств АСУТП.

Цель лекции: изучить основные цели и задачи передачи данных.

3.1 Основные сведения

Прежде чем определить принципы построения комплекса технических средств (КТС) для автоматизации технологических процессов на основе системного подхода, остановимся на содержании используемых в технической литературе терминов «типизация», «унификация», «параметризация» и других понятий, которые будут использоваться ниже.

Типизацию определим как обоснованное сведение многообразия избранных типов конструкций машин, оборудования, приборов и устройств автоматизации к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. Например, типизация технологических процессов заключается в выборе для внедрения из всей массы действующих технологий только наиболее производительных и рентабельных. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий (или их составных частей) базовые элементы и конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов в ограниченный ряд типов с учетом реально действующих ограничений, целей типизации; другими словами, типизация является оптимизационной задачей с ограничениями.

Типизация предшествует унификации -- приведению различных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. Унификация вносит единообразие в основные параметры типовых решений технических средств, необходимое для их совместного использования в АСУ ТП, и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей.

Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки, модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет за счет применения общих и типовых конструктивных решений использовать принцип агрегатирования, создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать технические средства одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками, удовлетворяющими потребностям того или иного производства, технологии. Такие изделия одного типа, но с различными техническими параметрами образуют параметрический ряд.

Агрегатирование предусматривает разработку и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных установок и комплексов, технические параметры которых в значительной степени удовлетворяют потребительским целям. Типизация, унификация и агрегатирование являются основополагающими принципами построения агрегатных комплексов для комплексной автоматизации производства и, в частности, при проектировании и внедрении АСУ технологическими объектами и агрегатами.

Принципы типизации, унификации и агрегатирования получили в свое время развитие в Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), созданной в СССР и предназначенной для создания автоматических и автоматизированных информационно-управляю-щих систем. Изделия ГСП компоновались в агрегатные комплексы технических средств, ориентированные на решение типового состава функциональных задач, и вместе с типовыми проектными решениями значительно упрощали проектирование АСУ ТП, создавали основу для «индустриализации» проектирования, что весьма важно для ускорения темпов внедрения АСУ ТП. Являясь частью такой сложной системы, как АСУ ТП, комплекс технических средств также представляет собой сложную систему аппаратных и аппаратно-программных средств. Понятие «сложная система» здесь понимается как множество взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции и имеющих собственные и общие цели. Поэтому представляется необходимым решать проблемы проектирования комплекса технических средств для АСУ ТП с единой методологической позиции -- позиции системного подхода, что в данном случае означает:

-- использование концепций теории систем управления (общесистемные функции и цели, распределенность, многоуровневость и иерархичность структуры АСУ ТП);

-- исследование технологических объектов управления и учет особенностей их эксплуатации с целью выбора ограничений при формировании типового состава функциональных задач КТС и состава индивидуальных задач данного объекта автоматизации;

-- организацию внутренней структуры КТС (с учетом распреде-ленности, иерархичности и многоуровневости АСУ ТП) на основе принципов типизации, унификации и агрегатирования;

-- оптимизацию системотехнических, схемных, конструктивных и программных решений для упорядочения номенклатуры КТС (в том числе оптимизацию распределения функциональных задач, решаемых аппаратными и программными средствами);

-- прогнозирование развития функционально-алгоритмической структуры АСУ ТП в процессе эксплуатации и эволюции техниче¬ского обеспечения.

Анализ задач автоматизации в различных отраслях промышленности показывают, что в настоящее время только в группе датчиков имеется потенциальный спрос на преобразователи для измерения более 2000 физических величин. С учетом известных методов измерений, диапазонов значений измеряемых величин и условий эксплуатации это может привести к необходимости изготовления нескольких десятков тысяч модификаций датчиков. Поскольку даже простейшая локальная система регулирования, кроме датчика, включает в себя ряд других устройств, то индивидуальный подход к разработке средств для АСУ ТП, приводящий к неоправданному многообразию этих средств, нецелесообразен. Следовательно, одна из главнейших задач, решаемых агрегатными комплексами, состоит в создании ограниченной номенклатуры унифицированных устройств, способных максимально удовлетворять потребностям производства.

Сокращение номенклатуры средств автоматизации достигается объединением их в отдельные функциональные группы путем сведения функций этих устройств к ограниченному числу типовых функций. Оптимизация состава каждой группы обеспечивается разработкой параметрических рядов изделий. В основу ряда заложены более узкая специализация выполняемых функций (типизация инструментальных методик измерения или метода преобразования информации), ограничения по видам и параметрам сигналов, несущих информацию о контролируемой величине или команде управления, ограничения по техническим параметрам изделий, пределам измерений, классам точности, параметрам питания и т. д., наконец, унификация конструктивного исполнения изделий. Существенное сокращение числа различных функциональных устройств достигается обеспечением их совместимости в АСУ ТП. Концепция совместимости, включающая в себя требования информационного, энергетического, конструктивного, метрологического и эксплуатационного сопряжений между различными изделиями, основана на последовательной унификации и стандартизации свойств и характеристик изделий [3].

Применительно к информационным связям термин «унификация» означает введение ограничений, налагаемых на сигналы, несущие сведения о контролируемой величине или команде. Унифицируются виды носителей нормированной информации (электрические -- сигналы, коды и согласование входов и выходов; вещественные -- с механическим носителем на перфокартах, перфолентах, бланках для записи и печати, с магнитными носителями). Определяется также способ представления информации в устройствах автоматизации -- аналоговый и дискретный.

Конструктивная совместимость изделий предусматривает прежде всего унификацию присоединительных размеров отдельных узлов, деталей, модулей, введение типовых конструкций, создание единой элементной базы, разработку общих принципов конструирования приборов. При конструировании устройств автоматизации рекомендуется блочно-модульный принцип построения изделий. Применение этого принципа делает приборы более универсальными, позволяет ис-пользовать при их создании рациональный минимум конструктивных элементов (сокращается количество наименований деталей). Вместе с тем возможность простой и легкой замены отдельных узлов позволяет модернизировать эти приборы в процессе эксплуатации, повышает их ремонтопригодность и расширяет круг ре-шаемых ими задач (путем различных сочетаний функциональных звеньев и введением специализированных деталей). Блочно-модульное построение приборов позволяет широко применять при их изготовлении современную технологию и максимально использовать кооперацию и специализацию предприятий.

Стандартизируются также общие технические требования к устройствам автоматизации и условиям их работы в АСУ ТП. Ввиду многообразия производств и технологических процессов, важное место отводится разделению приборов и устройств по группам условий эксплуатации. По защищенности от воздействия окружающей среды устройства автоматизации подразделяются на следующие исполнения: обыкновенное, пылезащищенное, взрывозащищенное, герметическое, водозащищенное, защищенное от агрессивной среды. В зависимости от предполагаемых механических воздействий также предусматриваются обыкновенное и виброустойчивое исполнение.

Нормируются метрологические характеристики изделий (виды погрешностей, методы нормирования погрешностей отдельных устройств, погрешностей совокупности звеньев и систем, классы точности и методы аттестации). Этим достигается метрологическая совместимость различных технических средств АСУ ТП [3].



4 лекция. Функциональные схемы автоматизации

Содержание лекции: функциональные схемы автоматизации.

Цель лекции: изучить определения и понятия функциональных схем автоматизации.

4.1 Общие сведения

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, определяющим функциональную структуру и объем автоматизации технологических установок, отдельных машин, механизмов и агрегатов, выполняющих технологический процесс.

Функциональная схема автоматизации представляет собой чертеж, на котором схематически, условными обозначениями изображены: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации (приборы, регуляторы, вычислительные устройства, элементы телемеханики) с указанием связей между технологическим оборудованием и элементами автоматики, а также связей между отдельными элементами автоматизации. Вспомогательные устройства такие, как редукторы и фильтры для воздуха, источники питания, автоматические выключатели и предохранители в цепях питания, соединительные коробки и другие устройства и монтажные элементы, на функциональных схемах автоматизации не показываются.

Функциональную схему автоматизации технологической установки выполняют, как правило, на одном чертеже, на котором изображают аппаратуру всех систем, контроля, регулирования, управления и сигнализации, относящуюся к данной технологической установке.

Для сложных технологических процессов с большим объемом автоматизации схемы могут быть выполнены раздельно по видам технологического контроля и управления, т.е. отдельно выполняют схемы автоматического управления, контроля и сигнализации.

Прочитать функциональную схему автоматизации означает определить из нее:

1) Параметры технологического процесса, которые подлежат автоматическому контролю и регулированию.

2) Наличие защиты и аварийной сигнализации.

3) Принятую блокировку механизмов.

4) Организацию пунктов контроля и управления.

5) Функциональную структуру каждого узла контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления.

6) Технические средства, с помощью которых решается тот или иной функциональный узел контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления.

Технологическое оборудование и коммуникации на функциональных схемах автоматизации изображают, как правило, упрощенно и в сокращенном виде, без указания отдельных технологических аппаратов и трубопроводов вспомогательного назначения. Изображенная таким образом технологическая схема дает ясное представление о принципе ее работы и взаимодействии со средствами автоматизации.

На технологических трубопроводах обычно показывают ту регулирующую и запорную арматуру, которая непосредственно участвует в контроле и управлении процессом, а также запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора импульсов или поясняющие необходимость измерений.

В отдельных случаях некоторые элементы технологического оборудования изображают на функциональных схемах в виде прямоугольников с указанием наименования этих элементов или не показывают вообще. При этом около датчиков, отборных, приемных и других подобных по назначению устройств указывают наименование того технологического оборудования, к которому они относятся.

Приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники на функциональных схемах автоматизации показывают в соответствии с действующим ГОСТ 21.404-85. В отдельных случаях при отсутствии в стандартах необходимых изображений могут быть использованы нестандартные изображения, которые, выполняют на основе характерных признаков изображаемых устройств. В ГОСТ 21.404-85 принята система обозначений по функциональному признаку, выполняемому данным прибором или средством автоматизации. Регулирующие органы такие, как горелки, форсунки, направляющие аппараты, гидромуфты, вариаторы и реостаты, показывают непосредственно на местах их установки в виде условных изображений, принятых для технологического оборудования. Для датчиков и приборов, указывающих положение регулирующих органов, исполнительных механизмов и т. п., показывают существующую механическую связь [4]. Изображение приборов и средств автоматизации на функциональных схемах может быть выполнено упрощенным или развернутым способом (см. рисунок 4.1). Пример. На рисунке 4.1,а изображен участок технологического трубопровода, на котором упрощенным способом показан функциональный узел автоматического регулирования расхода технологического сырья. Первичный измерительный преобразователь (диафрагма или сопло) в данном случае не показан. Место установки первичного преобразователя обозначено пересечением линий технологического трубопровода с линией, связывающей этот преобразователь с условным обозначением прибора, осуществляющего сложные функции. На рисунке 4.1,б тот же узел изображен развернутым способом. Рисунок 4.1 -- Примеры изображения условных обозначений приборов и средств автоматизации упрощенным (а) и развернутым (б) способами

Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на функциональных схемах автоматизации, присваивают позиционные обозначения (позиции), сохраняющиеся во всех материалах проекта. На стадии проекта позиционные обозначения выполняют арабскими цифрами в соответствии с нумерацией в заявочной ведомости приборов, средств автоматизации и электроаппаратуры. На стадии рабочей документации и при одностадийном проектировании позиционные обозначения приборов и средств автоматизации образуются из двух частей: арабских цифр -- номера функциональной группы и строчных букв русского алфавита -- номера прибора и средств автоматизации в данной функциональной группе.

Буквенные обозначения присваивают каждому элементу функциональной группы в порядке алфавита в зависимости от последовательности прохождения сигнала -- от устройств получения информации к устройствам воздействия на управляемый процесс (например, приемное устройство-датчик, вторичный преобразователь, задатчик, регулятор, указатель положения, исполнительный механизм, регулирующий орган).

Позиционные обозначения в функциональных схемах автоматизации проставляют, как правило, в нижней части окружности, обозначающей прибор, или рядом с условными графическими обозначениями приборов и средств автоматизации с правой стороны или над ним.

Функциональные схемы автоматизации разрабатывают с большей или меньшей степенью детализации.

Функциональные схемы автоматизации могут быть выполнены двумя способами:

1) С изображением щитов и пультов управления при помощи условных прямоугольников (как правило, в нижней части чертежа), в пределах которых указывают устанавливаемые на них средства автоматизации.

2) С изображением средств автоматизации на технологических схемах вблизи отборных и приемных устройств без построения прямоугольников, условно изображающих щиты, пульты, пункты контроля и управления.

При выполнении схемы по первому способу на ней показывают все приборы и средства автоматизации, входящие в состав функционального блока или группы, а также место их установки. Преимуществом этого способа является большая наглядность, в значительной степени облегчающая чтение схемы и работу с проектными материалами.

Прямоугольники щитов и пультов располагают в такой последовательности, чтобы при размещении в их пределах обозначений приборов и средств автоматизации обеспечивалась наибольшая простота и ясность схемы и минимум пересечений линий связи. В прямоугольниках могут быть даны номера чертежей общих видов щитов и пультов. В каждом прямоугольнике с левой стороны указывают его наименование.

Приборы и средства автоматизации, которые расположены вне щитов и не связаны непосредственно с технологическим оборудованием и трубопроводами, условно показывают в прямоугольнике «Приборы местные».

Для облегчения понимания существа автоматизируемого объекта и возможности выбора диапазона измерения и шкал приборов, а также уставок регуляторов на участках линий связи над верхним прямоугольником («Приборы местные») указывают предельные рабочие (максимальные и минимальные) значения измеряемых или регулируемых технологических параметров при установившихся режимах работы. Эти значения дают в единицах шкалы выбираемого прибора или в международной системе единиц без буквенных обозначений.

При построении схем по второму способу, хотя он и дает только общее представление о принятых решениях по автоматизации объекта, достигается сокращение объема документации. Чтение схем автоматизации, выполненных таким образом, затруднено, так как они не отображают организацию пунктов контроля и управления объектом. При втором способе позиционные обозначения элементов схемы в каждом контуре регулирования выполняют арабскими цифрами, а исполнительные механизмы обозначения не имеют.

Для работы по схемам автоматизации необходимо иметь пояснительную записку к проекту, опись чертежей и спецификацию на приборы, средства автоматизации и электроаппаратуру. При чтении схем автоматизации рекомендуется соблюдать следующую последовательность: 1) Прочитать все надписи -- основную надпись (штамп), примечания, ссылки на относящиеся чертежи и другие дополнительные пояснения, имеющиеся на чертеже. 2) Изучить технологический процесс и взаимодействие всех участвующих в нем аппаратов, агрегатов и установок, начиная с ознакомления с пояснительными записками к проекту автоматизации и технологической части. 3) Определить организацию пунктов контроля и управления данным технологическим процессом. 4) Установить перечень узлов контроля, сигнализации и автоматического регулирования и управления электроприводами, предусмотренных данной схемой [5].



5 лекция. Автоматические регуляторы систем автоматики

Содержание лекции: автоматические регуляторы систем автоматики.

Цель лекции: изучить определения и понятия автоматических регуляторов с типовыми алгоритмами регулирования.

Автоматический регулятор -- это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменения её значения регулируемой величины или изменения её значения по заданному закону (алгоритму).

Автоматические регуляторы с типовыми алгоритмами регулирования -- релейными, пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ), пропорционально-дифференциальным (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) -- составляют основную группу регуляторов, используемых в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Несмотря на широкое использование управляющих вычислительных машин, микропроцессорных средств контроля и управления, автоматические регуляторы являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных систем контроля и регулирования с числом контуров регулирования от 1 до 8--16, подсистем нижнего уровня иерархии управления в распределенных АСУ ТП и систем с супервизорным управлением.

Главная функция регулятора -- формирование сигнала рассогласования между регулируемой величиной и ее заданным значением (установкой) и динамическое преобразование сигнала рассогласования по типовым алгоритмам (законам) регулирования. Управляющий сигнал с выхода регулятора поступает непосредственно на вход исполнительного устройства автоматической системы.

Однако к современным автоматическим регуляторам предъявляется ряд дополнительных эксплуатационных требований, основными из которых являются:

- безударный переход (т. е. без дополнительных переходных процессоров в цепях) с режима ручного управления на автоматический и обратно;

- в режиме автоматического управления безударный переход с внешнего источника сигнала задания на внутренний (необходимый, например, в супервизорном управлении);

- ограничение выходного аналогового сигнала по верхнему и нижнему уровням и сигнализации предельных значений этих уровней;

- гальваническое разделение входных и выходных цепей;

- связь с УВМ верхнего уровня иерархии управления;

- аналоговая и дискретная автоподстройка динамических параметров регулятора, необходимая для построения адаптивных систем управления.

Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от назначения, принципа действия, конструктивных особенностей, вида используемой энергии и др.

По конструктивным признакам автоматические регуляторы подразделяются на аппаратные, приборные, агрегатные и модульные.

Регуляторы аппаратного типа конструктивно представляют собой техническое устройство, работающее в комплексе с первичным измерительным преобразователем. Такие регуляторы работают независимо (параллельно) от средств измерения данного технологического параметра.

Регуляторы приборного типа работают только в комплексе со вторичным измерительным прибором. Приборные регуляторы не имеют непосредственной связи с первичным измерительным преобразователем.

Автоматические регуляторы, построенные по агрегатному (блочному) принципу, состоят из отдельных унифицированных блоков, выполняющих определённые функции. Входные и выходные сигналы этих блоков унифицированы. Это позволяет из блоков проектировать автоматические регуляторы различного функционального назначения.

Автоматические регуляторы, построенные по модульному (элементному) принципу, состоят из отдельных модулей (элементов), выполняющих простейшие операции. Входные и выходные сигналы модулей унифицированы. Это позволяет, как и в случае использования агрегатных регуляторов, собирать автоматические регуляторы различного функционального назначения.

В зависимости от вида используемой энергии регуляторы подразделяются на электрические (электромеханические, электронные), пневматические, гидравлические и комбинированные (электропневматические, электрогидравлические и т.д.).

Выбор регулятора по виду используемой энергии определяется характером объекта регулирования и особенностями автоматической системы.

Так, пневматические автоматические регуляторы применяются во взрыво-- и пожароопасных зонах при небольших расстояниях (до 400 м) от пункта управления до объекта регулирования. Следует отметить, что гидравлические регуляторы надёжны в работе, а их исполнительные механизмы при относительно небольших размерах развивают большие усилия.