asyan.org
добавить свой файл
1 2 ... 16 17




МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

О.Й. РІШАН

АВТОМАТИЗАЦІЯ ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ
КУРС ЛЕКЦІЙ

для студентів спеціальностей 6.091700 «Технологія зберігання, консервування та переробки молока» і «Технологія жирів і жирозамінників» напряму 0917 «Харчова технологія та інженерія» всіх форм навчання

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри

автоматизації та

комп’ютерно-

інтегрованих

технологій

Протокол № 14

від 22.05.2006р.
Київ НУХТ 2007

Рішан О.Й. Автоматизація виробничих процесів: Курс лекцій для студ. спец. 6.091700 «Технологія зберігання, консервування та переробки молока» і «Технологія жирів і жирозамінників» напряму 0917 «Харчова технологія та інженерія» всіх форм навч. К.: НУХТ, 2009. – 104 с.
Рецензенти: Ю.Б. Біляєв, доктор технічних наук

О.І. Левченко, канд. техн. наук
О.Й. Рішан, канд. техн. наук

© О.Й. Рішан, 2007

© НУХТ, 20007
ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………….5

Розділ 1. Поняття про автоматику та системи управління ……….………5

1.1. Основні визначення …………………………….…………………….5

1.2. Значення автоматизації для підвищення ефективності

харчових виробництв……………………………………………….7

1.3. Загальна класифікація і характеристика систем управління……….7

1.4. Функціональна та алгоритмічні структури систем управління…. 10

Розділ 2. Автоматичні системи регулювання (АСР)………………………14

2.1. Загальні положення та визначення…………………………………10

2.2. Класифікація АСР……………………………………………………10

2.3. Класифікація АСР по принципу регулювання…………………… 11

2.4. Функціональна структура замкненої АСР………………………….13

Розділ 3. Об’єкти управління та регулювання……………………………..15

3.1. Параметрична схема ОУ (ОР)………………………………………15

3.2. Режими роботи та математичні моделі ОУ………………………..16
3.3. Статична модель та статична характеристика ОУ………………..17

3.4. Динамічна модель та динамічні характеристики ОУ …………….18

3.5. Динамічні характеристики об’єктів регулювання……………….20

Розділ 4. Автоматичні регулятори………………………………………… 26

4.1. Структурна схема автоматичного регулятора………… ………….26

4.2. Класифікація регуляторів……………………………………………26

4.3 Регулятори неперервної дії та їхні характеристики………………..27

4.4. Дискретні регулятори та їхні характеристики……………………...32

4.5. Динамічні властивості релейно-імпульсного регулятора…………33

Розділ 5. Динамічні властивості АСР та її складових……………………...34

5.1. Подання елементів АСР ланками.

Передаточна функція АСР. Перетворення Лапласа……………….34

5.2. Основні ланки лінійних ACР………………………………………..36

5.3. Подання елементів АСР ланками. Передаточна функція АСР.

Перетворення Лапласа………………………………………………40

5.4. Перехідні процеси в замкненій АСР……………………………….42

5.5.Показники якості регулювання….…………………………….....44

5.6. Виконавчі та регулювальні органи АСР…………………………...46

Розділ 6. Елементи метрології та засоби вимірювань……………………..50

6.1. Загальні відомості про вимірювання……………………………….50

6.2. Класифікація вимірювань…………………………………………..52

6.3. Принципи та методи вимірювань фізичних величин……………...53

6.4. Засоби вимірювань…………………………………………………..54

6.5. Похибки засобів вимірювань………………………………………..55

6.6. Державна система приладів та засобів автоматизації……………..58

Розділ 7. Вимірювання температури………………………………………...59

7.1. Термометри розширення……………………………………………60

7.2. Термометри опору…………………………………………………...61

7.3. Термоелектричні термометри………………………………………64

Розділ 8. Вимірювання тиску…………………………………………………70

8.1. Рідинні манометри………………………………………………73

8.2. Деформаційні манометри……………………………………….74

8.3. Електричні манометри…………………………………………..76

Розділ 9. Вимірювання рівня, витрати та кількості речовин………………77

9.1. Вимірювання рівня…………………………………………………78

9.2. Вимірювання витрати та кількості речовин……………..………79

Розділ 10. Контроль фізичних властивостей та складу речовини……….80

10.1. Вимірювання густини рідин…………………………………….89

10.2. Вимірювання в'язкості рідин……………………………………93

10.3. Вимірювання вологості………………………………………….94

Розділ 11. АСУ ТП……………………………………………………………..96

11.1. Функціональні структури АСУ ТП…………………………….96

11.2. Види забезпечень АСУ ТП………………………………………98

11.3. Інтегровані (центральні) та розподілені АСУ ТП……………...99

11.4. Автоматизовані робочі місця технолога-оператора……………101

Література……………………………………………………………………….103

ВСТУП

При створенні систем автоматичного управління технологічними процесами, одним із основних етапів - є етап отримання інформації про стан процесу, який реалізується в особливому виді інформації – параметрах, що характеризують властивості і хід технологічного процесу. Значення параметрів отримують за допомогою засобів вимірювання. Класифікація номенклатури контролюємих технологічних параметрів у системах керування в молочній промисловості приводиться ниже.

1. Загальнотехнічні параметри: температура; тиск; рівень; витрати; маса; підрахунок кількості продукції.

2. Параметри складу молока та молочних продуктів:

-масова доля жиру, білку та сухих речовин;

-масова доля вологи, лактози, сахарози;

-вміст вітамінів, активність іонів.

3. Параметри якості молока та молочних продуктів:

-кислотність та лужність (рН);

-густана та реологічні характеристики: в’язкість та консистенція;

-розчинність (для сухого молока).

4. Параметри складу допоміжних технологічних середовищ:

-концінтрації миючих розчинів;

-контролю розподілу середовищ молоко-вода-миючий розчин;

-забруднення конденсату.

5.Параметри контролю якості тари та упаковк з готовим продуктом:

-контоль якості скляної тари; - герметичність;

-видхилення маси тари та наявність стороннії включень (домішок).

6.Санітарно-гігієнічні параметри:

- степінь чистоти; - концентрація мікроорганізмів і т.п.

Загально технічні параметри та складу середовищ отримують за допомогою засобів вимірювання (ЗВ), які розміщені безпосередньо на технологічному обладнанні (ємностях, трубопроводах і т.п.). Вимірювання складу, якості і властивостей продукту виконуються спеціальними ЗВ галузевого призначення, які контролюють параметри або в потоці, або в ємностях, а також в лабораторіях по відібраним пробам.

РОЗДІЛ 1

ПОНЯТТЯ ПРО АВТОМАТИКУ ТА СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ
1.1. ОСНОВНІ ВИЗНАЧЕННЯ

Автоматика це наука, що вивчає принципи побудови систем управління виробничими процесами без прямої участі людини. Автоматизацією називають комплекс технічних засобів, що замінюють працю людини в управлінні виробни­чими процесами.

Управління процесом – це цілеспрямована дія на процес (об’єкт управління), яка забезпечує заданий або оптимальний режим його роботи.

Об'єктом управління (ОУ) називають процес, що відбу­вається в машині, апараті, виробничій дільниці, або виробництві в цілому.

Оптимальний режим роботи об’єкта, тобто, режим, що забезпечує найкращі умови протікання процесу, визначається величинами, які називаються параметрами процесу. Параметрами процесу є, наприклад, температура середовища, тиск в апараті, рівень рідини в ємності т. п..

При роботі об’єкта управління параметр може відхилятись від необхідного (заданого оптимального) значення і тоді, для відновлення його оптимального значення, ним необхідно керувати. В цьому випадку параметр називають регульованою величиною (або змінною).

Процес управління об’єктом складається із ряду елементарних операцій та етапів, до яких відносяться:

  1. одержання інформації про стан процесу;

  2. аналіз отриманої інформації, порівняння існуючої виробничої ситуації із заданою (необхідною);

  3. прийняття рішення про дію на об’єкт (процес) у певному напрямку і оцінка можливості такої дії;

  4. безпосередня дія на об’єкт, тобто, реалізація управління.

Залежно від міри участі людини в управлінні розрізняють такі процеси управління:

  • ручні управління, в яких функції переробки інформації та безпосеред­нього управління виконує людина;

  • автоматизовані, в яких рішення на управління після оцінки ситуації приймає людина, а саме безпосереднє управління виконується технічними засобами;

- автоматичні, в яких процес управління відбувається без участі людини.

Для управління виробничими процесами утворюють системи управління. Системою управління називається сукупність взаємопов’язаних і взаємодіючих елементів, призначених для досягнення певних цілей. В самому загальному випадку (рис.1.1), будь-яка система управління складається з об'єкта управління (ОУ) та управляючого пристрою (УП).



Рис.1.1. Узагальнена схема системи управління

УП - це пристрій, який застосовується для подачі на об’єкт управляючої дії (Ур) згідно з алгоритмом управління. Найбільш поширеним управляючим пристроєм в автоматичних та автоматизованих системах є регулятор, який подає управляючу дію на ОУ через виконавчий механізм (ВМ). ВМ - це пристрій, який безпосередньо реалізує керуючу дію на ОУ (наприклад збільшує або зменшує подачу енергії чи речовини в ОУ, тощо). В системах ручного управління керуючу дію виконує людина-оператор.

Алгоритм управління являє собою сукупність пев­них правил, залежностей, що однозначно визначають характер дії на об'єкт з метою правиль­ного протікання процесу, наприклад, підтримуванні параметра Х технологічного процесу на заданому рівні. Назва «алгоритм» походить від імені середньоазіатського математика ал-Хорезмі Мухаммеда Бен Муса із м. Хорезма, який в 9-му столітті написав перший алгоритм - правила виконання

4-х арифметичних дій над багатозначними цифрами.

Відповідно до видів процесів управління, використаних в системах управління, системи також називають автоматизованими або автоматичними.

Автоматичні системи є найбільш досконалими і знаходяться на вищому ступені розвитку.

В той же час, складні системи управління часто не мають простих, однозначних варіантів роботи, в них є високий рівень невизначеності. Наприклад, потрібно спочатку відшукати потрібний режим роботи, а потім його підтримувати. Цю операцію виконує людина (оператор) в автоматизованих системах, використовуючи інформацію від технічних засобів про стан об’єкта.

1.2. ЗНАЧЕННЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ДЛЯ ПІДИЩЕННЯ

ЕФЕКТИВНОСТІ ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТ

Автоматизація являє собою один з найважливіших засобів здійснення пере­ходу до якісно нового виробництва за рахунок підвищення продуктивності праці, поліпшення якості продукції, оптимізації процесів, зниження собівартості проду­кції, забезпечення безпеки роботи обладнання, поліпшення умов та культури ви­робництва.

Технологічні процеси харчових галузей промисловості мають суттєві особ­ливості:

- різноманітний асортимент, який часто змінюється;

- переробка продуктів, які швидко псуються, що потребує чіткої організації процесів переробки та оптимального режиму управління;

- показники якості сировини змінюються залежно від району вирощування, погодних умов, терміну і умов транспортування та зберігання;

- суворе дотримання рецептур приготування харчових продуктів та техноло­гічних режимів переробки сировини для зберігання смакової та харчової цінності продуктів;

- виключення контакту рук людини з продуктами та сировиною;
- широке застосування безперервних технологічних процесів та поточних ліній для випуску певних виробів, які забезпечені сучасними машинами та апара­тами;

- застосування складних фізико-хімічних та біохімічних методів переробки харчових продуктів.

Усі ці особливості визначають ефективність застосування автоматизації технологічних процесів харчових виробництв на підприємствах усіх рівнів.
1.3. ЗАГАЛЬНА КЛАСИФІКАЦІЯ І ХАРАКТЕРИСТИКА

СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ

Системи управління можна умовно поділити на 2 види:

- відносно малі локальні системи автоматизації (ЛСА), які виконують свої функції автоматично, тобто, без втручання людини в процес управління, і управляють процесами в апаратах, машинах.

- великі автоматизовані системи управління (АСУ) технологічними процесами (АСУ ТП) та підприємством (АСУ П), які застосовуються для управління тех­нологічним процесом у відділеннях, цехах або на підприємстві в цілому. Такі системи являють собою сукупність малих (локальних) систем, які об'єднані зага­льним призначенням та метою. Для обробки інформації від об'єкта управління та вироблення рішень з управління в АСУ ТП застосовують управляючі електронно-обчислювальні маши­ни (ЕОМ) та мікропроцесорні пристрої. В АСУ ТП в управлінні, як правило, бере участь і людина.

До локальних систем автоматизації відносяться: інформаційно-вимірювальні системи (ІВС), автоматичні системи конт­ролю (АСК), сигналізації, блокування, захисту обладнання від аварій, та системи автоматичного регулювання (АСР).

Інформаційно-вимірювальна система (ІВС) – це сукупність технічних засобів для проведення автоматичних вимірювань основних параметрів технологічного процесу. ІВС може бути одно- (рис.1.2) та багатопараметричною (рис.1.3) .



Рис. 1.2. Однопараметрична ІВС. Рис. 1.3. Багатопараметрична ІВС.
ІВС складається із:

- ПВП – первинного вимірювального перетворювача (його ще називають чутливим елементом, датчиком чи сенсором), який безпосередньо знаходиться під дією вимірювального параметру;

- ПП – передавального перетворювача, який перетворює сигнал ЧЕ в електричний чи пневматичний сигнали, що можуть передаватися на відстань по лінії звязку (ЛЗ);

- ВП - вторинного вимірювального приладу, який сприймає передану від об’єкта управління інформацію про параметр Х і відображує його в зручному для оператора вигляді.

Ланцюг «ПП- ЛЗ – ВП» ще називають системою дистанційної передачі (СДП), яка формує сигнал необхідного діапазону та потужності для передачі по лінії зв’язку і безпосередньо відтворює значення параметру на вторинному приладі, який встановлений на пульті (щиті) оператора технологічної лінії.

В багатопараметричній ІВС кожний окремий ланцюг вимірювання певного параметру називається інформаційно-вимірювальний канал (ІВК).

Автоматична система контролю (АСК) здійснює контроль будь-якого па­раметру технологічного процесу. Контроль – це процедура встановлення відповідності між станом об’єкта та його нормою.

АСК, як правило, складається із ІВС (ІВК), яка перетворює величину, що контролюється, в сигнал зручний для вимірювання або запису, та доповнюється пристроями захисту обладнання від аварій, пристроями автоматичного блокування, а також доповнюється автоматичною сигналізацією, що подає оптичний або звуковий сигнал, коли параметр досягає граничного значення.

Пристрої захисту обладнання від аварій здійснюють необхідні перемикан­ня в схемі автоматизації з метою захисту устаткування або персоналу, якщо певні параметри досягають гранично допустимих значень.

Пристрої автоматичного блокування подають сигнали на заборону (блоку­вання) операцій, що можуть призвести до аварійної ситуації.

Найбільш поширеними серед локальних автоматичних систем є автомати­чні системи регулювання (АСР), які призначені підтримувати на заданому рівні регульовану змінну, що характеризує стан об'єкта регулювання.

Покращання виробничих показників, скорочення витрат сировини та під­вищення якості готової продукції на підприємствах харчових виробництв можли­ве з розширенням та ускладненням завдань управління технологічними об'єктами, що значною мірою вирішується за рахунок застосування автоматизованих си­стем управління (АСУ).

АСУ - це система, яка забезпечує збирання, переробку, аналіз, зберігання та використання інформації за допомогою математичних методів, які дозволяють виконувати оптимальне управління. Оптимальним називають таке управління, за якого досягається максимальне або мінімальне значення критерію управління з обов'язковим виконанням інших показників, що називають обмеженням. Критерій управління – це показник, який характеризує якість ведення технологічного процесу та який приймає різні значення залежно від управляючої дії тна об’єкт. Це можуть бути технологічні або техніко-економічні показники: якість продукції, витрати сировини, продуктивність обладнання, прибуток, собівартість. Наприклад, система управління повинна так міняти управ­ляючі дії, щоб зробити мінімальною собівартість продукції (критерій) за її кілько­сті не меншій від планової та заданих показниках якості (обмеження).
Управління відносно простими об'єктами проводититься автоматично, але в більшості випадків виконується автоматизовано, тобто, за участю людини.

Для збирання та обробки великої кількості інформації від об'єкта, розробки реко­мендацій по управлінню в АСУ застосовують управляючі ЕОМ або мікропроцесорні контролери, однак відповіда­льність за рішення по управлінню в автоматизованому режимі лежить на людині. Ефективність застосування АСУ на підприємствах харчових виробництв ви­значається їх специфікою: наявність системи складних та зв'язаних між собою об'єктів, переважання безперервних технологічних процесів, необхідність суворо­го дотримання рецептур та параметрів процесів, упровадження складних біохімі­чних методів обробки продуктів.

Розрізняють два основних види АСУ: АСУ ТП та АСУ П.

АСУ ТП називається людино-машинна система, яка забезпечує збір та обробку інформації, яка необхідна для оптимізації управління технологічним об’єктом в відповідності з прийнятим критерієм, а також виконання керуючих дій на об’єкт.

Під АСУ ТП розуміється сукупність технічних і вимірювальних засобів, а також пристроїв міктропроцесорної техніки та ЕОМ, які встановлені на технологічній лінії, працюють під єдиним програмним забезпеченням і вирішують задачу ведення технологічного процесу в оптимальному режимі.

Для АСУ ТП сукупність обладнання та реалізований на ньому технологічний процес має назву ТОУ (технологічного об’єкта управління). Призначення АСУ ТП полягає в оптимальному проведенні процесу у відповідності із вибраним критерієм та забезпечення суміжних і вищих за ієрархією систем. Під час створення АСУ ТП повинно бути визначено мету функціонування системи та критерій управління.

Більш вищий рівень ієрархії займає АСУП – автоматизована система управління підприємством. На відміну від АСУ ТП АСУП вирішує переважно економічні завдання підприємства – планування фінансового забезпечення, збут. Критерієм управління АСУП найчастіше є прибуток підприємства за плано­вий період. АСУ ТП отримує від АСУП планову інформацію, що висвітлює за­вдання та обмеження (об'єм продукції, обмеження з ресурсів, задані значення техніко-економічних показників тощо) і передає на верхній рівень звітну інформа­цію, що характеризує хід технологічного процесу та виконання планових завдань.
1.4.ФУНКЦІОНАЛЬНА ТА АЛГОРИТМІЧНА СТРУКТУРИ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ

Вивчення та математичний аналіз АСУ суттєво полегшується, якщо її попередньо умовно розділити на типові елементи (ланки), вивчити фізичні взаємозв’язки між цими елементами та відобразити їх на певній умовній схемі.

АСУ може бути умовно розділена на окремі частини по різним признакам:

  • по призначенню частин;

  • по алгоритмом перетворення інформації;

  • по конструктивним особливостям.

Відповідно розрізняють: функціональні, алгоритмічні та конструктивні структури. Під структурою розуміють сукупність взаємозв’язаних між собою частин одного чогось цілого.

Функціональна структура відображає функції, що виконуються окремими частинами АСУ.

До таких функцій відносяться:

  1. отримання інформації про стан об’єкта;

  2. перетворення сигналів та порівняння сигналів.

Окремі частини функціональної структури називаються блоками і елементами.

Назва блоку показує на функцію яку він виконує. Наприклад, чутливий елемент (ПВП), управляючий пристрій (УП) (регулятор); ВМ – виконавчий механізм.

ПВП




ВМ




УП

Алгоритмічна структура – характеризує алгоритм перетворення інформації в АСУ і являє собою сукупність елементарних ланок і зв’язків між ними. Алгоритм всіх ланок, що входять в АСУ, в сукупності відтворюють алгоритм функціонування АСУ.

Елементарна алгоритмічна ланка – це частина алгоритмічної частини АСУ, що відповідає елементарному перетворенню сигналу і виконує простішу математичну або логічну операцію.

На схемах такі ланки зображують прямокутником в середині яких записують операцію по перетворенню сигналу, наприклад:



Логічну інверсію



Логічне множення Диференціювання Алгебраїчне додавання

Кожній із охарактеризованих структур відповідає своя схема функціональна та алгоритмічна. Як правило, спочатку складають функціональну схему АСУ, а потім алгоритмічну. Структурні схеми можуть складатися з більшим чи меншим ступенем деталізації. Схеми на яких показані тільки головні частини АСУ називаються загальними.

Конструктивні структури – називають схемами і до них відносяться: кінематична схема різних пристроїв, принципові та монтажні схеми, схеми електричних з’єднань.

На базі загальної функціональної схеми розробляють схему автоматизації, яку називають функціональною схемою автоматизації (ФСА). ФСА – є технологічною машинно-апаратурною схемою виробничого об’єкта, на якій за допомогою умовних позначень зображують елементи системи автоматизації та зв’язки між ними, які в цілому визначають функції та принципи побудови системи автоматизації.

ФСА графічно ділять на дві нерівні зони:

У верхній ~2/3 висоти зображують апаратурно-технологічну (або кажуть машинно-апаратурну) схему (АТС) об’єкта автоматизації з необхідними комунікаціями, електрообладнання та елементами системи автоматизації, що вбудовані в технологічне обладнання або механічно зв’язані з вбудованими засобами.

Безпосередньо на апаратурно-технологічній схемі (АТС) показують агрегати та апарати технологічного об’єкта управління (ТОУ), його виконавчі механізми, регулюючі, запірні і переключаючі органи, що стосуються роботи та обслуговування ТОУ та розробляємої системи автоматизації, а також всі первинні вимірювальні перетворювачі (датчики), які будуть використовуватись

дпя отримання інформації про значення технологічних параметрів об’єкта.

Технологічне обладнання на АТС зображують спрощено відповідно до

ГОСТ 2.780-68, 2.786-70, 2.792-74 (без другорядних конструктивних

деталей). На схемі показують всі прилеглі комунікації (трубопроводи), а також запірні, перемикаючі і регулюючі органи (клапани, крани, вентилі, засувки, заслінки, шибери), які беруть участь в управлінні процесами виробництва. Крім того, зображують насоси, електродвигуни приводів.

Не рекомендується показувати допоміжні елементя (фільтри, відстійники тощо), які не мають принципового значення для реалізації завдань автоматизації виробничої дільниці. Проте зображення апаратів і агрегатів повинні відбивати їх конструктивні особливості. Технологічне обладнання рекомендується креслити тонкими лініями. Назву агрегатів, апаратів та інших технологічних об'єктів управління наводять безпосередньо на зображенні або у вигляді переліку (експлікації) на вільному полі листа у вигляді таблиці.
У нижній зоні СхА ~1/3 висоти з деяким розривом від технологічної частини у прямокутниках розташовують зображення решти технічних засобів автоматизації.

На комунікаціях технологічної частини ФСА зображують тільки ті запірні та дросельні органи, які відносяться до роботи та обслуговування системи автоматизації. При обриві лінії комунікації біля місця обриву роблять надписи.

Основні правила виконання ФСА показані на рис.1.4.

ФСА явліє собою технологічну схему з нанесеними на ній ЗВ і засобами автоматизації. При цьому ПВП ХЕ (замість букви Х може бути довільний технологічний параметр, наприклад, F – витратомір, Т – температура і т. п.), а також показуючі прилади , що встановлені за місцем, ХІ, ТІ, LI, РІ) і виконавчі механізми (клапани, вентилі, задвижки) показуються безпосередньо на схемі.

Всі інші прилади заносяться у таблицю, що розташовується нижче схеми і яка має як мінімум 2 рядки “За місцем” та “На щиті”.


Рис.1.4. Правила виконання ФСА

Варіант перший: Вимірювання та індикація параметрів за місцем. Загалом ця функція покладається на один прилад (ЗВ), в конструкцію його входить ПВП (датчик), перетворювач та шкала (індикатор).Прилад відображує значення вимірювального параметра безпосередньо в місці вимирювання і часто може не мати можливості виводу на щит, наприклад рідинний термометр. Прилад зображується одним колом.

Варіант другий: Вимірювання з індикацією на щиті (ХІ) - це канал ІВС,так як щит розташований на певній відстані від місця вимірювання, а сам технологічний параметр не можна вивести на щит (наприклад температуру не можна передавати на відстань), то використовується система із трьох приладів: ППВ (ХЕ), вторинного передавального перетворювача (ХТ) і індикатора ХІ (показуючого приладу).

Ланцюг передачі сигналу ХЕ → [XT] → XI (квадратны дужки показують, що в окремих випадках передавальний перетворювач може бути выдсутній). ХЕ – вимірює параметр і перетворює його в якийсь сигнал, що зручний для подальшого перетворення чи передачі (U, струм, тиск і т. п.) і передає його на вторинний передавальний перетворювач. Останній може бути відсутнім, якщо ХЕ уже має уніфікований сигнал.

Якщо уніфікований сигнал струм – то показуючий прилад ХІ – амперметр; напруга – вольтметр або потенціометр; пневматичний – манометр.

Варіант третій: Вимірювання з індикацією та реєстрацією (ХІR чи ХR). Принцип дії є аналогічним, але, замість показуючого приладу на щиті встановлено реєструючий, який як правило і показує значення параметра на щиті чи індикаторі, одночасно виконує функцію індикації ХЕ → [XT] → XIR.

Варіант четвертий: Сигналізація технологічного параметра (ХІА) та канал АСК. Існують показуючі прилади, які дозволяють сигналізувати звуковим або світловим сигналом факт виходу контрольованого параметра за допустимі межі. Ланцюг: ХЕ → [XT] → XIR → лампочка.

Варіант п’ятий: Вимірювання з індикацією, реєстрацією та сигналізацією на щиті (XIRА). При реалізації цих функцій на щит встановлюється прилад, який одночасно виконує всі ці функції, або викоритсовується комбінація приладів із варіантів 1, 3 та 4. ХЕ → [XT] → XIRА → лампочка або ХЕ → [XT] → XIR → XIА → лампочка.

Варіант шостий: Регулювання (ХІС) та канал АСР. Регулювання вбачає наявність регулятора та для реалізації керуючих дій використовує вентилі, клапани і інші дроселюючі пристрої. Принцип побудови сучасних систем керування вимагає при дроселюванні одночасного відображення регулюємого параметра для контролю за процесом регулювання, тому додатково реалізується функція індикації.

Варіант сьомий: Регулювання, реєстрація, індикація та сигналізація технологічного параметра (XIRСА). Функція реалізується або одним приладом, наприклад, пишучий потенціометр КСП4 з вбудованими блоками регулювання та сигналізації, або декількома окремими приладами, що встановлені на щиті, та реалізовують окремі складові функції.

Приклади схем автоматизації приведені на рис.1.5 а) та б).



Рис. 1.5. а) Контроль витрати та температури та б) Регулювання температури
[ 2, с.: 3…10; 7, с.: 4…16]

Контрольні запитання до розділу 1

1. Дайте визначення термінів «автоматика», автоматизація виробництва, "управління процесом", алгоритм управління та «об’єкт управління».

2. Що таке «параметр процесу» та «регульована змінна»?

3. Охарактеризуйте основні операції та етапи процесу управління.

4. Назвіть основні особливості автоматизації технологічних процесів

харчових виробництв.

5. Наведіть класифікацію процесів управління в залежності від участі людини в

управлінні.

6. Наведіть та дайте визначення основних термінів: автоматичні та автоматизовані системи, автоматизовані системи управління технологічними процесами, автоматизовані системи управління підприємством, критерій управління.

7. Призначення локальних систем автоматизації та їх види.

8. Що таке функціональна та алгоритмічна схеми АСУ?

9. Які основні правила побудови ФСА?

РОЗДІЛ 2

АВТОМАТИЧНІ СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ
2.1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ

Автоматичні системи регулювання (АСР) найбільш поширені в управлінні технологічними процесами, являють собою локальні системи і входять, як правило, в склад АСУ ТП. Призначення АСР полягає в підтримуванні заданих значень фізичних параметрів, які характеризують протікання технологічного процесу.

В узагальненому вигляді АСР являє собою сукупність об’єкта регулювання (ОР) та автоматичного регулятора (АР) і має вигляд (рис.2.1):



Рис. 2.1 Загальна структурна схема АСР

Автоматичний регулятор – це комплекс технічний засобів, приєднаних

до ОР, які забезпечують підтримування заданого значення технологічного параметру.

Фізичний параметр, який під час процесу необхідно підтримувати незмінним Хвих називається регульованою змінною (це можуть бути: тиск, температура, витрати і т.п.).

Заданий сигнал (задане значення) Хзд – це дія на АСР, яка визначає необхідний закон регулювання регульованої змінної Хвих.

Під час роботи об’єкта на нього діє велика кількість зовнішніх факторів (збурень Z1…Zi ), які призводять до небажаних змін у об’єкті. Наприклад, зміна навантаження апарата, коливання напруги в мережі живлення, зміна температури навколишнього середовища і т.п.. АР забезпечує задане значення регульованої змінної Хвих, виробляючи сигнал управляючої (регулюючої) дії Ур, який діє на об’єкт ОР з метою ліквідації дії збурень. Якщо дійсне значення регулювальної змінної Хвих не дорівнює необхідному заданому значенню Xзд, то їх різниця (непогодження) ∆X=Xзд-Хвих становить помилку регулювання.

Таким чином стан ОР визначається: збурюючими діями Zi, регулюючою дією Up, необхідним значенням фізичного параметру Xзд, які є вхідними сигналами ОР, та фактичним значенням регульованої змінної Хвих, що є вихідним сигналом об’єкта регулювання.

2.2. КЛАСИФІКАЦІЯ АСР

АСР поділяють по наступним признакам: По призначенню (тобто, характеру зміни завдання) на АСР: стабілізуючі, програмні та слідкуючі.

Стабілізуюча АСР - це система, алгоритм функціонування якої вміщує задачу підтримування регульованої величин на постійному рівні (Хвих =const).

Програмна АСР – алгоритм функціонування містить задачу зміни регульованої змінної у відповідності з заздалегідь заданою функцією (Хвих змінюється програмою, наприклад, як функція від часу).

Слідкуюча АСР – алгоритм функціонування містить задачу зміни регульованої величини в залежності від заздалегідь невідомої величини на вході в АСР (Хвих змінюється довільно).

За кількістю контурів на АСР:

одноконтурні – вміщують один контур регулювання, один зворотній зв’язок по регульованій змінній;

багатоконтурні – вміщують декілька контурів регулювання, декілька зворотних зв’язків по декількох параметрах. Наприклад, по параметру, по швидкості та по прискоренню його зміни.

По числу регульованих величин на АСР:

одномірні - системи з однією регульованою змінною;

багатомірні - з декількома регульованими величинами.

В свою чергу багатомірні розділяють на АСР:

- незв’язаного регулювання, в яких регулятори безпосередньо не зв’язані між собою і можуть взаємодіяти тільки через загальний для них об’єкт управління;

- зв’язаного регулювання, в яких регулятори різних параметрів одного і того ж технологічного процесу ( ОР ) зв’язані між собою поза об’єктом

регулювання.

По функціональному призначенню на: АСР температури, тиску, витрати, рівня і т.д.

По характеру сигналів, що використовуються для управління на АСР:

- безперервні;

- дискретні (релейні, імпульсні, цифрові).

По характеру математичних співвідношень на АСР:

лінійні, для яких є справедливим принцип суперпозиції (накладання), суть якого в тому, що, якщо на вхід ОР подається декілька керуючих дій, то загальна реакція ОР дорівнює сумі реакцій ОР на кожну керуючу дію окремо;

нелінійні, для яких не є справедливим принцип суперпозиції.

По виду використаної для регулювання енергії на АСР: пневматичні; гідравлічні; механічні; електричні.

По наявності внутрішнього джерела енергії на АСР

прямої дії (використовується енергія регульованої змінної);

непрямої дії (з допоміжним джерелом енергії).
2.3. КЛАСИФІКАЦІЯ АСР ПО ПРИНЦИПУ РЕГУЛЮВАННЯ

В основі побудови будь-якої АСР лежать певні принципи керування, які визначають, яким чином здійснюється ув’язка алгоритмів функціонування і керування з фактичним функціонуванням системи, з тими причинами, що викликали відхилення певного параметру технологічного процесу від заданого (необхідного) значення.

В сучасній техніці використовуються три фундаментальні принципи побудови систем управління: розімкненого управління, компенсації збурення (або по збуренню) та принцип зворотного зв’язку (або по відхиленню).

Суть принципу розімкненого управління полягає в тому, що алгоритм керування виробляється тільки на основі заданого алгоритму функціонування і не контролюється іншими факторами – ні збуреннями, ні вихідними параметрами процесу. Загальна схема такої АСР наведена на рисунку 2.2.



Рис.2.2. Структурна схема розімкненої АСР

Схема має вигляд розімкненого ланцюга, в якому основна вхідна дія (сигнал від задавача) передається до ОР, як показано стрілками. Задавач Xзад задає алгоритм функціонування АСР. АР виконує регулювання енергії чи продукту в ОР. На ОР діють збурення Zi. Близькість Xвих до необхідного значення Xзд забезпечується тільки конструкцією і підбором фізичних закономірностей, що діють в усіх ланках такої системи. Якщо необхідно здійснювати програмне управ­ління, то застосовується програмний задавач, що послідовно змінює управляючий сигнал.

Елементи (ланки), що входять в склад розімкненої АСР входять в склад будь-якої системи.

Недоліки такої АСР – вихідна регульована змінна не контролюється і вiд зміни збурень може суттєво відхилятись від заданого значення.

Принцип компенсації (керування по збуренню) використовується у випадках, коли збурення, що діють на ОР настільки великі, що розімкнений ланцюг не забезпечує необхідної точності виконання алгоритму функціонування, тому як підвищення точності вимірюють дію основного збурення Zi і по результатам вимірювань вводять необхідні корективи в алгоритм, які компенсують збурення.

Під час регулювання зі збурення (рис. 2.3) АР одержує інформацію про основне збурення Z1, що виникло на вході ОР. Зі зміною Z1 регулятор формує регулюючу дію Ур на об’єкт. В таких АСР сигнал Ур з’являється практично в той же самий момент, що і зміна збурення Z1. Це є перевага такої системи.

Недоліком АСР зі збурення є те, що вона реагує тільки на одне основне збурення Z1, наприклад, зміну навантаження об’єкта, але не враховує дію інших збурень. Регульована змінна Хвих не контролюється і під дією інших збурень може відхилятись від заданого значення. АСР зі збурення теж називають розімкненими.

Приклад АСР безперервного регулювання зі збурення, яка призначена для регулювання рівня води в резервуарі приведена на рис.2.4.

АСР складається із: первинного вимірювального перетворювача (ПВП) витрати FE -1.1.; регулятора рівня рідини LC - 1.2; виконавчого механізму 1.3 та регулювального органу - 1.4.



Рис. 2.3. Структурна схема АСР зі збурення Рис.2.4. АСР зі збурення
Якщо подача Qп рідини дорівнює витраті , то регульована змінна (рівень рідини) Н=const. При, наприклад, збільшенні витрати, збільшується вихідний сигнал витратоміра FE, який діє на регулятор рівня LС (1.2) в сторону більшого відкривання дросельного клапану (1.4) за допомогою виконавчого механізму (1.3). При зменшенні витрати – відбувається зворотній ефект.

Принцип регулювання з відхилення

Під час регулювання з відхилення регульована змінна Хвих порівнюється за допомогою елемента порівняння ЕП з заданим значенням Хзад. При появі відхилення ΔХ=Хзад-Хвих регулятор АР виробляє регулюючу дію Ур, яка поступаючи на об’єкт, ліквідує відхилення (рис. 2.5).



Рис. 2.5. Структурна схема АСР з відхилення Рис.2.6. АСР з відхилення

В таких системах регулювальна дія Ур не залежить від кількості збурень, бо відхилення є наслідком дії їх всіх. АСР з відхилення – це замкнена система, так як сигнал із виходу об’єкта подається через елемент порівняння на вхід регулятора, а з виходу регулятора на вхід об’єкта. Така передача сигналу з виходу системи на її вхід здійснюється за допомогою негативного зворотного зв’язку. Якщо один із секторів суматора є затемненим, то це означає, що сигнал, який надходить в цей сектор, береться із знаком «-».

Принцип регулювання з відхилення (з використання зворотного зв’язку) є більш точним, а до його недоліків відносять інерційність системи і необхідність прийняття спеціальних заходів для забезпечення її стійкої роботи. АСР з відхилення є найбільш поширеним при автоматизації технологічних процесів. Приклад АСР з відхилення приведений на рис.2.6.



Рис. 2.7. Структурна схема комбінованої АСР.

Якщо подача рідини в резервуар дорівнює витраті (Qn = Qв), то рівень рідини Н=const. При збільшенні витрати, рівень рідини в резервуарі починає знижуватись і ПВП сигналізатора рівня LE (2.1) видає сигнал через регулятор рівня LC (2.2) на відкривання клапану (2.4) за допомогою регулювального органу (2.3). При чому клапан (2.4) буде відкритий доти, поки рівень Н не буде дорівнювати заданому значенню, яке визначає положення ПВП LE (2.1). Регульована змінна Н контролюється положенням сигналізатора рівня LE, який є одночасно елементом порівняння.

Використовуються АСР, які поєднують обидва принципи регулювання – це комбіновані АСР (рис.2.7), які дозволяють підвищити якість регулювання.

2.4. ФУНКЦІОНАЛЬНА СТРУКТУРА ЗАМКНЕНОЇ АСР

На рис. 2.8 приведена більш детальна функціональна структура замкненої АСР з відхилення.

Вимірювальний елемент ВЕ, який утворює ланцюг зворотного зв’язку, вимірює значення регульованої змінної Хвих в об’єкті управління ОУ, і перетворює значення Хвих на еквівалентний сигнал Хп іншої фізичної природи, який надходить на елемент порівняння ЕП. За допомогою задавача встановлюється рівень сигналу Хзад, пропорційний необхідному (заданому) значенню регульованої змінної Хвих. Сигнал Хзад за звичаєм позначають як Хвх і він є вхідним сигналом системи.

У елементі порівняння ЕП (алгебраїчному суматорі) задане значення Хвх порівнюються із сигналом Хвих і сигнал непогодження (відхилення) ΔХ=Хвх-Хвих подається на вхід упраляючого елементу УЕ регулятора, який формує сигнал управління (регулюючу дію).

Залежність зміни регулюючої дії (сигналу управління ) Ур від велични непогодження Δх і від часу (t) називається законом регулювання Ур=f( Δх,t).

Виконавчий механізм ВМ перетворює сигнал управління на переміщення регулювального органу РО, який безпосередньо змінює витрату або речовини, або енергії в об’єкт управління.



Рис. 2.8. Функціональна структура замкненої АСР

Таким чином об’єкт регулювання ОР з’єднується з входом регулятора за допомогою вимірювального елементу ВЕ, а з виходом регулятора через регулювальний орган РО. Вихідним сигналом АСР є поточне (плинне) значення регульованої змінної Хвих.

Найбільшою мірою якість регулювання в такій системі залежить як від властивостей об’єкту, так і від властивостей регулятора. В залежності від конструкції АСР в її склад можуть додатково вводитись різноманітні перетворювачі, наприклад, сигнал на вхід АР може надходити із вторинного приладу ВП. Але ці особливості не впливають на характер процесу регулювання. [8, c.: 82…87 ]

Контрольні питання до розділу 2

1. Наведіть та поясніть узагальнену структурну схему АСР.

2. Проведіть класифікацію АСР.

3. Основні принципи побудови АСР.

4. Наведіть структурну схему АСР з відхилення.
РОЗДІЛ 3

ОБ’ЄКТИ УПРАВЛІННЯ (РЕГУЛЮВАННЯ)



следующая страница >>