20 | 11 | 2019

Навчальний посібник Автоматизація технологічних процесів і систем автоматичного керування (частина 1)

РОЗДІЛ 1. ОСНОВИ АВТОМАТИЗАЦІЇ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА

1.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО АВТОМАТИЗАЦІЮ ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

1.1.1. Основні визначення автоматизації технологічних процесів

У залежності від функцій, які виконуються спеціальними автоматичними пристроями, розрізняють наступні основні види автоматизації: автоматичний контроль, автоматичну захист, автоматичний і дистанційне керування, телемеханічне керування.

Автоматичний контроль містить у собі автоматичну сигналізацію, вимір, сортування і збір інформації.

Автоматична сигналізація призначена для повідомлення обслуговуючого персоналу про граничні чи аварійні значення яких-небудь фізичних параметрів, про місце і характер порушень технологічного процесу. Сигнальними пристроями служать лампи, дзвоники, сирени, спеціальні мнемонічні покажчики й ін.

Автоматичний вимір дозволяє вимірювати і передавати на спеціальні вказівні прилади значення, що реєструються, чи фізичні величин, що характеризують технологічний процес чи роботу машин. Обслуговуючий персонал за показниками приладів судить про якість технологічного процесу чи про режим роботи машин і агрегатів.

Автоматичне сортування здійснює контроль і поділ продукції по розміру, вазі, твердості, в'язкості й іншим показникам (наприклад, сортування зерна, яєць, фруктів, картоплі і т. п.).

Автоматичний збір інформації призначений для одержання інформації про хід технологічного процесу, про якість і кількість продукції, що випускається, і для подальшої обробки, збереження і видачі інформації обслуговуючому персоналу.

Автоматичний захист являє собою сукупність технічних засобів, що при виникненні ненормальних і аварійних режимів або припиняють контрольований виробничий процес (наприклад, відключають визначені ділянки електроустановки при виникненні на них коротких замикань), або автоматично усувають ненормальні режими. Автоматичний захист тісно зв'язаний з автоматичним керуванням і сигналізацією. Вона впливає на органи керування й оповіщає обслуговуючий персонал про здійснену операцію.

Релейний захист, виконаний на основі реле, широко застосовується на електричних станціях, підстанціях, у мережах і різних електроустановках.

Пристрої автоблокування, Що входять в автоматичний захист, в основному призначені для запобігання неправильних вмикань і вимикань і помилкових дій обслуговуючого персоналу; вони попереджають можливі несправності й аварії.

Керування процес здійснення сукупності впливів, спрямованих на підтримку керованого параметра відповідно до заданого алгоритму функціонування.

Алгоритм це розпорядження, що визначає зміст і послідовність операцій, що переводить вихідні дані в шуканий результат. Алгоритм функціонування являє собою сукупність розпоряджень, необхідних для правильного виконання технологічного процесу в якому-небудь чи пристрої сукупності пристроїв.

Керованим об'єктом називають пристрій, що безпосередньо здійснює технологічний процес, і потребує в наданні спеціально організованих впливів ззовні для виконання його алгоритму.

Дистанційне керування поєднує методи і технічні засоби керування установками і зосередженими об'єктами на відстані. Імпульси на керування (команди) подаються обслуговуючим персоналом по електричних сполучних проводах за допомогою відповідних кнопок, ключів і іншої командної апаратури.

Автоматичне керування містить у собі комплекс технічних засобів і методів по керуванню об'єктами без участі обслуговуючого персоналу: пуск і зупинку основних установок, вмикання і вимикання допоміжних пристроїв, забезпечення безаварійної роботи, дотримання необхідних значень параметрів відповідно до оптимального ходу технологічного процесу і т. д.

Сполучення комплексу технічних пристроїв з об'єктом керування називають Системою автоматичного керування (САК).

Різновидом автоматичного керування є Автоматичне регулювання, під яким розуміють процес автоматичної підтримки якого-небудь параметра на заданому рівні або зміна його по визначеному законі. Автоматичне регулювання здійснюється спеціальним пристроєм – Автоматичним регулятором. Регулятор вимірює регульовану величину і при її відхиленні від розрахункового значення, змінює процес роботи об'єкта керування (регулювання) так, щоб виконувався заданий алгоритм функціонування. Автоматична система, що складається з регулятора й об'єкта керування, називається Системою автоматичного регулювання (САР). У наступному викладі в загальне поняття «автоматичне керування» входить також і поняття «автоматичне регулювання». Теорія, властивості і методи розрахунку САУ розглядаються в курсі «Теорія автоматичного керування».

Телемеханіка — область науки і техніки, що охоплює теорію і технічні засоби автоматичної передачі на відстань команд керування й інформації про стан об'єкта. Телемеханічні системи, що дозволяють об'єднати в один технологічний процес роботу великого числа машин і установок, розташованих одна від одної на значних відстанях, у залежності від призначення прийнято розділяти на системи телесигналізації, телевимірювання і телекерування.

Усі розглянуті вище поняття і системи автоматизації поєднуються в новий науково-технічний напрямок, що одержало назву технічної кібернетики.

Кібернетика — наука про цілеспрямоване керування складними системами, що розвиваються, і процесами, що вивчає загальні математичні закони керування об'єктами різної природи.

В залежності від ступеня автоматизації розрізняють Ручне, автоматизоване і автоматичне керування. При Ручному керуванні всі функції управління виконує людина-оператор; при Автоматизованому – частину функцій виконує людина, а іншу частину – автоматичні пристрої; при Автоматичному – всі функції керування виконують автоматичні пристрої.

У сучасній автоматиці системи керування розділяють на автоматизовані системи керування виробництвом (АСКВ), автоматизовані системи керування технологічними процесами (АСК ТП) і системи автоматичного керування технологічними процесами (САК ТП).

АСКВ — це людино-машинна система, що забезпечує автоматизований збір і обробку інформації, необхідної для оптимізації керування в різних сферах, головним чином в організаційно-економічній діяльності людини, наприклад, керування господарсько-плановою діяльністю галузі, підприємством, комплексом, територіальним регіоном, тобто керування системою сільськогосподарських підрозділів.

АСК ТП – це теж людино-машинна система, призначена для контролю режимів роботи, збору й обробки інформації про протікання технологічних процесів локальних виробництв. Звичайно АСК ТП охоплює окремі цехи, тваринницькі і птахівничі ферми, сховища, господарства. АСК ТП у сполученні з ЕОМ допомагає диспетчеру і керівнику підприємства оперативно знаходити рішення по оптимальному керуванню виробничим процесом, спираючи на показники окремих технологічних операцій.

САК ТП являє собою сукупність автоматичних керуючих пристроїв і керованого об'єкта, взаємодіючих один з одним без особистої участі людини.

Таким чином, САК ТП — чисто технічні пристрої, що безпосередньо виконують заданий алгоритм функціонування установок, що діють незалежно один від одного. Вони знаходяться на найнижчий сходинці ієрархічної градації систем керування, на середній сходинці знаходяться АСК ТП і на більш високій — АСКВ.

По ступеню автоматичного керування виробничими технологічними процесами розрізняють часткову, комплексну і повну автоматизацію.

Часткова автоматизація розповсюджується тільки на окремі виробничі операції або установки і не звільняє людину від участі в виробничому процесі, що суттєво полегшує його працю (прибирання гною).

Комплексна автоматизація технологічного процесу означає автоматичне виконання всього комплексу операції і установок по обробці матеріалів і їх транспортування по завчасно заданій програмі за допомогою різних автоматичних пристроїв, які об’єднані загальною системою управління. В цьому випадку функції людини зводяться до спостереження за ходом процесу, його аналізу і зміни режиму роботи автоматичних пристроїв з метою досягнення найкращих техніко-економічних показників (очищення зерна, кормоприготування).

Повна автоматизація покладає виконання функцій вибору і узгодження режимів роботи окремих машин і агрегатів як при нормальному режимі, так і в аварійних ситуаціях не на людину, а на спеціальні автоматичні пристрої. В цьому випадку всі основні і допоміжні установки можуть робити в автоматичному режимі протягом тривалого періоду без участі людини. За обслуговуючим персоналом залишаються функції періодичного огляду, профілактичного ремонту і перебудови всієї системи на новий режим роботи (система керування мікрокліматом).

ЗАПИТАННЯ

1. Як розрізняють основні види автоматизації в залежності від функцій, виконуваних спеціальними автоматичними пристроями? 2. Що являє собою автоматичний захист? 3. Де застосовується релейний захист? 4. Що містить у собі автоматичне та автоматизоване керування? 5. За допомогою чого виконуються функції керування при ручному, автоматизованому та автоматичному керуванні? 6. Як здійснюється часткова, комплексна та повна автоматизація?

ТЕСТИ

1. Що містить у собі автоматичний контроль?

A. Автоматичний вимір, сортування і збір інформації

B. Автоматичний контроль, автоматичну захист, автоматичний і дистанційне керування

C. Автоматичну сигналізацію, вимір, сортування і збір інформації.

2. Для чого призначена автоматична сигналізація?

A. Для повідомлення обслуговуючого персоналу про граничні чи аварійні значення яких-небудь фізичних параметрів, про місце і характер порушень технологічного процесу

B. Дозволяє вимірювати і передавати на спеціальні вказівні прилади значення, що реєструються, чи фізичні величин, що характеризують технологічний процес.

C. Для одержання інформації про хід технологічного процесу, про якість і кількість продукції, що випускається, і для подальшої обробки.

3. Для чого використовується автоматичний вимір?

A. Для оповіщення обслуговуючого персоналу про граничні чи аварійні значення яких-небудь фізичних параметрів.

B. Дозволяє вимірювати і передавати на спеціальні вказівні прилади значення, що реєструються, чи фізичні величин, що характеризують технологічний процес чи роботу машин

C. Для одержання інформації про хід технологічного процесу і видачі інформації обслуговуючому персоналу.

4. Для чого призначене автоматичне сортування?

A. Дозволяє вимірювати і передавати на спеціальні вказівні прилади значення, що реєструються.

B. Здійснює контроль і поділ продукції по розміру, вазі, твердості, в'язкості й іншим показникам

C. Для оповіщення обслуговуючого персоналу про граничні чи аварійні значення будь-яких фізичних параметрів

5. Для чого призначений автоматичний збір інформації?

A. Для одержання інформації про хід технологічного процесу, про якість і кількість продукції, що випускається, і для подальшої обробки, збереження і видачі інформації обслуговуючому персоналу.

B. Здійснює контроль і поділ продукції по розміру, вазі, твердості, в'язкості й іншим показникам.

C. Дозволяє вимірювати і передавати на спеціальні вказівні прилади значення, що характеризують технологічний процес чи роботу машин.

6. Телемеханіка — це...

A. Наука про цілеспрямоване керування складними системами, що розвиваються.

B. Область науки і техніки, що охоплює теорію і технічні засоби автоматичної передачі на відстань команд керування й інформації про стан об'єкта.

C. Область науки і техніки, що охоплює теорію і технічні засоби автоматичної передачі на відстань команд керування.

7. Кібернетика — це...

A. Наука про цілеспрямоване керування складними системами, які розвиваються, і процесами, що вивчає загальні математичні закони керування об'єктами різної природи.

B. Наука про цілеспрямоване керування складними системами, що вивчає загальні математичні закони керування об'єктами різної природи.

C. Область науки і техніки, що охоплює теорію і технічні засоби автоматичної передачі на відстань команд керування й інформації про стан об'єкта.

1.1.2. Основні джерела і показники техніко-економічної ефективності автоматизації технологічних процесів

Економічна ефективність автоматизації вимірюється ступенем зменшення сукупної праці, затрачуваної на виробництво одиниці продукції. При автоматизації сільськогосподарських виробничих процесів вартість капітальних витрат зазвичай трохи зростає, а експлуатаційні витрати на одиницю продукції істотно скорочуються. Таким чином, ефективність автоматизації характеризується сумарним скороченням витрат на виробництво одиниці продукції.

Якщо автоматизацію будь-якого процесу можна здійснити різними способами, то треба вибрати самий ефективний варіант, що забезпечує більш інтенсивне зниження вартості і більш високий ріст продуктивності праці. При цьому дуже важливо за базовий варіант прийняти найбільш передовий і досконалий спосіб механізованого виробництва, що застосовується у вітчизняній чи закордонній практиці, оскільки при порівнянні з менш досконалим способом виробництва можна одержати в розрахунках завищену економію засобів. Фактично цей же рівень може бути досягнуть за рахунок більш прогресивної технології машинного способу виробництва без залучення автоматизації.

На техніко-економічні показники істотно впливають правильно сформульовані технічні вимоги на автоматизацію технологічного процесу. Наприклад, підвищені вимоги до точності роботи процесу, що автоматизується, приводять до ускладнення пристроїв автоматики і до істотного збільшення капітальних і експлуатаційний витрат.

У результаті техніко-економічних, соціально-економічних і якісних порівнянь автоматизованого і неавтоматизованого способів виробництва визначаються основні показники ефективності автоматизації: капітальні витрати, експлуатаційні річні витрати, рентабельність, термін окупності, приведені витрати й інші.

Капітальні витрати — одна з основних вихідних величин при розрахунках економічної ефективності автоматизації. Ці витрати складаються з вартості Кза засобів автоматики з урахуванням їх доставки, монтажу і налагодження; витрат Км на модернізацію діючої техніки і технології, викликану автоматизацією; вартості Кб будівництва і реконструкції будинків у зв'язку з впровадженням автоматизації; залишкової вартості Кзал основних засобів, що підлягають ліквідації при впровадженні пристроїв автоматики, за винятком вартості Кр, отриманої від реалізації частини ліквідованих основних засобів, тобто

К = Кза + Км + Кб + Кзал - Кр.

При визначенні капітальних витрат на автоматизацію варто враховувати лише ті додаткові витрати на будівлі, устаткування і перебудову технології, що викликані тільки впровадженням засобів автоматизації.

Річні експлуатаційні витрати виробництва складаються в основному з амортизаційних відрахувань Ва, відрахувань Впр на поточний ремонт, витрат Вз на зарплату обслуговуючого персоналу, вартості Ве електроенергії і вартості Вп палива і мастильних матеріалів, куди віднесені і деякі інші річні витрати:

В = Ва + Впр + Вз + Ве + Вп

Економія річних експлуатаційних витрат визначається за формулою:

Ер = Вн – Ва + Пд,

Де Вн — річні витрати при неавтоматизованому способі виробництва;

Ва — те ж, при автоматизованому способі виробництва;

Пд—додатковий прибуток за рахунок збільшення якості продукції, зниження втрат і т. п.

При автоматизації сільськогосподарського виробництва додатковий прибуток Пд, не врахований у раніше приведених формулах, відіграє істотну роль. У ряді випадків, приймаючи в увагу цей прибуток, можна застосують високонадійні і дорогі автоматизовані засоби, одержуючи при цьому значний економічний ефект.

Термін окупності капітальних витрат на автоматизацію при однаковому річному обсязі виробництва знаходять за формулою:

То = ,

Де Кн і Ка — капітальні витрати відповідно неавтоматизованого й автоматизованого виробництва (Кн < Ка);

Вн і Ва — експлуатаційні річні витрати відповідно неавтоматизованого й автоматизованого виробництва (Вн > Ва).

ЗАПИТАННЯ

1. Які основні показники визначаються в результаті техніко-економічних, соціально-економічних і якісних порівнянь автоматизованого і неавтоматизованого способів виробництва? 2. З чого складаються капітальні витрати на автоматизацію? 3. З чого складаються річні експлуатаційні витрати виробництва? 4. Як визначається термін окупності капітальних витрат на автоматизацію? 5. Як визначається економія річних експлуатаційних витрат?

ТЕСТИ

1. Чим виміряється економічна ефективність автоматизації?

A. Вартістю капітальних витрат.

B. Ступенем зменшення сукупної праці, що затрачується на виробництво одиниці продукції.

C. Експлуатаційними витрати на одиницю продукції.

2. Які економічні показники змінюються при автоматизації сільськогосподарських виробничих процесів?

A. Вартість капітальних витрат зазвичай трохи скорочується, а експлуатаційні витрати на одиницю продукції істотно зростають.

B. Вартість капітальних витрат зазвичай трохи зростає.

C. Вартість капітальних витрат зазвичай трохи зростає, а експлуатаційні витрати на одиницю продукції істотно скорочуються.

1.2. ОБЄКТИ АВТОМАТИЗАЦІЇ

1.2.1. Особливості автоматизації сільськогосподарського виробництва

Автоматизації сільського господарства спирається на багатий досвід промисловості. До методів і засобів автоматизації, які застосовуються у тваринництві і рослинництві, пред'являються специфічні вимоги, обумовлені характерними рисами сільськогосподарського виробництва.

На відміну від промисловості в сільському господарстві поряд з технікою використовуються ґрунт і живі організми, машинна технологія тісно переплітається і погоджується з біологічними процесами.

Виробничі процеси в сільському господарстві складні і різноманітні, мають великий обсяг технологічної інформації і тісний взаємозв'язок. Це обумовлює велику різноманітність технологічних процесів, що історично склалися в період використання живої тяглової сили і які знаходяться в стадії незавершеної перебудови на потокове машинне виробництво, а також велике число типів, конструкцій, характеристик і режимів роботи сільськогосподарських машин і установок, багато з яких далеко не завжди пристосовані для застосування на них навіть найпростіших пристроїв автоматики.

Система сільськогосподарських машин має до десяти тисяч найменувань по типах, майже 60% з який призначені для рільництва і близько 30% — для тваринництва і птахівництва.

Важливою особливістю є розосередженість сільськогосподарської техніки по великих площах і віддаленість її від ремонтної бази, відносно мала потужність установок, тихохідність, низька вартість машин і невисокий рівень кваліфікації обслуговуючого персоналу, а також сезонність їхньої роботи в році і нетривале використання протягом доби. Навіть у тваринництві, де операції відбуваються і повторюються щодня по визначеному циклі, загальне число годин роботи машин відносно мале. Отже, засоби автоматики повинні бути дуже різноманітними, відносно дешевими, простими по будові і надійними в експлуатації.

Основна особливість сільськогосподарського виробництва полягає в нерозривному зв'язку техніки з біологічними об'єктами (тваринами і рослинами), для яких характерна безперервність процесів утворення продукції і циклічність її одержання, неможливість збільшення випуску продукції за рахунок прискорення виробництва. У цих умовах автоматика повинна працювати дуже надійно, тому що такий процес не можна перервати і практично неможливо надолужити упущене шляхом інтенсифікації наступного періоду. Наприклад, автоматика у тваринництві повинна забезпечити, циклічність виконання технологічних операцій протягом доби незалежно від погодних умов.

Збурюючі впливи, що діють на об'єкти, мають високий ступінь неоднорідності і випадковості із широкою зміною своїх величин. Багато автоматизованих сільськогосподарських об'єктів мають контрольовані і регульовані параметри, розподілені як по технологічному полю або навіть більшому об’ємі, так і в часі. Наприклад, у нагрівальних установках і сушарках, зерносховищах і овочесховищах, теплицях і тваринницьких приміщеннях необхідно по всьому об'єкті контролювати параметри (температуру, вологість, газовий склад, освітлення і т. п.) і керувати ними.

Для таких об'єктів системи автоматики повинні мати оптимальне число первинних перетворювачів і виконавчих органів і в той же час забезпечувати керування параметрами у всіх розосереджених зонах із заданою точністю і надійністю.

Істотна особливість більшості сільськогосподарських установок— їхня робота на відкритому повітрі, де навколишнє середовище непостійне: широкі межі зміни вологості і температури, наявність домішок, пилу, полови, піску в рільництві чи агресивних газів (аміаку, сірководню і вуглекислого газу) у тваринництві, а також наявність значних вібрацій і поштовхів.

Унаслідок перерахованих особливостей і ряду інших причин методи і засоби автоматизації і вимоги до них у сільському господарстві значно відрізняються від промислових.

При розробці пристроїв автоматики сільськогосподарських установок їх необхідно розраховувати на широкі межі зміни параметрів навколишнього середовища. Це дозволить одержати високонадійні засоби, тому що найбільш ефективним заходом боротьби за підвищення надійності пристроїв автоматики є вибір елементів з малою інтенсивністю відмов і різні способи збільшення надійності при проектуванні. Зазначені специфічні особливості в першу чергу впливають на первинні перетворювачі і виконавчі органи автоматики, що встановлюються безпосередньо на машинах, на які впливають всі несприятливі умови навколишнього середовища. Інші вузли автоматики можна розташовувати в окремих приміщеннях чи спеціальних шафах, що виключають несприятливу дію навколишнього середовища.

1.2.2. Технічна база для автоматизації сільськогосподарського виробництва

Планомірна і послідовна інтенсифікація сільського господарства, підвищення його технічної оснащеності, комплексна механізація й електрифікація, досягнення науки і практики і загальні успіхи народного господарства підготували необхідні умови для розвитку автоматизації сільськогосподарського виробництва.

Сільське господарство тісне зв'язано з усіма галузями країни, воно поставляє іншим галузям 66% своєї продукції і споживає близько 60% засобів виробництва, що надходять з галузей, що забезпечують його роботу.

На село надходить усе більше сучасних високопродуктивних машин, що створюються відповідно до єдиної системи машин по комплексній механізації сільськогосподарського виробництва, з урахуванням передового вітчизняного і закордонного досвіду. Освоюється випуск моделей нових сільськогосподарських машин і інших технічних засобів, що відрізняються високими техніко-економічними показниками. Особлива увага приділяється випуску устаткування для тваринницьких і птахівнчих комплексів.

Нові комплекти машин в основному забезпечать комплексну механізацію й автоматизацію всіх процесів на комплексах по виробництву м'яса птахів, яєць, яловичини і свинини.

На фермах великої рогатої худоби комплексною механізацією охоплено 60% виробничих процесів, у свинарстві — 70%, у птахівництві – більш 85%. Завершується комплексна механізація рільництва, машинно-тракторний парк нараховує величезну кількість тракторів, автомобілів, зернових комбайнів.

Останні досягнення науки і техніки дозволяють поступово переходити від простого машинного сільськогосподарського виробництв до комплексно механізованого й автоматизованого. Оптимізація умов вирощування рослин, утримання і годівлі тварин за допомогою засобів автоматики розширює біологічні можливості збільшення виробництва продукції.

Широке використання засобів автоматики, оперативного керування, математичних методів аналізу з застосуванням електронно-обчислювальних машин закладає науково-технічні основи індустріального сільськогосподарського виробництва.