17 | 06 | 2019

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

1.2.3. Основні задачі автоматизації технологічних процесів

Автоматизація сільськогосподарського виробництва має не тільки техніко-економічне, але і велике соціально-політичне значення. Комплексна механізація й автоматизація дозволяє підвищити продуктивність і поліпшити умови праці, збільшити кількість і якість одержуваної продукції, звільнити працівників від важкої фізичної праці й одноманітного розумового, знизити втрати і собівартість продукції, підвищити терміни служби сільськогосподарської техніки.

Для досягнення зазначених цілей необхідно передбачати наступне:

– постійне вдосконалення сільськогосподарських технологічних процесів у напрямку їхнього переводу з періодичних переривчастих у безупинні зі сполученим чи незалежним транспортним рухом;

– наукове узагальнення світового досвіду автоматизації сільського господарства, встановлення оптимального обсягу і черговості автоматизації технологічних процесів, виявлення типових рішень і їхніх аналогів у промисловості з метою розумного використання серійної апаратури автоматики, безупинне удосконалювання методів автоматизації й алгоритмів керування;

– визначення статичних і динамічних характеристик сільськогосподарських об'єктів автоматизації, математичний опис об'єктів керування (моделювання);

– вивчення і встановлення функціональних залежностей між контрольованими параметрами сільськогосподарської продукції і її фізичних властивостей (електричними, оптичними акустичними, тепловими, механічними, тощо.) з метою їхнього використання для побудови вимірювальних перетворювачів специфічних для сільського господарства неелектричних величин;

– розробка нових агрегатів і установок системи машин для сільського господарства з урахуванням вимог і можливості їхньої автоматизації;

– удосконалювання методів оптимального проектування і розрахунку засобів автоматики з урахуванням розширення їхніх функціональних задач і підвищення апаратної й експлуатаційної надійності.

Великі задачі стоять в області механізації й автоматизації ручної праці. Майже 50% операцій у сільському господарстві виконується з застосуванням ручної праці. У системі машин для сільського господарства передбачено механізувати й автоматизувати близько 300 операцій, що виконуються вручну.

Істотне скорочення ручної праці забезпечує застосування маніпуляторів і промислових роботів. Маніпулятор це окремий механізм, що виконує під керуванням оператора дії (маніпуляції), аналогічні діям рук людини. Промисловий робот – це автоматично програмно-керований маніпулятор. Промислові роботи знаменують собою якісно нову ступінь у розвитку автоматизації промислового і сільськогосподарського виробництва, істотно змінюють роль людини у виробничому процесі. Від традиційних автоматичних систем вони відрізняються тим, що здатні виконувати за людину універсальні ручні операції зі складними просторовими переміщеннями.

З упровадженням маніпуляторів і роботів у корені міняється вся організація технологічного процесу, оскільки багато ручних операцій при існуючій технології неможливо автоматизувати традиційними засобами.

Тільки з уведенням роботів у технологічний процес вдається цілком усунути стомлюючу і часто небезпечну ручну працю.

ЗАПИТАННЯ

1. Які особливості автоматизації в сільському господарстві? 2. Яка основна особливість сільськогосподарського виробництва? 3. Умови для розвитку автоматизації сільськогосподарського виробництва. 4. Що дозволяє комплексна механізація й автоматизація сільськогосподарського виробництва? 5. Які основні задачі автоматизації сільськогосподарського виробництва?

ТЕСТИ

1. Які особливості впливають на первинні перетворювачі і виконавчі органи автоматики?

A. Широкі межі зміни параметрів навколишнього середовища.

B. Мала небезпека відмовлень.

C. Широкі межі зміни параметрів навколишнього середовища, мала імовірність відмов.

2. Нові комплекти машин для тваринницьких і птахівничих комплексів забезпечують…

A. Комплексну механізацію й автоматизацію всіх процесів на комплексах по виробництву м'яса птахів, яєць, яловичини і свинини.

B. Комплексну механізацію й автоматизацію всіх процесів на комплексах.

C. Комплексну механізацію по виробництву м'яса птахів, яєць, яловичини і свинини.

1.2.4. Класифікація процесів і об'єктів автоматизації сільськогосподарського виробництва

При розробці систем автоматики за основу беруть Виробничий процес, Який являє собою сукупність технологічних процесів, спрямованих на створення кінцевого продукту. Сільськогосподарський виробничий процес розділяють на технологічні процеси, що, у свою чергу, поділяються на робочі операції.

На рисунку 1.1 приведена функціональна схема автоматизованого виробничого процесу, на якій показані місце і взаємозв'язок технологічних процесів, їхніх режимів, операцій з датчиками інформаційних параметрів.

Виробничі процеси поділяють по відмітних ознаках галузевої приналежності, наприклад, процес оброблення і збирання зернових культур, процес післязбиральної обробки зерна, процес збереження овочів, процес відгодівлі тварин і одержання від них продукції.

Технологічний процес являє собою сукупність прийомів і операції, доцільно спрямованих на переробку матеріалу чи продукту з вихідного стану до необхідного кінцевого стану. Технологічні процеси можуть відбуватися паралельно чи послідовно в часі.

Технологічний процес характеризується режимами функціонування:

– настановчим, зв'язаним з підготовкою машин і об'єктів до виконання їхніх основних функцій;

– робочим, обумовленим взаємодією об'єкта чи машини з матеріалом чи робочим середовищем;

– біологічним (чи фізико-хімічним), зв'язаним із тривалим природним процесом нагромадження усередині об'єкта рослинної чи тваринницької продукції;

– транспортним режимом, що включає переміщення машин, робочих органів, тварин чи матеріалу;

– режимом обслуговування, що представляє собою, наприклад, технічний догляд за машиною, зоотехнічне обслуговування тварин і агротехнічне забезпечення життєдіяльності рослин.

Рис. 1.1. Функціональна схема автоматизованого виробничого процесу

У сільськогосподарському виробництві найбільш специфічними є біологічні режими, для яких характерна безперервність фізіологічних процесів утворення продукції і циклічність її одержання. Такий процес не можна перервати і практично неможливо надолужити упущене шляхом інтенсифікації наступного періоду. Незважаючи на специфічність і різноманітність біологічних режимів, задача автоматизації їх у сільському господарстві залишається незмінної: забезпечити хід фізіологічних процесів таким чином, щоб у найкоротший термін при мінімальних витратах праці одержати найбільшу кількість продукції кращої якості.

Технологічна операція являє собою визначену сукупність організаційних і технологічних дій, що обумовлюють нормальне протікання всього процесу. Поділ технологічного процесу на технологічні операції дозволяє виявити тривалість операції, черговість її проведення, циклічність, тобто алгоритмувати технологічний процес.

Контроль і керування режимами й операціями здійснюються по інформаційних параметрах, вимірюваним первинними перетворювачами різних датчиків.

Операції виконуються одночасно (паралельно) чи послідовно. Контроль виконання всіх операцій не обов'язковий. Контролюються тільки основні операції і режими, що характеризують у цілому якісно і кількісно виконання виробничого процесу.

Класифікація об'єктів при розширенні робіт з автоматизації сільськогосподарських технологічних процесів і операцій полегшує визначення обсягу і черговості автоматизації, розробку типових рішень в області технології автоматизованого потокового виробництва і створення технічних засобів автоматики. У класифікацію повинні входити не тільки існуючі процеси й об'єкти автоматизації, але і ті, котрі можуть бути запропоновані надалі. Класифікація дозволяє точніше сформулювати вимоги до технічних засобів, вибрати раціональні принципи побудови систем автоматизації сільськогосподарських об'єктів і розробити загальні показники і методи визначення техніко-економічної ефективності автоматизації. Без наукової класифікації сільськогосподарських об'єктів і процесів у них неможливі широкі теоретичні узагальнення, техніко-економічні порівняння і практичні оцінки.

Виходячи з задач проектування систем автоматизації і створення засобів автоматики, сільськогосподарські об'єкти доцільно класифікувати по п'ятьох істотних ознаках: типу технологічних процесів; взаємозв'язку технологічного і транспортного руху; виду технологічного циклу; динамічним властивостям об'єкта і по агрегатному стані оброблюваного матеріалу.

Класифікація по типу технологічних процесів дає можливість розробити загальний підхід до рішення задачі автоматизації всього класу, незважаючи на технологічну специфіку. Доречно підкреслити, що приведений розподіл технологічних процесів на механічні, теплові, електричні, біологічні, хімічні і гідравлічні відбиває основне визначальне явище в об'єкті, у якому можуть протікати одночасно й інші процеси, що грають другорядну роль.

По взаємозв'язку технологічного і транспортного рухів об'єкти поділяються на три класи: з несполученим, сполученим і незалежним рухом. В об'єктах з несполученим рухом одні установки призначені тільки для транспортування матеріалу без його обробки, а інші здійснюють його технологічну обробку. Ці об'єкти варто віднести до нижчого класу з погляду економічної ефективності автоматизації. До більш високого класу відносяться об'єкти, у яких транспортний і технологічний рух сполучені і знаходяться в тісному взаємозв'язку: обробка чи переробка матеріалів відбувається під час їхнього транспортування. Для цього класу установок автоматизація дозволяє істотно підвищити їхню продуктивність і забезпечити оптимальний режим роботи.

Об'єкти вищого класу мають незалежний рух. Транспортний рух може бути зроблено ними під час обробки, а технологічний рух — зроблений під час транспортування. Автоматизація цього класу об'єктів забезпечує безперервність виробничого процесу і найбільшу продуктивність.

Агрегатний стан оброблюваного матеріалу впливає на вибір виконавчих і первинних перетворювачів систем автоматики. Агрегатний стан матеріалу на вході в об'єкт може відрізнятися докорінно від стану на виході з об'єкта. Це властивість необхідно враховувати при розробці технічних засобів автоматики сільськогосподарського призначення.

Автоматизації легше піддаються об'єкти з безупинним технологічним циклом і трохи складніше – з періодичними процесами, що особливо не мають самовирівнювання. В об'єктів із самовирівнюванням відхилення між заданим і дійсним значеннями керованого параметра зростає дуже повільно завдяки зміні будь-якого іншого параметра, наприклад, при відмові повітряних калориферів у системі регулювання температури повітря в теплиці температура знижується повільно за рахунок переходу теплоти від ґрунту до повітря. Проміжні ємності так само, як і самовирівнювання, сприяють поліпшенню автоматичного керування процесом.

Для автоматичного керування об'єктом важливо знати його динамічні властивості, що істотно впливають на стійкість і якість регулювання. За динамічними властивостями сільськогосподарські об'єкти автоматизації можна розділити на сім основних типів.

В міру розвитку рівня сільськогосподарського виробництва число технологічних процесів і операцій, а також засобів контролю і керування неухильно росте. Тому необхідно постійно удосконалювати і розширювати класифікацію сільськогосподарських об'єктів з урахуванням особливостей і вимог автоматизації.

Класифікація повинна сприяти виробленню загальних вимог до технічних засобів, вибору раціональних принципів побудови систем і засобів автоматики, розробці загальних показників і методів визначення техніко-економічної ефективності автоматизації.

ЗАПИТАННЯ

1. Що являє собою технологічним процес? 2. Яка задача автоматизації у сільському господарстві? 3. Як класифікують сільськогосподарські об'єкти?

ТЕСТИ

1. Якими режимами функціонування характеризується технологічний процес?

A. Настановчим, біологічним, транспортним, обслуговування.

B. Настановчим, робочим, автоматичним, автоматизованим.

C. Настановчим, робочим, біологічним, транспортним, обслуговування.

2. Якими координатами характеризуються найпростіші об'єкти автоматизації?

A. Координатами збурення.

B. Декількома вхідними і вихідними координатами, збурення.

C. Вхідними і вихідними координатами.

3. Що являє собою технологічна операція?

A. Визначену сукупність організаційних і технологічних дій, що обумовлюють нормальне протікання всього процесу.

B. Сукупність прийомів і операції, доцільно спрямованих на переклад матеріалу чи продукту з вихідного стану до необхідного кінцевого стану.

C. Сукупність технологічних процесів, спрямованих на створення кінцевого продукту.

4. Що являє собою виробничий процес?

A. Визначену сукупність організаційних і технологічних дій, що обумовлюють нормальне протікання всього процесу.

B. Сукупність прийомів і операції, доцільно спрямованих на переклад матеріалу чи продукту з вихідного стану до необхідного кінцевого стану.

C. Сукупність технологічних процесів, спрямованих на створення кінцевого продукту.

5. Як класифікують сільськогосподарські об'єкти по типу технологічних процесів?

A. Механічні, теплові, електричні, біологічні, хімічні і гідравлічні.

B. Газоподібні, рідкі, тістоподібні.

C. Безінерційні, аперіодичні, коливальні, диференціальні, інтегральні, з запізненням.

6. Як класифікують сільськогосподарські об'єкти по взаємозв'язку технологічного і транспортного руху?

A. Безінерційні, аперіодичні, коливальні, диференціальні, інтегральні, з запізненням

B. З несполученим, сполученим і незалежним рухом

C. Непереривні та періодичні.

7. Як класифікують сільськогосподарські об'єкти по виду технологічного циклу?

A. Непереривні та періодичні.

B. Газоподібні, рідкі, тістоподібні

C. Механічні, теплові, електричні, біологічні, хімічні і гідравлічні

8. Як класифікують сільськогосподарські об'єкти по динамічним властивостям об'єкта?

A. З несполученим, сполученим і незалежним рухом.

B. Непереривні та періодичні.

C. Безінерційні, аперіодичні, коливальні, диференціальні, інтегральні, з запізненням.

9. Як класифікують сільськогосподарські об'єкти по агрегатному стані оброблюваного матеріалу?

A. Механічні, теплові, електричні, біологічні, хімічні і гідравлічні.

B. Газоподібні, рідкі, тістоподібні.

C. З несполученим, сполученим і незалежним рухом.

1.2.5. Загальні Відомості про сільськогосподарські технологічні процеси

До технологічних відносяться процеси й об'єкти в структурній системі матеріального виробництва, що мають безпосереднє відношення до утворення (формування), збереження чи переміщення виробленої продукції.

Технологічний об'єкт автоматизації — це сполучення технологічного устаткування (машин, механізмів) і реалізованих на ньому технологічних процесів і операцій. Технологічний процес являє собою сукупність організованих впливів на предмет виробництва з метою надання йому якихось нових, обумовлених споживчими вимогами властивостей і якостей. Одиничний вплив, що приводить до зміни форми, структури, складу або стану предмета виробництва, називається Технологічною операцією, а вплив, що викликає зміну просторового положення предмета виробництва,—транспортною операцією. Технологічні процеси й операції іноді узагальнено називають Технологічним рухом, а операції по переміщенню речовини — Транспортним рухом.

У сучасному сільськогосподарському виробництві цьому загальному визначенню цілком відповідає технологічний рух, що відноситься до допоміжного і підсобного виробництва. Це процеси кормоприготування, первинної чи обробки переробки продукції, збирання й утилізації екскрементів, видобуток й обробка води, виробництва і розподіли теплового й іншого видів енергії тощо.

Відмінна риса основного сільськогосподарського виробництва полягає в тому, що в утворенні продукції (приросту, приплоду) обов'язково беруть участь різні види сільськогосподарських рослин, продуктивних тварин, птахів. Сільськогосподарські технологічні об'єкти включають, як правило, у свою структуру продуктивні рослини чи тварини разом з виробничими приміщеннями.

Технологія виробництва поєднує набір процесів і операцій, необхідних для одержання завершеного, готового до реалізації продукту, а також визначає загальні принципи, способи і режими здійснення впливів. Так, технологія виробництва молока визначає способи утримання корів (прив’язний чи безприв’язний) і годівлі (гранульованими повноцінними кормами чи вологими мішанками), а також режими годівлі (двох – чи триразове).

Технологія виробництва постійно удосконалюється. Новітня технологія найбільше повно використовує наявний на даний момент науково-технічний потенціал і передовий досвід, забезпечує високу економічну ефективність, кількісні і якісні показники виробництва. Основою для постійного розвитку й удосконалення технології є поглиблення індустріалізації, концентрація і спеціалізація сільськогосподарського виробництва, переклад деяких видів виробництва на промислову основу, розвиток комплексної механізації, електрифікації й автоматизації технологічних процесів.

1.2.6. Технологічні вимоги при розробці систем автоматичного керування

При створенні автоматичних систем керування технологічними процесами сільськогосподарського виробництва одним з найбільш відповідальних етапів є розробка оптимального, тобто найефективнішого, варіанта технологічного процесу, що підлягає автоматизації.

У зв'язку з тим що сільське господарство характеризується різноманіттям галузей виробництва і розмаїтістю технологічних процесів, розробка оптимального технологічного процесу в кожному конкретному випадку являє собою дуже складну задачу. Розвиток уніфікованих процесів сільськогосподарського виробництва сприяє успіху розробки оптимальних, придатних для автоматизації технологічних процесів. Тому дуже актуальної, особливо в умовах переводу сільського господарства на промислову основу, є проблема типізації, універсалізації і навіть стандартизації сільськогосподарських технологічних процесів і техніки.

Перевод сільського господарства на промислову основу тісно зв'язаний із процесами концентрації й інтенсифікації виробництва. В цих умовах, коли поряд з великими потоками сировини, енергії, праці йде великий потік взаємозалежної інформації, точне і правильне осмислювання цієї інформації, прийняття відповідних оптимальних рішень і взагалі повноцінне керування виробництвом можливі тільки при використанні методів і засобів автоматизації. Однак застосування досягнень автоматизації вимагає певної технологічної підготовки виробничих процесів.

Досвід переозброєння провідних галузей народного господарства показує, що ефективність автоматизації залежить від взаємозалежного рішення трьох основних задач: 1) розробки нових технологічних процесів і типізації їх; 2) створення технологічного устаткування, що забезпечує якісне виконання типізованого технологічного процесу; 3) вироблення алгоритмів ефективного керування технологічними процесами, операціями й устаткуванням за допомогою технічних засобів автоматики.

Рішення першої задачі вимагає спеціальних знань і необхідного досвіду по визначенню заданих параметрів точності, продуктивності, способів обробки, транспортування, збереження, по створенню методів типізації технологічних процесів тощо, тобто тут потрібні знання і досвід фахівців-технологів сільськогосподарського виробництва, що повною мірою володіють основами технологічної науки.

Типізацію технологічного процесу в сільськогосподарському виробництві доцільно починати зі складання так званого технологічного ланцюжка.

Технологічний ланцюжок відбиває взаємозв'язок технологічних процесів, окремих операцій і режимів машин, що беруть участь у їхньому виконанні. Наприклад, технологічний ланцюжок післязбиральної обробки зерна в потоці включає наступні операції: доставку зерна від комбайна, зважування зерна, його розвантаження, транспортування норією, первинне очищення від великих домішок на повітрорешітних машинах, транспортування норією, сушіння, охолодження, транспортування норією, вторинне очищення від дрібних домішок, транспортування шнеком, сортування на трієрах, збір у бункер, зважування, транспортування на склад, зважування і складування.

Технологічний ланцюжок дозволяє виявити порядок дії машин відповідно до вимог процесу, обсяг робіт з операцій, необхідне число машин, установити оптимальне агрегатування і припустимий ступінь типізації технологічних процесів. Таким чином, технологічний ланцюжок дає можливість глибоко проникнути в саму технологію процесу у всіх його аспектах.

Приступаючи до розробки систем автоматичного керування, розроблювач повинний добре вивчити об'єкт автоматизації, цілком усвідомити всі можливі режими роботи.

Варто мати на увазі, що розробляти автоматичні системи керування об'єктом часто приходиться для виробництва різних рівнів розвитку. У зв'язку з цим ступінь автоматизації і сукупність операції і режимів обумовлені рівнем розвитку самого виробництва. Отже, будь-який технологічний процес можна розділити на операції по-різному. Але при цьому поділі розробник завжди повинний собі відповісти на наступні основні питання.