17 | 06 | 2019

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

1. Які ціль і задача системи автоматичного керування?

2. Які блоки складають об'єкт керування?

3. Які функціональні і керуючі зв'язки маються між блоками, що визначають майбутню систему?

4. Які режими об'єкта керування і його блоків і скільки технологічно припустимих переходів між цими режимами?

5. Якими конкретними алгоритмами описується той чи інший режим?

6. Які датчики і виконавчі елементи можуть бути застосовані для даної системи?

7. Які математичні рівняння описують взаємодію керуючих сигналів і сигналів збурення, що характеризують той чи інший режим роботи систем?

Після аналізу технологічних процесів чи окремих операцій необхідно установити весь обсяг інформаційних параметрів, що характеризують технологію і всі їх взаємозв'язки.

Накопичена відповідно до поставлених питань інформація повинна бути відбита в компактній і зручній для подальшої роботи формі. Саме це дає можливість виявити перелік інформаційних параметрів.

Класифікація інформаційних параметрів і технологічний ланцюжок дозволяють скласти структурну схему системи керування, що представляє собою сукупність об'єкта керування і керуючого пристрою.

Варто мати на увазі, що неповна і неточна обробка всієї інформації приводить до її перекручування на наступних рівнях, до запізнювання в прийнятті рішень і заходів для узгодження дій установок, потокових ліній, цехів і в підсумку до збільшення витрат на виробництво, зниження рентабельності, псування продукції тощо.

1.2.7. Технологічні установки як об'єкти автоматизації

Об'єкт автоматизації (ОА) – це реальна технологічна установка, функціонування якої характеризується деякими показниками якості – технологічними параметрами, що є вихідними координатами, а також штучно створюваними вхідними впливами, які прямо чи побічно впливають на стан параметрів.

Найпростіші об'єкти автоматизації мають одну вихідну величину і відповідно один вхідний вплив. Наприклад, у водонагрівача-термоса вихідною величиною (параметром) є температура води, а регулюючим впливом — електрична напруга, подавана на електронагрівників (рис.1.2).

До простих можна віднести також технологічні установки з декількома вхідними і вихідними координатами, якщо між цими координатами не існує функціональних взаємозвязків. Такий об'єкт можна розглядати як декілька найпростіших за відповідними параметрами і каналами вхідних впливів. Наприклад, у свинарниках при змішуванні комбікорму з водою й іншими добавками цілком допустимо процеси заповнення змішувача водою, комбікормом тощо розглядати роздільно (рис.1.3).

Рис. 1.3. Структура кормозмішувача у свинарнику як об'єкта керування завантаженням: α1, і α2 – вхідні впливи – подача води Qв і комбікорму Qк у змішувач; y1 і y2 – вихідні величини – вологовміст Wк. в. та концентрація корму Ск. в. кормосуміші

Рис. 1.2. Структура водонагрівача-термоса як об'єкта регулювання температури води:

А – вхідна координата – електрична напруга; у – вихідна координата – температура води

І нарешті, складні об'єкти з декількома взаємозалежними структурами вхідних і вихідних координат вимагають обліку взаємного впливу суміжних впливів і параметрів. Наприклад, при регулюванні мікроклімату вентиляція впливає не тільки на концентрацію газів СО2, NH3, Н2S у приміщенні, але і на температуру і вологість, у свою чергу, випаровування підвищує вологість і знижує температуру (рис. 1.4).

При невеликій кількості взаємозалежних координат звичайно вдається установити головні для даного процесу параметри, яким варто віддати перевагу в процесі регулювання, тоді інші можна розглядати як другорядні (залежні).

Рисунок. 1.4. Структура пташника як об'єкта регулювання мікроклімату: α1, α2,, а3 – вхідні координати – вентиляція LВ, обігрів QН, зволоження WУ;; y1 , y2, y3 – вихідні координати – концентрація вуглекислого газу ССО2, температура θВ і вологість φ%. повітря

Однак у сучасному сільськогосподарському виробництві багато технологічних об'єктів, набагато більш складних за структурою взаємозв'язків. Наприклад, пташник із птахами являє собою об'єкт із безліччю вихідних координат (якими є параметри мікроклімату, годівлі і освітлення, збирання посліду і збору яєць, поїння і санітарного стану) і цілим поруч керованих впливів по обслуговуванню поголів'я птахів, тобто вхідними координатами. Між цими координатами існують визначені зв'язки і взаємозалежності.

Усі розглянуті об'єкти автоматизації мають складну внутрішню структуру і можуть бути представлені рядом елементарних функціональних ланок, певним чином з'єднаних між собою. У найпростішому випадку в структурі об'єкта автоматизації можна виділити об'єкт керування ОУ — технологічний процес, розглянутий изольованно, і регулюючий орган РО — пристрій, що забезпечує цілеспрямований вплив на об'єкт керування (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Структура найпростішого об'єкта автоматизації

Об'єкти керування (рис. 1.6) характеризуються трьома узагальненими координатами. Перша координата – вихідна величина y, чи параметр процесу, що характеризує наявність в об'єкті речовини, або його енергетичний потенціал. Друга координата – збурення ХЗ, що представляє собою сумарний (результуючий) потік речовини чи енергії, обумовлений ходом процесу (навантаження ) і впливом середовища (перешкоди ).

Рис.1.6. Структура простого об’єкта керування

І нарешті, третя координата – регулюючий вхідний вплив ХР – величина штучно утвореного впливу, покликаного компенсувати дія збурення і забезпечити нормальне функціонування процесу. Щоб об'єкт знаходився в рівновазі, повинне бути дотримана умова ХР = ХЗ чи ХР - ХЗ =0. Наявність Δх= ХР - ХЗ дозволяє повертати об'єкт до оптимального значення параметра після його природного відхилення.

Регулюючий вхідний вплив на об'єкт ХР одночасно є вихідною координатою регулюючого органа РО, входом якого служить вплив, що прикладається до нього при ручному керуванні, – відкриття заслінок чи засувок, подача електричної напруги на електроприводи, електротеплові чи освітлювальні установки, ввімкнення швидкостей, муфт, трансмісій тощо.

Наявність регулюючого органа – неодмінна умова і вимога керованості технологічного об'єкта. Як приклад можна розглянути камеру інкубатора як об'єкт регулювання вологості повітря. Об'єкт керування в ній – повітряне середовище всередині камери, регулювальний орган – клапан подачі води на зволожувач, параметр – відносна вологість повітря, збурення – викид вологи з вентиляційним повітрям, що регулює ручний вплив– подача напруги на соленоїд електроклапана.

Взаємозв'язок між узагальненими координатами об'єктів керування виражається статичними і динамічними характеристиками. Статична характеристика об'єктів керування являє собою залежність між вихідною координатою (параметром процесу) і результуючим значенням вхідної координати – впливом при сталих режимах, тобто функцію.

1.2.8. Вихідна інформація Про технологічні процеси Як об'єкти керування

При розв’язку задач автоматизації керування технологічними процесами потрібно мати вихідну інформацію, що характеризує наступне:

А) дані про ємності об'єктів автоматизації і зв'язках між ними;

Б) вимоги до показників якості (параметрів) технологічних процесів;

В) значення, інтенсивність зміни в часі і місце прикладання збурювання;

Г) значення регулюючого впливу і передатні властивості регулювальних органів.

Кожна ділянка, де може накопичуватися речовина чи енергія в об'єкті (ємність), повинний бути охарактеризований окремо і повинні бути представлені дані про з'єднання між всіма ємностями: опору потоків, характеристика пружних елементів тощо.

Для вирішення завдань автоматизації важливі всебічні відомості про збурення. Насамперед це кількісна характеристика всіх потоків речовини чи енергії розглянутого об'єкта керування, що беруть участь у технологічному процесі (навантаження), так і викликані зовнішніми факторами (перешкоди). Ці зведення можуть бути представлені максимальними, мінімальними чи усередненими значеннями самих потоків чи залежностями, що їх характеризують, а також імовірністю сполучення різних факторів.

Наприклад, тепловий потік від тварин може бути визначений у розрахунку на одиницю маси тварин, а потік теплоти через огородження – за допомогою розрахункового значення температури зовнішнього середовища.

В одноємнісних об'єктах збурювання можуть бути прикладені на стороні подачі чи витрати, у багатоємнісних — до різних ємностей, а в об'єктах з розосередженими параметрами – до певних ділянок.

Відомості про регулювальні органи, через які здійснюється регулюючий вплив на об'єкт керування, беруть з паспортних даних пристроїв, що здійснюють ці впливи.

ЗАПИТАННЯ

1. Що являє собою технологічний об'єкт автоматизації? 2. Що поєднує технологія виробництва? 3. Що являється основою для постійного розвитку й удосконалювання технології виробництва? 4. Що являється основою для постійного розвитку й удосконалювання технології виробництва? 5. Що вимагає задача розробки нових технологічних процесів і типізації їх? 6. Що дозволяє виявити технологічний ланцюжок процесу? 7. Яку інформацію Потрібно мати при рішенні задач автоматизації керування?

ТЕСТИ

1. Технологічна операція – це...

A. Одиничний вплив, що приводить до зміни форми, структури, складу або стану предмета виробництва.

B. Вплив, що викликає зміну просторового положення предмета виробництва.

C. Сполучення технологічного устаткування і реалізованих на ньому технологічних процесів.

2. Технологічний об'єкт автоматизації — це...

A. Вплив, що викликає зміну просторового положення предмета виробництва.

B. Сполучення технологічного устаткування (машин, механізмів) і реалізованих на ньому технологічних процесів і операцій.

C. Одиничний вплив, що приводить до зміни форми, структури, складу або стану предмета виробництва.

3. Скільки величин (параметрів) мають найпростіші об'єкти автоматизації?

A. Одну вихідну величину і відповідно один вхідний вплив.

B. Одну вихідну величину.

C. Кілька взаємозалежних вхідних і вихідних координат.

4. Скільки величин мають складні об'єкти автоматизації?

A. Одну вихідну величину і відповідно один вхідний вплив

B. Кілька взаємозалежних вхідних і вихідних координат

C. Кілька взаємозалежних вхідних і вихідних координат, які вимагають обліку взаємного впливу, суміжних впливів і параметрів

5. Якими узагальненими координатами характеризуються об'єкти керування?

A. Перша координата — вихідна величина, друга — збурювання.

B. Перша координата — вихідна величина, друга — збурювання, третя — регулюючий вхідний вплив.

C. Перша координата — вихідна величина, друга — регулюючий вхідний вплив.

6. При дотриманні якої умови об'єкт будезнаходитися в рівновазі?

A. Регулюючий вхідний вплив відповідає величині збурювання.

B. Регулюючий вхідний вплив відповідає вихідній величині.

C. Вихідна величина відповідає величині збурення.

7 Що являє статична характеристика об'єктів керування?

A. Залежність між вихідною координатою і вхідної координати.

B. Залежність між вихідною координатою і величиною збурювання.

C. Залежність між вихідною координатою і результуючим значенням вхідної координати — впливом при сталих режимах.

1.3. СХЕМИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦІЇ

1.3.1. Класифікація схем автоматизації

При розробці схем автоматичного управління і технологічного контролю застосовують різні прилади і засоби автоматизації, що сполучаються з об'єктом управління і між собою по певних схемах. Залежно від використовуваних приладів і засобів автоматизації (електричних, пневматичних, гідравлічних) і лінійного зв'язку в проектах автоматизації розробляють схеми, які розрізняють по видах і типах.

По видах схеми підрозділяють на Електричні, пневматичні, гідравлічні і комбіновані.

Найбільшого поширення в практиці автоматизації технологічних процесів набули електричні прилади і засоби автоматизації, що пояснюється великою різноманітністю наявної апаратури і приладів і наявністю на об'єктах джерел електроживлення необхідної потужності і напруги. У зв'язку з цим найбільшого поширення набули електричні схеми. У спеціальних умовах, наприклад в умовах вибухонебезпечних виробництв, в переважній більшості випадків застосовують пневматичні прилади і засоби автоматизації. Це зумовило необхідність виконання великого числа різних пневматичних схем. Через громіздкість гідравлічної апаратури і труднощів передачі гідравлічних командних імпульсів на великі відстані гідравлічні схеми набули невеликого поширення.

У ряді випадків в проектах зустрічаються комбіновані електропневматичні, електропневмогідравлічні, пневмогідравлічні і електрогідравлічні схеми.

По типах схеми автоматизації підрозділяють на:

Структурні, Функціональні, Принципові, Монтажні, З'єднань.

Схеми автоматизації, як правило, виконують без дотримання масштабу. У монтажних схемах дотримується дійсне просторове розташування окремих засобів автоматизації і монтажних виробів.

Схеми автоматизації, як правило, виконують без дотримання масштабу. У монтажних схемах дотримується дійсне просторове розташування окремих засобів автоматизації і монтажних виробів.

1.3.2. Класифікація електричних схем

У проектах автоматизації сільськогосподарського виробництва використовують такі електричні схеми: структурні, функціональні, принципові, з’єднань, підключень та ін.

Визначення типу та сфери застосування схем автоматизації показано в таблиці 1.1.

В конструкторській документації схеми автоматизації кодуються буквами і цифрами в залежності від виду і типу схеми. Коди видів і типів схем автоматизації показано в таблиці 1.2.

Схеми автоматизації мають загальні терміни і поняття щодо схем (Додаток до ГОСТ 2.701-76).

Елемент схеми – складова частина схеми, яка виконує певну функцію у виробі і не може бути розділена на частини, які мають самостійне функціональне призначення (резистор, трансформатор, насос-розподільник, муфта та ін.).

Пристрій – сукупність елементів, що являє собою єдину конструкцію (блок, шафа, механізм). Пристрій може не мати у виробі певного функціонального призначення.

Функціональна група – сукупність елементів, що виконують у виробі певну функцію і не об'єднані в єдину конструкцію.

Функціональна частина – елемент, пристрій, функціональна група.

Функціональне коло – лінія, канал, тракт певного значення (канал звуку, тракт ПВЧ та ін. )

Лінія взаємозв'язку – відрізок лінії, що вказує на наявність зв’язку між функціональними частинами виробу.

Установка – умовне найменування об’єкта в енергетичних спорудах, на який випускається схема, наприклад головні (силові) кола.

Таблиця 1.1

Характеристики типів схем

Тип схеми

Визначення типу

Сфера застосування

1. Структурна схема

Визначає основні функціональні частини виробу, їх призначення і взаємозв'язок

Розробляються при проектуванні виробів (установок) на стадіях, що є попередніми відносно розробки схем інших типів, використовуються для загального ознайомлення з виробом (установкою)

2. Функціональна схема

Визначає основні процеси, що протікають в окремих функціональних колах виробу (установки) чи у виробі (установці) в цілому

Використовуються для вивчення принципів роботи виробів (установок), а також при їх налагодженні, контролі і ремонті

3. Принципова (повна) схема

Визначає повний склад елементів і зв'язків між ними, і, як правило, дає детальне уявлення про принципи роботи виробу (установки)

Служать основою для розробки конструкторської документації, наприклад схем з'єднань (монтажних). Використовуються для вивчення принципів роботи виробів (установок), а також при їх налагодженні, контролі і ремонті

4. Схема з'єднань (монтажна)

Показує з'єднання складових частин виробу (установки) і визначає проводи, джгути, кабелі, якими здійснюються ці з'єднання, а також місця їх приєднання і вводу

Використовуються при розробці конструкторської документації, і насамперед креслень, які визначають прокладання і способи кріплення проводів, джгутів, кабелів у виробі (установці), а також для здійснення приєднань і при контролі, експлуатації і ремонті виробів (установок).

5. Схема підключення

Показує зовнішні електричні зв'язки між вимірювальними пристроями і засобами отримання первинної інформації, з одного боку, щитами і пультами автоматизації — з іншого

Використовується при розробці конструкторської документації, а також для здійснення підключень виробів і при їх експлуатації.

6. Загальна схема

Визначає складові частини комплексу і з'єднання їх між собою на місці експлуатації

Використовується при ознайомленні з комплексами, а також при їх контролі і експлуатації. За необхідності загальна схема може розроблятися на збиральну одиницю.

7. Схема розташування

Визначає відносне розташування складових частин виробу (установки), а за необхідності, також проводів, двигунів, кабелів, трубопроводів тощо.

Використовується при розробці конструкторської документації, а також при експлуатації і ремонті виробів (установок)

Таблиця 1.2 Коди видів і типів схем автоматизації

Вид схеми

Шифр

Тип схеми

Шифр

Електрична

Е

1. Структурна

1

Гідравлічна

Г

2. Функціональна

2

Пневматична

П

3. Принципова (повна)

3

Кінематична

К

4. З'єднань (монтажна)

4

Оптична

Л

5. Підключення

5

Вакуумна

В

6. Загальна

6

Газова

Х

7. Розташування

7

Автоматизації

А

8. Інші

8

Комбінована

С

9. Об'єднана

9

ЗАПИТАННЯ

1. Що показує схема з'єднань (монтажна)? 2. Що визначає структурна схема? 3. Що показує схема підключення?

ТЕСТИ

1. Що визначає функціональна схема?

A. Основні процеси, що протікають в окремих функціональних колах виробу (установки) чи у виробі (установці) в цілому.

B. Основні функціональні частини виробу, їх призначення і взаємозв'язку.

C. Складові частини комплексу і з'єднання їх між собою на місці експлуатації.

2. Що визначає принципова схема?

A. Показує з'єднання складових частин виробу (установки) і визначає проводи, джгути, кабелі або трубопроводи.

B. Повний склад елементів і зв'язків між ними, і, як правило, дає детальне уявлення про принципи роботи виробу (установки).

C. Повний склад елементів і зв'язків між ними.

3. Елемент схеми — це...

A. Складова частина схеми, яка виконує певну функцію у виробі і не може бути розділена на частини, які мають самостійне функціональне призначення.

B. Складова частина схеми, яка виконує певну функцію.

C. Складова частина схеми, яка має самостійне функціональне призначення.

4. Пристрій — це...

A. Сукупність елементів, що виконують у виробі Певну функцію.

B. Сукупність елементів, що являє собою єдину конструкцію (блок, шафа, механізм) і може не мати у виробі певного функціонального призначення.

C. Сукупність елементів, що не можуть мати у виробі певного функціонального призначення.

5. Функціональна група – це...

A. Сукупність елементів, що виконують у виробі Певну функцію і не об'єднані в єдину конструкцію.

B. Сукупність елементів, що виконують у виробі Певну функцію.

C. Сукупність елементів, що Не об'єднані в єдину конструкцію.

6. Лінія взаємозв'язку – це...

A. Відрізок лінії, що вказує зв’язок.

B. Відрізок лінії, що вказує функціональні частини виробу.

C. Відрізок лінії, що вказує на наявність зв’язку між функціональними частинами виробу.