Автоматизация производственных процессов

Конспект лекций

Рис. 1. Взаимосвязь входных и выходных параметров объекта регулирования

Статическая характеристика отвечает на вопрос «Что ре­гулировать?» (Какие входные параметры и в какую сторону целесообразно изменять для достижения нужного значения ре­гулируемой величины?).

Динамические характеристики определяют ха­рактер изменения во времени каждого выходного параметра при изменении каждой входной величины:

y₁ (t) = f [х₁(t)]

Динамическая характеристика в итоге отвечает на вопрос «Как регулировать?» (Как целесообразно изменять регулируе­мую входную величину, по какому закону — плавно или скач­ками, непрерывно или периодически, чтобы достигнуть мини­мальных колебаний стабилизируемой выходной величины?).

Динамические характеристики выражают в виде дифферен­циальных и интегральных уравнений.

Совокупность статических и динамических характеристик технологического процесса — его математическая модель как объекта регулирования.

Статические и динамические характеристики обогатитель­ных процессов, на которые влияет большое количество пара­метров, обычно определяют опытным путем, учитывая, что ко­личественные оценки характеристик конкретны для каждого объекта регулирования. Например, статические и динамические характеристики однотипных отсадочных машин на разных обо­гатительных фабриках имеют различные значения.

Вся информация о количественной оценке технологических параметров и о работе обогатительного и вспомогательного обо­рудования на фабрике обеспечивается системами автоматиче­ского контроля (САК). На углеобогатительной фабрике конт­ролируется около 50 технологических параметров.

Автоматический контроль позволяет оператору следить за параметрами технологического процесса, которые невозможно измерить вручную, позволяет наблюдать за работой удаленных объектов и одновременно с наблюдением сопоставлять значе­ния нескольких параметров при оперативном управлении тех­нологическим процессом.

Автоматический контроль — неотъемлемая часть любого ав­томатизированного технологического процесса или аппарата на всех стадиях автоматизации. Функционирование автомати­зированных систем управления (АСУ) также базируется на ав­томатическом контроле.

Под системой автоматического контроля следует понимать совокупность технических средств, с помощью которых реша­ется задача автоматического получения информации о значе­нии контролируемых параметров или их отклонений от задан­ных значений. Системы автоматического контроля строят на базе измерительных систем и устройств, позволяющих произво­дить количественную оценку физико-химических свойств твер­дых тел, жидкостей и газов и энергетических параметров раз­личных потоков (напряжение и сила электрического тока, дав­ление и расход газа или жидкости и т. п.).

На рис. 2 показана структурная схема автоматического контроля: информация об изменении контролируемого пара­метра объекта автоматизации поступает к оператору; измене­ние контролируемого параметра воспринимается чувствитель­ным элементом ЧЭ (измерительным преобразователем) и изме­ряется первичным измерительным прибором ПП. Информация об измерении в виде сигнала поступает во вторичный показы­вающий и регистрирующий прибор ВП, за которым наблюдает оператор.

При контроле важных параметров параллельно со вторич­ным прибором часто применяют сигнализирующее устройство СУ — разноцветные лампы, которые загораются при достиже­нии предельных значений контролируемого параметра. Напри­мер, при автоматическом контроле плотности суспензии в тяже-лосредном сепараторе загорается красная лампа, когда фак­тическая плотность суспензии становится ниже заданной и заго­рается зеленая лампа, когда плотность превышает заданную.

Когда отклонение контролируемого параметра грозит безо­пасности обслуживающего персонала или может вызвать значи­тельные нарушения технологического процесса, применяют также звуковую сигнализацию.

На углеобогатительных и брикетных фабриках широко ис­пользуется дистанционное управление. Его приме­няют для управления агрегатами, расположенными на расстоя­нии до 400 м. Объект управления часто находится в поле зре­ния оператора, а пульт управления устанавливают в месте, /добном для наблюдения и управления. В других случаях ди­станционное управление увязывают с автоматическим контро- тем (рис. 6). Оператор следит за состоянием контролируемыхтараметров объекта управления по приборам, но к нему также юступает и другая информация. Анализируя все данные, опе->атор производит включение или выключение агрегата, изме- тяет положение регулирующего органа. Оператор, управляю-ций топочным устройством сушилки, следит за температурой * рабочем пространстве и дистанционно изменяет подачу топ- шва с учетом количества, влажности и крупности угля, посту- 1ающего на сушку.

автоматический контроль и дистанционное управление — ос­нова централизованного управления современной углеобогати­тельной фабрикой из центрального диспетчерского пункта.

Углеобогатительная фабрика имеет поточную технологию, которая охватывает большое количество разнообразных машин и механизмов, работающих в определенной последовательности и технологически тесно связанных между собой в процессе об­работки потока материала. Все машины и агрегаты приводятся в действие индивидуальными электрическими двигателями. Для обеспечения заданной последовательности пуска и остановки оборудования в связи с течением технологического процесса электродвигатели блокируют между собой. Автоматиче­ская блокировка электродвигателей представляет собой связь между их пусковой аппаратурой, при которой изменения состояния одного двигателя автоматически вызывают опреде­ленные изменения в электрической цепи другого двигателя.

Функции автоматической блокировки на углеобогатительной фабрике:

1. Запуск поточно-транспортных систем, начиная с конечного по ходу транспортирования агрегата. Остановка осуществля­ется в обратном порядке (первым останавливается первый по ходу агрегат), чем исключается завал оборудования транспор­тируемым материалом.

2. Обеспечение остановки всей цепи, подающей материал на участок, при остановке любого из двигателей сблокированного участка. Механизмы, находящиеся за остановившимся двига­телем, продолжают работать.

3. Исключение возможности запуска или остановки элект­роприводов в порядке, не соответствующем технологическому процессу.

4. Аварийная остановка всех двигателей сблокированного участка технологической цепи при нажатии на одну из аварий­ных кнопок «Стоп», которые при нормальной работе не исполь­зуются.

5. Недопущение включения или выключения какого-либо ме­ханизма или агрегата, которое может привести к нарушению производственного процесса при данном состоянии технологи­ческой системы (например, закрытие шибера растопочной трубы, работающей топки или сушильной установки, если за­крыт шибер борова).

6. Местный раздельный пуск двигателей для производства ремонта или испытаний.

7. Исключение централизованного запуска механизмов фаб­рики в том случае, если диспетчер, запросив о готовности механизмов к работе, не получил ответных разрешающих сигна­лов со всех операторских пунктов.

Блокировка оборудования производится по технологическим участкам. Таким образом, система блокировки фабрики слага­ется из ряда самостоятельных сблокированных участков. Непо­ладки в электрических цепях отдельных участков не вызывают остановки всей фабрики. Для электрических блокировок ис­пользуют в основном реле или дополнительные блок-контакты, включаемые в цепи управления двигателями.

Наибольшее распространение в технике получили системы автоматической стабилизации, которые автомати­чески, без участия человека обеспечивают заданное значение регулируемой величины. Большая часть САР, используемых на углеобогатительных и брикетных фабриках, относится к таким системам.Регулирование в системах автоматической стабилизации мо­жет быть:

1) по отклонению регулируемой величины от задан­ного значения (принцип Ползунова). В этом случае система регулирования обнаруживает отклонение регулируемой вели­чины и отрабатывает компенсирующее регулирующее воздейст­вие, направленное на его ликвидацию;

2) по возмущению (принцип Понселе). При этом прин­ципе регулирования система следит за изменением основного входного параметра, значение которого определяет течение про­цесса, и воздействует на процесс таким образом, чтобы компен­сировать возмущения, вызываемые изменениями контролируе­мого параметра.

Регулирование по принципу Ползунова («по отклонению») имеет наибольшее распространение (на долю всех остальных систем автоматического регулирования в технике приходится несколько процентов).

Регулирование «по отклонению» — наиболее универсально, так как позволяет осуществить автоматическую стабилизацию регулируемого параметра при любых возмущениях и даже в том случае, когда причины возмущений неизвестны. В то же время регулирование по отклонению малоэффективно, если из­менение выходной регулируемой величины происходит со слиш­ком большим запаздыванием по отношению к изменению вход­ных величин. Здесь может быть более эффективным примене­ние принципа регулирования по возмущению, особенно при условии, если имеется доминирующее влияние какой-либо одной входной величины. Однако если на объект регулирования зна­чительное влияние оказывает несколько входных величин, то регулирование «по возмущению» может не привести к цели и тогда не будет обеспечена стабильность режима технологиче­ского процесса.

В системе автоматического регулирования (рис. 8) датчик Д измеряет текущее значение параметра (расход жидкости или твердого, плотность и др.) и передает информацию в регуля­тор Р, который вырабатывает регулирующее воздействие. Регу­лирующее воздействие поступает в виде соответствующего сиг­нала в исполнительный механизм ИМ, который реализует регу­лирующее воздействие на объект (открывает или закрывает клапан, подает или выключает напряжение электрического тока и др.).

Передача информации о поведении объекта в результате регулирования в регулирующее устройство называется обрат­ной связью. Роль обратной связи заключается в формиро­вании регулирующего воздействия в зависимости от текущего значения регулируемой величины. В рассматриваемой схеме об­ратная связь осуществляется за счет передачи информации от датчика Д к регулятору Р.

Если в результате действия обратной связи регулируемая величина уменьшается, то связь называется отрицатель­ной,при обратном эффекте—положительной.

Контрольные вопросы:

1. Приведите примеры регулятора прямого действия, используемого в быту

2. Какие законы регулирования применяются в промышленных регуляторах?

3. Из каких основных элементов состоит регулятор?

4. Каковы основные задачи при выборе регулятора?

 

Конспект лекций

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1.1 Основные понятия и определения, особенности обогатительных фабрик как объектов автоматизации. Структурные и функциональные схемы систем автоматики. Объект регулирования и его свойства. Статичные и динамические свойства объекта.(1, стр.

Обогатительная фабрика как объект управления представ­ляет собой систему, состоящую из отдельных цехов (подсистем), а каждый цех — из отдельных обогатительных процессов (под­систем следующего порядка). Обогатительную фабрику в целом можно рассматривать как подсистему в общей системе уголь­ной промышленности. Управление простейшей подсистемой за­ключается в выполнении отдельных более простых операций — операций регулирования.

Воздействие на технологический процесс, аппарат или ма­шину в целях поддержания или определенного изменения какой-либо выбранной величины называется регулирова­нием. Например, воздействие на насосную установку, чтобы поддержать заданную производительность, изменение частоты вращения разгрузочного устройства в отсадочной машине для стабилизации высоты постели на отсадочном решете, изменение количества реагентов, подаваемых в процесс флотации, при изменении количества твердого во флотационной пульпе. Регулирование — часть управления.

Для осуществления операций управления и регулирования какой-либо системой (объектом) необходимо иметь данные о том, как эта система должна работать, в каком она состоянии и какие результаты ее работы уже имеются. Все эти данные, не­обходимые для управления и регулирования, составляют ин­формацию.

Необходимая информация для приведенных примеров регу­лирования— это производительность насоса, высота постели на отсадочном решете, количество флотационной пульпы и удельное содержание в ней твердого.

Для управления более сложной системой (объектом) требу­ется гораздо большая и разнообразная по своему составу ин­формация. Например, для управления фабрикой надо знать не только состояние оборудования, результаты работы за прошед­ший период и требуемые показатели, но и качество поступаю­щих углей, характеристики вспомогательных материалов, укомп­лектованность и технический уровень обслуживающего пер­сонала, наличие подвижного состава под погрузку готовой продукции и др.

Процессы управления и регулирования заключаются в сборе необходимой информации, ее оценке и переработке в целях по­лучения оперативного решения и выработки управляющего (ре­гулирующего) воздействия на систему.

Качественное различие между управлением и регулирова­нием состоит в том, что для управления системой использу­ется и перерабатывается разнородная информация, а для ре­гулирования — информация одного вида.

В связи с большим объемом и разнородностью информации, используемой при управлении, при ее переработке может быть получен целый ряд разнообразных решений, отвечающих по­ставленной задаче. Выбор наиболее целесообразного управляю­щего воздействия связан со значительными трудностями и мо­жет быть выполнен опытным оператором или электронной уп­равляющей машиной.

Решения, получаемые при обработке информации в процессе регулирования, и регулирующие воздействия, обеспечивающие поддержание заданного технологического режима, как правило, однозначны.

Применение машин и механизмов для выполнения техноло­гических операций производства называется его механиза­цией, а применение различных устройств для осуществления операций сбора информации, контроля за состоянием технологи­ческого процесса или машины, а также регулирования или уп­равления — автоматизацией.

Технологические процессы и машины, снабженные автомати­ческими устройствами, выполняющими операции регулирования и частично управления, но управляемые в целом при участии человека, называются автоматизированными.

Технологические процессы и машины, в которых поддержа­ние заданных технологических режимов при изменяющихся ус­ловиях работы (в допустимых пределах) обеспечивается без уп­равляющего участия человека, называются автоматиче­скими.

Автоматизация — это высший этап машинного производства, характеризующийся частичным или полным освобождением че­ловека от выполнения операций регулирования и управления, а также резким повышением скорости и точности выполнения операций, что в итоге значительно повышает производительность труда, обеспечивает его безопасность и комфортность в усло­виях, опасных для жизни человека или вредных для его здо­ровья (химические производства, атомные энергетические уста­новки, горячие цеха и т. д.).

Автоматизация производства — один из основных факторов современной научно-технической революции, открывающей ши­рочайшие возможности развития промышленности и подъема ее на более высокий уровень.

Первыми важнейшими шагами в области автоматизации яв­ляются изобретение И. И. Ползуновым (1765 г.) авторегулятора парового котла и изобретение Дж. Уаттом (1784 г.) центробеж­ного регулятора скорости паровой машины. В 1864—1874 гг. В. Н. Чиколаев разработал ряд принципов регулирования, по­ложенных в основу современной электромашинной автоматики. Основы теории автоматического регулирования были заложены в работах Дж. К. Максвелла (1868 г.), П. Л. Чебышева.

На углеобогатительных и брикетных фабриках автоматиза­ция позволяет успешно решать задачи повышения производи­тельности, стабильности и качественных результатов технологи­ческих процессов, предупреждения аварийных ситуаций, повы­шения выхода готового товарного продукта, снижения потерь угля с отходами, улучшения условий и повышения долговечно­сти работы оборудования. Внедрение автоматизации имеет боль­шое значение и для социальной сферы: улучшает условия труда (особенно на тяжелых и вредных для здоровья участках про­изводства), повышает квалификацию и профессиональное ма­стерство обслуживающего персонала.

При обогащении угля автоматизация особенно эффективна, так как она непосредственно влияет на качество продукции. Ши­рокий диапазон качественных показателей перерабатываемых углей и требований к готовым продуктам обогащения опреде­ляет многообразие технологических схем и аппаратурных реше­ний на углеобогатительных и брикетных фабриках. В связи с этим их автоматизация также весьма разнообразна и не мо­жет быть полностью охвачена решениями.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящее время все достаточно крупные промышленные предприятия, в том числе углеобогатительные и брикетные фаб­рики, автоматизированы. Однако степень автоматизации раз­лична и зависит от общего технического уровня производства.

В тех случаях, когда ставят цель автоматически получить только информацию о технологических параметрах, например о плотности суспензии в тяжелосредном сепараторе или о ра­боте обогатительных машин, применяют системы и средства автоматического контроля.

Более высокий уровень автоматизации — централизованный контроль, при котором вся информация поступает на пульт опе­ратора или диспетчера. В этом случае используется дистанци­онное управление, позволяющее посредством установленных в технологической цепи фабрики исполнительных механизмов управлять процессом с центрального пульта.

Следующая ступень автоматизации — автоматическое регу­лирование технологических параметров или работы машин с по­мощью локальных систем автоматики.

Для предупреждения аварийных ситуаций и нарушений тех­нологического режима применяют автоматическую защиту и блокировку.

Наиболее высокий уровень автоматизации технологии произ­водства (обогащение или брикетирование угля) достигается при использовании автоматизированных систем управления (АСУ), обеспечивающих оптимизацию качественно-количественных и экономических показателей производства. Применение АСУ на производстве предусматривает сочетание всех перечисленных выше видов автоматизации.

Технологический процесс, агрегат или машина, один или несколько параметров которого регулируются автоматически, называется объектом регулирования, а эти параметры — пара­метрами регулирования.

Объект регулирования и автоматические устройства, обес­печивающие регулирование, составляют систему автоматиче­ского регулирования (САР).

Активное воздействие, которое оказывает система автомати­ческого регулирования на технологический процесс или аппарат в процессе регулирования, называется регулирующим воздей­ствием.

Различные приборы и устройства, входящие в систему и обеспечивающие автоматизацию процесса, называются техниче­скими средствами автоматики.

Основными техническими средствами автоматики, которые находят применение на углеобогатительных и брикетных фаб­риках в виде отдельных приборов и устройств, являются сле­дующие.

Датчик — устройство, преобразующее контролируемую вели­чину в информационный сигнал, удобный для использования в системах автоматизации (обычно в электрический). Обеспе­чивая всю необходимую информацию, датчики являются важ­нейшей частью всех автоматических систем. Подобно рецепто­рам живого организма, которые передают в нервную систему информацию о параметрах окружающей среды и определяют его, поведение, датчики передают в систему автоматические сиг­налы о температуре, освещенности, шуме и т. д.

Датчик обычно состоит из измерительного и первичного пре­образователей.

Измерительный преобразователь — устройство, которое оп­ределяет состояние и изменение контролируемой величины и обеспечивает возможность их измерения для формирования ис­ходного информационного сигнала. Измерительные преобразо­ватели часто являются нестандартными устройствами, разрабо­танными в соответствии со спецификой технологического про­цесса или контролируемого параметра.

Первичный преобразователь — устройство, преобразующее контролируемую величину или ее изменение в сигналы (элек­трические, пневматические, гидравлические), которые посту­пают в систему автоматики как исходная информация.

В качестве первичных преобразователей обычно используют стандартные приборы заводского изготовления — первичные приборы (дифференциальные манометры, дифтягомеры и др.)* В некоторых случаях функции датчика может выполнять группа взаимосвязанных устройств и приборов.

Часто датчик представляет собой одно устройство, выпол­няющее функции измерительного преобразователя и первич­ного преобразователя. Например, термопара в зависимости от температуры контролируемого объекта выдает в систему ав­томатики стандартные электрические сигналы.

Датчики по сравнению с другими средствами автоматики имеют наиболее широкий диапазон вариантов конструктивных и принципиальных решений.

Вторичные показывающие или регистрирующие приборы — устройства, которые получают сигналы от датчиков и выдают наглядную информацию о значении контро­лируемого параметра оператору, следящему за технологическим процессом.

Измерительный преобразователь, первичный и вторичный приборы образуют систему автоматического конт­роля и осуществляют измерения контролируемой величины или параметра.

Регулирующие приборы (или регуляторы) получают информацию непосредственно от датчиков или через вторичные приборы и вырабатывают регулирующие воздействия.

Исполнительные механизмы — устройства, кото­рые реализуют регулирующее воздействие, выработанное регу­лятором. Регулятор включает, выключает или реверсирует ис­полнительный механизм либо изменяет скорость его действия. Исполнительный механизм получает энергию от внешнего источника и превращает ее в механическое действие регулирую­щего органа.

Р е г у л и р у ю щ и й орган — часть объекта регулирова­ния, предназначенная для изменения технологического режима. Например, при повороте лопаток направляющего аппарата ды­мососа изменяются тяга и производительность, развиваемые дымососом.

Все средства автоматизации объединяются в системы с по­мощью информационных каналов, по которым пере­дается информация в виде периодических или изменяющихся по величине непрерывных сигналов. От датчика сигналы по­ступают к вторичному прибору или регулятору. В регуляторе информация от датчика перерабатывается и в виде управляю­щих сигналов поступает в исполнительный механизм.

В автоматизированных системах управления большая часть информации от датчиков поступает в управляющие вычисли­тельные машины, которые также перерабатывают поступившую информацию в управляющие воздействия. Вычислительные ма­шины учитывают значительно большее количество параметров и их взаимосвязей, благодаря чему значительно повышается эффективность управления технологическими процессами.

Кроме указанных выше основных средств автоматизации, в автоматических системах применяют различные преобразова­тели, пусковую аппаратуру для включения исполнительных ме­ханизмов и других двигателей, аппаратуру сигнализации, раз­личные переключатели, реле и другую вспомогательную аппа­ратуру.

Технические средства автоматизации автоматизированных систем управления (АСУ) описаны ниже.

В электрических системах автоматизации каналами связи служат электрические провода и кабели, по которым информация передается в виде электрических сигналов, различающихся по времени действия, полярности или напряжению. В пневмати­ческих и гидравлических системах для передачи импульсов изменения давления сжатого воздуха или жидкости используют специальные трубопроводы. Сигналы, передаваемые по инфор­мационным каналам, являются   носителями инфор­мации.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные функции автоматизации на производстве?

2. Какая разница между автоматическим и автоматизированным техноло­гическими процессами?

3. Назовите объекты и параметры автоматического регулирования на угле­обогатительной фабрике (несколько примеров).

4. Каковы основные технические средства автоматизации, используемые на углеобогатительных фабриках, и их назначение?

5. Назовите входные параметры, влияющие на процесс обогащения угля в тяжелосредном сепараторе, и выходные параметры, по которым оцени­ваются результаты обогащения.

6. Для чего служат автоматическая блокировка и автоматическая защита?

7. Из каких элементов состоит САР?

8. В чем сущность регулирования «по отклонению» и «по возмущению»?

9. Какой принцип регулирования применен в САР температуры электриче­ского утюга?

10. Что такое обратная связь и в каких САР (по возмущению или по от­клонению) она используется?