Основные виды автоматических регуляторов. Структура регулятора. Выбор регулятора

Технические средства автоматизации состоят из отдельных элементов, каждый из которых выполняет строго определенную функцию: усиление, суммирование, регистрацию и т. д. Сочета­ние элементов определяет структуру и функции средств авто­матизации.

Основным проектным документом для каждого проектируемого объекта является структурная схема управления и контроля, которая устанавливает оптимальные ка­налы административно-технического и оперативного управле­ния технологическими процессами. Она увязывает действия управленческого персонала 'с техническими средствами управ­ления и автоматизации, определяет основные потоки информа­ции, обеспечивающие нормальное функционирование предприя­тия. Структурная схема управления и контроля — это база разработки автоматизированных систем управления и низовых систем автоматического контроля и регулирования.

Структурную схему строят в виде прямоугольников, соот­ветствующих определенным службам, элементам системы уп­равления и производственным участкам, прямоугольники соеди­няют линиями, которые отражают потоки информации в системах контроля и управления. На схеме, используя условные гра­фические обозначения, буквы и надписи, показывают все техно­логические подразделения предприятия, пункты контроля и уп­равления, технические средства управления.

Основным техническим документом, определяющим струк­туру и характер системы автоматизации, а также оснащение ее приборами и другими средствами автоматизации (в том чи­сле и средствами вычислительной техники), является функ­циональная схема системы автоматизации.

Функциональную схему строят на технологической схеме цепи аппаратов, для автоматизации которых она предназна­чена. На функциональной схеме отражают все контуры автома­тического контроля и регулирования, все приборы и средства автоматизации по их функциональному назначению с указанием места их расположения.

При составлении функциональных схем применяют услов­ные обозначения, которые регламентированы ОСТ 36—27—77.

Основные принятые условные обозначения приведены в при­ложениях 1 и 2 (студенты конспектируют из учебника).

Щиты и пульты, управляющие машины, машины централи­зованного контроля изображают в виде прямоугольников произ­вольного размера, достаточного для нанесения графических условных обозначений приборов и пояснительных надписей.

Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на функциональных схемах, присваивают позиционные обозначения, которые сохраняются во всей проектной документации.

Объектами регулирования на обогатительной фабрике яв­ляются обогатительные машины и аппараты (тяжелосредные сепараторы, отсадочные и флотационные машины), аппараты обезвоживания и сушки.

При разработке и реализации систем автоматического регу­лирования (САР) наиболее важен выбор регулируемых пара­метров и регулирующих воздействий, после решения этих во­просов производится выбор технических средств автоматизации и способов их работы. Так как объект автоматизации явля­ется звеном САР, то ее свойства зависят прежде всего от свойств самого объекта.

На протекание любого технологического процесса, на ра­боту обогатительного аппарата или машины влияют внешние факторы — входные параметры (рис. 2). Одна часть из них (х₁, х₂ х₃...) объективно изменяется, но может быть оце­нена количественно (плотность пульпы, нагрузка по твердому, зольность угля и др.), другая часть (Z₁, Z₂, Z₃...) может опе­ративно регулироваться (частота вращения рабочего органа машины, плотность рабочей суспензии, расход воды и др.).

Кроме того, на объект регулирования действует целый ряд объективно изменяющихся факторов φ, количественная оценка влияния которых затруднительна (наличие химических приме­сей в воде, колебания температуры окружающей среды и др.).

Результаты протекания технологического процесса, работы аппарата или машины оценивают по выходным пара­метрам у₁ у₂, у₃… (зольность концентрата, влажность вы­сушенного продукта, потери угольных фракций с отходами и др.).

Выходные параметры у₁, у₂... можно рассматривать как функции аргументов х_1, х₂., Z₁, Z₂,…  

Количественная оценка взаимосвязей между параметрами и их влияния на поведение объекта позволяет определить кон­туры автоматического регулирования и задать технические характеристики элементов САР. Для этого иссле­дуют статические и динамические характеристики объекта.

Статические характеристики объекта по каждому выходному параметру определяют степень влияния на него входных параметров и позволяют выразить его значе­ние в зависимости от значения входных параметров:

y₁=f(х_1, х_2….. Z₁, Z₂,…)

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?