ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)
1.1 Основные понятия и определения теории автоматического регулирования
1.1 Принципы регулирования
1.3 Алгоритм (закон) регулирования5
1.4 Основные требования к автоматическим системам управления
2 Передаточные функции линейной системы. Структурные схемы и их преобразования
3 Статика систем автоматического регулирования
3.1 Статические характеристики элементов и звеньев САР
3.2 Статические характеристики соединения звеньев
4 Понятие об устойчивости систем автоматического регулирования
Глава 2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1 Основные метрологические термины и определения. Понятие измерения
2 Виды средств измерения (СИ)
3 Системы и единицы физических величин
4 Метрологические характеристики средств измерений. Градуировка и поверка средств измерений
Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
3.1 Датчики линейного и углового перемещения
2 Датчики усилия
3 Датчики скорости вращения
Глава 4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
4.1 Методы электрических измерений
2 Методы и средства измерения температуры
3 Методы и средства измерения уровня
4 Методы и средства измерения давления
4.1 Методы прямых измерений давления
4.2 Методы косвенных измерений давления
5 Методы и средства измерения расхода
5.1 Расходомеры переменного перепада давления
5.2 Расходомеры постоянного перепада давления
5.3 Электромагнитные расходомеры
5.4 Ультразвуковые расходомеры
5.5 Расходомеры переменного уровня
5.6 Тепловые расходомеры
5.7 Вихревые расходомеры
5.8 Кориолисовы расходомеры
Глава 5. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ
5.1 Методы измерения вибрации
2 Средства измерения вибрации
Глава 6. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
6.1 Измерение физико-химических свойств нефти и пластовых вод
1.1 Измерение физико-химических свойств нефти
1.2 Измерение физико-химических свойств пластовой воды
2 Измерение физико-химических свойств газов
Глава 7. РЕЛЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
7.1 Электромагнитные реле постоянного и переменного тока
1.1 Электромагнитные реле постоянного (нейтральные)
1.2 Электромагнитные реле переменного тока
2 Магнитоуправляемые контакты (герконы)
Глава 8. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
8.1 Основные сведения о системах телемеханики
2 Интерфейсы передачи данных
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ
9.1 Основные сведения о микропроцессорах
2 Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование информации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Контрольно-измерительные материалы
Приложение 2. Перечень практических и лабораторных работ
Приложение 3. Перечень тем расчетно-графических работ (рефератов)
Приложение 4. Список основной и дополнительной литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие «Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства» содержит систематическое изложение одноименной учебной дисциплины, полностью соответствует учебной программе, и, по сути, является основной учебной книгой по дисциплине. В нем отражены базовые знания, определенные дидактическими единицами Федерального государственного образовательного стандарта по направлению 131000 «Нефтегазовое дело», специальности «Эксплуатация и обслуживание объектов добычи нефти». Содержание учебного пособия включает характеристику методов получения и использования знаний в области автоматизации технологических процессов, методологические основания базовых методов и закономерностей функционирования измерительных средств и систем автоматизации и развития отраженных в них сфер деятельности, а также ключевые проблемы и важнейшие тенденции развития нефтегазовой отрасли.
Целью учебного пособия является оказание методической помощи обучаемым в создании необходимой начальной теоретической базы знаний для обучаемых по основным принципам построения систем автоматизации производственных процессов, а также по техническим средствам автоматизации, на базе которых строятся упомянутые системы. При изучении учебного материала студент получит сведения об основах автоматизации измерительных процессов, видах и методах измерения, устройстве и особенностях эксплуатации конкретных датчиков основных технологических параметров, вторичных приборов и микропроцессорной техники.
Задача пособия заключается в предоставлении студентам возможности изучения устройства и принципа действия конкретной аппаратуры и средств автоматики, а также некоторых правил их эксплуатации.
В процессе изучения материала студенты должны ознакомиться с основами и классификацией методов и средств измерений; получить четкое представление о технологическом комплексе, о точках съема сигнала параметров технологического процесса; усвоить принципиальные схемы аппаратуры, принципы работы датчиков и реле, технические возможности микропроцессорной аппаратуры и средств автоматики, правила построения структурных схем, критерии регулирования, перспективы внедрения ЭВМ в процессе разработки и эксплуатации скважин, правила технически грамотной эксплуатации аппаратуры и средств автоматики; приобрести навыки проведения сравнительного анализа средств контроля и автоматики; узнать о сложностях применения средств автоматики и перспективах их развития.
На основе полученных теоретических знаний обучаемые должны научиться выполнять практические и лабораторные работы, а в последующем уметь монтировать простую аппаратуру, расшифровывать и проводить анализ диаграмм записи аппаратуры, производить оценку полученной информации, корректировать режимы разработки и эксплуатации систем автоматики технологических процессов нефтегазового производства с использованием специализированной аппаратуры.
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация технологических процессов является решающим фактором в повышении производительности труда и улучшении качества выпускаемой продукции.
Технологические процессы современных промышленных объектов требуют контроля большого числа параметров и сложны в управлении. В связи с этим при проектировании и эксплуатации промышленных установок исключительное значение придается вопросам профессионализма специалистов работающих на предприятиях ТЭК .
За годы развития переработки нефти и нефтехимической промышленности наблюдается усложнение процессов, что требует более четкого управления ими. В первой половине XX века, появились приборы регистрации и контроля параметров, так называемые контрольно-измерительные приборы - КИП. Зарождение, становление и развитие приборов измерения и контроля, процесс от автоматического регулирования до АСУ и управление на макро- и микроуровне является неотъемлемой частью процессов нефтегазового производства, нефтепереработки и нефтехимии.
Дальнейшее совершенствование приборов регистрации, контроля и управления параметрами привело к автоматизации и телемеханизации нефтепереработки и нефтехимии. Последнее привело к компьютеризации и управлению процессами, то есть к автоматизированным системам управления (АСУ).
И, естественно, что прогресс, в приборостроении и аппаратостроении в АСУ является интересной задачей, решение которой необходимо для определения дальнейших перспектив развития на основе преодоления глобальных проблем управления в нефтегазовой сфере.
В сформулированы шесть основных современных проблем оперативного управления производством и автоматизации в нефтегазовом производстве:
Учет добычи, движения и использования углеводородного сырья, нефти, газа, нефтепродуктов, для решения которой важно обеспечить возможность мониторинга учетных операций, в том числе с лицензионных участков, а также обеспечивать проведение внутренних и внешних аудитов по учету нефти, что в свою очередь требует разработки соответствующих измерительных средств, а также программно-информационной системы.
Управление территориальными активами, организация технического обслуживания и ремонта оборудования, обеспечение безопасности производства и персонала. Для решения данной проблемы требуется разработка программно-информационных средств, обеспечивающих учет, планирование технического обслуживания и ремонтов, контроль состояния производственных активов и выполненных работ; контроль заключения и выполнения договоров с подрядчиками на выполнение работ; контроль за нахождением персонала на производственных объектах; возможность обучения персонала по месту на тренажерах; наличие на рабочих местах актуальной документации на использование оборудования, на технологию выполнения процедур и операций.
Высокий уровень энергопотребления производства и необходимость мероприятий по энергосбережению и энергоэффективности. Для решения указанной проблемы требуются программно-информационные средства обеспечивающие учет, планирование технического обслуживания и ремонтов, контроль состояния энергопотребления по элементам технологического процесса; выявление объектов энергопотребления со сверхнормативным уровнем потребления электроэнергии; контроль за выполнением мероприятий по энергосбережению.
Разнообразие средств АСУ ТП, моделирующих и информационных систем. Данная проблема требует разработки программно-информационных средств, обеспечивающих формирование массива исходной информации для стратегического (планы развития и размещения производства), среднесрочного (годовые и месячные планы) и оперативного (суточные и сменные планы) планов управления; удовлетворения требований к составу и структуре документов в соответствии с внутренним регламентом предприятия, требованиями стандартизации акционеров; унификации доступа и разграничения полномочий при работе с документами.
Минимизация затрат на эксплуатацию системы при максимальном уровне информационного сервиса, предоставляемого лицам, принимающим решения. Для решения проблемы требуются: разработка методологии выполнения работ по развитию MES-уровня, автоматизации неавтоматизированных ранее производственных объектов и программно-информационных средств обеспечивающих: поддержание в актуальном состоянии баз данных и работоспособном состоянии программных средств системы; контроль функционирования программных средств системы (по обмену информацией с системами АСУТП, ERP и др.); фиксация действий персонала, включенного в работу системы.
Увеличение средств и труда на добычу каждой тонны нефти, обусловленное тем, что месторождения дешевой нефти в Западной Сибири, открытые в конце 1950-х годов, постепенно истощаются. В нефтеносном регионе остались в основном запасы со сложной добычей, требующие новых технологических решений и дополнительных капитальных вложений. Для решения данной проблемы необходимо повысить эффективность капитальных вложений и облегчить управление извлечением нефти; повысить эффективность капитальных вложений и облегчить управление извлечением нефти из недр за счет подхода, получившего название «умные месторождения», «интеллектуальные месторождения», «интеллектуальные нефтепромыслы», «интеллектуальные скважины»; оптимизировать работы всех промысловых объектов: скважин, коллекторов, трубопроводов и других наземных объектов.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)
1Основные понятия и определения теории автоматического регулирования
Известно, что технический процесс характеризуется совокупностью данных, величин, показателей. Совокупность операций для пуска, остановки процесса, поддержания постоянства показателей процесса или изменения их по заданному закону называется управлением. Поддержание показателей на заданном уровне или изменение их по заданному закону, называется регулированием, т.е. регулирование - это часть управления. И если эти процессы управления осуществляются без участия человека (оператора), то они называются автоматическими. Устройство, осуществляющее технологический процесс, показатели которого нужно управлять или регулировать, называется объектом управления, или управляемым объектом. Объектами управления могут быть буровой насос, буровой станок, привод бурового станка и т. д. или отдельные их узлы, выполняющие те или иные операции технологического процесса, например, лебедка бурового станка. Техническое устройство, осуществляющее управление в соответствии с программой (алгоритмом), называется автоматическим управляющим устройством. Совокупность объекта управления и управляющего устройства называется системой автоматического управления (САУ). Нас интересуют не все операции автоматического управления, а только регулирование, т. е. те операции, которые относятся к поддержанию или изменению показателей процесса. Всякий процесс регулирования может вестись ·без контроля результата - регулирование по разомкнутому циклу;
·с контролем результата - регулирование по замкнутому циклу.
Примером регулирования по разомкнутому циклу без контроля результата (расхода Q) может служить стабилизация подачи промывочной жидкости Q при работе поршневого насоса на полную производительность при включении соответствующей скорости коробки перемены передач (нерегулируемый привод и нет сброса промывочной жидкости). Здесь при значительных (не аварийных) изменениях характеристики гидравлического тракта (по причине зашламования забойной части, вывалов кусочков породы со стенок скважины и т. п.) расход промывочной жидкости остается постоянным. В приведенном примере объектом управления является буровой насос с нерегулируемым приводом (насосная установка). Управляющим (регулирующим) органом, который должен содержать объект для осуществления управления подачей промывочной жидкости, является коробка перемены передач. Регулирование по разомкнутому циклу применяется значительно реже, чем регулирование по замкнутому циклу в силу нестабильности характеристик элементов. Элементы системы подвержены различного рода возмущениям. В приведенном примере это может быть изменение коэффициента заполнения цилиндров насоса по причине изменения параметров промывочной жидкости или всасывающего тракта. Рассмотрим пример регулирования по замкнутому циклу с контролем результата - расхода Q. На рис. 1.1 приведена структурная схема регулятора (стабилизатора) расхода промывочной жидкости Q. Здесь расход Q контролируется датчиком расхода ДР. Задатчиком З посредством регулировки напряжения Uзад устанавливается требуемый расход Q. Частота оборотов вала двигателя n (следовательно, и расход Q) определяется нагрузкой и напряжением Uг, которое зависит от значения ∆U.
∆U = Uзад - Uос1, (1.1)
где Uос1- напряжение на выходе датчика (Uд), пропорциональное расходу Q, и называется напряжением обратной связи. И эта связь в данном случае отрицательная (условно обозначается закрашиванием сектора): уменьшает значение Uзад. При отклонении расхода Q от заданного значения изменяется и Uос1, что приводит к изменению nи тем самым к восстановлению расхода Q.
Автоматическое поддержание заданного закона изменения показателей процесса с помощью обратной связи называется автоматическим регулированием. В рассмотренном примере один показатель - Q. И он называется регулируемой величиной. Итак, основываясь на рассмотренном примере, будем считать, что автоматическое устройство, которое осуществляет автоматическое регулирование, называется автоматическим регулятором. В свою очередь, управляемый регулятором объект, называется регулируемым объектом. Совокупность регулируемого объекта и автоматического регулятора составляют систему автоматического регулирования (САР). По функциональному назначению автоматические системы подразделяются на разомкнутые системы автоматического управления, замкнутые системы автоматического управления и системы автоматического контроля. Рассмотрим примеры, демонстрирующие работу рассмотренных схем. 1.Пример. Стабилизатор тока накала электронных ламп. Схема демонстрирует регулирование по разомкнутому циклу.
Поддержание постоянства тока накала IН происходит без участия оператора, т.е. контроль не осуществляется.
Пример Ручное регулирование частоты вращения ω вала электрического двигателя.
Частота вращения ω вала приводного двигателя Д является функцией напряжения на клеммах генератора Uг, которое при постоянной частоте вращения якоря (ωВД = const) определяется током в обмотке возбуждения ОВГ генератора. Для регулирования или поддержания постоянным частоты вращения ω оператор следит за показаниями вольтметра V, проградуированного в размерностях частоты вращения ω и, меняя вручную реостатом Р ток Iовг в обмотке возбуждения, добивается требуемого значения ω.
Здесь наблюдаем замкнутую систему регулирования. Но такая система ручного регулирования обладает существенным недостатком: малая точность регулирования и нежелательное наличие оператора. Кроме того, действует ряд возмущающих воздействий: меняющийся момент на валу двигателя МС, изменение температуры среды, износ щеток электрических машин и т.д., отсюда неточность системы регулирования; система не применима при быстро протекающих процессах.
Рассмотренные примеры позволяют подвести основу для рассмотрения вопроса о принципах регулирования.
1.1.1 Принципы регулирования При работе рассмотренных выше систем становится очевидным воздействие внешних факторов (возмущающих воздействий). Самым простым решением для учета каждого возмущающего воздействия является установка соответствующего датчика. Однако данный подход не всегда реализуем. В качестве выхода из создавшегося положения обычно применяют приемы, в соответствии с которыми сначала измеряют отклонение от заданной величины с установкой датчика, а затем по измеренному отклонению вводят поправку (аналогично примеру с изменением положения движка реостата Р). Различают следующие основные принципы регулирования: ·по отклонению;
·по возмущению;
·компенсации;
·комбинированный.
На рис.1.4 демонстрируется схема автоматического регулирования (стабилизации) частоты оборотов вала двигателя с использованием одного датчика контроля за отклонением частоты оборотов от заданного значения, в качестве которого выступает тахогенератор. Эта схема, по сути, является трансформацией схемы ручного регулирования (рис.1.3) в схему автоматического регулирования (рис.1.4). Здесь оператор заменен электрической системой контроля и системой воздействия на реостат Р. В схему введены реостаты Р1 и Р2, реверсивный двигатель РД, электронный усилитель ЭУ, и редуктор Ред, который механически связанн с движком реостата Р.
Рассмотрим основные регулирующие элементы (рис. 1.4): ·объект регулирования, в качестве которого выступает двигатель, все остальные элементы входят в регулятор системы;
·показатель процесса регулирования, в качестве которого выступает угловая скорость ω, т.е. регулируемая величина, которая может быть как постоянной, так и меняться в соответствии с каким либо законом;
·регулирующий орган, роль которого играет якорная цепь двигателя, меняя положение или состояние которой, можно изменять регулируемую величину;
·регулирующее воздействие - напряжение в якорной цепи двигателя;
·задающая величина (воздействие) системы - Uзад; т. е. это такая величина, которая пропорциональна или функционально связана с регулируемой величиной и служит для изменения уровня последней; через Uзад задается конкретное значение ω.
Если ∆U = Uзад - Uос = 0, то наступит состояние равновесия. Uос - это напряжение обратной связи, которое пропорционально регулируемой величине ω. При изменении ω (по причине изменения момента Мс сопротивления на валу двигателя) изменяется вырабатываемое тахогенератором напряжение обратной связи Uос, нарушается равновесие (∆U ≠ 0), что приводит по цепочке (ЭУ - РД - Ред - Р - Iовг) к изменению вырабатываемого генератором напряжения Uг и к восстановлению регулируемой величины ω.
В рассмотренной схеме контроль регулируемой величины осуществляется активным способом, а цепь передачи сигнала с выхода на вход системы называется главной обратной связью. Принцип регулирования, который заложен в схеме (рис.1.4), называется принципом регулирования по отклонению. Системы, которые строятся по данному принципу, всегда содержат обратную связь. Это значит, что они работают по замкнутому циклу. Под системой автоматического регулирования по отклонению будем понимать такую систему, при работе которой измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения, а в функции от значения отклонения вырабатывается некое регулирующее воздействие, сводящее это отклонение к минимальному значению. Отметим и запомним, что системы регулирования по отклонению всегда должны содержать главную отрицательную обратную связь. Еще одним принципом регулирования, который гораздо реже используется в автоматических регуляторах, является принцип регулирования по возмущению или принцип компенсации, а также компенсация возмущения. На рис. 1.5 демонстрируется схема генератора постоянного тока. Данная иллюстрация поясняет принцип регулирования по возмущению. Здесь генератор работает на изменяющуюся нагрузку Rн. Напряжение U является регулируемой величиной. ЭДС генератора пропорциональна потоку возбуждения Φв Ег = k Φв.
U = Е - Iн· Rа, (1.2)
Е = U + Iн· Rа = Iн· Rн + Iн· Rа = Iн (Rа + Rн) (1.3)
Допустим, что при изменении тока Iн напряжение U = Uо = const. Тогда должно быть выполнено условие
Е= Uо + ΔЕ = Uо + IнRа = k (Φво+ ΔΦв). (1.4)
Значит, ΔЕ изменится за счет
Φв·Uо = k ·Φво и ΔΦв = (Rа/k)·Iн = c Iн, (1.5)
т.е. изменение регулируемой величины ΔΦ должно быть пропорционально току нагрузки Iн. Это условие выполняется за счет компаундной обмотки, дающей дополнительный поток возбуждения Φдоп, пропорциональный нагрузке возмущения - току IН. Исходя из этого, основная обмотка (основной поток возбуждения Фосн) предназначается для создания начального напряжения UО. Значение ΔЕ определяется компаундной обмоткой. Обе обмотки создают суммарный магнитный поток Фво.
В результате изменения тока нагрузки IН меняется суммарный поток Фво, а напряжение Uо постоянно. Это и есть пример реализации принципа компенсации в регулировании, когда при измерении нагрузки (возмущающем воздействии) в функции от измеренного значения вырабатывается некое регулирующее воздействие, которое позволяет регулируемой величине оставаться постоянной. Системы, работающие по такому принципу компенсации, относятся к системам разомкнутого типа, не имеющим обратной связи.
Основное достоинство таких систем - быстродействие. Вместе с тем, система обладает и рядом недостатков: ·за счет того, что у объекта есть несколько возмущающих воздействий и для систем компенсации нужно измерять в отдельности каждое возмущающее воздействие и в функции от него вырабатывать регулирующее воздействие, что значительно усложняет систему;
·проблема измерения неэлектрических возмущающих воздействий;
·неоднозначность и сложность зависимости регулирующего от возмущающего воздействия.
Из-за указанных недостатков рассмотренные системы применяются гораздо реже в сравнении с системами, реализующими принцип регулирования по отклонению. Третий принцип регулирования - комбинированный (сочетание первых двух принципов). Применяется еще реже, чем первые два. Достоинства и недостатки такие же. Системы довольно сложные и их изучение пока не предусмотрено.
1.2 Классификация систем автоматического регулирования По закону воспроизведения (изменения) регулируемой величины замкнутые системы регулирования делятся на три вида: ·системы стабилизации,
·системы программного регулирования,
·следящие системы.
Отличаются они друг от друга не принципиально, а лишь режимом работы и конструктивно. Они имеют общую теорию и исследуются одинаковыми методами. Система стабилизации - это система поддержания постоянства регулируемой величины. Рассмотренные выше системы относятся к системам стабилизации. В системах программного регулирования регулируемая величина должна изменяться по заранее известной программе во времени. Следящая система. Здесь регулируемая величина изменяется по неизвестному произвольному закону. Закон определяется некоторым внешним задающим воздействием (произвольно). В зависимости от характера регулирующего воздействия на исполнительный элемент системы автоматического регулирования подразделяются на: ·системы непрерывного,
·импульсного и
·релейного регулирования.
В системах непрерывного регулирования сигналы на выходе всех элементов системы являются непрерывными функциями сигналов на входе элементов. Системы импульсного регулирования отличаются тем, что в них через определенные промежутки времени происходит размыкание и замыкание контура регулирования специальным устройством. Время регулирования делится на импульсы, в течение которых процессы протекают так же, как и в системах непрерывного регулирования, и на интервалы, в течение которых воздействие регулятора на систему прекращается. Такие регуляторы применяются для регулирования медленно протекающих процессов (регулирование температуры в промышленных печах, температуры и давления в котлах). В системах релейного регулирования размыкание контура регулирования производится одним из элементов системы (релейным элементом) в зависимости от внешнего воздействия. В зависимости от результатов, получаемых при автоматическом регулировании, различают два вида автоматического регулирования: ·статическое и
·астатическое.
Статическим называется такое автоматическое регулирование, при котором регулируемая величина при различных постоянных внешних воздействиях на объект регулирования принимает по окончании переходного процесса различные значения, зависящие от величины внешнего воздействия (например, нагрузки). На рис. 1.6, а представлен регулятор уровня воды в баке. В регуляторе уровня воды при увеличении расхода воды q уровень снижается, через поплавок и рычаг открывается задвижка, приток q1 возрастает и наоборот.
Система статического регулирования имеет следующие характерные свойства: равновесие системы возможно при различных значениях регулируемой величины; каждому значению регулируемой величины соответствует единственное определенное положение регулирующего органа. Для осуществления такой связи между датчиком и исполнительным элементом контур регулирования должен состоять из так называемых статических звеньев, у которых в состоянии равновесия выходная величина однозначно зависит от входной: . Это объясняется тем, что расход воды q равен притоку q1 при каком-то строго определенном, своем уровне Н. Изменится расход, изменится уровень, приток будет равен расходу - и опять наступит равновесие. Регулятор, осуществляющий статическое регулирование, называется статическим регулятором. Для характеристики степени зависимости отклонения регулируемой величины от нагрузки в теории регулирования пользуются понятием неравномерности, или статизма регулирования. Пусть график зависимости установившихся значений регулируемой величины x от нагрузки q (характеристика регулирования) имеет вид, изображенный на рис.1.6, б (характеристика регулирования дана в конкретных координатах для регулятора уровня воды в баке; ниже координаты приводятся в общем виде, для любых статических регуляторов). Максимальное значение регулируемой величины хmax соответствует холостому ходу объекта (нагрузка отсутствует); минимальное значение - номинальной нагрузке - qном. Для определения статизма регулирования воспользуемся относительными координатами:
где φ - относительное значение регулируемой величины; Сама регулируемая величина; Минимальное значение регулируемой величины (при номинальном режиме); и qном - базовые значения величин; λ - относительное значение нагрузки. Тогда неравномерность δ (или статизм) системы в общем случае есть частная производная в данной точке (или относительная крутизна характеристики регулирования в этой точке):
Если характеристика регулирования линейная, то статизм будет постоянной величиной для всех значений нагрузки. И он может быть определен следующим образом:
Статический регулятор поддерживает не строго постоянное значение регулируемой величины, а с ошибкой, которая называется статической ошибкой системы. Таким образом, статизм регулирования - это относительная статическая ошибка при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной. В некоторых системах статическая ошибка (даже если и сотые доли процента) нежелательна, тогда переходят к регулированию, при котором она равна нулю - к астатическому регулированию. Характеристика регулирования такой системы представляется линией, параллельной оси нагрузки. Астатическим называется автоматическое регулирование, при котором при различных постоянных значениях внешнего воздействия на объект отклонение регулируемой величины от заданного значения по окончании переходного процесса становится равным нулю. В астатическом регуляторе уровня Н воды в баке (рис. 1.7) поплавок переремещает ползунок реостата в ту или иную сторону в зависимости от изменения уровня от заданного значения, тем самым запитывая двигатель, управляющий положением заслонки. Выключен двигатель будет тогда, когда уровень воды достигнет заданного значения. Система астатического регулирования имеет следующие характерные особенности: равновесие системы имеет место только при одном значении регулируемой величины, равном заданному; регулирующий орган имеет возможность занимать различные положения при одном и том же значении регулируемой величины. В реальных регуляторах первое условия выполняется с некоторой погрешностью. Для выполнения второго условия в контур регулирования вводится так называемое астатическое звено. В приведенном примере - двигатель, обладающий тем свойством, что при отсутствии напряжения его вал неподвижен в любом положении, а при наличии напряжения - непрерывно вращается. В зависимости от источника энергии, получаемой регулятором, различают ·прямое и
·непрямое регулирование.
В системах прямого регулирования энергия для перестановки управляющего элемента получается от датчика (как пример - статический регулятор уровня воды). В системах непрямого регулирования энергия для перестановки управляющего элемента получается от постороннего источника (пример - астатический регулятор уровня воды). Системы автоматического регулирования с несколькими регулируемыми величинами (например, давление пара в котле, подача воды в котел, подача топлива и воздуха в топку) подразделяются на системы несвязанного и связанного регулирования. Системами несвязанного регулирования называются такие, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать только через общий для них объект регулирования. Если в системе несвязанного регулирования изменение одной из регулируемых величин влечет за собой изменение других регулируемых величин, то такая система называется зависимой; и если не влечет, то система называется независимой. Системами связанного регулирования называются такие, в которых регуляторы различных регулируемых величин связаны друг с другом и помимо объекта регулирования. Система связанного регулирования называется автономной, если связи между входящими в ее состав регуляторами таковы, что изменение одной из регулируемых величин в процессе регулирования не вызывает изменения остальных регулируемых величин. Замкнутые системы автономного регулирования, имеющие только одну (главную) обратную связь, называются одноконтурными. Системы автоматического регулирования, имеющие помимо одной главной обратной связи еще одну или несколько главных или местных обратных связей, называются многоконтурными. В зависимости от вида характеристик элементов, из которых состоят системы, все системы делятся на: ·линейные и
·нелинейные.
Линейными называются системы, которые состоят только из элементов, имеющих линейные характеристики; переходные процессы в таких элементах описываются линейными дифференциальными уравнениями. Нелинейными называются системы, которые имеют один или несколько элементов с нелинейными характеристиками; переходные процессы в таких системах описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. При классификации по виду используемой энергии все системы можно подразделить на: ·электрические,
·гидравлические,
·пневматические,
·электрогидравлические,
·электропневматические и т. д.
В зависимости от числа регулируемых величин системы автоматического регулирования (САР): ·одномерные,
Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.
Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации - исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.
В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.
На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках - это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.
Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.
Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.
Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором - это непосредственно качественные показатели готового продукта.
Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.
Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.
Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.
Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.
Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.
Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители - электрические или магнитные.
Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.
Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления - это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.
Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации. В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:
Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.
Учебное пособие посвящено рассмотрению вопросов автоматизации технологических процессов производства изделий микроэлектроники. Авторы сочли целесообразным отразить такие вопросы, как основные технологические процессы обрабатывающей фазы производства изделий микроэлектроники для получения интегральных структур, систем автоматизации техпроцессов, технических средств автоматизации и управления, контроллеров и программно-технических комплексов отечественных и зарубежных производителей, используемых в системах управления техпроцессами, систем диспетчерского управления и сбора данных. Для студентов, обучающихся по специальностям220201(210100) «Управление и информатика в технических системах» (специалист), 210104(200100) «Микроэлектроника и твердотельная электроника» (специалист), 210107(200500) «Электронное машиностроение» (специалист), 220301(210200) «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)» (специалист), 210100(550700) «Электроника и микроэлектроника» (бакалавр), 220200(550200) «Автоматизация и управление» (бакалавр) и может быть полезно аспирантам, научным работникам и инженерам.
Шаг 1. Выбирайте книги в каталоге и нажимаете кнопку «Купить»;
Шаг 2. Переходите в раздел «Корзина»;
Шаг 3. Укажите необходимое количество, заполните данные в блоках Получатель и Доставка;
Шаг 4. Нажимаете кнопку «Перейти к оплате».
На данный момент приобрести печатные книги, электронные доступы или книги в подарок библиотеке на сайте ЭБС возможно только по стопроцентной предварительной оплате. После оплаты Вам будет предоставлен доступ к полному тексту учебника в рамках Электронной библиотеки или мы начинаем готовить для Вас заказ в типографии.
Внимание! Просим не менять способ оплаты по заказам. Если Вы уже выбрали какой-либо способ оплаты и не удалось совершить платеж, необходимо переоформить заказ заново и оплатить его другим удобным способом.
Оплатить заказ можно одним из предложенных способов:
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.
Общая структура позиционного устройства с числовым программным управлением (УЧПУ), его функциональные возможности и модификационные различия. Элементы пульта оператора, назначение органов управления. Узлы памяти, автоматических циклов и скоростей УЧПУ.
реферат , добавлен 25.11.2012
Понятие автоматизации, ее основные цели и задачи, преимущества и недостатки. Основа автоматизации технологических процессов. Составные части автоматизированной системы управления технологическим процессом. Виды автоматизированной системы управления.
реферат , добавлен 06.06.2011
Предпосылки появления системы автоматизации технологических процессов. Назначение и функции системы. Иерархическая структура автоматизации, обмен информацией между уровнями. Программируемые логические контролеры. Классификация программного обеспечения.
учебное пособие , добавлен 13.06.2012
Оптимизация решения на моделях нелинейного программирования. Решение задачи линейного программирования графическим методом. Разработка раскроя древесно-стружечных плит на заготовки. Затраты времени на обработку деталей. Обоснование решений на моделях СПУ.
курсовая работа , добавлен 17.05.2012
Построение современных систем автоматизации технологических процессов. Перечень контролируемых и регулируемых параметров установки приготовления сиропа. Разработка функциональной схемы автоматизации. Технические характеристики объекта автоматизации.
курсовая работа , добавлен 23.09.2014
Три вида исходной информации при разработке технологических процессов: базовая, руководящая и справочная. Выполнение рабочего чертежа детали. Тип производства и методы изготовления изделий при разработке технологических процессов с применением ЭВМ.
реферат , добавлен 07.03.2009
Краткое описание технологического процесса. Описание схемы автоматизации с обоснованием выбора приборов и технических средств. Сводная спецификация на выбранные приборы. Системы регулирования отдельных технологических параметров и процессов.
3 ..Введение ( Основы автоматизации технологических процессов )
В настоящее время происходит быстрое развитие производства и применения самодействующих машин и аппаратов, увеличение количества производственных процессов, ведущихся по типу безлюдной технологии. Различные автоматические устройства проникают во все сферы человеческой деятельности, включая науку, производство и быт. Для инженера любой специальности стало необходимым ознакомление с теоретическими основами и практическими приложениями автоматизации применительно к его профессиональным интересам. Это особенно важно для инженеров-электриков, специализирующихся в области автоматизированного электропривода, поскольку большая часть их профессиональной деятельности состоит в создании оборудования для автоматизации различных технологических процессов, его наладке и эксплуатации в производственных условиях.
Обычный курс автоматизации технологических процессов строится на базе технологии определенного производства: машиностроительного, металлургического, химического, текстильного и др. В нем много места уделяется частностям, которые весьма существенны для специалистов соответствующих производств, но не так существенны для инженеров, работающих в сфере создания и эксплуатации систем управления технологическим оборудованием. Специалистам по автоматизированному электроприводу важно получить представление об общих задачах, решаемых автоматизацией в современном высокомеханизированном и автоматизированном производстве, о месте электропривода в системах автоматизации. Они должны изучить основы теории автоматизации технологических процессов и научиться решать простые технические задачи, связанные с проектированием, выбором аппаратной части автоматизированных систем, разработкой алгоритмов и программного обеспечения их функционирования в конкретных условиях эксплуатации.
Термин автоматизация относится к весьма широкому классу производственных процессов и других систем организации трудовой и иной деятельности человека, в которых значительный объем операций, относящихся к процессам получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и особенно информации, передается специализированным техническим устройствам, средствам механизации и управляющим машинам. Автоматизированные процессы, в том числе управление, регулирование и (частично) контроль над ними, протекают автономно, в соответствии с заранее подготовленной и введенной на специальном программоносителе программой, так что не возникает необходимости непосредственного участия человека в их нормальном функционировании. На долю обслуживающего персонала остаются лишь функции общего контроля, а в случае необходимости – ремонта и наладки. Механизация, заключающаяся в замене ручного труда, физических усилий человека машинными операциями, является непременным элементом автоматизации. В отличие от простой механизации автоматизация обязательно включает в себя передачу управляющим машинам операций по управлению и организации автоматизируемого процесса в соответствии с заранее сформулированной и, возможно, уточняемой во время реализации процесса целью. Цели автоматизации многообразны. Они могут включать в себя решение задач повышения производительности и эффективности труда, улучшения качества продукции, оптимизации управления, обеспечения безопасности трудовой деятельности человека, охраны окружающей среды и др.
Цели автоматизации реализуются с помощью автоматизированных систем управления (АСУ), АСУ – это совокупность математических методов, технических средств (основные из них - это компьютеры и др. микропроцессорные устройства), их программного обеспечения и организационных комплексов, обеспечивающих управление и контроль параметров автоматизируемых объектов в соответствии с поставленной целью их автономного функционирования. Среди объектов автоматизации выделяют:
технологические, энергетические, транспортные и другие производственные процессы;
проектирование различных агрегатов и машин, судов, зданий и иных сооружений, производственных комплексов;
организацию, планирование и управление в рамках цеха, предприятия, стройки, войсковой части и др.;
научные и технические исследования, медицинское диагностирование, учет и обработку статистических данных, программирование, бытовую технику, охранные системы и пр.
Из всего перечисленного многообразия автоматизируемых объектов мы будем рассматривать только технологические процессы промышленного производства. При автоматизации последних функции управления и контроля, ранее выполнявшихся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Одновременно совершенствуется механизация отдельных рабочих операций. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи об изменении контролируемых параметров, таких как размеры обрабатываемых изделий, скорость обработки, температура, формируют, в соответствии с заданной программой обработки, управляющие сигналы, обеспечивающие выполнение программы обработки в оптимальном рабочем режиме.
В первой главе рассмотрены общие вопросы автоматизации технологических процессов, основные функции и структура АСУТП. Поскольку управление технологическим процессом становится возможным благодаря информационным процессам, которые формируются параллельно текущему техпроцессу, то во второй главе рассмотрены элементы теории информации применительно к формированию информационных процессов управления. Особое внимание здесь уделено вопросам кодирования информации в двоичных кодах, так как эти коды являются базой функционирования всех современных управляющих устройств. Глава завершается рассмотрением способов организации обмена информацией посредством ее передачи по каналам связи в рамках АСУТП.
Построение АСУТП невозможно без достаточно точного и подробного описания свойств и характеристик управляемого технологического объекта (ТО). Поэтому третья глава посвящена изложению аналитических и экспериментальных методов создания модели ТО, отображающей указанные свойства и характеристики.
Центральное место в учебном пособии занимают главы 4 и 5, посвященные методам анализа и синтеза алгоритмов управления АСУТП. В алгоритмах управления отображаются намечаемые способы решения задач АСУТП по стабилизации и программному управлению параметрами и режимами ТО, обеспечивающее протекание техпроцессов в соответствии с заданным критерием оптимальности. Особое внимание уделено рассмотрению способов оптимизации режимов функционирования ТО с линейными и нелинейными характеристиками и созданию блок-схем алгоритмов управления. Последние являются основой создания управляющих программ в процессе программирования аппаратной части систем автоматизации.
В шестой главе освещены этапы проектирования АСУТП, начиная с выбора необходимых технических средств построения АСУТП, разработки технического задания и кончая рабочим проектированием. В заключение, в седьмой главе, рассмотрены в качестве примера вопросы построения систем автоматизации в машиностроении на базе УЧПУ и программируемых логических контроллеров.
