Системы управления химико-технологическими процессами. Программа, задания к контрольной работе и курсовому проекту и методические указания по их выполнению

Федеральное агентство по образованию Р.Ф. Восточно-Сибирский государственный технологический университет

А.Ф. Бовкун, Э.В. Зубрицкий,

Системы управления химикотехнологическими процессами (Программа, задания к контрольной работе и курсовому проекту и методические указания по их выполнению для студентов заочного отделения специальности 070100 «Биотехнология»)

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2005

1

УДК 658.012 Системы управления химико-технологическими процессами (Программа, задания к контрольной работе и курсовому проекту и методические указания по их выполнению для студентов специальности 070100). /А.Ф.Бовкун, Э.В.Зубрицкий - Улан-Удэ, Вост-Сиб. гос. технол. унт, 2005, 56 с /

Данный сборник заданий, краткая программа курса, контрольные вопросы для самопроверки и методические указания по выполнению контрольной работы и курсового проекта адресованы студентам специальности 070100 «Биотехнология» заочной формы обучения.

А.Ф. Бовкун, Э.В. Зубрицкий, 2005 год.

Ключевые слова: Системы, управления, автоматизация, биотехнология, контрольная работа.

2

ПРЕДИСЛОВИЕ В содержание курса «Системы управления химико-технологическими процессами» для студентов специальности 070100 «Биотехнология» заложены требования Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки инженеров по направлению подготовки дипломированного специалиста 655500 «Биотехнология» в разделе ОПД.Ф.10 для дневной (очной) формы обучения с учетом материалов типовой программы курса «Автоматика и автоматизация производственных процессов» для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений УМУТ-6/1332. Учебным планом предусматривается чтение обзорной лекции в VII семестре и последующая самостоятельная работа над выполнением контрольной работы и курсового проекта; в VIII семестре предлагается цикл лекций по наиболее сложным разделам курса и последним достижениям науки и техники в данной области общим объемом 12 часов, а также прохождение лабораторного практикума в объеме 10 часов для ознакомления с приборами и аппаратами автоматизации и их функционированием в составе систем управления технологическими процессами биотехнологии. Завершение изучения курса заключается в защите контрольной работы и курсового проекта, за которыми следует сдача экзамена по теоретической части изучаемой дисциплины. Выполняемые студентами варианты каждого из предложенных заданий (тем) выбираются по двум последним цифрам шифра (номера зачетной книжки) по следующему правилу: если полученное число превосходит число 19, то последовательным вычитанием числа 20 добиваемся вхождения номера варианта в пределы 00 ÷ 19 (т.е., например номера зачетных книжек ....34, ....74 определяют выполнение работ по варианту 14, а 24,84-по варианту 4.) Отсутствие или дефицит современных учебников по данной учебной дисциплине вынуждает студентов вести поиск учебного материала в различных изданиях, не всегда соответствующих специальности. Поэтому, как в тексте программы, так и в методических указаниях приводятся ссылки на источники, названия которых не всегда соотносятся с вопросами данной специальности. Небольшое количество контрольных вопросов для самопроверки не должно, с одной стороны, отвлекать внимание студентов на второстепенные положения изучаемого курса, но, с другой стороны, должно позволить в процессе их рассмотрения затронуть узловые моменты каждого из разделов. В целях более глубокой индивидуализации самостоятельной работы число вариантов выполняемых контрольных заданий и тем курсовых проектов доведено до двадцати.

3

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ПРОГРАММЫ КУРСА Основные понятия и определения технической кибернетики и теории автоматического управления. Содержание науки кибернетики. Понятие кибернетической системы. Информация в кибернетике. Понятие единичной цепи. Причинно-следственные зависимости, понятия «вход» и «выход», прямая и обратная, положительная и отрицательная связи. Статика автоматических систем регулирования: равновесные характеристики отдельных объектов и структур при различных способах соединения составляющих их элементов между собой. Динамика систем автоматического регулирования (САР): динамические характеристики элементов, понятие типовых динамических звеньев, описания объектов при различных способах соединения составляющих их элементов между собой. Понятие устойчивости и способы ее определения. Понятие качества процесса регулирования и способы его оценки. Типовые законы регулирования («П», «И», «ПИ», «ПД», «ПИД»). Инженерные методы расчета настройки регуляторов. Влияние запаздывания на точность и устойчивость регулирования. Классификация систем управления технологическими процессами. Особенности управления непрерывными и периодическими процессами. История становления теории и практики автоматизации. Системы управления по отклонению и по возмущению, статические и астатические, линейные и нелинейные, непрерывного и прерывистого действия (в том числе импульсные), экстремальные, оптимизационные и адаптивные системы, системы стабилизации, системы программного управления, следящие системы. Методы и функции управления технологическими процессами. Автоматические системы управления. Функциональная (элементная) схема контролирующего (регулирующего) устройства и ее элементы. Функции и структура измерительных комплексов, систем автоматического контроля. Общая классификация контрольно-измерительных приборов как средств наблюдения за основными технологическими параметрами (температурой, давлением, расходом, уровнем, влажностью, плотностью, вязкостью, химическим составом и др.). Контрольно-измерительные приборы как носители сигнализирующих и регулирующих приставок и средств передачи данных на расстояние. Информационные элементы автоматических систем регулирования (датчики, задатчики, элементы сравнения), усилительно-преобразующие элементы, исполнительные механизмы, регулирующие органы. Регуляторы прямого и непрямого действия (электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные). Правила и порядок расчета и подбора элементов автоматических систем регулирования и регуляторов прямого действия. Роль микропроцессорной техники в системах управления. Сущность цифрового контроля и регулирования, преобразование ана

4

логовых величин в цифровые (числовые) эквиваленты, преобразование числовых значений в соответствующие управляющие воздействия в аналоговой форме. Структура управляющего микропроцессорного устройства. Машины централизованного контроля и регулирования, релейные микропроцессорные контроллеры (ремиконты). Ломиконты. Униконты. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Назначение, структура, виды АСУ ТП. Основные алгоритмы обработки информации в АСУ ТП. Математическое и программное обеспечение АСУ ТП. Комплекс технических средств. Управление дискретными процессами. Логические системы управления. Понятие о роботизированном и гибком автоматизированном производстве. Структура многоуровневого управления рассредоточенными (дисперсными) процессами. Использование информационных технологий в управлении технологическими процессами. Проектирование систем автоматизации. Стандартизация в разработке систем управления. Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП). Анализ технологических объектов управления. Состав документации. Функциональные технологические схемы автоматизации. Принципиальные электрические и пневматические схемы регулирования и управления, щиты и пульты. Стадии проектирования локальных систем и АСУ ТП. Разработка организационного, программного, технического обеспечения АСУ ТП. Системы автоматизированного проектирования (САПР). Вопросы надежности и технико-экономической эффективности систем автоматизации. Системы управления типовыми процессами и объектами биотехнологии Системы управления процессами тепломассообмена, ферментации, стерилизации, кристаллизации, сушки, многокомпонентного дозирования, перекачивания жидких продуктов и т.д.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ В лабораторном практикуме предполагается: изучение, поверка и градуировка измерительных приборов; экспериментальное определение статических и динамических характеристик технологических объектов управления и элементов АСР; сборка, настройка и исследование процесса работы АСР; ознакомление с работой логических систем управления, манипуляторов и роботов. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Курсовое проектирование включает разработку функциональной технологической схемы автоматизации (ФТСА), технологической линии производства того или иного вида продукции на всем протяжении переработки, начиная приемкой сырья и завершая отправкой готовой продукции на хранение или реализацию. Разрабатываемая ФТСА должна сопровождаться 5

соответствующими принципиальными электрическими и пневматическими схемами управления и регулирования, спецификациями используемых средств автоматизации и обоснованием их выбора, описаниями технологического процесса используемого оборудования, описаниями и характеристиками предусматриваемых контрольно-измерительных приборов, регуляторов, средств микропроцессорной и вычислительной техники

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Современная, утвержденная в качестве учебников литература отсутствует, для частичного использования предлагаются следующие, относительно доступные пособия. 1. Автоматика и автоматизация пищевых производств/ М.М. Благовещенская, Н.О.Воронина, А.В. Казаков и др.-М.: Агропромиздат, 1991. 239 с., ил. 2. Автоматизация технологических процессов пищевых производств / под ред. Е.Б. Карпина – 2-е изд., переб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1985, 536 с. 3. Бессекерский В.А., Попов Б.П. Теория автоматического регулирования. М.: Наука, 1985. 4. Брусиловский Л.П., Вайнберг А.Я. Автоматизация технологических процессов в молочной промышленности. –М.: Пищевая промышленность, 1978, 344 с., ил. 5. Евдокимова Г.М., Селевцов Л.И. Автоматизация производственных процессов в мясной и молочной промышленности. –М.: Колос, 2000, 240., ил. 6. Клюев А.С. автоматическое регулирование. – М .: Энергия, 1967, 342., ил. 7. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: 3-е изд., перераб и доп. – М.: Машиностроение, 1983, 424 с., ил. 8. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л.М., Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы. Изд. 3-е, переаб. и доп. – М.: Химия, 1988, 288 с., ил. 9. Митин В.В. и др. Автоматика и автоматизация производственных процессов в мясной и молочной промышленности/ В.В Митин, В. И. Усков. Н.Н. Смирнов. – М.: ВО Агропромиздат, 1987, 240 с., ил. 10. Под ред. Дудникова Е. Г. Автоматическое управление в химической промышленности. Учебник для вузов. – М.: Химия, 1987, 368с., ил. 11. Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, 416 с., ил. 12. Соколов В.А. Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности. – М.: Агропромиздат, 1991, 445 с., ил. 6

13. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие./ Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А.; под ред. А.С. Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990, 464 с., ил. 14. Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник./ Баранов В.Я., Безновская Т.Х., Бек Б.А., и др.; под общ. ред. Черенкова В.В. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987, 847 с., ил. 15. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля / Клюев А.С., Глазов Б.В., Миндин М.Б., Клюев С.А.; под ред. Клюева А.С. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1991, 432 с., ил.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПО ОСНОВНЫМ ТЕМАМ КУРСА 1. Основные цели и сущность кибернетики. 2. Основные задачи управления. 3. Сущность технологического процесса и его показатели в физическом и информационном смысле: понятия «вход», «выход», «связь». 4. Понятие «Равновесная характеристика» (р.х.). Способы получения р.х. и области использования. 5. Понятие «Временная характеристика» (иначе, кривая разгона) - способы получения и области использования. 6. Сущность определений «статический», «астатический» - главные отличия. 7. Сущность понятий «частотные характеристики»: виды, способы получения и области использования. 8. Сущность понятий «передаточная функция»: способы получения и области использования. 9. Понятие «устойчивость»: сущность и виды, способы определения наличия или отсутствия устойчивости. 10. Критерии устойчивости: виды, формулировки, достоинства и недостатки каждого из критериев. 11. Сущность понятий «показатели качества регулирования»: виды, способы определения, достоинства и недостатки каждого из показателей. 12. Основные этапы становления техники автоматизации и создания средств автоматизации. 13. Этапы становления теории автоматического управления и технической кибернетики. 14. Понятие «типовое динамическое звено»: виды звеньев, примеры их реализации в технике и в быту. 15. Структура автоматического измерительного прибора средней сложности.

7

16. Функциональная (элементная) схема автоматической системы регулирования и ее состав. 17. Виды датчиков и измерителей параметров технологических процессов. 18. Виды задатчиков и элементов сравнения. 19. Назначение усилителей-преобразователей в автоматических регуляторах. 20. Исполнительные механизмы: назначение и основные виды. 21. Регулирующие органы' порядок расчета и подбора 22. Регуляторы прямого действия; регуляторы непрямого действия - отличия, виды, достоинства и недостатки каждого из типов. 23. Структура машин централизованного контроля и регулирования. 24. Последовательность и виды преобразований информации в системах прямого цифрового управления. Функции АЦП, МП, ЦАП. 25. Структура микропроцессорного управляющего устройства. 26. Сущность понятия «АСУ ТП». 27. Ремиконты: сущность, функциональные возможности. 28. Сущность понятия «алгоритм функционирования». 29. Сущность ГСП: достоинства и недостатки ГСП на данном уровне развития техники. 30. Основные этапы разработки, создания и введения в действие какого-либо автоматизированного производства. 31. Технико-экономические предпосылки автоматизации. 32. Логические элементы в системах управления: классификация, особенности каждого из видов. 33. Основные положения алгебры логики. 34. Понятие о кодировании и декодировании информации в АСУТП. 35. Понятие о телемеханике.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1 Контрольная работа включает в себя выполнение четырех заданий. ЗАДАНИЕ 1 Определить передаточную функцию и дифференциальное уравнение системы, структура и описания элементов которой приведены на рис. 1 и в таблице 1.

8

ЗАДАНИЕ 2 Определить устойчивость системы автоматического управления, описание которой дано в виде дифференциального уравнения (для нулевого и четного вариантов) А4

d4y d3y d2y dy dx d 2x + A A + A + A y = B x + B + B 3 2 1 0 0 1 2 dt 4 dt 3 dt 2 dt dt dt 2

либо передаточной функции (для нечетных вариантов) W ( p) =

B2 p 2 + B1 p + B0 A4 p 4 + A3 p 3 + A2 p 2 + A1 p + A0

Численные значения коэффициентов приведены в таблице 2. Определение устойчивости произвести с использованием нескольких критериев устойчивости.

ЗАДАНИЕ 3 Разработать и схематически изобразить конструкцию одноконтурной системы автоматического стабилизирующего регулирования, элементы которой перечислены в таблице 3, а конструкции (схемы) составляющих данную систему элементов выбираются по рис. 2а-в. В данном задании также следует привести описание принципа действия, конструкции и основные характеристики каждого из элементов разрабатываемой системы, а также ее действия как при повышении, так и при понижении значения регулируемого параметра относительно требуемого уровня поддерживаемого регулируемого параметра.

9

10

11

12

13

Таблица 2 Численные значения коэффициентов

Вариант А4

А3

А2

А1

А0

В2

В1

В0

00

3

7

11

4

3

0,2

0,5

1,0

01

4

9

12

5

4

1,3

3,9

6,0

02

3

6

10

6

5

0,6

1,0

2,0

03

4

8

11

5

3

1,5

5,0

7,0

04

5

7

13

6

4

0,4

1,6

3,0

05

2

5

11

7

4

0,7

4,2

6,0

06

5

11

18

9

6

0,5

3,0

4,0

07

4

14

23

12

7

0,7

2,2

3,0

08

3

8

17

8

5

1,4

3,1

5,0

09

6

12

27

13

8

0,3

1,5

2,0

10

3

9

12

8

5

0,8

4,5

6,0

11

4

11

17

15

6

0,3

1,8

2,0

12

2

5

14

9

4

1,2

5,2

7,0

13

5

18

31

17

7

0,1

0,2

1,0

14

6

17

24

19

8

1,6

6,0

8,0

15

3

7

13

8

5

0,5

2,1

3,0

16

6

15

22

16

8

0,4

2,6

4,0

17

5

12

21

13

7

0,6

4,1

6,0

18

4

9

19

10

6

1,1

3,5

5,0

19

7

16

32

18

9

0,2

2,4

4,0

14

15

16

17

18

Рис.2а

19

20

Рис2в ЗАДАНИЕ 4 Разработать функциональную технологическую схему автоматизации раствороприготовительного узла. В основу разработки принять рис. 2. Перечень предусматриваемых средств контроля, управления и регулирования приведен в таблице 4. 21

Приложение к таблице 4 Для автоматизации раствороприготовительной установки предусматривается следующее А Расположение на водоводе, паропроводе и растворопроводах запорной арматуры с электроприводами в виде электрических исполнительных механизмов, включение и отключение которых в режиме автоматического управления осуществляется командоаппаратами или подобными устройствами программного управления, а в режимах опробования, наладки и ручного управления обеспечивается 1. ключами управления по месту, 2. ключами управления со щита, 3. располагаемыми по месту магнитными пускателями и кнопочными станциями, 4. располагаемыми по месту магнитными пускателями и кнопочными станциями, либо кнопочными станциями со щита - вид управления определяется ключом-избирателем управления со шита; 5. расположенным по месту и на щите ключами управления – способ управления определяется ключом-избирателем управления, расположенным на щите.

22

В каждом из вышеперечисленных случаев на щите должна предусматриваться световая сигнализация состояния запорной арматуры, сигнализирующая «открыто» или «закрыто». Б Управление электроприводами мешалки и откачивающего насоса как командоаппаратами, непосредственно воздействующими на установленные по месту магнитные пускатели, так и воздействующими на них в режиме опробования или при переходе на управление вручную посредством: 1. установленных по месту ключей управления, 2. установленных по месту кнопочных станций,

Рис 3. 23

3. расположенных как по месту, так и на щите кнопочных станций, выбор которых производится ключом-избирателем управления, находящимся на щите, 4. установленных на щите ключей управления. В каждом из вышеперечисленных случаев предполагается наличие на щите средств световой сигнализации каждого из состояний электродвигателей, т.е. «включено», либо «отключено». В Ограничение поступления в реактор-смеситель воды по мере наполнения (при достижении заданного уровня) осуществляется посредством: 1. устанавливаемого непосредственно на подводящем водоводе поплавкового регулятора уровня прямого действия, 2. расположенного в смесителе поплавкового реле уровня, находящегося на щите релейного блока управления и устанавливаемого на запорном клапане водовода электрического исполнительного механизма, 3. расположенных в реакторе трех датчиков-электродов, находящегося на щите релейного блока управления и устанавливаемого на запорном клапане водовода электрического исполнительного механизма в сопровождении располагаемой на щите световой сигнализации состояния уровня: «повышенный», «пониженный», «нормальный», 4. расположенного в смесителе поплавкового реле уровня, находящегося на щите релейного блока управления и устанавливаемого на запорном клапане водовода пневматического мембранного исполнительного механизма и находящегося при нем электропневматического клапана, а также располагаемой на щите световой сигнализации состояния уровня «высокий», «нормальный», «низкий». Г Нагрев содержимого реактора-смесителя и поддержание его температуры на всем протяжении процесса растворения и перемешивания посредством изменения подачи греющего пара в змеевик или паровую рубашку- при помощи: 1. устанавливаемого на вводном паропроводе регулятора температуры прямого действия с предварительной стабилизацией давления пара посредством регулятора давления прямого действия, 2. установленного на щите регулятора 04-ТГ пневматического действия, датчик которого находится в реакторе, а пневматический мембранный исполнительный механихм воздействует на регулирующий клапан на вводном паропроводе, 3. установленного на щите манометрического электроконтактного термометра и находящегося там же релейного блока управления, причем, термобаллон термометра находится в реакторе, а регулирующий клапан на вводном паропроводе приводится в действие электромоторным электрическим исполнительным механизмом, 4. установленного на щите показывающего и регистрирующего автомати24

ческого моста с встроенным пневморегулятором, причем датчик моста находится в реакторе, а регулирующий клапан на вводном паропроводе приводится в действие пневматическим мембранным исполнительным механизмом, 5. установленного на щите логометра с электроконтактной регулирующей приставкой и там же расположенного релейного блока управления, причем, датчик логометра находится в реакторе, а регулирующий клапан на вводном паропроводе приводится в действие лектромоторным исполнительным механизмом, 6. установленного на корпусе реактора термореле, находящегося на щите релейного блока управления соленоидного вентиля (электромагнитного клапана) на подводящем паропроводе, установленного на щите манометрического электроконтактного термометра и находящегося там же релейного блока управления, причем датчик термометра находится в реакторе, а регулирующий клапан на подводящем паропроводе приводится в действие пневматическим мембранным исполнительным механизмом, питаемым от находящегося рядом электропневматического клапана (соленоидного вентиля) на подводящем пневмопроводе. Д Измерение расхода и количества потребляемого греющего пара при помощи устанавливаемого на подводящем паропроводе нормального сужающего устройства с подключением к нему через конденсационные сосуды: 1. показывающего и интегрирующего паромера, установленного по месту, 2. установленного по месту бесшкального дифманометра и располагаемого на щите показывающего, регистрирующего и интегрирующего вторичного прибора-паромера, 3: установленного по месту регистрирующего и интегрирующего паромера, 4. установленного по месту бесшкального дифманометра и расположенного на щите показывающего и интегрирующего вторичного прибора-паромера, 5. установленного по месту показывающего, регистрирующего и интегрирующего паромера, 6. установленного по месту бесшкального дифманометра и располагаемого на щите регистрирующего и интегрирующего паромера. Е Измерение давления: 1. в подводящем водоводе посредством расположенного по месту электроконтактного манометра и сигнализацией световой по щиту значений: «выше нормы», либо «ниже нормы», 2. в подводящем паропроводе посредством расположенного по месту электроконтактного манометра и световой сигнализацией по щиту значений : «выше нормы», либо «ниже нормы»,

25

3. в растворопроводе посредством устанавливаемого за насосом электроконтактного манометра и световой сигнализацией по щиту: «Идет перекачивание готового раствора», 4. в подводящем водоводе посредством расположенного на нем реле давления и установленных на щите промежуточного реле и световой сигнализации наличия давления воды не ниже нормы, 5. до и после насоса (т.е. разности давлений) посредством установленного по месту показывающего тягонапоромера. Ж Измерение количества: 1. отпущенного концентрированного раствора посредством устанавливаемого на растворопроводе объемного счетчика, 2. отпускаемого готового раствора посредством устанавливаемого перед насосом скоростного счетчика, 3. потребленной холодной воды посредством устанавливаемого на подводящем водопроводе крылъчатого водомера. И Измерение концентрации: 1 отпускаемого готового раствора посредством устанавливаемого по месту (в реакторе) кондуктометрического электродного датчика и вторичного прибора (концентратомера) с трехпозиционным сигнализирующим устройством для обеспечения световой сигнализации на щите значений: «выше нормы», «норма», «ниже нормы»; вторичный прибор также располагается на щите, 2. готового раствора посредством устанавливаемого на щите показывающего концентратомера с трехпозиционным сигнализирующим устройством значений: «повышенная концентрация», «нормальная концентрация», «пониженная концентрация» и световой сигнализацией там же, причем датчик концентрации устанавливается в растворопроводе перед откачивающим насосом, 3 в резервуаре концентрированного раствора посредством установленного по месту концентратомера с сигнализирующей приставкой для световой сигнализации по месту значений «выше нормы», «ниже нормы», 4 и одновременного ее регулирования (доведения до требуемого значения) в реакторе посредством устанавливаемого на щите концентратомера с двухпозиционной регулирующей приставкой и устанавливаемого на ра створопроводе электромагнитного клапана, причем показывающий и регистрирующий концентратомер имеет датчик, устанавливаемый в реакторе, 5. и одновременного ее регулирования (доведения до требуемого значения) в реакторе посредством устанавливаемого на щите показывающего и регистрирующего концентратомера с двухпозиционной регулирующей приставкой электрического действия, датчик прибора находится в реак26

торе, а подача и ее прекращение осуществляются запорным клапаном с пневмоприводом и располагаемым рядом электропневматическим клапаном. К 1. Помимо вышеперечисленного оборудования исполнители должны дополнить ФТСА двумя-тремя приборами контроля и сигнализации, например, термометрами расширения, манометрами, расходомерами и пр. ЗАДАНИЯ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ Предлагается разработка функциональной технологической схемы (ФТСА) с ее размещением на листе формата А1 в сопровождении пояснительной записки. ФТСА должна отражать возможность как проведения пуско-наладочных работ, так и местного управления в случаях возникновения аварийных режимов и в других непредсказуемых ситуациях; для оперативного управления необходимо наличие щита управления и контроля; для возможности организации АСУ ТП следует предусмотреть выход средств автоматизации на управляющий-вычислительный комплекс (УВК), создаваемый на базе микро-ЭВМ, либо двухуровневую систему, состоящую из ремиконта и микроЭВМ. Пояснительная записка должна отражать принятую технологию в виде алгоритма технологического процесса с соответствующими комментариями, критическую оценку достигнутого на сегодня уровня автоматизации, описание проектируемого технологического процесса с перечислением задействованного оборудования с его краткими техническими и энергетическими параметрами и характеристиками, описание функционирования предлагаемой разработчиком ФТСА. Кроме того, в дополнительных главах надлежит подробно описать один из привлекаемых к использованию в данной ФТСА контрольно-измерительный прибор, один из используемых здесь регуляторов или одну из предусматриваемых сложных систем автоматического регулирования, принципиальную электрическую схему управления электроприводом той или иной технологической машины или установки проектируемой линии. Дополнительно следует дать краткую техническую характеристику и общее описание предусматриваемой управляющей микроЭВМ, ремиконта или аналогичных привлекаемых устройств. Записка должна завершаться заключением, обобщением и оценкой выполненной работы, указанием направления дальнейшего совершенствования предлагаемой схемы автоматизации данного производства, библиографией и оглавлением (содержанием). Ниже приведена тематика курсового проектирования для каждого варианта. 27

00) 01) 02) 03) 04) 05) 06) 07) 08) 09) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19)

Автоматизация производства заквасок непрерывным способом. Автоматизация производства бактериальных концентратов. Автоматизация производства кефира резервуарным способом. Автоматизация производства обезжиренного кефира. Автоматизация производства творога непрерывным способом. Автоматизация непрерывного подсквашивания молока. Автоматизация производства детской питательной смеси. Автоматизация производства белкового концентрата. Автоматизация производства концентратов сладких блюд. Автоматизация производства кваса. Автоматизация производства пива. Автоматизация производства спирта (подработка зерна, приготовление замеса, разваривание). Автоматизация производства спирта (участок осахаривания, отделение дрожжегенерации и брожения, стадия выделения и очистки спирта). Автоматизация производства сметаны. Автоматизация производства хлебопекарных дрожжей. Автоматизация производства лимонной кислоты. Автоматизация производства молочной кислоты. Автоматизация производства винной кислоты Автоматизация производства кормовых дрожжей. Автоматизация очистки сточных вод. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ СИСТЕМЫ.

Задана структура системы регулирования

28

и описания составляющих её элементов

В некоторых случаях, при рассмотрении вопросов общего характера, таких как нахождение дифференциального уравнения системы по дифференциальным уравнениям составляющих ее элементов и определение устойчивости, возможно использование символического способа записи дифференциальных уравнений и упрощенное толкование сущности передаточной функции как отношения операторного полинома правой части дифференциального уравнения к операторному полиному левой части. Используя основные правила преобразований дифференциальных уравнений в символическую форму: dz d 2z q ⇔ ρz; ⇔ ppz = p 2 z ; ∫ q ( t ) dt ⇔ ; 2 dt dt p B( p) D ( p ) ⋅ y = B ( p ) ⋅ x; y = ⋅ x = W ( p ) ⋅ x; y = W ( p ) ⋅ x D ( p)

запишем уравнения элементов системы в операторной форме и определим их передаточные функции. 1. y = 0,1 ⋅ x;

W1(p ) =

0 ,1 = 0 ,1 1

2. 2 p ⋅ y + y = 0,5 ⋅ x ;

W

2

(p ) =

3. p2 ⋅ y + 2 p ⋅ y + y = 10x; ( p 2 + 2 p + 1)⋅ y = 10 ⋅ x; 4 . py = 4 ⋅ x ; W 4 ( p ) =

4 ; p 29

0 ,5 ; 2 p + 1

W3( p) =

(2 p + 1) ⋅ y = 0,5 ⋅ x;

10 ; p + 2 p +1 2

5. y = 3 ⋅ x + 0 , 2 p ⋅ x ; y = ( 3 + 0 , 2 p ) ⋅ x ; W ( p ) = 3 + 0 , 2 p ; 5

Р. y = 5 ⋅ x ; W ( p ) = 5 ; p

p

p

Как видно из схемы соединения звеньев системы, звенья 1 и 2, а также звенья 4 и 5 строго соответствуют параллельному способу соединения и могут быть заменены эквивалентными звеньями с передаточными функциями W1− 2 ( p ) = W1 ( p ) + W 2 ( p ) = 0 ,1 + W 4−5 ( p ) = W 4 ( p ) + W 5 ( p ) =

0 ,5 0, 2 p + 0,6 ; = 2 p +1 2 p +1

4 0, 2 p 2 + 3 p + 4 + (3 + 0, 2 p ) = , p p

30

после чего структура приобретает вид: В данном случае только эквивалентные звенья 1-2 и 4-5 строго соответствуют случаю охвата единичными обратными связями, что учитывается следующими преобразованиями: 0,2 p + 0,6 W1−2 ( p) 0,2 p + 0,6 2 p +1 0,2 p + 0,6 2 p +1 W1−2 ( p) = = = ⋅ = 1 − W1−2 ( p) 1 − 0,2 p + 0,6 2 p + 1 [(2 p + 1) − (0,2 p + 0,6)] 1,8 p + 0,4 2 p +1

0,2p2 +3p + 4 W4−5 ( p) 0,2p2 +3p + 4 p 0,2p2 +3p + 4 p = W4−5 ( p) = = ⋅ = 2 1+W4−5 ( p) 1+ 0,2p +3p + 4 p [ p +(0,2p2 +3p +4)] 0,2p2 +4p +4 p

После этих преобразований структура системы приобретает вид:

Здесь налицо последовательное соединение звеньев, что позволяет определить общую передаточную функцию объекта Wоб ( р ) = W1∗− 2 ( p ) ⋅ W3 ( p ) ⋅ W4∗−5 ( p ) =

=

0,2 p + 0,6 10 0,2 p 2 + 3 p + 4 ⋅ 2 ⋅ = 1,8 p + 0,4 p + 2 p + 1 0,2 p 2 + 4 p + 4

0,4 p 3 + 7,2 p 2 + 26 p + 24 0,36 p 5 + 8 p 4 + 23,72 p 3 + 26,48 p 2 + 12 p + 1,6

Теперь объект и регулятор представляют случай встречно-параллельного соединения

для которого 31

WСАР ( р ) =

Wоб ( р ) = 1 + Wоб ( р ) ⋅ W p ( p )

0 , 4 p 3 + 7 , 2 p 2 + 26 p + 24 0 ,36 p 5 + 8 p 4 + 23 ,72 p 3 + 26 , 48 p 2 + 12 p + 1,6 = = 5 ⋅ ( 0 , 4 p 3 + 7 , 2 p 2 + 26 p + 24 ) 1+ 0 ,36 p 5 + 8 p 4 + 23 ,72 p 3 + 26 , 48 p 2 + 12 p + 1,6 = ⋅ =

0,4 p 3 + 7,2 p 2 + 26 p + 24 ⋅ 0,36 p 5 + 8 p 4 + 23,72 p 3 + 26,48 p 2 + 12 p + 1,6

0,36 p 5 + 8 p 4 + 23,72 p 3 + 26,48 p 2 + 12 p + 1,6 = [⋅ ⋅ ⋅] + (0,4 p 3 + 7,2 p 2 26 p + 24)

{

}

0,4 p 3 + 7,2 p 2 + 26 p + 24 0,36 p 5 + 8 p 4 + 25,72 p 3 + 62,48 p 2 + 142 p + 121,6

В соответствии с y = W ( p) ⋅ x можно записать (0,36p5 + 8p4 + 25,72p3 + 62,48p2 +142p +121,6) ⋅ y = (0,4p3 + 7,2p2 + 26p + 24)⋅ x

откуда дифференциальное уравнение системы d5y d4y d3y d2y dy + 8 + 25 , 72 + 62 , 48 + 142 + 121,6 y = 5 4 3 2 dt dt dt dt dt d 3x d 2x dx = 0,4 3 + 7,2 2 + 26 + 24 x dt dt dt

0,36

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ ПО ЗАДАННОМУ ЕЕ МАТЕМАТИЧЕСКОМУ ОПИСАНИЮ Так как поведение какой-либо системы принято описывать дифференциальным уравнением, в котором воздействие на систему изображается символом Х, а соответствующая реакция системы на данное воздействие отображается символом Y, то свободное движение системы описывается уравнением с нулевой правой частью – т.е. в отсутствие воздействия. Если под воздействием Х понимать его отклонение от значения, имеющего место при установившемся режиме подвижного динамического равновесия, а реакцию Y также рассматривать как отклонение от ее значения при режиме установившегося подвижного равновесия, то уравнение свободного движения при его решении позволяет судить о том, вернется ли значение Y к исходному уровню, т.е. 0 или нет. Для наглядности рассмотрим пример: электронагреватель поддерживает температуру в обслуживаемом объекте, допустим, на уровне 800С при напряжении в сети равном 220В, но из-за подключения к сети 32

дополнительных нагрузок напряжение сети "садится" до уровня 210В, вследствие чего температура постепенно снижается до значения, предположим, 730С – в данном случае при описании поведения системы за воздействие Х следует принимать величину 220 - 210 = 10В, а реакцией Y следует считать величину 80 – 73 = 70С. Если при восстановлении напряжения в сети до уровня 220В, т.е. Х = 0 температура в объекте вернется к исходному уровню 800С, т.е. Y = 0, то эта система считается устойчивой. Реальным примером системы четвертого порядка, например, может служить система поддержания температуры в сушильном шкафу с использованием для управления пропорционально-интегральнодифференциального регулятора в соответствии со следующей схемой.

Считая, что процесс передачи тепла от нагревателя с закрытой спиралью описывается уравнением. TН

dy + Y = КН ⋅ Х dt

где X – изменение подводимой электрической мощности; Y – изменение мощности теплового потока, отдаваемого нагревателем внутреннему пространству сушильного шкафа; процесс повышения температуры в сушильном шкафу TШ

dy +Y = К dt

Ш

⋅Х

где Х – изменение мощности отдаваемого нагревателем теплового потока, Y – изменение температуры воздуха в шкафу; процесс изменения термоЭДС термопары – датчика регулятора ТТ

dy + Y = КТ ⋅ Х dt

где Х - изменение температуры воздуха в сушильном шкафу, Y - изменение ТЭДС датчика, также показаний теплоизмерительного прибора и одновременно входного воздействия на регулятор; 33

процесс формирования выходного, управляющего воздействия регулятора на управляемый объект  1 YР = К Р  х Р + ТИ 

∫ х (t ) ⋅ dt + T Р

dx P   dt 

П

где хР - изменение ТЭДС датчика и показаний теплоизмерительного прибора; YP - управляющее воздействие регулятора на объект. Так как нагреватель, шкаф и датчик регулятора образуют прямой канал передачи воздействий, а регулятор представляет собой обратную отрицательную связь, то общее описание действий системы может быть определено при обращении к операторной форме записи вышеприведенных дифференциальных уравнений, где операция дифференцирования обозначается оператором р, а операция интегрирования, как обратная дифференцированию обозначается отношением

1 . р

Тогда Т Н ⋅ рy + y = (TH p + 1) ⋅ y = K H x Т Ш ⋅ рy + y = ( T Ш p + 1 ) ⋅ y = K Т Т ⋅ рy + y = (TТ p + 1) ⋅ y = K Т x

Ш

x

  1 YР = К Р 1 + + Т П р ⋅ х  ТИ р 

и передаточные функции WН ( р ) =

КН ; ТН ⋅ р +1

W

Ш

(р ) =

Т

[

Ш

К Ш ⋅ р + 1

;

WТ ( р ) =

  К 1+ Т И ⋅ р + Т И ⋅Т П ⋅ р2 1 + Т П р = Р WP ( p ) = K P 1 + ТИ ⋅ р  TИ р 

]

КТ ТТ ⋅ р + 1

Памятуя, что при последовательном соединении элементов их общая передаточная функция равна произведению передаточных функций, т.е. W

( p ) = W

общ

( p ) ⋅W

Η

Ш

( p ) ⋅W

Τ

( p )

а при охвате объекта регулятором по принципу обратной отрицательной связи передаточная функция системы имеет вид WCAP ( p ) =

откуда W

CAP

(p ) =

H

1 + Wобщ ( р ) ⋅ W p ( p )

( р )⋅ W ( p )⋅ W ( p ) = ( р )⋅ W ( p )⋅ W ( p )⋅ W ( p )

W 1 + W

Wобщ ( р )

H

Ш

Ш

T

T

B1 p = 4 3 A4 p + A3 p + A2 p 2 + A1 p + A0 ,

34

p

где А4 = ТН · ТШ · ТТ, А3 = ТИ (ТН ТШ + ТН ТТ + ТШ ТТ), А2 = ТИ (ТН + ТШ + ТТ + КР · КН · КШ · КТ · ТП), А1 = ТИ (1+ КР · КН · КШ · КТ ), А0 = КР · КН · КШ · КТ , В1 = ТИ · КИ · КШ · КТ . В соответствии с положением y = W(p) · x получаем ( A4 p 4 + A3 p 3 + A2 p 2 + A1 p + A0 ) ⋅ у = В1 ⋅ р ⋅ х

.

Выполняя обратное преобразование, получаем A4 p 4

d4y d3y d2y dy dx A A + + + A1 + A0 y = B1 3 2 4 3 2 dt dt dt dt dt

откуда уравнение свободного движения системы A4 p 4

d4y d3y d2y dy A A + + + A1 + A0 y = 0 3 2 4 3 2 dt dt dt dt

Таким образом, представленные в задании исходные данные не являются какого-либо рода надуманной абстракцией, а вполне отражают поведение реальных систем, наличие устойчивости которых и предстоит определить, обращаясь к использованию критериев устойчивости. В качестве примера рассмотрим систему, заданную дифференциальным уравнением d5y d4y d3y d2y dy dx 5 5 + 6 4 + 8 3 + 7 2 + 3 + y = 1,4 x + 0,3 dt dt dt dt dt dt

В режиме свободного движения исследуется характеристическое уравнение 5λ 5 + 6 λ 4 + 8λ 3 + 7 λ 2 + 3λ + 1 = 0

либо 5 p5 + 6 p4 + 8 p3 + 7 p2 + 3 p +1 = 0

где символ р уже рассматривается не как символ дифференцирования, а представляет собой корень данного уравнения. Для устойчивости системы n-го порядка согласно критерию Гурвица необходима положительность всех п + 1 коэффициентов характеристического уравнения и положительность всех определителей Гурвица от 1-го до (п - 1)-го. Для уравнения, записанного в общем виде как а0рn

+ а1рn-1 + … + аn-2р2 + аn-1р + аn =

0

35

требуется наличие и положительность всех коэффициентов а и главных миноров ∆ j , получаемых их главного определителя ∆ j. Так, для системы 5го порядка требуется соблюдение условий: а0 > 0, а1 > 0, a2 > 0, а3 > 0, а4 > 0, а5 > 0 и ∆1 > 0, ∆2 > 0, ∆3 > 0, ∆4 > 0, где из

следует

Беглого взгляда достаточно, чтобы убедиться в наличии и положительности всех коэффициентов характеристического уравнения (в данном случае система пятого порядка содержит пять коэффициентов при членах с символом р в разных степенях и свободный член, причем все численные значения больше нуля). Второе необходимое и достаточное требование критерия Гурвица требует построения главного определителя Гурвица

∆

Г

6 5 = 0

7 8 6

1 3 7

0 0 1

0 0 0

0 0

5 0

8 6

3 7

0 1

откуда ∆1 = 6 > 0; 36

∆2 =

6 5

7 = 6 ⋅ 8 − 5 ⋅ 7 = 13〉 0 8 ;

6 7 1 ∆ 3 = 5 8 3 = 6 ⋅ 8 ⋅ 7 + 1 ⋅ 5 ⋅ 6 − 6 ⋅ 3 ⋅ 6 − 7 ⋅ 5 ⋅ 7 = 13〉 0 0 6 7

; ∆4 = (6 · 8 - 5 · 7) (7 · 3 - 8 · 1) - (6 · 3 - 5 · 1)2 = 0, что противоречит требованию ∆4 >0 и, следовательно, рассматриваемая система неустойчива. Алгебраический табличный критерий устойчивости Рауса требует для устойчивости положительности п + 1 элементов в первом столбце таблицы, составленной по следующему алгоритму: с13 = а4 с11=а0 с12=а2 c21=а1

c22=а3

c23=а5

c31=а2 – k3a3

c32=а4 – k3a5

c33=а6 – k3a7

K3 = а0/с1

c41=а3 – k4c32

c42=а5 – k4c33

c43=а7 – k4c34

k4 = а1/с31

c51=а32 – k5c42 c52=а33 – k5c43 c53=а34 – k5c44 k5 = c31/с41 c61=а42 – k6c52

c62=а43 – k6c53

c63=а44 – k6c52 k6 = c41/с51

Для рассматриваемого примера 3 1

5>0 6>0 8-0,833·7= =2,167>0

8 7 30,833·1=2,167

7-2,77-2,167= =1>0

0-0,833·0=0

5 = 0,833 6

1-2,77·0=1

0-2,77·0=0

6 = 2,77 2,167

2,1672,167·1=0

0-2,167·0=0

0-2,167·0=0

2,167 = 2,167 1

?

?

1 0 неопределенность

Наличие нулевого значения в пятой строке и неопределенности в шестой строке свидетельствует о нарушении условия критерия Рауса и, тем самым, о неустойчивости рассматриваемой системы. Частотный критерий Михайлова предполагает определение устойчивости по форме и расположению на плоскости комплексного переменного так называемого годографа Михайлова, получаемого при подстановке в характеристическое уравнение системы значений комплексной частоты jω вместо параметра «р», с выделением вещественной Re(ω) и мнимой Im (ω) 37

составляющих и расчете при изменении частоты ω от 0 до ∞. Например, а 0 р 5 + а1 р 4 + а 2 р 3 + а3 р 2 + а 4 р + а5 = 0 характеристическому уравнению соответствует выражение

а0i 5ω 5 + a1i 4ω 4 + a2i 3ω 3 + a3i 2ω 2 + a4iω + a5 = 0 в упорядоченной форме принимающее вид Re(ω) Im(ω)

[a

5

+ ω 2 ⋅ (−a3 + ω 2 ⋅ a1 )] + ω ⋅ (− a2 + ω 2 ⋅ a0 ) ⋅ i

Процедуру определения точек годографа удобно вести в табличной форме с последующими построениями, вначале задаваясь значениями частоты или квадрата частоты для грубой прикидки формы годографа с последующим ее уточнением путем подстановки промежуточных значений частоты. Так как получаемые обычно значения несоразмерны между собой, то рекомендуется переход к логарифмическому масштабу. В нашем случае выражение 5(iω ) + 6(iω ) + 8(iω ) + 7(iω ) + 3(iω ) + 1 5

4

3

2

после выполнения операций возведения в степень получает вид 5 ⋅ω 5 ⋅ i + 6 ⋅ω 4 − 8 ⋅ω 3 ⋅ i − 7 ⋅ω 2 + 3 ⋅ω ⋅ i + 1

и разделения на вещественную и мнимую составляющие

[

]

Re(ω ) = 6 ⋅ ω 4 − 7 ⋅ ω 2 + 1 = 1 + ω 2 − 7 + ω 2 (6 ) i ⋅ Im(ω ) = 5 ⋅ ω 5 ⋅ i − 8 ⋅ ω 3 ⋅ i + 3 ⋅ ω ⋅ i = i ⋅ {ω 3 + ω 2 (− 8 + ω 2 5) }

[

]

позволяет вычислить координаты годографа для последовательного ряда значений частоты ω; результаты вычислений предлагается отражать в таблице следующей формы ω ω2 Re (ω) Im (ω) 0,0 1,0 0 0 0,54 0,73 0,04 0,2 0,46 -0,74 0,36 0,6 0,0 0,0 1,0 1,0 9,14 10,32 1,96 1,4 Дополнительно, для выяснения картины прохождения годографа в окрестностях начала координат вводим следующие значения частоты и находим следующие соответствующие значения Re (ω) и Im (ω) 0,739 0,0336 0,16 0,4 0,656 -0,375 0,25 0,5 0,196 -0,99 0,49 0,7 -0,058 -1,022 0,64 0,8 -0,1796 -0,733 0,81 0,9 0,7046 1,3146 1,21 1,1 По найденным координатам производим построение годографа

38

Если обратиться к формулировкам условия устойчивости - например, "Система устойчива, если действительные корни характеристического уравнения отрицательны и отрицательна вещественная часть всех комплексных корней этого уравнения", либо "Для устойчивости системы необходимо, чтобы все корни характеристического уравнения располагались на левой полуплоскости корней" и решить рассматриваемое уравнение, то полученные значения Р1,2 = -2 · 10-8 ± i P3 = -0,7563 P4,5 = -0,2218 ± 0,464 i как бы убеждают в устойчивости системы, но столь малое удаление значений корней от границы устойчивости может говорить о неточности методов решения уравнения и о нахождении системы почти на грани устойчивости небольшое изменение численного значения тех или иных коэффициентов способно сделать четвертый определитель Гурвица ∆4 как положительной, так и отрицательной величиной; то же может произойти с годографом Михайлова охватил бы начало координат или проходил бы минуя четвертый квадрат, левее и выше начала координат. 39

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ИЗ ЗАДАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Прежде всего напомним структуру одноконтурной системы автоматического регулирования, которая представляет собой встречнопараллельное соединение объекта и регулятора, осуществляющего отрицательную обратную связь, а с учетом всех необходимых элементов регулятора имеет вид, представленный на следующем рисунке.

Территориально датчик находится в непосредственной близости от объекта, а элемент сравнения, задатчик и усилитель обычно расположены на щите управления. Исполнительный механизм и регулирующий орган обычно сочленены и находятся на линии подачи вещества или энергии к объекту, а узлом суммирования внешнего и управляющего воздействия служит непосредственно сам регулирующий орган. т.п. Материалом для описания тех или иных устройств могут быть сведения, имеющиеся в: Майзель М.М. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. - М : Высш. шк., 1964, 579 с., илл., а также в других подобных учебниках и учебных пособиях.

40

При размещении элементов следует иметь в виду, что большинство элементов допускает поворот их изображения в любую сторону на любой угол или зеркальное отображение, за исключением устройств с отвесами, жидкостным заполнением и электродвигательных устройств, где валы или поверхность жидкости должны находиться в горизонтальной плоскости., Линии действия механических устройств должны быть направлены по одной прямой. Масштаб разрабатываемой схемы не оговаривается, но все элементы должны быть четко изображены и показаны так, чтобы действия каждого из них и системы в целом было понятно и не возникало сомнения в их работоспособности. Пример. Разработка конструкции САР температуры в сушильной камере Предположим, что заданы следующие элементы системы автоматического регулирования температуры: датчик — биметаллическая пластина, задатчик — устройство с компенсацией перемещения, элемент сравнения, он же преобразователь — 3-х позиционный переключатель, усилитель — магнитное бесконтактное реле на базе реверсивного магнитного усилителя, исполнительный механизм — электродвигательный с выходным устройством поворотного перемещения, регулирующий орган — поворотная заслонка. Условимся, что подаваемый к объекту греющий агент представляет собой горячий воздух, также имеются источники постоянного и переменного тока промышленной частоты. подача горячего воздуха увеличение или уменьше ние подачи

Регулируемый параметр: тем-ра в сушилке

тем-ра в сушилке нагрев датчика

Биметаллическая пластина перемеще биметаллической ние свобод пластины поворот заслонка ного конца Электродвигател ьный исполнител Ток управления (0 Трехпозиционный или ток в левой ли переключатель ьный механизм бо в правой ветви) перемещение корпуса Отсутствие тока в об переключателя мотках, наличие тока Магнитный усилитель в ЭИМ для вращения Задающее устройство (бесконтактное магни влево или вправо перемещения тное реле) регулирующая поворотная заслонка

41

Краткое описание элементов САР Двухслойная (биметаллическая) пластина из разнородных металлов при нагревании изгибается из-за различия коэффициентов теплового расширения. Предположим, что в данном случае нагрев пластины вызывает перемещение ее свободного конца вправо. Переключатель имеет изолированную от корпуса контактную пластинку, которая под воздействием нажатия х1 на шток замыкает электрическую цепь «общий вывод клемма У!», а при нажатии х2 на шток замыкается электрическая цепь «общий вывод - клемма у2». Задающее устройство представляет собой которая перемещается в скользящих опорах при вращении настроечной головки винта. Реверсивный магнитный усилитель в режиме бесконтактного магнитного реле (БМР) работает на принципе управления индуктивным сопротивлением находящейся на ферромагнитном сердечнике обмотки за счет подмагничивания магнитопровода, осуществляемого при помощи питаемой от источника постоянного тока управляющей обмотки. Для компенсации наводки переменного тока в управляющих обмотках предусматривается размещение как рабочей, так и управляющей обмоток на различных обмотки были включены согласно, а секции управляющей обмотки - встречно. Так как в предусмотренных данной схемой САР режимах управляющий ток либо имеется, либо отсутствует, то и рабочий ток либо есть, либо практически отсутствует. Реверсивный магнитный усилитель (в режиме БМР) работает так: при подаче постоянного управляющего тока к клемме х, клемма у] оказывается под напряжением сети переменного тока относительно общего вывода; при подаче постоянного тока управления на клемму х1 под напряжением сети переменного тока (относительно общего вывода) оказывается клемма у2. При отсутствии управляющего тока вообще ни одна из рабочих обмоток не способна запитывать соответствующую нагрузку. Электродвигательный исполнительный механизм состоит из реверсивного электродвигателя и редуктора в одном корпусе, дополненных электрическим устройством в виде конечных выключателей, ограничивающих перемещения выходных механических устройств в каждом из направлений, и реостатов, либо индуктивных датчиков, реагирующих на положения выходных устройств. Выходные устройства с вращательным характером движения представляют собой поворотные рычаги или полумуфты, а для поступательного движения некоторые ЭИМ имеют шток, приводимый от выходного вала за счет зубчато-реечного зацепления. 42

Договоримся, что подача напряжения на входную клемму х] вызывает вращение выходного вала ЭИМ против направления хода часовой стрелки (у1), а подача напряжения на входную клемму х2 вызывает вращение выходного вала в обратном направлении (у2). По техническим условиям ЭИМ должен устанавливаться так, чтобы валы ЭИМ располагались в горизонтальной плоскости,- остальные же элементы САР возможно располагать произвольно: отображать зеркально или разворачивать на 90 или 180 градусов в любом направлении относительно изображения, помещенного в задании. Поворотная заслонка при повороте ее вала против направления хода часовой стрелки ограничивает прохождение рабочей среды по трубопроводу, а поворот в обратном направлении увеличивает расход рабочей среды. Составленная из вышеперечисленных элементов с учетом особенностей их функционирования схема приведена на рис. 5 и работает следующим образом. При повышении температуры установленный в камере биметаллический датчик деформируется и его свободный конец начинает перемещаться влево, увлекая за собой шток трехпозиционного переключателя, вплоть до замыкания контактной пластиной цепи «Общий вывод - вывод Y2», что определяет прохождение постоянного тока подмагничивания по обмотке магнитного усилителя с выводом Х2, вследствие чего образуется цепь рабо чего тока от общей клеммы переменного тока на вывод Y2 магнитного усилителя (БХР) и далее, на входную клемму X1 электрического исполнительного механизма, выходной вал которого начинает вращаться против хода часовой стрелки и будет поворачивать регулирующий орган в сторону большего перекрытия подходящего к камере воздуховода. Уменьшение подачи горячего воздуха в камеру приводит к снижению температуры, при этом свободный конец биметаллического датчика, перемещаясь вправо, отводит контактную пластину вправо, разрывая цепь постоянного тока, вследствие чего индуктивное сопротивление рабочей обмотки магнитного усилителя резко возрастает, и, соответственно, обе обмотки электродвигателя исполнительного механизма окажутся под крайне низким напряжением переменного тока, исключающим вращение ротора и соответствующее воздействие на регулирующую поворотную заслонку. В этом случае система как бы находится в нейтральном, ждущем состоянии, когда не происходит изменения подачи горячего воздуха и возможно 43

установление температуры на определенном уровне - т.е. возможно установление стационарного режима. Если температура в камере снижается (опускается ниже требуемого значения), то свободный конец биметаллического датчика перемещается вправо, при этом контактная пластина замыкает цеп управления постоянного тока другой управляющей обмотки магнитного усилителя. Это приводит к резкому снижению индуктивного сопротивления соответствующей рабочей обмотки и на вывод второй обмотки двигателя электрического исполнительного механизма поступает практически полное напряжение сети переменного тока, что обеспечивает вращение выходного вала ЭИМ по направлению хода часовой стрелки и поворот регулирующей заслонки в сторону открытия (увеличения пропускной способности). При этом происходит увеличение подачи воздуха в камеру и повышение в ней температуры до тех пор, пока деформация биметаллического датчика не уменьшится и система не выйдет на нейтральный режим. Перенастройка системы на поддержание более высокой температуры осуществляется перемещением корпуса переключателя влево за счет вращения головки настроечного винта против направления хода часовой стрелки. Помимо конструкции разрабатываемой системы (рис. 5а) показаны способы изменения направления действия тех или иных элементов системы с поворотом на 90 градусов (рис. 56) или на 80 градусов (рис. 5в). Для систем с задающим устройством, построенном на принципе компенсации усилия, приведен пример (рис. 5г) того, как должна функционировать рассматриваемая схема в подобном случае. Здесь корпус должен быть закреплен, а перемещение контактной пластины будет зависеть от соотношения усилий задающей пружины и биметаллического датчика. Так, для поддержания более высокой температуры в камере вращением настроечной головки по направлению хода часовой стрелки пружину задатчика следует растянуть в большей степени, чтобы биметаллическому датчику потребовалось развить большее усилие для перевода системы в режим ограничения подачи горячего воздуха. 4. СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ Наиболее наглядным способом отображения как требований к автоматизации, так и предполагаемых способов ее реализации является функционально-технологическая схема автоматизации (ФТСА). ФТСА содержит упрощенное, без строгого соблюдения масштабности, но по возможности соразмерное изображение технологического оборудования, где соответствующими направленными линиям показан ход технологического процесса: движение продукта от операции к операции, подача компонент и вспомога-

44

тельных материалов, подвод энергоносителей, удаление отработанных материалов и отходов и т.д. На фоне технологического оборудования наносятся условные обозначения тех средств автоматизации, которые располагаются непосредственно на оборудовании или на коммуникациях. Сюда относятся датчики, запорнорегулирующая арматура с соответствующими исполнительными механизмами, регуляторы прямого действия, электродвигатели электроприводов, измерительные приборы, располагаемые непосредственно на оборудовании (объемные счетчики, ротаметры, жидкостные термометры расширения и т п.). Условные обозначения средств автоматизации, хотя бы несколько отдаленные от точек контроля о объектов управления, выносятся на располагаемые под изображением технологического оборудования полосы, оформляемые в виде прямоугольников с соответствующими заголовками. В зависимости от сложности процесса, степени его насыщенности средствами автоматизации и организации управления, начиная с управления отдельным агрегатом или участком вручную и завершая включением данного производства в состав многоуровневой автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), возможные наименования (заголовки) таковы: «приборы местные»; «щит управления», либо «щит оператора», либо «приборы щитовые», «стойка преобразователей», либо «щит преобразователей»; «щит диспетчера»; «мнемосхема»; «центральный диспетчерский пункт» и др. В этих прямоугольниках размещают условные обозначения вторичных приборов, аппаратуры управления, устройств сигнализации. В отличие от ранее применявшейся системы условных графических и буквенных обозначений по ГОСТ 3925-59, подробно отражавших не только функции, но и конструкцию каждого из элементов схемы, в настоящее время используется ГОСТ 21.404-85, разработанный на основе ОСТ 36-27-77. Указанный ГОСТ приближен к общемировым стандартам и существенно упрощает задачу за счет радикального сокращения количества условных графических и буквенных обозначений и отражает лишь функциональные возможности аппаратуры, непосредственно используемые в данной схеме. Назначение и функциональные возможности аппаратуры автоматизации вписываются в условные графические обозначения в виде позиционного кода, составленного из букв латинского алфавита. Основные условные обозначения приборов и средств автоматизации по ГОСТ 21.404-85 приведены в таблице 5; буквенные условные обозначения измеряемых величин и функциональных признаков приборов по ГОСТ 21.404-85 приведены в таблице 6. Таблица 6 отображает не место или позицию, занимаемую каждым символом, а порядок следования символов при их размещении как внутри, так и вне условных графических обозначений

45

.

46

47

и выполнению схем с разрывом соединительных линий. В графическое обозначение в виде круга или овала вписываются: в определенной последовательности латинские буквы, первая из которых всегда обязательно характеризует воспринимаемый параметр, обозначает регулирующую величину, воздействие. На второй позиции, в случаях, когда это потребуется, помещаются символы, уточняющие измеряемый параметр; обычно же далее, иногда начиная со второй позиции, размещаются символы, обозначающие выполняемые прибором или устройством функции. Обозначения многофункциональных приборов не помещаются в круг и требуют его расширения или размещения символов в двух соприкасающихся кругах. Также необходимо иметь в виду, что одна и та же буква, но на разных позициях имеет совершенно другой смысл, например: в первом случае изображен прибор, регистрирующий температуру, во втором же случае показан бесшкальный измеритель радиоактивности с встроенным устройством передачи данных на расстояние. Рассмотрим несколько примеров: ─ дифманометр показывающий (Р - давление, О - разность, таким образом измеряется разность давлений, I - измерение), установленный по месту; ─ показывающий и регистрирующий манометр с встроенным переключающим устройством, размещенный на щите; — показывающий и регистрирующий измеритель температуры с встроенным регулирующим устройством - на втором изображении измерительные и регулирующие функции данного прибора разделены. Дополнительные сведения, характеризующие вид измеряемой среды, предельные значения срабатывания сигнализации, физическую сущность передаваемой информации, помещаются вне графического обозначения устройства, правее и выше (ниже), например: установленные по месту реле уровня с встроенным контактным устройством, используемым для управления сигнализацией достижения как верхнего, так и нижнего уровня; это же устройство, но используемое для переключения каких-либо цепей при достижении как верхнего, так и нижнего уровня; опять это же устройство, используемое как для сигнализации, так и для переключений при достижения как верхнего, так и нижнего уровня. Изображения

48

обозначают: — расположенный на щите регистрирующий измеритель концентрации серной кислоты с встроенным регулирующим устройством пневматического действия; — преобразователь значения температуры - это может быть нормирующий преобразователь ГСП - первичный электрический сигнал преобразуется в другой, тоже электрический; — преобразователь значения температуры из аналоговой формы в дискретную - это может быть аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для описания действия схемы все условные обозначения должны быть пронумерованы следующим образом. Устройства, входящие в состав измерительного комплекта или системы управления нумеруются в направлении от источника информации, для воздействия - в направлении к конечному элементу цепи или исполнительному механизму, например: В первом случае источником информации является датчик температуры, а измеритель температуры служит потребителем информации. Во втором случае командное воздействие подается на кнопочную станцию, управляющую состоянием магнитного пускателя, подающего напряжение на статорные обмотки электродвигателя и тем самым приводящим его в действие, либо отключающего электродвигатель от сети. В ряде случаев (в первую очередь это касается нумерации на ФТСА электрических устройств) в нижнюю часть круга может вписываться буквенно-цифровой код, присвоенный данному устройству в сопутствующей электрической схеме, например:

где магнитный пускатель КМ 9 включается и отключается при помощи кнопочной станции SB9 При большой плотности условных обозначений и оборудования на ФТСА и в целях более равномерного их распределения на поле чертежа практикуется выполнение схемы с разрывом соединительных линий, при этом обрывы эти линий как у датчиков (исполнительных механизмов, электроприводов), так и располагаемых на полосах с вторичными приборами нумеруются слева направо, вне зависимости от нумерации датчиков и прочих устройств Для полноты информации на ФТСА конкретного производства на участках соединительных линий над верхней полосой для размещения условных обозначений вторичных приборов наносятся значения номиналов контролируемых или регулируемых параметров. Примером выполнения ФТСА конкретного производства может служить ФТСА трехступенчатой 49

дистилляции, помещенная на рис. 7 к методическим указаниям по выполнению курсового проекта. Примеры изображения и размещения на ФТСА различных устройств приведены на рис 6. На рис. 6а схема выполнена с разрывом соединительных линий и без указания номиналов измеряемых и регулируемых величин, на ней показаны установленные непосредственно по месту термометр расширения 1 и регулятор расхода 8. По месту, но вне непосредственного контакта с технологическим оборудованием, находятся манометры 1, 2 и регистрирующий интегрирующий расходомер 4, в комплект которого входят: установленное непосредственно на трубопроводе приемное устройство 4-1, отдельно располагаемый вторичный показывающий и регистрирующий прибор 4-2 с встроенным интегратором 4-3, имеющим собственное отсчетное устройство. В состав схемы входят еще три комплекта - установленный на щите управления пневматический егистрирующий регулятор соотношения расходов 5-3 с установленными на трубопроводах приемными устройствами 5-1а и 5-16, установленным на щите задатчиком электрического действия 5-2 и исполнительным механизмом 5-4; на щите управления установлен многоточечный показывающий и регистрирующий

50

температуры3-2, поочередно опрашивающий датчики температуры 3-1а, 316 и 3-1в; на щите управления установлен и универсальный переключатель 6-1, управляющий включением электродвигателя 63 посредством включения/отключения магнитного пускателя 6-2, и определяющий действие сигнализации. На рис. 66 схема, выполненная без разрыва соединительных линий, должна продемонстрировать действие локальной АСУ ТП. Здесь в роли объекта выступает водогрейный котел, контроль за работой которого осуществляется по температуре, составу дымовых газов и наличию процесса горения в топке (наличию факела) с помощью ЭВМ. Воспринимаемые датчиком температуры 2-1, состава дымовых газов (датчиком комплексного определения количества каждой из компонент дымовых газов) 1-1, наличия процесса горения - датчиком 3-1 сигналы через соответствующие согласующие преобразователи 1-2, 2-2, 3-2 поступают на вход управляющей мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ в зависимости от температуры в объекте (котле) вырабатывает задающее воздействие, соответствующее оптимальному значению коэффициента избытка воздуха и необходимому количеству подаваемого топлива. Это воздействие передается на ремиконт, который управляет подачей топлива и воздуха через исполнительные механизмы 5 и 6, приводящие в действие регулирующие органы на газопроводе и воздуховоде. Управление электроприводом дутьевого вентилятора возможно как вручную установленной по месту кнопочной станцией 4-3 или ключом управления 41, так и от ремиконта - все в зависимости от позиции, занимаемой избирателем управления 4-2. Во всех случаях команда поступает на магнитный пускатель 4-4, включающий или отключающий электродвигатель 4-5.

51

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА Курсовой проект по дисциплине «Системы управления химико-технологическими процессами» (СУХТП) призван объединить в одно целое знания, как приобретенные по упомянутому курсу, так и знания, накопленные при изучении специальных технологических дисциплин отрасли и соответствующего технологического оборудования. Основной задачей проектирования является разработка функциональной технологической схемы автоматизации (ФТСА) всего производства, от приемки сырья на переработку до отправки упакованной готовой продукции на склад, и подбор средств автоматизации (контроля, сигнализации, управления и регулирования) с разработкой рекомендаций по их монтажу, настройке и обслуживанию. При проектировании также должна предусматриваться возможность организации автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП) данного производства на базе привлечения управляющей ЭВМ и средств микропроцессорной техники. Рассматриваемое производство предварительно изучается по соответствующей научно-технической, нормативно-справочной и учебной литературе (типа «Справочник технолога консервного производства» и т.п.), на основании чего описывается технология и составляется алгоритм всего технологического процесса с перечислением всех как основных, так и вспомогательных операции и процессов в сопровождении соответствующих номиналов технологических параметров (значений температуры, давления, влажности, концентрации, продолжительности выдержки и т.д.). Помимо основных процессов и операций, некоторые из которых достаточно подробно описаны в рекомендуемой литературе, ряд операций по приему сырья, наполнению и укупорке жестяной, стеклянной и бочкотары, равно как и укладка готовой продукции в деревянные ящики, гофротару или формовка пакетов в общей полиэтиленовой обертке обычно опускается, поэтому управление данными несложными операциями следует разрабатывать самостоятельно, решения же автоматизации основных процессов в значительной степени можно заимствовать из литературных источников. Разработчику следует также помнить о необходимости автоматизации или оборудовании средствами сигнализации таких операций, как входной и межоперационный контроль, мойка, стерилизация оборудования вакуумирование, механический учет количества выработанной продукции и пр. При разработке ФТСА следует предусмотреть возможность реализации каждого из четырех следующих режимов работы. 1. Опробование работоспособности, настройка и наладка отдельных контуров контроля, управления и регулирования при начальной подготовке производства к пуску или введении в действие после проведения ремонтных работ 52

2. Управление процессами обслуживания персоналом вручную при отказе тех или иных элементов системы управления или автоматического регулирования. 3. Дистанционное или автоматическое управление производством со щита оператора или диспетчера. 4. Автоматизированное управление производством посредством микропроцессорных устройств или управляющих-вычислительных комплексов (УВК) в режиме АСУ ТП. По условиям производства, номиналам технологических параметров, характеру измеряемых и регулируемых сред, условиям управления и измерения производится подбор соответствующих контрольно-измерительных приборов (КИП), датчиков, регуляторов, исполнительных механизмов и регулирующих органов (характеристики и технические данные средств автоматизации находятся в соответствующих справочниках), причем, предпочтение следует отдавать более простым, надежным и менее дорогим устройствам из числа обладающих равноценными свойствами и возможностями. Одновременно с выбором регулятора следует указывать и осуществляемый с его помощью вид либо закон регулирования (релейное, импульсное, позиционное, пропорциональное, астатическое, изодромное, ПИД-регулирование или др.) и предпочтительный характер переходного процесса (апериодический, с 20-процентным перерегулированием, с минимальной величиной интегрального квадратичного показателя). В расчетно-пояснительную записку должна быть включена таблица спецификации привлекаемых средств автоматизации нижеследующей формы (табл 6.), где одновременно в учебных целях показан пример заполнения. По завершении разработки ФТСА и подбора средств автоматизации в пояснительную записку помещается описание функционирования разработанной схемы. В качестве индивидуального задания следует описать принцип действия, устройство и основные технические характеристики наиболее сложного из используемых в данном производстве и предусмотренных данным проектом контрольно-измерительных приборов (например, рефрактомера, рН-метра, потенциометра и т.п), какую-либо из запроектированных схем управления и защиты электропривода (с приведением принципиальной электрической схемы и соответствующим описанием каждого из элементов данной схемы), состав, устройство и принцип работы системы автоматического регулирования или регулятор прямого действия, нашедшего здесь применение, а также общее описание назначения и основных выполняемых функций средствами вычислительной и микропроцессорной техники - т.е. всего того, что может быть найдено в учебной литературе. Следует иметь в виду возможность наличия или появления в библиотеках более полной или более современной литературы по рассматриваемым вопросам, а также появление новых технологий.

53

…

…

…

… … …

…

Раствор поваренной соли, 650С Водяной насыщен. пар, 1550С

Наименование прибора, устройства Термометр манометрический, электроконтактный

чески е данн

№№ позиц ии на ФТС А …

Среда, параметр и его номинал

Тип, марка

0÷150 0 С

ТГП1003к

Таблица 6 Дополнительные характеристики, примечание Капилляр 6,0 м

Длина чехла 100 50÷180 ТСМ-1187 мм, градуировка 0 С 100М С реостатным задатчиком 100% и Техническая Автоматический 0÷100 КСМ-260 реостатным 0 вода, 850С мост С 50М преобразователем для передачи данных на расстояние Как усилительпреобразователь в системе — Балансное реле — БР-3 пропорционального регулирования Ход Исполнительный — штока ПР РУ=16, DУ=25 механизм 20 мм Водяной До Регулирующий перегретый 3000С МРКЧ орган 0 пар, 225 С КV14 2,, при Регулятор темГорячая 90÷300 пературы пряРПД 0 0 вода, 95 С С мого действия КV47,2 Электро2,2 привод ЭлектродвикВт, 4А80В2УЗ транспорте- гатель 2850 ра об/мин Пояснительная записка должна быть завершена заключением, где автор проекта практически оценивает выполненную работу, отмечает ее достоинства и недостатки, а также намечает направление поисков ответов на пока еще оставшиеся нерешенными вопросы, задачи, проблемы. Примеры выполнения ФТСА в соответствии с ГОСТ 21404.-85 и соответствующие им описания могут быть рассмотрены по источникам 2, 5, 9, 10, 11. Термометр сопротивления

54

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ...............................................................................……………..3 Краткое изложение программы курса .........................……..........................4 Список рекомендуемой литературы...............................................................6 Вопросы для самопроверки по основным темам курса................................7 Контрольная работа № 1 (задания) ................................................................8 Задание 1 ...............................................................................................…8 Задание 2 ..............................................................……………...... ..........9 Задание 3 .......................................................................................………9 Задание 4 .....................................................………………….................21 Задания на курсовое проектирование………………………….…...............27 Методические указания и примеры выполнения заданий контрольной работы № 1.................................................….................................................28 Задание 1 .................................................................................................28 Задание 2 ..............................................................………….…... ..........32 Задание 3 .....................................................................................………40 Задание 4 .....................................................………................................44 Методические указания к выполнению курсового проекта.............……………………………………………………………….52

Редактор Т.А. Стороженко Подписано в печать 11.05.2005г. Формат 60x84 1/46 _ Усл.п.л 3,25 уч.изд. л. 3,0. Тир. 75 экз. Заказ №94 Ред. -изд отдел ВСГТУ. г.Улан-Удэ, ул. Ключевская , 40а. Отпечатано в типографии ВСГТУ. г. Улан-Удэ, ул.Ключевская, 42

55