close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3027

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИПЕЦКИЙ КООПЕРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛГОРОДСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ КООПЕРАЦИИ»
Н.Е. ОСИПОВ
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом института
Липецк
2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ББК 32.965 я 73
О 74
Рекомендовано к изданию
кафедрой товароведнотехнологических дисциплин
Липецкого кооперативного
института (филиала) БУПК
Протокол № 8 от 20.03.2009 г.
Автор:
Осипов Николай Егорович, к.т.н., доцент кафедры товароведнотехнологических дисциплин Липецкого кооперативного института
(филиала) БУПК
Рецензент:
Кругляков Геннадий Николаевич, к.т.н., профессор кафедры
товароведно-технологических дисциплин Липецкого кооперативного
института (филиала) БУПК
Осипов, Н.Е. Автоматизация
технологических процессов:
Учебное пособие / Н.Е. Осипов. 
Липецк: Изд-во ЛКИ, 2009. 
130 с.
Учебное пособие написано в соответствии с типовой
программой курса «Автоматизация технологических процессов» для
студентов технологических специальностей.
При изложении материала учтены основные современные
тенденции развития и создания автоматизированных систем
управления технологическими процессами (АСУ ТП) и средств
автоматизации, связанных с использованием новейших достижений в
области электронной техники и технологии, приборостроения,
микропроцессорных систем и других перспективных направлений.
Учебное пособие может быть использовано студентами других
специальностей, которые специализируются на задачах создания
автоматизированных
систем
управления
технологическими
процессами.
© Издательство Липецкого кооперативного института, 2009
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………………………………………………………………….. 5
Этапы развития и принципы формирования состава технических
средств автоматизации …………………………………………………… 7
РАЗДЕЛ 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ …….. 12
Глава 1. Средства измерений и их характеристики ……………………. 12
1.1. Основные элементы средств измерений ……………………….. 12
1.2. Погрешности средств измерений ……………………………….. 12
Глава 2. Государственная система промышленных приборов и
средств автоматизации (ГСП) …………………………………………... 14
Глава 3. Технические средства для измерения параметров,
характеризующих состояние, состав и свойства сред …………………. 16
3.1. Измерительные преобразователи и приборы для измерения
параметров состояния сред ………………………………………….. 16
3.2. Средства измерения свойств и химического состава
вещества ……………………………………………………………….. 35
3.3. Специальные методы измерения и контроля ………………….. 43
Вопросы для самоконтроля ………………………………………….. 51
Тест 1 ………………………………………………………………….. 51
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ………………………………… 53
Глава 4. Технические средства для построения систем
автоматического регулирования и управления ………………………… 53
4.1. Автоматические регуляторы, исполнительные механизмы
и регулирующие органы ………………………………………………53
4.2. Агрегатные комплексы и системы технических средств
автоматизации ГСП ………………………………………………….. 59
4.3. Микропроцессорные технические средства …………………… 61
Глава 5. Автоматические системы регулирования ……………………. 65
5.1. Структура автоматических систем регулирования, их
классификация и требования, предъявляемые к ним ………………. 65
5.2. Объекты регулирования, их свойства, математические
модели ………………………………………………………………… 70
5.3. Автоматические регуляторы и их характеристики …………… 79
5.4. Разработка автоматических систем регулирования …………… 85
Вопросы для самоконтроля ………………………………………….. 92
Тест 2 …………………………………………………………………. 92
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАЗДЕЛ 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ОТРАСЛИ ……………………………………………….. 93
Глава 6. Основы построения АСУ ТП …………………………………...93
6.1. Анализ технологического процесса как объекта
управления ……………………………………………………………. 93
6.2. Состав документации проекта автоматизации. Стадии
проектирования ………………………………………………………. 96
6.3. Схемы автоматизации технологических процессов ………….. 98
6.4. Принципиальные электрические и пневматические схемы ….104
6.5. Щиты и пульты ………………………………………………… 110
Глава 7. Автоматизация типовых объектов пищевых производств …. 113
7.1. Типовые объекты пищевых производств ………………………113
7.2. Автоматизация непрерывного дозирования материалов …….. 114
7.3. Автоматизация смешивания …………………………………….116
7.4. Автоматизация сушки ………………………………………….. 118
7.5. Автоматизация химико-технологических процессов ………….121
Вопросы для самоконтроля ………………………………………….121
Тест 3 …………………………………………………………………...123
Глава 8. Микропроцессорные системы автоматического
управления ……………………………………………………………… 124
8.1. Общие сведения о микропроцессорных системах …………….124
8.2. Структура микропроцессорных систем управления …………. 125
Вопросы для самоконтроля …………………………………………..126
Тест 4 …………………………………………………………………...127
Ответы к тестам …………………………………………………………..128
Список использованных источников информации …………………….129
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию
и принципы построения средств и систем управления
производственными
процессами,
действующими
без
непосредственного участия человека. Автоматика является основой
автоматизации. Автоматизацией называют этап развития машинного
производства, характеризуемый освобождением человека от
непосредственного
выполнения
функций
управления
производственными процессами и передачей этих функций
техническим устройствам. Автоматизация является одной из
движущих сил научно-технического прогресса, которая существенно
влияет на развитие производства, делая возможным создание новых
высокоинтенсивных технологических процессов и побуждая к
разработке
более
совершенного
механизированного
и
автоматизированного технологического оборудования.
Под управлением производственным процессом понимают такое
воздействие на него, которое обеспечивает оптимальный или
заданный режим работы. Управляемый производственный процесс
называют объектом управления. Совокупность технических
устройств, используемых для управления, и производственного
персонала, принимающего в нем непосредственное участие, образует
совместно с объектом систему управления.
Процесс управления складывается из следующих основных
функций, выполняемых системой управления:
– получения измерительной информации о состоянии
производственного процесса как объекта управления;
– переработки полученной информации и принятия решения о
необходимом воздействии на объект для достижения целей
управления;
– реализации принятого решения, т.е. непосредственного
воздействия на производственный процесс, например, увеличить или
уменьшить подачу сырья на переработку.
Технические устройства, которые применяются в системах
управления для автоматизации этих функций, называются
техническими
средствами
автоматизации.
Средства,
предназначенные для получения информации о состоянии объекта
управления, называются средствами измерений.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В пищевой промышленности чаще всего приходится измерять
значения следующих технологических параметров: температуры,
давления (разрежения) и уровня рабочих сред в аппаратах и машинах;
расходов потоков газообразных, жидких и сыпучих материалов, а
также состава и показателей качества сырья, полупродуктов и
готового продукта.
В зависимости от степени участия человека-оператора в
управлении различают следующие системы:
– ручного дистанционного управления, в которых функции
переработки измерительной информации, определения необходимых
управляющих воздействий и их реализации (с помощью технических
средств дистанционного управления) выполняет человек;
– автоматизированные, в которых человек выполняет только
часть функций системы управления;
– автоматические, в которых процесс управления протекает без
непосредственного участия человека.
Среди автоматических систем наиболее распространены
автоматические системы регулирования, которые предназначены для
поддержания заданных значений технологических параметров,
характеризующих состояние производственного процесса как объекта
регулирования. С появлением новых технических средств
автоматизации в виде управляющих вычислительных машин в
практику автоматизации производственных процессов вошел
принципиально новый тип систем управления – автоматизированные
системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Широкое внедрение автоматизации пищевых производств позволяет
повысить эффективность технологических процессов и обеспечить
полную сохранность натуральных свойств исходного сырья,
поступающего на переработку.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Этапы развития и принципы формирования состава технических
средств автоматизации
Этапы развития технических средств автоматизации.
Развитие технических средств автоматизации является сложным
процессом, в основе которого лежат экономические интересы и
технические потребности автоматизируемых производств, с одной
стороны, и те же интересы и технологические возможности
производителей технических средств автоматизации, – с другой.
Первичным стимулом развития является повышение экономической
эффективности работы предприятий, благодаря внедрению новых,
более совершенных технических средств автоматизации.
В развитии экономических и технических предпосылок
внедрения и использования автоматизации технологических
процессов (ТП) можно выделить следующие этапы:
1. Начальный этап, для которого характерны избыток дешевой
рабочей силы, низкая производительность труда, малая единичная
мощность агрегатов и установок. Благодаря этому самое широкое
участие человека в управлении ТП, т.е. наблюдение за объектом
управления, а также принятие и исполнение управляющих решений,
на данном этапе было экономически оправданным. Механизации и
автоматизации подлежали только те отдельные процессы и операции,
управление которыми человек не мог осуществлять достаточно
надежно
по
своим
психофизиологическим
данным,
т.е.
технологические операции, требовавшие больших мускульных
усилий, быстроты реакции, повышенного внимания и др.
2. Переход к этапу комплексной механизации и автоматизации
производства произошел благодаря росту производительности труда,
укрупнению единичной мощности агрегатов и установок, развитию
материальной и научно-технической базы автоматизации. На этом
этапе, при управлении ТП человек-оператор все более занимается
умственным трудом, выполняя разнообразные логические операции
при пусках и остановах объектов, особенно при возникновении
всевозможных непредвиденных обстоятельств, предаварийных и
аварийных ситуаций, а также оценивает состояние объекта,
контролирует и резервирует работу автоматических систем. На
данном этапе формируются основы крупносерийного производства
технических средств автоматизации, ориентированного на широкое
применение стандартизации, специализации и кооперации. Широкие
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
масштабы производства средств автоматизации и специфика их
изготовления приводят к постепенному выделению этого
производства в самостоятельную отрасль.
3. С появлением управляющих вычислительных машин (УВМ)
начинается переход к этапу автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУ ТП), совпавший с началом
научно-технической революции. На данном этапе становится
возможной и экономически целесообразной автоматизация все более
сложных функций управления, осуществляемая с использованием
УВМ. Но, поскольку УВМ тогда были весьма громоздкими и
дорогими, то для реализации более простых функций управления
достаточно широко применялись и традиционные аналоговые
устройства автоматики. Недостатком таких систем была их
невысокая надежность, т.к. вся информация о ходе ТП поступает и
обрабатывается УВМ, при выходе которой из строя, ее функции
должен был взять на себя оператор-технолог, контролирующий
работу АСУ ТП. Естественно, что в таких случаях качество
управления ТП значительно снижалось, т.к. человек не мог
осуществлять управление столь же эффективно, как УВМ.
4.Появление
относительно
недорогих
и
компактных
микропроцессорных
устройств
позволило
отказаться
от
централизованных
систем
управления
ТП,
заменив
их
распределенными системами, в которых сбор и обработка
информации о выполнении отдельных взаимосвязанных операций
ТП, а также принятие управленческих решений осуществляется
автономно,
локальными
микропроцессорными
устройствами,
получившими название микроконтроллеров. Поэтому надежность
распределенных систем значительно выше, чем централизованных.
5. Развитие сетевых технологий, позволившее связать в единую
корпоративную сеть многочисленные и удаленные друг от друга
компьютеры, с помощью которых осуществляется контроль и анализ
финансовых, материальных и энергетических потоков при
производстве предприятием продукции, а также управление ТП,
способствовало переходу к интегрированным системам управления.
В этих системах с помощью весьма сложного программного
обеспечения совместно решается весь комплекс задач по управлению
деятельностью предприятия, включая задачи учета, планирования,
управления ТП и др.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.Повышение
быстродействия
и
других
ресурсов
микропроцессоров, используемых для управления ТП, позволяет в
настоящее время говорить о переходе к этапу создания
интеллектуальных систем управления, способных принимать
эффективные решения по управлению предприятием в условиях
информационной неопределенности, т.е. нехватке необходимой
информации о факторах, влияющих на его прибыль.
Методы стандартизации и структура технических средств
автоматизации. Экономика отрасли, производящей средства
автоматизации
требует
достаточно
узкой
специализации
предприятий, выпускающих крупные серии однотипных устройств. В
то же время с развитием автоматизации, с появлением новых, все
более сложных объектов управления и увеличением объема
автоматизируемых
функций
возрастают
требования
к
функциональному разнообразию устройств автоматизации и к
разнообразию их технических характеристик и конструктивных
особенностей исполнения. Задача уменьшения функционального и
конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении
запросов автоматизируемых предприятий решается при помощи
методов стандартизации.
Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные
исследования практики автоматизации, типизация имеющихся
решений и научное обоснование экономически оптимальных
вариантов и возможностей дальнейшего сокращения многообразия
применяемых устройств. Принимаемые при этом решения после их
практической проверки оформляются обязательными к исполнению
государственными стандартами (ГОСТ). Более узкие по сфере
применения решения могут оформляться и в виде отраслевых
стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более ограниченную
применимость стандартов предприятий (СТП).
Агрегатирование – принцип формирования состава серийно
изготавливаемых средств автоматизации, направленный на
максимальное удовлетворение запросов предприятий–потребителей
при ограниченной номенклатуре серийно выпускаемой продукции.
Агрегатирование базируется на том, что сложные функции
управления можно разложить на простейшие составляющие (также,
как, например, сложные вычислительные алгоритмы можно
представить в виде совокупности отдельных простейших
операторов).
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, агрегатирование основывается на разложении
общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций,
повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных
системах управления. При анализе большого количества подобных
систем управления можно выделить ограниченный набор простейших
функциональных операторов, на комбинации которых строится
практически любой вариант АСУ ТП. В результате формируется
состав
серийно
изготавливаемых
средств
автоматизации,
включающий такие конструктивно завершенные и функционально
самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и
механизмы.
Блок - конструктивное сборное устройство, выполняющее одну
или несколько функциональных операций по преобразованию
информации.
Модуль - унифицированный узел, выполняющий элементарную
типовую операцию в составе блока или прибора.
Исполнительный механизм (ИМ) - устройство для
преобразования управляющей информации в механическое
перемещение с располагаемой мощностью, достаточной для
воздействия на объект управления.
В соответствии с принципом агрегатирования системы
управления создаются путем монтажа модулей, блоков, приборов и
механизмов с последующей коммутацией каналов и линий связи
между ними. В свою очередь, сами блоки и приборы создаются также
путем монтажа и коммутации различных модулей. Модули же
собираются из более простых узлов (микромодулей, микросхем, плат,
устройств коммутации и т.п.), составляющих элементную базу
технических средств. При этом изготовление блоков, приборов и
модулей осуществляется полностью в заводских условиях, в то время
как монтаж и коммутация АСУ ТП полностью завершается лишь на
месте ее эксплуатации. Такой подход к построению блоков и
приборов получил название блочно-модульного принципа
исполнения технических средств автоматизации.
Применение блочно-модульного принципа не только позволяет
проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в
рамках отрасли, производящей средства автоматизации, но и ведет к
повышению ремонтопригодности и увеличению коэффициентов
использования этих средств в системах управления. Обычно
предприятия, выпускающие средства автоматизации промышленного
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
назначения, специализируются на изготовлении комплексов или
систем блоков и приборов, функциональный состав которых
ориентирован на реализацию каких–либо крупных функций или
подсистем АСУ ТП. При этом в рамках отдельного комплекса все
блоки и приборы выполняются совместимыми по интерфейсу, т.е.
совместимыми по параметрам и характеристикам сигналов-носителей
информации, равно как и по конструктивным параметрам и
характеристикам устройств коммутации. Принято называть такие
комплексы и системы средств автоматизации агрегатными или
агрегатированными.
В России производство средств автоматизации промышленного
назначения осуществляется в рамках Государственной системы
приборов и средств автоматизации промышленного назначения (или
сокращенно ГСП). ГСП включает все средства автоматизации,
отвечающие единым общим технологическим требованиям к
параметрам и характеристикам сигналов - носителей информации, к
характеристикам точности и надежности средств, к их параметрам и
особенностям конструктивного исполнения.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАЗДЕЛ 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Глава 1. Средства измерений и их характеристики
1.1. Основные элементы средств измерений
Измерение, т.е. нахождение значения физической величины
опытным путем, осуществляется с помощью специальных устройств –
средств измерений. Основными видами средств измерений являются
измерительные преобразователи и измерительные приборы.
Измерительные преобразователи (датчики) предназначены для
получения сигнала измерительной информации, удобной для
передачи, обработки и хранения, но не поддающейся
непосредственному восприятию наблюдателем; измерительные
приборы – для получения сигнала измерительной информации в
форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
1.2. Погрешности средств измерений
Средства измерений могут быть с успехом использованы лишь
только тогда, когда известны их метрологические свойства.
Специфической
метрологической
характеристикой
средств
измерений является их погрешность. Разность между показанием
прибора х и истинным (или действительным) значением измеряемой
величины х называется абсолютной погрешностью средств
измерений ∆х:
∆х = хn – х
(1.1)
Отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к
истинному значению измеряемой им величины называется
относительной погрешностью и выражается в долях или процентах
измеряемой величины. Относительная погрешность используется в
качестве одной из характеристик точности средства измерений.
Величина, равная значению абсолютной погрешности и
противоположная ей по знаку, называется поправкой:
С = х – хn
(1.2)
Метрологической характеристикой точности большинства
технических средств измерений являются пределы основной и
дополнительных погрешностей. Основной погрешностью называется
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
погрешность средств измерений, используемых в нормальных
условиях, определяемых ГОСТами или другими техническими
условиями на средства измерений.
Дополнительной погрешностью называется погрешность
средства измерений, вызываемая воздействием на него условий при
отклонении их действительных значений от нормальных
(нормативных) или при выходе за пределы нормальной области
значений.
Класс точности средств измерений, являющийся их обобщенной
метрологической
характеристикой,
определяется
пределами
допускаемых основной и дополнительной погрешностей. Конкретные
классы точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды
средств измерений. Чем меньше число, обозначающее класс
точности, тем меньше пределы допускаемых погрешностей.
Любое средство измерений и каждый из его элементов могут
выполнять свои функции лишь в том случае, когда их выходные (хвых)
и входные (хвх) величины связаны между собой устойчивыми
зависимостями в различных режимах работы. Различают два
основных режима работы измерительных устройств – статический
(установившийся) и динамический (неустановившийся). Оба режима
преобразования входной величины в выходную определяются
соответственно статическими и динамическими характеристиками.
Знание статических и динамических характеристик средств
измерений и их элементов наряду с показателями, характеризующими
погрешности, имеет большое значение как при собственно
измерениях, так и особенно при использовании их в качестве
датчиков в системах автоматического регулирования и управления.
Статической характеристикой средства измерений называется
функциональная зависимость между выходной и входной
величинами в установившихся режимах работы, т.е.
хвых = f (хвх)
(1.3)
Динамической характеристикой средства измерений и их
элементов называется функциональная зависимость между их
выходной и входной величинами в динамических условиях
преобразования, т.е. в переходных режимах, когда статические
зависимости нарушаются в силу присущих всем средствам измерений
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
инерционных свойств разного рода и вида (инерция движущихся
масс, частей, теплопроводность и т.п.).
Глава 2. Государственная система промышленных приборов и
средств автоматизации (ГСП)
Государственная
система
промышленных
приборов
используется в целях наиболее экономически целесообразного
решения проблемы обеспечения техническими средствами
автоматических систем контроля, регулирования и управления
технологическими процессами для разных отраслей народного
хозяйства, в том числе отраслей агропромышленного комплекса. По
роду энергии, используемой для питания устройств и формирования
сигналов, ГСП подразделяется на следующие ветви: электрическую,
пневматическую, гидравлическую, а также ветвь приборов и
устройств, работающих без источников вспомогательной энергии.
Унификация
сигналов
измерительной
информации
(определяемая соответствующими стандартами) обеспечивает
передачу и обмен информацией, дистанционную связь между
устройствами управления, передачу результатов измерений от
средств получения информации к устройствам контроля и
управления, а также управляющих сигналов к исполнительным
механизмам в автоматических системах любой сложности.
Из электрических сигналов наибольшее распространение
получили унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения (0-5 мА; 0-20 мА, 0-10 мВ; -10...0...+10 В и др.).
Пневматические сигналы связи (0,02-0,1 МПа) нашли достаточно
широкое применение в тех производствах, где отсутствуют
повышенные требования к инерционности автоматизируемых процессов и где необходимо учитывать пожаро- и взрывоопасность
производств. Гидравлические сигналы характеризуются давлением
рабочей жидкости 0,2-0,8 МПа.
К первой группе приборов и устройств ГСП относятся
первичные
измерительные
преобразователи
(датчики),
измерительные приборы и устройства, которые вместе с
нормирующими устройствами, формирующими унифицированный
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сигнал, образуют группу устройств получения измерительной
информации. В связи с большим разнообразием контролируемых и
измеряемых параметров, а также огромным количеством
конструктивных
исполнений
измерительных
устройств
номенклатура средств этой группы является самой многочисленной.
Во вторую группу входят различные преобразователи сигналов
и кодов, коммутаторы измерительных цепей, шифраторы и
дешифраторы, согласовательные устройства, а также устройства
дистанционной передачи, телеизмерения, телесигнализации и
телеуправления.
В третью группу устройств, называемую центральной частью
ГСП, входят технические средства, предназначенные для формальной и содержательной обработки измерительной информации и
формирования управляющих воздействий: анализаторы сигналов,
функциональные и операционные преобразователи, логические
устройства, запоминающие устройства, автоматические регуляторы,
задатчики всех типов, а также управляющие вычислительные
машины и устройства, в том числе микропроцессоры, микро- и
миниЭВМ и др. В функциональном отношении эта группа устройств
является самой сложной, поскольку они реализуют все алгоритмы
автоматического регулирования и управления: от простейших задач
стабилизации до автоматизации управления предприятиями или
даже целыми отраслями.
Устройства четвертой группы (исполнительные устройства) –
это
электрические,
пневматические,
гидравлические
или
комбинированные
исполнительные
механизмы,
усилители
мощности, позиционеры и некоторые вспомогательные устройства к
ним, а также различные регулирующие органы, которые могут в
ряде
случаев
являться
составной
частью
основного
технологического оборудования.
Дальнейшим развитием системы ГСП являются агрегатные
комплексы (АК), создаваемые на основе технических средств,
входящих в отдельные функциональные группы ГСП, и
предназначенные для самостоятельного применения в соответствии
с их спецификой.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Технические средства для измерения параметров,
характеризующих состояние, состав и свойства сред
3.1. Измерительные преобразователи и приборы для измерения
параметров состояния сред
Измерительные преобразователи и приборы этой группы
предназначены для получения измерительной информации о таких
физических величинах, как температура, давление, расход, уровень и
др., которые характеризуют состояние разных технологических сред
(твердых, жидких, газообразных), а также машин и агрегатов и их
отдельных элементов, деталей и узлов.
Измерение указанных параметров и представление информации
об их значениях и изменениях являются абсолютно необходимыми на
всех стадиях протекания любых технологических процессов. Ни один
технологический процесс не может управляться ни вручную, ни
автоматически без получения такой информации с помощью
соответствующих технических средств измерений, основанных на
использовании различных методов измерений и способов получения
результатов измерений.
3.1.1. Средства измерения давления
Давление, как параметр, характеризующий состояние различных
веществ, определяется отношением силы, равномерно распределенной
по нормальной к ней поверхности, к площади этой поверхности. Под
абсолютным давлением рабс подразумевается полное давление,
которое отсчитывается от абсолютного нуля. Оно равно сумме
избыточного ризб и атмосферного ратм давлении, т.е.
рабс = ризб +ратм
(3.1)
Абсолютное давление газа меньше атмосферного называется
вакуум (или вакуумметрическим давлением), т.е.
рвак = ратм – рабс
(3.2)
Средства измерений, предназначенные для получения
измерительной информации обо всех видах давлений, называются
манометрами, а манометры для измерения давления разреженного
газа – вакуумметрами. Средства для измерения разности двух
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
давлений называются дифференциальными манометрами или
дифманометрами.
Жидкостные манометры. Приборы этой группы основаны на
уравновешивании измеряемого давления или разности давлений
давлением столба рабочей жидкости. Они отличаются простотой
устройства и эксплуатации, а также высокой точностью измерения,
широко применяются в качестве лабораторных и поверочных
приборов. Диапазон измерения их невелик.
Деформационные
манометры.
Принцип
действия
деформационных манометров основан на использовании деформации
чувствительных элементов (мембран, сильфонов, пружин) или
развиваемой ими силы под действием измеряемого давления среды и
преобразовании ее в пропорциональное перемещение или усилие.
На рис. 3.11 приведена схема устройства мембранного
деформационного дифманометра с индукционной дистанционной
передачей измерительной информации на расстояние. Давление
измеряемой среды подводится к прибору по импульсным трубкам. В
плюсовой и минусовой камерах дифманометра (т.е. в камерах, к
которым подводятся большее и меньшее давления) размещены две
одинаковые мембранные коробки 1 и 2, образованные из сваренных
между
собой гофрированных мембран. Коробки укреплены в
разделительной перегородке, которая зажата между крышками
корпуса 5. Внутренние полости мембранных коробок заполнены
жидкостью и сообщаются через отверстие. С центром верхней
мембраны связан сердечник 3 индукционного преобразователя 4,
преобразующего перемещение в электрический сигнал, подаваемый
на измерительный прибор. При изменении перепада давлений
мембранные коробки деформируются, подвижные центры коробок
перемещаются, и жидкость перетекает из одной коробки в другую.
Величина перемещения подвижного центра верхней коробки и
соединенного с ним сердечника зависит от параметров коробки и
разности давления снаружи и внутри коробки. Деформация мембран
продолжается до тех пор, пока силы, вызванные перепадом давлений,
не уравновесятся упругими силами мембранных коробок.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.1. Мембранный деформационный дифманометр с датчиком
индукционной дистанционной передачи
Подобные
мембранные
дифманометры
(типа
ДМ)
изготовляются на перепады давлений от 1,6 до 630 кПа и рабочее
давление среды до 25 МПа. Класс точности приборов 1-1,5.
В сильфонных манометрах в качестве чувствительных
элементов используются сильфоны, представляющие собой
тонкостенную металлическую трубку с поперечной гофрировкой.
Некоторые типы сильфонов изготовляются с винтовой пружиной,
вставляемой внутрь, что несколько расширяет диапазон их
применения.
На
рис.
3.2
приведена
кинематическая
схема
общепромышленного манометра с одновитковой пружиной. При
изменении давления рвх перемещение конца пружины 3 через тягу 5
передается к сектору 1, который вращается на оси 6. Угловое
перемещение сектора с помощью зубчатого зацепления вызывает
вращение зубчатого колеса (трубки) 2, на оси которого укреплена
стрелка отсчетного устройства 4.
Рис. 3.2. Трубчато-пружинный манометр
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Электрические манометры. Эти приборы основаны на
использовании
зависимостей
электрических
параметров
преобразователей давления от измеряемого давления среды, и в
последние годы получили широкое распространение. Действие
электрических манометров сопротивления основано на зависимости
электрического сопротивления чувствительного элемента от
измеряемого давления. Принцип действия комплекса измерительных
преобразователей типа «Сапфир» основан на тензорезистивном
эффекте тензорезисторов, наносимых в виде монокристаллической
пленки кремния на чувствительные элементы приборов –
тензомодули.
Измерительный блок, показанный на рис. 3.3, представляет
собой тензомодуль рычажно-мембранного типа 6, помещенный в
замкнутую
полость
основания
8.
Последняя
заполнена
полиметилсилоксановой жидкостью. Тензомодуль отделен от
измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 1,
соединенными между собой штоком 7, который связан с концом
рычага тензомодуля. Под действием разности давлений происходит
перемещение штока 7, которое вызывает прогиб измерительной
мембраны 2 тензомодуля, что ведет к изменению сопротивления
тензорезисторов 5, нанесенных на измерительную мембрану.
Электрический сигнал через выводы 3 передается во встроенное
электронное устройство 4, с которого он далее передается в линию
связи.
Рис. 3.3. Измерительный блок электрического манометра
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.1.2. Средства измерения температуры
Температура является одним из важнейших параметров,
характеризующих многие процессы пищевой технологии. Для
измерения температуры применяется большое количество средств
измерения, называемых термометрами.
Термометры расширения. Действие термометров расширения
основано на использовании зависимости удельного объема вещества
от температуры измеряемой среды, в которую оно помещено.
Жидкостные
термометры.
Измерение
температуры
жидкостными термометрами расширения основано на различии
коэффициентов объемного расширения материала оболочки
термометра и жидкости, заключенной в ней. Оболочка термометров
изготовляется из специальных термометрических сортов стекла с
малым коэффициентом расширения. Пределы измерения стеклянных
термометров от -200 до +750 °С.
Дилатометрические
термометры.
Принцип
действия
стержневого дилатометрического термометра (рис. 3.4) основан на
использовании разности удлинений трубки 1 и стержня 2 при
нагревании вследствие различия коэффициентов линейного
расширения их. Движение стержня передается стрелке прибора с
помощью механической передачи 3.
Рис. 3.4. Стрежневой дилатометрический термометр
Биметаллические термометры. Чувствительный элемент
термометра (рис. 3.5) выполнен в виде спиральной или плоской
пружины, состоящей из двух пластин из разных металлов, сваренных
по всей длине. Внутренняя пластина имеет больший коэффициент
линейного расширения, чем внешняя, поэтому при нагревании такая
пружина раскручивается, а стрелка перемещается.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.5. Биметаллический термометр
Дилатометрическими и биметаллическими термометрами
измеряется температура в пределах от -150 до +700 °C (погрешность
1-2,5%).
Манометрические термометры. Принцип действия этих
термометров основан на использовании зависимости давления
рабочего вещества при постоянном объеме от температуры. В
зависимости от заполнителя (рабочего вещества) эти термометры
подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные.
Устройство всех типов манометрических термометров аналогично.
Прибор (рис. 3.6) состоит из термобаллона 1, капиллярной
трубки 6, защищенной металлическим рукавом 7, и манометрической
части, заключенной в специальный корпус 5. Вся внутренняя система
прибора заполняется рабочим веществом. При нагревании
термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается
давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти
изменения воспринимаются манометрической трубкой 3, которая
через передаточный механизм, состоящий из тяги 4 и сектора 2,
воздействует через зубчатое колесо на стрелку прибора. Диапазон
измерения температуры с помощью манометрических термометров от
-120 до +600 °С.
Рис. 3.6. Манометрический термометр
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Термоэлектрические термометры. Данные измерительные
устройства состоят из термоэлектрического преобразователя
температуры
(ТПТ),
электроизмерительного
прибора
и
соединительных проводов.
В основу измерения температуры термоэлектрическими
преобразователями температуры (ТПТ) положен термоэлектрический
эффект, который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей
из двух или нескольких разнородных проводников, возникает
электрический ток, если места соединения (спая) нагреты до разной
температуры. Цепь, состоящая из двух разнородных проводников,
образующих ТПТ (рис. 3.7), состоит из термоэлектродов А и В, места
соединения которых – спаи – имеют разную температуру.
Рис. 3.7. Схема термоэлектрической цепи
При
нагревании
рабочего
спая
t
возникает
термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), которая является функцией
двух переменных величин: t и to – температуры свободного спая.
Чувствительные электроизмерительные приборы, работающие в
комплекте с ТПТ, градуируются, как правило, при температуре
свободного спая to, равной 0 °С.
Для защиты от механических повреждений и воздействия
измеряемой среды электроды ТПТ помещают в специальную
арматуру (рис. 3.8), которая представляет собой защитную гильзу 1 с
головкой 2, служащей для присоединения термоэлектродов 3 и
проводов, соединяющих их с электроизмерительным прибором.
Электроды термоэлектрических преобразователей должны быть
хорошо изолированы во избежание соприкосновения между собой и
защитной арматурой. Это осуществляется с помощью бус или трубок
4 из специального фарфора.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.8. Защитная арматура термоэлектрического преобразователя
температуры
Для
измерения
термоЭДС,
развиваемой
ТПТ,
в
термоэлектрических
термометрах
используются
различные
электроизмерительные приборы, предназначенные для измерения
небольших значений напряжения постоянного тока. Наиболее часто и
широко в настоящее время в качестве измерительных приборов в
комплектах
термоэлектрических
термометров
применяются
милливольтметры и потенциометры.
Милливольтметры. Принцип действия милливольтметров
(рис. 3.9) основан на взаимодействии между проводником (рамкой),
по которому протекает электрический ток, и магнитным полем
постоянного магнита. Рамка 1, выполненная из нескольких сотен
последовательных витков тонкой изолированной проволоки (медной,
алюминиевой), помещается в магнитное поле постоянного магнита 3.
При этом рамка имеет возможность поворачиваться на некоторый
угол, для чего она крепится с помощью специальных кернов и
подпятников или подвешивается на растяжках или подвесах (на
рисунке не показаны).
Рис. 3.9. Милливольтметр для измерения термоЭДС
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для формирования равномерного радиального магнитного
потока служит цилиндрический сердечник 4. При прохождении тока
по рамке возникают силы F1 и F2, направленные в разные стороны и
стремящиеся повернуть рамку вокруг ее оси. Противодействующий
момент создается спиральными пружинами 2 (нижняя не показана),
которые также служат для подвода термоЭДС к рамке.
Потенциометры. В основу работы потенциометров положен
нулевой метод измерения электродвижущей силы, развиваемой ТПТ.
При этом измеряемая ЭДС уравновешивается (компенсируется) с
помощью известного падения напряжения, а результирующий эффект
доводится до нуля.
В принципиальной упрощенной схеме потенциометра для
измерения термоЭДС (рис. 3.10) ток от вспомогательного источника
контрольного напряжения Е проходит по цепи, в которую между
точками В и С включено переменное сопротивление Rp (реохорд).
Реохорд представляет собой калиброванную проволоку длиной L.
Разность потенциалов между точкой В и любой промежуточной
точкой Д, где находится скользящий контакт — движок реохорда,
будет пропорциональна сопротивлению Rвд.
Рис. 3.10. Принципиальная схема потенциометра
для измерения термоЭДС
Последовательно с ТПТ при помощи переключателя П
включается чувствительный милливольтметр НП – нуль-прибор,
который
является
индикатором
наличия
тока
в
цепи.
Термоэлектрический преобразователь подключается таким образом,
Что его ток на участке Rвд идет в том же направлении, что и от
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вспомогательного источника тока. Для измерения термоЭДС движок
реохорда перемещается до тех пор, пока стрелка нуль-прибора не
перестанет отклоняться от нуля. Очевидно, в этот момент падение
напряжения на сопротивлении RBa будет равно измеряемой
термоЭДС. Для этого момента справедливо равенство
E (tt0) – IRвд = 0
(3.3)
где IRвд – падение напряжения от источника Е на участке
сопротивления Rвд ×В.
Так как сила тока на участке цепи равна силе тока во всей цепи,
можно записать:
Uвд/Rвд = E/Rвд
(3.4)
Учитывая, что в момент компенсации Uвд = E(tt0), получаем
E(tt0) = Uвд = ERвд /Rвc
(3.5)
Поскольку реохорд является калиброванным сопротивлением,
т.е. каждый его участок одинаковой длины имеет одинаковое
сопротивление, можно записать:
E(tt0) = El/L
(3.6)
Таким образом, термоЭДС E(tt0) определяется величиной
падения напряжения на участке сопротивления реохорда Rвc и не
зависит от других сопротивлений. Реохорд Rвд может быть снабжен
шкалой, отградуированной в милливольтах или в градусах
температурной шкалы.
Очень широко применяются автоматические электронные
потенциометры, предназначенные для измерения температуры и
других параметров, преобразованных в напряжение постоянного
тока.
Структурная
схема
электронного
автоматического
потенциометра приведена на рис. 3.11.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.11. Структурная схема автоматического потенциометра
Измерение термоЭДС Ех от ТПТ производится путем сравнения
ее с падением напряжения на калиброванном реохорде Rp.
Компенсационная схема потенциометра состоит из реохорда Rp с
ползунком К, электронного усилителя 1 с преобразователем,
преобразующим постоянное напряжение Ех в переменное,
реверсивного электродвигателя РД и источника питания Еа.
Электродвигатель через редуктор 2 связан с ползунком К и стрелкой
показывающей части прибора 3.
Действие компенсационной схемы сводится к автоматическому
перемещению ползунка К по реохорду в сторону уменьшения
напряжения рассогласования, т.е. разности термоЭДС от ТПТ и
падения напряжения на реохорде, подаваемой на электронный
усилитель. Это перемещение, производимое с помощью реверсивного
электродвигателя РД, происходит до тех пор, пока напряжение
рассогласования не станет равным нулю. Таким образом, положение
ползунка К на реохорде и связанной с ним стрелки прибора
определяет величину термоЭДС и, следовательно, величину
измеряемой температуры. Сопротивление R служит для настройки
рабочего тока в компенсационной цепи.
Конструкция современных электронных автоматических
потенциометров основана на блочно-модульном принципе
построения: прибор состоит из отдельных унифицированных блоков
и узлов, соединенных между собой проводами через штепсельные
разъемы.
Термометры сопротивления. Термометр сопротивления
представляет собой измерительное устройство, состоящее из
термопреобразователя сопротивления (ТС), электроизмерительного
прибора и соединительных проводов. Термометры сопротивления
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
широко применяются во всех отраслях пищевой промышленности
для измерения температуры в достаточно широком диапазоне
(от -260 и ниже и до +1100°С).
Измерение температуры с помощью термопреобразователей
сопротивления
основано
на
использовании
зависимости
электрического сопротивления чувствительного элемента от
температуры:
R = f (t)
(3.7)
Вид этой функции зависит от природы материала
термопреобразователя
сопротивления.
В
настоящее
время
выпускаются
три
большие
группы
стандартных
термопреобразователей сопротивления: платиновые, медные и
никелевые. Платиновые предназначены для измерения температуры
от -260 до +1100 °С, медные – от -200 до +200 °С, никелевые –
от -60 до +180 °С.
Наружная арматура ТС так же, как и термоэлектрических
преобразователей температуры, состоит из защитной гильзы,
подвижного или неподвижного штуцера для крепления головки, в
которой помещается контактная колодка с зажимами для проводов,
соединяющих ТС с измерительным устройством термометра
сопротивления.
В качестве измерительных приборов, применяемых в комплекте
с ТС, широко используются логометры и уравновешенные мосты.
Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста
приведена на рис. 3.12.
Рис. 3.12. Принципиальная схема уравновешенного моста
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Она состоит из постоянных резисторов R1 и R2, реохорда Rр
термопреобразователя
сопротивления
Rt
и
сопротивления
соединительных проводов Rпp. В одну диагональ моста включен
источник постоянного тока Я, в другую – нуль-прибор НП. При
равновесии моста, которое достигается перемещением движка по
реохорду Rр, сила тока в диагонали моста равна нулю, т.е. I0 = 0. В
этот момент потенциалы в вершинах моста b и d равны, ток от
источника I разветвляется в вершине моста а на две ветви I1 и I2.
Следовательно, падения напряжения на резисторах R1 и R2
одинаковые и процесс можно описать следующим уравнением:
Rt = Rp (R2/R1) – 2Rпр
(3.8)
Если считать, что температура окружающей среды постоянна, то
2Rпр = const
(3.9)
Тогда выражение Rt можно записать в общем виде:
Rt = KRp – K1
(3.10)
Таким образом, при изменении R1, мост можно уравновесить
изменением сопротивления реохорда Rp.
Структурная схема электронного автоматического моста
аналогична схеме автоматического потенциометра.
Логометры являются измерительными приборами, показания
которых пропорциональны отношению двух электрических величин
(обычно сил токов). Подвижная система логометра (рис. 3.13) состоит
из двух жестко скрепленных между собой рамок, имеющих
сопротивления R1 и R2, расположенных под некоторым углом одна к
другой и помещенных в переменный воздушный зазор между
полюсными наконечниками постоянного магнита и сердечником.
Магнитная индукция между магнитными наконечниками и
сердечником неравномерная и имеет наибольшую величину в
середине, а наименьшую – у краев наконечников.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.13. Принципиальная электрическая схема логометра
Рамки закрепляют с помощью кернов и подпятников, на
растяжках или подвесах, что обеспечивает возможность их поворота
на некоторый угол. Ток к рамкам подводится по спиральным
безмоментным пружинкам, а также через подвесы или растяжки. При
изменении сопротивления Rt вследствие изменения температуры
через одну из рамок потечет ток большей силы, равенство моментов
нарушается и подвижная система
поворачивается на угол,
пропорциональный изменению температуры.
3.1.3. Средства измерения расхода и количества вещества
Расходомеры переменного перепада давления. Для измерения
расхода жидкостей, газов и паров, протекающих по трубопроводам,
широко используются расходомеры переменного перепада давления.
Перепад давления создается с помощью нормализованных сужающих
устройств. Наиболее распространенными из них являются
диафрагмы.
Диафрагма представляет собой тонкий диск, установленный так,
что центр его лежит на оси трубы в трубопроводе (рис. 3.14). При
протекании потока жидкости или газа в трубопроводе с диафрагмой
сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за
ней под действием сил инерции поток сужается до минимального
сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения
трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны
завихрения. Давление струи около стенки перед диафрагмой
возрастает из-за подпора перед ней. За диафрагмой оно снижается до
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
минимума, затем снова повышается, но не достигает прежнего
значения, так как происходит потеря давления рпот вследствие трения
и завихрений.
Рис. 3.14. Схема измерения расхода жидкостей и газов
с помощью сужающего устройства:
1– сечение, где еще нет влияния сужающего устройства на поток;
11– сечение, где сжатие струи наибольшее
Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока
переходит в кинетическую. В результате этого средняя скорость
потока в суженном сечении повышается, а статическое давление р2 в
этом сечении становится меньше статического давления перед
сужающим устройством р1. Разность этих давлений (перепад
давления ∆p = p1 – р2) служит мерой расхода протекающей через
сужающее устройство жидкости, газа или пара.
Подключение к сужающему устройству измерительного
прибора – дифманометра осуществляется с помощью импульсных
трубок 1, 2, подводящих давления р1 и р2 к соответствующим
полостям прибора. В общем виде уравнения объемного и массового
расходов газов (паров) и жидкостей через диафрагму имеют
следующий вид:
Qоб = αε(πd2/4) √2∆p/ρ;
(3.11)
Qмас = αε(πd2/4) √2∆pρ,
(3.12)
где α – коэффициент расхода, зависящий от типа и размера
сужающего устройства м физических свойств потока;
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ε – поправочный коэффициент расширения, вводимый при
измерении расхода газов и паров (для жидкостей ε = 1);
d – диаметр сужающего устройства, м;
∆p – перепад давлений, Па;
ρ – плотность измеряемой среды, кг/м3 .
Расходомеры обтекания. Эти устройства основаны на
зависимости перемещения тела, находящегося в потоке и
воспринимающего динамическое давление струи, от расхода
вещества. Наиболее широко применяемыми расходомерами
обтекания являются расходомеры постоянного перепада давления –
ротаметры. Последние применяются для измерения расходов
однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов,
протекающих
по
трубопроводам,
особенно
широко
в
винодельческом, спиртовом, ликероводочном, пивобезалкогольном и
других производствах.
Ротаметр (рис. 3.15) представляет собой длинную коническую
трубку 1, располагаемую вертикально, вдоль которой перемещается
поплавок 2 под действием движущегося снизу вверх потока.
Поплавок перемещается до тех пор, пока площадь кольцевого
отверстия между
поплавком
и
внутренней
поверхностью
конусной трубки не достигнет такого размера, при котором перепад
давления по обе стороны поплавка не станет равным расчетному. При
этом действующие на поплавок силы уравновешиваются, а поплавок
устанавливается на высоте, соответствующей определенному
значению расхода.
Рис. 3.15. Ротаметр
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тахометрические
расходомеры.
Принцип действия этих
устройств основан на использовании зависимости скорости движения
тел – чувствительных элементов, помешенных в поток, от расхода
вещества, протекающего через расходомеры.
В турбинных тахометрических расходомерах чувствительными
элементами являются вращающиеся под действием потока жидкости
или газа турбины-крыльчатки, располагаемые горизонтально или
вертикально. Камерные тахометрические расходомеры представляют
собой один или несколько подвижных элементов, отмеривающих или
отсекающих при своем движении определенные объемы жидкости
или газа.
Электромагнитные (индукционные) расходомеры. Эти
устройства предназначены для измерения расхода различных жидких
сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными
частицами удельной электропроводностью не ниже 5×10-2 См/м,
протекающих в закрытых и полностью заполненных трубопроводах.
Широко применяются в разных отраслях пищевой промышленности.
Измерительный преобразователь расхода электромагнитного
расходомера (рис. 3.16) состоит из немагнитного участка
трубопровода 3 с токосъемными электродами 4 и электромагнита 2 с
обмоткой возбуждения 1, охватывающего трубопровод.
Рис. 3.16. Измерительный преобразователь
электромагнитного расходомера
При протекании электропроводных жидкостей по немагнитному
участку трубопровода 3 через однородное магнитное поле,
создаваемое электромагнитом 2, в жидкости, которую можно
представить как движущийся проводник, возникает электродвижущая
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сила, снимаемая электродами 4. Эта ЭДС прямо пропорциональна
средней скорости потока:
Е = Вlυcр,
(3.13)
где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита, Т;
l - расстояние между электродами, м;
υcр - средняя скорость движения потока, м/с.
Эта ЭДС представляет собой сигнал, пропорциональный
расходу, который поступает на измерительный блок (на рисунке не
показан), где он преобразуется в стандартизированный вид и затем
подается к измерительному или управляющему устройству.
3.1.4. Средства измерения уровня
Поплавковые уровнемеры. Существует большое разнообразие
типов и модификаций поплавковых уравнемеров и сигнализаторов,
различающихся по конструкции, характеру измерения (непрерывное
или дискретное), пределам измерения, условиям применения, системе
дистанционной передачи и т.п. Принцип их действия основан на
использовании перемещения поплавка на поверхности жидкости. Это
перемещение механически или с помощью системы дистанционной
передачи передается к измерительной части прибора.
В поплавковом уровнемере (рис. 3.17) изменение уровня
жидкости определяется по положению поплавка 1. Движение
поплавка передается с помощью троса или мерной ленты 2,
перекинутой через ролики 3 и 4, на мерный шкив 6, на оси которого
укреплена стрелка 5, показывающая по шкале уровень жидкости в
резервуаре. Поплавок и трос уравновешиваются контргрузом 7 или
пружиной.
Рис. 3.17. Поплавковый уравнемер
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мембранные
уровнемеры.
Эти
средства
получили
распространение для измерения уровня зерна и других сыпучих
исслеживающихся материалов. В мембранном сигнализаторе уровня
зерна (рис. 3.18), который крепится к стенке бункера, усилие
давления зерна воздействует на гибкую мембрану 1 из прорезиненной
ткани с жестким металлическим диском 2 и перемещает ее,
преодолевая усилие пружины 3. Это перемещение приводит к
переключению электрических контактов микропереключателя 4,
находящегося внутри корпуса 5. Срабатывание контактов должно
происходить при высоте слоя зерна над мембраной около 150 мм.
Рис. 3.18. Мембранный сигнализатор уровня
Гидростатические уровнемеры. Принцип их действия основан
на измерении давления столба жидкости или выталкивающей силы,
действующей на тело, погруженное в жидкость. В пищевой
промышленности находят широкое применение буйковые и
пьезометрические (барботажные) гидростатические уровнемеры.
Принцип действия буйковых уровнемеров основан на измерении
выталкивающей силы, действующей на буек, который погружен в
жидкость и удерживается в ней в заданном положении с помощью
какой-либо внешней силы. В качестве этой силы используется
упругая сила пружины или скручивающейся торсионной трубки.
Пьезометрические гидростатические уровнемеры представляют
собой открытую с одного конца измерительную трубку, опускаемую
в резервуар с жидкостью, уровень которой измеряется. Через эту
трубку продувается воздух, который барботирует через жидкость в
виде пузырьков. Давление воздуха в трубке ρ является мерой уровня
жидкости. При этом следует учитывать влияние плотности жидкости
ρ, так как р=ρgH.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Электрические уровнемеры. Изменение уровня в них с
помощью чувствительного элемента датчика преобразуется в
электрический
сигнал,
который
измеряется
каким-либо
электроизмерительным прибором. При этом используются
электрические свойства среды: электропроводность, диэлектрическая
проницаемость и др.
Акустические (ультразвуковые) уровнемеры. Эти приборы
основаны на свойстве звуковых колебаний отражаться от границы
раздела сред с различным акустическим сопротивлением. К
достоинствам ультразвуковых уровнемеров следует отнести
нечувствительность их к изменению свойств измеряемой среды,
большой температурный диапазон, высокую надежность.
Радиоизотопные уровнемеры. В этих приборах используется
зависимость интенсивности потока ионизирующего излучения,
падающего на приемник (детектор) излучения, от положения уровня
измеряемой среды.
3.2. Средства измерения свойств и химического
состава вещества
В ходе переработки исходных пищевых продуктов и сырья и
превращения их в готовые изделия происходит многократное
изменение их физико-химических свойств и состава. Измерение
параметров, характеризующих состав и свойства пищевых продуктов,
позволяет судить о режиме этих процессов непосредственно, так как
именно они характеризуют качество продуктов. Поэтому контроль
этих параметров является обязательным, а иногда и главным
элементом многих систем управления технологическими процессами
пищевых производств.
Средства измерений для получения измерительной информации
о составе или свойствах анализируемых веществ называются
анализаторами.
3.2.1. Измерение плотности жидкостей
Измерения, связанные с анализом состава и свойств веществ,
основаны на использовании зависимостей между составом
анализируемого вещества (или концентрациями его компонентов) и
величинами, характеризующими его физические или физикохимические параметры.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плотность жидкости является одним из показателей
(параметров), характеризующих ее свойства. Плотность – это масса
вещества, заключенная в единице объема.
Весовые плотномеры. Эти приборы основаны на измерении
массы анализируемой жидкости определенного объема, которая
является функцией ее плотности. Конструктивно они выполняются в
виде мерной камеры определенного объема, масса которой
измеряется.
Весовой плотномер (рис. 3.19) с U-образной трубкой 2 в
качестве чувствительного элемента снабжен пневматическим
преобразователем. По U-образной трубке непрерывно протекает
анализируемая жидкость, подводимая к ней через специальные
безмоментные подводы – гибкие рукава 1 (резиновые трубки,
сильфоны и т.п.). Изменение массы чувствительного элемента,
пропорциональное изменению плотности жидкости, передается с
помощью тяги 3 на левое плечо рычага 4. На правое плечо того же
рычага действуют противовес 5 и усилие сильфона обратной связи 6.
Перемещение рычага 4 преобразуется в пневматический сигнал с
помощью пневмопреобразователя типа сопло – заслонка 7. Этот
сигнал поступает к измерительному пневматическому прибору и в
сильфон обратной связи 6. При равновесии рычага 4 выходной
пневматический сигнал пропорционален плотности анализируемой
жидкости. Настройка прибора на необходимый диапазон измерения
осуществляется перемещением груза 5.
Рис. 3.19. Весовой плотномер жидкости
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поплавковые плотномеры. Приборы основаны на изменении
степени погружения поплавка, являющейся функцией плотности
анализируемой
жидкости.
При
погружении
в
жидкость
полупогруженного тела (поплавка) согласно закону Архимеда на него
будет действовать выталкивающая сила, равная массе вытесненной
им жидкости.
В лабораторной и производственной практике широко
используются поплавковые приборы, предназначенные для
эпизодических измерений, так называемые ареометры. Они могут
быть стеклянными или металлическими и самой разнообразной
формы. В пищевой промышленности применяется большая группа
плотномеров
автоматических,
использующих
поплавковый
(ареометрический) принцип измерения.
В поплавковом плотномере (рис. 3.20) анализируемая жидкость
подводится в измерительную камеру 1 через входной патрубок и
отводится через выходной сливной. Поплавок 2, полностью
погруженный в жидкость, с
помощью штока 3 соединен с
торсионной трубкой (пружиной) 4. Усилие, создаваемое на ней,
уравновешивает выталкивающую силу поплавка. Торсионная трубка
соединена также с сердечником электрического преобразователя 5, к
которому подключается измерительный прибор.
Рис. 3.20. Автоматический поплавковый плотномер
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гидростатические плотномеры. Принцип их действия основан
на измерении давления столба однородной анализируемой жидкости
определенной высоты, пропорционального ее плотности. Эта
зависимость выражается следующим уравнением:
p = ρgH,
(3.14)
где р – давление столба жидкости, Па;
ρ – плотность жидкости кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Н – высота столба жидкости, м.
При неизменной высоте столба жидкости Н давление р является
мерой ее плотности. Известны гидростатические плотномеры с
чувствительными элементами в виде мембран или сильфонов и с
продувкой воздухом, называемые пневмометрическими.
Гидростатические пневмометрические плотномеры с продувкой
воздухом основаны на принципе, суть которого ясна из схемы,
приведенной на рис. 3.21. Через трубку, погруженную открытым
концом в анализируемую жидкость на постоянную глубину Н,
продувают
(барботируют)
воздух.
К
трубке
подключен
измерительный прибор – чувствительный манометр, давление в
котором прямо пропорционально плотности контролируемой
жидкости [определяется по формуле (3.14)].
Рис. 3.21. Схема пневмометрического измерения плотности жидкости
Радиоизотопные
плотномеры.
Измерение
плотности
различных сред этими плотномерами основано на зависимости
степени ослабления ионизирующего излучения, прошедшего через
анализируемую среду, от плотности этой среды.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В радиоизотопном плотномере (рис. 3.22) пучок γ-излучения от
источника 1 проходит через анализируемую жидкость 2,
протекающую по трубопроводу или находящуюся в сосуде, и
попадает на приемник излучения (детектор) 3. При изменении
плотности жидкости изменяется интенсивность излучения,
попадающего на приемник 3. Полученный сигнал далее подается на
усилитель 4, а затем и на измерительный прибор 5.
Рис. 3.22. Радиоизотопный плотномер
3.2.2. Измерение вязкости жидкостей
Вязкость
жидкостей
характеризуется
динамическим
коэффициентом вязкости – величиной, равной отношению силы
внутреннего трения, которая действует на поверхности слоя
жидкости при градиенте скорости, равном единице, к площади этого
слоя. Для измерения вязкости служат вискозиметры.
Капиллярные вискозиметры. Их действие основано на
использовании закона Пуазейля для истечения жидкости из
капиллярных трубок:
Q = (πd4/μl)∆р,
(3.15)
где Q – объемный расход жидкости, вытекающей из трубки, м3/с;
d – диаметр трубки, м;
р – динамический коэффициент вязкости жидкости. Па∙с;
l – длина трубки, м;
∆р – разность давлений между концами трубки, Па.
В капиллярном вискозиметре (рис. 3.23) постоянство значения
расхода обеспечивается шестеренным насосом 1. Анализируемая
жидкость проходит через капиллярную трубку 3 диаметром d и
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
длиной l. Перепад давления между входом и выходом трубки
измеряется чувствительным дифманометром 2, отградуированным в
единицах вязкости.
Рис. 3.23. Капиллярный
вискозиметр
Рис. 3.24. Ротационный
вискозиметр с коаксиальными
цилиндрами
Шариковые вискозиметры. В основе принципа их действия
лежит теория Стокса, справедливая в применении к движению
шариков малого диаметра в жидкостях и заключающаяся в том, что
шар, падающий в достаточно вязкой среде, приобретает постоянную
скорость движения за сравнительно короткий промежуток времени.
Ротационные вискозиметры. Принцип их действия основан на
измерении моментов сопротивления или крутящих моментов,
передаваемых анализируемой жидкостью чувствительному элементу,
которые являются функцией вязкости жидкости. Чаще других
применяются приборы с коаксиальными цилиндрами, вращающимися
телами и вращающимися параллельными дисками, погружаемыми в
анализируемую жидкость.
Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами (рис. 3.24)
представляет собой два цилиндра, между которыми помещается
анализируемая жидкость. При вращении внешнего цилиндра 2 с
постоянной скоростью от электродвигателя 1 жидкость приходит в
стационарное вращательное движение и передает момент вращения
внутреннему цилиндру 3. Для сохранения этого цилиндра в покое к
нему должен быть приложен противоположный по знаку и равный по
величине момент силы, создаваемый, как показано на рисунке,
грузом 4.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2.3. Измерение содержания веществ, растворенных в жидкостях
Анализаторы состава жидкостей представляют собой средства
измерений, предназначенные для получения измерительной
информации о количестве вещества или его концентрации, а в
некоторых случаях – о сумме компонентов веществ в анализируемой
жидкости.
Кондуктометрические приборы. Принцип их действия
основан на
измерении электропроводности анализируемых
растворов. Удельная электропроводность (удельная электрическая
проводимость) жидкостей в зависимости от концентрации и природы
растворенных в них веществ может изменяться на несколько
порядков, от 10-4 (чистая вода) до 100 См/м (сильные электролиты),
что позволяет в ряде случаев просто и с высокой степенью точности
контролировать концентрацию компонентов в растворах.
Чувствительный элемент этих приборов – измерительная
ячейка – состоит из двух электродов, помещаемых в анализируемый
раствор на определенном расстоянии один от другого (рис. 3.25).
Сопротивление ячейки определяется электропроводностью раствора.
При площади электродов S, расстоянии между электродами L и
удельной
электропроводности
раствора
о
сопротивление
измерительной ячейки (в Ом)
R=L/σS=K/σ
(3.16)
Измерение электропроводности может производиться как на
постоянном, так и на переменном токе. В настоящее время широкое
распространение получают бесконтактные методы измерения
электропроводности растворов, которые обеспечивают измерение
концентрации сильно загрязненных агрессивных жидкостей,
суспензий
и
коллоидных
растворов
непосредственно
в
технологических потоках.
Рис. 3.25. Схема измерительной ячейки кондуктометра
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Потенциометрические анализаторы. С помощью этих
приборов могут быть измерены концентрация в растворах ионов
водорода во всем диапазоне изменения – от самых кислых до самых
щелочных сред, ионов разных веществ (Na, К, Са, Mg, Li и др.), а
также окислительно-восстановительные потенциалы практически
любых сред.
Метод потенциометрического измерения концентрации ионов в
растворах основан на измерении разности электрических
потенциалов двух специальных электродов, помещаемых в
анализируемую среду, причем один из электродов является
измерительным, а другой – вспомогательным и в процессе измерения
свой потенциал изменять не должен. В качестве измерительных
широко распространены стеклянные и сурьмяные электроды, в
качестве вспомогательных - каломельные и хлорсеребряные.
Электрическая цепь/преобразователя (ячейки) для измерения рН
растворов (рис. 3.26) состоит из измерительного стеклянного
электрода 1 с вспомогательным внутренним электродом, служащим
для создания электрической цепи, и внешнего вспомогательного
электрода 2, осуществляющего контакт с контролируемым
раствором. При погружении электродов в анализируемый раствор
между поверхностью стекла шарика и раствором происходит обмен
ионами, в результате чего одновалентные ионы металлов,
содержащиеся в электродном стекле, переходят в раствор и
замещаются ионами водорода из раствора. Вследствие такого
взаимодействия между поверхностью стекла и контролируемым
раствором возникает разность потенциалов Ех, обусловленная
активностью ионов водорода в растворе. Измеряя потенциал
стеклянного электрода, погруженного в анализируемый раствор,
можно определить значение рН.
Р
Рис. 3.26. Схема электродной
системы для измерения
рН растворов
Рис. 3.27. Автоматический
рефрактометр
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оптические анализаторы. Эти приборы относятся к классу
спектральных анализаторов, в которых значение выходного сигнала
измерительной информации зависит от взаимодействия потока
излучения с анализируемой жидкостью или от свойств излучения
анализируемой жидкости. В оптических приборах, как правило, в
качестве измерительных преобразователей оптических величин в
электрические
применяются
различные
фотоэлектрические
преобразователи.
Рефрактометрический метод анализа жидких сред основан на
использовании зависимости показателя преломления света при
переходе его из одной среды в другую. В проточном рефрактометре
(рис. 3.27) использована дифференциальная измерительная кювета.
Световой поток от источника 1 проходит через коллиматор 2 и
направляется на измерительную кювету 3, состоящую из двух частей:
одна заполнена эталонной жидкостью, а через другую протекает
анализируемый раствор. Пройдя через измерительную кювету,
световой поток попадает на блок дифференциального фотоприемника
4, состоящего из двух одинаковых фоторезисторов. Если
коэффициенты преломления контролируемой и образцовой
жидкостей одинаковы, то и обе половины фотоприемника освещены
одинаково. При этом сигнал разбаланса, подаваемый на электронный
усилитель 5, равен нулю. При изменении концентрации
анализируемой жидкости меняется коэффициент ее преломления и
луч света отклоняется вверх или вниз, что поведет к изменению
освещенности частей фотоприемника. В результате на входе
усилителя 5 появляется сигнал разбаланса, который после усиления
будет подан к реверсивному электродвигателю 6, изменяющему
положение блока фотоприемника до наступления нового состояния
равновесия. Одновременно производится перестановка стрелки
показывающего или пера записывающего устройства 7.
Известны и также широко используются в пищевой
промышленности
оптические
анализаторы
жидкостей:
колориметрические,
поляризационные,
нефелометрические,
турбидиметрические и др.
3.3. Специальные методы измерения и контроля
В пищевой промышленности очень часто возникает
необходимость в измерении влажности газов, твердых и сыпучих
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
материалов и продуктов, состава газовых сред и других параметров,
которые не рассматриваются в предыдущих пунктах.
3.3.1. Измерение влажности газов, твердых и сыпучих материалов
Содержание влаги (воды) в воздухе и других газовых средах, а
также в твердых, вязкопластичных и сыпучих материалах и
продуктах является весьма важной характеристикой, определяющей
как протекание многих технологических процессов (сушка, выпечка,
обжарка, выпарка и др.), так и качество исходного сырья и готовой
пищевой продукции.
Методы измерения влажности газов. Влажность воздуха (газа) –
это содержание в нем водяного пара; абсолютная влажность – масса
водяного пара, содержащаяся в единице объема влажного или сухого
газа; влагосодержание – отношение массы водяного пара к массе
сухого газа в том же объеме. Психрометрический метод измерения
влажности основан на использовании зависимости между упругостью
водяного пара в газовой среде и показаниями сухого и влажного
термометров, помещенных в эту среду.
Простейший психрометр состоит из двух одинаковых
жидкостных стеклянных палочных термометров, расположенных
рядом. Баллончик с ртутью одного из термометров покрывается
тканью, конец которой опускается в резервуар с водой. На основании
показаний обоих термометров по соответствующим таблицам
определяют влажность воздуха или газа. Психрометрический метод
положен в основу построения ряда автоматических промышленных
приборов, предназначенных для непрерывного измерения влажности
воздуха и газов.
Конденсационный метод измерения влажности газов, или метод
точки росы, основан на использовании следующей зависимости:
φ = Eτ/Et,
(3.17)
где φ – упругость насыщенного пара при температуре точки росы τ,
Па;
Et - упругость насыщенного пара при температуре t, Па.
Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого газа
t, можно определить его относительную влажность.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В основе сорбционного метода измерения влажности лежит
способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру,
адсорбировать влагу на своей поверхности. В сорбционных
электролитических влагомерах влагочувствительный элемент
представляет собой жидкую или сухую пленку электролита,
наносимую на неэлектропроводную основу (подложку), которая
обладает свойством поглощать влагу из окружающей среды до тех
пор, пока не установится динамическое равновесие между давлением
водяного пара непосредственно над поверхностью электролита и
давлением
пара
окружающей
среды.
Сопротивление
электролитической пленки чувствительного элемента влагомера
изменяется в зависимости от концентрации растворенного вещества и
температуры.
В
качестве
электролитов,
применяемых
в
электролитических датчиках, используются водные растворы хлорита
лития (LiCl), смесь поваренной и сегнетовой солей и др.
Методы измерения влажности твердых и сыпучих материалов.
Средства измерений влажности твердых и сыпучих материалов –
влагомеры – широко используются в пищевой промышленности в
лабораториях и непосредственно в производственных условиях для
контроля и управления технологическими процессами. Для
характеристики содержания влаги в твердых и сыпучих материалах
применяются, как правило, две величины: влагосодержание U и
влажность W, выражаемые в относительных единицах или в
процентах.
Влагосодержание – отношение массы влаги М, содержащейся в
материале, к массе абсолютно сухого материала М0:
U=M/M0
(3.18)
Влажность – отношение массы влаги М, содержащейся в
материале, к массе влажного материала Мвл:
W = М/Мвл = М/(М0 + М)
(3.19)
Известно много методов измерения содержания влаги в твердых
и сыпучих материалах, которые могут быть подразделены на две
большие группы: прямые и косвенные. В основе прямых методов
лежит разделение исследуемого вещества или материала на влагу и
сухой остаток. Косвенные методы, получившие самое широкое
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
распространение во влагометрии твердых и сыпучих материалов,
основаны на использовании функциональных связей между их
физическими
свойствами
(тепловыми,
механическими,
электрофизическими и др.) и содержанием в них влаги.
Термогравиметрический метод, называемый также весовым ли
методом сушки, характеризуется тем, что проба исследуемого
вещества или материала подвергается воздушно-тепловому
высушиванию до постоянной массы. Метод получил широкое
распространение как в лабораторной, так и в производственной
практике благодаря высокой точности и простоте аппаратурного
оформления. В настоящее время этот метод является единственным
образцовым методом измерения влажности твердых и сыпучих
материалов, применимым к очень широкому классу материалов.
Электрофизические методы косвенного измерения влажности
основаны на зависимости электрофизических свойств исследуемых
материалов
и
веществ
(электрической
проводимости,
диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических
потерь и др.) от содержания в них влаги.
Кондуктометрический метод основан на использовании
зависимости между влажностью вещества W и его электрической
проводимостью σх
σх = A/Wk,
(3.20)
где σх – электрическая проводимость материала, См;
А и k – положительные постоянные коэффициенты, зависящие
от природы анализируемого материала и условий измерения.
В
качестве
измерительных
схем
для
реализации
кондуктометрического метода большое распространение получили
различного вида омметры и мегомметры – электронные и
электромагнитные.
Диэлькометрический метод измерения влажности основан на
различии диэлектрической проницаемости твердых материалов,
воздуха и воды. Поскольку относительная диэлектрическая
проницаемость воды является величиной постоянной и близка к 81
(εв ≈ 81), а относительная диэлектрическая проницаемость
большинства сухих веществ лежит в пределах 2-10, то даже
незначительное изменение влажности вещества вызывает изменение
его электрических характеристик, в том числе диэлектрической
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проницаемости. Для реализации диэлькометрического метода
используются влагомеры, состоящие из трех основных частей:
высокочастотного
генератора,
первичного
измерительного
преобразователя и измерительной схемы (прибора).
3.3.2. Измерение состава газов
В пищевой промышленности газоанализаторы используются для
анализа топочных газов при сжигании разных видов топлива, для
контроля состава газовых сред в пекарных и сушильных камерах,
концентрации диоксида серы, диоксида углерода и других газов,
подаваемых в ходе многих технологических процессов виноделия,
сахарного производства и др., а также для контроля концентрации
предельных значений в пожаро- и взры-опасных пищевых
производствах и помещениях, где возможно скопление газов,
вредных для здоровья обслуживающего персонала.
В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком и
измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд
вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу
устройства в целом. Основными вспомогательными узлами являются
приспособления для отбора, очистки, транспортирования и
подготовки к анализу проб газовой смеси.
Механические газоанализаторы. К этой группе относятся
приборы, основанные на использовании различных химических
реакций и связанных с ними изменений объема или давления
анализируемой газовой смеси после удаления из нее анализируемого
компонента с помощью специальных поглотителей.
Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа
(рис. 3.28) осуществляется измерение относительного изменения
теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой с
теплопроводностью эталонной смеси известного состава. Такое
сравнение
осуществляется
с
помощью
измерительного
преобразователя – мостовой электрической схемы.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.28. Газоанализатор по теплопроводности
Измерительный
мост
образован
двумя
одинаковыми
чувствительными элементами (резисторами) Ra и выполняющими
роль нагревателей и термопреобразователей сопротивления
одновременно, и двумя одинаковыми постоянными резисторами Rа и
RЭ. Один из чувствительных элементов Ra помещен в рабочую
камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая
смесь, а второй RЭ – в закрытую сравнительную камеру, заполненную
эталонным газом известного состава. Обычно температура нагрева
чувствительных элементов Rа и RЭ в термокондуктометрических
газоанализаторах составляет 100-120 °С.
Если теплопроводность анализируемого и эталонного газов
одинакова, нагреваемые в одинаковых условиях резисторы Rа и RЭ
будут
иметь
одинаковую
температуру
и
электрические
сопротивления, а следовательно, мост будет находиться в равновесии.
При отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от
этого значения мост выйдет из равновесия и в диагонали его появится
напряжение разбаланса ∆U, которое служит мерой концентрации
определяемого компонента.
Термомагнитные газоанализаторы. Действие этих устройств
основано на использовании потока кислородсодержащего газа
(«термомагнитного ветра»), возникающего в неоднородном
магнитном поле при наличии температурного градиента.
Принципиальная
схема
измерительного
преобразователя
термомагнитного газоанализатора приведена на рис. 3.29.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.29. Термомагнитный газоанализатор
Через кольцевую камеру, представляющую собой полое кольцо
с трубкой (перемычкой), установленной по диаметру этого кольца,
протекает анализируемый газ. На перемычку намотана спираль из
платиновой проволоки. Спираль состоит из двух секций-резисторов
R1 и R2 нагреваемых до температуры 200-250 °С от источника
электрического тока Е. Платиновые резисторы являются
одновременно и нагревательным и чувствительным элементами,
включенными в измерительную схему (составленную из резисторов
R1 и R2 и постоянных резисторов R3 и R4).
При отсутствии кислорода в анализируемой газовой смеси тот
ее объем, который заполняет перемычку, не движется, т.е.
термомагнитный ветер отсутствует. При наличии кислорода
вследствие взаимодействия его молекул с магнитным полем внутри
перемычки образуется конвективный поток газа, направленный вдоль
ее оси (на рисунке слева направо). Этот поток охлаждает секцию R1
находящуюся в межполюсном пространстве магнита, и передает
часть тепла секции R2. Это вызывает соответствующее изменение их
температуры, а следовательно, и электрического сопротивления, что
воспринимается измерительным прибором ИП, включенным в
диагональ мостовой измерительной схемы.
Оптические газоанализаторы. Эти устройства входят в
большую группу различных приборов, основанных на использовании
зависимости изменения оптических свойств анализируемой газовой
смеси от изменения концентрации определяемого компонента.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3.3. Измерение состава газов и жидкостей методом
хроматографии
Хроматография представляет собой физико-химический метод
разделения сложных газовых или жидкостных смесей, при котором
разделяемые компоненты распределяются между двумя фазами,
одной из которых является движущийся поток анализируемого газа
или жидкости – подвижная фаза, а второй – неподвижный сорбент с
развитой поверхностью – неподвижная фаза, через которую движется
анализируемый поток.
Проявительный метод хроматографического разделения
получил наибольшее распространение. Он состоит в том, что через
неподвижный сорбент непрерывно протекает несорбирующийся
поток подвижной среды, в которую периодически вводится
анализируемое вещество. Это вещество представляет собой смесь
сорбирующихся компонентов, подлежащих определению. Процесс
разделения компонентов при проявительной хроматографии может
быть представлен в виде схемы, приведенной на рис. 3.30.
Рис. 3.30. Схема хроматографического разделения смеси
Порция исследуемой смеси, состоящая, например, из
компонентов А, Б и В, вводится в разделительную колонку,
заполненную сорбентом – неподвижной фазой, и перемещается вдоль
нее с помощью потока инертного (по отношению к сорбенту и
компонентам смеси) носителя. При этом будем считать, что
сорбируемость компонентов смеси характеризуется рядом А>Б>В.
Так как компоненты смеси имеют разную сорбируемость или
растворимость, то движение их в колонке замедляется по-разному.
Через некоторое время вперед уйдет компонент В, как менее
сорбирующийся, за ним будет располагаться компонент Б и, наконец,
А, более сорбирующийся и потому движущийся медленнее других
компонентов. Затем компоненты разделяются полностью, а при
дальнейшем движении между их слоями оказывается слой чистого
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
носителя. Таким образом, разделительную колонку покидают
последовательно
чистый
носитель
и
бинарная
смесь
(носитель+анализируемый компонент). Бинарная смесь поступает в
специальный анализатор-детектор, выходной сигнал которого прямо
пропорционален концентрации анализируемого компонента.
Хроматографическая разделительная колонка представляет
собой трубку, в которую помещают неподвижную фазу, оставляя
свободное пространство, необходимое для прохождения газового
потока. Важнейшей частью любого хроматографа является детектор,
предназначенный для преобразования концентрации компонентов
газа, выходящего из хроматографической разделительной колонки, в
соответствующий электрический или другого вида сигнал, удобный
для дальнейшего использования в системе автоматического контроля
или регулирования. От совершенства детектора во многом зависят
чувствительность и точность хроматографической установки в целом.
Наибольшее практическое применение в газовой хроматографии
получили
детекторы
по
теплопроводности
(терм
окон
дуктометрические детекторы или катарометры), ионизационные и
пламенные. Детекторы по теплопроводности по принципу действия
аналогичны соответствующим газоанализаторам, рассмотренным
в п. 3.3.2.
Вопросы для самоконтроля:
1. С какой целью используются бинарные датчики?
2. Для чего применяются концевые выключатели?
3.Почему контакты механических выключателей некоторое
время вибрируют (дребезжат), прежде чем замкнуться?
4.Как можно бороться с дребезжанием контактов в
переключателях
5. Опишите конструкцию ртутных выключателей.
Тест 1
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
1. Когда срабатывает индикатор уровня?
а) в случае, если резервуар заполняется до заданной высоты;
б) при заполнении резервуара;
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в) по команде оператора, управляющего технологическим
процессом;
г) при появлении жидкости в резервуаре.
2. На какое важное свойство датчика указывает малое время
нарастания его выходного сигнала?
а) на быструю реакцию датчика;
б) на большую инерционность датчика;
в) на низкую точность датчика;
г) на малое входное электрическое сопротивление датчика.
3. Какого вида сигналы генерируют цифровые датчики?
а) аналоговые;
б) кодовые;
в) дискретные;
г) модулированные по амплитуде.
4. Какие устройства используются в качестве датчиков
положения?
а) коммутаторы;
б) серводвигатели;
в) выключатели;
г) муфты.
5.Какие проблемы вызывает замыкание
выключателя?
а) резкое возрастание напряжения;
б) резкое возрастание тока;
в) залипание контактов;
г) дребезг контактов.
52
механического
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ
Глава 4. Технические средства для построения систем
автоматического регулирования и управления
4.1. Автоматические регуляторы, исполнительные механизмы и
регулирующие органы
Всякая автоматическая система регулирования (АСР) состоит из
совокупности объекта регулирования (ОР), измерительного
устройства (ИУ), автоматического регулятора (AР), исполнительного
механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).
4.1.1. Автоматические регуляторы
Автоматический регулятор представляет собой устройство,
предназначенное для преобразования сигнала от измерительного
устройства в соответствии с заданным алгоритмом (законом)
управления и усиления его до значений, необходимых для
управления исполнительным механизмом, воздействующим через
регулирующий орган на объект управления.
По способу действия АР подразделяются на регуляторы прямого
и непрямого (косвенного) действия. В регуляторах прямого действия
энергия для их работы поступает от самого объекта автоматизации. В
регуляторах непрямого действия энергия к их элементам подводится
от внешнего источника, что позволяет развивать достаточно большие
динамические усилия при перемещении регулирующих органов и
обеспечивает возможность территориального разделения объекта,
автоматического регулятора и исполнительного механизма с
регулирующим органом. Кроме того, регуляторы косвенного
действия обладают более высокими быстродействием и точностью.
По виду подводимой энергии регуляторы подразделяются на
электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные.
Одной из основных характеристик регуляторов является закон
регулирования (см. п. 5.3.).
Современные регуляторы косвенного действия представляют
собой устройства, состоящие из нескольких структурных элементов,
основными из которых являются многоступенчатые усилители,
сумматоры, модуляторы, умножители и другие блоки, с помощью
которых обеспечивается построение схем, обусловливающих
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формирование регулирующего воздействия в соответствии с
алгоритмом управления.
Электрические автоматические регуляторы (автоматические
регулирующие блоки), структурная схема которых приведена на рис.
4.1, предназначены для формирования выходного сигнала,
подаваемого к электрическому исполнительному механизму АСР.
Рис. 4.1. Структурная схема автоматического регулятора
Автоматический регулятор состоит из узла входных цепей 1, к
которому подводятся сигналы от измерительных преобразователей.
Далее преобразованные сигналы поступают к сумматору 2, к
которому также подводится сигнал, сформированный узлом обратной
связи 5. Разность между сигналом обратной связи и сигналом от
измерительного преобразователя подается к суммирующему
усилителю 3 и далее к узлу 4, с помощью которого формируется
управляющий сигнал в соответствии с законом регулирования.
Настройки вводятся в регулятор при наладке АСР конкретного
объекта автоматизации через узел входных цепей 1.
Рис. 4.2. Принципиальная схема пневматического регулятора
На рис. 4.2. приведена принципиальная схема пневматического
регулятора, построенного на основе универсальной системы
элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). При работе
регулятора давление рп от измерительного преобразователя,
пропорциональное текущему значению регулируемой величины,
подается в камеру Г элемента I, который является элементом
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сравнения. К камере В этого же элемента подведено давление рзд,
пропорциональное заданному значению регулируемой величины.
Кроме того, в камеру Д подается давление рн, поддерживаемое
постоянным с помощью элемента III. Питание этой ветви схемы АР
осуществляется от источника через дроссель Д.
Сигнал с выхода элемента I в виде р1 подается на элемент
сравнения IV, где он суммируется с сигналом обратной связи рвых,
поступающим с выхода усилителя мощности V. Выходной сигнал
элемента IV подается в камеру Б элемента II, к камере Д этого же
элемента подведено постоянное давление рн от элемента III. Сигнал
р2. пропорциональный разности этих двух сигналов, подается к
усилителю V и далее через выключающее реле VI – на выход
регулятора в линию связи с исполнительным механизмом, а также
через линию обратной связи – на вход элемента IV.
Выключающее реле VI служит для отключения выходного
сигнала регулятора при подаче командного давления рк в камеру А
этого элемента, когда необходим переход с автоматического на
ручное
управление.
Настройка
регулятора
осуществляется
регулируемым дросселем Дп элемента IV.
4.1.2. Исполнительные механизмы
Исполнительные механизмы (ИМ), являясь составной частью
АСР, предназначены для перемещения регулирующего органа (РО) в
соответствии с командой, получаемой от регулятора. При переходе на
ручное (дистанционное) управление команда к ИМ подается
человеком-оператором с помощью соответствующих органов ручного
управления. В зависимости от вида энергии, используемой в ИМ, они
подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические.
Электрические ИМ. В автоматике в основном используются
электромагнитные и электродвигательные электрические ИМ.
Основным узлом электромагнитных ИМ является электромагнит
постоянного или переменного тока разных форм и конструкций,
обеспечивающих его срабатывание при протекании тока по обмотке
управления.
Электродвигательные
ИМ
являются
наиболее
распространенными. По характеру движения выходного рабочего
звена они подразделяются на однооборотные, у которых выходной
вал перемещается по дуге окружности (до 360°); многооборотные, у
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которых выходной вал вращается (более 360°), и прямоходные,
выходное звено (шток) которых перемещается поступательно.
а
б
Рис. 4.3. Электродвигательный исполнительный механизм:
а – общий вид; б – электрическая схема включения
Электродвигательный
ИМ
(рис.
4.3)
состоит
из
электродвигателя 3 с электромагнитным тормозом 4, блока 5
с конечными выключателями, червячного редуктора 2 и выходного
вала редуктора 1, предназначенного для сочленения с регулирующим
органом. Пуск электродвигателя в ту или иную сторону вращения
обеспечивается включением контактов 1РБ или 2РБ реле
автоматического регулятора. При этом через обмотки В или Н
реверсивного магнитного пускателя потечет ток и включатся его
главные контакты ВО или НО, с помощью которых включается в сеть
электродвигатель ЭД. Блок-контакты В1 и H1 служат для
шунтирования
контактов
регулятора.
Для
отключения
электродвигателя при достижении выходным валом редуктора
крайних положений предназначены конечные выключатели КВО и
КВЗ, зажигая при этом одну из соответствующих сигнальных ламп
ЛО или ЛЗ. Кнопка КС служит для аварийного останова
электродвигателя.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пневматические ИМ. Предназначены для работы с
пневматическими
регуляторами
и
выпускаются
в
двух
модификациях:
мембранные
и
поршневые.
Мембранный
исполнительный механизм (рис. 4.4) состоит из следующих основных
элементов: корпуса 1 (составлен из двух фланцев), мембраны 2,
возвратной пружины 3 и штока 4. Втулка с натяжной гайкой 5 служит
для регулирования усилия, развиваемого пружиной.
При подаче давления от пневматического регулятора в
надмембранную плоскость мембрана 2 прогибается вниз, тем самым
переметая шток 4, сочлененный с регулирующим органом.
Противодействующее усилие и возврат штока в исходное положение
при отсутствии давления в надмембранной полости осуществляются
с помощью пружины 3.
Рис. 4.4. Мембранный исполнительный механизм
В поршневых ИМ перестановочное усилие создается давлением
рабочей среды в поршневых полостях.
Гидравлические ИМ. В них используется энергия рабочей
жидкости под давлением. Эти механизмы применяют в АСР, если
необходимы значительные усилия для перемещения регулирующего
органа.
4.1.3. Регулирующие органы
Регулирующие органы (РО) предназначены для изменения
расхода материальных или энергетических потоков в объект
регулирования. Регулирующие органы разделяются на дроссельные,
объемные и скоростные.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дроссельные РО. Эти механизмы обеспечивают изменение
расхода среды путем изменения скорости и площади живого сечения
потока при прохождении его через дросселирующее устройство,
гидравлическое сопротивление которого является переменной
величиной. Применяются они в основном для изменения расхода
жидкостей, газа и пара, транспортируемых по трубопроводам.
Основными типами дроссельных РО являются регулирующие
клапаны, шиберы и заслонки.
На рис. 4.5 приведена схема односедельного регулирующего
клапана, состоящего из корпуса 7 с седлом 1, штока 4 с затвором 3,
имеющего запорную (профильную) поверхность 2, а также из
сальника 6 с поджимным фланцем 5. Изменение пропускной
способности клапана осуществляется путем перемещения затвора 3
вдоль оси прохода седла клапана.
Рис. 4.5. Односедельный регулирующий клапан
Шиберы или задвижки представляют собой прямоугольную или
фигурную пластину, которая перемещается перпендикулярно оси
трубопровода и изменяет его проходное сечение. Заслонки
выполняются в виде лопастей, помещаемых в регулируемом потоке в
трубопроводе. Изменение живого сечения потока среды
осуществляется поворотом лопасти заслонок от ИМ.
Объемные РО. Представляют собой устройства с насосами
объемного дозирования, а также объемные (камерные) питатели,
отмеривающие или отсекающие при своем движении определенные
объемы жидкости, газа или сыпучих продуктов.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Скоростные РО. Используются в основном для дозирования
сыпучих материалов и продуктов, представляют собой тарельчатые
или ленточные питатели, в которых регулирование расхода
происходит путем изменения скорости движения ленты или
вращающейся
тарелки
питателя
или
частоты
вращения
электропривода.
4.2. Агрегатные комплексы и системы технических средств
автоматизации ГСП
При автоматизации самых разнообразных технологических
процессов возникает необходимость в применении обширной
номенклатуры технических средств автоматизации, отвечающих
различным требованиям эксплуатации, настройки, ремонта и т.п. Это
проблема в ГСП решается на основе принципа агрегатирования,
который позволяет обеспечивать построение более сложных
устройств и систем из ограниченного набора более простых
унифицированных изделий (модулей) методом «наращивания и
стыковки» этих более простых изделий. Для обеспечения
возможности «наращивания и стыковки» необходима конструктивная
и информационная совместимость изделий ГСП без дополнительной
разработки устройств для их сочленения или изменения самих
изделий.
В рамках ГСП выпускается ряд агрегатных комплексов и
систем, предназначенных для автоматизации технологических
процессов, машин, агрегатов, аппаратов и др. объектов.
Комплекс приборов и аппаратуры «Каскад-1». Комплекс
представляет собой транзисторный унифицированный набор
высоконадежных средств автоматизации, включающий десять
функциональных
групп
изделий:
регулирующие
блоки,
измерительные блоки, динамические преобразователи, нелинейные
блоки, логические блоки, задающие устройства, блоки управления,
тиристорные
усилители
мощности,
магнитные
пускатели,
вспомогательные устройства, в том числе суммирующие,
согласующие, защитные, указывающие и др. Связь между датчиками
регулируемых параметров и блоками комплекса осуществляется с
помощью унифицированного сигнала связи 0-5 и 0-20 мА.
Блоки
комплекса
обеспечивают
различные
законы
регулирования в пульсирующем и аналоговом режимах изменения
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выходных сигналов, а также компоновку взаимосвязанных АСР
любых технологических процессов в разных режимах работы.
Комплекс «Каскад-2». В этом комплексе расширен набор
входных сигналов: предусмотрено использование сигналов 4-20 мА и
0-10 В, а также сигналов от термоэлектрических преобразователей
температуры и термопреобразователей сопротивления, а также
расширены функциональные возможности путем введения в состав
комплекса некоторых дополнительных устройств (интеграторов,
размножителей и др.).
Агрегатный
комплекс
электрических
средств
регулирования
(АКЭСР).
Комплекс
в
микроэлектронном
исполнении предназначен для построения практически любых АСР,
в том числе в составе централизованных систем с применением
управляющих вычислительных машин (УВМ).
АКЭСР включает три основные группы технических средств:
регулирующие устройства, функциональные устройства и выносные
задатчики с блоками управления. Две первые группы используются
для преобразования унифицированных сигналов от измерительных
преобразователей и выработки управляющих сигналов в аналоговой,
дискретной (импульсной) или позиционной форме для передачи их к
исполнительным
устройствам.
Третья
группа
устройств
предназначена для ручной установки заданий блокам и ручного
дистанционного управления. Аппаратура комплекса обладает
повышенной надежностью и помехозащищенностью, что достигается
введением блоков гальванического разделения электрических цепей
информационных и управляющих сигналов.
Агрегатный комплекс пневматических регулирующих
устройств «Старт». Комплекс построен на основе универсальной
системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). В
состав комплекса входят несколько типов автоматических
регуляторов, а также функциональные блоки и вторичные приборы
(показывающие, самопишущие, интегрирующие). С помощью
технических
средств
комплекса
могут
строиться
самые
разнообразные
системы
автоматического
регулирования
и
управления, в том числе самонастраивающиеся, многоканальные и
др. Устройства системы «Старт» рассчитаны на использование в
пожаро- и взрывоопасных условиях, в помещениях с агрессивными
средами и тяжелыми условиями эксплуатации.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.3. Микропроцессорные технические средства
Одним из перспективных направлений развития технических
средств автоматизации является использование микропроцессорных
больших
интегральных
схем
(МП
БИС)
или
просто
микропроцессоров (МП), применение которых дает возможность
изменять
алгоритм
обработки
данных
посредством
программирования. Наряду с этим важнейшим результатом
использования
в
технических
средствах
автоматизации
микроминиатюрных больших интегральных схем (БИС) является
возможность создавать электронные схемы и конструкции с высоким
быстродействием и повышенной надежностью, низкой стоимости и
энергоемкости.
На рис. 4.6 приведена структурная схема универсального
микропроцессора.
Рис. 4.6. Структурная схема универсального процесса
Ядром микропроцессора является арифметическо-логическое
устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения по командам от
устройства управления (УУ) нескольких простейших операций:
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сложение, вычитание, сдвиг, пересылка, логическое сложение (ИЛИ),
логическое умножение (И), сложение по модулю 2.
Устройство управления (УУ) руководит работой АЛУ и
внутренних регистров (BP), которые служат для ввода, хранения и
вывода двоичной информации, а также для сдвига двоичного числа.
По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной
команды.
Блок внутренних регистров (BP) служит внутренней памятью
микропроцессора, расширяет возможности АЛУ и используется для
временного хранения данных и команд, а также выполняет некоторые
процедуры
обработки
информации.
Отдельные
части
микропроцессора соединяются между собой с помощью внутренней
шины данных, являющейся группой линий передачи информации.
Внешние связи микропроцессора осуществляются с помощью
внешних шин: управления (ШУ), данных (ШД) и адреса (ША).
Процедура
обработки
данных,
выполняемая
программноуправляемым микропроцессором, определяется программой, т.е.
совокупностью команд, имеющих свой код операции и адрес.
Микропроцессоры могут встраиваться непосредственно в
приборы, датчики, преобразователи, автоматические регулирующие
устройства, машины, элементы технологического оборудования и др.
объекты, работой которых они управляют. При этом они могут
объединяться в единые централизованные системы под управлением
центрального (главного) МП, что обеспечивает их координированное
функционирование.
Микропроцессоры используются при автоматизации как
самостоятельные технические средства или их элементы, так и в
микроЭВМ, представляющих собой конструктивно законченные
вычислительные устройства, которые построены на основе МП БИС
в отдельном корпусе, и имеющих свои источники питания, пульты
управления, узлы ввода-вывода информации (сигналов), что
позволяет использовать их в качестве автономных, независимо
работающих устройств со своим программным обеспечением.
На практике также применяются функциональные блоки,
содержащие МП БИС и оформленные конструктивно в виде
отдельных плат. Такие блоки выполняют роль микроЭВМ,
встраиваемой в технические средства автоматизации, и называются
микроконтроллерами.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отечественной
промышленностью
освоено
серийное
производство регулирующих микропроцессорных контроллеров типа
реми-конт и ломиконт. На рис. 4.7 приведена структурная схема
рмиконта, предназначенного для автоматического регулирования
самых разнообразных технологических процессов в разных отраслях
промышленности. Он содержит процессор, постоянную и
оперативную память (ПЗУ и ОЗУ), устройства ввода-вывода
информации (УСО) и устройство связи с оператором. Эти элементы
объединены внутренней параллельной шиной и образуют
физическую структуру контроллера ремиконт.
Рис. 4.7. Структурная схема ремиконта
Ремиконт формирует заданный закон регулирования, выполняет
суммирование, дифференцирование, селектирование, переключение и
др. преобразования аналоговых сигналов, а также обрабатывает и
формирует дискретные сигналы управления. При этом реализуемые
им алгоритмы управления могут задаваться и изменяться оператором
непосредственно на месте эксплуатации. С помощью ремиконта
возможна организация программного, каскадного, многосвязанного и
других видов управления технологическими процессами.
Ремиконт является многоканальным устройством, заменяющим
несколько десятков аналоговых приборов и регуляторов. Для
настройки ремиконта используется специальная панель, клавиши и
индикаторы которой обозначены терминами, привычными для
специалистов.
Ремиконт
снабжен
также
средствами
информационного контроля за ходом автоматизируемого процесса и
диагностическими индикаторами вида «норма», «больше», «меньше»
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и т.п., которые помогают обнаруживать и ликвидировать возможные
отклонения и неисправности.
Одним
из
важнейших
элементов
использования
микропроцессорного контроллера при автоматизации технологических
процессов является программное обеспечение, которое основывается
на алгоритмах. Алгоритмы управления, в свою очередь,
разрабатываются на базе методов теории автоматического
регулирования и управления, методов оптимизации.
Программное обеспечение контроллера включает программу
диспетчера, рабочие программы, программу обслуживания пульта
оператора и диагностическую программу. Программа диспетчера
служит для координации процесса вычислений в режиме реального
времени, а также управляет выполнением других программ. Рабочие
программы выполнены в виде блоков, каждый из которых реализует
один из алгоритмов управления. Набор таких алгоритмических
блоков образует библиотеку рабочих программ. С помощью
программы обслуживания пульта оператора обеспечивается
выполнение приказов, поступающих от оператора. Диагностическая
программа контролирует правильность работы всех устройств и узлов
МПК.
Микропроцессорные технические средства получают все
большее распространение не только как АР, но и как элементы
других групп технических средств, и в первую очередь в
измерительных устройствах – измерительных преобразователях
(датчиках) и измерительных приборах, где они могут использоваться
для повышения точности измерений, проведения вычислительных
операций, введения корректирующих показателей и т.п.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 5. Автоматические системы регулирования
5.1. Структура автоматических систем регулирования,
их классификация и требования, предъявляемые к ним
Технологические процессы (ТП) пищевой промышленности
реализуются на соответствующих аппаратах, участках, машинах,
называемых объектами автоматизации. Они представляют собой
динамические системы, поведение которых во времени определяется
текущими значениями ряда характерных технологических величин –
температуры, расхода, уровня, различных качественных показателей.
Условием получения качественной продукции является поддержание
этих величин на определенных, так называемых номинальных,
заданных значениях.
В силу ряда внешних причин (изменение качества и расхода
сырья, параметров тепло- и хладагентов и др.) или явлений,
протекающих в самом аппарате (изменение условий передачи
теплоты через поверхности и др.), указанные величины могут
отклоняться от заданных значений, что приводит к нарушению
процесса. Все эти воздействия, нарушающие ход ТП, называются
возмущениями. Следовательно, процессом нужно управлять.
Управление – это целенаправленное воздействие на объект,
которое обеспечивает оптимальный или заданный режим его работы.
При оптимальном управлении значение регулируемой величины или
программа ее изменения заранее не заданы, а определяются в
результате решения соответствующей задачи оптимизации. При этом
эффективность работы объекта и системы оптимального управления
количественно оценивается величиной критерия (показателя)
оптимальности, который может иметь технологическую или
экономическую
природу
(производительность
установки,
себестоимость продукции и т.п.).
Частным случаем управления является регулирование –
поддержание выходных величин объекта вблизи заданных
постоянных или переменных значений в целях обеспечения
нормального режима его работы посредством подачи на объект
управляющих воздействий. Поддержание выходных величин объекта
вблизи требуемых значений осуществляется автоматическим
регулятором, который является частью динамической системы,
называемой автоматической системой регулирования.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.1. Система регулирования температуры
в теплообменнике (а) и ее структурная схема (б)
Основным элементом АСР (рис. 5.1) является объект
регулирования (ОР) – технологический аппарат, машина, в которых
поддерживается требуемое значение регулируемой величины у,
называемой также выходной величиной объекта. В нашем примере
ОР – теплообменник, регулируемая величина – температура
продукта, выходящего из теплообменника. Температура может
отклоняться от заданной под действием возмущений z, например
изменения давления греющего пара, изменения начальной
температуры и расхода продукта, подаваемого в теплообменник.
Для оценки хода процесса в объекте необходимо иметь
измерительное устройство ИУ, вырабатывающее сигнал о текущем
значении регулируемой величины в данный момент. Этот сигнал
поступает на автоматический регулятор АР, сравнивающий текущее
значение регулируемой величины с заданным yзд, которое
вырабатывается задающим устройством ЗУ. При наличии разности
между этими величинами (у–узд) регулятор АР формирует сигнал
управления хр, который зависит от знака и значение отклонения
регулируемой величины от задания.
Сигнал управления хр преобразуется исполнительным
механизмом ИМ в перемещение регулирующего органа РО,
непосредственно изменяющего значение регулирующей (входной)
величины х объекта. Таким образом осуществляется регулирующее
воздействие: в нашем случае изменяется подача греющего пара в
теплообменник с целью ликвидировать возникшее отклонение
температуры от заданного значения.
Необходимо отметить условность понятий «входная» и
«выходная» величина и их отличие от входных и выходных потоков в
процессе. В нашем примере подача пара и температура продукта не
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
являются входом и выходом теплообменника в технологическом
смысле (расход продукта на входе и выходе теплообменника).
При автоматизации технологических процессов используются
различные АСР, которые могут быть классифицированы по
нескольким признакам. По принципу регулирования АСР делят на
действующие по отклонению, возмущению и комбинированные.
Наибольшее
распространение
получили
АСР,
называемые
одноконтурными и работающие по отклонению регулируемой
величины у от заданного значения узд (рис. 5.2, а). В них при
появлении отклонения (у–узд) регулятор вырабатывает регулирующее
воздействие на объект с целью привести регулируемую величину к
заданному значению. В таких АСР регулирующее воздействие
осуществляется независимо от числа, вида и места появления
возмущений. АСР по отклонению являются замкнутыми, регулятор в
них включен по принципу отрицательной обратной связи, т.е. сигнал,
преобразуясь, передается с выхода объекта регулирования на его
вход. Примем узд = 0, тогда регулируемую величину у (t) будем
рассматривать как отклонение от заданного значения.
При регулировании по возмущению (рис. 5.2, б) регулятор АРв
получает информацию о текущем значении основного возмущающего
воздействия z1. При изменении его и несовпадении с номинальным
значением z1 зд регулятор формирует регулирующее воздействие хрв
направляемое на объект. В таких АСР возмущающее воздействие
может быть компенсировано еще до появления отклонения на выходе
объекта. Обычно такие АСР строят по основному возмущению,
например по нагрузке объекта. Нагрузкой является количество
энергии или вещества, расходуемого при технологическом процессе в
объекте. В контур регулирования такой АСР не поступают сигналы о
текущем значении регулируемой величины у, поэтому АСР не
реагирует на ее изменения в результате действия других возмущений.
АСР по возмущению являются разомкнутыми.
В комбинированных АСР (рис. 5.2, в) совместно используются
принципы регулирования по отклонению и по возмущению. В
результате удается получить более высокое качество регулирования.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.2. Структурные схемы АСР по отклонению (а),
по возмущению (б) и комбинированные (в)
По характеру изменения заданного значения регулируемой
величины АСР подразделяются на системы автоматической
стабилизации, в которых заданное значение устанавливается
постоянным; системы программного управления, в которых заданное
значение регулируемой величины изменяется во времени по
некоторому заранее заданному закону-программе; следящие системы,
в которых заданное значение является функцией внешней
независимой технологической величины. Разновидностью следящих
систем являются системы регулирования соотношения двух величин,
например расходов двух продуктов.
Рис. 5.3. Переходные процессы в АСР: а – апериодический;
б – колебательный затухающий; в – колебательный с постоянной
амплитудой; г – колебательный расходящийся
При действии на вход объекта возмущения на его выходе
появляется отклонение регулируемой величины и, следовательно,
начинает работать автоматический регулятор. В результате в
замкнутой системе протекает процесс регулирования выходной
величины, или переходный процесс (рис. 5.3). Он может быть
неколебательным (апериодическим), колебательным затухающим,
колебательным незатухающим с постоянной амплитудой колебаний и
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
колебательным расходящимся с увеличивающейся амплитудой.
Очевидно, что АСР, в которых проходит колебательный процесс с
увеличивающейся амплитудой, неработоспособны, так как с
течением времени отклонение регулируемой величины от заданного
значения не уменьшается, а, наоборот, возрастает. Такие АСР
называются неустойчивыми.
Если в системе возможен переходный колебательный процесс с
постоянной амплитудой колебаний, то такая АСР находится на
границе устойчивости. Практически она тоже неработоспособна, так
как любые незначительные изменения параметров объекта или
регулятора могут стать причиной превращения ее в неустойчивую
АСР. Это справедливо для АСР непрерывного действия. В системе с
двухпозиционной АСР (см. п. 5.3) регулируемая величина совершает
незатухающие колебания (автоколебания).
Устойчивыми являются АСР, в которых протекают только
апериодические или колебательные затухающие переходные про-,
цессы. Устойчивость АСР зависит от сочетания динамических
характеристик объекта и регулятора. К АСР предъявляются также
определенные требования по качеству регулирования, которое
принято оценивать по показателям переходного процесса при
скачкообразном входном воздействии.
Основными показателями, характеризующими апериодический
переходный процесс в замкнутой АСР (рис. 5.4, а), являются
следующие: максимальное динамическое отклонение регулируемой
величины у\\ остаточное отклонение регулируемой величины после
окончания переходного процесса t/QCT; время процесса
регулирования fp, по окончании которого отклонение регулируемой
величины от установившегося значения будет меньше заданного
определяемого требованиями к качеству регулирования.
а
Рис. 5.4. Показатели качества переходного процесса:
а – периодического; б – колебательного затухающего
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Колебательный затухающий переходный процесс (рис. 5.4, б),
кроме того характеризуется степенью затухания:
φ = (y1 – у2)/у1
(5.1)
Для устойчивых АСР 0< φ ≤ 1, причем, чем ближе φ к единице,
тем больше запас устойчивости системы, тем ближе переходный
процесс к апериодическому.
5.2. Объекты регулирования, их свойства,
математические модели
Объекты регулирования в пищевой промышленности весьма
разнообразны. Ими могут быть как отдельные аппараты, в которых
выполняется какая-либо технологическая операция (теплообменник,
на выходе из которого продукт должен иметь постоянную
температуру; напорный бак, в котором необходимо поддерживать
постоянный уровень жидкости; реактор, в котором должен быть
получен продукт заданного состава, и т.д.), так и отдельная часть
сложного технологического аппарата. Например, при автоматизации
наклонного диффузионного аппарата свеклосахарного производства
регулирование температуры осуществляют в нескольких секциях, к
каждой из которых подводится греющий пар.
Один и тот же аппарат с происходящим в нем процессом может
быть объектом нескольких АСР. Например, выпарной аппарат
одновременно является объектом АСР уровня продукта, давления в
аппарате и концентрации выходящего продукта.
Объекты регулирования различаются по физико-химической
природе протекающих в них процессов, принципу действия,
конструкции и размерам технологического оборудования, режиму
работы и другим факторам. Однако многие объекты как элементы
АСР обладают одинаковыми или близкими свойствами, что
позволяет рассматривать их по типам. Изучение свойств типовых
объектов значительно упрощает анализ конкретных промышленных
объектов регулирования, который сводится в основном к
определению типа исследуемого объекта.
Одним из наиболее распространенных методов исследования
объектов (и других элементов АСР) является метод математического
моделирования. Метод заключается в том, что объект рассматривается
формально как элемент, преобразующий поступающие на его вход
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сигналы в выходные. Математическая зависимость, связывающая
выходные сигналы объекта с входными, называется математической
моделью (ММ), или характеристикой ОР.
При математическом моделировании полностью абстрагируются
от физической природы процесса, происходящего в объекте. Поэтому
одинаковые уравнения могут описывать поведение теплообменника,
напорного бака или хлебопекарной, печи, если они обладают
одинаковыми характеристиками как объекты регулирования.
Работа большинства объектов состоит в преобразовании по
определенному закону материальных или энергетических потоков.
При этом возможны два принципиально различных режима работы:
статический и динамический. В статическом (установившемся)
режиме приток вещества и энергии в объект равен стоку, так что
объект находится в состоянии равновесия. Уравнение материального
баланса для статического режима имеет следующий вид:
Qпр(t) = Qст(t),
(5.2)
где Qпр(t) и Qст(t) – соответственно приток и сток жидкости в объект
регулирования.
Признаком статического режима работы является сохранение
у (t) = const
(5.3)
У многих промышленных объектов в статическом режиме
каждому значению сигнала на входе соответствует определенное
значение выходного сигнала:
у = f (x)
(5.4)
Такие объекты называются статическими, а зависимость (5.4) –
их статической характеристикой. Простейшим примером
статического ОР может служить напорный бак (рис. 5.5, а). Жидкость
поступает в него по трубе 1 через клапан 2 и свободно вытекает по
сливной трубе 3. Входным сигналом для этого объекта является
изменение расхода Qnp жидкости через клапан 2, а выходным —
изменение уровня Н.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.5. Статический объект регулирования:
а – напорный бак как объект регулирования уровня;
б – статическая характеристика объекта регулирования
Если приток и сток равны, то количество находящейся в баке
жидкости остается постоянным и ее уровень не изменяется. Это
статический режим работы объекта, который описывается
уравнением материального баланса (5.2).
Расход жидкости при свободном истечении зависит от уровня и
с достаточной точностью описывается уравнением
Qст = kис√Н
(5.5)
где kис – коэффициент пропорциональности, который зависит от
размеров и формы отверстия истечения.
Подставим значение QCT в уравнение (5.2) и после
необходимых преобразований получим уравнение статической
характеристики бака в виде
Н = kобQ2пр
(5.6)
где kоб = (1/ kис)2 – коэффициент пропорциональности объекта.
Уравнение (5.6) является математической моделью статического
режима напорного бака. Это – нелинейное уравнение, и график
статической характеристики такого объекта (рис. 5.5, б) также
нелинеен.
Если в состав АСР входит хотя бы один нелинейный элемент, то
такая АСР называется нелинейной. Анализ подобных систем
чрезвычайно трудоемок, поэтому всегда, когда это возможно,
стремятся заменить нелинейную ММ линейной, но более грубой. Эта
операция называется линеаризацией. Наиболее простым является
графический метод линеаризации, который применяется в тех
случаях, когда статическая характеристика имеет вид плавной
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кривой. Линеаризация заключается в замене нелинейного участка
CAD характеристики объекта прямой C′AD′ касательной к
статической характеристике в точке А заданного режима работы в
диапазоне Н0 ± ∆Н.
Линеаризованное уравнение статической характеристики бака
имеет вид
∆H=k∆Qпр
(5.7)
где k – коэффициент усиления для линеаризованного объекта
(тангенс угла наклона α).
Наряду со статическими существуют объекты регулирования, у
которых при работе в статическом режиме отсутствует однозначная
зависимость между входным и выходным сигналами. Такие объекты
называются астатическими. Примером простейшего астатического
объекта может служить бак, из которого жидкость откачивается
насосом с постоянной подачей (рис. 5.6). У такого объекта состояние
равновесия возможно только в том случае, когда приток жидкости в
баке равен подаче насоса. Это состояние равновесия может наступить
при любом значении выходного сигнала (уровня), следовательно,
однозначной зависимости между Н и Qпp не существует.
Рис. 5.6. Астатический объект регулирования
Статический режим работы, который рассматривался выше,
нехарактерен для промышленных объектов регулирования. Гораздо
чаще приходится иметь дело с динамическим режимом, который
возникает всякий раз при нарушении равновесия между притоком и
стоком вещества или энергии в объекте. В реальных условиях
эксплуатации, когда на объект все время воздействуют различные
возмущения, динамический режим является характерным. Поэтому
изучение динамических свойств объекта, т.е. определение его
динамической характеристики, составляет главную задачу при
анализе АСР.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Существуют
два
метода
определения
характеристик
промышленных объектов.
Аналитический метод. При этом методе на основании главных
физико-химических закономерностей, определяющих ход процесса в
данном объекте, составляется уравнение математической модели
объекта. Этот метод удобен тем, что в полученные уравнения входят
основные параметры процесса и оборудования. Поэтому наглядно
видны связь этих параметров с характеристикой объекта и пути
улучшения последней при необходимости. Математическую модель,
полученную аналитическим методом, можно распространить на
объекты с аналогичными процессами и конструкцией оборудования
(с учетом их индивидуальных особенностей).
Недостатки аналитического метода – его сложность и
трудоемкость. Однако в последнее время интерес к этому методу
увеличивается в связи со все более широким распространением
вычислительных машин, использование которых позволяет резко
повысить производительность труда при выполнении расчетов.
Экспериментально-аналитический метод. В том случае, когда
статическая и динамическая характеристики объекта определяются
путем аналитической обработки результатов экспсриментов,
поставленных на исследуемом объекте по определенной методике,
используют экспериментально-аналитический метод. Полученные
при этом результаты достаточно точны для большинства
практических случаев, поэтому этот метод широко используется в
практике. Его недостаток состоит в том, что математическая модель,
полученная экспериментально, полностью справедлива только для
данного объекта.
При аналитическом определении динамической характеристики
объекта составляют уравнения материального или энергетического
баланса для динамического (неустановившегося) режима работы
объекта. Применение аналитического метода рассмотрим на примере
вывода уравнения динамического режима напорного бака
(см. рис. 5.5, а). Состояние равновесия бака (статический режим ОР)
описывается уравнением материального баланса
Qпр(t) – Qст(t) = 0
74
(5.8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При нарушении равновесия изменяется количество жидкости в
баке и, следовательно, изменяется уровень ее. За малый промежуток
времени изменение количества жидкости в баке
[Qпр(t) – Qст(t)]∆t = F∆Н,
(5.9)
где F – площадь поперечного сечения бака, м2.
Соответствующее изменение уровня
∆Н(t) = [Qпр(t) – Qст(t)]∆t/F
(5.10)
Сток жидкости из бака описывается уравнением (5.5), которое
при небольших приращениях можно заменить линейным уравнением
∆Qст(t) = а∆Н(t),
(5.11)
где а – постоянный коэффициент.
Подставив уравнение (5.11) в уравнение (5.10), произведем
необходимые преобразования и перейдем к пределу при ∆t→0.
В результате получим дифференциальное уравнение напорного бака в
виде
Fd∆H(t)/dt + а∆H(t) = ∆Qпр(t)
(5.12)
Разделим все члены уравнения (5.12) на а и введем обозначения:
F/a =T – постоянная времени объекта, мин; 1/а = k – коэффициент
усиления объекта; ∆H = у – регулируемая (выходная) величина
объекта; ∆Qпр = х – регулирующее воздействие (входная величина).
Дифференциальное уравнение (5.12) примет вид
Tdy(t)/dt + y(t) = kx(t)
(5.13)
Дифференциальное уравнение (5.13) является математической
моделью динамического режима напорного бака. Из приведенного
примера видно, что коэффициенты дифференциального уравнения
объекта зависят от его конструктивных характеристик и,
следовательно, могут быть изменены при необходимости изменения
свойств объекта.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экспериментальное определение характеристик промышленных
объектов производится чаще всего активными методами. В
большинстве случаев на объект, находящийся в состоянии
равновесия [y(t) = const], наносится возмущение путем скачкообразного изменения входной величины. Реакция объекта на такое
воздействие называется кривой разгона. Чаще всего кривую разгона
получают по каналу передачи регулирующего воздействия.
С момента нанесения возмущения регулируемая величина
регистрируется во времени до стабилизации ее на новом значении
для статического или до установления постоянной скорости ее
изменения для астатического объекта. Большая часть промышленных
объектов регулирования имеет кривые разгона, изображенные на рис.
5.7, а. Объекты с такими кривыми разгона являются статическими.
Значение коэффициента усиления объекта k по каналу
регулирующего воздействия может быть найдено для линейного
(или линеаризованного) объекта по следующему уравнению:
kx = y(∞)/x,
(5.14)
где у(∞) – максимальное установившееся отклонение регулируемой
величины от первоначального значения;
х – величина скачкообразного изменения регулирующего
воздействия.
Чем больше коэффициент усиления, тем более чувствителен
объект к внешним воздействиям. Чтобы судить о поведении
статического объекта в переходном режиме, необходимо найти
решение его дифференциального уравнения для заданного вида
входного воздействия с учетом начальных условий. Обычно
принимают нулевые начальные условия, считая, что до момента
нанесения возмущения отклонение регулируемой величины было
равно нулю. Входное скачкообразное воздействие описывается
уравнением
х(t) = х∙1(t),
где х – амплитуда скачкообразного воздействия;
1 (t) – функция, которая равна нулю при t<t0 н единице при t≥t0.
В этом случае решение дифференциального уравнения (5.13)
представляет собой уравнение кривой разгона и имеет вид
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y(t) = kxx[1 – exp (–t/T)]
(5.15)
На рис. 5.7, а показаны кривые разгона статических объектов:
1 - первого порядка, или одноемкостного, динамика которого
описывается дифференциальным уравнением первого порядка;
2 - многоемкостного, динамика которого описывается
дифференциальным уравнением более высокого порядка.
По кривым разгона видно, что при действии возмущения на
статический объект в нем по окончании переходного процесса вновь
наступает состояние равновесия (при новом значении выходной
величины). Свойство объекта восстанавливать равновесие между
притоком
и
стоком
вещества
и
энергии
называется
самовыравниванием. Поэтому статические объекты называются также
объектами с самовыравниванием.
Объекты регулирования могут быть также астатическими
(нейтральными)
и
неустойчивыми.
Оба
вида
свойством
самовыравнивания не обладают (рис. 5.7, б, кривые 2, 3).
Все объекты регулирования характеризуются емкостью –
способностью накапливать вещество или энергию. Чем больше
емкость, тем медленнее при данном возмущении изменяется
регулируемая величина, т.е. тем больше инерционность объекта.
Скорость изменения регулируемой величины в переходном
процессе может оцениваться постоянной времени объекта Т. Она
имеет размерность времени и численно равна отрезку АС или А′С′
(см. рис. 5.7, а). Чем больше постоянная времени объекта, тем он
более инерционен и тем, следовательно, труднее его регулировать.
Поэтому при конструировании технологического оборудования и
выборе режима его работы следует стремиться к снижению
постоянной времени путем уменьшения емкости и увеличения
нагрузки объекта. В случае напорного бака это может быть
достигнуто уменьшением его сечения и (или) повышением величины
стока [см. уравнение (5.12)].
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.7. Кривые разгона объектов регулирования:
a – статических; б – с транспортным запаздыванием;
в – астатического с транспортным и емкостным запаздыванием
Обычно промышленные статические объекты регулирования
являются многоемкостными, а кривые разгона их имеют начальный
участок
медленного
изменения
регулируемой
величины
(см. рис. 5.7, а, кривая 2). Приближенно кривую разгона
многоемкостного объекта можно рассматривать как кривую разгона
одноемкостного объекта с соответствующими коэффициентом
усиления и постоянной времени, сдвинутую по времени на величину
τе (см. рис. 57, а), называемую емкостным запаздыванием. Такая
аппроксимация эквивалента замене многоемкостного объекта
одноемкостным с запаздыванием.
Для многих объектов, в которых имеются участки, требующие
определенного времени для распространения по ним изменения
входного сигнала, характерно транспортное запаздывание τт
(см. рис. 5.7, б). Источниками транспортного запаздывания являются
транспортеры, трубопроводы, нории. Транспортное и емкостное
запаздывания
составляют
полное
запаздывание
объекта
регулирования
τ = τт + τе
(5.16)
Таким образом, динамический режим типового статического
объекта регулирования с запаздыванием по каналу регулирующего
воздействия описывается дифференциальным уравнением вида
Tdy(t)/dt + y(t) = kxx(t – τ)
78
(5.17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В астатическом объекте регулирования скорость изменения
выходной величины пропорциональна отклонению входной
величины. Следовательно, выходная величина пропорциональна
интегралу от входного воздействия:
t
y(t) = (1/θ) ∫ x(t)dt
(5.18)
0
где θ – постоянная времени астатического объекта.
Кривая разгона астатического объекта при наличии
транспортного запаздывания и промежуточных емкостей изображена
на рис. 5.7, в. Угол наклона а зависит от свойств астатического
объекта и величины возмущения:
tgα=x/θ
(5.19)
Динамический режим типового астатического объекта
регулирования может быть описан дифференциальным уравнением
вида
θdy(t)/dt = x(t – τ)
(5.20)
5.3. Автоматические регуляторы и их характеристики
Наиболее важной характеристикой автоматических регуляторов
(АР) является закон регулирования – уравнение, связывающее
перемещение регулирующего органа (РО) с отклонением регулируемой
величины. Как и любой другой элемент АСР, автоматический
регулятор может иметь линейную и нелинейную характеристики. В
данной книге в основном рассматриваются линейные АР, из
нелинейных АР приводятся сведения только о позиционных.
Позиционными называются АР, у которых регулирующее
воздействие принимает только ограниченное число определенных
значений. Регулирующий орган в такой АСР может занимать
соответствующее число определенных положений (позиций), причем
его перемещение из одного положения в другое происходит
практически мгновенно. Позиционные АР делятся на несколько
разновидностей в зависимости от числа возможных положений РО.
Рассмотрим основные их свойства на примере наиболее простых и
распространенных двухпозиционных АР.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как
показывает
название,
регулирующий
орган
двухпозиционного регулятора может занимать только два положения
(рис. 5.8, а). Если отклонение регулируемой величины превышает
значение уmax, соответствующее верхней настройке АР, то РО
переключается в положение, при котором регулирующее воздействие
на объект минимально (xmin). Автоматический регулятор
настраивается так, чтобы при переключении РО регулирующее
воздействие заведомо превышало действие возмущения. В результате
отклонение регулируемой величины начинает уменьшаться, однако
РО остается в том же положении, пока отклонение регулируемой
величины не достигнет нижнего значения настройки АР (ymin). В этот
момент РО переключается в положение, при котором регулирующее
воздействие на объект увеличивается до максимального (хmax). В
результате преобладающего действия возмущения отклонение
регулируемой величины вновь начнет возрастать. Таким образом, в
АСР с двухпозиционным АР регулируемая величина совершает
незатухающие колебания, так называемые автоколебания. Качество
такого переходного процесса оценивается периодом автоколебаний
Та, так и их амплитудой уа. На рис. 5.8, б изображен переходный
процесс в АСР, состоящей из двухпозиционного АР и статического
объекта с запаздыванием. Амплитуда уа и период колебаний Та такого
процесса увеличиваются с ростом инерционности и запаздывания
объекта и при повышении диапазона настройки регулятора уmax – ymin.
По виду закона регулирования АР непрерывного действия
делятся на интегральные (И-регуляторы), пропорциональные
(П-регуляторы), пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы)
и
пропорционально-интегрально-дифференциальные
(ПИД-регуляторы).
Рис. 5.8. Двухпозицнонная АСР:
а – статистическая характеристика двухпозиционного АР;
б – переходный процесс и изменение регулирующего воздействия
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Интегральные регуляторы. Интегральным (И-регулятором)
называется такой регулятор, у которого скорость перемещения
регулирующего органа пропорциональна отклонению регулируемого
параметра от заданного значения:
dxp(t)/dt = –S0y(t),
(5.21)
где S0 – коэффициент пропорциональности – параметр настройки Ирегулятора.
Знак «минус» в уравнении закона регулирования означает, что
регулирующее воздействие всегда направлено на уменьшение
отклонения регулируемой величины. Проинтегрировав уравнение
(5.21), получим
tp
xp(t) = -S0 ∫ y(t)dt +x0
(5.22)
0
где х0 – регулирующее воздействие при исходном положении РО.
Следовательно, перемещение РО здесь пропорционально
интегралу отклонения регулируемой величины. Отсюда и его
название «интегральный», или сокращенно И-регулятор.
Рассмотрим интегральный регулятор давления прямого
действия (рис. 5.9), не использующий внешней энергии для
перемещения РО. Давление среды, являющееся регулируемой
величиной, передается по трубке 1 и воздействует на мембрану 6.
Давление среды создает на активной поверхности мембраны
некоторое усилие, которое передается штоком 5 золотнику клапана 4.
Одновременно на шток действует усилие, создаваемое противовесом
3 на большом плече рычага 2. Если эти усилия, направленные в
противоположные стороны, взаимно уравновешиваются, то золотник
остается неподвижным. Давление регулируемой среды, при котором
усилие мембраны уравновешивается усилием груза, задано.
Установка
заданного
значения
регулируемого
давления
осуществляется перемещением груза 3 по рычагу 2.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.9. Интегральный регулятор давления прямого действия
Если давление среды изменилось (например, увеличилось по
сравнению с заданным значением), то нарушается равновесие сил,
действующих на шток. Он перемещается вниз, и золотник
прикрывает отверстие клапана, уменьшая давление в линии после
регулятора. Скорость перемещения золотника пропорциональна
действующему на шток усилию, т.е. пропорциональна отклонению
регулируемой величины (давлению). Золотник перемещается в одну
сторону до тех пор, пока регулируемое давление вновь станет равно
заданному значению, и усилия, действующие на шток, уравновесятся.
Это состояние равновесия может наступить при любом положении
золотника.
Таким образом, у И-регулятора нет жесткой зависимости между
отклонением регулируемой величины и положением РО. В момент
прекращения работы АР регулирующий орган может занимать любое
положение в пределах возможного диапазона перемещений.
Основное достоинство интегральных регуляторов – отсутствие
остаточного отклонения регулируемой величины по окончании
процесса регулирования. Это объясняется тем, что регулирующее
воздействие И-регулятора на объект прекращается в тот момент,
когда отклонение регулируемой величины от заданного значения
становится равным нулю. Недостатком И-регуляторов является
относительно низкая скорость, которая характеризуется значением
параметра настройки регулятора S0. Чем больше это значение, тем
выше скорость регулирования.
Пропорциональные
регуляторы.
Пропорциональным
(П-регулятором) называется такой регулятор, у которого
перемещение РО пропорционально отклонению регулируемой
величины от заданного значения:
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хp(t) = -S1y(t),
(5.23)
где S1 – параметр настройки П-регулятора.
Как и интегральные, П-регуляторы бывают прямого и
непрямого действия. В П-регуляторе уровня прямого действия
(рис. 5.10) измерительным элементом служит поплавок 3,
преобразующий изменения уровня в линейные перемещения, которые
вызывают поворот рычага ABC 2 относительно точки В. Ко второму
концу рычага прикреплен шток 1 регулирующего органа,
изменяющего регулирующее воздействие (приток жидкости в бак).
Рис. 5.10. Пропорциональный регулятор уровня прямого действия
Если приток равен стоку, а уровень в баке – заданному
значению, то поплавок неподвижен и регулятор не воздействует на
процесс, так как xp(t) = 0 (заданное значение уровня устанавливается
длиной тяги CD). При изменении, например увеличении, стока
равновесие системы нарушается и уровень начинает уменьшаться.
Отклонение уровня, воспринимаемое поплавком, передается
регулирующему органу, который воздействует на приток в сторону
уравнивания его со стоком (увеличения).
Коэффициент пропорциональности S1 между отклонением
уровня и изменением притока можно менять, изменяя соотношение
плеч рычага ABC. В такой АСР каждому значению регулируемой
величины
соответствует
определенное
положение
объекта
регулирования. Это свойство статических регуляторов является
причиной возникновения остаточного отклонения регулируемой
величины при изменении нагрузки объекта. Действительно, для
восстановления состояния равновесия объекта при новом значении
нагрузки приток (т.е. регулирующее воздействие) должен изменяться
по отношению к его исходному значению при номинальной нагрузке.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Однако это возможно только при новом положении поплавка, а
значит, при другом значении регулируемой величины, которое уже не
будет равно заданному. Остаточное отклонение регулируемой
величины тем больше, чем меньше величина S1.
Знак регулирующего воздействия изменяется одновременно с
переменой направления изменения регулируемой величины
независимо от знака ее отклонения. В рассматриваемом примере
направление перемещения регулирующего органа определяется
только направлением перемещения поплавка, которое совпадает с
направлением изменения уровня.
Основным преимуществом П-регулятора по сравнению с
И-регулятором является более высокая скорость регулирования,
которая пропорциональна скорости изменения регулируемой
величины. Благодаря этому П-регулятор быстрее приводит объект к
новому состоянию равновесия. Главный недостаток П-регулятора –
наличие остаточного отклонения регулируемой величины.
Пропорционально-интегральные регуляторы. Пропорциональноинтегральным (ПИ-регулятором) называется регулятор, у которого
перемещение РО пропорционально отклонению регулируемой
величины и интегралу отклонения:
tp
xp(t) = –[S1y(t) + S0 ∫ y(t)dt]
(5.24)
0
где S1 и S0 – параметры настройки ПИ-регулятора.
Из выражения (5.24) следует, что ПИ-регулятор можно
рассматривать как параллельное соединение П- и И-регуляторов.
Поэтому в его свойствах сочетаются свойства обоих этих
регуляторов: регулирование производится без остаточного
отклонения, но с большей скоростью, чем в И-регуляторе.
Пропорционально – интегрально - дифференциальные
регуляторы.
Пропорционально-интегрально-дифференциальным
(ПИД-регулятором) называется регулятор, у которого перемещение
РО пропорционально отклонению регулируемой величины от
задания, интегралу этого отклонения и скорости его изменения:
tp
xp(t) = –[S1y(t) + S0 ∫ y(t)dt + S2dy(t)/dt]
(5.25)
0
где S1, S0, S2 – параметры настройки ПИД-регулятора.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как видно из уравнения (5.25), регулирующее воздействие в
ПИД-регуляторе состоит из пропорциональной, интегральной и
дифференциальной составляющих. Последняя из них тем больше,
чем больше скорость изменения отклонения регулируемой величины,
т. е. регулирующее воздействие вырабатывается как бы заранее, не
дожидаясь наступления значительного отклонения регулируемой
величины. Введение дифференциальной составляющей в закон
регулирования позволяет улучшить качество переходного процесса в
АСР.
На рис. 5.11 показаны переходные процессы, полученные при
регулировании одного и того же объекта регулирования различными
АР (величина возмущения одинакова). Для наглядности сравнения
рассматриваются только апериодические процессы.
Рис. 5.11. Переходные процессы в АСР
при использовании различных законов регулирования
Из графиков видно, что при действии ПИД-регулятора
переходный процесс характеризуется наименьшим динамическим
отклонением и временем регулирования при отсутствии остаточного
отклонения регулируемой величины.
Однако настройка ПИД-регулятора, связанная с определением
трех параметров, сложна, при неправильной настройке качество
регулирования может оказаться хуже, чем при использовании более
простых регуляторов.
5.4. Разработка автоматических систем регулирования
Разработка АСР включает решение ряда вопросов: определение
динамических характеристик ОР; формирование требований к
качеству регулирования; формирование структуры АСР; выбор типа
регулятора и расчет параметров его настройки; анализ соответствия
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полученного переходного процесса требованиям к качеству
регулирования.
Промышленные объекты регулирования, как правило,
характеризуются несколькими входными и выходными величинами.
Анализ технологического процесса и его аппаратурной реализации
дает возможность установить следующее: взаимосвязь входных и
выходных величин; технологические параметры, подлежащие
регулированию, и требования к качеству регулирования; источники
возмущающих воздействий и их количественные оценки; входные
величины, которые могут быть использованы для регулирования.
Анализ статических и динамических характеристик объекта
позволяет определить структуру АСР, т. е. выявить наиболее
эффективные регулирующие воздействия, при необходимости
сформулировать предложения по организации дополнительных точек
получения информации о ходе процесса и дополнительных
регулирующих воздействий.
Требования к качеству регулирования задаются исходя прежде
всего из технологических требований к конкретному процессу.
Например, при регулировании уровня жидкости в буферной емкости
накладывается ограничение только на величину максимального
динамического отклонения у1, так как единственным требованием в
данном случае является поддержание уровня в заданных пределах.
Однако для большинства объектов этого ограничения недостаточно.
Так, при регулировании состава выходящего из объекта продукта
важны не только величина у1, но и время регулирования tр и величина
остаточного отклонения yост. Это вызвано тем, что отклонение
состава от заданного означает потерю продукта, которая
характеризуется величиной интеграла от модуля отклонения
регулируемой величины
tp
∫│y(t)│dt
0
Таким образом, потеря продукта зависит не только от у1, но и от
tp и yост.
Накопленный опыт по автоматизации промышленных объектов
позволяет дать некоторые общие рекомендации по формированию
требований к качеству регулирования. Установлено, что для
большинства АСР наилучшим является переходный процесс со
степенью затухания φ = 0,7–0,8. В этом случае достигается заметное
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уменьшение максимального динамического отклонения по
сравнению с апериодическим переходным процессом (φ = 1) при
незначительном увеличении tp. Поэтому в дальнейшем под
оптимальными будем подразумевать такие значения параметров
настройки регулятора, которые обеспечивают в замкнутой АСР
переходный процесс со степенью затухания φ = 0,75 и минимальным
временем tp. Повышение требований к точности поддержания
регулируемых величин не всегда оправдано, так как связано с
применением высокоточных приборов, сложных схем автоматизации,
с дорогостоящей их эксплуатацией, т.е. с ростом затрат.
Разработка АСР с использованием приближенного метода
определения оптимальных настроек регулятора. Динамические
характеристики объекта регулирования также могут быть определены
приближенно
путем
графоаналитической
обработки
экспериментально снятой кривой разгона (см. п. 5.2). В результате
получают
параметры
аппроксимированной
динамической
характеристики объекта: Т, τ, k.
Приступая к выбору типа АР, проектировщик должен иметь
следующие исходные данные: динамические параметры объекта
регулирования Т, τ, k; требования к качеству регулирования у1, yост и
tр; максимальное возмущение в процессе эксплуатации объекта. В
каждом конкретном случае следует применять регулятор возможно
более простой и переходить к более сложным лишь в тех случаях,
когда простые по тем или иным причинам не могут обеспечить
требуемого качества регулирования. Поэтому прежде всего следует
оценить возможность применения двухпознционного регулятора. Как
показано выше (см. п. 5.3), для АСР с позиционным регуляктором
характерны незатухающие колебания регулируемой величины
относительно заданного значения.
Способ оценки параметров качества регулирования на
примере двухпозиционной АСР температуры. Пусть при
полностью открытом регулирующем органе температура в объекте
равна 95 °С, а при полностью закрытом 25 °С, диапазон между этими
значениями у0 = 70°С. Естественно, при наличии двухпозиционного
регулятора температура никогда не достигает этих границ, а
колеблется в узких пределах с амплитудой уа и периодом Та (см. рис.
5.8, б), определяемыми зоной нечувствительности yd = уmax – ymin
регулятора и параметрами ОР. Зависимости между этими
параметрами показаны на рис. 5.12. На левой и правой осях ординат
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отложены соответственно уа/у0 и Т/Та, на оси абсцисс – отношения
τ/Т.
Кривые
построены
для
разных
значений
зоны
нечувствительности регулятора уd.
Рис. 5.12. Зависимость между показателями качества
двухпозиционной АСР и параметрами ОР
Для пользования приведенными графиками рассмотрим объект,
у которого τ = 0,5 мин, Т = 50 мин, τ/Т = 0,01. Если диапазон у0=70 °С,
а зона нечувствительности регулятора yd = 3,5 °С, то уd/y0 = 0,05. Как
следует из графиков, соответствующее значение ya/y0 = 0,06 и,
следовательно, амплитуда автоколебаний ya = 70∙0,06 = 4,2 °С. Из
этого же графика следует, что Т/Та = 4 и Та = 50/4 = 12,5 мин.
Рассмотрим влияние запаздывания на параметры автоколебаний.
Пусть запаздывание объекта τ = 5 мин, у0 = 70 °С, уd = 3,5°C, τ/Т = 0,1,
уd/y0 = 0,05. По графику определим, что уd/y0 = 0,15 и Т/Та = 2.
Амплитуда автоколебаний уа = 10,5°С, период Та = 25 мин. Таким
образом, увеличение времени запаздывания может привести к тому,
что двухпозиционный регулятор практически нельзя использовать.
Величина Т/Та жестко связана с отношением ya/y0 и, следовательно, не
может быть изменена, если значение уа задано. В малоинерционных
объектах частота переключения будет весьма большой, что
недопустимо с точки зрения надежности оборудования.
Следовательно, применение двухпозиционного регулирования
ограничено в двух случаях: при малых постоянных времени и при
больших значениях запаздывания. Применение двухпозиционного
регулятора может быть рекомендовано для статических объектов с
величиной отношения τ/Т ≤ 0,2, если по режиму процесса допустимы
незатухающие колебания регулируемой величины.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При выборе непрерывных регуляторов рекомендуется такая
последовательность действий.
1. Рассчитывают значение параметров настройки для типовых
промышленных регуляторов, для чего используют приближенные
формулы (см. таблицу 1).
Таблица 1
Формулы для приближения расчёта параметров регуляторов и оценки
среднеквадратичной погрешности регулирования
Тип регулятора
П-регулятор
ПИ-регулятор
ПИД-регулятор
Дифференциальное уравнение объекта регулирования
статического
астатического
Tdy(t)/dt + y(t) = kx(t – τ)
S1 = (πT/4τ + 0,5)/k
σy = σxk/(1 + kS1)
S1 = 0,9(πT/4τ + 0,5)/k
S0 = 0,2S1ώπ
σy = σxk/(1 + kS0T)
S1 = 1,2(πT/4τ + 0,5)/k
S0 = 0,32S1ώπ
S2 = 0,75S1ώπ
σy = σxk/(1 + kS0T)
θdy(t)/dt = x(t – τ )
S1 = πθ/4τ
σy = σx/S1
S1 = 0,9πθ/4τ
S0 = 0,2θ/τ2
σy = σx/S0θ
S1 = 0,3πθ/τ
S0 = 0,45θ/τ2
S2 = 0,45
σy = σx/S0θ
В таблице для статического объекта через ώπ обозначена частота
незатухающих колебаний, которые возникают в замкнутой системе с
П-регулятором при критическом значении коэффициента S1кр. Для
расчета ώπ удобно воспользоваться графиком (рис.5.13). Пусть,
например, Т = 1, τ = 2, Т/τ = 0,5. Из графика ώπτ = 2,3, откуда ώπ = 1,15.
Рис. 5.13. График для расчета
2. При использовании П-регулятора определяют остаточное
отклонение:
уост=k∆х(1+ kS1)
(5.26)
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. По формулам таблицы находят среднеквадратичную
погрешность регулирования σу для типовых регуляторов. При этом
принимают, что возмущение – случайная величина, подчиняющаяся
нормальному закону распределения. Тогда среднеквадратичное
отклонение возмущения определяют приближенно:
σу =∆х/3
(5.27)
4. Сравнивают полученные оценки качества регулирования с
заданными требованиями. При этом приближенно принимают
предельное отклонение регулируемого параметра:
у max ≈ 3σу
(5.28)
Для регулирования данного объекта выбирают простейший из тех
регуляторов, которые обеспечивают, судя по расчетам, динамическое
отклонение и остаточную погрешность не выше требуемых.
Иногда качество регулирования в одноконтурной АСР можно
существенно улучшить за счет уменьшения времени запаздывания
или постоянной времени путем некоторых конструктивных
изменений в объекте регулирования. Если все же требуемое качество
не может быть достигнуто с помощью типовых регуляторов,
необходимо использовать более сложные двухконтурные системы:
АСР с импульсом по возмущению, каскадные АСР, АСР с импульсом
из промежуточной точки объекта.
Введение в АСР импульса по возмущению целесообразно в том
случае, если среди действующих на систему возмущений можно
выделить доминирующее. При измерении действующего возмущения
регулятор АРв (см. рис. 5.2, б) производит корректировку
регулирующего воздействия основного регулятора. При этом
отклонения выходной величины становятся менее существенными.
Рис. 5.14. Двухпозиционные АСР: а - каскадная;
б - с импульсом из промежуточной точки
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В каскадной АСР используется вспомогательный регулятор Р1
(рис. 5.14, а), который поддерживает на заданном значении
промежуточную величину у1. Основной регулятор Р2 меняет задание
вспомогательному так, чтобы стабилизировать регулируемую
величину объекта у. В такой АСР возмущения, действующие на
выход у через промежуточную величину у1, гасятся во внутреннем
контуре. Величину у1 следует выбирать так, чтобы объект ОР1
обладал лучшими динамическими характеристиками – меньшими
запаздыванием и постоянной времени. Применение каскадного
регулирования особенно эффективно, когда основные возмущения
действуют в контуре вспомогательного регулятора и он обладает
значительно большим быстродействием.
В АСР с импульсом из промежуточной точки (рис. 5.14, б)
устройство динамической связи Д осуществляет дифференцирование
значения промежуточной величины у1 и подает его на вход
регулятора Р. Таким образом, регулирующее воздействие
вырабатывается заранее, до того как регулируемая величина у начнет
отклоняться от задания под действием возмущения.
Во многих случаях динамические свойства объекта могут
изменяться в течение процесса из-за изменения свойств продукта
(например, в периодических процессах), изменения характеристик
аппарата и пр. Поэтому АСР с регуляторами, настройки которых
рассчитаны на определенные значения динамических параметров
объектов, могут со временем потерять устойчивость. Кроме того,
регуляторы, встроенные в аппарат, должны быть рассчитаны на
широкий класс возможных процессов в нем. В этом случае
параметры регуляторов стремятся выбрать таким образом, чтобы
гарантированная степень устойчивости системы была возможно
выше. Тогда изменение свойств объекта мало сказывается на
переходных процессах в замкнутой системе.
Вопросы для самоконтроля:
1. В чем сущность принципа агрегатирования?
2. В чем заключается блочно-модульный принцип исполнения
технических средств автоматизации?
3. Из чего собираются модули?
4. Что понимается под блоком?
5. Для чего предназначен исполнительный механизм?
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тест 2
Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите
правильный.
1. Сколько существует этапов развития средств автоматизации?
а) 4;
б) 5;
в) 6.
2.Когда
начинается
этап
автоматизированных
управления технологическими процессами (АСУ ТП)?
а) с появлением управляющих вычислительных машин;
б) с расширением масштабов производства;
в) с появлением автоматических регуляторов.
систем
3. При помощи каких методов решается задача уменьшения
функционального и конструктивного многообразия технических
средств управления?
а) методов стандартизации;
б) методов безотказности;
в) методов ремонтопригодности.
4.Что
является
наиболее
развитой
автоматизации?
а) электрическая;
б) пневматическая;
в) гидравлическая.
5.Какой вид сигналов представляет
последовательность импульсов?
а) аналоговый;
б) кодовый.
в) импульсный.
92
ветвью
собой
средств
сложную
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАЗДЕЛ 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ОТРАСЛИ
Глава 6. Основы построения АСУ ТП
6.1. Анализ технологического процесса как объекта управления
Пищевая промышленность объединяет свыше тридцати
отраслей народного хозяйства: хлебопекарную, кондитерскую,
сахарную, крахмало-паточную, консервную, чайную, табачную,
парфюмерно-косметическую, пищеконцентратную и др. Предприятия
этих отраслей в ходе разных производственных процессов выпускают
широкий ассортимент высококачественных продуктов питания и
изделий. Производственные процессы можно рассматривать как
набор последовательных технологических операций, связанных с
подготовкой сырья, непосредственной его обработкой и получением
готовой продукции. Для современных крупных производств,
удельный вес которых растет во всех отраслях пищевой
промышленности, характерно наличие разнородных процессов,
связанных материальными и энергетическими потоками.
На
стадии
проектирования
систем
автоматизации
производственных процессов технологические объекты управления
(ТОУ) требуют тщательного анализа. При этом анализ должен быть
системным, предполагающим исследование производственного
процесса с точки зрения технического оснащения и технологии,
качества сырья и готовой продукции, организации управления
процессом. В процессе анализа изучаются технологические процессы
конкретного производства, выявляются величины, характеризующие
процесс, находятся взаимосвязи между ними.
Текущее состояние ТОУ (рис. 6.1) определяют следующие
величины:
входные х1, х2, ..., хn, характеризующие качество и количество
исходных продуктов (сырья или продукции предыдущего ТП) и
энергетических потоков;
выходные у1 у2, …, уm, характеризующие состояние
(температуру, расход, давление) и свойства (плотность, вязкость, рН)
продукции рассматриваемого процесса;
регулирующие воздействия u1, u2, …, uk, при помощи которых
поддерживается технологический режим.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.1. Технологический процесс как объект управления
Результатом анализа ТОУ является определение конкретных
задач рациональной структуры системы автоматизации. Наиболее
простыми
структурами
систем
автоматизации
являются
одноуровневые децентрализованные системы (рис. 6.2, а). Такие
системы находят применение для производств, в которых ТП
функционально не связаны или слабо связаны между собой. В этих
системах создаются индивидуальные пункты управления (ПУ) для
каждого участка или отделения производства, которые оснащаются
всеми необходимыми средствами автоматизации. В них решаются
следующие задачи: измерение и контроль технологических величин,
сигнализация их предельных значений, поддержание параметров,
определяемых технологическим регламентом. В этих системах для
ТП одного типа (например, процесса нагревания), несмотря на
различия
в
аппаратурном
оформлении
и
свойствах
перерабатываемого продукта, используются типовые решения по
автоматизации. Сложность привязки системы автоматизации к
конкретному оборудованию заключается в правильном выборе
регулируемых величин и точек контроля, обеспечивающих систему
необходимой и достаточно точной информацией.
Автоматизация пищевых производств в настоящее время
характеризуется разной степенью оснащенности процессов
системами автоматизации. Технологические объекты управления –
агрегаты, установки, линии и цехи пищевых предприятий – все чаще
оснащают централизованными системами автоматизации (рис. 6.2, б).
В этих системах на центральный пункт управления (ЦПУ) выносится
вся информация об объекте. Опыт эксплуатации на пищевых
предприятиях централизованных систем выявил ряд недостатков
такой структуры: снизилась надежность функционирования системы
автоматизации из-за невозможности исправления ошибок на ЦПУ;
выросли затраты на техническое оснащение ЦПУ и линий связи, что
обусловлено концентрацией всей оперативной информации на ЦПУ;
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
усложнилась организация ремонтных и профилактических работ на
ЦПУ для предприятий с непрерывным ТП, работающих
круглосуточно.
Перечисленные недостатки явились основанием для разработки
централизованных двухуровневых систем автоматизации (рис. 6.2, в),
в которых ЦПУ дополняет индивидуальные пункты управления,
реализующие те же задачи, что и в децентрализованных системах. В
ЦПУ (верхний уровень) обрабатывается информация о ТОУ и
формируются команды, изменяющие режимы работы отдельных
агрегатов ТОУ.
Централизованные системы автоматизации сложных объектов, к
которым можно отнести большинство современных пищевых
предприятий, получают широкое распространение по мере
использования средств вычислительной техники (ВТ) для обработки
и анализа больших объемов информации, поступающей на ЦПУ.
Концентрация информации о ТОУ на ЦПУ позволяет оперативно
использовать ее для реализации оптимального управления объектом,
обеспечивающего не только увеличение производительности
технологического оборудования, повышение качества выпускаемой
продукции, снижение потерь сырья, но и новую организацию
управления
–
оперативный
расчет
технико-экономических
показателей, координацию работы отдельных производственных
агрегатов и предприятия в целом. Системы автоматизации, имеющие
в структурной схеме средства ВТ, называют автоматизированными
системами управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Рис. 6.2. Структурные схемы систем автоматизации:
а – децентрализованной; б – централизованной одноуровневой;
в – централизованной двухуровневой
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2. Состав документации проекта автоматизации.
Стадии проектирования
Состав, объем и содержание проектов автоматизации пищевых
предприятий определяют государственные и отраслевые стандарты.
Проектные работы ведут в целях подготовки документации для заказа
аппаратуры, приборов, щитов и пультов управления, материалов для
соединительных линий и дополнительных устройств; обеспечения
возможности для выполнения монтажа устройств контроля и
управления; определения стоимости этих устройств и оценки
экономического эффекта от их применения.
Проекты систем автоматизации технологических процессов
выполняются на основе и в соответствии с заданием на
проектирование, составленным заказчиком и согласованным с
организацией, которой поручается разработка проекта. Задание на
проектирование должно, как правило, содержать следующие
основные данные: наименование предприятия и задачу проекта;
основание для проектирования; перечень отделений (цехов),
агрегатов или установок, охватываемых проектом с указанием
особых
условий
(агрессивности,
токсичности,
влажности
окружающей среды, класса взрыво- и пожароопасности сырья);
стадийность проектирования; планируемый уровень капитальных
затрат; предложения по централизации управления ТП и структуре
управления объектом, по объему и уровню автоматизации;
предложения по размещению центральных и местных пунктов
управления, щитов и пультов.
Для выполнения проекта системы автоматизации ТП
запрашиваются исходные материалы: чертежи производственных
помещений с расположением технологического оборудования и
коммуникаций; технологические схемы с основными техническими и
конструктивными характеристиками оборудования и коммуникаций;
перечни контролируемых и регулируемых параметров, дистанционно
управляемых электроприводов и пр.
Проектирование систем автоматизации ведется в две стадии:
технический проект и рабочие чертежи. На стадии технического
проекта определяются соответствие ТП условиям автоматизации
(возможны
рекомендации
по
замене
или
модернизации
оборудования),
объем
автоматизации,
структура
системы
автоматизации и комплекс технических средств, сметная стоимость.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В
техническом
проекте
разрабатывается
следующая
документация: схемы автоматизации технологических процессов;
планы расположения щитов, пультов и средств ВТ; заявочные
ведомости приборов и средств автоматизации, средств ВТ, щитов,
пультов, электроаппаратуры, монтажных изделий и прочего;
пояснительная записка.
На стадии выполнения рабочих чертежей осуществляют
уточнение и детализацию решений. На этой стадии разрабатываются
принципиальные электрические и пневматические схемы контроля,
автоматического регулирования, управления, сигнализации и
питания; общие виды щитов и пультов; монтажные схемы щитов и
пультов; схемы внешних электрических и трубных проводок;
заказные спецификации приборов, средств автоматизации, средств
ВТ, электроаппаратуры, щитов и пультов, кабелей и проводов,
монтажных материалов и изделий.
При
проектировании
систем
автоматизации
ТП
с
использованием средств ВТ или создании системы автоматизации для
объекта с новой технологией указанным стадиям предшествует
проведение научно-исследовательской работы. Для объектов с
простым ТП (или при повторном использовании индивидуального
проекта) проектирование ведут в одну стадию, называемую
технорабочим проектом.
Ввиду того что проектирование систем автоматизации
представляет собой сложный и трудоемкий процесс, в котором
творческая работа (инженерный анализ, подготовка вариантов
решения) сочетается с работой по использованию типовых проектных
решений, усилия многих коллективов направлены на решение задач,
связанных с разработкой системы автоматического проектирования
(САПР) систем автоматизации. При этом под САПР понимается
набор вычислительных программ для ЭВМ, обеспечивающих
поэтапное решение задач на различных стадиях проектирования.
Первым этапом проведения этих работ явилось создание в
отраслевых
проектных
организациях
информационновычислительной базы, отражающей номенклатуру используемых в
отрасли технических средств автоматизации.
В настоящее время нетворческая часть проектирования систем
автоматизации в значительной степени формализована и успешно
решается с использованием современных средств ВТ: расчет
элементов и средств автоматизации, анализ и синтез АСР.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
оформление части графического и текстового материала проекта.
Автоматизация проектирования обеспечивает снижение сроков
разработки проектной документации и повышает ее качество.
6.3. Схемы автоматизации технологических процессов
Схемы автоматизации технологических процессов (СА ТП)
являются основным техническим документом, определяющим
оснащение объекта управления средствами автоматизации. При
разработке СА ТП решают следующие задачи: получение
информации о состоянии ТОУ; контроль, измерение, регистрация и
сигнализация параметров процесса и состояния оборудования;
регулирование технологических параметров процесса; управление
оборудованием; размещение средств автоматизации на щитах,
пультах и технологическом оборудовании.
Задачи автоматизации решаются с использованием технических
средств, включающих отборные устройства, средства получения
первичной информации, средства преобразования и переработки
информации, средства представления и выдачи информации
обслуживающему персоналу и вспомогательные устройства.
При разработке СА ТП следует руководствоваться следующими
принципами:
1) при выборе технических средств автоматизации необходимо
учитывать характер ТП, условия пожаро- и взрывоопасности
процесса, токсичность и агрессивность окружающей среды;
параметры и физико-химические свойства измеряемой среды;
дальность передачи сигналов информации от места установки
измерительных преобразователей до пунктов контроля и управления;
требования к системе управления по надежности, точности и
быстродействию;
2) СА ТП должны строиться на базе серийно выпускаемых
средств автоматизации и ВТ; при этом желательно использовать
унифицированные системы ГСП, характеризуемые простотой
сочетания, взаимозаменяемостью, удобством компоновки на щитах и
пультах управления;
3) в случаях, когда системы автоматизации не могут быть
построены на базе только серийной аппаратуры, в процессе
проектирования выдаются технические задания на разработку новых
средств автоматизации (например, датчиков анализа качества
пищевых сред);
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4)
выбор
средств
автоматизации,
использующих
вспомогательную энергию (электрическую или пневматическую),
определяется
условиями
пожарои
взрывоопасности
автоматизируемого объекта, требованиями к быстродействию и
дальности передачи сигналов информации и управления;
5) количество приборов, аппаратуры сигнализации и
управления, устанавливаемых на диспетчерских щитах и пультах,
должно быть ограничено. Избыток аппаратуры отвлекает внимание
обслуживающего персонала от основных средств автоматизации,
определяющих ход ТП, усложняет эксплуатацию установки,
увеличивает ее стоимость;
6) в процессе разработки СА ТП нужно учитывать возможность
наращивания функций управления в системе.
В верхней части чертежа СА изображают технологическую
схему, которая должна давать представление о принципе работы
ТОУ. На технологическом оборудовании и коммуникациях
показывают отборные устройства, датчики, регулирующую и
запорную арматуру, определяя тем самым относительное
расположение мест отбора измерительных сигналов и подачи команд
управления. Приборы и средства автоматизации на СА изображают в
соответствии с ГОСТ 21.404-85. Стандарт устанавливает два метода
построения
условных
обозначений
приборов
и
средств
автоматизации: упрощенный и развернутый.
При упрощенном методе построения приборы и средства
автоматизации, осуществляющие сложные функции, например
контроль, регулирование и сигнализацию, и выполненные в виде
отдельных блоков, изображают одним условным обозначением.
Устройства, выполняющие вспомогательные функции (фильтры,
редукторы, усилители, источники питания, монтажные элементы и
пр.), не изображают. При развернутом методе построения каждый
прибор или блок изображают отдельным условным обозначением.
Построение условного обозначения прибора иллюстрирует
рис. 6.3.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.3. Принцип построения условного обозначения прибора
по ГОСТ 21.404-85
В верхней части графического изображения наносят буквенные
обозначения измеряемой величины и функциональных признаков
прибора, в нижней части — позиционное обозначение прибора или
комплекта средств автоматизации. Комплектом называется
совокупность
средств,
предназначенных
для
измерения,
сигнализации или регулирования одного параметра. Все приборы
комплекта средств автоматизации обозначаются одним номером, а
каждой его составной части (измерительному, регулирующему
прибору и другим элементам)
присваивается дополнительный
цифровой индекс. Полный номер каждого элемента комплекта
аппаратуры состоит из двух частей (например, 2-1, 7-2).
Присвоение дополнительных цифровых индексов в комплекте
аппаратуры производится в такой последовательности: датчик,
измерительный или регулирующий прибор, переключатель и т.д.
Позиционное обозначение элемента СА сохраняется за ним во всех
материалах проекта. Первая буква в обозначении прибора или
устройства (кроме устройств ручного управления) является
наименованием измеряемой величины. Буквенные обозначения
устройств, предназначенных для ручных операций (кнопка, ключ
управления и др.), должны начинаться с буквы Н. Порядок
расположения буквенных обозначений функциональных признаков
прибора обусловлен последовательностью: I, R, С, S, А.
На рис. 6.4 в качестве примера приведена СА участка ТП, на
котором реализованы АСР температуры и расхода продукта,
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
подаваемого на обработку; АСР давления пара в магистрали;
позиционная АСР уровня в накопительной емкости; система
управления электроприводом насоса.
Рис. 6.4. Схема автоматизации участка технологического процесса
При разработке СА ТП принято изображать щиты и пульты
управления в виде прямоугольников в нижней части поля чертежа. В
зону этих прямоугольников выносят аппаратуру контроля,
регулирования, сигнализации и управления. На участках линий связи
элементов одного комплекта указывают предельные рабочие
значения измеряемых и регулируемых величин.
Электроаппаратуре
(электроизмерительным
приборам,
сигнальным лампам, кнопкам, ключам управления, звонкам и т.п.),
изображаемой в СА ТП, присваивают цифро-буквенные обозначения,
принятые на принципиальных электрических схемах (см. п. 6.4).
Позиционные обозначения некоторых приборов и средств
автоматизации, таких как регуляторы прямого действия,
показывающие термометры, манометры, состоят только из
порядкового номера (на рис. 6.4 это регулятор давления прямого
действия РС(3), прибор для измерения температуры Т1(5),
сигнальные лампы HL1, HL2, HL3, магнитный пускатель КM1,
кнопки управления SB1 и SB2).
Приборы и средства автоматизации, установленные вне щитов и
пультов и не связанные непосредственно с технологическим
оборудованием и коммуникациями, условно показывают в
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прямоугольнике «приборы по месту». Этот прямоугольник
изображают над прямоугольником щитов и пультов управления.
В технологической схеме сборник I предназначен для
компенсации неравномерностей в подаче продукта на переработку, а
сборник II является накопительным. Схемой автоматизации
предусмотрено двухпозиционное регулирование уровня в нем.
Датчики уровня 1-1 (верхнего) и 1-2 (нижнего) подают сигналы на
позиционное регулирующее устройство 1-3, воздействующее на
электромагнитный клапан 1-4, управляющий подачей продукта в
сборник. Стабилизацию температуры продукта, подаваемого на
обработку насосом IV. обеспечивает АСР, включающая датчик 2-1,
показывающий и регулирующий прибор 2-2, исполнительный
механизм 2-4 и регулирующий орган 2-5, который изменяет подачу
теплоносителя в теплообменник III. В АСР предусмотрена
возможность управления регулирующим органом посредством
панели дистанционного управления 2-3, установленной на щите.
В АСР стабилизации расхода продукта сигнал от датчика 4-1,
установленного
на
трубопроводе,
через
промежуточный
преобразователь 4-2 попадает на показывающий самопишущий и
регулирующий прибор 4-3. В рассматриваемом контуре величина
расхода определяется степенью дросселирования потока, зависящей
от степени открытия регулирующего клапана 4-6. Часто на СА рядом
с изображением регуляторов дают условное обозначение
реализуемого ими закона регулирования. Регуляторами 2-2 и 4-3
реализуется ПИ-закон регулирования.
Тип, марка и основные характеристики используемых в СА ТП
средств автоматизации приводятся в спецификации, которая является
составной частью текстового материала любого проекта
автоматизации. При изображении сложных СА ТП с большим числом
средств автоматизации во избежание изломов и пересечения линий
связи их обрывают и нумеруют. Нумерация разрывов линий связи
выносится на базовые линии, причем со стороны щитовых приборов
нумерация дается в возрастающем порядке. Такой метод выполнения
СА называют адресным. Его иллюстрирует рис. 6.5.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.5. Схема автоматизации струйной распылительной сушилки
Топочные газы, образующиеся в камере сгорания II,
смешиваются с потоком отработанного воздуха и поступают в
сушильную камеру I, куда также подается дрожжевая суспензия.
Поток горячих газов обеспечивает распыление суспензии и
высушивание образующихся капель до гранул с требуемой конечной
влажностью. Средний размер гранул зависит от соотношения
расходов газов и дрожжевой суспензии. Готовый продукт выводится
из сушильной камеры, где он отделяется от отходящих газов.
СА распылительной сушилки включает следующие основные
контуры регулирования:
1) расхода дрожжевой суспензии, поступающей в сушилку
(регулятор
1-4);
этот
контур
обеспечивает
стабильную
производительность установки;
2) расхода отработанного воздуха в заданном соотношении с
расходом газа (регулятор 2-7); этот контур обеспечивает полноту
сгорания газа;
3)
температуры
отходящих
газов
(регулятор
3-2),
коррелированной с остаточной влажностью сухих дрожжей;
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4) расхода отработанного воздуха в заданном соотношении с
расходом дрожжевой суспензии (регулятор 4-7) для обеспечения
требуемого гранулометрического состава сухих дрожжей.
6.4. Принципиальные электрические и пневматические схемы
Принципиальные электрические схемы (ПЭС). Эти схемы
определяют состав элементов, входящих в узлы системы
автоматизации,
отражают
связи
между
ними,
способы
электропитания приборов и средств автоматизации. Исходным
материалом для разработки ПЭС являются СА ТП. ПЭС, в свою
очередь, служат основанием для разработки схем соединений
(монтажных схем), чертежей фасадов щитов и другой технической
документации.
ПЭС выполняют в соответствии с требованиями ГОСТов,
которые регламентируют правила выполнения схем, условные
графические и буквенные обозначения элементов схем, маркировку
участков электрических цепей. Разработку ПЭС ведут в таком
порядке: на основе СА формулируют требования к ПЭС и
устанавливают последовательность действия ее элементов; каждое из
сформулированных требований изображают в виде элементарных
цепей; элементарные цепи объединяют в общую схему; производят
выбор аппаратуры и расчет электрических параметров отдельных
элементов (сопротивлений, обмоток реле, нагрузки контактов и т.п.);
проверяют и корректируют схему.
При
разработке
ПЭС
руководствуются
следующими
соображениями и требованиями:
1) для простоты и наглядности в схемах используется принцип
развертки, заключающийся в том, что элементы аппаратов и
приборов, действующих в разных цепях, располагают вне
зависимости от их конструктивной связи в соответствии с логикой
действия схемы;
2)последовательность
изображения
элементарных
электрических цепей должна соответствовать порядку срабатывания
отдельных
узлов
контроля,
сигнализации,
управления
и
регулирования;
3) контакты, а также другие переключающие устройства
показываются в нормальном положении, т.е. при отсутствии в цепи
тока или внешнего механического воздействия;
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4) против каждой цепи управления с правой стороны даются
лаконичные поясняющие надписи. Надпись каждой цепи отделяется
от соседних надписей линиями в местах разделения этих цепей
(рис. 6.6);
5) каждому аппарату, используемому в ПЭС, присваивается
условное буквенное обозначение, которое распространяется на все
его элементы, изображенные на схеме. При использовании в схеме
нескольких однотипных элементов к буквенному обозначению
добавляется цифровая приставка в виде арабских цифр. Например,
при наличии в схеме трех промежуточных реле их обозначения K1,
К2, К3;
6) для удобства чтения ПЭС, а также возможности составления
по ним другой документации проекта на них производится
маркировка цепей. Силовые цепи переменного тока маркируют
буквами, обозначающими фазы, и последовательными числами (А, В,
С, N, Аl и т.д.); цепи управления, сигнализации, защиты, блокировки
и измерения маркируют последовательными числами (рис. 6.7).
Участки цепей, разделенные контактами аппаратов, катушками реле,
различными
коммутирующими
устройствами,
аппаратурой
сигнализации и т.п., имеют разную маркировку. Участки, сходящиеся
в одном узле ПЭС, а также проходящие через разъемные контактные
соединения, маркируются одинаково.
Рис. 6.6. ПЭС технологической
сигнализации
Рис. 6.7. ПЭС управления
нереверсивным асинхронным
электродвигателем
с короткозамкнутым ротором
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание ПЭС определяется спецификой производственного
процесса, для которого разрабатывается система автоматизации. В
ПЭС обязательно должно входить следующее: схема главных
(силовых) цепей; элементные схемы управления, регулирования,
измерения, сигнализации и электропитания с соответствующими
поясняющими надписями; диаграммы работы (включения) контактов
ключей и программных устройств; перечень элементов, входящих в
ПЭС.
Рассмотрим подробнее построение ПЭС на конкретных
примерах. Пуск асинхронного электродвигателя (см. рис. 6.7)
производится нажатием кнопки SB2. При этом замыкается цепь
питания обмотки магнитного пускателя КМ. При срабатывании
пускателя его контакты в силовой цепи включают электродвигатель,
а в цепи управления блокируют кнопку SB2. Отключение
электродвигателя производится нажатием кнопки SB1, разрывающей
цепь питания обмотки пускателя. Защита электродвигателя от
перегрузок осуществляется тепловыми реле KK1 и КК2,
нагревательные элементы которых включены в две фазы силовой
цепи, а контакты – в цепь питания обмотки пускателя. Защита
электродвигателя и цепи управления от коротких замыканий
осуществляется предохранителями FU. Рубильник SA предназначен
для отключения цепей питания и управления при осмотре или
ремонте. В трехфазных цепях с заземленной нейтралью питание
цепей управления производится фазным напряжением 220 В.
Управление реверсивным асинхронным электродвигателем
(рис. 6.8) производится с помощью трех кнопок: SB1 («Стоп»),
SB2 («Вперед»), SB3 («Назад»). При нажатии на кнопку SB2
включается магнитный пускатель КМ1, подавая напряжение на
электродвигатель.
Для
изменения
направления
вращения
электродвигателя следует нажать кнопку SB1, а затем кнопку SB3,
включающую магнитный пускатель КМ2. В результате переключатся
фазы силовой цепи и электродвигатель начнет вращаться в обратном
направлении. Использование размыкающих блок-контактов КМ1 и
КМ2 исключает возможность одновременного включения обеих
обмоток реверсивного магнитного пускателя. Для отключения
электродвигателя от питающей сети в цепи предусмотрена установка
автоматического
выключателя
QF,
который
защищает
электродвигатель от Перегрузок и коротких замыканий. В цепи
управления использовано межфазное напряжение.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.8. ПЭС управления
реверсивным асинхронным
электродвигателем
Рис. 6.9. ПЭС управления
электроприводом
регулирующего органа
При автоматизации ТП используются запорные и регулирующие
устройства (шиберы, клапаны, вентили и пр.) с электроприводами,
для которых разрабатываются ПЭС. В производственных условиях
ручное управление должно быть предусмотрено как из
производственного помещения (местное), так и с диспетчерского
пункта (дистанционное). На рис. 6.9 изображена схема управления
электроприводом регулирующего органа из двух мест. Положение
ключа выбора режима управления SA определяет местный (М) и
дистанционный (Д) варианты управления. Буквой Н обозначено
нейтральное положение ключа. Выбор режима управления
осуществляется на пункте управления.
Включение электропривода на открытие осуществляется в
местном режиме кнопкой SB3, в дистанционном – кнопкой SB4.
Магнитный пускатель КМ1 замыкающими контактами блокирует
пусковые кнопки и включает электродвигатель в направлении
открытия, а размыкающим контактом разрывает цепь пускателя КМ2.
При достижении запорным органом положения «Открыто» пускатель
КМ1
отключается
переключающим
контактом
конечного
выключателя SQ1, который одновременно подает напряжение на
сигнальную лампу HL1 – «Открыто». Для отмены ошибочной
команды или остановки запорного органа в промежуточном
положении предусмотрены кнопки SB1 и SB2, одна из которых
установлена в производственном помещении, другая – на пункте
управления. Для закрытия регулирующего органа нажимают кнопки
SB5 или SB6, которые включают пускатель КМ2. Работа схемы при
закрытии регулирующего органа осуществляется аналогично
описанной.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При автоматизации ТП важное значение придается устройствам
сигнализации, оповещающим обслуживающий персонал о состоянии
ТОУ. В качестве примера рассмотрим схему световой и звуковой
технологической сигнализации, используемой при дистанционном
или автоматическом управлении (см. рис. 6.6). При замыкании
любого из технологических контактов (P1, Р2 или Р3) у
срабатывающих, например, при достижении предельного значения
температуры, включается соответствующее реле. Оно своими
переключающими контактами отключает сигнальную лампу от шины
опробования ламп (1) и подключает ее к питающей шине.
Замыкающий контакт любого реле (К1, К2 или К3) включает
звуковой сигнал НА. Для снятия звукового сигнала обслуживающий
персонал нажимает кнопку SB1, включающую реле К4, которое
самоблокируется и разрывает цепь звукового сигнала. Световая
сигнализация сохраняется до возвращения технологического
параметра к номинальному значению. Кнопка SB2 служит для
проверки исправности сигнальных устройств.
Широкое распространение при автоматизации ТП имеют
электрические системы регулирования как дискретного, так и
непрерывного действия, построенные на использовании серийно
выпускаемых приборов и средств автоматизации. В тех случаях,
когда в системах дистанционного контроля или автоматического
управления применяются стандартные приборы, пользуются
типовыми схемами их включения. При этом измерительные и
регулирующие устройства обозначают упрощенно (в виде
прямоугольников) с изображением входных и выходных зажимов
(клеммников) с их заводской маркировкой (рис. 6.10).
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.10. ПЭС системы контроля и регулирования
Принципиальные пневматические схемы. Автоматизация ТП
во многих отраслях пищевой промышленности связана с
применением пневматических средств автоматизации, которые
используются как самостоятельно, так и совместно с электрическими
устройствами. Принципиальные пневматические схемы (ППС), так
же как и ПЭС, отражают полный набор элементов, входящих в
функциональные узлы систем автоматизации. Характерной
особенностью средств пневмоавтоматики является совмещение в
одном приборе нескольких традиционных функций. Так, вторичный
измерительный прибор с встроенной станцией управления (например,
ПВ10.2Э) выполняет функции контроля, формирования сигнала
задания, ручного дистанционного управления и др.
Пневматические средства автоматизации на ППС изображают в
виде прямоугольников (без масштаба) с указанием внутри или вблизи
от них условного обозначения и заводского типа устройства. Внутри
прямоугольников должны быть указаны номера присоединительных
штуцеров приборов и устройств для подключения импульсных,
командных и питающих линий связи. Вспомогательные устройства,
такие как фильтры, редукторы, показывающие манометры для
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
контроля давления воздуха, запорная арматура, на ППС показывают
только в том случае, если не разрабатывается схема пневмопитания.
В качестве примера на рис. 6.11 представлены схемы
регулирования расхода жидкого продукта. В контуре регулирования
использовано измерительное сужающее устройство мембранный
дифманометр с пневмовыходом 1-2, вторичный показывающий
прибор системы СТАРТ с встроенной станцией управления 1-3,
регулятор системы СТАРТ и пневматический исполнительный
механизм 1-5. На ППС изображены две линии пневмопитания
(датчика расхода и приборов, смонтированных на щите управления) с
полным набором вспомогательных элементов: запорный вентиль (В),
фильтр воздуха (Ф), редуктор давления (Р), технический
малогабаритный манометр (М). На ППС сохраняются цифровые
обозначения основных средств автоматизации.
Рис. 6.11. Схема регулирования расхода жидкого продукта:
а – схема автоматизации; б – ППС
6.5. Щиты и пульты
Щиты и пульты систем автоматизации предназначены для
размещения на них контрольно-измерительных приборов,
сигнальных устройств, аппаратуры управления, автоматического
регулирования, защиты, блокировки, линий связи между ними.
Щиты и пульты устанавливают в производственных или
специальных щитовых помещениях – диспетчерских операторских
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пунктах. Основные типы щитов и пультов имеют следующие
условные обозначения: щит шкафной с задней дверью ЩШ-ЗД; щит
шкафной с задней дверью, открытый с двух сторон, ЩШ-ЗД-02;
щит шкафной с задней дверью, открытый с правой стороны, ЩШЗД-ОП; щит шкафной трехсекционный ЩШ-3; щит шкафной
трехсекционный, открытый с двух сторон, ЩШ-3-02; щит шкафной
малогабаритный ШШМ; щит панельный с каркасом ЩПК; шит
панельный с каркасом, закрытый с правой стороны, ЩПК-ЗП; щит
панельный с каркасом двухсекционный ЩПК-2; пульт П; пульт
правый П-П; пульт с наклонной приборной приставкой ПНП.
Щиты шкафные и панельные выпускают двух модификаций,
различающихся по числу лицевых панелей в одной секции. Щиты
исполнения I имеют в каждой секции две лицевые панели, щиты
исполнения II — три. При проектировании щитов СА ТП рекомендуется в первую очередь применять щиты исполнения II.
Фасадные панели этого исполнения наиболее технологичны в
изготовлении благодаря минимальным размерам и применению
автоматизированного процесса изготовления.
При проектировании систем автоматизации рекомендуется
применять: в производственных помещениях щиты шкафные
одиночные и многосекционные с задними дверями, а также
малогабаритные; в щитовых помещениях эти же щиты
используются для установки аппаратуры при наличии особых
условий (например, при установке аппаратуры с открытыми
токоведущими частями); в диспетчерских и операторских
помещениях щиты панельные с каркасом; в щитовых и
производственных помещениях пульты в качестве устройств для
размещения аппаратуры управления и сигнализации.
Компоновка приборов и аппаратуры на фасадных панелях
щитов
выполняется
в
соответствии
с
рекомендациями
соответствующих руководящих материалов. Поле I (рис. 6.12)
фасадной части щитов является декоративным и не предназначено
для установки приборов. Поля II и IV предназначены для размещения самопишущих и регистрирующих приборов, а также органов
управления. На поле III рекомендуется размещать сигнальную
арматуру и малогабаритные показывающие приборы. Для
наглядности функций контроля и управления технологическим
процессом в ряде случаев на щиты наносят с помощью условных
символов мнемоническую схему технологического процесса.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Под приборами и аппаратурой в стандартных рамках выполняют поясняющие надписи. На внутренних плоскостях щитов,
дверях
малогабаритных
щитов
размещают
электрои
пневмоаппаратуру, изделия для монтажа электрических и трубных
проводок.
Основным техническим документом на щиты и пульты
управления является чертеж общего вида. Он содержит вид
спереди, вид на внутренние плоскости, таблицу надписей, перечень
составных частей.
Рис. 6.12. Пример расположения приборов на щите:
а – исполнение II; б – исполнение I
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 7. Автоматизация типовых объектов пищевых производств
7.1. Типовые объекты пищевых производств
Для каждой отрасли пищевой промышленности характерны
разнообразные производства с индивидуальными технологическими
процессами. Они различаются по используемому сырью, способам
обработки сырья и материалов, аппаратурному и конструктивному
оформлению. Однако с точки зрения технологии и автоматизации в
разных процессах имеется много общего.
В пищевой промышленности можно выделить следующие
типовые ТП:
механические – перемещение, дозирование, гранулирование,
измельчение, просеивание, смешивание, прессование;
гидродинамические – перемещение жидкостей и газов,
фильтрование, разделение газовых и жидких неоднородных смесей,
перемешивание жидких и пастообразных материалов;
тепловые – нагревание, охлаждение, кондиционирование,
выпаривание;
массообменные – абсорбция и десорбция газов, ректификация,
экстракция, сушка, конденсация;
химические – окисление, восстановление, нейтрализация,
дегидратация, сульфитация;
микробиологические – приготовление разных питательных сред,
брожение, ферментация и др.
Большинство пищевых производств представляет собой
совокупность
различных
типовых
процессов.
Например,
диффузионный процесс свеклосахарного производства в качестве
основных включает массообменный и тепловой процессы. Процесс
приготовления опары, теста в хлебопекарном и макаронном
производствах
включает
типовые
механические
и
микробиологические процессы. Такие примеры можно привести
практически для любой отрасли пищевой промышленности. Отсюда
следует, что реальные процессы трудно разделить на строго типовые
и рассмотреть их автоматизацию по группам. Поэтому целесообразно
рассмотреть типовые ТП с точки зрения входящих в них локальных
объектов автоматизации. Под последними будем понимать объекты,
для которых разрабатываются локальные системы автоматического
измерения, контроля, регулирования технологических параметров.
Например, диффузионный аппарат как объект автоматизации
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
включает локальные объекты регулирования расходов, уровней, рН
среды, производительности. Тепловым процессам также присущи
объекты регулирования уровня, температуры, расхода. И в
микробиологических процессах, например производстве пивного
сусла, имеются встречавшиеся уже ранее локальные объекты
регулирования температуры, уровня. Следовательно, типовые ТП
представляют
собой
совокупность
локальных
объектов
автоматизации.
Такой подход позволяет разработать для каждого типового
объекта одну или несколько типовых схем автоматизации в
зависимости от аппаратурной реализации конкретного процесса.
Действительно, разные конструкции аппаратов существенно влияют
на статические и динамические характеристики объекта, что может
привести к разным решениям его автоматизации.
Таким образом, при рассмотрении ТП как объекта
автоматизации необходимо устанавливать, во-первых, к какому
типовому процессу он относится, во-вторых, какова его аппаратурная
реализация. В этой связи в данной главе рассматриваются схемы
автоматизации отдельных локальных объектов, входящих в состав
типовых ТП пищевых производств. Эти схемы могут быть
использованы в качестве основы при автоматизации конкретного
процесса. Наиболее часто встречаются локальные объекты
регулирования температуры, уровня, расхода, давления. Типовые
схемы автоматизации таких объектов рассмотрены в п. 6.3
(см. рис. 6.4).
7.2. Автоматизация непрерывного дозирования материалов
Непрерывное дозирование применяется во многих отраслях
пищевой промышленности, например при составлении смесей
шоколадной массы в кондитерском производстве, при внесении муки,
воды, соли, сахара и других добавок в производстве хлеба.
Процессом непрерывного дозирования надо управлять так, чтобы
обеспечить требуемое количество каждого компонента в смеси.
Непрерывное дозирование производится бункерными и
ленточными дозаторами. Бункерные дозаторы применяются для
работы с сыпучими материалами и жидкостями, ленточные –
обеспечивают более высокую точность дозирования. В общем случае
последние представляют собой совокупность питателя и
грузоприемного устройства – весового конвейера. Конструкции
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ленточных дозаторов делятся на одно- и двух агрегатные. В
одноагрегатных дозаторах функции питателя и грузоприемного
устройства совмещены, в двухагрегатных – разделены.
Производительность дозатора определяется тремя параметрами:
нагрузкой весового конвейера W, скоростью движения ленты
конвейера v и длиной его грузоприемной части L. Ленточный дозатор
представляет собой астатический объект регулирования с
запаздыванием. Время запаздывания определяется временем
пребывания материала на весовом конвейере τ = L/υ.
При автоматизации процесса дозирования на двухагрегатных
ленточных дозаторах требуемая производительность F может быть
достигнута путем регулирования нагрузки на ленте грузоприемной
части конвейера: F = W/L. В одноагрегатных дозаторах производится
регулирование и нагрузки, и скорости движения ленты весового
конвейера.
Производительность одноагрегатного ленточного дозатора
непрерывного действия (рис. 7.1, а) зависит от скорости дозирования,
которая изменяется в соответствии с частотой вращения ротора
электродвигателя 1-6. При работе схемы датчик 1-1 частоты
вращения привода электродвигателя передает сигнал на блок
умножения 1-3. Одновременно на этот же блок поступает сигнал от
датчика 2-1 нагрузки на весовом участке конвейера. Блок умножения
формирует сигнал, пропорциональный текущей производительности
F дозатора. Этот сигнал поступает на ПИ-регулятор 1-4.
Регулирующее воздействие с него подается на привод
электродвигателя 1-6, который изменяет скорость движения ленты
конвейера II, чтобы обеспечить соответствие текущей и заданной
производительностей дозатора. На щите размещены показывающие
приборы 1-2 и 2-2 для контроля соответственно частоты вращения
электродвигателя и нагрузки конвейера, а также самопишущий
прибор 1-5, контролирующий текущую производительность дозатора.
Ключом выбора режима SA1 осуществляют переключение режима
управления с автоматического на ручной.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 7.1. Схема автоматизации ленточных дозаторов:
а – одноагрегатного; б – двухагрегатного
В двухагрегатном ленточном дозаторе (рис. 7.1, б) количество
материала, поступающего из бункера I на грузовой конвейер II,
зависит от интенсивности работы питателя III. Сигнал от датчика 1-1
нагрузки конвейера поступает на ПИ-регулятор 1-3. С него
регулирующее
воздействие
подается
на
электродвигатель
постоянного
тока
1-4
обеспечивающий
изменение
производительности питателя до тех пор, пока текущее значение
нагрузки не станет равным заданному. Для контроля нагрузки на
щите размещен показывающий и самопишущий прибор 1-2. Пуск
электродвигателя привода конвейера производится магнитным
пускателем, управляемым кнопочной станцией SB1. Работа
электродвигателя сигнализируется лампой HL1.
7.3. Автоматизация смешивания
Для смешивания двух и более потоков жидких или сыпучих
компонентов применяются смесители периодического или
непрерывного действия. Смесители снабжаются мешалками для
ускорения смешивания и обеспечения равномерного состава смеси.
Как объект автоматизации смеситель по каналу «расход
входного компонента – показатель качества смеси» может
рассматриваться как статический объект регулирования с
запаздыванием или без него. Наличие запаздывания, а также
инерционность процесса смешивания зависят от физических
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
параметров компонентов смеси и эффективности перемешивания.
Возмущающие воздействия, вызывающие отклонения качества
смеси от требуемого, связаны с изменениями расходов компонентов
смеси, а также их свойств. Регулирующими воздействиями
являются изменения расхода подаваемых компонентов. Простейшая
СА смесителя предусматривает стабилизацию расхода каждого
компонента на заданном значении. Если расход одного из
компонентов невозможно стабилизировать, то расходы других
должны изменяться регулятором соотношения в заданной
пропорции по отношению к нему в целях поддержания заданного
состава смеси.
В схеме на рис. 7.2 расходы компонентов К1 и К2,
формирующих заданную смесь, измеряются расходомерами 1-1 и 21. На щите размещены вторичные показывающие и самопишущие
приборы 1-2, 2-2, результаты измерений с которых подаются на
регулятор соотношения 1-3. Через панель дистанционного
управления 1-4 (содержит ключи выбора режима и дистанционного
управления) регулятор воздействует на исполнительный механизм
1-5 регулирующего клапана ведомого компонента К2 в зависимости
от расхода ведущего компонента К1.
В случае, когда возможно непрерывное измерение качества
смеси, может быть использована двухконтурная АСР с коррекцией
по качеству смеси. Качество смеси измеряется анализатором 3-1,
контролируется на щите прибором 3-2 и передается на
корректирующий регулятор 3-3, который изменяет заданное
соотношение расходов на регуляторе 1-3. Схема автоматизации
предусматривает также регулирование расхода компонента К1 в
зависимости от уровня в смесителе. Уровень измеряется датчиком
4-1 и регулируется регулятором 4-2, который через панель
дистанционного управления 4-3 воздействует на исполнительный
механизм 4-4 регулирующего клапана компонента К1.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.2. Схема автоматизации процесса смешивания
7.4. Автоматизация сушки
В пищевой промышленности чаще всего используются сушилки
с конвективным подводом тепла (распылительные, с кипящим слоем,
барабанные, конвейерные). Наилучшими схемами автоматического
регулирования сушки являются такие, когда можно автоматически
измерять влагосодержание высушиваемого материала на выходе из
аппарата. При этом регулирование корректируется по выходному
влагосодержанию материала, что обеспечивает его стабилизацию на
заданном уровне.
В большинстве случаев невозможно получить информацию о
значении выходного влагосодержания материала ввиду отсутствия
влагомеров для текущего измерения влажности в потоке материала.
Поэтому приходится применять косвенный метод, основанный на
функциональной связи влагосодержания материала с важнейшими
параметрами сушки: температурой и относительной влажностью
сушильного агента.
В аппаратах, где сушка длится довольно долго (более 1 ч),
начальные параметры высушиваемого материала оказывают на
процесс значительно меньшее влияние по сравнению с параметрами
сушильного агента. Поэтому считают, что стабилизация параметров
сушильного агента обеспечивает стабилизацию влажности материала
(при постоянной продолжительности его пребывания в сушилке).
Поскольку температура и относительная влажность сушильного
агента (воздуха) взаимосвязаны, целесообразно применение АСР
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температуры воздуха, заданное значение которой изменяется в
зависимости от его относительной влажности.
В
сушильных
установках
наиболее
эффективным
регулирующим воздействием является изменение притока тепла.
Наряду с ним могут быть использованы изменения интенсивности
замены отработанного воздуха свежим, скорости обтекания
материала воздухом, скорости перемещения материала в сушильном
пространстве.
Барабанная сушилка как объект управления характеризуется
большими постоянными времени и значительным запаздыванием,
определяемым временем прохождения материала через барабан
(до 1 ч), поэтому использование температуры теплоносителя и
влажности материала на выходе из сушильного барабана в качестве
регулируемой величины в ряде случаев не представляется
возможным. Регулирование теплового режима сушки в барабанной
сушилке (рис. 7.3) осуществляется двумя АСР.
Рис. 7.3. Схема автоматизации барабанной сушилки
Первая АСР предназначена для поддержания на заданном уровне
температуры теплоносителя в смесительной камере III воздействием на
расход воздуха, поступающего в барабан II. Датчик 3-1 контролирует
температуру в передней части барабана. Сигнал с датчика передается
вторичному прибору 3-2 и регулятору 3-3, который управляет
исполнительным механизмом 3-4 дроссельной заслонки на линии
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
подачи воздуха к вентилятору VI. При этом одновременно изменяется
подача воздуха, необходимого для сгорания газа, а также воздуха,
поступающего в смесительную камеру.
Вторая АСР поддерживает тепловой режим сушки изменением
подачи газа в топку IV в зависимости от температуры внутри
барабана II в таком его сечении, где запаздывание мало и уже
произошло испарение значительной части влаги, так что можно
судить о процессе сушки в аппарате. Сигнал от датчика 2-1
передается на щит вторичному прибору 2-2 через токосъемное
устройство, включающее два вращающихся вместе с барабаном
кольца и два ролика со щетками, к которым присоединяются провода,
идущие
к
вторичному прибору.
Процесс регулирования
осуществляется следующим образом. Если подача сырья или его
влажность возрастают, то температура теплоносителя внутри
барабана снижается и регулятор 2-3 увеличивает подачу газа
(исполнительный механизм 2-4). Это повышает температуру
теплоносителя, в результате чего регулятор 3-3 увеличивает расход
воздуха, пока температура внутри барабана не примет заданное
значение. Работа этих двух регуляторов взаимосвязана.
Схемой предусмотрена стабилизация давления газа перед
топкой. В эту АСР входят датчик давления 4-1 – манометр с
выходным преобразователем, вторичный прибор 4-2 и регулятор 4-3,
управляющий механизмом 4-4 заслонки на линии подачи газа в
форсунку V. В схеме предусмотрена также АСР разрежения в топке
путем изменения производительности дымососа I. В нее входят
датчик разрежения 1-1, вторичный прибор 1-2 и регулятор 1-3.
При измерении температуры в передней части барабана
регулятор не всегда получает достаточную информацию о ходе
сушки. Во поэтому многих случаях используется каскадная АСР, в
которой регулируется температура теплоносителя на выходе из
барабана, а ее заданное значение корректируется в зависимости от
температуры в середине барабана (см. п. 5.4).
Распылительные сушилки применяются для сушки кофейного
экстракта, меланжа, дрожжевой суспензии и т.д. Основными
показателями качества готового продукта в зависимости от вида
продукта и требований, предъявляемых к нему, являются
влагосодержание, фракционный состав, насыпная плотность или физико-химические показатели (цвет, вкус и т.д.). При отсутствии приборов
для непосредственного определения перечисленных показателей в
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
качестве основной регулируемой величины может быть использована
температура материала или газов на выходе из установки (см. рис. 6.5).
При автоматизации других типов сушильных установок,
например сушилок с кипящим слоем, в качестве регулируемой
величины выбирается аналогично предыдущим схемам температура
материала в слое. В качестве регулирующего воздействия может быть
принято изменение подачи материала в сушилку (если можно
изменять производительность сушилки), расхода теплоносителя и
входной температуры теплоносителя.
7.5. Автоматизация химико-технологических процессов
В настоящее время во многих отраслях пищевой
промышленности (микробиологическая, витаминная и др.)
используются различные реакторы непрерывного и периодического
действия (см. главу 10). В схеме автоматизации реактора
непрерывного действия (рис. 7.4) одним из основных регулируемых
параметров является рН среды в аппарате. Система регулирования рН
включает датчик 4-1, самопишущий прибор 4-2, регулятор 4-3.
Система может работать с двумя видами регулирующих воздействий,
одно из которых – поток с кислотными свойствами, другое – с
щелочными (ИМ 4-6, 4-5).
Рис. 7.4. Схема автоматизации реактора периодического действия
Специфической задачей для непрерывного процесса является
обеспечение заданной нагрузки. Ее можно решить регулированием
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расхода входного потока датчиком расхода 1-1, самопишущим
регулирующим прибором 1-2, ИМ 1-3. Уровень в реакторе
регулируется изменением расхода выходного потока (датчик 3-1,
самопишущий регулирующий прибор 3-2, ИМ 3-3). Возможен другой
вариант, когда заданная нагрузка обеспечивается регулированием
расхода выходного потока, а регулирование уровня – изменением
расхода потока на входе в аппарат. Схемой предусмотрено также
автоматическое поддержание температуры среды в аппарате
изменением расхода теплового агента в рубашку (датчик 2-1,
самопишущий регулирующий прибор 2-2, ИМ 2-3).
В реакторах периодического действия в зависимости от вида
процесса в одних случаях задается постоянная величина рН в течение
всего цикла, в других – она является функцией времени (в АСР
используется программный задатчик 4-4) или какого-либо показателя
среды в аппарате.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что называется управлением технологическим процессом?
2. Что входит в понятие алгоритм?
3. Что называется алгоритмом управления?
4. Что называется управляемой координатой y?
5.Как строится алгоритм функционирования системы
управления?
6.Что отражает функциональная структура системы управления?
7.Что определяет конструктивную структуру системы
управления?
8. Что входит в понятие алгоритмической структуры системы
управления?
9. Какие элементарные алгоритмические звенья преобразования
информации существуют?
10. Какие дифференциальные уравнения динамических звеньев
системы
управления:
интегрирующего,
апериодического,
колебательного, дифференцирующего, звена чистого запаздывания
Вы знаете?
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тест 3
Из предложенных Вам вариантов ответов выберите правильный.
1. Какая структура системы управления отражает вопросы
выбора щитов и пультов управления?
а) функциональная;
б) контруктивная;
в) алгоритмическая.
2. Какое звено осуществляет преобразование входного сигнала?
а) арифметическое;
б) логическое;
в) формирующее.
3. Примером какого звена является рычажное соединение?
а) статического;
б) динамического;
в) инерционного.
4. Примером какого звена является управление выдержкой
затора при разных температурах?
а) апериодического;
б) дифференцирующего;
в) звена чистого запаздывания.
5. На каких элементах могут быть выполнены звенья?
а) магнитных;
б) электрических;
в) безконтактных.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 8. Микропроцессорные системы автоматического
управления
8.1. Общие сведения о микропроцессорных системах
Применение микропроцессоров в системах автоматического
управления обусловлено их программируемостью, значительной
вычислительной мощностью и высокой надежностью в сочетании с
малыми габаритами и невысокой стоимостью.
Программируемость
микропроцессоров
позволяет
осуществлять гибкую оперативную перестройку алгоритма работы
системы автоматического управления и ее структуры.
Изменения, вносимые в систему, как правило, обеспечиваются
заменой одной большой интегральной схемы (БИС) памяти на
другую.
Микропроцессором
называется
программно-управляемое
устройство обработки данных с заданной системой команд,
выполненное на одной или нескольких БИС, входящих в состав
микропроцессорного комплекта (МПК).
МПК представляет собой совокупность совместимых
микропроцессорных и других интегральных микросхем.
Микропроцессорная БИС – это интегральная микросхема,
выполняющая функцию микропроцессора или его части.
Преимуществом использования микропроцессоров в системах
управления является их высокая отказоустойчивость.
Отказоустойчивость определяется, как способность системы
сохранять свою работоспособность при возникновении в ее блоках
разнообразных
отказов.
Отказоустойчивость
обеспечивается
введением в систему аппаратной, программной и информационной
избыточности.
Для оперативного контроля и диагностики используется
встроенный
программно-аппаратный
контроль,
который
осуществляется за счет использования в системе недорогих
дополнительных ресурсов.
Получили распространение системы с резервированием,
системы с программной реконфигурацией структуры и системы с
использованием самокорректирующихся кодов.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Микропроцессорные
системы
управления
позволяют
реализовать распределенное управление в реальном масштабе
времени.
Микропроцессор может рассматриваться как универсальное
программно-управляемое устройство обработки информации,
включающее в себя:
- операционное устройство, обеспечивающее обработку
информации в соответствии с выполняемой командой;
управляющее
устройство,
которое
осуществляющее
синхронизацию вычислительного процесса;
- интерфейсные блоки, обеспечивающие взаимодействие
микропроцессора с другими модулями системы.
Кроме того, микропроцессор может включать в себя
дополнительные блоки, увеличивающие производительность и
функциональные возможности, такие, как диспетчер памяти,
расширяющее адресное пространство; расширитель арифметики,
реализующий сложнейшие арифметические команды; блок
управления очередностью команд и др.
8.2. Структура микропроцессорных систем управления
Микропроцессорные системы с центральным управлением
включают в себя центральное цифровое управляющее устройство,
соединенное многими каналами с объектами управления. Кроме того,
в систему включены аналого-цифровые преобразователи, на вход
которых поступают аналоговые сигналы от датчиков, и цифроаналоговые преобразователи, соединенные с исполнительными
устройствами.
В случае управления сложным многомерным объектом с
несколькими выходными управляемыми координатами (например,
роботом), система является связанной.
В случае управления совокупностью независимых одномерных
объектов система является несвязанной.
Системы
с
децентрализованным
управлением
характеризуются
использованием
автономных
цифровых
управляющих устройств, которые включены в каждый контур
управления.
В
системах
децентрализованного
управления
центральное управляющее устройство, как правило, отсутствует или
вводится в систему для выполнения функций диспетчера. Такая
система реализует комбинированное управление.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Многопроцессорные системы используются с целью увеличения
производительности, надежности и гибкости.
Существуют
различные
методы
организации
многопроцессорных систем:
1) несколько микропроцессоров, работающих на одну общую
шину. При этом параллельная организация работы микропроцессоров
позволяет реализовать режим одновременного выполнения команд
или режим одновременного выполнения программ или подпрограмм.
Оба режима способствуют увеличению производительности
вычислительной системы;
2) многопроцессорные системы, включающие в себя
однотипные цифровые управляющие устройства, соединенные между
собой по определенным правилам (варианты топологии:
иерархическая, сетевая, кольцевая, матричная и др.) обеспечивают
повышение надежности, отказоустойчивости и гибкости.
Сложные объекты управления представляют собой
совокупность взаимосвязанных многорежимных управляемых
подсистем. Основными принципами, определяющими структуру
управления такими объектами, являются иерархичность и
независимость управления по уровням.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что называется микропроцессором?
2. Что включает в себя микропроцессорный комплект?
3.Каковы
характерные
особенности
современных
микропроцессоров?
4. Каковы преимущества использования микропроцессоров в
системах управления?
5. Назовите методы организации многопроцессорных систем.
6. В каком случае микропроцессорная система является
связанной?
7. Для управления какими объектами применяются несвязанные
микропроцессорные системы?
8.Какие
способы
обеспечения
отказоустойчивости
микропроцессорной системы Вы знаете?
9.Чем характеризуются микропроцессорные системы с
децентрализованным управлением?
10.Какие элементы включает система с центральным
управлением?
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. В каких системах и с какой целью используется цифровое
управляющее устройство?
12.Поясните принцип комбинированного управления в
микропроцессорных системах.
Тест 4
Из предложенных Вам ответов выберите правильный.
1.Что из ниже перечисленного представляет собой совокупность
совместимых микропроцессорных микросхем?
а) БИС;
б) МПК;
в) ПТК.
2.Как
называется
устройство,
входящее
в
состав
микропроцессора и обеспечивающее обработку информации в
соответствии с выполняемой командой?
а) операционное устройство;
б) управляющее устройство;
в) интерфейсный блок.
3. Какое управление реализует система с децентрализованным
управлением?
а) замкнутое;
б) разомкнутое;
в) комбинированное.
Из предложенных Вам вариантов ответов выберите ошибочный.
4.Какие критерии способствуют применению микропроцессоров
в системах автоматического управления?
а) программируемость;
б) адаптивность;
в) надежность.
5. Введение каких компонентов позволяет обеспечить высокую
отказоустойчивость микропроцессоров?
а) программная избыточность;
б) информационная избыточность;
в) интегральная избыточность.
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ответы к тестам
Тест 1:
Тест 2:
Тест 3:
Тест 4:
1. а;
1. б;
1. а;
1.б;
2. а;
2. а;
2. б;
2. а;
3. в;
3. а;
3. б;
3. в;
4. а;
4. а;
4. б;
4. б;
128
5. б.
5. б.
5. а.
5. в.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список использованных источников информации
1. Автоматика. Исполнительные механизмы. / А.А. Герасенков,
Л.Г. Вихрова, В.И. Загинайлов, С.А. Суворов. – М.: МГУЛ, 2001.
2. Благовещенская, М.М. Автоматика и автоматизация пищевых
производств. / М.М. Благовещенская и др. – М.: Агропромиздат, 1991.
3. Брусиловский, Л.П. АСУ ТП цельномолочных и молочноконсервных производств. / Л.П. Брусиловский, А.Я. Вайнберг. – М.:
Колос, 1993.
4. Бушуев, С.Д. Автоматика и автоматизация производственных
процессов. / С.Д. Бушуев, В.С. Михалков. – М.: Высшая школа, 1990.
5. Голубятников, В.А. Автоматизация процессов химической
промышленности. / В.А Голубятников, В.В. Шувалов. – М.: Химия,
1991.
6. Денисов, А.А. Пневматические и гидравлические устройства
автоматики. / А.А. Денисов, Б.С. Нагорный. – М.: Высшая школа,
1991.
7.Евдокимова,
Г.М.
Автоматизация
производственных
процессов мясной и молочной промышленности. / Г.М. Евдокимова и
др. – М.: Колос, 1998.
8. Котов, К.И. Средства измерения, контроля и автоматизации
технологических процессов. Вычислительная и микропроцессорная
техника. / К.И. Котов, М.А. Шершевер. – М.: Металлургия, 1989.
9. Родинов,
В.Д.
Технические средства АСУ ТП. /
В.Д. Родинов, В.А. Терехов, В.В. Яковлев. – М.: Высшая школа, 1989.
10. Соколов, В.А. Автоматизация технологических процессов
пищевой промышленности. / В.А. Соколов. – М.: Агропромиздат,
1991.
11.Федотов,
А.В.
Автоматизация
управления
в
производственных системах: Учебное пособие. / А.В. Федотов. –
Омск.: Изд-во ОмГТУ, 2001.
12. Хомченко, В.Г. Автоматизация технологических процессов и
производств: Учебное пособие. / В.Г. Хомченко, А.И. Голобурдин,
А.В. Федотов. – Омск.: Изд-во ОмГТУ, 1999.
13. Штанько, Р.И. Электроника, микропроцессорные средства и
техника связи: Учебное пособие. / Р.И. Штанько. – М.: РГАЗУ, 2002.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Осипов Николай Егорович
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Технический редактор Губанова И.А.
Компьютерная верстка Сорокиной Ю.В.
Гарнитура Таймс. Типография.
Усл. печ. л. 8,1. Тираж 30 экз.
Издательство Липецкого кооперативного института
398002, г. Липецк, ул. Зегеля, 25 а
131
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
81
Размер файла
2 908 Кб
Теги
3027
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа