Автоматизация работы производство

Автоматизация работы производство,Упомянутые выше приборы и аппараты, подключенные к технологическому оборудованию производства с целью замены деятельности человека, называют автоматикой. А процесс внедрения этих приборов в производство называют автоматизацией. ...

1 КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
1.1 Система контроля
1.2 Система управления
1.3. Система автоматического регулирования (САР)
1.4 Принципы и законы регулирования
1.5 Разновидности систем автоматического регулирования
2 ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

3 ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ
3.1 Основные свойства объектов регулирования
4 РЕГУЛЯТОРЫ
4.1 Классификация регуляторов
5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
5.1 Автоматизация строительно-дорожных машин
и поточно-транпортных систем

5.2 Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения

5.3. Автоматизация систем теплогазоснабжения
5.4 Автоматизация общезаводских установок

6 МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО СОСТАВЛЕНИЮ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
6.1 Основные требования ГОСТ 21.404-85
6.2 Примеры построения обозначений приборов и средств автоматизации

ВВЕДЕНИЕ

Ключевой политикой деятельности современного предприятия во всем мире является получение максимальной прибыли, которая обеспечивается техническим прогрессом.. Последний определяется в первую очередь механизацией и автоматизацией.
Труд человека в значительной мере обеспечили машины-орудия и машины-двигатели. Затем возникла необходимость совершенствования работы этих машин путем введения приборов контроля и управления. Например, при работе на бетономешалке рабочий включает и выключает бетономешалку, включает транспортеры подачи компонент бетонной смеси, определяет дозу компонент, и параметры бетонной смеси и т.д. Однако рабочий не всегда сможет оптимально управлять этим процессом, ввиду ограниченности своих возможностей. Но можно сделать так, что перечисленные операции будут выполнять специально созданные машины, так называемые манипуляторы. В конечном итоге мы получим автоматическую машину под названием автомат.
Степень автоматизации машины можно увеличить путем введения новых приборов и аппаратов, например устройства для контроля и регулирования вязкости бетона, температуры подшипников, количества выдаваемого бетона и т.д. Наконец можно ввести автоматическую координацию работы упомянутых приборов с помощью микропроцессоров и создать автоматизированный цех или завод. Таким образом, образуются автоматизированные комплексы под названием автоматизированная система управления АСУ.
Упомянутые выше приборы и аппараты, подключенные к технологическому оборудованию производства с целью замены деятельности человека, называют автоматикой. А процесс внедрения этих приборов в производство называют автоматизацией.
Одним из примеров достижений автоматизации можно назвать автоматизированный завод по производству автомобильных поршней. На этом заводе автоматизированы все процессы, начиная с загрузки литейных агрегатов и кончая упаковкой готовых изделий. По сравнению с технологией на обычных автомобильных заводах, автоматический завод при равночисленном выпуске продукции требует в 3 раза меньше производственных площадей, в 5 раз меньше рабочих, производительность труда увеличена в 9 раз, а себестоимость продукции уменьшена в 3 раза.
Кроме повышения производительности автоматизация изменяет характер самого труда и значительно повышает качество продукции. Например, применение автоматизированных строительно-дорожных машин и установок не только облегчает труд рабочих, но и обеспечивает безопасность работы, экономит строительные материалы, улучшает условия труда. Здесь уместно использование принципиально новых машин – роботов, выполняющих однообразно повторяющиеся ручные операции человека. Робот одинаково ритмично работает без отдыха, выходных дней, отпусков и сокращения рабочего дня на вредном производстве.
В настоящее время при бурном развитии электроники, компьютерной техники и микропроцессорных систем автоматического управления появились широкие возможности организовывать цеха-автоматы и заводы-автоматы. Но вся автоматика в итоге базируется на отдельных разновидностях систем управления и регуляторов.
Инженер любой специальности обязан знать эти разновидности и их характеристики, уметь организовать эксплуатацию таких систем, производить настройку и оценку их эффективности, так как высокая эффективность и широкое внедрение автоматики в производство могут быть достигнуты в результате совместных усилий специалистов в области автоматики и в области технологии. В этой связи студенты специальностей: 4306, 4305, 4301, 1702, 1601 изучают «Основы автоматизации производства», а по специальности 2803 изучают дисциплину «Основы автоматизации машин и робототехника».
По упомянутым дисциплинам специальных учебников нет, а существующие учебные пособия малочисленны и устарели. Эти пособия дают изложения на основе теории регулирования преимущественно с аналитическим описанием характеристик систем автоматизации. Совсем нет пособий с наглядными примерами автоматизации на основе функциональных схем по действующему в настоящее время ГОСТу 21.404-85. Студенты вынуждены использовать типовые проекты различных проектных институтов, где им трудно разобраться.
В данном учебном пособии сделана попытка к представлению основ автоматизации в общедоступной форме. Изложение дано на основе логического рассуждения с конкретными примерами из разных областей техники.
В пособии рассмотрено более десятка примеров автоматизации разных производственных участков из различных отраслей промышленности. Составлены функциональные схемы автоматизации и подробно пояснены обозначения этих приборов по действующему стандарту.

Измерительную часть регулятора: задатчик, элемент сравнения, усилитель и формирователь управляющего воздействия монтируют также в одном корпусе и устанавливают на щите оператора. Этот комплекс образует вторичный прибор. Его называют регулятором т.к. он является определяющим звеном в цепи управления.Все элементы регулятора соединяются последовательно с помощью так называемых прямых связей. Для этих связей используют рычаги, зубчатые передачи, электрические провода, трубки для гидравлических и пневматических связей.В результате образуется множество конструкций регуляторов. Но с точки зрения обеспечения процесса регулирования на заданном техническом уровне регуляторы классифицируют по ряду признаков.Классификация регуляторов4.1.1 По роду энергии , используемой для приведения в действие составных элементов регуляторов, их подразделяют на пневматические, гидравлические, электрические и комбинированные (электропневматические, электрогидравлические).В пневматических регуляторах источником рабочей энергии и носителем передаваемых сигналов является сжатый воздух. Действие пневматического регулятора основано на изменении давления воздуха под действием параметра регулирования и на преобразовании давления воздуха в механическое усилие для перемещения мембран, трубок, поршней и т.д. Пневматический регулятор представляет собой набор взаимосвязанных пневматических устройств: различных дросселей, мембран, упругих элементов, камер и соединительных трубок. Работа регулятора обеспечивается подводом к нему очищенного сжатого воздуха со стабильным давлением.Пневматические регуляторы широко применяют в промышленности благодаря высокой надежности, простоте эксплуатации, а также пожаро- и взрывобезопасности. В принципе их можно использовать для регулирования любых физических величин. Для этого нужно лишь ввести в состав регулятора соответствующий измерительный преобразователь и возможно нормирующий блок.Конструкция и технические возможности гидравлического регулятора аналогичны пневматическому. Здесь используется лишь другой энергоноситель –давление жидкости. Но в месте с тем в гидравлических регуляторах появляется положительный момент - отсутствие сжатия жидкости по сравнению с воздухом. Это позволяет развивать большие усилия в гидравлическом регуляторе, потому они находят применение в СДМ.Однако в практике промышленного производства наиболее распространены электрические регуляторы. Их достоинство состоит в простоте и удобстве использования электроэнергии, дающей возможность простой передачи воздействий на расстояние, простой связи между регулятором и переферийными устройствами. Это расширяет функциональные возможности регуляторов.В качестве электрических регуляторов пока еще используются автоматические мосты, автоматические потенциометры и дифференциально-трансформаторные автоматические приборы. Для этого упомянутые приборы оснащаются контактно-кулачковым формирователем управляющего воздействия, позволяющим осуществить двух или трехпозиционное регулирование. Для непрерывного регулирования используют пропорциональные и изодромные регуляторы типа ПР1, ИР.В настоящее время эти регуляторы заменяются электронными микроконтроллерами типа Ремиконт, Ламиконт, Симатик, Адам. Благодаря использованию микроэлектроники микроконтроллеры обеспечивают высокое быстродействие и широкие функциональные возможности.4.1.2 По назначению различают регуляторы температуры, давления, расхода, перемещения и т.д. Определяется это параметром регулирования. Но современные регуляторы универсальны благодаря включению на их входе нормирующих блоков. Это стандартные блоки, обеспечивающие преобразование сигналов различной природы в стандартный унифицированный сигнал. Например, в электрический ток 0-5 мА преобразует токовый преобразователь, к которому могут быть подключены различные измерительные преобразователи параметров объекта регулирования. Существуют также пневматические преобразователи.Тем не менее, конкретно смонтированный универсальный регулятор будет определен по назначению группой параметров управления.4.1.3 По способу действия на объект регулирования или способу связи с регулирующим органом регуляторы делят на две группы: непосредственного (прямого) действия, в которых усилие, необходимое для перемещения регулирующего органа, создается изменением параметра регулирования без применения постороннего источника энергии и непрямого (косвенного) действия, работающие с использованием постороннего источника энергии.Примером регулятора прямого действия может служить показанный выше на рисунке 12 поплавковый регулятор уровня топлива в камере карбюратора двигателя внутреннего сгорания. Его структурная схема показана на рисунке 13.Рисунок 13 – Система с поплавковым регуляторомРегулирующий орган (клапан, запорная игла) перемещается за счет изменения уровня топлива, вызывающего перемещение поплавка через силу Архимеда. Больше здесь никаких источников энергии нет.Наглядно видна простота такого регулятора. Но этот регулятор имеет существенные недостатки: низкую чувствительность и рывковое движение регулирующего органа. Низкая чувствительность предельно ясно проявляется в следующем эксперименте. Предположим, что ДВС уменьшил число оборотов, тогда F2 < F1 и уровень топлива начнет повышаться. Повышение уровня топлива должно переместить поплавок вверх, клапан вниз, приток F1 уменьшится, достигнет равенства F1=F2 и уровень топлива не будет повышаться. Однако сразу это не произойдет. Дело в том, что для перемещения клапана вниз нужна сила поплавка, превышающая силы трения в клапане. Поэтому уменьшение числа оборотов ДВС, уменьшит расход F2, уровень топлива начнет повышаться, поплавок будет погружаться в топливо и вытеснять необходимый объем жидкости, вес которой образует упомянутую необходимую силу для движения клапана. Только после накопления вытесненного поплавком объема начнется движение клапана и отработка неравенства F2 <F1. Получается, что уровень изменяется, а клапан не двигается, т.е. параметр регулирования изменяется, а регулирующее воздействие не появляется в ответ на это изменение. Регулятор не чувствует изменение параметра регулирования. Эта чувствительность появляется лишь после накопления необходимого объема жидкости.Образуется зона нечувствительности регулятора.Рывковое движение регулирующего органа происходит следующим образом. При неподвижном клапане возникают капиллярные соединения между золотником и седлом клапана. Золотник удерживается капиллярными силами в неподвижном состоянии. Потому в приведенном выше эксперименте вытеснение и накопление необходимого объема топлива поплавком происходит в расчете на силы трения в клапане и капиллярные силы. Но как только начнется движение клапана, капиллярные соединения обрываются, и мгновенно освобождается сила, накопленная для них. В результате образуется избыточная сила, дающая рывковое движение клапана. Рывковое движение исключает возможность малого перемещения клапана, что создает явление перерегулирования, т.е. переход регулирующего органа через положение, соответствующее равновесному состоянию системы. Это вызывает колебательный режим работы регулятора и динамическую ошибку регулирования.Пример регулятора непрямого действия показан на рисунке 14. По схеме этого рисунка видно, что усилие для перемещения регулирующего органа создается электромагнитом ЭМ, который работает за счет энергии электросети. Усилие поплавка здесь используется только для коммутации контактов К1, К2, обеспечивающих подачу энергии электросети к исполнительному механизму ЭМ через схему управления. В результате поплавок не нагружен силами трения. Он более подвижен, т.е. чувствителен к изменению уровня.На работу регулятора не влияют здесь и капиллярные силы, так как мощность на выходном штоке исполнительного механизма заведомо больше сил трения и капиллярных сил и движение клапана определяется только мощностью исполнительного механизма.В результате регулятор непрямого действия имеет выше чувствительность, большую точность регулирования, но он сложнее по устройству и соответственно дороже.Рисунок 14 – Система с регулятором непрямого действия4.1.4 По скорости изменения регулирующего воздействия регуляторы бывают с постоянной и переменной скоростью перемещения регулирующего органа.Регуляторы с постоянной скоростью сохраняют эту скорость неизменной в любых ситуациях и на всем интервале процесса регулирования. В итоге эту скорость нельзя сделать большой, потому что при большой скорости увеличивается продолжительность движения регулирующего органа после его выключения за счет инерции. Это явление называют выбегом, который создает перерегулирование, т.е. переход параметра через заданное значение, вызывающий колебательный режим работы и появление динамической ошибки регулирования. С другой стороны, небольшая скорость перемещения регулирующего органа не обеспечивает высокое быстродействие регулятора, соответственно увеличивается время регулирования.Регуляторы с переменной скоростью при включении в процесс регулирования перемещают регулирующий орган с большой скоростью, а по мере приближения параметра регулирования к заданному значению уменьшают скорость перемещения. Это обеспечивает почти мгновенную остановку регулирующего органа в момент выключения движения при равенстве параметра регулирования с заданным значением, что исключает недостатки регулятора с постоянной скоростью.4.1.5 По характеристике действия, т.е. характеру связи между входной и выходной величинами, регуляторы делятся на прерывного (дискретного) и непрерывного действия.В первом случае регулятор включает свое воздействие на объект регулирования мгновенно (скачком) и периодически в виде последовательности импульсов, длительность и частота повторения которых зависит от истинного значения параметра регулирования только в определенные моменты времени процесса регулирования.Во втором случае регулятор непрерывно, т.е. плавно воздействует на регулирующий орган в течение всего времени регулирования, пока параметр регулирования достигнет заданного значения с определённой точностью.Наиболее наглядно это можно показать с помощью «характеристики действия регулятора», под которой понимают две, связанные между собой зависимости. Одна зависимость показывает изменение регулирующего воздействия во времени, а вторая показывает соответствующее изменение параметра регулирования в том же времени. В итоге выявляется зависимость между изменением параметра регулирования и регулирующим воздействием.Характеристика действия двухпозиционного регулирования с неполным отключением регулирующего воздействия показана на рисунке 15. Регуляторы прерывного действия. Примером дискретного регулятора является устройство в системе на рисунке 14. Характеристика действия системы показана на рисунке 15.Рассмотрим процесс формирования характеристики действия.Рисунок 15 – Характеристика действия дискретного регулятораПоплавок соединен с переключателем контактов К1, К2. При снижении уровня топлива поплавок (в момент t1 на рисунке 15) замыкает контакт К1, который через релейную схему управления включает электромагнит клапана и открывает его скачком (дискретно). Уровень топлива повышается до верхнего Хв значения. В момент t2 поплавок замыкает контакт К2 и через промежуточное реле выключает электромагнит клапана скачком (дискретно). Клапан перемещает золотник из полностью открытого состояния на 50% открытие. Уровень понижается до нижнего Хн значения и с момента tз процесс повторяется. Кривая изменения регулирующего воздействия (У) наглядно показывает периодичность включения воздействия в моменты t1,t3 и изменение длительности импульсов воздействия. Очевидно, в момент tз нагрузка на объект регулирования возросла и потому подъем параметра регулирования до верхнего предела Хв замедлился по сравнению с интервалом t1–t2, а скорость снижения до нижнего Хн предела увеличилась в интервале t4–t5. Нагрузкой (возмущением) на объект регулирования здесь является потребление топлива ДВС.Функциональная зависимость регулирующего воздействия (У) имеет разрыв в моменты t1,t2, t3, t4, т.е. прерывается закономерность и такое управление называют прерывным.В процессе регулирования моменты включения (t1, t3) и выключения (t2, t4) определяются значением параметра регулирования. Эти значения фиксированы верхним Хв и нижним Хн пределами. В остальные моменты времени регулирующее воздействие не зависит от величины параметра регулирования и сохраняется на определенном значении (позиции). Таких значений здесь два - при полном открытии клапана У2 и при пятидесятипроцентном открытии У1. В результате регулирование и регулятор называют двухпозиционными.В регуляторах такого типа происходит квантование, т.е. преобразование регулирующего воздействия в дискретную величину. В данном случае квантование происходит по уровню входного сигнала Хи. Регулирующее воздействие в данном случае не достигает нулевого значения, поэтому регулирование называют с неполным отключением воздействия.При позиционном регулировании параметр (уровень топлива) все время изменяется в диапазоне от минимального до максимального значения, что является недостатком такого регулирования. Этот диапазон называют зоной регулирования, в пределах которой параметр имеет разброс от среднего значения, снижающий точность регулирования. Можно повысить точность уменьшением диапазона, но тогда увеличится частота включения регулирующего воздействия, что приведет к снижению срока службы регулятора.Регуляторы непрерывного действия имеют непрерывную функцию регулирующего воздействия во времени. Следует иметь в виду непрерывность по закономерности изменения, а не по остановке процесса регулирования. Все регуляторы прерывают процесс регулирования, если параметр регулирования достигает заданного значения.Примером регулятора непрерывного действия является устройство на рисунке 12 и 13. Характеристика действия приведена на рисунке 16.Процесс формирования характеристики действия следует из принципа действия САР. До момента t1 наблюдался равновесный режим, в этот момент ДВС увеличил обороты, соответственно увеличилось потребление топлива F2 и уровень начал снижение. Следом за уровнем опускается вниз поплавок, он открывает клапан, увеличивается приток F1 и снижение уровня прекращается в момент t’1 , начинается его возврат к заданному значению. В момент t2 уровень достигает заданного значения. Если в этот момент обороты ДВС уменьшатся, то произойдет переход уровня через заданное значение и аналогичное, но противофазное, изменение процесса регулирования. Так будет происходить до наступления равновесного режима в момент t5.. Характерно, что регулирующее воздействие У в данной системе изменяется плавно (по непрерывному закону) в течение всего интервала регулирования t1t5. Здесь отсутствуют релейные изменения и каждому моменту времени соответствует только одно значение У. Поэтому такой регулятор называют регулятором непрерывного действия.Рисунок 16 – Характеристика действия регулятора непрерывного действияПлавное изменение регулирующего воздействия в соответствии с величиной отклонения параметра регулирования обеспечивает стабилизацию параметра на определенном заданном значении, что дает бóльшую точность по сравнению с прерывным регулированием, при котором параметр регулирования непрерывно изменяется в пределах зоны регулирования.4.1.6 По закономерности изменения регулирующего воздействия регуляторы непрерывного действия делятся на пропорциональные (статические), интегральные (астатические) и пропорционально- интегральные (изодромные). Пропорциональный регулятор (или П-регулятор) – это такой регулятор, у которого регулирующее воздействие на объекте прямо пропорционально ошибке регулирования. Другими словами у П-регулятора величина перемещения регулирующего органа пропорциональна отклонению параметра регулирования.Из определения П-регулятора следует, что регулирование происходит по пропорциональному закону:у= Кр∙Xи(7)где у – величина перемещения регулирующего органа; Xи – ошибка регулирования (сигнал рассогласования); Кр – коэффициент передачи (усиления) регулятора, являющийся настроечным параметром регулятора.Это означает, что каждому значению параметра регулирования соответствует строго определенное (единственное) положение регулирующего органа и определенная величина регулирующего воздействия. В итоге между регулирующим воздействием и отклонением регулируемой величины существует жёсткая линейная зависимость, как в статическом так и в динамическом режимах.В пропорциональных регуляторах величина перемещения регулирующего органа на один процент отклонения параметра регулирования может быть установлена заранее настройкой регулятора. Диапазон этой настройки, в пределах которого изменение параметра регулирования вызывает перемещение регулирующего органа из одного крайнего положения в другое, называют пределом пропорциональности регулятора.Примером пропорционального регулятора может служить устройство в системах на рисунках 12 и 13. В этих примерах определенное значение параметра регулирования (уровня) дает соответствующее положение поплавка, а он соответствующее положение клапана, определяющего приток F1. Здесь не может быть движения клапана без движения поплавка, т.е. без изменения параметра регулирования. Между ними существует жесткая, однозначная зависимость, обеспечивающая пропорциональность.По рисунку 16 видно, что за счет упомянутой однозначной связи сигнала Хи датчика и выходного сигнала (У) регулятора, закономерности их изменения повторяют друг друга. Именно эта однозначная связь порождает недостатки П-регулятора. Главный из них – неспособность регулятора вернуть параметр Хи объекта к заданному значению, если поступившее на объект возмущение остается на нем. Например, в системе на рисунке 13, при увеличении числа оборотов ДВС, увеличится расход F2 и уровень топлива начнет уменьшаться (см. рисунок 16 ). К моменту t’1 уменьшение прекратится за счет дополнительного открытия клапана и увеличения притока F1 до равенства с F2. В момент t’1 F1=F2 и если обороты ДВС остались увеличенными и неизменными, то наступит равновесие САР, при пониженном значении уровня Х'и. Далее уровень останется неизменным на этом пониженном значении т.к. F1=F2. Уровень не может вернуться на прежнее значение, ибо при этом поплавок и клапан также вернутся на прежнее положение, при котором F1 < F2. Это соотношение не позволит поднять уровень и он останется на значении Х'и. (на рисунке 16 это не показано). Установится остаточная статическая ошибка ст=Хз-Х'и., которую называют статизмом.Регуляторы, обладающие таким свойством, называют статическими.Все П-регуляторы статические.Таким образом, можно выделить следующие характерные свойства пропорционального регулятора.Каждому значению параметра регулирования соответствует единственное, определенное положение регулирующего органа.Различным установившимся значениям возмущающих воздействий на объекте соответствуют различные установившиеся значения параметра регулирования.Пропорциональный регулятор обладает статизмом, и чтобы его исключить конструируют регуляторы непропорциональные.Рассмотрим динамические характеристики П-регулятора.Передаточная функция для идеального (безынерционного) регулятора имеет вид W(p)=Кр, а переходная характеристика воспроизводит форму входного воздействия, увеличивая его в К раз.АФЧХ П-регулятора W(j)=Кp (рисунок 17) изображается в комплексной плоскости точкой с координатами (КР;0) , расположенной на вещественной полуоси. Для реального регулятора при возрастании частоты до бесконечности коэффициент Кр снижается до нуля и АФЧХ имеет вид штриховой линии.