Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ТИСКОМ ТА МЕТАЛУРГІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

"АВТОМАТИЗАЦІЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ МАШИН І АГРЕГАТІВ"

для студентів V курсу спеціальності 7.090218 „Металургійне обладнання” денної форми навчання

Укладач: ст. викладач М.М. КОНДРАТЕНКО

Кривий Ріг 2005 р.

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированные системы управления металлургическими процессами являются качественно новым этапом комплексной автоматизации и призваны обеспечить существенное увеличение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции и других технико-экономических показателей металлургического производства.

Особенностью построения АСУ является системный подход ко всей совокупности металлургических, энергетических и управленческих вопросов.

Развитие современного металлургического производства сопровождается интенсификацией технологических и производственных процессов. В современных металлургических технологических процессах обработка материалов происходит с высокими скоростями, при повышенных температурах и давлениях и с использованием разных видов энергии. Создание крупных металлургических агрегатов и их комплексов позволяет более эффективно использовать сырье, топливо, капиталовложения. В то же время осуществлять управление интенсифицированными металлургическими процессами в больших и сложных технологических объектах без использования новейших методов и средств управления - неэффективно или вообще невозможно.

Чем сложнее рабочий металлургический процесс, выполняемый машиной или агрегатом, и чем больше производительность и размеры агрегата, тем более необходимой становится автоматизация. Неточности в управлении могут привести к большим потерям готового металла. Таким образом, управлять современным металлургическим оборудованием должны автоматические системы, способные задать наивыгоднейший режим работы агрегатов и поддерживать все требуемые параметры конечной продукции.

Автоматизация металлургических машин и агрегатов включает в себя оснащение их целым комплексом довольно сложных устройств. Это многочисленные приборы: собирающие и передающие информацию о ходе технологического процесса и параметрах обрабатываемого металла; различные средства автоматизации, сигнализирующие о положении металла, положении механизмов и характере их перемещения, системы автоматического управления, включая управляющие вычислительные машины - компьютеры, обрабатывающие поступающую информацию и выдающие команды для управляющего воздействия на механизмы агрегата.

Автоматические системы для управления машиной или агрегатом в целом должны состоять из ряда объединенных локальных автоматических систем для управления всем ходом технологического процесса, начиная от подачи исходного материала на склад и со склада и кончая поступлением проката на склад готовой продукции.

Несомненно, в ближайшем будущем автоматизация металлургических машин и агрегатов и выполняемых ими технологических процессов получит еще большее развитие, каждая машина или агрегат должны иметь для своего управления компьютер или систему компьютеров.

Было бы, однако, неправильно думать, что применением компьютеров решаются все проблемы автоматизации. Основой успешной работы системы автоматизации является надежный датчик. Если нет надежно работающего этого первого звена автоматической системы, то компьютер не в состоянии этому помочь. Оснащение машин и агрегатов всеми необходимыми приборами, которые бы работали с достаточной степенью точности в условиях металлургического производства, следовательно, является первоочередной задачей автоматизации.

Автоматизация металлургических машин и агрегатов будет успешной только в том случае, если технологический процесс, выполняемый ими, и их конструкции разработаны одновременно с автоматизацией, т. е. когда все эти три основные составные части слиты в единое целое. Нарушение принципа совместной работы конструктора и автоматчика над созданием машины или агрегата может привести к тому, что отдельные механизмы по своей конструкции или качеству не будут соответствовать современным требованиям автоматического управления.

Автоматизация технологических процессов в металлургии обеспечивает их интенсификацию, снижение расходов сырья, материалов, увеличение выхода годного продукта, улучшение качества продукции, а также повышает культуру производства в целом.

Поддержание заданных значений технологических параметров обеспечивается с помощью автоматических регуляторов и устройств, для обслуживания которых на заводах необходимы хорошо подготовленные специалисты, обладающие глубокими знаниями в области автоматического управления и регулирования.

Впервые автоматический регулятор был применен в 1765 г. русским изобретателем И. В. Ползуновым для поддержания заданного уровня воды в котле паровой поршневой машины.

В 1785 г. английский механик Джеймс Уатт использовал в своей паровой машине регулятор для поддержания постоянства частоты вращения. Принцип работы этих регуляторов оказался одним и тем же: они поддерживают заданное значение параметра не точно, а в некотором заданном диапазоне, поэтому в настоящее время такой принцип регулирования называется принципом Ползунова - Уатта.

Применение автоматических регуляторов скорости на паровых поршневых машинах потребовало разработки теории их функционирования.

Основоположниками теории автоматического регулирования являются русские ученые И. А. Вышнеградский и А. М. Ляпунов.

В 1877 г. профессором Петербургского технологического института И. А. Вышнеградским была опубликована работа «О регуляторах прямого действия». Проведя детальный анализ характеристик машины и регулятора, И. А. Вышнеградский раскрыл динамику работы машины, снабженной регулятором типа Уатта, и показал, что машина и регулятор во время работы образуют единую систему. И. А. Вышнеградский заложил теоретические основы построения регуляторов, разработал математические основы линейной теории автоматического регулирования. Труды И. А. Вышнеградского оказали большое влияние на все дальнейшие работы в этой области.

В 1892 г. А. М. Ляпунов опубликовал работу «Общая задача об устойчивости движения», в которой доказал возможность решения вопросов устойчивости регулирования с использованием линеаризованных характеристик.

В 1870 г. были созданы автоматические системы, основанные на использовании электрической энергии. В 1898 г. К. Э. Циолковский предложил автоматический регулятор, предназначенный для стабилизации полета дирижабля (автомат). Большой вклад в развитие теории автоматического регулирования внесли также труды А. Стодолы по регулированию гидравлических турбин, опубликованные в 1893 и 1894 гг.

В 1909 г. был издан в виде книги первый курс лекций Н. Е. Жуковского, в которой приведено классическое изложение теории регуляторов прямого действия. В 1912 г. Н. Е. Жуковский сделал доклад на тему: «Об автоматической стабилизации», в котором впервые излагались основы динамики управления.

В начале 30-х годов теория автоматического регулирования обогатилась частотным аппаратом исследования. В 1932 г. появилась работа X. Найквиста, а в 1938- 1939 гг. - работы А. В. Михайлова, в которых были разработаны новые критерии устойчивости систем автоматического регулирования, с успехом использованные при решении многих практических задач. Идеи, заложенные в этих работах, получили дальнейшее развитие в трудах В. В. Со-лодовникова, Я. 3. Цыпкина и др.

Большой вклад в развитие автоматики внесли советские ученые.

В работах И. Н. Вознесенского, Ю. Г. Корнилова, В. Д. Пивня и др. была разработана теория связанного прямого и непрямого регулирования и найдены условия автономности.

Я.З. Цыпкиным было введено понятие степени устойчивости. Им же в 50-е и 60-е годы развивались теоретические основы релейных и импульсных систем.

Значительный вклад в развитие автоматического регулирования внесли А.А.Андронов, Б. Б. Булгаков, Л. И Мандельштам, Н. Д. Папалекси, В. С. Кулебакин, в. А. Трапезников, Е. П. Стефани, Б. Н. Петров, В. С. Сотсков, Л. С. Гольдфарб, Е. П. Попов, Л. С. Понтрягин, В. В. Козакевич, А. А. Красовский, А. А. Харкевич и многие другие.

Начало работ по автоматизации металлургических агрегатов относят к 1938 г., когда на Магнитогорском и Кузнецком металлургических комбинатах впервые в СССР были созданы системы регулирования теплового режима мартеновских печей.

Большой объем работ по автоматизации действующих металлургических агрегатов и производств осуществляется проектными организациями, научно-исследовательскими институтами и службами автоматизации металлургических предприятий, разрабатывающих и внедряющих непосредственно на заводах новые методы и средства контроля и автоматизации металлургических агрегатов.

В результате использования систем автоматизации повысилась производительность агрегатов, снизилась себестоимость, повысилось качество готовой продукции, а также снизился расход материалов и энергии.

Автоматические регуляторы в настоящее время представляют собой наиболее распространенный, самый массовый вид средств автоматизации разнообразных металлургических агрегатов и процессов.

Для того чтобы правильно выбрать и эффективно использовать автоматические регуляторы, следует хорошо знать их возможности, технические характеристики и принципы действия. Особенно важно знать и уметь правильно учитывать динамические характеристики регуляторов, поскольку в реальных производственных условиях регулятор находится под влиянием непрерывно изменяющихся воздействий и должен реагировать на них в соответствии с заданным законом регулирования. Поэтому при разработке конкретных автоматических систем регулирования для металлургических агрегатов необходимо изучить объекты управления, разработать правила (алгоритмы), по которым должна действовать система для достижения поставленной цели в конкретных производственных условиях, установить объем информации, необходимой для управления, и выбрать средства для технической реализации автоматической системы регулирования.

Следует отметить, что применение тех или иных систем автоматического регулирования в значительной степени определяется экономической целесообразностью, технической необходимостью, повышением качества продукции, обеспечением безопасности для здоровья обслуживающего персонала и др.

Особенность черной металлургии в том, что для непосредственного обслуживания основных технических агрегатов требуется сравнительно небольшой персонал. Поэтому автоматизация доменных и нагревательных печей, сталеплавильных агрегатов и прокатных станов не приводит к сокращению рабочей силы, а, наоборот, вызывает необходимость в дополнительном привлечении высококвалифицированных работников для обслуживания систем контроля и регулирования, но оптимизация технологических процессов полностью компенсирует дополнительные затраты.

На вспомогательных операциях (контроль, отделка, маркировка, упаковка и т. д.) занято, как правило, много рабочих. Автоматизация этих участков производства позволяет значительно сократить численность производственного персонала.

Максимальный экономический эффект от автоматизации может быть получен, когда еще в процессе проектирования металлургического агрегата предусматривается его механизация и технологический процесс строится с учетом современной техники автоматического регулирования, располагающей мощным арсеналом методов и технических средств для получения высокого качества стабилизации и программного регулирования параметров, влияющих на режимы работы металлургических агрегатов.

1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Наиболее эффективным средством управления технологическими объектами являются системы централизованного управления, создаваемые на основе теории управления, использующие экономико-математические методы, вычислительную и управляющую технику. Такие системы управления получили наименование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). АСУ ТП включают в себя большую область систем управления технологическими объектами с разной степенью освобождения человека (оператора) от функций контроля и управления и передачи их автоматическим устройствам.

Автоматические системы управления (ГОСТ 17194-76 «Автоматические системы управления технологическими процессами в промышленности - термины и определения») принадлежат к тем же АСУ ТП, но являются высшей ступенью их развития. Существенным элементом автоматических систем управления (АСУ) являются автоматические системы регулирования (АСР), составляющие так называемую локальную (местную) автоматику.

АСУ ТП представляют собой качественно новую ступень развития средств и методов управления технологическими объектами, так как в них используются технологические и технико-экономические параметры и критерии, а не только технические (физические), как это имело место ранее. В АСУ ТП воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного контроля, электронной и вычислительной техники. Кроме того, АСУ ТП производят общую централизованную обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, после чего информация используется не только для управления этим процессом, но и преобразуется в форму, пригодную для использования на вышестоящих уровнях управления для решения оперативных и организационно-экономических задач.

Таким образом, АСУ ТП является также источником объективной и своевременной информации для АСУ вышестоящих уровней как на металлургическом предприятии, так и в отрасли в целом.

В настоящее время эффект от экономико-информационных функций АСУ ТП оценивается в размере 10-50% дополнительно к прямому экономическому эффекту, полученному от технического функционирования АСУ ТП. В ближайшее время экономико-информационные функции АСУ ТП будут иметь значение, не менее важное, чем эффективное управление технологическим объектом, так как происходит непрерывное и быстрое совершенствование централизованного управления производством. В связи с этим ввод в действие АСУ ТП имеет большое народнохозяйственное значение.

1.1 Общие положения и определения

Современный металлургический агрегат представляет собой совокупность технологического оборудования и средств управления и образует автоматизированный технологический комплекс. Автоматизированное технологическое оборудование и сам технологический процесс являются технологическим объектом управления (ОУ). Совокупность средств управления в составе автоматизированного технологического комплекса образует систему управления АСУ ТП. Следовательно, АСУ ТП есть система, реализуемая на базе вычислительной и управляющей техники, обеспечивающая управление ОУ по технологическим и технико-экономическим критериям на основе централизованно обработанной информации, подготавливающая информацию для решения организационно-экономических задач на вышестоящих ступенях управления.

1.2 Функции АСУ ТП

АСУ ТП выполняет следующие основные функции.

1. Информационно - вычислительные:

Ш сбор, первичная обработка и хранение технической и технологической информации;

Ш косвенные измерения параметров процесса и состояния технологического оборудования;

Ш сигнализация состояний параметров технологического процесса и оборудования;

Ш расчеты технико-экономических и эксплуатационных показателей технологического процесса и работы оборудования;

Ш подготовка информации для вышестоящих и смежных систем и уровней управления;

Ш регистрация параметров процесса, состояний оборудования и результатов расчетов;

Ш контроль и регистрация отклонений параметров процесса и состояний оборудования от заданных;

Ш анализы срабатываний блокировок и защит оборудования;

Ш диагностика и прогнозирование хода технологического процесса, состояний оборудования и комплекса технических средств АСУ ТП;

Ш оперативное отображение информации и рекомендаций по ведению технологического процесса и управлению оборудованием;

Ш выполнение процедур автоматического обмена информацией с вышестоящими и смежными системами управления;

2. Управляющие:

Ш регулирование отдельных параметров технологического процесса;

Ш одноактное логическое управление (выполнение операций по блокировке, защите и др.);

Ш каскадное регулирование;

Ш многосвязное регулирование;

Ш выполнение программных и логических операций дискретного управления процессом и оборудованием;

Ш оптимальное управление установившимися и переходными режимами процесса и работы оборудования;

Ш управление ОУ с адаптацией систем управления.

1.3 Состав АСУ ТП

Основными элементами АСУ ТП являются:

Ш комплекс технических средств (техническое обеспечение);

Ш общесистемная техническая документация;

Ш эксплуатационный персонал.

Комплексом технических средств (КТС) называют совокупность управляющих устройств, устройств передачи сигналов и данных, датчиков сигналов и исполнительных устройств, обеспечивающих выполнение функций АСУ ТП. КТС включает структурные элементы сбора и передачи информации, входящие в информационное обеспечение АСУ ТП.

Схемы КТС АСУ ТП (в зависимости от особенностей ОУ) могут быть с прямым или непрямым взаимодействием информационно-вычислительного (ИВК) или управляющего вычислительного комплекса (УВК) с ОУ.

В свою очередь КТС непрямого взаимодействия бывают с управлением объектом непосредственно оператором (схема разомкнутого управления) или с управлением через локальные средства регулирования и управления (схема комбинированного управления). КТС прямого взаимодействия в зависимости от состава УВК подразделяются на КТС прямого цифрового и КТС прямого аналого-цифрового (гибридного) управления.

Структурные схемы КТС АСУ ТП приведены на рис. 1.

КТС АСУ ТП состоит из следующих основных групп технических средств:

1) устройства получения информации о режимах технологического процесса, оборудования, собственно КТС (датчики сигналов физических величин, устройства ручного ввода сигналов);

2) устройства формирования сигналов и обслуживания каналов передачи информации - преобразователи вида, формы и уровня сигналов, коммутаторы сигналов (мультиплексоры);

3) устройства локальной автоматики - регуляторы, командо-аппараты, интерполяторы, усилители-преобразователи командных сигналов, исполнительные устройства;

4) средства вычислительной техники - устройства переработки информации (серийные цифровые и аналоговые вычислительные машины и решающие устройства, специализированные счетные и решающие устройства), устройства ввода и вывода программ и информации, устройства передачи данных (организации каналов сопряжения вычислительных средств), запоминающие устройства;

5) устройства связи с объектом (УСО) - преобразователи сигналов контроля и управления, коммутаторы сигналов, адаптеры различного назначения, телемеханические устройства;

6) устройства связи с оперативным персоналом - индикаторы, сигнализаторы, регистраторы, щиты комплексного контроля (мнемосхемы), пульты управления.

Современные агрегатируемые технические средства автоматики и вычислительной техники позволяют создавать КТС АСУ ТП преимущественно проектным путем и расширять возможности КТС, наращивая номенклатуру и число устройств без реконструкции структуры АСУ ТП

Общесистемная техническая документация состоит из математического (МО) и организационного обеспечений АСУ ТП. В свою очередь МО подразделяется на алгоритмическое и программное обеспечение.

Алгоритмическое обеспечение включает описание алгоритмов реализации отдельных функций и общего алгоритма функционирования АСУ ТП. Программное обеспечение (ПО) реализует алгоритмы функционирования и делится на стандартное (СПО) и прикладное (ППО).

СПО является составной частью технической документации вычислительных комплексов и включает организующие и диспетчерские программы, транслирующие программы, программы работы УСО, программы редактирования тестов, программы отладки и диагностики, библиотеки стандартных программ. ППО разрабатывается специально для данной АСУ ТП и обеспечивает выполнение ее специфических функций

Рисунок 1 - Структурные схемы КТС АСУ ТП

Организационное обеспечение АСУ ТП состоит из схем описания функциональной, информационной и организационной структур АСУ ТП, комплекса инструкций технологу-оператору и другому эксплуатационному персоналу для работы при различных режимах и состояниях ОУ.

Эксплуатационный персонал, в первую очередь технолог-оператор АСУ ТП, является неотъемлемым элементом системы управления.

В АСУ ТП с разомкнутой схемой управления технолог-оператор осуществляет все функции управления либо исполнительными устройствами, либо устройствами локальной автоматики, пользуясь информацией о состоянии объекта и рекомендациями по рациональному управлению, вырабатываемыми ИВК. Вывод оперативной информации и рекомендаций (советов оператору) производится либо автоматически, либо по запросу оператора. В других разновидностях АСУ ТП технолог-оператор выведен из контура непосредственного управления, осуществляет контроль за работой системы и задает ей те или иные режимы работы и критерии функционирования. Действия оператора обеспечивают также адаптацию системы при наличии внешних возмущений технологического, производственного и экономического характера.

1.4 АСУ ТП в общей структуре управления предприятием

Низовой уровень АСУ на предприятии составляет АСУ ТП основного и вспомогательного производств.

При наличии на предприятии автоматизированной системы управления производством (АСУП) АСУ ТП подготавливает и направляет на вышестоящие уровни, например в ИВЦ АСУП (ИВЦ - информационно-вычислительный центр), первичную технико-экономическую информацию в виде документов установленной формы. В этом случае АСУ ТП называют автономной. Если АСУП имеет развитые каналы передачи данных, то обмен информации между АСУ ТП и ИВЦ АСУП производится автоматически. В этом случае АСУ ТП называют интегрированной.

С вышестоящих уровней управления АСУ ТП получает производственные задания и критерии качества реализации этих заданий

1.5 Классификация АСУ ТП

Классификация АСУ ТП заключается в разбиении всего множества АСУ ТП на группы, характеризуемые определенными признаками. Каждый признак имеет свой код, из совокупности кодов складывается общий классификационный код АСУ ТП (рис. 2). Признаки приведены ниже в таблицах 1 - 5.

Таблица 1 - Информационные функции ИВК (код 1)

Сбор, первичная обработка и хранение технической и технологической информации
Косвенные измерения параметров процесса и работы технологического оборудования
Сигнализация состояний параметров технологического процесса и оборудования	1
Расчеты технико-экономических и эксплуатационных показателей процесса и оборудования
Подготовка информации для смежных и вышестоящих систем и уровней управления
Регистрация параметров процесса, состояния оборудования и результатов расчетов
Контроль и регистрация отклонений параметров процесса и состояния оборудования	2
Анализ срабатываний блокировок и защит	3
Диагностика и прогнозирование хода процесса и состояния оборудования	4
Диагностика и прогнозирование состояния КТС	5
Оперативное отражение информации и рекомендаций по ведению процесса	6
Выполнение процедур автоматического обмена информацией с вышестоящими системами управления	7

Примечания:

1. Функции расположены в порядке усложнения. АСУ ТП выполняет все функции, предшествующие указанной.

2. Коды 1 - 6 соответствуют автономной, код 7 - интегрированной АСУ ТП.

Таблица 2- Функции управления, обеспечивающиеся ИВК или реализуемые УВК (код 2)

Регулирование отдельных параметров технологического процесса	1
Одноактное логическое управление (выполнение операций по блокировкам и защитам)	2
Каскадное регулирование	3
Многосвязное регулирование	4
Выполнение программных и логических операций дискретного управления	5
Оптимальное управление установившимися режимами технологического процесса	6
Оптимальное управление неустановившимися (переходными) режимами технологического процесса и работы оборудования	7
Оптимальное управление технологическим объектом в целом с адаптацией системы управления	8

Таблица 3 - Разновидности АСУ ТП в зависимости от способа управления (код 3)

Способ управления объектом	Режим работы ИВК (УВК)	Кодовое обозначение
Управление оператором	Информационно-советующий	1
Комбинированное управление	Централизованное управление устройствами локальной автоматики	2
Прямое цифровое управление	Централизованное управление исполнительными устройствами и рабочими органами	3
Прямое аналого-цифровое (гибридное) управление	То же	4

Таблица 4 - Количество точек контроля и управления АСУ ТП (код 4)

Число точек контроля и управления, до	100	300	900	3000	>3000
Кодовое обозначение	01	03	09	30	До 99

Примечание. Кодовое обозначение есть округленное до сотен количество точек: 587 точек - 06, 245 точек - 02, меньше 100 точек - 01. При обобщении и статистической обработке сведений об АСУ ТП эти сведения группируются в соответствии с градациями данной таблицы АСУ ТП. 06 относится к группе 09, АСУ ТП 02 - к группе 03 и т д.

Таблица 5 - Классификация основных типов технологических процессов (кодовое обозначение для одиночного агрегата) (код 5)

Непрерывный процесс с непрерывными потоками материалов, реагентов, энергии и т п.	1
Непрерывный процесс с прерывистыми потоками материалов и т. п.	2
Прерывистый процесс с непрерывными потоками материалов и т п.	3
Прерывистый процесс с прерывистыми потоками материалов и т п.	4

Пример. Автономная автоматизированная система управления прерывным технологическим процессом, осуществляющая многосвязное регулирование с комбинированным контролем и управлением 120 параметрами, имеет кодовое обозначение АСУ ТП: 14.2.01/10.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Общая структура кодового обозначения разновидностей АСУ ТП

1.6 Функциональная схема АСУ ТП

На рис. 3 изображена функциональная схема АСУ ТП металлургического производства. Так как одним из основных назначений АСУ ТП является сбор и переработка информации, в схеме существенное место занимают функциональные блоки, предназначенные для этой цели: устройства централизованного контроля, специализированные вычислительные устройства, управляющие вычислительные машины. Источниками информации служат:

1) датчики-преобразователи контрольно-измерительных приборов (КИП), установленных на основном объекте управления и на вспомогательных участках производства; здесь информация поступает автоматически от датчиков автоматического ввода информации (ДАВИ);

2) датчики ручного ввода такой информации (ДРВИ), которая не может вводиться автоматически на современном уровне развития контрольно-измерительной аппаратуры.

Важное место в системе ввода информации занимают контрольные лаборатории, где осуществляются химический, гранулометрический, физико-механический и другие виды контроля сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Пробы в контрольные лаборатории подаются главным образом пневмопочтой. Информация от ДРВИ и ДАВИ поступает в устройства переработки информации.

Выходная информация и технологические рекомендации от машин централизованного контроля и вычислительных устройств поступают к местам их использования: в местные и центральные посты управления, к автоматическим системам регулирования локальной автоматики.

Локальные системы контроля и регулирования в максимальной степени автономны и могут функционировать самостоятельно вне общей АСУ ТП. Показания КИП могут быть использованы обслуживающим персоналом непосредственно у технологических агрегатов. Здесь же устанавливаются органы управления (ключи, кнопки, задатчики) систем автоматической стабилизации отдельных технологических параметров. На первых этапах внедрения АСУ ТП информация от УВМ может использоваться в локальных системах только в виде рекомендаций («советы мастеру») и лишь в дальнейшем после уточнения математических моделей процесса, существенного повышения надежности системы, преодоления определенных психологических барьеров появляется возможность перейти к автоматическому управлению системами локальной автоматики сигналами УВМ, т. е. перейти к комплексным, взаимосвязанным системам управления, ориентируемым на получение конечных целевых технологических критериев.

Функции каждого блока АСУ ТП на схеме рис. 3 распределяются по иерархическому принципу.

Первый уровень системы осуществляет автоматический контроль и стабилизацию основных параметров процесса. На этом уровне функционируют локальные КИП и АСР температуры, расхода, давления, уровня, концентрации и др.

Второй уровень - контроль комплексных параметров, которые получаются в результате несложных математических операций над поступающей информацией (усреднения, алгебраических преобразований, суммирования и т. п.). На этом уровне функционируют устройства централизованного контроля и специализированные аналоговые и цифровые вычислительные устройства.

Третий уровень - текущее управление технологическим процессом; разработка технологических рекомендаций, оптимизирующих процесс; коррекция заданий локальным АСР и математических выражений, используемых на втором уровне. На третьем уровне используются универсальные ЭВМ, реализующие функции управления.

Четвертый уровень - диспетчеризация и оперативный анализ работы производственного участка, в том числе расчет технико-экономических показателей.

При создании второго и высших уровней иерархии решающее значение приобретают математические модели технологических ОУ. В настоящее время математические описания металлургических объектов уже достигли такой глубины и сложности, что их использование возможно только в рамках АСУ ТП с вычислительной техникой. В то же время создание математических моделей оптимизации металлургических процессов требует проведения теоретических и экспериментальных исследований как для разработки основ построения алгоритмов оптимального управления, так и для проверки их достоверности.

Такие исследования в производственных условиях также практически невозможны без применения ЭВМ. Следовательно, необходимость использования вычислительной техники в АСУ ТП диктуется как сложностью уже имеющихся математических моделей процесса, так и требованиями разработки еще более сложных алгоритмов управления. Поэтому в структурных и функциональных схемах АСУ ТП центральное место занимают управляющие вычислительные комплексы УВК.



Рисунок 3 - Функциональная схема АСУ ТП металлургического производства

2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Любой технологический процесс, протекающий в каком-либо объекте (доменной печи, кислородном конвертере, паровом котле, турбокомпрессоре и т.п.), можно характеризовать одним или несколькими параметрами. В качестве параметров процесса можно использовать различные физические, химические и другие величины (например, температуру в нагревательной методической печи, уровень жидкости в барабане парового котла, температуру металла в конвертере). Эти параметры (показатели) процесса в соответствующих конкретных условиях должны или изменяться по некоторому закону, или, наоборот, оставаться постоянными независимо от изменения внешних условий и режимов работы.

Достижение требуемых значений параметров, определяющих желаемый ход процесса в том или ином технологическом агрегате без участия человека, осуществляется устройством автоматического регулирования.

2.1 Основные понятия и определения

Любые технологические процессы представляют собой протекающие во времени процессы преобразования материалов или энергии, т. е. являются, таким образом, процессами динамическими и характеризуются определенными физическими величинами. Для обеспечения требуемого режима работы технологического агрегата эти величины необходимо поддерживать или изменять по тому или иному закону.

Так, для обеспечения качественного нагрева металла в методической нагревательной печи прокатного стана, необходимо поддерживать определенную температуру в рабочем пространстве печи путем подачи топлива (в большинстве случаев природного газа) к горелкам печи в зависимости от темпа прокатки, сортамента металла, размеров слябов и т.п. Помимо этого, воздух к горелкам следует подавать в соответствии с количеством и качеством сжигаемого топлива, так как недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию топлива, а его избыток - к затрате излишнего топлива на нагрев избыточного воздуха. Следует также поддерживать в определенных пределах гидравлический режим печи, так как повышение давления в рабочем пространстве печи ведет к выбиванию газов и пламени в помещение цеха, а значительное разрежение в рабочем пространстве снижает экономичность работы печи и может привести к окислению поверхности металла в связи с подсосом воздуха из помещения цеха.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса.

Параметрами технологического процесса могут являться давление, температура, расход топлива, исходных материалов и готовой продукции, уровень жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ или уровень воды в барабане парового котла, концентрация раствора в травильной ванне, скорость изменения какой-либо величины и т.п. Эти параметры технологического процесса в соответствующих конкретных условиях должны либо изменяться по некоторому закону, либо оставаться постоянными независимо от внешних условий и режимов работы. Таким образом, ход технологического процесса и режим работы агрегата всегда можно характеризовать с помощью одной или нескольких переменных величин, изменяющихся во времени или пространстве. Это могут быть физические величины, измеряемые непосредственно, или сводные показатели, которые вычисляют по результатам нескольких измерений. Эти переменные величины, характеризующие технологический процесс, называют выходными величинами.

Установленный режим работы любого технологического агрегата обычно нарушается внешними воздействиями. Их называют возмущениями (или помехами). Независимо от природы этих возмущений ясно, что их вредное влияние на технологический процесс должно быть скомпенсировано соответствующим управляющим (регулирующим) воздействием, вырабатываемым специальным регулирующим устройством или задаваемым оператором. Подобные воздействия, как полезные (регулирующие), так и вредные (помехи) называют входными величинами. Значения и изменения входных величин определяют ход процесса, т. е. значения и изменения выходных величин.

Например, постоянство температуры в рабочем пространстве методической печи нарушается при изменении условий теплообмена и должно компенсироваться изменением интенсивности нагрева металла; постоянство частоты вращения любого двигателя нарушается изменением внешней нагрузки. Это постоянство поддерживают за счет воздействия на органы, дозирующие подвод пара, топлива и т.д.

Рисунок 4 - Принципиальная схема системы регулирования по отклонению

Для поддержания постоянства (стабилизации) выходной величины можно было бы замерять возмущения и воздействовать на технологический агрегат в зависимости от этих замеров. Такой способ стабилизации технологического процесса называют регулированием по возмущению или автоматической компенсацией. Его иногда применяют, но он трудно реализуем, так как источники возмущений могут быть самыми разнообразными для одного и того же агрегата. Кроме того, не всегда можно учесть все возможные источники возмущений, а компенсируются только те возмущения, которые измеряются.

Для поддержания постоянства какой-либо величины вместо измерения самых разнообразных возмущений ограничиваются замером величины, которую необходимо регулировать (т. е. выходной величины), и воздействуют на агрегат или процесс в зависимости от отклонения этой величины от заданного значения. При таком принципе управления - его называют принципом управления (регулирования) по отклонению - можно обойтись одним измерением при наличии любого количества самых различных возмущений. Естественно, что измеряемую выходную величину при этом невозможно поддерживать абсолютно точно, так как только отклонение величины от заданного значения вызывает управляющее воздействие на процесс. Принципиальная схема системы регулирования, построенной на этом принципе, представлена на рис. 4.

Во многих случаях бывает эффективным применение комбинированного регулирования, сочетающего в себе принципы регулирования по возмущению и отклонению.

Технологический агрегат, машину или иное устройство, осуществляющее технологический процесс, правильность выполнения которого обеспечивается организованными внешними регулирующими воздействиями, называют объектом регулирования. Состояние объекта регулирования характеризуется рядом величин воздействия на объект как внешней среды и процессов внутри самого объекта, так и регулирующих устройств.

Контролируемый параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным независимо от внешних условий или режимов работы или изменять по некоторому закону, называется регулируемым параметром или регулируемой величиной.

Значение регулируемой величины, которую необходимо получить при заранее заданных режимах ее работы, называют заданным значением.

Действующие возмущения вызывают отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и ее значением, заданным или принятым за начало отсчета.

Рисунок 5 - Примеры регулирования уровня воды в баке: а - ручное; б - автоматическое; 1 - регулирующий орган; 2 - подача воды в резервуар, 3 - резервуар; 4 - водомерное стекло; 5 - поплаковый регулятор

На рисунке 5, а представлена схема, позволяющая путем регулирования вручную поддерживать заданное значение уровня в баке. Оператор в зависимости от показания уровня открывает или закрывает вентиль на трубопроводе подачи воды.

Если в рассмотренной системе регулирования уровня с помощью технических средств обеспечить подачу воды в бак в зависимости от величины уровня в нем, то получится автоматическая система регулирования уровня, которая может функционировать без вмешательства оператора.

Технически это можно осуществить, например, по схеме, представленной на рис. 5, б.

В этой схеме для изменения уровня применен поплавковый регулятор уровня. Измерительным устройством регулятора является поплавок, который с помощью рычажной системы связан с регулирующим органом (клапаном). При понижении уровня воды в баке поплавок опускается, перемещая рычажную систему. При этом шток регулирующего клапана перемещается вверх, увеличивая приток жидкости в бак.

Процесс, посредством которого регулируемые величины, характеризующие технологический процесс, приводят в соответствие с их постоянными или изменяющимися по некоторому закону заданными значениями, называется автоматическим регулированием.

Комплекс устройств, присоединяемых к объекту регулирования и обеспечивающих автоматическое поддержание заданных значений его регулируемых величин или автоматическое изменение их по некоторому закону, называют автоматическим регулятором (или автоматическим регулирующим устройством).

В регулятор обычно входят:

Ш измерительное устройство, измеряющее отклонение регулируемого параметра от заданного значения, - его называют чувствительным элементом регулятора;

Ш устройство, с помощью которого это заданное значение регулируемой величины может быть установлено, - задающее (иногда называют суммирующее) устройство (задающее устройство вырабатывает управляющее воздействие, которое называют уставкой регулятора);

Ш управляющее устройство, определяющее по величине отклонения регулирующее воздействие; усилитель;

Ш исполнительный механизм, изменяющий положение регулирующего органа объекта под воздействием управляющего устройства.

Регулирующим органом называют устройство, непосредственно изменяющее количество веществ или энергии при регулировании.

В различных случаях отдельные элементы регулятора могут быть объединены или могут отсутствовать. Так, во многих современных вторичных приборах, электронных потенциометрах и мостах, используемых в схемах регулирования, измерительное, задающее и сравнивающее устройства совмещены.

Если чувствительный элемент регулятора развивает при отклонении регулируемого параметра от заданного значения усилие и энергию, пропорциональные этому отклонению и достаточные для перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью, регулирующий орган непосредственно соединяют с чувствительным элементом. В этом случае регулятор называют регулятором прямого действия. Эти регуляторы применяют в простейших объектах регулирования для поддержания постоянными давления и температуры. Область применения регуляторов прямого действия ограничена объектами, требующими небольших усилий для перемещения регулирующих органов.

Во всех остальных случаях чувствительный элемент регулятора используют только в качестве командного прибора: сигнал с чувствительного элемента управляет каким-либо усилителем (гидравлическим, пневматическим, электронным и т. п.), в котором за счет подвода энергии развиваются усилие и мощность, достаточные для перемещения регулирующего органа. Регулятор, включающий такого рода усилитель, называют регулятором непрямого действия.

В регуляторе И. И. Ползунова (рис. 6) полностью осуществлен общий принцип действия любого автоматического регулятора прямого действия.

Чувствительный элемент (поплавок), измеряющий регулируемую величину (высоту уровня воды в котле), непосредственно перемещает регулирующий орган (клапан питания котла водой). Котел является объектом регулирования. Основным возмущающим воздействием 2 на объект регулирования 4 является изменение величины отбора паpa из котла. При увеличении отбора пара 1 ускоряется испарение воды и уровень воды Н (регулируемая величина) начинает понижаться. Тогда поплавок, опускаясь, будет открывать регулирующий орган (клапан на трубопроводе питающей воды 4), приток питающей воды увеличится и, следовательно, ее уровень в котле будет автоматически восстанавливаться. Кроме изменения отбора пара, возмущающие воздействия 2 на объект будут проявляться также и в изменении условий теплового режима работы котла (интенсивность горения в топке 5, температура питающей воды 3 и окружающего пространства). Регулятор во всех случаях будет действовать таким образом, чтобы ликвидировать нежелательное отклонение уровня воды, по каким бы причинам оно не возникало.

Рисунок 6 - Автоматический регулятор скорости вращения вала паровой машины Дж. Уатта: 1 - нагрузка на валу; 2 - объект регулирования (паровая машина); 3 - центробежный механизм; 4 - регулирующий орган; 5 -питание машины паром



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7 - Автоматический регулятор уровня воды конструкции И.И.Ползунова (ИУ- измерительное устройство)

Центробежный регулятор скорости вращения вала паровой машины Дж. Уатта (рис. 7) имеет другую конструкцию и другую природу регулируемой величины (угловая скорость щ), но основан на том же общем принципе работы регулятора прямого действия. Чувствительный элемент регулятора (центробежный механизм) реагирует на изменение регулируемой величины щ. Если угловая скорость вала щ увеличивается, то грузы центробежного механизма расходятся, муфта поднимается и непосредственно перемещает регулирующий орган (например, заслонку в трубопроводе питающего пара). Благодаря этому изменяется приток энергии в машину. Этим автоматически ликвидируется нежелательное отклонение угловой скорости щ. Основным возмущающим воздействием на объект регулирования здесь является изменение нагрузки на валу паровой машины. Наряду с этим может наблюдаться и другое возмущающее воздействие - при нарушении нормальных параметров пара в питающем трубопроводе.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Пример регулятора непрямого действия

Регулятор гасит влияние любого воздействия (в определенных пределах), стремясь ликвидировать отклонение, по какой бы причине оно не возникало.

На рис. 8 показан типичный пример регулятора непрямого действия с гидравлическим усилителем. При изменении нагрузки топливного насоса изменяется регулируемая величина - угловая скорость вала щ центробежного механизма (чувствительность элемента регулятора). Например, при уменьшении скорости шары центробежного механизма сходятся и перемещают золотник управляющего устройства так, что масло поступает в верхнюю часть цилиндра усилителя, и поршень, опускаясь, перемещает регулирующий орган. При равновесии муфта чувствительного элемента регулятора возвращается в одно и то же положение независимо от положения поршня и перемещаемого им регулирующего органа. В соответствии с этим в одно и то же положение (нейтральное) возвращается золотник.

Ни один регулятор не может точно выдержать заданное значение регулируемой величины, так как по самому принципу действия регулятор вступает в работу только после того, как процесс нарушился под действием того или иного возмущения. Изменение регулируемого параметра во времени, происходящее в результате какого-либо возмущения и вызванного этим возмущением действия регулятора, называется процессом регулирования.

В общем случае совокупность взаимодействующих определенным образом друг с другом объекта регулирования и автоматического регулятора принято называть автоматической системой.

В зависимости от характера деятельности в термин «система» вкладываются различные понятия, но во всех случаях система есть подмножество взаимосвязанных элементов и их свойств, которые можно рассматривать как единое целое благодаря связям между ними и их свойствам.

Рассмотрим подробнее входящие в определение системы термины «элементы», «связи», «свойства», а также термины «структура системы» и «целостность системы».

Элементы - это части или компоненты системы, условно принятые неделимыми.

Свойства - качества, позволяющие описывать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуются совокупностью параметров, которые могут иметь или количественную меру, или выражаться лишь качественно.

Связи - это то, что соединяет элементы и их свойства. Имеется в виду, что каждый из элементов системы соединен прямо или косвенно с любым другим элементом.

Структура системы - понятие, характеризующее способ организации элементов в систему с определенными свойствами путем установления между ними взаимосвязей. Структура и свойства элементов определяют индивидуальные характеристики системы и позволяют рассматривать ее как целостное образование.

Целостность системы проявляется в том, что ее свойства могут качественно отличаться от свойств составляющих систему элементов. Например, телевизор можно представить как систему, элементами которой являются радиодетали (транзисторы, конденсаторы, резисторы, микросхемы и т. п.), определенным образом связанные между собой. Каждую такую деталь можно описать некоторыми свойствами, однако ни одна из них не обладает свойством телевизора - воспринимать и преобразовывать электромагнитные колебания в звук и изображение. Следовательно, система - это не сумма составляющих ее частей, а целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают входящие в нее элементы.

Автоматическая система - это динамическая система. Динамической системой называют совокупность взаимодействующих друг с другом устройств, которая описывается некоторым числом переменных, изменяющихся во времени и пространстве. Динамическая система, содержащая источники энергии, называется активной; не содержащая источников энергии - пассивной. Свойства динамической системы определяются ее физическими параметрами (массой, сопротивлением, емкостью и т. п.). Эти параметры могут быть сосредоточенными, тогда переменные, описывающие поведение системы, зависят только от времени, или распределенными, тогда некоторые из таких переменных изменяются и в пространстве. Изменение переменных, характеризующих систему, называется приложением воздействий. Точку приложения воздействий называют входом системы, а точку, в которой наблюдается результат этого воздействия, - выходом.

Воздействие, подаваемое на вход системы или элемента, называют входным воздействием.

Воздействие, выдаваемое на выходе системы или элемента, называют выходным воздействием.

Таким образом, свойства системы или элемента можно характеризовать, описав выполняемые ими преобразования входных действий в выходные.

Внешними возмущающими воздействиями (возмущениями) называют воздействия, стремящиеся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Различают три вида внешних возмущений: нагрузку, настройку, помехи.

Нагрузкой называют внешнее воздействие, приложенное к объекту регулирования, не зависящее от регулятора, и от которого объект принципиально не может быть защищен.

Настройкой называют возмущения, приложенные к каким-либо элементам регулятора преднамеренно, с целью изменения значения регулируемой координаты, поддерживаемой регулятором.

Помехами называют побочные внешние воздействия на отдельные элементы регулятора или объекта регулирования, не требуемые для нормальной работы системы, уменьшение или устранение которых улучшает работу объекта.

Например, в автоматической системе регулирования питания парового котла воздействия, возникающие в результате изменения отбора пара потребителем, - нагрузка; воздействия на задатчик регулятора для изменения поддерживаемого уровня - настройка; воздействия, возникающие вследствие колебания напряжения питания измерительного блока регулятора, - помеха.

Под задающим воздействием понимают воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины.

Под влиянием возмущающих и задающих воздействий регулируемый параметр может изменяться. Автоматическая система в случае поступления нового задающего воздействия должна соответственно заданию обеспечить с заданной степенью точности новое значение регулируемого параметра в установившемся режиме. При поступлении возмущающих действий автоматическая система должна обеспечить с заданной степенью точности значение регулируемого параметра, соответствующее прежнему установившемуся режиму, т. е. его заданному значению.

За установившийся принимается такой режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени.

Разность между предписанным и действительным значением выходной величины (выходной координаты) автоматической системы называется ошибкой регулирования.

Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо воздействиях называется переходным процессом.

В общем случае в установившемся режиме регулируемая величина может быть постоянной, изменяться по определенному заданному закону или по заранее неизвестному закону в соответствии с изменением ведущей величины. Поэтому установившийся режим в теории автоматического регулирования называется не возмущенным движением системы. Переходный процесс в системе определяет возмущенное движение системы, характеризующее отклонение координат системы и их производных от установившихся значений при не возмущенном движении системы.

...