Технические средства автоматизации

а -типа ПРЗ.ЗЗ; б -типа ПР3.34

Пропорционалъно-интегрально-дифференциальный регулятор ПР3.35 реализует закон

,

где T_п - время предварения.

Регулятор ПР3.35 (рис. 7.22) содержит блоки предварения Д, пропорциональный П и интегральный И.

Блок Д представляет собой устройство прямого предварения типа ПФ2.1 (без оконечного усилителя мощности). Его выходной сигнал Pj -"Pl+TnPi вводят в пропорциональный блок П, представляющий регулятор типа ПР2.8. Интегральный узел И построен в основном аналогично интегральному блоку регулятора ПР3.31 (элементы П, ЭС, ВК, V и ПОС на рис. 7.20), однако его дроссельный делитель с ПС b₁, a₁ перенесен в регуляторе ПР3.35 в блок П.

В блоке П суммируют сигналы P₁/, Р₃/ и p(P₁Р₃)dt/T_и, образуя командное давление Р. Настройку регулятора ПР3.35 осуществляют с помощью регулируемого дросселя b₁ (предел пропорциональности изменяется от 100 до 3000%), ПС b₂ (параметр варьируется от 2 до 100%); дросселем b₃ устанавливают время интегрирования T_и от 3 до 6000 с, а ПС b₄ в устройстве предварения ПФ2.1 - время Т_п от 3 до 600 с.

Каждый узел регулятора ПР3.35 имеет выключающее реле, что позволяет осуществлять его безударное включение при смене режима управления с ручного на автоматический. Регулятор имеет два переключателя, обеспечивающие возможность работы как с нормально открытыми, так и с нормально закрытыми ИМ и РО.

Рис. 7.22. Схема ПИД-регулятора типа ПР3.35

ПИД-закон реализуют также с помощью ПИ-регулятора ПР3.31 и устройства прямого предварения ПФ 2.1. При параллельном соединении ПР3.31 и ПФ2.1 используют дополнительный сумматор типа ПФ1.1, где из выходных сигналов регулятора и устройства предварения вычитают Р₁ вследствие чего параметры настройки ПИД-регулятора оказываются независимыми друг от друга. При последовательном соединении ПФ2.1 и ПР3.31 (или ПР3.31 и ПФ2.1) параметр настройки Д-составляющей ПИД-регулятора зависит от предела пропорциональности .

Пневматические вторичные приборы. Эти приборы предназначены для показания и регистрации сигнала Р, а также сигнализации об его отклонениях за диапазон заданных изменений. Все вторичные приборы имеют одинаковую функциональную структуру измерительного узла: преобразователь сигнала Р в усилие (чаще всего сильфон); рычажный сумматор сил; преобразователь малых перемещений в давление воздуха Р₀; исполнительный механизм (преобразователь давления Р₀ в большие перемещения стрелки прибора); устройство отрицательной обратной связи (пружина). В зависимости от типа прибора в его состав дополнительно входит лентопротяжный механизм с редуктором и двигателем, станция управления режимами работы АСП, устройства сигнализации.

Вторичные приборы типа ПКП предназначены для показания с погрешностью ±0,5 или ±1,0% одного (ПКП.1) или двух (ПКП.2) сигналов. В соответствии с этим прибор имеет один или два однотипных измерительных узла (рис. 7.23, а) и две шкалы. Измеряемое давление Р₁ вводят в сильфон С, усилие от которого передается на рычажный сумматор . При вариациях давления Р₁ рычаг перемещается и изменяет расстояние до сопла (СП) и давление воздуха Р₀, вводимого в камеру исполнительного механизма (ИМ), что приводит к перемещениям поршня (ПР) с мягкой уплотнительной манжетой (М). Поступательное движение поршня преобразуется во вращение вала, на шкиве (Ш) которого закреплен тросик (ТР), перемещающий каретку (К) со стрелкой относительно линейной (или квадратической) шкалы (ШК). Одновременно изменяется натяжение пружины обратной связи П₀, что ведет к уравновешиванию моментов сил, действующих на рычаг . Для настройки нуля и диапазона шкалы прибора служат корректоры КР.



Рис. 7.23. Вторичные пневматические приборы:

а - измерительная схема прибора ПКП;

б - исполнительный механизм прибора ПВ

Модификации приборов ПКП.1П и ПКП.1Э обеспечивают кроме показания пневматическую и электрическую сигнализацию достижения давлением Р₁ заданных значений Р, Р⁺.Для этого в приборе ПКП.1 устанавливают 2 фиксатора диапазона [Р, Р⁺], представляющие собой ПС типа «сопло-заслонка», и два пневмоклапана КЛАМП или дискретный пневмоэлектропреобразователь ППЭД.2 (либо не выпускаемый серийно П1ПР.4). При Р₁=Р или Р⁺ каретка прибора открывает сопло фиксатора, и давление воздуха на входе клапана или преобразователя становится равным нулю, вследствие чего на выходе КЛАМП (или ППЭД.2) появляется усиленный пневматический (или электрический) командный сигнал.

Вторичные приборы типа ПВ функционально устроены аналогично приборам ПКП и отличаются от них только исполнительным механизмом (рис. 7.23,б). При изменении давления Р₀ после сопла СП и в камере ИМ упругая чашечная мембрана (МБ) перемещает опору (ОП), которая поворачивает вспомогательный рычаг _в около оси, что вызывает перемещение тросика ТР с закрепленной на нем кареткой со стрелкой и пером и пружины обратной связи.

Прибор ПВ.1 осуществляет показания одного сигнала Р₁. Вторичный прибор ПВ3.2 контролирует сигнал Р₁, задание Р₃ и командное давление регулятора Р на трех независимых шкалах. Он снабжен станцией управления, позволяющей реализовать с помощью переключателя и двух кнопок режимы ручного дистанционного управления (регулятор отключен); автоматического регулирования (регулятор включен, Р₃=const); автоматического программного регулирования (регулятор включен, Р₃(t) вырабатывает программный задатчик).

Приборы контроля регулирующие типа ПКР.1, ПКР.2 позволяют показывать на одной или двух шкалах один или два сигнала и регистрировать с погрешностью ±0,5% на одной ленточной диаграмме один или два сигнала. Измерительный узел прибора аналогичен узлу ПКП, с той разницей, что на каретке К закреплено кроме стрелки перо с чернильным баллончиком. Приборы работают с линейными или квадратическими шкалами длиной 100 мм, диаграммная бумага движется со скоростью 20 мм/ч (по заказу 40, 60 или 1200 мм/ч). Для перемещения ее с погрешностью ±0,3% необходимы электродвигатель переменного тока, понижающий редуктор со сменными зубчатыми шестернями и лентопротяжный механизм.

Серийно выпускаемые пневматические приборы и регулирующие устройства приведены в табл. 7.2.

12. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ

12.1 Исполнительные устройства

Устройство, преобразующее управляющий сигнал регулятора или контроллера в перемещение регулирующего органа (РО), называют исполнительным механизмом (ИМ). Такое устройство обычно состоит из исполнительного двигателя, передаточного или преобразующего узла (например, редуктора), а также систем защиты, контроля и сигнализации положения выходного элемента, блокировки и отключения. РО предназначен для непосредственного воздействия на объект управления путем изменения материальных или энергетических потоков, таким образом ИМ является приводом РО. Поэтому ИМ называют еще сервоприводом. Часто совокупность ИМ и РО называют исполнительным устройством (ИУ).

Большинство управляющих воздействий в тепловой энергетике и других отраслях реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, теплоносителя и т.д.). Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как

F = F(ДP, н, с, C₁, C₂, …),

где ДP - перепад давления на РО, н - вязкость, с - плотность, С_i - некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д.

Отсюда видно, что на расход F можно воздействовать:

путем изменения ДP (насосные ИУ);

путем изменения н или с (реологические ИУ);

путем изменения коэффициентов С_i (дроссельные РО).

Насосные ИУ делятся на группы:

С вращательным движением РО:

шестеренчатые - зубья шестеренок создают со стенками корпуса множество объемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается в нагнетательную; обратный ток жидкости существенно меньше, так как при зацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики;

шиберные (ротационные) - при вращении ротора шиберы (пластины) центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменные объемы, увеличивающиеся на всасывающей и уменьшающиеся на нагнетательной линиях;

винтовые - перекачка производится винтовым шнеком;

центробежные - изменение расхода происходит за счет изменения входной скорости в полости рабочего колеса (ротора) насоса.

2. С поступательным движением РО:

поршневые;

мембранные;

сильфонные.

Исполнительные устройства реологического типа. Некоторые жидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действием электрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла, олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F(н).

ИУ данного типа представляет собой электромагнитный преобразователь, где путем изменения управляющего напряжения осуществляется изменение электромагнитного поля в РО, которое в свою очередь влияет на вязкость н. При этом расход F на РО изменяется пропорционально вязкости.

12.2 Исполнительные механизмы

Наиболее характерна классификация ИМ по виду потребляемой энергии (табл. 5.1) на гидравлические, пневматические и электродвигательные или электромагнитные.

Таблица 5.1. Исполнительные механизмы

Схема	Наименование	Вход	Выход	Выходная мощность, Вт
	Поршневые двигатели с поступательным (а) и вращательным (б) движением поршня	Давление 0,1...10 МПа	Механическое перемещение	10-2... 5104
	Пневматический мембранный двигатель	Давление 0,1...0,5 МПа	То же	До 200
	Электродвигательный исполнительный механизм	Напряжение	Механическое вращение	До 4104
	Электромагнит-соленоид	То же	Механическое перемещение	До 1,4103

Гидравлические ИМ. Они состоят из управляющего и исполнительного элементов. Обычный вариант первого элемента - золотник, второго - гидроцилиндр. Последний, в свою очередь, реализует поступательное (а) или вращательное (б) движение выходного вала (табл. 5.1). В гидравлических ИМ входная величина - перемещение управляющего устройства или давление жидкости на поршень р, а выходная - перемещение (поворот) выходного вала S.

Постоянная времени реального гидравлического ИМ при больших скоростях перемещения поршня сильно возрастает, что объясняется резким увеличением сил вязкого трения поршня, но все-таки с достаточной точностью его характеристики совпадают с характеристиками интегрирующего звена, постоянная времени которого прямо пропорциональна площади поршня и обратно пропорциональна , где р₁и р₂ - давление нагнетания и слива рабочей жидкости.

Гидравлические ИМ обладают высокой точностью и выходной мощностью.

Пневматические ИМ. По устройству аналогичны гидравлическим. Они получили широкое распространение благодаря высокой надежности, простоте конструкции и возможности получения достаточно больших усилий.

Крутизна статической характеристики пневматического ИМ находится в прямой зависимости от площади мембраны и в обратной - от коэффициента жесткости пружины (несколько возрастает по мере ее сжатия). Соответственно, при малых изменениях выходного параметра S динамику механизма можно представить характеристиками безынерционного звена, причем коэффициент передачи которого несколько убывает с увеличением S.

Общие недостатки пневматических и гидравлических ИМ - сложность операций по их наладке и ремонте, необходимость специальных компрессорных (насосных) установок для их питания.

Электродвигательные ИМ. В них используют электродвигатели постоянного и переменного тока, в том числе асинхронные двухфазные с полым ротором, с конденсаторами в цепи обмотки управления, а также асинхронные трехфазные двигатели. Исполнительные двигатели постоянного тока имеют независимое возбуждение или возбуждение от постоянных магнитов. Управляют этими двигателями, изменяя напряжение на якоре или на обмотке возбуждения (якорное или полюсное управление).

В большинстве конструкций электрических ИМ применяют двухфазные и трехфазные асинхронные двигатели.

Асинхронный двухфазный двигатель приближенно можно рассматривать как инерционное звено, если выходная величина - угловая скорость ротора, или как два последовательно соединенных звена - интегрирующее и инерционное, если выходная величина - угол поворота ротора (табл. 5.1).

Значение коэффициента передачи зависит от способа управления двигателем, а постоянная времени - от сигнала управления, возрастая с уменьшением пускового момента двигателя от 0,1 до 0,2 с (для полого ротора с обмоткой типа «беличьего колеса»).

Передаточная функция асинхронного трехфазного двигателя соответствует динамике инерционного звена.

Коэффициент преобразования и постоянную времени определяют по механической характеристике двигателя и рабочей машины.

Отечественная промышленность выпускает электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В:

- многооборотные (МЭМ),

- однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360є,

- прямоходовые (МЭП).

Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Нм, время хода 10 с, номинальный ход 0,25 оборота).

Большинство электродвигательных ИМ работает в режиме, когда скорость перемещения не зависит от значения отклонения регулируемого параметра от заданного. Такой ИМ состоит из асинхронного электродвигателя, редуктора, концевых и путевых выключателей, датчиков (преобразователей), тормозного устройства и ручного привода.

Электродвигатель с редуктором служит для преобразования электрической энергии в механическую, достаточную для перемещения РО.

Концевые выключатели используют для отключения пускателя при достижении РО крайних положений, а путевые выключатели - для ограничения диапазона перемещения РО в автоматическом режиме.

Датчики положения формируют сигнал, пропорциональный углу поворота выходного вала ИМ. Этот сигнал используется индикатором положения на пульте оператора, а также, возможно, в качестве сигнала обратной связи по положению ИМ.

Ручной привод обеспечивает возможность ручной перестановки РО при нарушениях работы электрической части механизма.

Включение-отключение электродвигателя по команде регулирующего устройства осуществляется через посредство электромагнитного или полупроводникового релейного устройства-пускателя.

Реверс электродвигателя электромагнитного ИМ с трехфазным электродвигателем обеспечивается изменением схемы подключения двух фаз.

После размыкания силовых контактов (рис. 5.1, а) и отключения напряжения питания электродвигателя выходной вал ИМ останавливается не сразу, а продолжает в течение некоторого времени движение по инерции. Так называемый «выбег» может существенно ухудшать качество регулирования. Уменьшают выбег с помощью тормоза, представляющего собой электролитический конденсатор С, подключаемый через размыкающие блок-контакты КМ1 и КМ2 к одной из статорных обмоток электродвигателя. В результате этого в статорной обмотке появляется ток, наводящий в статоре магнитное поле, которое, взаимодействуя с вращающимся ротором, создает противодействующий вращению тормозной момент, уменьшающий выбег ИМ.

Главный недостаток электромагнитного релейного пускового устройства - невысокая надежность. Значительно лучшие характеристики имеет полупроводниковое релейное устройство (рис. 5.1, б).

Основу устройства составляют два тиристорных ключа на симисторах VS1 и VS2, которыми управляют с помощью сигналов «Больше» - «Меньше», вырабатываемых регулятором или оператором. Каждый из тиристорных ключей включен в цепь питания одной из статорных обмоток электродвигателя.

При отсутствии управляющих сигналов тиристорные ключи разомкнуты и электродвигатель неподвижен.

Рис. 5.1. Схемы управления ИМ:

а - с трехфазным асинхронным электрическим двигателем;

б - с однофазным конденсаторным электрическим двигателем

Включение симистора происходит в результате подачи на управляющий электрод отрицательного напряжения, вырабатываемого соответствующим выпрямительным мостом, питаемым от разделительного трансформатора Т2 (ТЗ) при наличии командного сигнала от регулятора или оператора.

Трансформатор Т1 разделяет управляющие и силовые цепи. Реверсирование электродвигателя осуществляется изменением схемы подключения обмоток, при этом одна обмотка подключается к сети непосредственно, а вторая - через фазосдвигающий конденсатор С.

Таким образом, движение ИМ может быть описано системой уравнений, соответствующих движению ИМ в сторону открытия, неподвижному состоянию и движению в сторону закрытия,

Т_ИМ dy/dt=1 при х>;

Т_ИМ dy/dt=0 при <х<;

Т_ИМ dy/dt=1 при х<,

где T_ИМ - время, равное времени движения ИМ из одного крайнего положения в другое; - зона нечувствительности релейного устройства.

Характеристика ИМ - существенно нелинейная, но линейные законы регулирования могут быть реализованы и с этим механизмом при использовании регулятора с импульсным выходом.

Электромагнитные ИМ. Они представляют собой соленоиды и электромагнитные муфты. Соленоидный ИМ - это катушка, втягивающее усилие которой при подаче управляющего сигнала U перемещает якорь на расстояние S, преодолевая сопротивление пружины.

Статическая характеристика электромагнитных ИМ, как правило, нелинейная, и их используют в системах позиционного регулирования.

Электромагнитные муфты могут быть фрикционными, порошковыми или асинхронными. Фрикционная муфта состоит из двух полумуфт, посаженных на ведущий и ведомый валы. В одной из полумуфт расположена обмотка возбуждения. При подаче на нее напряжения полумуфты сдвигаются и возникающая сила трения приводит их в движение. Такие муфты также применяют в системах позиционного регулирования и защиты оборудования при аварийных нарушениях его работы.

Принцип действия порошковой муфты основан на изменении вязкости ферромагнитной массы, заполняющей муфту. При подаче на катушку напряжения вязкость ферромагнитной массы возрастает и передаваемый момент увеличивается.

В муфтах скольжения момент вращения передается посредством магнитного поля, создаваемого обмоткой, расположенной на ведущей полумуфте. При ее вращении в ведомой полумуфте, как в роторе асинхронного двигателя, индуцируется ток, от взаимодействия которого с магнитным полем возникает момент вращения, увлекающий ведомую полумуфту за ведущей.

Порошковые и асинхронные электромагнитные муфты могут быть использованы и в системах непрерывного регулирования. В этом случае их характеризует передаточная функция инерционного звена с постоянной времени 0,03...0,25 с (для порошковых) и 0,11...0,45 с (для асинхронных муфт).

12.3 Регулирующие органы

Устройство, позволяющее изменять направление или расход потока вещества или энергии в соответствии с требованиями ТП называют регулирующим органом (РО).

Работоспособность РО определяется его характеристиками: диапазоном регулирования и рабочей расходной характеристикой.

Отношение максимального расхода среды G_max к минимальному G_min соответствующему перемещению РО из одного крайнего положения h_min в другое h_max, называют диапазоном регулирования

R= G_max/G_min.

Зависимость расхода среды от положения РО h называют рабочей расходной характеристикой

G=f(h).

При разработке, выборе и наладке РО для обеспечения возможности эффективного управления технологическим процессом в широком диапазоне нагрузок и при разных режимах следует обеспечить достаточный диапазон регулирования и линейную рабочую характеристику в пределах этого диапазона. Используемые в сельскохозяйственном производстве РО можно разделить на три группы.

Регулирующие органы объемного типа (рис. 5.2, а). Они изменяют расход среды за счет изменения ее объема (например, ленточные питатели-дозаторы компонентов сыпучих смесей). Материал на ленту поступает непосредственно из бункера через воронку в его нижней части. На фронтальной грани воронки в вертикальных направляющих перемещается заслонка, посредством которой осуществляется регулирование производительности питателя.

Для исключения заклинивания ленты высота щели h между заслонкой и лентой должна быть не менее (2,5...3)d_max, где d_max - максимально возможный размер частиц материала.

Рис. 5.2. Регулирующие органы:

a ленточный питатель (объемный), б - вибрационный питатель;

в - ленточный питатель (скоростной); г - тарельчатый питатель;

д - шнековый питатель; е - секторный питатель; ж - тарельчатый клапан;

з - золотниковый клапан; и - поворотная заслонка

Регулирующие органы скоростного типа. Они изменяют производительность РО за счет изменения его частоты вращения. К РО этого типа относят устройства для регулирования частоты вращения вытяжных вентиляторов систем вентиляции, шнековых питателей-дозаторов и т.д.

Рациональный выбор рабочего органа и его конструктивное оформление в значительной степени обеспечивают надежность устройства и точность дозирования.

Вибрационные питатели (рис. 5.2, б) предназначены для подачи из бункера, не имеющего дна, мелко- и крупнокусковых материалов. Подачу материала регулируют изменением амплитуды выпрямленного напряжения, подводимого к электромагнитам питателя. Электромагниты, жестко связанные с корпусом лотка, заставляют его вибрировать с определенной частотой. Материал вследствие небольшого наклона лотка перемещается к его концу со скоростью, зависящей от амплитуды питающего напряжения. Достоинства вибрационных питателей - отсутствие вращающихся частей, плавное и практически безынерционное регулирование производительности.

Ленточные питатели (рис. 5.2, в) предназначены для выдачи сыпучих материалов с различными размерами фракций. Производительность питателя зависит от размеров фракций материала и скорости перемещения ленты V. Последнюю можно изменять с помощью частоты вращения электропривода или бесступенчатого вариатора, управляемого ИМ.

Тарельчатые (дисковые) питатели (рис. 5.2, г) предназначены для подачи из бункеров преимущественно мелкозернистых и мелкокусковых материалов. Тарельчатый питатель представляет собой круглый плоский диск (тарель), устанавливаемый под бункером и вращаемый специальным приводом желательно с возможностью регулирования частоты вращения п.

Между бункером и тарелью устанавливают манжеты и нож, с помощью которых осуществляется регулирование сечения потока материала. Более точное регулирование осуществляют поворотом ножа или изменением частоты вращения тарели. Производительность питателя зависит от изменения физических свойств материала, высыпающегося на тарель.

Шнековые питатели (рис. 5.2, д) более всего пригодны для выдачи мелкозернистых и мелкодисперсных материалов.

Производительность шнекового питателя пропорциональна квадрату диаметра рабочего винта D, шагу S и частоте его вращения п.

Секторные питатели (рис. 5.2, е) предназначены для выдачи мелкозернистых материалов. Основа конструкции секторного питателя - вращающийся барабан, разделенный радиальными перегородками на несколько секторов.

В частном случае (барабанный питатель) сектор может быть и один. Секторный питатель устанавливают под бункером. Материал выдается за счет поочередного заполнения и опорожнения секторов в процессе вращения ротора.

Производительность регулируют, изменяя частоту п вращения рабочего органа.

Недостатком питателя является зависимость степени заполнения секторов от числа оборотов п вращения ротора.

Регулирующие органы дроссельного типа. Они изменяют расход вещества за счет изменения скорости и площади сечения потока жидкости или газа при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого - переменная величина. Типы дроссельных РО:

плунжерные - расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор», форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F(h) была линейна (h - положение штока);

шланговые - расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1).

диафрагмовые - используют гибкие мембраны;

заслоночные - используют заслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода;

краны - используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол;

задвижки - расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода.

Регулирующие клапаны (рис. 5.2, ж и з) отличаются формами плунжера 1 и седла 2.

Каждая конструкция характеризуется прежде всего зависимостью площади проходного сечения F клапана от положения плунжера. Для тарельчатого клапана, показанного на рисунке 5.2, ж, эту характеристику называют конструктивной и рассчитывают по формуле (h_max = 0,25D)

F=Dh,

где D - диаметр отверстия, м.



Рис. 5.3. Регулирующий золотниковый клапан

Для золотникового клапана (рис. 5.2, з и 5.3) с прямоугольным сечением окон

F=nbh,

где п - число окон; b и h - ширина и высота окна, м.

Поворотные заслонки (рис. 5.2, и) круглой или прямоугольной формы предназначены в основном для регулирования расхода газообразных сред при малых перепадах давления на регулирующем органе.

Зависимость площади проходного сечения от угла поворота заслонки имеет вид

F=0,78D_у²(1-cos),

где D_у - диаметр условного прохода круглой или равной ей по площади прямоугольной заслонки, численно равный внутреннему диаметру круглой заслонки, м; - угол поворота заслонки, изменяющийся от 0 до _max.

Работоспособность системы автоматического управления в значительной мере зависит от правильности выбора регулирующего органа. Выбирают конкретный РО по данным справочников или каталогов в соответствии с наибольшим значением пропускной способности.

13. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПО ТИПУ ПРОИЗВОДСТВА

Все многообразие существующих производств можно подразделить на несколько типов. Под типом производства понимают классификационную категорию производства, выделяемую по признакам широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска продукции. В соответствии с этим различают единичное, серийное и массовое производства.

Одной из основных характеристик типа производства является коэффициент закрепления операций, определяемый отношением числа всех технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест.

Единичное производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как правило, не предусматриваются.

Серийное производство характеризуется изготовлением или ремонтом изделий периодически повторяющимися партиями. В зависимости от количества изделий в партии или в серии различают мелкосерийное (коэффициент закрепления операций 21-40), среднесерийное (коэффициент закрепления операций 11-20) и крупносерийное (коэффициент закрепления операций 1-10) производства.

Массовое производство характеризуется большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых или ремонтируемых продолжительное время, в течение которого на большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция. Коэффициент закрепления операций для массового производства принимают равным единице.

Следует отличать тип производства от вида производства. Под видом производства понимают классификационную категорию производства, выделяемую по признаку применяемого метода изготовления изделия. Примерами видов производства являются литейное, сварочное и т.д.

Производственный процесс - это совокупность всех действий людей и орудий труда, необходимых на данном предприятии для изготовления и ремонта продукции.

Технологический процесс - это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Технологический процесс может быть отнесен к изделию, его составной части или к методам обработки, формообразования и сборки. К предметам труда относятся заготовки и изделия.

Технологическая операция - это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте.

Под изделием понимается комбинация материалов, предметов, программных и иных компонентов, готовых к использованию по назначению.

Форма организации технологических процессов изготовления изделия зависит от установленного порядка выполнения операций технологического процесса, расположения технологического оборудования, количества изделий и направления их движения в процессе изготовления. Существуют две формы организации технологических процессов: групповая и поточная.

Групповая форма организации технологических процессов характеризуется однородностью конструктивно-технологических признаков изделий, единством средств технологического оснащения одной или нескольких технологических операций и специализацией рабочих мест.

Поточная форма организации технологических процессов характеризуется специализацией каждого рабочего места на определенной операции, согласованным и ритмичным выполнением всех технологических операций на основе постоянного такта выпуска, а также размещением рабочих мест в последовательности, строго соответствующей технологическому процессу.

Массовое и крупносерийное производства предполагают применение высокопроизводительного специального основного технологического оборудования, объединенного автоматическими транспортно-загрузочными механизмами периодического действия, что в комплексе представляет собой автоматические линии. Возрастающие темпы технического прогресса требуют в массовом производстве сравнительно частого изменения конструкций и свойств выпускаемых изделий, что вызывает необходимость в переналадке или изменении структуры автоматической линии. Таким образом, гибкость в данном случае заключается в обеспечении возможности нетрудоемкого перехода от обработки одной детали к обработке другой подобной детали.

Среднесерийное многономенклатурное производство характеризуется частой сменой выпускаемых изделий, а также небольшой длительностью выпуска деталей одного типа. Комплексная автоматизация такого производства наиболее эффективно может быть осуществлена на основе создания гибких производственных комплексов, базирующихся на методах групповой технологии.

В мелкосерийном и единичном производствах для обработки большой номенклатуры часто сменяемых деталей целесообразно использовать автономные производственные ячейки - гибкие производственные модули, позволяющие повысить рентабельность этих производств.

Таким образом, в зависимости от номенклатуры и объема выпуска изделий степень рациональности использования определенного технологического оборудования различна.

Соответствующие области применения различного оборудования в смысле гибкости и производительности в зависимости от числа деталей одного наименования, выпускаемых за год (N), и числа разных наименований (М) показаны на рис. 1.1.



Рис. 1.1. Области применения различного оборудования по гибкости и производительности

Использование гибких автоматизированных производств (ГАП) позволяет значительно снизить стоимость продукции в условиях среднесерийного, мелкосерийного и единичного типов производства.

1.3. Системы управления оборудованием

Системы управления оборудованием предназначены для организации работы отдельных типов оборудования исполнительной системы, а также для согласования их совместного функционирования.

Управление базируется на использовании модульного принципа. Основные модули представляют собой оборудование с программным управлением. Функционально модуль с программным управлением подразделяется на управляющий автомат и объект управления. В управляющий автомат загружается программа, которую он преобразует в последовательность управляющих воздействий, передаваемых по каналам связи. Объект управления, которым может быть, например, станок, отрабатывает управляющие воздействия, выполняя соответствующие рабочие операции.

Текущее состояние объекта управления характеризуется величинами сигналов обратной связи, формируемыми датчиками и подводимыми в управляющий автомат. За счет наличия обратной связи управляющий автомат может формировать или корректировать последовательность действий в соответствии с текущим состоянием объекта управления. Например, может быть разрешено выполнение очередной рабочей операции после получения сигнала с датчика о завершении предыдущей операции или выбрана соответствующая ветвь программы после поступления с датчика сигнала о необходимости изменения последовательности действий по результатам контроля объекта обработки.

Для взаимодействия с другими модулями в управляющем автомате формируется информация, отражающая такие характеристики состояния модуля, как моменты окончания отдельных фаз технологического процесса, завершение выполнения программы или наличие особых ситуаций, возникающих в процессе функционирования модуля.

Программное управление модулем обеспечивает, во-первых, его автоматическое функционирование в соответствии с заданной программой и, во-вторых, возможность изменения процесса функционирования путем загрузки в модуль другой программы, что характеризует гибкость работы модуля.

Система управления включает технические и программные средства.

Технические средства системы управления - это вычислительные машины, устройства сопряжения с объектом и устройства передачи данных. Технические средства функционируют под управлением программных средств.

Программные средства - это программы, определяющие порядок реализации функций, возложенных на систему управления. В зависимости от назначения программы эти средства делятся на обслуживающие и функциональные.

Обслуживающие программы предназначены для выполнения вспомогательных в смысле целевого назначения модуля функций, таких, как управление начальной загрузкой программ и данных в память ЭВМ, контроль работоспособности ЭВМ и других аппаратурных средств системы управления, управление обменом данными и другими модулями ГАП. Совокупность обслуживающих программ, обеспечивающих управление работой ЭВМ и реализующих вспомогательные функции по управлению модулем, является операционной системой ЭВМ.

Функциональные программы, называемые также технологическими или прикладными, предназначены для организации управления работой модуля. В них содержится информация о последовательности действий в управляемом объекте в соответствии с технологическими программами.

В процессе автоматического функционирования система управления модулем ГАП обеспечивает:

- управление порядком функционирования оборудования;

- формирование данных о нормальном или аварийном завершении операций;

- контроль за исправностью управляющих устройств и управляемого оборудования.

Комплекс самостоятельных единиц оборудования, объединенных так, чтобы было возможно их независимое или параллельное функционирование под управлением одной программы, называется ячейкой ГАП. Как правило, каждой ячейкой производства, транспортной системой и автоматическим складом управляют специальные ЭВМ. Совместное функционирование ячеек, транспорта и склада обеспечивается СУ ГАП, которая включает в себя центральную ЭВМ, управляющую ЭВМ низшего уровня иерархии, аппаратуру для связи с другими ЭВМ и оборудование операторов, контролирующих работу ГАП. Функциональная схема СУ ГАП, действующей на уровне линии, участка и цеха, представлена на рис. 1.2.



Здесь материальные потоки, в отличие от информационных, обозначены двойными стрелками.

Исполнительный комплекс состоит из:

- системы ячеек, объединяющей обрабатывающие, контрольно-измерительные и робототехнические модули для реализации заданной технологии;

- транспортной системы, включающей в себя автоматические транспортные средства, и программной системы управления транспортными средствами:

- автоматического склада, программно управляемого системой управления автоматическим складом.

Система управления реализует следующие основные функции:

- загрузку в ЭВМ программ, обеспечивающих функционирование компонентов исполнительной системы в соответствии с планом производства изделий;

- синхронизацию работы компонентов исполнительной системы с темпом работы оборудования согласно заданной технологии и плану производства изделий.

Загрузка управляющих программ сводится к передаче программ из памяти ЭВМ СУ ГАП в другие ЭВМ, управляющие компонентами исполнительной системы. Процедура загрузки программ представляет собой переналадку производства, которая заключается не в переналадке оборудования, а в передаче информации в ЭВМ, которые управляют оборудованием.

Синхронизация работы компонентов ГАП производится использованием соответствующих компонентов исполнительной системы по временной диаграмме функционирования ГАП и текущему состоянию каждого компонента. Управление работой компонентов и контроль их состояний осуществляются с помощью передачи сообщений между ЭВМ СУ ГАП и ЭВМ, управляющими компонентами исполнительной системы. Сообщения передаются по линиям связи, объединяющим все ЭВМ в единый управляющий комплекс.

Электронные вычислительные машины, управляющие ячейками, транспортной системой и автоматическим складом, связаны с центральной ЭВМ СУП высшего уровня, через которую они взаимодействуют и в памяти которой собираются все данные о состоянии производства. На основе этих данных программа управления, реализуемая центральной ЭВМ СУП, формирует команды, передаваемые по линиям связи в ЭВМ нижнего уровня, управляющие конкретным оборудованием. Уменьшение нагрузки на центральную ЭВМ СУП производится за счет передачи данных между ЭВМ одного уровня. Такая связь обеспечивает, например, координацию работы транспортной системы и автоматического склада.

Система управления производством может быть информационно связана с автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП) и автоматизированной системой управления производством (АСУП). С помощью АСТПП выполняется подготовка программ функционирования производства для каждого из изделий, входящих в номенклатуру. Подготовка программ заключается в разработке маршрутов движения заготовок в процессе их обработки между секциями автоматического склада и ячейками линии, участка или цеха; определении состава инструмента для каждого технического участка и составлении технологического маршрута изделия. На основе технологического маршрута разрабатываются программы управления станками, промышленными роботами, контрольно-измерительными устройствами, транспортной системой и автоматическим складом. Временная диаграмма производства изделия составляется путем определения времени операций, выполняемых ячейками ГАП, транспортными средствами и складом. Исходя из нее, формируется программа для центральной ЭВМ СУП.

С помощью АСУП осуществляются календарное и оперативное планирование производства, учет продукции и использование производственного оборудования, комплектация производства заготовками и инструментом, а также выдача информации о состоянии производства. Гибкое автоматизированное производство функционирует в соответствии с календарным планом, который составляется АСУП. Система управления производством передает в АСУП данные о ходе производства, необходимые для оперативного планирования и учета производства.

Кроме управления исполнительной системой, обеспечения взаимодействия с АСТПП и АСУП центральная ЭВМ СУП выполняет функции по обслуживанию диспетчера-оператора, контролирующего состояние производства и управляющего им в ситуациях, выходящих за рамки возможностей программ управления. В этом случае центральная ЭВМ СУП принимает команды от человека и на их основе реализует управление оборудованием. Для выполнения функций, связанных с диспетчированием, центральная ЭВМ снабжается соответствующими программами и устройствами ввода-вывода данных, обеспечивающими, например, ввод данных в ЭВМ с клавиатуры диспетчера-оператора и вывод их на дисплей и печатающее устройство.

Система управления производством является многоуровневой системой программного управления на базе ЭВМ. Принципиальная схема управления производством показана на рис. 1.3.

Исполнительная система представлена в виде совокупности модулей, выполняющих технологические и транспортные операции над материальным потоком. Через устройства сопряжения с объектами ЭВМ управляет модулями.

Первый уровень управления решает задачи управления отдельными компонентами исполнительной системы. Входящие в него ЭВМ могут взаимодействовать между собой для согласования работы соседних модулей.

Второй уровень координирует работу ЭВМ первого уровня и реализуется центральной ЭВМ системы управления линией, участком или цехом. Поскольку линии, участки и цехи материально и организационно взаимосвязаны, они также должны быть информационно взаимосвязаны путем сопряжения своих центральных ЭВМ или через ЭВМ более высокого уровня иерархии.

Третий уровень управления представляет собой ЭВМ АСТПП и ЭВМ АСУП, которые связаны с центральной ЭВМ.

Через них можно оперативно вводить необходимую информацию в виде программ и данных по технологической подготовке производства и по его плановому управлению. ЭВМ третьего уровня в общем случае включают в себя также ЭВМ САПР.



Рис. 1.3. Уровни управления производством АРМ - автоматизированное рабочее место; РМО -рабочее место оператора; У СО - устройство сопряжения с объектом, М - модуль исполнительной системы

Современная автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Непрерывную во времени картину развития АСУТП можно разделить на три этапа, обусловленные появлением качественно новых научных идей и технических средств.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. Человек реализует функции расчета задания и параметров настройки регуляторов.

Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система. С помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ).

Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале -применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем. Затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Концепция SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) -диспетчерское управление и сбор данных - позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA-системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, удобство пользования подсказками и справочной системой повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении. В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами.

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис.1.4.

Рис. 1.4. Обобщенная схема системы контроля и управления технологическими процессами

Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно-аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам PLC (Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции:

« сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

* управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

* решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественного, так и зарубежного производства. На рынке представлены десятки типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Микро-SCADA - это системы, реализующие стандартные базовые функции, присущие SCADA-системам верхнего уровня, но ориентированные на решение задач автоматизации в определенной отрасли, т.е. узкоспециализированные системы. В противоположность им SCADA-системы верхнего уровня являются универсальными.

Все компоненты системы управления объединены между собой каналами связи. Обеспечение взаимодействия SCADA-систем с локальными контроллерами, контроллерами верхнего уровня, офисными и промышленными сетями возложено на так называемое коммуникационное программное обеспечение.

Большой объем информации, непрерывно поступающий с устройств ввода-вывода систем управления, предопределяет наличие в таких системах баз данных (БД). Основная задача баз данных - своевременно обеспечить пользователя всех уровней управления требуемой информацией.

Для специалиста-разработчика системы автоматизации, так же как и для специалиста-технолога, очень важен графический пользовательский интерфейс. Функционально графические интерфейсы SCADA-систем похожи. В каждой из них существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации.

Крайне важен также вопрос о поддержке в рассматриваемых системах стандартных функций GUI (Graphic Users Interface), поскольку большинство SCADA-систем работают под управлением Windows, что и определяет тип используемого GUI.

Система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней внешние независимо разработанные компоненты.

Современные SCADA-системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня, так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода-вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. Сами драйверы разрабатываются с использованием стандартных языков программирования.

...