Ступені (стадії) автоматизації.

Розрізняють три ступені чи стадії автоматизації: часткову, комплексну і повну.

2.1. Часткова – автоматизовані основні виробничі процеси. Завдання керування на цьому ступені автоматизації зводиться до стабілізації заданих параметрів в окремих апаратах. Вона вирішується з допомогою локальних систем автоматичного регулювання різноманітних технологічних параметрів: температури, тиску, рівня, витрати середовища, складу, тощо.

(Локальний – місцевий; той, що не виходить за певні межі; обмежений рамками певного об’єкту).

2.2. Комплексна – повністю автоматизований процес керування, ручне керування залишається лише для запуску та зупинки технологічного процесу і виведення технологічного апарату або системи апаратів з аварійного стану. На другому ступені групи технологічних процесів об’єднані у відділи і цехи. Завдання керування зводиться до забезпечення отримання продукції необхідної якості при мінімальних затратах на її виробництво. Системи керування на цьому ступені є складнішими за своєю структурою і функціональними характеристиками; вони вирішують питання автоматичного розподілу навантажень між агрегатами, здійснюють пошук оптимальних технологічних режимів і дають завдання локальним системам автоматичного регулювання для підтримування необхідних режимів роботи.

2.3. Повна – всі операції здійснюються автоматично. Третій ступінь забезпечує керування теплоенергетичним, хімічним чи іншим підприємством в цілому. Керування на цьому ступені передбачає вирішення планово-економічних завдань, які визначають ефективність роботи усього підприємства. Для вирішення завдань керування на третьому ступені автоматизації застосовуються найскладніші засоби автоматики, швидкодіючі електронні обчислювальні машини, у тому числі мікропроцесорні контролери. Таким чином, автоматизована система керування сучасним підприємством має складну структуру з великою кількістю зв’язків між підсистемами, що в нього входять.

Вирішення перерахованих вище завдань на більш високих ступенях керування (другому і третьому) неможливе без чіткого функціонування локальних систем автоматичного регулювання (САР), які здійснюють безпосередню дію на технологічні процеси. Це ставить високі вимоги до якості і надійності локальних САР. Якість локальних САР визначається вибором раціональної схеми автоматичного регулювання і законів регулювання технологічних процесів. При цьому необхідно знати як властивості типових технологічних процесів, так і автоматичних регуляторів, які застосовуються для автоматизації.

Користь від автоматизації виробничих процесів:

1. Підвищення продуктивності праці;

2. Підвищення економічності установок і агрегатів;

3. Полегшення умов праці і підвищення культури виробництва;

4. Підвищення надійності роботи технологічного обладнання і зниження аварійності.

3. Пристрої ( елементи, системи ) автоматизації.

За своїм призначенням і функціональними діями розрізняють такі пристрої автоматизації:

3.1. Пристрої автоматичного технологічного контролю;

3.2. Пристрої автоматичного регулювання;

3.3. Пристрої дистанційного керування;

3.4. Пристрої автоматичної сигналізації;

3.5. Пристрої автоматичного захисту і автоматичного ввімкнення резерву (АВР);

3.6. Пристрої автоматичного блокування;

3.7. Пристрої автоматичного керування.

3.1. Системи автоматичного технологічного контролю (САТК) здійснюють без участі людини вимірювання (контроль) різних параметрів і величин, які характеризують роботу конкретного технологічного агрегату, установки або протікання якогось технологічного процесу. САТК служать для отримання інформації про стан об’єкту і умови його роботи. В більшості випадків система автоматичного контролю однієї технологічної величини (фізико-хімічного параметру) складається з чотирьох елементів: технологічного об’єкту (ТО), чутливого елементу (ЧЕ), лінії зв’язку (ЛЗ) і приладу вимірювання (ПВ).

 

Чутливий елемент розтащовують безпосередньо в об’єкті контролю або на деякій віддалі від нього. Він сприймає величину (значення) параметру і перетворює її (його) у відповідний сигнал, який надходить лінією зв’язку до приладу вимірювання (ПВ). На схемі видно, що проходження сигналів від її елементів здійснюється лише в одному напрямі, тобто від технологічного об’єкту до приладу вимірювання, в складі якого можуть бути схема вимірювання (СВ) і вимірювальний (реєструючий) прилад (В(Р)П). Такі системи автоматичного контролю називають розімкнутими. В деяких системах технологічного контролю чутливий елемент входить безпосередньо в вимірювальний прилад. В цьому випадку відсутня лінія зв’язку між чутливим і вимірювальним елементами. Тоді вимірювальний прилад (ВП), наприклад термометр або манометр, встановлені безпосередньо на об’єкті і система технологічного контролю має такий вигляд:

 

Якщо вимірювальний прилад, наприклад манометр, встановлений на невеликій віддалі від об’єкту і з’єднаний з об’єктом лінією зв’язку (імпульсною трубкою), то система контролю має вигляд:

 

Системи автоматичного контролю поділяють на місцеві, дистанційні і телевимірювальні.

Системи контролю, в яких вимірювальні прилади розташовані поблизу об’єкту (тобто поблизу місця встановлення чутливого елементу), називаються місцевими.

Автоматичний контроль можна здійснювати і на деякий віддалі від технологічного об’єкту, подовживши лінії зв’язку між ЧЕ і ВП. В цих умовах система місцевого контролю доповнюється введенням у ВП елементу для перетворення результату вимірювання в пропорційний пневматичний або електричний сигнал. Цей сигнал містить в собі інформацію про величину параметру і по відповідній лінії зв’язку передається до другого вимірювального перетворювача, розташованого на віддалі від об’єкту контролю. В другому ВП здійснюється зворотне перетворення сигналу результату вимірювання, переданого по лінії зв’язку, в форму, зручну для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Така система автоматичного контролю називається дистанційною. Таким чином, дистанційна система технологічного контролю (вимірювання) має два вимірювальні пристрої: первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) і вторинний вимірювальний прилад (ВВП).

 

Залежно від вигляду енергії дистанційні системи поділяють на електричні (у тому числі частотні), пневматичні і гідравлічні.

Для передавання результатів вимірювання на віддаль десятків і сотень кілометрів застосовують телевимірювальні або телемеханічні системи технологічного контролю. В таких системах сигнал результату вимірювання, який надходить від ПВП, при допомозі шифратора (Ш) спочатку перетворюється в закодований, звичайно, дискретний цифровий сигнал, який далі надсилається через канал (лінію) зв’язку до дешифратора (ДШ). Після розкодування сигналу в дешифраторі він надходить до ВВП, де знову перетворюються в результат вимірювання і фіксується в цифровій або аналоговій формі.

 

Дистанційні і телевимірювальні або телемеханічні системи також можуть застосовуватися для автоматичного керування різними машинами і механізмами.

3.2. Системи автоматичного регулювання призначені для автоматичного підтримування постійного значення параметрів процесу з допомогою стабілізуючих регуляторів, а також для зміни параметрів процесу за наперед заданим або невідомим законом.

Автоматичне регулювання є найбільш складною ділянкою автоматизації виробничих процесів і найбільш поширеною різновидністю управління безперервними технологічними процесами.

Для підтримання технологічних параметрів об’єкту на заданому значенні без втручання людини використовується система автоматичного регулювання (САР). Функціональна схема САР має вигляд:

 

ОР – об’єкт регулювання; ЧЕ – чутливий елемент; ЕП – елемент порівняння;

ВМ – виконавчий механізм; Q_п – притікання речовини; Q_в – витікання речовини;

Y – регульована величина; ∆φ – розбаланс; μ – регулююча дія.

Як і всяка система управління, САР складається з об’єкту регулювання і відповідних технічних засобів автоматизації. Під об’єктом регулювання розуміють промислову установку, в якій автоматично регулюється технологічний процес.

3.3. Системи дистанційного керуванняслужать для керування будь-яким технологічним процесом з допомогою ввімкнення або вимкнення різних механізмів, машин, апаратів у тому числі за наперед заданою програмою, яка є функцією часу або іншої змінної. Зазначена система здійснює керування машинами та механізмами на відстані.

Екстремальне керування – спосіб автоматичного керування, який полягає у встановлені такого режиму роботи об’єкта керування, при якому вимірювальний показник якості (цільова функція) має екстремальне (мінімальне або максимальне) значення.

Оптимальне керування – спосіб автоматичного керування об’єктом, системою або процесом, при якому забезпечується виконання певного критерію оптимальності (швидкодія, продуктивність, собівартість та ін.)

3.4. Системи автоматичної сигналізації призначені для повідомлення обслуговуючого персоналу про стан того чи іншого об’єкту, обладнання, апарату або про протікання того чи іншого процесу. Якщо автоматичний контроль призначений лише для безперервного визначення і фіксування параметрів об’єкту з допомогою давача (Д) або чутливого елементу ЧЕ в складі первинного вимірювального перетворювача ПВП, вимірювальної схеми (ВС) і реєструючого приладу (РП), то його структурна схема має вигляд:

 

 

В такій схемі сигнали давача сприймаються вимірювальною схемою і передаються на реєструючий прилад для безпосереднього сприйняття їх значень оператором і документування.

Схема автоматичної сигналізації щодо структури та поширення сигналу є аналогічною до попередньої за винятком кінцевого елементу:

 

З – блок завдання; Е П – елемент порівняння; С – блок сигналізації.

При досяганні контрольованим параметром сформованого блоком завдання З заданого значення в блоці сигналізації С утворюються акустичні (звукові) або оптичні (світлові) сигнали, які сприймає людина-оператор. Для порівняння заданого і контрольованого значень параметру передбачений елемент порівняння ЕП.

Застосовуються такі типи сигналізації: контрольна і технологічна.

Контрольна сигналізація – показує стан агрегату (переважно є світловою);

До технологічної сигналізації відноситься попереджувальна сигналізація, яка виявляє несприятливі тенденції, та аварійна сигналізація, яка може бути звуковою або світловою.

Крім цього, може застосовуватися командна сигналізація, яка дає операторові вказівки щодо дій, які б не допускали розвитку аварійних ситуацій.

3.5. Системи автоматичного захисту і автоматичного ввімкнення резерву служать для запобігання можливості виникнення аварійних ситуацій в технічних агрегатах і пристроях. У тому випадку, коли яка-небудь величина, що характеризує поведінку автоматизованого агрегату досягає свого критичного (з тих чи інших міркувань) значення, система автоматичного захисту без участі людини чинить дію на агрегат, який підлягає захисту, частково або повністю припиняючи його роботу. При необхідності продовження роботи ТО в таких випадках спрацьовує система автоматичного ввімкнення резерву.

Структурна схема системи автоматичного захисту крім технологічного об’єкту (ТО), давача (Д), вимірювальної схеми (ВС), блоку завдання (З) і елементу порівняння (Е П), які присутні в схемі сигналізації; додатково містить елемент захисту (Е З).

 

 

При досягненні критичного режиму, сигнал розбалансу між завданням і контрольованою величиною з елементу порівняння надходять до елементу захисту ЕЗ. Останній припиняє подачу енергії до технологічного об’єкту ТО, не допускаючи аварійної ситуації. Якщо системи аварійного контролю і сигналізації були розімкненими, то системи автоматичного захисту є замкненими.

3.6. Системи автоматичного блокування служить для запобігання неправильної послідовності вмикання і вимикання механізмів, машин і апаратів.

3.7. Системи автоматичного керування (САК) або управління (САУ) аналогічні за своєю структурою до систем автоматичного регулювання (САР). Їх структурна схема має вигляд:

 

 

Такі схеми в своєму складі мають перераховані вище елементи і додатково виконавчий механізм ВМ, який за сигналом від регулятора або дистанційно - від оператора з допомогою регулюючого органу діє на технологічний об’єкт ТО керування чи регулювання.

4. Терміни і поняття дотичні до керування й автоматизації:

Кібернетика – наука про керування і зв’язки в природі й суспільстві.

Технічна кібернетика – галузь науки, що займається найбільш загальними принципами керування інформаційними потоками в технічних системах.

Зворотній зв'язок – дія результатів функціонування деякої системи на характер цього функціонування.

Від’ємний зворотній зв'язок – зворотний зв'язок, спрямований на зменшення відхилення системи від початкового стану.

Додатній зворотній зв'язок – зворотній зв'язок, спрямований на збільшення відхилення системи від початкового стану.

Автоматичний регулятор – це пристрій, який діє на технологічний процес з метою підтримання технологічного параметру на заданому рівні. Для вимірювання технологічного параметру застосовується чутливий елемент.

Виконавчим механізмом називається пристрій, який керується регулятором чи дистанційно оператором і який призначений для керування регулюючим органом.

Пристрій при допомозі якого регулятор (або оператор) змінює матеріальний або енергетичний потік для підтримання параметру на заданому значенні, називається регулюючим органом.

Параметр технологічного процесу, значення якого підтримується рівним до заданого, називається величиною, що регулюється.

Процес підтримання рівності величини, що регулюється, до її заданого значення називається регулюванням.

Значення величини, що регулюється, яке необхідно підтримувати на потрібному рівні, називається, заданим значенням, а виміряне значення величини, що регулюється – біжучим значенням.

Різниця між біжучим і заданим значенням величини, що регулюється називається розбалансом, небалансом, розходженням або розбіжністю.

На стан об’єкту регулювання і відповідно, на значення параметрів, що регулюються впливають різноманітні фактори, які називаються впливами. Впливи, які діють довільно і викликають відхилення параметрів, що регулюються, від заданих величин, називаються збурюючими або просто збуреннями.

Найбільш поширеними в промисловості, зокрема в теплоенергетиці, є стабілізуючі автоматичні регулятори безперервної дії з імпульсним (релейним) вихідним сигналом, які реагують на відхилення величини, що регулюється, і які використовують для дії на виконавчий механізм електричну енергію або енергію стиснутого повітря.

Завданням стабілізуючих САР є компенсація впливу збурень на об’єкт регулювання, яка досягається цілеспрямованими змінами регулюючих дій.

Структурна схема регулятора має такий вигляд:

 

До складу такого регулятора звичайно входять: 1- Первинний (передаючий) вимірювальний перетворювач (ПВП), 2- Задаючий пристрій (ЗД), 3- Суматор (С), 4- Вимірювальний блок (ВБ), 5- Регулюючий блок або просто регулятор (Р), 6- Виконавчий механізм (ВМ), 7- Пристрій коректуючого зворотного зв’язку (ЗЗ), сигнал від якого може подаватися в різні місця схеми.

Для прикладу розглянемо принципову схему автоматичного регулювання тиску газу в ємності з допомогою пропорційного регулятора (П - регулятора) прямої дії:

На схемі застосовані такі позначення: 1 - Мембранний пристрій з пружиною або мемебранно-пружинний механізм; 2 - РО - регулюючий клапан; 3 - Об’єкт регулювання (ОР) - газова ємність; 4 - Манометр.

В даній САР тиску газу чутливим елементом служить мембрана, яка при зміні тиску в ОР – ємності 3 прогинається на деяку величину.

Для контролю величини розбалансу, тобто порівняння або співставлення за величиною і знаком біжучого та заданого значень величини, що регулюється (тиску газу в ємкості), служить елемент порівняння – мембранний пристрій 1 з пружиною. При рівності біжучого Р і заданого Р_зд значень тисків в об’єкті зусилля, які діють на мембрану зверху і знизу, рівні. При цьому притікання Q_пр газу і витікання Q_в також рівні між собою. При відхиленні тиску газу в ємності від заданого значення мембрана змінює ступінь стискання пружини, що приводить до переміщення регулюючого клапану 2. Це переміщення змінює прохідний переріз регулюючого органу, а відповідно, притікання газу в ємність. При сталій витраті газу з ємності це приводить до відновлення початкового тиску в резервуарі. Візуальний контроль за значенням тиску здійснюється з допомогою манометра 4.

Збуреннями в даній системі можуть бути, як зміна притікання Q_пр , так і витікання Q_в газу, а регулюючою дією лише зміна притікання Q_пр.

Робота будь-якого з описаних пристроїв чи систем автоматизації неможлива без давачів або первинних вимірювальних перетворювачів автоматики.

Первинним вимірювальним перетворювачем (ПВП) називають спеціальний пристрій, який призначений для перетворення величин, що контролюються чи регулюються, в електричний або інший (пневматичний, механічний, гідравлічний) вихідний сигнал. Він служить для отримання первинної інформації про стан процесу. Основним елементом ПВП є елемент, який сприймає величину, що контролюється чи регулюється. Він називається чутливим елементом. За фізичним принципом давачі або ПВП можуть бути електричні, механічні, акустичні і тощо. Найбільшого поширення в системах автоматики, які застосовуються в теплоенергетиці, набули давачі, що перетворюють неелектричні величини в електричні сигнали.

Давачі можуть класифікуватися за призначенням залежно від вхідної величини, яку вимірюють чи регулюють, наприклад – переміщення (лінійні і кутові), температури, тиску, кількості та витрати тощо. Для вимірювання одного і того самого параметру можуть застосовуватися давачі, які базуються на різних принципах дії. Цей принцип дії визначається їх вихідною величиною, яка може бути електричною, механічною, пневматичною, гідравлічною.

Давачі з електричним вихідним сигналом за способом подання інформації є двох типів:

1. Давачі з безперервними вихідними сигналами - в яких сигнал (напруга, сила струму, частота) зв’язаний з величиною, що вимірюється безперервною функціональною залежністю. В цьому випадку мірою величини, що виміряється, служить величина вихідного сигналу, яка може набувати нескінченне число значень;

2. Давачі з дискретними вихідними сигналами - в яких при плавній зміні величини, що вимірюється, вихідний сигнал змінюється стрибком на деяку величину. Рівень вихідного сигналу може набувати обмежене число значень.

Розглянемо давач або первинний вимірювальний перетворювач як об’єкт, на вхід якого подається величина Х (вхідний сигнал), а на виході формується величина Y (вихідний сигнал). Структурна схема такого об’єкту має вигляд:

 

Відмінність динамічних характеристик давачів з безперервним і дискретним вихідними сигналами ілюструється з допомогою графіків:

 

Важливою характеристикою давача є його чутливість S, яка дорівнює границі відношення приросту вихідної величини ∆Y до приросту його вхідної величини ∆Х при прямуванні ∆Х→ 0, тобто

;

Статистична характеристика давача демонструє залежність зміни вихідної величини Y від зміни Х у стаціонарному режимі:

 

1- пропорційна - S = const (чутливість стала);

2- лінійна - S = const (чутливість стала);

3- нелінійна - S = υar (чутливість змінна);

Для вимірювання значення параметрів і автоматизації технологічних процесів давачі повинні мати пропорційну 1 або лінійну 2 статичні характеристики, тобто повинна забезпечуватися лінійна залежність між вхідною та вихідною величинами і сталість чутливості S у всьому діапазоні роботи ПВП. Інерційність давача – це величина, яка характеризує його динамічні властивості і показує наскільки швидко вихідна величина Y давача починає відповідати вхідній величині Х. В числовому вимірі характеристиками інерційності є стала часуТ і час запізнення – τ_з.