Управление техническими системами

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра Автоматизации химико-технологических процессов

 

Кирюшин О.В.

Управление техническими системами

курс лекций

 

 

Уфа 2003

УДК 658.012 (07)

ББК 32.965я7

К 43

 

 

Рецензенты: директор Регионального центра тестирования, канд. техн. наук,

доцент Ахметсафина Р.З.;

зав. кафедрой АПП, канд. техн. наук, доцент Сафонов В.В.

 

 

К 43 Кирюшин О.В. Управление техническими системами: курс лекций. –

Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. – 80 с.

 

 

Учебное пособие написано по материалам курса «Управление техническими системами», читаемого на кафедре Автоматизации химико-технологических процессов УГНТУ для студентов различных специальностей.

Изложенный материал разделен на три части:

1) теория автоматического управления, в которой содержатся теоретические основы построения систем управления;

2) средства автоматизации и управления, где описываются основные методы измерения и средства автоматизации, используемые в нефтедобыче, нефтепереработке и нефтехимии;

3) современные системы управления производством, где вкратце перечислены основные аспекты построения АСУ ТП.

 

 

Ó Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2003

Ó Кирюшин О.В., 2003

Часть 1. Теория Автоматического Управления (ТАУ)

Основные термины и определения ТАУ.

Основные понятия.

Системы управления современными химико-технологическими процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д.

Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением.

Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора называется ее измеренным значением.

Пример 1.Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа.

 

Рис. 1.1

 

Требуется вручную поддерживать температуру в сушильном шкафу на уровне Т_зад.

Человек-оператор в зависимости от показаний ртутного термометра РТ включает или выключает нагревательный элемент Н с помощью рубильника Р. ¨

На основе данного примера можно ввести определения:

Объект управления (объект регулирования, ОУ) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

Регулирование – частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.

Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.

Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему.

Структурная схема системы регулирования к примеру 1 изображена на рис. 1.2.

 

Пример 2.Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа.

В схеме используется ртутный термометр с контактами РТК. При повышении температуры до заданной контакты замыкаются столбиком ртути, катушка релейного элемента РЭ возбуждается и цепь нагревателя Н размыкается контактом РЭ. При понижении температуры контакты термометра размыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергии на объект (см. рис. 1.3). ¨

Рис. 1.3

 

Пример 3.Схема АСР температуры с измерительным мостом.

При температуре объекта, равной заданной, измерительный мост М (см. рис. 1.4) уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора R_Т и равновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которого зависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное в ЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ в соответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мост сбалансируется и двигатель отключится.

 

 

 

Рис. 1.4

 

Величина заданного значения температуры устанавливается с помощью резистора R_зад. ¨

Исходя из описанных примеров, можно определить типовую структурную схему одноконтурной АСР (см. рис. 1.5). Принятые обозначения:

x - задающее воздействие (задание), e = х - у - ошибка регулирования, u - управляющее воздействие, f - возмущающее воздействие (возмущение).

 

 

Рис. 1.5

 

Определения:

Задающее воздействие (то же, что входное воздействие Х) - воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины).

Управляющее воздействие (u) - воздействие управляющего устройства на объект управления.

Управляющее устройство (УУ) - устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.

Возмущающее воздействие (f) - воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Ошибка управления (е = х - у) - разность между предписанным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины.

Регулятор (Р) - комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону.

Автоматическая система регулирования (АСР) - автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х.

Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательной или положительной.

 

Классификация АСР.

1. По назначению (по характеру изменения задания):

· стабилизирующая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const);

· программная АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x изменяется программно);

· следящая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины на входе АСР (x = var).

2. По количеству контуров:

· одноконтурные - содержащие один контур,

· многоконтурные - содержащие несколько контуров.

3. По числу регулируемых величин:

· одномерные - системы с 1 регулируемой величиной,

· многомерные - системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы:

а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления;

б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования.

4. По функциональному назначению:

АСР температуры, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д.

5. По характеру используемых для управления сигналов:

· непрерывные,

· дискретные (релейные, импульсные, цифровые).

6. По характеру математических соотношений:

· линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции;

· нелинейные.

Принцип суперпозиции (наложения): Если на вход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности:

L(х₁ + х₂) = L(х₁) + L(х₂),

 

где L - линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.).

7. По виду используемой для регулирования энергии:

· пневматические,

· гидравлические,

· электрические,

· механические и др.

8. По принципу регулирования:

· по отклонению:

Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи - регулирования по отклонению (см. рис. 1.7).

 

Элемент называется сумматором. Его выходной сигнал равен сумме входных сигналов. Зачерненный сектор говорит о том, что данный входной сигнал надо брать с противоположным знаком.

· по возмущению.

Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рис. 1.8). На схеме обозначен К - усилитель с коэффициентом усиления К.

 

· комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР.

Данный способ (см. рис. 1.9) достигает высокого качества управления, однако его применение ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда можно измерить.

 

Классификация элементов автоматических систем.

1. По функциональному назначению:

· измерительные,

· усилительно-преобразовательные,

· исполнительные,

· корректирующие.

2. По виду энергии, используемой для работы:

· электрические,

· гидравлические,

· пневматические,

· механические,

· комбинированные.

3. По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии:

· активные (с источником энергии),

· пассивные (без источника).

4. По характеру математических соотношений:

· линейные

· нелинейные.

5. По поведению в статическом режиме:

· статические, у которых имеется однозначная зависимость между входным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером является любой тепловой объект.

· астатические - у которых эта зависимость отсутствует. Пример: Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения угл поворота будет постоянно возрастать, поэтому однозначной зависимости у него нет.

 

Характеристики и модели элементов и систем.

Основные модели.

· статические характеристики, · динамические характеристики, · дифференциальные уравнения,

Статические характеристики.

yуст = j(х).   Статическую характеристику (см. рис. 1.11) часто изображают графически в виде кривой у(х).

Динамические характеристики.

Например, процесс нагрева сушильного шкафа до установившегося значения может иметь вид, представленный на рисунке 1.12. То есть, переходный процесс характеризует динамические свойства системы, ее… Поскольку входные воздействия могут изменяться во времени, то и переходные характеристики будут каждый раз разные. Для…

Дифференциальные уравнения. Линеаризация.

Для упрощения задачи нахождения ДУ, описывающего работу АСР в целом, систему разбивают на ее отдельные элементы, переходные процессы в которых… Так как выходная величина предыдущего элемента является входной для… Однако, такой метод применим только в частных случаях. Дело в том, что в большинстве случаев в реальных элементах…

Преобразования Лапласа.

, (2.1) где х и у - входная и выходная величины. Если в данное уравнение вместо x(t) и… и , (2.2)

Таблица 1.2 - Преобразования Лапласа

Оригинал x(t)	Изображение X(s)
d-функция
t
t2
tn
e-at
a.x(t)	a.X(s)
x(t - a)	X(s).e-as
	sn.X(s)

 

Таблица 1.2 - Формулы обратного преобразования Лапласа (дополнение)

Изображение X(s)	Оригинал x(t)
	a Î R, M Î R (a и М - действительные числа)	M.e-at
a = a1 + j. a2 M = M1 + j.M2 (a и М - комплекные)	2.e-a1t.[M1.cos(a2.t) - M2.sin(a2.t)]

 

Закон изменения выходного сигнала обычно является функцией, которую необходимо найти, а входной сигнал, как правило, известен. Некоторые типовые входные сигналы были рассмотрены в п. 2.3. Здесь приводятся их изображения:

единичное ступенчатое воздействие имеет изображение X(s) = ,

дельта-функция X(s) = 1,

линейное воздействие X(s) = .

Пример. Решение ДУ с использованием преобразований Лапласа.

Допустим, входной сигнал имеет форму единичного ступенчатого воздействия, т.е. x(t) = 1. Тогда изображение входного сигнала X(s) = .

Производим преобразование исходного ДУ по Лапласу и подставляем X(s):

s²Y + 5sY + 6Y = 2sX + 12X,

s²Y + 5sY + 6Y = 2s+ 12,

Y(s³ + 5s² + 6s) = 2s + 12.

Определяется выражение для Y:

.

Оригинал полученной функции отсутствует в таблице оригиналов и изображений. Для решения задачи его поиска дробь разбивается на сумму простых дробей с учетом того, что знаменатель может быть представлен в виде s(s + 2)(s + 3):

==++=

= .

Сравнивая получившуюся дробь с исходной, можно составить систему из трех уравнений с тремя неизвестными:

М₁ + М₂ + М₃ = 0 M₁ = 2

5^.М₁ + 3^.М₂ + 2^.М₃ = 2 à M₂ = -4

6^.М₁ = 12 M₃ = 2

Следовательно, дробь можно представить как сумму трех дробей:

=-+.

Теперь, используя табличные функции, определяется оригинал выходной функции:

y(t) = 2 - 4^.e^-2t + 2^.e^-3t. ¨

 

Передаточные функции.

Определение передаточной функции.

Например, операторное уравнение 3s2Y(s) + 4sY(s) + Y(s) = 2sX(s) + 4X(s) можно преобразовать, вынеся X(s) и Y(s) за скобки и поделив друг на друга:

Примеры типовых звеньев.

Звеном системы называется ее элемент, обладающий определенными свойствами в динамическом отношении. Звенья систем регулирования могут иметь разную физическую основу (электрические, пневматические, механические и др. звенья), но относится к одной группе. Соотношение входных и выходных сигналов в звеньях одной группы описываются одинаковыми передаточными функциями.

Простейшие типовые звенья:

· усилительное,

· интегрирующее,

· дифференцирующее,

· апериодическое,

· колебательное,

· запаздывающее.

1) Усилительное звено.

Звено усиливает входной сигнал в К раз. Уравнение звена у = К*х, передаточная функция W(s) = К. Параметр К называется коэффициентом усиления.

Выходной сигнал такого звена в точности повторяет входной сигнал, усиленный в К раз (см. рис. 1.15).

Примерами таких звеньев являются: механические передачи, датчики, безынерционные усилители и др.

2) Интегрирующее.

2.1) Идеальное интегрирующее.

Выходная величина идеального интегрирующего звена пропорциональна интегралу входной величины.

; W(s) =

При подаче на вход звена воздействия выходной сигнал постоянно возрастает (см. рис. 1.16).

Это звено астатическое, т.е. не имеет установившегося режима.

2.2) Реальное интегрирующее.

Передаточная функция этого звена имеет вид:

W(s) = .

Переходная характеристика в отличие от идеального звена является кривой (см. рис. 1.17).

Примером интегрирующего звена является двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, если в качестве входного воздействия принять напряжение питания статора, а выходного - угол поворота ротора.

3) Дифференцирующее.

3.1) Идеальное дифференцирующее.

Выходная величина пропорциональна производной по времени от входной:

; W(s) = K*s

При ступенчатом входном сигнале выходной сигнал представляет собой импульс (d-функцию).

3.2) Реальное дифференцирующее.

Идеальные дифференцирующие звенья физически не реализуемы. Большинство объектов, которые представляют собой дифференцирующие звенья, относятся к реальным дифференцирующим звеньям. Переходная характеристика и передаточная функция этого звена имеют вид:

W(s) = .

4) Апериодическое (инерционное).

Этому звену соответствуют ДУ и ПФ вида:

; W(s) = .

Определим характер изменения выходной величины этого звена при подаче на вход ступенчатого воздействия величины х₀.

Изображение ступенчатого воздействия: X(s) = . Тогда изображение выходной величины:

Y(s) = W(s) X(s) = = K x₀ .

Разложим дробь на простые:

= + = = - = -

Оригинал первой дроби по таблице: L^-1{} = 1, второй:

L^-1{} = .

Тогда окончательно получаем:

y(t) = K x₀ (1 - ).

Постоянная Т называется постоянной времени.

Большинство тепловых объектов являются апериодическими звеньями. Например, при подаче на вход электрической печи напряжения ее температура будет изменяться по аналогичному закону (см. рис. 1.19).

5) Колебательное звено имеет ДУ и ПФ вида

,

W(s) = .

При подаче на вход ступенчатого воздействия амплитудой х₀ на переходная кривая будет

иметь один из двух видов: апериодический (при Т₁ ³ 2Т₂) или колебательный (при Т₁ < 2Т₂).

6) Запаздывающее.

y(t) = x(t - t), W(s) = e^-ts.

Выходная величина у в точности повторяет входную величину х с некоторым запаздыванием t. Примеры: движение груза по конвейеру, движение жидкости по трубопроводу.

 

Соединения звеньев.

1) Последовательное соединение. Wоб = W1.W2.W3… При последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются.

Передаточные функции АСР.

Это необходимо, во-первых, для того, чтобы определить математические зависимости в системе, и, во-вторых, как правило, все инженерные методы расчета… В общем случае любая одномерная АСР с главной обратной связью путем… Если выход системы у не подавать на ее вход, то мы получим разомкнутую систему регулирования, передаточная функция…

Определение параметров передаточной функции объекта по переходной кривой.

Предположим, что при подаче на вход некоторого объекта ступенчатого воздействия была получена переходная характеристика (см. рис. 1.26). Требуется… Предположим, что передаточная функция имеет вид ,

Частотные характеристики.

Определение частотных характеристик.

Предположим, имеется некоторый объект и требуется определить его ЧХ. При экспериментальном снятии ЧХ на вход объекта подается синусоидальный сигнал… x(t) = Авхsin(wt) = sin(wt). Тогда после прохождения переходных процессов на выходе мы будем также иметь синусоидальный сигналтой же частоты w, но…

Логарифмические частотные характеристики.

  1) ЛАЧХ - логарифмическая АЧХ. Формула для построения ЛАЧХ: L(w) = 20.lg Aвых(w).

Примеры ЛЧХ.

1. Фильтр низких частот (ФНЧ)

ЛАЧХ ЛФЧХ Пример цепи

 

Фильтр низких частот предназначен для подавления высокочастотных воздействий.

2. Фильтр высоких частот (ФВЧ)

ЛАЧХ ЛФЧХ Пример цепи

 

 

Фильтр высоких частот предназначен для подавления низкочастотных воздействий.

3. Заградительный фильтр.

Заградительный фильтр подавляет только определенный диапазон частот

ЛАЧХ и ЛФЧХ Пример цепи

 

.

 

Качество процессов управления.

Критерии устойчивости.

Устойчивость.

Для того, чтобы определить, устойчива система или нет, используются критерии устойчивости: 1) корневой критерий, 2) критерий Стодолы,

Корневой критерий.

Корни характеристического уравнения могут быть как действительные, так и комплексные и для определения устойчивости откладываются на комплексной… (Символом обозначены корни уравнения). Виды корней характеристического уравнения:

Критерий Стодолы.

Этот критерий является следствием из предыдущего и формулируется следующим образом: Линейная система устойчива, если все коэффициенты характеристического полинома положительны.

То есть, для передаточная из примера 3.1 по критерию Стодола соответствует устойчивой системе.

 

 

Критерий Гурвица.

Wp - передаточная функция регулятора, Wy - передаточная функция объекта управления. Определим передаточную функцию для прямой связи (передаточную функцию разомкнутой системы, см. п. 2.6.4): W¥ = Wp…

Критерий Михайлова.

, где t - запаздывание. В этом случае характеристическое выражение замкнутой системы полиномом не является и его корни определить невозможно.…

Критерий Найквиста.

Последовательность: 1) Определяется передаточная функция разомкнутой системы . 2) Определяется число правых корней m.

Показатели качества

Показатели качества разбиты на 4 группы: 1) прямые - определяемые непосредственно по кривой переходного процесса, 2) корневые - определяемые по корням характеристического полинома,

Прямые показатели качества.

Рис. 1.38     Предположим, переходная кривая, снятая на объекте, имеет колебательный вид…    

Корневые показатели качества.

Не требуют построения переходных кривых, поскольку определяются по корням характеристического полинома. Для этого корни полинома откладываются на… Степень устойчивости h определяется как граница, правее которой корней нет,… h = min,

Частотные показатели качества.

По АФХ определяются запасы: DA - по амплитуде, Dj - по фазе. Запас DA определяется по точке пересечения АФХ с отрицательной действительной… Для определения Dj строится окружность единичного радиуса с центром в начале координат. Запас Dj определяется по точке…

Связи между показателями качества.

Описанные выше показатели качества связаны между собой определенными соотношениями:

; t_p = ; ; M = .

Настройка регуляторов.

Типы регуляторов.

1) П-регулятор (пропорциональный регулятор) WП(s) = K1. Принцип действия заключается в том, что он вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине…

Определение оптимальных настроек регуляторов.

Поэтому стоит задача определить настройки, соответствующие устойчивой системе, но и выбрать из них оптимальные. Оптимальными настройками регулятора называются настройки, которые… Однако, изменяя настройки таким образом, чтобы увеличить степень затухания, мы можем прийти к слишком большому времени…

Измерения технологических параметров.

Государственная система приборов (ГСП).

1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств; 2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания. Содержит три ветви:

Точность преобразования информации.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами,… Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны… Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Классификация КИП.

На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемыми величинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходится около 80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические и др. измерения.

При измерениях используются различные измерительные приборы, которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин.

Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую физическую величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход F, уровень L, количество вещества Q и т.д.).

Исходя из признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы разделяют на приборы:

а) непосредственной оценки;

б) сравнения.

По характеру измерения: стационарные и переносные.

По способу отсчета измеряемой величины: показывающие, регистрирующие, суммирующие.

 

Виды первичных преобразователей.

1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию… 2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и… 3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.)…

Методы и приборы для измерения температуры.

Классификация термометров.

Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел.

Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.

По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров:

· термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел;

· термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел;

· термометры газовые манометрические;

· термометры жидкостные манометрические;

· конденсационные;

· электрические;

· термометры сопротивления;

· оптические монохроматические пирометры;

· оптические цветовые пирометры;

· радиационные пирометры.

 

Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.

, 1/град, где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 °С, температурах t1 и t2… Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла,…

Термометры, основанные на расширении твердых тел.

1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений… , 1/град, где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 °С, температурах t1 и t2 соответственно.

Газовые манометрические термометры.

Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся… Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и… Достоинства: шкала прибора практически равномерна.

Жидкостные манометрические термометры.

В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д.

Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.

 

Конденсационные манометрические термометры.

  1.5.7 Электрические термометры. Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.

Термометры сопротивления.

Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы,… а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой… б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла a должен быть достаточно большим и неизменным;

Пирометры излучения.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает…  

Цветовые пирометры.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реального тела Е_l в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны l₁ и l₂, то есть показания цветовых пирометров определяется функцией f(Е_l1 / Е_l2). Это отношение для каждой температуры различно, но однозначно.

 

Вторичные приборы для измерения разности потенциалов.

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры. В потенциометрах, в отличие от милливольтметров, используется компенсационный метод измерения.

 

Пирометрические милливольтметры.

В конструкции пирометрических милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных… В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на… Взаимодействие тока, протекающего по рамке с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента,…

Потенциометры.

D Е(t t0) ΔU Принцип компенсации при измерении… Рис. 2.4 Последовательно с термопарой,…  

Автоматические электрические потенциометры.

  Схема автоматического потенциометра показана на рис. 2.5, где обозначено: Rp - сопротивление реохорда,

Методы измерения сопротивления.

Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6, где обозначены: R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста; Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;

Методы и приборы для измерения давления и разряжения.

Классификация приборов для измерения давления.

Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.

В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Р_а или избыточное Р_и. При измерении Р_а за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Р_а = 0 невозможно.

Барометрическое давление Р_бар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями:

Р_и = Р_а - Р_бар

Если Р_абс < Р_бар, то Р_и называется давлением разряжения.

 

 

Классификация приборов для измерения давления:

I. По принципу действия:

1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости);

2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень);

3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента);

4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину).

II. По роду измеряемой величины:

1) манометры (измерение избыточного давления);

2) вакуумметры (измерение давления разряжения);

3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения);

4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений);

5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения);

6) тягонапорометры;

7) дифманометры (для измерения разности давлений);

8) барометры (для измерения барометрического давления).

 

Жидкостные манометры.

Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла.

Двухтрубный манометр представляет из себя U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью.

 

 

Чашечные манометры и дифманометры.

Уравнение равновесия: Р = r g (h + H). Рис. 2.10 Чашечные и трубные манометры…  

Микроманометры.

h = L.sin(a) - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке, P = r.g.h - измеренное давление. Погрешность: ± 1,5 %.

Пружинные манометры.

Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2.

При увеличении давления трубчатая пружина стремится разогнуться, в результате чего она через поводок начинает взаимодействовать на зубчатый сектор, отклоняя стрелку.

 

Электрические манометры.

Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности… Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рис. 2.13).… Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на…

Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости.

Классификация.

Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м³ или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.

Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м³/с.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

Классификация:

Механические

объемные

ковшовые

барабанного типа

мерники

скоростные

по методу переменного перепада давления

по методу постоянного перепада давления

напорные трубки

ротационные

Электрические

электромагнитные

ультразвуковые

радиоактивные

 

Метод переменного перепада давления.

В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий… I - I - сечение потока до искажения формы.

Расходомеры постоянного перепада давления.

Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис. 2.17), которые имеют ряд… а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода; б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы.

Расходомеры переменного уровня.

Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред.

 

Измерения осуществляются при атмосферном давлении. Состоит из элементов (см. рис. 2.18): 1 - калиброванный сосуд, 2 - уровнемерное стекло, 3 - отверстие в днище, 4 - перегородка для успокоения потока.

 

Расходомеры скоростного напора.

Измерение расхода основано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды.

Дифманометр, соединяющий обе трубки, показывает динамическое давление, по котором судят о скорости потока и, следовательно, о расходе.

 

Методы и приборы для измерения уровня.

Методы измерения уровня.

Поl измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности,… Методы измерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3) гидростатический,…  

Поплавковый метод измерения уровня.

Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка.

 

Буйковые уровнемеры.

Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем…  

Гидростатические уровнемеры.

Различают пьезометрические уровнемеры и уровнемеры с непосредственным измерением столба жидкости. Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых… Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количество воздуха, подаваемого под давлением,…

Электрические методы измерения уровня.

Кондуктометрический метод измерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичного преобразователя, зависящей от значения… Емкостной метод измерения основан на изменении емкости первичного…  

Исполнительные устройства.

Классификация исполнительных устройств.

Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора на объект управления путем механического перемещения регулирующего органа (РО) объекта.

Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.).

Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как

F = F(ΔP, ν, ρ, C₁, C₂, …),

где ΔP – перепад давления на РО, ν - вязкость, ρ – плотность, С_i – некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем:

- изменения ΔP (насосные ИУ),

- ν или ρ (реологические ИУ),

- коэффициентами C_i (дроссельные ИУ).

 

Исполнительные устройства насосного типа.

Для данных ИУ, как правило, давление на выходе Рвых больше, чем давление на входе Рвх, а перепад давления на РО определяется как ΔР = Рвых –… Насосные ИУ делятся на три класса: 1) С вращательным движением РО:

Исполнительные устройства реологического типа.

Преобразователь в ИУ данного типа осуществляет изменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое в свою очередь влияет на ν.…  

Исполнительные устройства дроссельного типа.

Пропускной характеристикой дросселя называется зависимость расхода F от перепада давления ΔР = Рвх – Рвых, положения РО и т.д. Зависимость F(ΔР) для турбулентного потока: F = γ ,

Исполнительные механизмы.

- виду энергии, создающей перестановочное усилие (электрические, пневматические, гидравлические и др.); - виду движения (прямоходовые, однооборотные и многооборотные); - принципу создания перестановочного усилия (мембранные, поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные,…

Функциональные схемы автоматизации

Условные обозначения

       

Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации

(В скобках указаны примеры типов приборов)

	Первичный измерительный преобразователь для измерения температуры, установленный по месту (например, термоэлектрический преобразователь (термопара), термопреобразователь сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.д.).
	Прибор для измерения температуры показывающий (термометры ртутный, манометрический и т.д.).
	Прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите (милливольтметр, логометр, потенциометр (типа КСП и др.), мост автоматический (типа КСМ и др) и т.д.).
	Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту.
	Прибор для измерения температуры одноточечный регистрирующий, установленный на щите (милливольтметр самопишущий, логометр, потенциометр и т.д.).
	Прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр, мост и т.д.).
	Прибор для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр и т.д.).
	Регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту (дилатометрический регулятор температуры и д.р.).
	Комплект для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите (пневматический вторичный прибор, например, ПВ 10.1Э системы «Старт» с регулирующим блоком ПР 3.31).
	Прибор для измерения температуры бесшкальный с контактным устройством, установленный по месту (реле температурное).
	Байпасная панель дистанционного управления, установленная на щите.
	Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых (воздушных) линий, установленный на щите.
	Прибор для измерения давления (разряжения), показывающий, установленный по месту (любой показывающий манометр, дифманометр, напоромер и т.д.).
	Прибор для измерения перепада давления показывающий, установленный по месту (дифманометр показывающий.
	Прибор для измерения давления (разряжения) бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (дифманометр бесшкальный с пневмо- или электропередачей).
	Прибор для измерения давления (разряжения) регистрирующий, установленный на щите (самопишущий манометр или любой другой вторичный прибор для регистрации давления).
	Прибор для измерения давления с контактным устройством, установленный по месту (реле давления).
	Прибор для измерения давления (разряжения) показывающий с контактным устройством, установленный по месту (электроконтактный манометр и т.д.).
	Регулятор давления прямого действия «до себя».
	Первичный измерительный преобразователь для измерения расхода, установленный по месту (диафрагма, сопло Вентури датчик индукционного расходомера и т.д.).
	Прибор для измерения расхода бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (бесшкальный дифманометр, ротаметр с пневмо- или электропередачей).
	Прибор для измерения соотношения расходов регистрирующий, установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения расходов).
	Прибор для измерения расхода показывающий, установленный по месту (дифманометр или ротаметр показывающий и т.д.).
	Прибор для измерения расхода интегрирующий показывающий, установленный по месту (любой счетчик-расходомер с интегратором).
	Прибор для измерения расхода показывающий интегрирующий, установленный на щите (показывающий дифманометр с интегратором).
	Прибор для измерения расхода интегрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количество вещества, установленный по месту (счетчик-дозатор).
	Первичный измерительный преобразователь для измерения уровня, установленный по месту (датчик электрического или емкостного уровнемера).
	Прибор для измерения уровня показывающий, установленный по месту.
	Прибор для измерения уровня с контактным устройством, установленный по месту (реле уровня).
	Прибор для измерения уровня с контактным устройством бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (уровнемер бесшкальный с пневмо- или электропередачей).
	Прибор для измерения уровня бесшкальный регулирующий с контактным устройством, установленный по месту (электрический регулятор-сигнализатор уровня с блокировкой по верхнему уровню).
	Прибор для измерения уровня показывающий с контактным устройством, установленный на щите (вторичный показывающий прибор с сигнализацией верхнего и нижнего уровня).
	Прибор для измерения плотности раствора бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (датчик плотномера с пневмо- или электропередачей).
	Прибор для измерения размеров показывающий, установленный по месту (толщиномер).
	Прибор для измерения любой электрической величины показывающий, установленный по месту.
	Вольтметр.
	Амперметр.
	Ваттметр
	Прибор для управления процессом по временной программе, установленный на щите (командный пневматический прибор, многоцепное реле времени и т.д.).
	Прибор для измерения влажности регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор влагомера и т.д.).
	Первичный преобразователь для измерения качества продукта, установленный по месту (датчик рН-метра и т.д.).
	Прибор для измерения качества продукта показывающий, установленный по месту (газоанализатор на кислород и т.д.).
	Прибор для измерения качества продукта регистрирующий регулирующий, установленный на щите (вторичный самопишущий прибор регулятора концентрации серной кислоты в растворе и т.д.).
	Прибор для измерения радиоактивности показывающий с контактным устройством, установленный по месту (прибор для показаний и сигнализации предельно допустимых значений a и b-излучений).
	Прибор для измерения частоты вращения привода регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор тахогенератора).
	Прибор для измерения нескольких разнородных величин регистрирующий, установленный по месту (самопишущий дифманометр-расходомер с дополнительной записью давления и температуры).
	Прибор для измерения вязкости раствора показывающий, установленный по месту (вискозиметр показывающий).
	Прибор для измерения массы продукта показывающий с контактным устройством, установленный по месту (устройство электронно-тензометрическое сигнализирующее и т.д.).
	Прибор для контроля погасания факела печи бесшкальный с контактным устройством, установленный на щите (вторичный прибор запально-защитного устройства; применение резервной буквы В должно быть оговорено на поле схемы).
	Преобразователь сигнала, установленный на щите (входной и выходной сигналы – электрические; нормирующий преобразователь и т.д.).
	Преобразователь сигнала, установленный по месту (входной сигнал пневматический, выходной – электрический; электропневмопреобразователь ЭПП-63 и т.д.).
	Устройство, выполняющее функцию умножения на постоянный коэффициент К.
	Пусковая аппаратура для управления электродвигателем (магнитный пускатель, контактор и т.д.; применение резервной буквы N должно быть оговорено на поле схемы).
	Аппаратура, предназначенная для ручного дистанционного управления, установленная на щите (кнопка, ключ управления, задатчик и т.д.).
	Аппаратура для ручного дистанционного управления, снабженная устройством для сигнализации, установленная на щите (кнопка с лампочкой и т.д.).
	Ключ управления, предназначенный для выбора управления, установленный на щите.

 

Примеры схем контроля температуры.

Индикация и регистрация температуры (TIR).

101-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72 101-3 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542 …  

Индикация, регистрация и регулирование температуры с помощью пневматического регулятора (TIRС, пневматика).

102-2 то же, что 101-2 102-3 электропневмопреобразователь, входной сигнал 0…5 мА, выходной –… 102-4 пневматический вторичный прибор на 3 параметра со станцией управления, марка ПВ 10.1Э (с электроприводом…

Примеры схем контроля давления.

Индикация давления (PI).

210-1 Манометр пружинный М-… (см. рис. 2.36)

 

Сигнализация давления (PA).

202-1 Пневматический первичный преобразователь давления,

предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом)

202-2 Электроконтактный манометр с сигнальной лампой ЭКМ-1

202-3 то же, что 104-3

 

Индикация, регистрация и регулирование давления (PIRC, пневматика)

См. рис. 2.38.

203-1 то же, что 202-1

203-2 то же, что 102-4

203-3 то же, что 102-5

203-4 то же, что 103-3

 

 

 

Индикация и регистрация давления (PIR, эл.).

См. рис. 2.39.

204-1 Первичный преобразователь давления со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.)

204-2 то же, что 101-3

Индикация, регистрация, регулирование и сигнализация давления (PIRCA, пневматика).

См. рис. 2.40.

205-1 то же, что 202-1

205-2 то же, что 102-4

205-3 то же, что 102-5

205-4 то же, что 103-3

205-5 то же, что 202-2

205-6 то же, что 202-3

 

 

Схемы контроля уровня и расхода.

Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме из обозначения также, как… При использовании сужающих устройств, например, диафрагм, перепад давлений на… Примеры схем:

Часть 3. Современные системы управления производством.

Структура АСУ ТП.

Цифровые технологии быстро вытесняют аналоговые, преобладавшие в системах управления в недалеком прошлом. Это связано с тем, что возможности… 1) более точное представление измеряемых величин; 2) большая помехозащищенность;

Устройства связи с объектом (УСО).

Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы с… На УСО возлагаются следующие функции: 1) Нормализация аналогового сигнала, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из…

Аппаратная и программная платформа контроллеров.

До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры)… В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров… Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытотью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных…

Литература

1. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

2. Никитенко Е.А. автоматизация и телеконтроль электрохимической защитой магистральных газопроводов. М.: Недра, 1976.

3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Учеб. пособ. -М.: Химия, 1982. - 296 с.

4. Теория автоматического управления / Под ред. Нетушила А.В. Ч.1. -М.: Высш. шк., 1968.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. -М.: Наука, 1966.

6. Дадаян Л.Г. Автоматизация технологических процессов: методические указания к курсовому и дипломному проектированию. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1985. - 225 с.

7. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Л.: Химия, 1988. - 225 с.

8. Стефани Е.П. Основы построения АСУТП: Учеб. пособ. -М.: Энергоиздат, 1982. -352 с.

9. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник /Под ред. Кошарского Б.Д. -Изд. 3-е. -Л.: Машиностроение, 1976. -486 с.

10. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учебник. -М.: Химия, 1985. -352 с.

11. Теория автоматического управления: Учебник. В 2-х частях / Под ред. А.А.Воронова. -М.: Высш.шк., 1986. -Ч.1. - 367 с. - Ч.2. -504 с.

12. Аязян Г.К. Расчет автоматических систем с типовыми алгоритмами регулирования: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1986. -135 с.

13. Веревкин А.П., Попков В.Ф. Технические средства автоматизации. Исполнительные устройства: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1996. -95 с.

14. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации.

15. ГОСТ 21.408-93. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов.

16. Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть.// СТА. -1996. -№ 1. –С. 32 – 35.

17. Кабаев С. SCADA-пакет InTouch в отечественных проектах.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 88 – 90.

18. Христенсен Д. Знакомство со стандартом на языки программирования PLC IEC 1131-3.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 24 – 25.

 

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Часть 1. Теория Автоматического Управления (ТАУ) 3

1.1. Основные понятия. 3 1.2. Классификация АСР. 6 1.3. Классификация элементов автоматических систем. 8

Часть 2. Средства автоматизации и управления. 35

1.1. Государственная система приборов (ГСП). 35 1.2. Точность преобразования информации. 35 1.3. Классификация КИП. 37