Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП)
Основные понятия и определения.
Рассмотрим автоматическую систему регулирования
Рис.1. Структурная схема АСР
ТОУ - технологический объект управления;
ПП - первичный преобразователь или чувствительный элемент (термопара);
ИП - измерительный преобразователь;
ВП - вторичный прибор;
АУУ - автоматическое управляющее устройство (регулятор);
ЗД - задатчик;
УДУ- устройство дистанционного управления;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
G - текущее значение регулируемого параметра;
GЗД - заданное значение регулируемого параметра;
- регулирующее воздействие.
Автоматическое управляющее устройство (АУУ) - (регулятор), сравнивает текущее значение G с GЗД (производит операцию вычитания). По величине рассогласования G регулятор вырабатывает регулирующее воздействие , которое подается на ИМ, перемещающий РО.
Устройство дистанционного управления (УДУ) - предназначено для перехода с автоматического на ручное дистанционное управление (и наоборот).
Такая схема регулирования называется локальной одноконтурной.
Процесс регулирования осуществляется до тех пор, пока не будет достигнуто регулируемым параметром точно заданное значение.
Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность различных технических средств для управления объектом и технологическим процессом.
Автоматическая система регулирования (АСР) – замкнутая система, которая включает элементы, указанные на схеме, и которая работает автоматически без участия оператора.
В процессе управления выполняется операции:
-получения информации о состоянии объекта управления (осуществляется автоматически);
-обработка и анализ полученной измерительной информации;
-реализация управляющих воздействий;
Алгоритм функционирования технологического процесса – совокупность предписаний с целью обеспечения правильного выполнения технологического процесса (технологический регламент)
Алгоритм управления - совокупность предписаний, определяющих порядок управляющих воздействий на объект и обеспечивающих выполнение алгоритма функционирования процесса.
Управляемый объект (УО) – устройство и аппараты, осуществляющие технологические процессы, которые нуждаются в управляющих воздействиях извне для выполнения алгоритма функционирования процесса.
Автоматическое управляющее устройство АУУ, (регулятор) осуществляет воздействие на управляемый объект в соответствии с алгоритмом управления.
Автоматический регулятор (АР) – осуществляет сравнение текущего значения регулируемого параметра с заданным, и по величине отклонения оказывает регулирующее воздействие на объект.
Регулируемый параметр – параметр технологического процесса, значение которого автоматически поддерживается постоянным или изменяется во времени по определенной программе.
Заданное значение регулируемого параметра – значение, которое следует поддерживать постоянным (устанавливают вручную).
Текущее значение регулируемого параметра G – значение параметра, измеренное в данный момент времени.
Неконтролируемые величины (параметры), влияющие на регулируемый параметр, называются возмущающими воздействиями.
Параметрический анализ объекта управления.
При разработке автоматической системы управления необходимо сначала изучить объект управления (в первую очередь проводится параметрический анализ), структуру объекта управления.
Все параметры, которые оказывают воздействие на объект, называются входными параметрами (z, x, u) и параметры которые характеризуют состояние объекта на выходе – выходными параметрами (у). Все входные величины объекта разделяют на 3 группы параметров:
Возмущающими называются параметры, которые случайным образом изменяются во времени и которые недоступны обычно для непрерывного автоматического контроля.
Примером внешних возмущений может быть изменение состава в сырье, которое перерабатывается. Внутренние возмущения – это, например, изменения активности катализатора, его пористой структуры и гранулометрического состава и т.п..
Выходные параметры (У1; У2;…Уt) называются параметры, которые характеризуют состояние объекта, зависящее от его режима в результате суммарного воздействия всех входных параметров (контролируемых, управляющих и возмущающих).
При выполнении раздела дипломного проекта, «Автоматический контроль и управление» необходимо дать краткую характеристику объекта управления и выполнить параметрический анализ объекта.
Необходимо провести группировку параметров по следующим признакам:
-измеряемые (которые измеряются автоматически);
-регулируемые (параметры, которые необходимо поддерживать константами, или изменять во времени по определенной программе);
-параметры, которые необходимо сигнализировать (верхние значения или нижние, или и то и другое);
-параметры, которые вводятся в ЭВМ вручную (результаты химического анализа).
Описание объекта желательно завершить таблицей, в которой необходимо представить численные значения пределов измерения, номинальные значения параметра и допустимые отклонения параметров в измеряемых единицах (например, для t10 0С ).
Классификация автоматических систем регулирования (АСР)
І. В зависимости от принципа действия АРС классифицируют:
1) АСР по отклонению;
2) АСР по возмущению;
3) АСР комбинированные.
Рассмотрим конкретно эти ситуации.
АСР по отклонению:
ТЕ - датчик температуры (термопара);
ТС - автоматический регулятор;
G - текущее значение регулируемого параметра;
GЗД - заданное значение этого параметра;
В АСР – по отклонению регулятор непрерывно сравнивает текущее значение параметра с заданным, т.е. выполняет операцию вычитания:G=G - GЗД, если G=0, т.е. отклонение отсутствует, то никаких перестановок регулирующего органа не происходит и система находится в равновесном состоянии.
При появлении рассогласования G0, регулятор обычно по величине этого отклонения G вырабатывает регулирующее воздействие, и перемещает регулирующий клапан до тех пор, пока текущее значение параметра G не достигнет заданного значения GЗД.
Недостатком такой АСР является временное отклонение регулируемого параметра от заданного значения, причем это отклонение может быть настолько большим, что при этом будет получен некачественный продукт.
АСР по возмущению:
FE - измерители расхода пара и раствора на входе в подогреватель;
ТЕ - измеритель температуры раствора на входе в подогреватель;
В АСР по возмущению измеряются основные возмущающие параметры, значения которых воспринимает регулятор и в соответствии с заложенным алгоритмом обрабатывает их и вырабатывает регулирующее воздействие. В этих АСР отсутствует обратная связь, т.е. не измеряется непосредственно значение регулируемого параметра, поэтому такие АСР называются ещё разомкнутыми.
Отсутствие обратной связи (т.е. не измеряется температура на выходе из подогревателя) не позволяет осуществлять точное регулирование параметра в таких АСР.
Недостатки:
1)недостаточно высокая точность регулирования из-за отсутствия обратной связи в системе.
2)необходимо измерять все основные возмущающие параметры, для чего требуется установить дополнительные приборы и, соответственно, система регулирования становится более дорогой.
Комбинированные АСР:
В комбинированных АСР регулирующее воздействие осуществляется как по величине отклонения измеряемого регулируемого параметра от заданного значения , так и с учетом измеряемых значений основных возмущающих параметров.
Такие АСР дают высокую точность регулирования (отклонение параметра от ЗД будет min).
Недостаток: громоздкость системы регулирования и необходимость измерения большого числа возмущающих параметров.
I I. По характеру алгоритма функционирования АСР делятся:
1)стабилизирующие;
2)программные;
3)следящие.
Стабилизирующей АСР называется система, которой предписано поддерживать регулируемый параметр на строго заданном значении
і=ЗД ; ЗД=const.
Программной АСР называется система, которой предписано поддерживать регулируемый параметр в соответствии с заранее заданной временной программой.
і=ЗД; ЗД=f(t),
где
і - текущее значение регулируемого параметра; ЗД – заданное значение; t – текущее время ; f(t) – заданная программа.
Следящей АСР называется система, которая содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от изменения другой величины, изменение которое происходит случайным образом.
і=f(z), где
z – измеряемая величина, которая изменяется во времени случайным образом.
Пример следящей АСР в энергетике представлен ниже. Это регулирование соотношения расходов топливо – воздух с целью полного и эффективного сжигания топлива.
Анализ объектов регулирования
Свойства объекта регулирования.
Объекты характеризуются тем, что через них непрерывно протекает вещество или энергия. Количество вещества или энергии, которое протекает через объект за единицу времени, называется нагрузкой объекта.
Нагрузка может быть min, max или средняя (оптимальная).
Чтобы управлять объектом, необходимо иметь запас по нагрузке хотя бы 20%.
Все объекты обладают способностью накапливать вещество или энергию.
Ёмкостью объекта управления называется количество содержащегося в нем в данный момент времени вещества или энергии.
Характеристикой объекта является коэффициент ёмкости.
Для гидравлических объектов, содержащих жидкость, коэффициент ёмкости численно равен площади поверхности зеркала жидкости или площади поперечного сечения сосуда.
,
где Н - высота уровня жидкости в ёмкости
Коефициент ёмкости – количество вещества или энергии, которое необходимо прибавить или вывести из объекта, чтобы регулируемый параметр изменился на единицу.
Для тепловых объектов коэффициент ёмкости:
(кДж/0С)
Это - количество тепла, которое необходимо подать в объект или вывести из объекта, чтобы температуру изменить на 1 градус.
Коэффициент емкости может быть величиной переменной.
Объекты с переменным коэффициентом емкости менее благоприятны для автоматического управления. Чем больше коэффициент емкости объекта, тем более инерционным является объект.
Динамические характеристики объектов управления
В производственной практике встречаются 2 вида объектов:
-статические (устойчивые) ;
-астатические (нейтральные);
-неустойчивые (реактор Чернобыля).
Qпр-приход жидкости; Qр-расход жидкости;
Н0-начальное значение уровня;
Н- текущее значение уровня;
Нуст- установившееся значение уровня;
t-текущее время;
t0-момент внесения возмущения.
Статические объект обладает свойством самовыравнивания (саморегулирования).
При нарушении равенства притока и расхода, такой объект приходит к новому установившемуся равновесию без помощи регулятора. Это связано с тем, что статический объект имеет внутреннюю обратную связь.
При увеличении притока жидкости уровень в объекте начинает постепенно увеличиваться : и при этом увеличивается гидростатическое давление ( пред золотником клапана). Это приводит к тому, что через золотник с определенным сечением увеличивается расход жидкости. Наступает такой момент, когда Qпр = Qр и изменение уровня прекращается, потому что имеет место обратная связь : Qр , т.е. чем больше уровень, тем больше расход.
Астатические объекты свойством самовыравнивания не обладают. При нанесении на объект ступенчатого возмущения в таком объекте уровень жидкости будет изменяться непрерывно с постоянной скоростью. Это происходит потому, что астатические объекты не имеют внутренней обратной связи. В данном случае производительность насоса, который откачивает жидкость , не зависит от изменения уровня.
Динамические характеристики объектов могут быть выражены аналитически в виде дифференциальных уравнений или графически. При этом динамические свойства объекта представляют кривыми разгона, которые еще называются временным характеристиками.
Кривая разгона представляет графически зависимость изменения регулируемого параметра во времени при нанесении на объект ступенчатого возмущения. Если на объект наносится импульсное возмущение , то получаем импульсную характеристику.
Запаздывания в объектах управления.
Большинство объектов управления обладают запаздыванием.
При нанесении на объект возмущения выходная величина остаётся некоторое время без изменения – это и есть чистое время запаздывания – это интервал времени от начала возмущения до начала изменения выходного параметра.
l – длина ленточного питателя, м;
V – скорость перемещения ленты, м/с.
Время транспортного (чистого) запаздывания вычисляют по формуле:
, [с]
l = 5 м; V = 0,5 м/с; с.
Различают запаздывания в объектах:
1) чистое или транспортное;
2) емкостное или переходное;
l = 100;
V = 1 м/с;
с.
Запаздывание определяют в основном по кривой разгона, которую снимают экспериментально. Для простых объектов время запаздывания можно рассчитать аналитически.
Рассмотрим, как определяется время запаздывания по кривым разгона.
– ступенчатое возмущ-е, которое наносится на объект;
- время чистого запаздывания;
- время переходного запаздывания.
Кривая а) запаздыванием не обладает.
В случае б) объекты обладают чистым запаздыванием.
Кривые в) обладают и чистым и переходным запаздыванием.
При расчете АСР учитывают в основном полное запаздывание, которое рассчитывают:
Запаздывание в объектах отрицательно влияет на работу АСР, оно существенно снижает качество регулирования, поэтому при конструировании объектов необходимо стремиться уменьшить .
Экспериментальное снятие кривой разгона.
Для синтеза АСР необходимо знать динамические характеристики объекта управления, которые определяют в основном по экспериментально снятой кривой разгона. Перед снятием этой кривой объект приводят в состояние равновесия, т.е.
, (приток = расход),
при этом регулируемый параметр σ = const.
Затем на объект наносят ступенчатое возмущение величиной 10 - 20%. С момента нанесения возмущения начинают фиксировать изменение выходного параметра σ через определенные отрезки времени.
По кривой разгона определяют коэффициент передачи объекта:
, [% / %].
На кривой разгона находят точку перегиба и через неё проводят касательную.
По касательной определяют общую постоянную времени и время полного запаздывания , а также , ).
Интервал времени от точки nерегиба до пересечения касательной с представляет собой постоянную времени 2-го звена ”.
- постоянную времени 1-го звена вычисляют по эмпирической формуле из методички. По этим данным составляют математическую модель динамики объекта по данному каналу.
Математическую модель динамики представляют в 3-х видах:
1) дифференциальное уравнение 2-го порядка
.
2) переходная функция является результатом решения дифференциального уравнения 2-го порядка, т.е. аналитическое описание экспоненты
,
пригодно для случая: >.
1′) Дифференциальное уравнение 2-го порядка можно представить в виде системы дифференциальных. уравнений 1-го порядка:
T1
T2
3) передаточная функция
;
- оператор диференц-я.
Статический одноемкостный объект.
, [% / %]
а) если решить это дифференциальное . уравнение, то получим переходную функцию б);
б) уравнение кривой ;
в) передаточная функция
; - оператор дифференцирования.
Статические характеристики объектов управления
Статическая характеристика объекта управления (ОУ) представляет собой зависимость выходной величины объекта σ от изменения входной величины (регулирующего воздействия) в равновесном состоянии.
Обычно статические характеристики ОУ находят экспериментально путем постановки соответствующих опытов.
Для простых объектов статическая характеристика их может быть рассчитана аналитически.
Экспериментальное снятие статической характеристики
Открываем клапан и уровень увеличивается до и т.д.
Данная статическая. характеристика получена для определенного значения расхода жидкости.
Если изменить, то статическая характеристика сместится.
Статический объект имеет семейство статических характеристик, положение которой зависит от изменения расхода жидкости (от степени открытия клапана)
1 – соответствует min нагрузке объекта;
2 – max нагрузке;
3 – статическая. характеристика астатичического объекта;
4 – статичическая характеристика объекта с идеальным самовыравниванием.
Аналитический расчет статической характеристики
- основное уравнение расхода для расходомеров переменного перепада давления.
В гидравлическом объекте
- статическая характеристика гидравлического объекта
В момент равновесия
- коеффициент расхода; F – площадь щели выходного клапана объекта.
Отсюда следует, что
- статическая характеристика статического объекта, полученная аналитическики.
Автоматические регуляторы (АР).
Классификация АР:
по конструктивному исполнению регуляторы бывают:
- приборные;
- агрегатные;
- микропроцессорные.
Приборные встраивают внутри измерительных приборов.
Агрегатные выполняют в виде отдельных блоков, из которых можно составить требуемый закон регулирования.
В зависимости от регулируемой величины приборные регуляторы называют по названию измеряемого и регулируемого параметра. Например, регуляторы температуры, …давления, …уровня, … концентрации
по роду действия:
- регуляторы прерывистого действия, РПД;
- регуляторы непрерывного действия, РНД.
РПД делятся на релейные (позиционные) и импульсные.
В импульсных измер-е регулируемого параметра осущ. непрерывно, а регулир-е возд-е оказ-тся периодически через опред-е инт-лы времени опред-й длительности. Для созд-я импульсных АСР на выходе управ-х ЭВМ устан-т цифроимпульсный преобразователь ЦИП.
У непрерывных регуляторов измер-е регулир-го параметра осуществляется непрерывно и так же непрерывно оказ-тся регулир-е возд-е на объект.
Выбирают род действия регулятора в зависимости от динам. хар-к ОУ
при > 0,2 (0,1) – релейный регулятор;
= 0,2 1 – регулир-р непрер-го действия;
> 1 (0,6) - импульсный регулятор.
по способу действия:
- регуляторы прямого действия;
-регуляторы косвенного (непрямого) действия.
Регулятор непрямого действия использует энергию извне, т.е. требуют подачи энергии для питания.
По виду используемой энергии регуляторы бывают:
- электрический;
- пневматические (используют энергию сжатого воздуха);
- гидравлические (используют энергию жидкости под давлением);
- комбинированные.
по законам регулирования регуляторы классифицируют:
- Пз – позиционные (релейные);
- П – пропорциональные регуляторы (статические);
- И – интегральные (астатические);
- Пи – пропорционально-интегральные (изодромные);
(Изодром – постоянно выравнивающий);
- ПД – пропорционально-диффереренциальные регуляторы (статические с предварением или с упреждением);
- ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальные (изодромные с предварением).
Закон регулирования представляет собой зависимость выходной величины регулятора (положение регулирующего органа ) от изменения регулируемого параметра . Зависимость закона регулирования в общем виде записывается: .
Позиционные (релейные) регуляторы
Позиционные регуляторы бывают:
- 2-хпозиционные;
- 3-хпозиционные;
- многопозиционные;
Двухпозиционным называется регулятор, в котором в зависимости от значения регулируемого параметра регулирующий орган может занимать только два фиксированных положения: открыто или закрыто, (включено или выключено).
Закон регулирования двухпозиционного регулятора:
µ=1 при G < GЗД (включено);
µ=0 при G > GЗД (отключено).
Переходной процесс регулирования – изменение регулируемого параметра во времени в процессе регулирования.
Вид переходного процесса двухпозиционного регулирования представлено ниже:
а) двухпозиционное регулирование без зоны нечувствительности;
б) двухпозиционное регулирование с зоной нечувствительности
а)
б)
Закон регулирования двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности:
µ = 1 при G<GЗД + ∆/2 ;
µ = 0 при G>GЗД - ∆/2 .
(G – значение регулируемого параметра; GЗД – заданное значение регулируемого параметра; μ – положение регулирующего органа.)
Двухпозиционные регуляторы с зоной нечувствительности (неоднозначности) имеют единственный параметр настройки − величину зоны нечувствительности ∆. С увеличением зоны нечувствительности качество регулирования ухудшается, но уменьшается число срабатывания аппаратуры. Под качеством регулирования понимают величину отклонения регулируемого параметра от заданного значения GЗД.
Трехпозиционные регуляторы.
Трехпозиционным называется регулятор, у которого в зависимости от значения регулируемого параметра регулирующий орган может занимать помимо двух крайних положений еще одно среднее положение.
Закон регулирования трехпозиционного регулятора:
μ = 1 при G<(GЗД - ∆/2) ;
μ = 0,5 при (GЗД - ∆/2)< G <(GЗД +∆/2) ;
μ = 0 при G>(GЗД + ∆/2) ;
Трехпозиционные регуляторы имеют существенное преимущество по сравнению с двухпозиционными регуляторами. Если при значении μСР можно установить равенство притока и оттока вещества или энергии в объекте, т.е. при µСР QПР = QРАСХ, то значение регулируемого параметра G практически не будет изменяться, т.е. будет находиться вблизи заданного значения GЗД
Пропорциональные (статические) регуляторы.
Пропорциональными (П-регуляторами) или статическими называются регуляторы, в которых перемещение регулирующего органа μ пропорционально величине отклонения регулируемого параметра от заданного значения.
-µ=S*G,
где µ − перемещение регулирующего органа;
G − изменение регулируемого параметра;
S − коэффициент пропорциональности;
Чем на большую величину отклоняется регулируемый параметр от заданного значения, тем на большую величину переместится регулирующий клапан. П-регуляторы могут регулировать параметры в пределах зоны регулирования D.
В пропорциональном регуляторе каждому значению регулируемого параметра соответствует свое строго определенное положение регулирующего органа: G1−µ1; G2−µ2;
Поэтому такие регуляторы называются еще регуляторами с отрицательной жесткой обратной связью.
Статическая характеристика пропорционального регулятора
При D=200% изменения параметра G на 10% вызовет перемещения регулирующего органа на μ=5%.
Из-за наличия жесткой обратной связи пропорциональные регуляторы не способны поддерживать регулируемый параметр на точно заданном значении.
У пропорциональных регуляторов всегда есть остаточное отклонение регулируемого параметра от заданного значения или статическая ошибка регулирования.
Коэффициент пропорциональности S связан с пределом пропорциональности D выражением:
S=1/D*100%,
Где S - в долях единиц, D - в %.
Предел пропорциональности D – изменение регулируемого параметра, выраженное в %, соответствующее полному перемещению регулирующего органа от «открыто» до «закрыто».
Закон П-регулятора записывают в виде:
-µ=1/D *G+µ0,
где µ0 – начальное положение регулирующего органа.
Знак «-» обозначает обратное действие (когда уровень G увеличивается, то μ уменьшается, т.е. клапан прикрывается).
Предел пропорциональности D является единственным параметром настройки П-регулятора. В промышленных регуляторах D изменяется от 5 до 3000%.
П-регуляторы на возмущение регулируют практически мгновенно, то есть обладают хорошим быстродействием.
Динамическая характеристика пропорционального регулятора
Если на регулятор нанести ступенчатое возмущение, то регулирующий орган перемещается практически мгновенно на величину ∆μ – это свидетельствует о том, что П-регуляторы обладают высоким быстродействием.
Чем меньше настраиваемый параметр регулятора D (предел пропорциональности), тем более колебательным будет переходной процесс и тем меньше по величине будет статическая ошибка регулирования ∆Gст.
Переходной процесс регулирования
D1=200%, s=0,5; D2=100%, s=1; D3=40%, s=2,5;
Апериодический переходной процесс
Переходной процесс с 20%-м перерегулированием
Колебательный затухающий переходной процесс
С понижением предела пропорциональности D колебания переходного процесса увеличиваются и увеличивается соответственно время регулирования. При D<5% П-регулятор превращается в двухпозиционный.
Недостаток П-регулятора: наличие статической ошибки регулирования ∆Gст.
Достоинства:
Интегральные (астатические) регуляторы
Интегральными (И-регуляторами) – называют регуляторы, у которых скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна величине отклонения регулируемого параметра от заданного значения.
Закон интегрального регулятора в дифференциальной форме:
,
где - скорость перемещения регулирующего органа,
S1 – коэффициент пропорциональности,
S1=1/TS, где TS – время перемещения регулирующего органа.
Чем на большую величину отклоняется регулируемый параметр от заданного значения, тем быстрее будет перемещаться регулирующий клапан.
Схема И-регулятора прямого действия
Закон регулирования И-регулятора в интегральной форме:
Ts-время перемещения регулирующего органа, является единственным параметром настройки И-регулятора.
Статическая характеристика И-регулятора
При определенном значении регулируемого параметра GЗД регулирующий орган может занимать положения от «открыто» до «закрыто» в любой точке. При этом регулируемый параметр временно отклоняется в определенных пределах.
Динамическая характеристика И-регулятора
Переходные процессы регулирования
С уменьшением Ts растет колебательность переходного процесса. При слишком малых значениях Ts система регулирования может перейти в неустойчивое состояние.
Достоинство: регулируемый параметр всегда стремится довести до заданного значения.
Недостатки:
Пропорционально-интегральные (изодромные) регуляторы
Сочетают в себе положительные качества пропорциональных и интегральных регуляторов.
ПИ-регулятор представляет собой параллельно работающие две составляющие:
П-пропорциональная составляющая;
И-интегральная составляющая.
Структурная схема ПИ-регулятора
∆G = G - GЗД
При нанесении на ПИ-регулятор ступенчатого возмущения первоначально срабатывает пропорциональная часть регулятора, перемещая мгновенно клапан на величину ∆µПР. Затем в действие вступает интегральная часть регулятора, которая медленно во времени перемещает клапан в том же направлении до завершения процесса регулирования, т.е., когда регулируемый параметр G будет доведен до GЗД.
Динамическая характеристика ПИ-регулятора:
Представляет собой сумму динамических характеристик П- и И-регуляторов.
Закон регулирования ПИ-регулятора в дифференциальной форме:
,
где - пропорциональная составляющая, - интегральная составляющая.
Закон регулирования ПИ-регулятора в интегральной форме:
,
где - пропорциональная составляющая, - интегральная составляющая.
Ti – время изодрома - это то время, за которое перемещается клапан под действием интегральной составляющей на такую же величину, на которую он предварительно переместился под воздействием пропорциональной составляющей.
ПИ-регуляторы имеют 2 параметра настройки:
-предел пропорциональности D от 5 % до 3000%;
-время изодрома Ti (время интегрирования 5 сек ÷ 100 мин).
Подбором этих параметров настройки добиваются желаемого вида переходного процесса. Оптимальным является переходной процесс с 20% перерегулированием. Если Ti = ∞, то ПИ-регулятор превращается в чисто П-регулятор. На пневматических регуляторах отключение интегральной части осуществляется путем перекрытия дросселя для настройки Ti.
Пропорционально-дифференциальные (ПД-регуляторы)
Если нагрузка объекта изменяется часто и резко, и при этом объект имеет существенное запаздывание, то ПИ-регулятор дает неудовлетворительное качество регулирования. Тогда целесообразно в закон регулирования вводить дифференцирующую составляющую, то есть воздействовать на регулирующий орган дополнительно по величине первой производной от изменения регулируемого параметра.
Закон регулирования ПД-регулятора:
,
где - пропорциональная составляющая, - дифференциальная составляющая.
Тд – параметр настройки дифференциальной составляющей и его можно изменять от 5 сек до 10 мин. Если объект обладает определенным запаздыванием y = k∙x, y’= (k∙x)’ = k, где k = tg угла наклона прямой. За счет дифференциальной составляющей упреждается перемещение регулирующего органа.
Время дифференцирования (время предварения) Тд – это интервал времени между моментами достижения регулирующим органом одинакового положения при наличии дифференциальной составляющей и без нее.
Чем больше время дифференцирования Тд, тем больше скачок в перемещении регулирующего органа.
При использовании управляющих ЭВМ закон регулирования устанавливается программно (есть соответствующая программа).
Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы
Закон регулирования ПИД-регулятора:
,
где - пропорциональная, - интегральная, - дифференциальная составляющие.
ПИД-регуляторы имеют 3 параметра настройки:
D – предел пропорциональности (изменяется от 5% до 3000%);
-Тi – время изодрома (5 сек - 100 мин);
Тд – время предворения (5 сек - 10 мин).
ПИД закон регулирования дает лучшие качества регулирования по сравнению с другими законами.
∆у - максимальное динамическое отклонение, tР - время переходного процесса (время регулирования) – чем меньше эти величины, тем лучше качество регулирования.
Виды переходных процессов в АСР
Переходной процесс—это изменение регулируемого параметра во времени в процессе автоматического регулирования, то есть когда на систему оказано возмущающее воздействие и регулятор приводит параметр к заданному значению.
В зависимости от динамических характеристик объекта и установленных параметрах настройки регулятора возможны различные виды переходных процессов. АСР находится на грани устойчивости. Рассмотрены параметры переходного колебательного процесса
В устойчивых АСР возможны виды переходных процессов:
(а)-апериодический сходящийся процесс, имеет одну амплитуду колебания
(б)- затухающий колебательный процесс
(в)- колебательный процесс с постоянной амплитудой колебания.
АСР находится на грани устойчивости.
Неустойчивая АСР и их переходные процессы.
(г)- апериодический расходящийся
(д)- колебательный расходящийся
Параметры колебательного переходного процесса:
tр – время переходного процесса или время регулирования – это интервал времени от начала воздействия до момента достижения параметром стабильного значения.
∆G1 – максимальное динамическое отклонение или динамическая ошибка регулирования – это есть максимальное отклонение регулируемого параметра от заданного значения.
∆GСТ – статическая ошибка регулирования – это остаточное отклонение параметра от GЗД в установившемся режиме, когда процесс регулирования закончен.
∆GСТ дают П- и ПД-регуляторы.
Величина перерегулирования:.
Наиболее приемлемым является процесс с 20% перерегулированием. Желаемый вид переходного процесса достигают путем установки соответствующей настройки регулятора: D, Тi и ТД.
Автоматические регуляторы
Пневматические регуляторы
Широко используются на химическом производстве.
Достоинства:
Недостатки:
Рассмотрим основные элементы УСЭППА:
Дроссельный сумматор предназначен для суммирования давлений с одновременным умножением на коэффициенты.
; ; .
Элементы сравнения
Предназначены для сравнения двух или четырех входных сигналов и формируют на выходе дискретные сигналы 0 или 1.
А, Б, В, Г- камеры образованные мембранами с жестким центром; Р1, Р2 - входные давления воздуха; РВЫХ – выходной сигнал.
Трехмембранный элемент сравнения на два входа состоит из четырех камер, ограниченных секциями корпуса и блоком трех мембран, связанных между собой штоком и закрепленных по периметру. Площадь средней мембраны превышает крайних. Жесткие центры крайних мембран, служат заслонками сопл в камерах А и Г. Камеры А и Г сообщены между собой. Воздух питания через верхнее сопло поступает в камеру Г . Через нижнее сопло камера А сообщается с атмосферой. Давление в камерах А и Г – выходной сигнал элемента сравнения РВЫХ. Входные сигналы Р1 и Р2 подаются в камеры В и Б.
Блок сравнения находится под воздействием сил, развиваемых давлениями в камерах элемента сравнения. Мембраны обладают малой жесткостью и поэтому даже при рассогласовании входных давлений, равном 150 – 200 Па, суммарное усилие достаточно для перемещения блока мембран в одно из крайних положений.
При Р1Р2, то есть давление в камере В больше чем в камере Б, результирующая сила будет направлена вниз, и мембранный блок опустится. Сопло в камере А при этом закроется и перекроет линию выхода воздуха в атмосферу, а сопло в камере Г откроется, и воздух питания, поступая в камеры А и Г, сформирует на выходе элемента сравнения сигнал 1.
При Р1<Р2, мембранный блок смещается вверх, сопло в камере Г закроется, и прекратится подача воздуха питания, а сопло в камере А откроется, и линия выхода элемента сравнения сообщится с атмосферой. При этом сигнал на выходе станет равным 0. Таким образом, трехмембранный элемент сравнения представляет собой пневматическое реле, обрабатывающее зависимость:
}
Пятимембранный элемент сравнения имеет четыре входа. Состоит из шести камер, разделенных пятью мембранами, связанными в блок. Входные сигналы поводятся в камеры Б, В, Г и Д. Выходной сигнал отводится из камер А и Е. В остальном конструкция и работа аналогичны трехмембранному элементу сравнения. Он представляет собой пневматическое реле и обеспечивает выполнение операции
}
Пятимембранный элемент сравнения (сумматор). В пневматических приборах элементы сравнения часто используют в качестве мембранного сумматора для алгебраического суммирования непрерывных выходных сигналов.
Для этого выходной сигнал РВЫХ направляют в камеру Б, камеру отрицательной обратной связи. Элемент приходит в равновесие, когда усилия, развиваемые входными давлениями, уравновешиваются усилием, создаваемым РВЫХ = РБ и расходы воздуха в камерах Б, В, Г и Д одинаковы, то при равновесии справедливо равенство
РВЫХ = Р1 – Р2 – Р3.
Следовательно, при такой коммутации элемент сравнения выполняет функцию сумматора, который складывает два сигнала со знаком «плюс» и один со знаком «минус». Р1, Р2, Р3 изменяются в пределах от 0,2÷1кгс/см2.
Пневматические позиционные регуляторы
1-ручной задатчик; 2-постоянный дроссель; 3-манометр для показания заданного давления; 4-переключатель; 5-трехмембранный элемент сравнения; 6-пневматический усилитель.
РЗД - заданное давление, устанавливается с помощью рукоятки на задатчике. РЗД подается в камеру В, а РВХ - измеренное давление, пропорциональное регулируемому параметру, подается в камеру Б.
Этот регулятор отрабатывает двухпозиционный закон регулирования без зоны чувствительности. Регулирующий клапан может занимать 2 фиксированных положения «открыто», «закрыто».
Электронные автоматические регуляторы
Достоинства:
1. Удобный вид питания;
2. Высокое быстродействие электронных регуляторов;
3. Передача управляющих воздействий осуществляется на большие расстояния.
Недостатки:
1. Пожаро-взрывоопасность электрических устройств;
2. Конструктивно сложнее, чем пневматические регуляторы и дороже.
Электронные регуляторы выполняются в виде отдельных блоков, которые используются для монтажа локальных автоматических систем регулирования. Электронные регуляторы используют стандартные электрические сигналы (входные и выходные). Аналоговые сигналы: постоянного тока (0÷5мА; 4÷20мА); напряжение постоянного тока (0÷10мВ; 0÷100мВ; 0÷10В). Дискретные сигналы. Логический ноль при 0÷3В, логическая единица при 18÷30В (обычно постоянное напряжение 24 В).
В настоящее время блочные электронные регуляторы вытесняются микропроцессорными контроллерами, они более удобны в эксплуатации. Один микропроцессорный контроллер может заменить до 100 локальных регуляторов.
Исполнительные устройства
Выполняют команды регуляторов.
Исполнительные устройства (ИУ) включают два основных элемента:
1) регулирующий орган;
2) исполнительный механизм (ИМ)
Они предназначены для непосредственного показания управляющих воздействий на объект управления. Сигналы управляющих воздействий на ИМ подаются от автоматических регуляторов или от управляющей вычислительной машины УВМ.
Классификация ИМ:
По конструкции регулирующего органа:
По способу действия:
По функциональному назначению:
Регулирующий орган плавно изменяет расход среды в зависимости от полученного управляющего сигнала. Запорные клапаны используют для позиционного регулирования, имеют 2 положения: «открыт» – «закрыт».
По расходной характеристике:
По конструкции исполнения:
Электрические ИМ
Электрические ИМ включают в себя:
Используются исполнительные устройства с соленоидом в качестве ИМ. Такие ИУ используются для позиционирующего регулирования, т.е. они имеют два положения: «открыт» – «закрыт» (например, подано на соленоид напряжение или отсутствует).
Для непрерывного регулирования используются регулирующие органы с электродвигателем в качестве ИМ. Для управления ИМ (электродвигателями) необходимо предусмотреть магнитные пускатели. Используются обычно бесконтактные магнитные пускатели, которые управляются дискретным сигналом от регулятора или УВМ (0÷24В). Могут использоваться одно или трехфазные электродвигатели.
Пневматические ИМ (ПИМ)
Используются ПИМ 2-х видов:
Мембранный
1 – корпус; 2 – вялая мембрана с жестким центром; 3 – шток; 4 – пружина.
Поршневой
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – пружина.
Мембранный исполнительный механизм с регулирующим органом
По сравнению с пневматическими ИМ (цилиндрическим) мембранный ИМ имеет значительно меньший ход регулирующего органа. Однако они имеют большие перестановочные усилия.
Регулирующий орган
1 – корпус регулирующего органа (РО);
2 – седло;
3 – двухседельный клапан;
4 – шток;
5 – пружина;
6 – вялая мембрана с жестким центром;
7 – верхняя тарелка;
8 – сальник уплотнительный;
Рупр – управляющий пневматический сигнал.
Двухседельный клапан более предпочтителен по сравнению с односедельным, т.к. давление потока разветвляется и в меньшей мере воздействует на мембрану.
Ходовая характеристика представляет собой зависимость перемещения РОот значения управляющего сигнала
(─ ─ ─ ─) - ходовая характеристика ИМ.
При наличии позиционера гистерезис полностью отсутствует.
Перемещение РО при увеличении управляющего сигнала и уменьшения его не совпадают. Это обусловлено наличием гистерезиса в ходовой характеристике ИМ. Обусловлен гистерезис в основном наличием трения в уплотнительном сальнике и зависит от чистоты обработки штока.
Максимально допустимое значение гистерезиса составляет не более 10%. Чтобы полностью избавиться от гистерезиса устанавливают на ИМ дополнительное устройство – позиционер. Это пневматический усилитель, который имеет отдельное питание и обратную связь со штоком.
На позиционер подается управляющий сигнал от регулятора, а выходной сигнал от позиционера подается на мембрану ИМ. На всех ИМ большого размера установка позиционера обязательна.
Рупр ·Fм = c·L
– площадь мембраны, с – жесткость.
Пропускная способность РО (k) – это расход жидкости в м3/ч, плотностью 1000 кг/м3. Пропускаемой РО при перепаде давления на нем 100 кПа (1 кгс/см2).
,
где k – зависит от поперечного сечения щели клапана и от величины перепада давления ΔР; ΔР – разность давлений до клапана и после; ρ – плотность среды, которая проходит через клапан.
Конструкции РО:
Односедельный РО
Для управления заслонками и шиберами используют поршневые пневматические ИМ, которые имеют достаточно большой ход штока (максимально до 400 мм). Кроме того, поршневые ИМ выпускаются со встроенным позиционером, поэтому в их ходовой характеристике полностью отсутствует гистерезис.
Диафрагмовый РО
При увеличении управляющего сигнала шток перемещается вниз и уменьшает щель для прохода регулируемой среды. В данной конструкции отсутствует сальник, что существенно снижает гистерезис.
Шланговые РО
Расходная характеристика РО представляет собой зависимость величины расхода среды проходящий через клапан от степени его открытия.
Наиболее благоприятной для АСР является линейная расходная характеристика, однако получить такую характеристику затруднительно, т.к. требуется сложная конструкция золотника.
Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП)
АСУТП – человеко-машинная система управления, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на объект управления в соответствии с принятым критерием управления, путем сбора и переработки информации с помощью средств вычислительной техники.
Совокупность совместно функционирующих АСУ ТП и технологического объекта управления называется автоматизированным технологическим комплексом (АТК)
Структурная схема АТК
чувствительный элемент и ПП
ТОУ
исполнительные устройства
ТОУ – технологический объект управления (котел).
Исполнительные устройства включают исполнительные механизмы и регулировочные органы
Чувствительные элементы и первичные преобразователи воспринимают изменение технологических параметров, а преобразователи измерительные преобразовывают их в стандартные сигналы.
Для самых важных измеряемых параметров предусматривают установку на счетах вторичных измерительных приборов.
УСО – устройство связи с объектом управления. УСО на входе в УВМ включает АЦП, ДЦП, УСО на выходе УВМ включает ЦАП, ЦДП, ЦИП.
УСОП – устройство связи с оперативным персоналом. Включает дисплей (монитор), пульты управления, сигнализирующее табло и принтеры.
ОП – оперативный персонал.
В случае необходимости оперативный персонал ОП с помощью станции ручного управления может переходить с автоматического на ручное управление. Если управляющий сигнал электрический аналоговый (0÷5мА, 4÷20мА), а ИМ пневматический, то используется электропневматический преобразователь.
Если используются электрические ИМ, то управление ими осуществляется через магнитные пускатели, которые на схеме обозначены как усилители.
АСУП – автоматизированная система управления предприятием.
Основные схемы управления АСУТП
АСУТП выполняет следующие функции:
1) информационная;
2) управляющая;
3) вспомогательная.
Информационная подсистема АСУТП
Все информационные функции выполняет информационная подсистема. Она предназначена для представления ОП достоверной, разносторонней и подробной информации о настоящем, будущем и прошлом ТОУ.
Настоящее – информация, получаемая в данный момент времени, через каждые 5÷10мин информация печатается на принтере.
I. Информационная подсистема выполняет функции:
1) сбор и первичная обработка информации – эта функция состоит из ряда операций. Одной из важных является:
а) опрос измерительных устройств с заданной частотой. Частота опроса устанавливается от 0,5 сек. до нескольких секунд. При каждом опросе обновляется измерительная информация, которая сохраняется в памяти ЭВМ до следующего опроса.
б) операция фильтрации, при которой отбрасывают явно неистинные значения параметров.
в) операция усреднения параметров за заданные промежутки времени (час, смена, сутки)
г) корректировка измеренных значений параметров с учетом измеренных значений влияющих факторов.
Так, например, при измерении расхода пара и газа, необходимо непрерывно вводить коррекцию на изменение давления и температуры измеряемой среды.
д) операция интегрирования обычно мгновенных расходов с целью определения количества вещества, прошедшего за определенный промежуток времени.
е) расчет количества продуктов в емкостях и резервуарах, бункерах по измеренным значениям уровня, или путем взвешивания.
2) расчет показания качества продуктов.
Показатели качества продуктов являются основными параметрами, по которым следует осуществить управление процессом. Отдельные показатели качества контролируют автоматическими анализаторами, однако они бывают очень громоздкими и ненадежными в работе. Поэтому контроль показаний качества осуществляется обычно по математической модели, которая представляет собой зависимость:
С = f (x1; x2; x3;…;xk)
с – показатель качества (допустимая концентрация);
х1, х2,…, хk – технологические параметры, от которых зависит этот показатель качества.
Линейная модель имеет вид:
с = b0 + b1x1 + b2x2 + … + bkxk
b0; b1; bk – коэффициенты уравнения регрессии.
Параллельно может осуществиться химический анализ в лаборатории этого показателя качества. По полученным значениям корректируют математическую модель.
3) расчет технико-экономических показателей (ТЭП).
К ТЭП относятся величины, которые характеризуют работу объектов управления за определенный промежуток времени. Это могут быть выработка основных продуктов, расходы сырья, топлива, электроэнергии, производительность аппаратов, технологическая себестоимость единиц продукции.
ТЭП необходимы и для оперативного управления технологического объекта, и для учета и отчетности. Как правило, их рассчитывают за смену, за сутки, за декаду, за месяц.
К этой функции может относиться решение задач материального и теплового баланса.
4) контроль состояния технологического объекта управления (ТОУ).
Основной функцией является обнаружение отклонений текущих значений параметров за технологические и аварийные диапазоны.
Нахождение параметра в рамках технологического диапазона гарантирует введение нормального технологического процесса. Любой выбег за пределы технологического режима сопровождается световой и звуковой сигнализацией. При достижении аварийного диапазона обычно автоматически срабатывает защита, т.е. аппарат отключается или останавливается процесс.
5) контроль состояния оборудования, учет его времени работы, определение сроков ремонта.
К числу такого оборудования относится: насосы, компрессоры, вентиляторы, реакторы и т.д. По ремонту оборудования составляется график ремонтов с указанием их даты. Осуществляется учет времени работы, с начала месяца и за год.
II. Управляющая подсистема – предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий. Выполняет следующие функции:
1) регулирование отдельных технологических параметров. Такое регулирование осуществляется автоматическими регуляторами, которые реализуют обычно ПИ, ПИД закон регулирования. В отдельных случаях осуществляется непосредственное цифровое управление, которое осуществляет управляемая вычислительная машина (УВМ). К числу УВМ относится РЕМИКОНТ, ЛОМИКОНТ, УНИКОНТ.
2) программно-логическое управление. УВМ выдает команды на открытие или закрытие трубопроводов, включение или выключение аппаратов, насосов, компрессоров, и т.д.
3) оптимальное управление. В эту функцию входит поиск и выдача оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих ведение технологического процесса на наилучшем режиме. Для обеспечения оптимального управления требуется иметь мат. модель ТОУ.
На основе этой модели состоится поиск оптимума и выдачи управляющих воздействий. Мат. модели могут быть детерминированными или стохастическими (вероятностными).
Детерминирование базируется на известных физико-химических закономерностях, они используются в достаточно широком диапазоне изменения переменных параметров.
Стохастические более просты и представляют собой полиномы 1-й иногда 2-й степени. Однако их использование пригодно для тех аппаратов, на которых ставится эксперимент для их получения. Чаще используются детерминирующе-стохастические модели.
III. Вспомогательная подсистема.
Информационные и управленческие подсистемы обслуживают в основном оперативный технологический персонал, но АСУТП выполняет еще функции, обеспечивающие ее нормальную эксплуатацию. Эти функции объединены во вспомогательную подсистему. К функциям этой подсистемы относят:
1) организацию всего комплекса технических средств, как единого целого;
2) диагностика состояния комплекса технических средств (КТС);
3) контроль функцией всей системы;
4) организация совместной работы с другими АСУ.
Основной задачей этой подсистемы является проведение тестирования всех элементов системы и обнаружения неисправностей.
Режимы работы АСУТП
В зависимости от степени участия человека в выполнении функции АСУТП различают два режима работы:
1). Автоматизированный; в автоматизированном режиме оперативный персонал принимает активное участие в управлении. Возможны следующие варианты реализации этого режима:
- ручное управление;
- режим «ЭВМ-Советчик»;
2). Автоматический.
3). Диалоговый режим; в этом случае оператор ставит вопросы и получает от ЭВМ ответы.
При ручном управлении оперативный персонал использует полученную информацию о состоянии объекта управления и принимает решение об указании управляющих воздействий на объект вручную. При этом часть локальных автоматических систем регулирования может работать самостоятельно.
В режиме «ЭВМ-Советчик» на основе полученной информации ЭВМ производит обработку и поиск оптимального технологического режима и выдает рекомендации оперативному персоналу о целесообразности изменения режима. В случае, принятия совета оператор может произвести управляющее воздействие вручную или изменить задания некоторым регуляторам. Недостаток этого режима состоит в трудности определения правильности выработанной ЭВМ рекомендации. В диалоговом режиме оператор имеет возможность получать информацию по запросу о настоящем, прошлом и будущем технологического процесса, и лишь после анализа этой информации примем решение о целесообразности изменения технологического режима.
В автоматизированном режиме работы АСУТП могут быть реализованы следующие варианты управления:
1. Супервизорное (косвенное) управление;
2. Непосредственное цифровое управление (прямое).
Супервизорный режим работы АСУТП. Структурная схема АСУТП в супервизорном режиме работы.
ТОУ – технологический объект управления;
Д – датчики или первичные преобразователи;
ИП – измерительные преобразователи;
ЛАР – локальные автоматические регуляторы (по одному на каждый контур регулирования);
УДУ – устройство дистанционного управления;
УСО – устройство связи с объектом управления;
УСОП – устройство связи с оперативным персоналом;
УВМ – управляющая вычислительная машина;
ОП – оперативный персонал;
ИУ – исполнительные устройства (исполнительный механизм с регулирующим органом).
При супервизорном режиме работы АСУТП отдельно работают все контуры автоматического регулирования. В развитии системы управления дополнительно устанавливается УВМ, которая через АЦП и ДЦП воспринимает текущую информацию в состоянии объекта управления. Полученная информация обрабатывается в УВМ и отражается на дисплее, а так же печатается на принтере.
УВМ определяет оптимизированный технологический режим и может изменить задание локальным регулятором, а так же их настройки. При необъективности ОП может переводить любой контур автоматического регулирования на ручное управление, обычно с использованием УДУ.
При выходе из строя УВМ локальные автоматические системы регулирования продолжают работать автономно.
Достоинства:
Недостатки:
АСУТП непосредственно в цифровом режиме управления.
Структурная схема АСУТП в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) осуществляет локальные АР и вторичные приборы. На щитах устанавливают 2-3 вторичных прибора, которые измеряют наиболее важные технологические параметры.
В режиме НЦУ все функции управления технологическим процессом берет на себя УВМ.
На основе полученной информации о состоянии объекта управления УВМ определяет оптимальный режим и вырабатывает управляющие воздействия на исполнительные механизмы. УВМ может так же изменять задание регуляторам и их параметры настройки.
Оперативный персонал (ОП) в случае необходимости может переводить любой контур управления на ручное управление, с использованием клавиатуры или непосредственно воздействуя на УДУ.
УСО на входе УВМ включает АЦП и ДЦП, на выходе из УВМ – ЦАП, ЦИП и ЦДП.
УСО включает мониторы, принтера, клавиатуру управления и табло сигнализации.
Периодически, через установленные промежутки времени (5-10 мин) информация о состоянии объекта управления выдается на экран и печатается принтером на бумажной ленте.
Оперативный персонал в любой момент времени может выводить на экран значения измеренных технологических параметров.
Достоинства: по сравнению с супервизорным режимом существенно снижается громоздкость системы управления и стоимость.
Недостаток: при выходе из строя УВМ автоматическое управление процессом прекращается.
Управление осуществляет оператор через УДУ вручную.
С целью увеличения надежности работы АСУТП выполняют сдвоенными УВМ (то есть 2 одинаковых УВМ, одна из которых управляет процессом, а другая находиться в горячем резерве).
Виды обеспечения АСУТП
Для выполнения перечисленных функций и режимов работы используются комплекс взаимодействующих обеспечений АСУТП. В АСУТП используются такие виды обеспечений:
- техническое;
- программное;
- математическое;
- информационное;
- метрологическое;
- лингвистическое;
Техническое обеспечение АСУТП.
Включая весь комплекс технических средств – это чувствительные элементы или термические преобразователи, измерительные преобразователи, измерительные нормирующие преобразователи, вторичные приборы, регуляторы, средства вычислительной техники, исполнительные механизмы и регулирующие органы.
Обслуживание регулирующих органов входит в службу механики. В качестве микропроцессорной техники, которая используется для организации АСУТП применяют «Ремиконт-130» (регулирующий микропроцессы контроллер); «Ломиконт ТМ» (логический микропроцессор контроллер), «Униконт» (универсальный микропроцессор контроллер), «Микрон» (микропроцессор контроллер), построен на современном электронной вычислительной техники. Все эти устройства используются для организации АСУТП с непосредственным цифровым управлением.
Структурные схемы АСУТП
а) централизованная АСУТП:
б) функционально-децентрализованная АСУТП:
в) территориально-централизованная АСУТП:
В централизованной АСУТП (а) используются мощная УВМ, которая управляет несколькими технологическими установками. Такое построение АСУТП обладает существенными недостатками:
1. Низкая надежность – с выходом из строя УВМ теряется большая часть функций управления. В этом случае возникает необходимость резервирования УВМ.
2. Сложность программного обеспечения.
3. Высокая стоимость коммуникаций и оборудования по органической связи ЭВМ с объектом управления. Центральное положение УВМ предполагает наличие большого числа каналов связи, которые имеют достаточно большую протяженность. При такой структуре АСУТП стоимость информационной подсистемы составляет до 75% от стоимости всей системы.
Децентрализованные АСУТП устраняют многие из перечисленных недостатков, так как часть вычислительных ресурсов (микро ЭВМ) вынесены непосредственно к объектам управления. Такие системы управления (децентрализованные) более надежные, высокая степень живучести, меньшая стоимость.
Переход к децентрализованной АСУТП можно обосновать появлением новой микропроцессорной техники (Уникон, Микрон, и др.), которые обладают рядом преимуществ:
- функциональная гибкость;
- высокое быстродействие;
- высокая надежность;
- простота технического обслуживания;
- возможность расширения системы за счет её наращивания (компьютерные сети);
- небольшие габариты и не значительное энергопотребление.
Целью функциональной децентрализации (б) является уменьшение сложности управления путем выделения отдельной функции управления и реализации её на одной из микро ЭВМ.
Так на пример, на одну микро ЭВМ могут быть возложены информационные функции, на другую – вспомогательные, а на третью управляющие.
На схеме (б) микро ЭВМ № 2 выполняет вспомогательные функции, то есть она осуществляет контроль и тестирование всех технических средств. Выход из строя какой-либо из ЭВМ приводит к тому, что неработоспособной становиться только часть системы. При этом часть функций неработающей ЭВМ может быть автоматически перераспределена на работающие ЭВМ.
(в) Схема (в) предполагает приближение микро ЭВМ к источникам и потребителям информации, то есть непосредственно к технологическим объектам управления. В этом случае, одна из микро ЭВМ может быть выделена для управления насосами и компрессорами, а другие могут управлять ректификационными колоннами.
На практике, в чистом виде, функциональная и территориальная децентрализация встречается редко. Чаще используются оба вида децентрализации, имеем смесь схемы (б) и (в).
Типовые структуры децентрализованной АСУТП.
а) радиальная структура:
б) магистральная структура:
в) кольцевая структура:
Устройства связи
ЛЭВМ – локальная ЭВМ.
Наиболее простой структурой является радиальная схема (а). Центральная ЭВМ соединена с микро ЭВМ нижнего уровня.
Связь между микро ЭВМ нижнего уровня непосредственно между собой отсутствует. Однако эта связь осуществляется через центральное ЭВМ.
Надежность кольцевой структуры ниже чем магистральной, однако затраты на организацию кольцевой структуры меньше.
Программное обеспечение (ПО) АСУТП
Совокупность программ и эксплуатационных программ необходимо для реализации функций АСУТП.
Программное обеспечение разделяют на общее и специальное.
Общее программное обеспечение поставлено в комплекте:
- операционная система;
- система управления базой данных;
- программы: организующие, транслирующие, служебные;
- программы отладки и диагностики;
- библиотека стандартных программ.
Специальное ПО – это совокупность программ, реализующих информационные и управляющие функции.
Математическое обеспечение (МО) АСУТП.
Представляет собой комплекс математических методов, моделей и алгоритмов, на основе которых разрабатывается программное обеспечение (специальное).
МО совместно с программным обеспечением должны охватывать все функции управления, реализуемое ЭВМ.
Информационное обеспечение (ИО) АСУТП.
Это совокупность сведений о потоках и массивах информации характеризующих состояние технологического объекта управления.
Здесь отраженны характеристики используемых сигналов, то есть 0-5 мА, 4-20 мА, 0-100 мВ; кодирования технической и технико-экономической информации, описание массивов информации, описание нормативно-справочной информации, используемой АСУТП.
Метрологическое обеспечение АСУТП.
Эта совокупность работ проектных решений, технических средств, а так же организационных мероприятий, направленных на обеспечение заданной точности измерения.
В это обеспечение входят графики поверки технических средств, составляющих информационно-измерительную систему (ИИС).
Организационное обеспечение (ОО) АСУТП
ОО представляет собой совокупность описаний функций и режимов работы АСУТП, так же технических и организационных структур.
В ОО входят инструкции по действию технологического персонала и персонала, который обслуживает ЭВМ.
Лингвистическое обеспечение (ЛО) АСУТП
ЛО – описание языковых средств обеспечения оперативного персонала для общения с УЭВМ