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
Функциональная схема автоматической системы управления
ТОУ
ПП
ППр
РУ
ИМ
РО
ИУИУИУ
ИУ
ВП
ИП
y
yтн
yт
yтн зад
ЭС
µ
x1
z
u
xi
xn
ε
Измерительный преобразователь (ИП) служит для преобразования измеряемой величины y в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не позволяющее наблюдателю осуществить непосредственное восприятие. Он состоит из первичного (ПП) и передающего (ППр) преобразователей.
Первичный преобразователь (чувствительный элемент) - предназначен для непосредственного восприятия и преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Такой величиной может быть электрический, пневматический или механический сигналы.
Сигнал yт на выходе первичного преобразователя соответствует текущему значению измеряемого параметра. Передающий преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Другими словами, он преобразует сигнал, полученный от первичного преобразователя в стандартный унифицированный сигнал yтн, который может поступать на средства отображения информации (вторичные приборы, дисплеи, алфавитно-цифровые печатающие устройства) и на элемент сравнения ЭС.
Вторичный прибор – измерительное устройство, предназначенное для представления информации о текущем значении измеряемого параметра в форме, удобной для восприятия наблюдателем.
Устройство, определяющее отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется элементом сравнения (сумматором). На нем происходит вычитание измеренного значения параметра из заданного значения параметра, т.е. формирование сигнала рассогласования ε = yтн - yтн зад.
Устройство, которое вводит в систему заданное значение выходной величины называется задающим элементом (ЗЭ).
Устройство, которое на основе значения сигнала рассогласования и в соответствии с алгоритмом своей работы, вырабатывает необходимое воздействие μ на объект, называется регулирующим устройством (регулятором). Для передачи этого воздействия на объект служит исполнительное устройство, состоящее из исполнительного механизма и регулирующего органа. Исполнительный механизм является приводной частью исполнительного устройства. Он служит для формирования сигнала u перемещения регулирующего органа. Изменение положения регулирующего органа вызывает изменение притока z вещества или энергии в объект.
Как видно из схемы, система регулирования работает по замкнутому циклу, т.е. является замкнутой системой. Каждый элемент системы находится под воздействием другого (предыдущего) элемента, преобразуя тем или иным образом входной сигнал в выходной.
Рассмотрение замкнутого контура системы регулирования приводит к понятию обратной связи. Наличие обратной связи является необходимым условием любого управления. Система управления с обратной связью гарантирует компенсацию возмущений не только определенного вида, но и любых возмущений вообще; она компенсирует даже те возмущения, причина возникновения которых неизвестна.
В процессе управления воздействие по цепи обратной связи передается только в одном направлении – с выхода системы на ее вход. Если выходной сигнал системы, поданный на ее вход, приводит к еще большему изменению сигнала на выходе, то такая обратная связь является положительной (ПОС). Если же выходной сигнал системы, поданный на ее вход, приводит к уменьшению этого выходного сигнала, то обратная связь является отрицательной (ООС).
В системах автоматического управления используется только ООС.
Автоматические системы регулирования строятся в соответствии с одним их трех принципов: регулирование по отклонению, регулирование по возмущению или комбинированный принцип регулирования.
Принцип действия рассматриваемой АСР называют регулированием по отклонению (а).
Особенность его состоит в том, что в процессе регулирования регулятор оказывает воздействие на объект только в том случае, когда регулируемая величина отклоняется от заданного значения независимо от того, какие причины вызывают это отклонение.
ОР
y
АР
yзад
yт
X
АРв
ОР
x1н
x1
xn
xi
y
а) б)
АРв
АР
ОР
x1н
x1
xn
xi
y
yт
yзад
в)
Структурные схемы систем регулирования, работающих по различным принципам.
а – по отклонению; б – по возмущению; в – по комбинированному принципу.
Возмущение x вызывает отклонение текущего значения регулируемой величины y от её заданного значения. Автоматический регулятор АР сравнивает значения y и yзад, при их рассогласовании вырабатывает регулирующее воздействие z соответствующего знака, которое через исполнительное устройство подается на объект регулирования ОР и устраняет это рассогласование. В системах регулирования по отклонению для формирования регулирующих воздействий необходимо рассогласование, в этом состоит их недостаток, поскольку задача регулятора состоит именно в том, чтобы не допускать рассогласование. Однако на практике такие системы получили преимущественное распространение, так как регулирующее воздействие в них осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущающих воздействий.
Регулирование по возмущению (б) строится на подавлении возмущений до их проникновения в АСР – в этом основное достоинство принципа. При его использовании предварительно изучают влияние различных факторов на регулируемый параметр.
Регулятор АРв получает информацию о текущем значении основного возмущающего воздействия x1. При изменении его и несовпадении с номинальным значением x1н регулятор формирует регулирующее воздействие z, направляемое на объект. В системах, действующих по возмущению, сигнал регулирования проходит по контуру быстрее, чем в системах, построенных по принципу отклонения, вследствие чего возмущающее воздействие может быть устранено еще до появления рассогласования. Однако реализовать регулирование по возмущению для большинства объектов химической технологии практически не представляется возможным, так как это требует учета влияния всех возмущений объекта (x1 x2… xn), число которых, как правило, велико; кроме того, некоторые из них не могут быть оценены количественно. Например, измерение таких возмущений как изменение активности катализатора, гидродинамической обстановки в аппарате, условий теплопередачи через стенку теплообменника и многих других наталкивается на принципиальные трудности и часто неосуществимо. Обычно учитывают основное возмущение, например, по нагрузке объекта. Кроме того, в контур регулирования системы по возмущению сигналы о текущем значении регулируемой величины не поступают, поэтому с течением времени отклонение регулируемой величины от номинального значения может превысить допустимые пределы. Системы регулирования по возмущению являются разомкнутыми по отношению к регулируемой величине, но замкнутыми по отношению к устраняемому возмущению.
По комбинированному принципу (в). При таком регулировании, т.е. при совместном использовании принципов регулирования по отклонению и по возмущению, удается получить высококачественные системы. В них влияние основного возмущения x1 нейтрализуется регулятором АРв, работающим по принципу возмущения, а влияние других возмущений (x2… xn), – регулятором АР, реагирующим на отклонение текущего значения регулируемой величины от заданного значения.
В таких системах сочетаются положительные свойства ранее рассмотренных принципов регулирования – регулирование по отклонению и регулирование по возмущению. Поэтому такие системы обеспечивают более качественное регулирование.
Классификация систем автоматического управления
Функциональная классификация
В зависимости от функций, выполняемых управляющей системой, различают следующие виды систем автоматизации:
Системы автоматического контроля. Контроль за ходом технологического процесса необходим для получения достоверной информации о текущих значениях параметров. При измерении технологического параметра дают точную количественную оценку измеряемой величины. При контроле же необходимо оценить, находится ли измеряемая величина в пределах допустимых значений. Автоматический контроль параметров технологических процессов может быть местным и централизованным. Местный контроль обеспечивается приборами, установленными на технологических аппаратах и трубопроводах. В основном это приборы, измеряющие давление, температуру, уровень. Их используют, главным образом, во время пуско-наладочных работ на технологической установке. Местный контроль дает представление о работе отдельных аппаратов.
При управлении сложной технологической установкой обслуживающий персонал должен одновременно контролировать работу всех агрегатов, аппаратов и машин. Это достигается организацией централизованного контроля с применением систем дистанционной передачи измерительной информации. Она передается на пост управления — в операторную, где на щитах и пультах управления размещены многочисленные средства отображения информации: регистрирующие и показывающие вторичные приборы, дисплеи (мониторы), алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), мнемосхемы со световой аварийной и технологической сигнализацией, звуковые сигнализаторы. В операторной несет дежурство оператор-технолог.
Системы автоматической сигнализации. Устройства сигнализации предназначены для оповещения обслуживающего персонала о состоянии контролируемых объектов. Сигнализация может быть световая и звуковая. Световая сигнализация подается с помощью сигнальных ламп различным режимом свечения (ровный или мигающий свет, полный или неполный накал) или световыми указателями различного цвета. Звуковая сигнализация подается звонками, сиренами или гудками. Часто применяют сочетание световой и звуковой сигнализации. В таких случаях звуковой сигнал служит для извещения оператора о возникновении аварийного режима, а световой — указывает на место возникновения и характер этого режима.
Различают также технологическую сигнализацию и сигнализацию состояния.
Технологическая сигнализация извещает о нарушении нормального хода технологического процесса, что обычно проявляется в отклонении от заданного значения технологических параметров: температуры, давления, уровня, расхода, концентрации и т. п. На производствах, где возможно появление в помещениях паров пожаро- и взрывоопасных веществ, а также токсичных продуктов, сигнализируется превышение предельно допустимых концентраций таких веществ. Технологическая сигнализация бывает двух видов: предупредительная и аварийная.
Предупредительная сигнализация извещает о больших, но еще допустимых отклонениях параметров процесса от заданных. При появлении сигналов предупредительной сигнализации оператор должен принять меры для устранения возникающих неисправностей.
Аварийная сигнализация извещает о недопустимых отклонениях параметров процесса от регламентных значений или о внезапном отключении какого-либо технологического аппарата. Аварийная сигнализация осуществляется при серьезных нарушениях технологического режима, которые могут повлечь за собой тяжелые последствия, например, в результате перелива резервуара каким-либо нефтепродуктом, завышения давления и температуры в реакторе, погасания пламени в горелках или форсунках печи и т.д. Аварийная сигнализация требует немедленных действий оператора по заранее составленной инструкции. Поэтому такая сигнализация подается мигающим светом и резким звуком. Схемы аварийной сигнализации обычно снабжают кнопкой включения (съема) звукового сигнала. При поступлении нового аварийного сигнала звуковая сигнализация включается снова. Иногда применяют схемы без повторения звукового сигнала. Такие схемы более просты; они используются в тех случаях, когда появление хотя бы одного из аварийных сигналов автоматически вызывает остановку всего процесса
При помощи сигнализации состояния (положения) обозначаются рабочее и нерабочее состояние оборудования – насосов, компрессоров и т.д. (по наличию или отсутствия напряжения на электродвигателе привода) или положение затвора запорного исполнительного устройства – «открыто» или «закрыто» и т.д.
Системы автоматической защиты предназначены для предотвращения аварий на производствах, где изменение условий протекания технологических процессов может привести к возникновению аварийной ситуации. К числу таких потенциально опасных относятся процессы с высокими скоростями реакций, протекающие в условиях интенсивного тепловыделения, при больших давлениях и температурах и т. п. Устройства автоматической защиты в подобных процессах должны реагировать на нарушение нормального режима таким образом, чтобы предаварийное состояние не перешло в аварийное. Для этого обычно проводят защитные мероприятия: снижение давления или температуры реакционной массы, включение резервных насосов, отключение подачи топлива, продувку инертным газом и т. д. Некоторые защитные мероприятия, особенно в процессах, где авария может привести к тяжелым последствиям, предусматривают полную остановку технологического процесса, например посредством сброса реакционной массы из аппарата. Типичными для НПЗ являются меры, принимаемые для противоаварийной защиты нагревательных печей и реакторов — оборудования, работающего в наиболее тяжелых условиях. Например, аварийными являются ситуации, когда в результате завышения давления в змеевиках печи может произойти их разрыв, прекращение подачи нагреваемого продукта может привести к прогару труб змеевиков, а следствием погасания пламени в горелках и загазовывания топочного пространства может стать взрыв газа в нем. Причиной погасания пламени может быть как снижение давления в топливной сети, так и резкое увеличение его, что приведет к «отрыву» пламени от горелок. Во всех этих случаях должна автоматически прекратиться подача топлива — по сигналу соответствующего датчика должен сработать отсечный клапан на линии подачи топлива.
Поскольку предшествующие работе пуск и наладка производственного процесса — задача сложная, то необходимо исключить ложное срабатывание устройств автоматической защиты. Это достигается, например, установкой двух отдельных устройств защиты, реагирующих на один и тот же признак опасности. Устройства защиты соединены так, чтобы исполнительный механизм защитного устройства включался только при их одновременном срабатывании.
Системы автоматической блокировки предназначены для предотвращения неправильной последовательности включения в работу различного оборудования и выхода его из строя. Например, схема блокировки не позволит включить центробежный насос без предварительного заполнения жидкостью его рабочей камеры, компрессор — без протока охлаждающей воды, при неработающей системе смазки и т. д. Отключение оборудования из работы при помощи тех же устройств следует рассматривать как автоматическую защиту.
Системы автоматического регулирования предназначены для поддержания выходных величин объекта вблизи требуемых постоянных или переменных значений с целью обеспечения нормального режима его работы посредством подачи на объект управляющих воздействий.
Классификация систем автоматического управления.
Для обеспечения нормальной работы различных по назначению и конструкции аппаратов и установок нефтехимической промышленности необходимо регулировать технологические величины: температуры, давления, расходы, уровни, концентрации и т.д. Системы автоматического управления, используемые при этом, классифицируют по нескольким признакам:
Системы автоматического управления подразделяются на обыкновенные и самонастраивающиеся.
Самонастраивающиеся системы могут изменять свои свойства в зависимости от свойств объекта управления.
Наибольшее распространение получили обыкновенные системы автоматического управления. Поэтому более подробно остановимся на классификации последних.
По типу связи управляющей системы с объектом системы управления могут быть замкнутыми и разомкнутыми. В замкнутых САУ управляющая система воздействует на объект управления с учетом его состояния в данный момент времени и заданной цели управления. Признаком замкнутых систем является наличие обратной связи, через которую управляющая система получает информацию о состоянии объекта управления. Состояние объекта может изменяться в результате проявления различных внешних факторов – возмущений. Задача управляющей системы — подавление возмущений и приведение объекта в заданное состояние. Замкнутые системы в зависимости от закона изменения заданного значения регулируемого параметра подразделяются на: стабилизирующие, следящие и системы программного регулирования.
Система регулирования называется стабилизирующей, если она автоматически поддерживает значение параметра около заранее заданного постоянного значения, т.е.
Иногда в процессе управления технологическим объектом регулируемую величину требуется изменять во времени по определенному закону. В системах, обеспечивающих такое регулирование, заданное значение регулируемой величины изменяется по заранее предусмотренной программе. Такие АСР называются системами программного регулирования. Изменение заданного значения регулируемой величины производится с помощью программного задатчика, формирующего на своем выходе сигнал yзад (t), изменяющийся во времени, т.е.
В замкнутых системах программного регулирования текущее значение регулируемой величины сравнивается с непрерывно изменяющимся сигналом задания. Чаще всего такие системы используются при автоматизации химико-технологических процессов периодического действия или процессов, работающих по определенному циклу.
Следящие системы используются в том случае, если при управлении объектом возникает необходимость в обеспечении соответствия значений регулируемой величины какой-либо другой величине, произвольно изменяющейся во времени. В таких системах текущее значение регулируемой величины сравнивается со значением другой величины, изменяющейся во времени; при этом между ними выдерживается то или иное соотношение. Регулирующее воздействие формируется по результатам сравнения. В следящих АСР заданное значение регулируемого параметра является функций некоторой величины φ, произвольно изменяющейся во времени
Разновидностью следящих систем являются системы регулирования соотношения двух величин, например, расходов двух продуктов Пример такой АСР будет рассмотрен ниже.
В разомкнутых САУ обратная связь отсутствует. В них управляющее воздействие формируется без учета текущего состояния объекта управления, например, управление по времени. Разомкнутые системы управления делятся на системы компенсации и системы программного управления.
Системы компенсации – это разомкнутые системы, в которых реализуется принцип регулирования по возмущению.
Разомкнутые системы программного управления используются преимущественно при автоматизации химико-технологических процессов периодического действия или процессов, работающих по определенному циклу.
По количеству регулируемых параметров АСР делятся на простые и сложные. В простой АСР состояние объекта характеризуется значением одного регулируемого параметра. Простая АСР может быть одноконтурной, если на состоит из одного контура регулирования, или многоконтурной. Примером одноконтурной системы является АСР теплообменника по отклонению, рассмотренная нами ранее.
Примером многоконтурной системы регулирования является каскадная АСР температуры на выходе кожухотрубного теплообменника.
Gж, Tжвх
Gп, Pп
Gж, Tжвых
Gк
а
2
1
4
5
3
Р2
стаб.
Р1 корр..
z (Gп)
x3
x2
x1
yзад (Тжвыхзад )
y (Тжвых )
Тжвх
б
Рис. 1.31 Каскадная АСР температуры на выходе кожухотрубного теплообменника.
а- функциональная схема; б – структурная схема.
1 – измерительный преобразователь температуры жидкости на входе в теплообменник; 2 – регулятор; 3 – исполнительное устройство; 4 – измерительный преобразователь температуры на выходе; 5 – корректирующий регулятор.
Большинство промышленных АСР являются сложными и состоят из многих простых систем, каждая из которых обеспечивает регулирование какого-либо одного параметра. Если отдельные простые АСР не связаны между собой ничем, кроме общего объекта управления, то такая сложная система называется системой несвязанного регулирования. В некоторых объектах с несколькими регулируемыми параметрами изменение одного из входных воздействий вызывает изменение нескольких регулируемых величин. В таком случае сложная АСР уже не является суммой независимых простых систем, т.к. их регуляторы должны работать в определенной связи друг с другом с учетом взаимной зависимости регулируемых параметров. Такие сложные АСР называются системами связанного регулирования. Поскольку в практике автоматизации подобные системы встречаются не часто, мы рассматривать их не будем.
По наличию подводимой энергии АСР подразделяются на системы прямого и непрямого действия.
Если для перемещения регулирующего органа используется энергия среды, технологический параметр которой регулируется, то такая система называется системой прямого действия. Примером такой системы является система регулирования давления в ресивере (рис. 1.5 в). В самом деле, затвор клапана на линии подачи газа перемещается с помощью штока, жестко соединенного с мембранным устройством, в котором положение мембраны меняется в зависимости от величины текущего значения давления газа в ресивере. Таким образом, в данном примере отсутствует дополнительный источник энергии для перемещения регулирующего органа.
Системы регулирования прямого действия достаточно просты, но не обеспечивают высокого качества регулирования технологических параметров.
Большинство промышленных систем регулирования относятся к системам регулирования непрямого действия, в которых перемещение регулирующего органа происходит с помощью исполнительного механизма, приводимого в действие с помощью вспомогательного источника энергии. По виду используемой энергии АСР подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические. В электрических системах носителем энергии является электроэнергия, в пневматических – сжатый воздух, в гидравлических – жидкость под давлением. Иногда создают комбинированные системы, в которых используются, например, два вида вспомогательной энергии – электропневматические и электрогидравлические системы.
По принципу формирования сигнала управления различают системы непрерывного и дискретного (прерывистого) действия. В АСР непрерывного действия при непрерывном изменении регулируемого параметра сигналы на выходе каждого элемента системы изменяются непрерывно.
Если в состав АСР входит хотя бы один элемент дискретного действия, то она называется системой дискретного действия. Самым простым и распространенным элементом дискретного действия, применяемым в промышленных АСР, является релейный элемент, а соответствующие АСР называются релейными или позиционными.
Специфика процессов переработки нефти (высокие скорости, температуры и т. д., требования безопасности) обусловила применение для управления ими замкнутых САУ непрерывного действия.