automaatika alused СОДЕРЖАНИЕ: 1.1. Система и

automaatika alused
СОДЕРЖАНИЕ:
1.1. Система и самовозникающие свойства
2 Объекты управления
2.1. Непрерывные процессы.
2.2. Дискретные процессы
3 Структура систем управления
3.1 Принципы управления. Управление с обратной связью, Компенсации возмущений, инвариантное
управление
3.2 Информация в системах регулирования и управления
3.3. Замкнутая система с обратной связью. Регулятор Уатта - исторический пример использования обратной
связи
3.4 Алгоритм работы замкнутых систем с обратной связью.
3.5 Классы управляющих систем.
4.1 Элементы схем управления и регулирования
4.2 Единицы измерения физических величин и технологических параметров.
5.1 Использование современных технологий программирования.
5.2 Человеко машинный интерфейс.
Начальные понятия систем
1.1 Системы
Все время мы будем говорить о системах контроля и управления. Поэтому остановимся на общем понятии
«система». Это фундаментальное понятие. Система включает в себя набор (множество) объектов, начиная от
элементарных и заканчивая очень сложными. Объекты не совпадают друг с другом и отличаются какими то
параметрами, например.
разным положением в пространстве. Объекты в системе часто имеют различные
свойства и принципиально отличаются друг от друга, хотя это не обязательно. Второе обязательное условие для
системы – взаимодействие между объектами, что подразумевает наличие сил и энергии объектов. В процессе
взаимодействия группы объектов могут связываться этими силами в укрупнённые блоки.
Возникает взаимодействия между этими блоками. Могут образовываться еще более крупные составные части
системы со своими свойствами и взаимодействиями.
Самовозникающие свойства систем.
Давайте возьмем пример из совсем другой области. Вот есть такое явление — сверхпроводимость. Может быть,
вы даже знаете. Сверхпроводимость — это когда какое-нибудь тело полностью теряет электрическое
сопротивление, ток через него может течь без всякого сопротивления вообще. Если сверхпроводник замкнуть в
круг и пустить через него ток, без всякого напряжения, то он будет крутиться часами, днями, годами — такие
эксперименты делались. Он не затухает, крутится, крутится... Это называется сверхпроводимость. Явление это,
конечно, замечательное, и физики попытались разобраться, как оно возникает.
Если совсем наивно подходить к пониманию природы, то можно сказать: раз это явление есть в таком вот
веществе, давайте разделим его на атомы и покопаемся в каждом атоме или каждой молекуле, попытаемся
найти происхождение — что-нибудь такое, что дает ему сверхпроводимость. Вы, конечно, можете это сделать:
распилить на атомы, изучить отдельные атомы — теоретически, экспериментально, как угодно. И вы там ничего
не увидите! Там не будет ни малейшего намека на сверхпроводимость, потому что сверхпроводимость ничего —
почти ничего — не знает про атомы, а атомы ничего — почти ничего — не знают про сверхпроводимость.
Если взять один атом, то в нем не будет сверхпроводимости, просто будет атом, и всё. Если два, три атома — то
же самое. Ну, получится какая-нибудь там молекула маленькая. Если взять много атомов, то вдруг оно
возникает. Ну, конечно, не вдруг, не скачком — оно плавно проступает, оно как будто цветок из бутона
поднимается, когда вы много-много атомов берете. Но такие явления возникают сами по себе, просто из-за того,
что частицы взаимодействуют. Их не надо было закладывать изначально.
Точно так проявляется такое свойство как давление и свойство температуры. У одного атома или одной
молекулы нет давления, нет температуры.
У них другие свойства – скорость, внутренняя энергия,
неопределенность местоположения, кантовые числа. И вдруг при изменении количеств атомов ( молекул)
появляется температура системы, которую мы чувствуем как своим телом так и приборами.
В наблюдаемой нами части Вселенной больше чем
1087 элементарных частиц. В нашей Галактике 1011 звезд, и поэтому
где-то планеты, где-то есть люди, часть из них пришла на лекцию.. Сколько галактик в нашей части Вселенной? Примерно
1011–1012 галактик, и в каждой из них 1011 звезд, вокруг них вращаются планеты. Полная масса вещества в начале, когда
Вселенная родилась, должна была превосходить 1080 т. Вот таковы границы числа взаимодействующих элементов. Но эти
элементы группируются громадным числом способов и соответственно существует такое же число возможных свойств. В
человеке по оценке 20*1026 молекул (72 кг веса). Это дает возможность возникновения такого свойства как «сознание».
Задача инженера автоматика создавать такие системы,чтобы в них можно было реализовать свойства
устойчивости и управляемости. Мы должны уметь увидеть составные части (объекты) системы и описать
взаимосвязь между ними. Слежение с помощью приборов (датчиков) за состоянием объектов и за
взаимодействиями между ними называется контролем. Первоначально объект контроля (управления )
представляется нам как нечто цельное, громоздкое, крупное. И требуется разбить исходный объект на
отдельные элементы и описать взаимовлияние и взаимодействие между ними. Но не только описать, а и
следить за состоянием данной системы.
Пример самовозникающих свойств в системе это - свойства в таких объектах как животные и растения.
У них масса свойств, в том числе свойства автоматического регулирования и свойства управляемого
поведения. Поддержание постоянной температуры тела и давления крови – это область регулирования, а
поиск пищи или самки (самца) - это область управления.
Любой процесс (изменение состояния системы) характеризуется физическими величинами
(параметрами), - показателями процесса. Для одних процессов нужно держать показатели постоянными, для
других же допускается их изменение по определенному закону. "Технологический процесс" — это часть
производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению состояния предмета
труда. К предметам труда также относят заготовки и изделия.— ГОСТ 3.1109-82. Практически любой
технологический процесс можно рассматривать как часть более сложного процесса и совокупность менее
сложных (в пределе — элементарных) технологических процессов. Элементарным технологическим
процессом или технологической операцией называется наименьшая часть технологического процесса,
которую нецелесообразно делить на сотавляющие.
2. Объект управления — обобщающий термин кибернетики и теории автоматического управления,
обозначающий устройство или технологический процесс, управление поведением которого является нашей
целью. В каждой технической системе (ТС) существует функциональная часть — объект управления (ОУ). ОУ
воспринимает управляющие воздействий (УВ) и изменяет в соответствии с ними свое состояние. Если нет
управляющего аоздействия, то он изменяет свое состояние по законам физики под влиянием своего
окружения.
Последователность действий, ведущих к правильному выполнению технологического процесса в какомлибо устройстве или ряде связанных устройств, называется алгоритмом управления устройством или
системой, процессом.
2.1 Непрерывные процессы.
Непрерывные технологические процессы отличаются тем, что сырье и полуфабрикаты подаются в
оборудование для переработки непрерывно в течение достаточно продолжительного времени. Поэтому всегда
можно выделить три подпроцесса в полном технологическом процессе. Это а) технологический узел
подготовки и подачи сырья, б) аппаратура самого процесса изменения предмета труда, в) технологический
узел подготовки и отгузки конечного продукта. Кроме того имеются системы подачи энергии на объект и
отвода тепла и отработанных метериалов.
Особенностью непрерывных процессов явлется длительное (постоянное) поддержание однотипных
условий для выполнения действий по изменению состояний предмета труда. Для непрерывного производства
свойственна четкая согласованность операций, массовый выпуск продукции, стандартность изделий. Отсюда
вытекают специфические требованиия к системам управления непрерывными процессами, в частности задачи
по обеспечению постояного согласования режимов работ всех подпроцессов (координация), к задачам
регулирования и управления. В таких системах материалы или продукты непрерывным потоком из одного
технологического аппарата ( машины) передаются в другой. Непрерывные процессы, как правило, выполняют
на различных технологических аппаратах, а прерывные - на технологических машинах.
Непрерывные технологические процессы это норма для химических и нефтехимических производств,
пищевой прмышленности, металлургических производств, сланцеперерабатывающей промышленности,
органической химии и множества других производств. Уровень автоматизации непрерывных процессов
обычно выше чем на аналогичных прерывных, что связано с повышенными требованиями к стабильности
условий обработки и надежности работы. При автоматизации непрерывных технологических процессов часто
возникают задачи регулирования соотношения двух и более параметров. При управлении непрерывными
технологическими процессами широко используются автоматические системы управления технологическими
процессами ( системы АСУТП).
При непрерывных технологических процессах ремонтные работы проводят без остановки производства.
Поэтому на химическом предприятии сооружают резервные аппаратты и установки, а технологические
трубопроводы монтируют по схеме, позволяющей отключать отдельные агрегаты. Некоторую часть работ
проводят на действующем оборудовании. На ГГС-5 не бывает полной остановки станции. Такая остановка
случилась в 90х годах прошлого века при большом пожаре на этой станции. Поэтому система управления
ГГС-5 довольно специфическая, позволяющая при работе станции менять управляющее оборудование.
Во многих производствах непрерывные технологические процессы сочетаются с периодическими. В
других случаях некоторые стадии периодических процессов проводятся непрерывно. К числу преимуществ
непрерывных технологических процессов надлежит также отнести стабильность расходования основных и
вспомогательных материалов и энергии, что, как правило, сопровождается их экономией.
2.2 Дискретные процессы.
Дискретные технологические процессы ( ДТП) характеризуются в основном следующими
особенностями: наличием отдельных операций с четко выраженными началом и концом; наличием
регламентированных перерывов с остановом и выключением различных групп технологического
оборудования; универсальностью единиц технологического оборудования, что обусловливает возможность
выполнения на одном рабочем месте постоянных видов операций. Часче всего в периодический процесс
оформляют операции реакционного типа, когда путем химических реакций из одной группы веществ
получают другое вещество или другую группу веществ.
Периодические процессы производства в зависимости от числа аппаратов, используемых для основных
операций, могут быть одно -, двух - или многоступенчатыми. Одноступенчатый процесс предусматривает
проведение всех основных стадий в одном аппарате - обычно в контакторе емкостью до 15 м3 с механическим
перемешивающим устройством и рубашкой для нагрева и охлаждения. В таком аппарате после загрузки
исходных компонентов ( по весу или объему) проводят реакцию омыления, выпарку воды, диспергирование
мыла в масле, нагрев и расплавление мыльно-масляной дисперсии, замешивание присадок и добавок,
охлаждение с заданной скоростью для создания необходимых условий кристаллизации. Часто периодические
процессы имеют несколько стадий. Например, Периодический процесс производства жидких карбамидных
смол состоит из стадий подготовки сырья, получения начальных продуктов конденсации, доконденсации и
сушки смолы.
Автоматизация периодических процессов производства является довольно сложной задачей, поскольку в
таких производствах в одном объеме последовательно протекает большое число реакции, требующих
автоматического контроля и управления большим числом различных параметров с одновременным
обеспечением возможности изменения каждого параметра в широком диапазоне. Этим обусловлена
необходимость программного управления процессами и создания специальных систем стабилизации.
Примером является процесс производства электродного кокса на VKG.
1
Структура систем управления
Физические показатели процесса или объекта, которые сохраняются неизменными или преднамеренно
изменяются в процессе управления называются управляемыми (регулируемыми) величинами. Поэтому
управлять объектом – это значит создавать условия (комбинации интенсивностей потоков), при которых
качественные показатели изменялись бы по требуемому закону с определенной точностью, независимо от
действующих на объект внешних условий. Такими потоками являтся поток сырья, поток тепла, поток
материалов, электромагнитный поток, поток жидкости или другой материальный поток, поток света и так.
далее.
Каждый ОУ должен иметь устройство, называемое исполнительным механизмом (управляющим
органом), при изменении положения или состояния которого, показатели процесса будут изменяться в
заданных направлениях. Управляющий орган всегда изменяет интенсивность какогото потока. Управляющий
орган мы будем далее называть исполнительным механизмом, поскольку он исполняет команды человека или
регулятора.
Исполнительные устройства представляют собой преобразователи. На вход механизма обычно подается
стандартный сигнал, и он превращает входной сигнал (электрический, оптический, механический, пневматический и
др.) в движение штока клапана или поворот заслонки. Исполнительные механизмы устанавливаются на трубопроводах
сырья, материалов или энергоносителей.
Управление – это преднамеренное воздействие на объект управления, обеспечивающее достижение
определенных для данного технологического процесса целей.
3.1 Принципы систем управления
Представим структуру наиболее распространенных систем управления в упрощенном виде:
Схема 1
На схеме 1 показана замкнутая система управления с обратной связью.
Датчик (Д) – устройство или комплекс устройств, преобразующих измеряемый параметр
технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования. Технологические
параметры невозможно контролировать (наблюдать, выводить на пульт оператора, вводить в приборы и т.д.)
без промежуточных технических средств. Например, для получения температуру
используют
преобразователи, которые преобразуют сигнал непосредсвенного измерителя в стандартные сигналы (для
других приборов) или движение стрелки.
Если управление осуществляется без непосредственного участия человека, то оно называется
автоматическим, а если на исполнительный механизм непосредственно действует человек, то ручным.
Когда задача заключается в поддержании параметра на заданном уровне, например, держать
температуру тела на уровне 36,6°С, то это регулирование технологического параметра. Если же нужно
довести температуру тела с 36,6°С до 40,3°С то это уже управление. С обеими задачами молекулярные
регуляторы нашего тела успешно справляются. Вопрос: молекулярные регуляторы в нашем организме
автоматические или нет ?
Схема 2. Управление по возмущению без обратной связи. Для красоты его называют ивариантным
упралением (выход X(t) не зависит (инвариантен) от возмущения f (t) ).
Схема 2
Управлением по возмущению обычно дополняют регулирование по обратной связи. Самостоятельно
используется редко.
Компенсация влияния возмущений на регулируемую величину достигается за счет введения в
управление составляющей, зависящей от возмущения. Понятно, что эффект от этой составляющей в
управлении должен в значительной мере компенсировать эффект от возмущения. Если при этом достигнута
полная компенсация действия возмущения, то полученная САР является инвариантной (безразличной) к
данному возмущению.
Для успешного регулирования по этому принципу необходимо контролировать все возмущения,
влияющие на регулируемую величину, что не всегда возможно (из-за большого числа возмущений либо из-за
отсутствия датчиков некоторых возмущений). Таким образом, регулирование по возмущению имеет
ограниченные возможности. Однако оно имеет и одно достоинство: управление по возмущению для
инерционных объектов, каковыми является большинство объектов промышленности, является более
быстродействующим, чем управление по отклонению. Инерционный объект – такой объект управления у
которого на выходе параметры изменяются через значительное время после после подачи управляющего
воздействия или возникновения возмущения.
Поэтому в настоящее время стремятся совместить в одной системе оба принципа регулирования.
Получающиеся в этом случае комбинированные САР имеют точность замкнутых и быстродействие
разомкнутых систем, т. е. являются более высококачественными системами, чем построенные с
использованием только одного принципа.
Техническое устройство, предназначенное для автоматического поддержания постоянного значения
показателей процесса регулирования или изменения этих показателей по какому-либо требуемому закону
называют автоматическим регулятором (АР). Совокупность ситемы датчиков для ОУ и автоматических
регуляторов, взаимодействующих между собой и объектом управления по заданным алгоритмом называют
системой автоматического управления (САУ) или системой автоматического регулирования (САР).
3.2 Информация в системах регулирования
Какие формы взаимодействий между элементами обязательны в системах автоматического управления?
Обязательно есть передача и обработка информации. Информация это сообщение об изменении состояния
объекта. При таком определении появляется новое понятие «сообщение». Оно связано с передачей и
приёмом сигнала, вызванного изменением состояния. О передаче сигналов и защите от искажений имеется
масса книг, статей, диссертаций. Построены теории Шеннона, Винера, Калмана и других. Этим занимается
теория связи и теория обработки сигналов.
Вторым принципиальным моментом является то, что в сообщении только данные о изменение состояния есть
информация. Известное и неизменное данное не является информацией. Если я скажу, что в феврале зима
это сообщение не даст Вам никакой информации, кроме подозрения на сбой в моей работе. Но такое же
сообщение с данными о температуре на улице в феврале «плюс 20», вызовет большой интерес и реакцию.
Поэтому сообщения несут в себе разное количество информации.
Информация всегда проявляется в материально энергетической форме в виде сигналов, хотя это не материя и
не энергия, которые переходят друг в друга с соблюдением законов сохранения. Информация может исчезать
и появляться. Математические основы описания возникновения и передачи информации отличаются от основ
описания преобразования материальных потоков.
Информация объективно существует независимо от нашего сознания, но выявляется при взаимодействии с
конкретным объектом. В автоматике информация приходит от датчиков технологических параметров,
концевых положений и других устройств. Физические величины, определяющие ход технологического
процесса, называются технологическими параметрами процесса. Например, температура, давление, расход,
напряжение, состав и т.д.
3.3 Замкнутая система с обратной связью.
Специфической и обязательной информацией в системах автоматического управления является обратная
связь. В 19 веке было было окончательно сформулировано основополагающее решение – система с обратной
связью – в которой величина изменения выходного сигнала физически увязывалась с управляющим
воздействием на объект. Такая идея была сознательно на основании обобщения ряда технических решений
реализованных в процессе промышленной революции. Новизна заключалась в идее рассматривать объект
управления и обратную связь как единую систему. Информация с выхода системы поступает на вход системы
и меняет значения материальных потоков влияющих на состояние объектпа. Такая система имеет другие
свойства, чем сам объект управления. Возникают возможности добиваться желаемого поведения объекта в
составе системы.
Обратную связь можно обнаружить во многих процессах в природе. Примером могут
служить вестибулярный аппарат, обнаруживающий отклонение тела от вертикали и обеспечивающий
поддержание равновесия, системы регуляции температуры тела, ритма дыхания кровяное давление и т.д.
Регулятор Уатта - исторический пример использования обратной связи
Естественно что в промышленном производстве технические решения задач регулирования с применением
обратной связи возникали с давних времен и без всякой теории. Азбучным примером может служить
регулятор Уатта. При использовании потока пара для вращения лопастей, колес, валов и подобных
механических конструкций важно держать постоянной скорость вращения этих конструкций. Английский
конструктор изобрел устройство, позволяющее успешно решать эту задачу. Массивный шарик связывается
пружиной с вращающимся валом. В тоже время он связан рычажной передачей с клапаном на трубопроводе
подачи вращающего пара. Шарик вращается вместе с валом и под действием центробежной силы меняет
пложение бегунка на определенную величину. При этом он обеспечивает соответствующее открытие клапана
(за счет рычажной системы). Первоначальная настройка рычажной системы обеспечивают требуемое
положение клапана и нужный объем подачи пара для желаемой скорости вращения.
Когда в процессе движения скорость вращения становится выше заданной, увеличивается центробежная
сила и шары поднимает бегунок. При этом рычажная передача прикрывает клапан на линии подачи пара.
Вращающая сила уменьшается, и скорость вращения падает. При понижении скорости вращения вала,
центробежная сила уменьшается. Шары опускаются, а рычажная система соответственно открывает
регулирующий клапан. Пара идет больше, скорость вращения восстанавливается. Этот процесс
регулирования является классическим, многократно исследовался, имеет точное математическое описание.
Сам регулятор Уатта представляет самостоятельную законченную конструкцию, устанавливается
непосредственно на технологическом объекте и работает без участия человека. Энергию для работы, также
как и информацию для воздействий, он черпает непосредственно из технологического процесса. Человек
требуется для предпусковой настройки.
Устройства такого типа, черпающие энергию для изменения
положения исполнительного механизма из процесса, называются регуляторами прямого действия.
Специального отдельного регулятора в системе Уатта нет. Роль регулятора выполняет шары совместно с
конструкцией бегунка. Шары являются одновременно и датчиком скорости вращения.
В 1763 году шотландец Джеймс Уатт занялся проблемой
регулирования скорости вращения и создал первые варианты своей системы.
3.4 Алгоритм работы замкнутой системы с обратной связью.
Обратная связь может быть положительной и отрицательной. При положительной связи значение
выходного параметра накладывается на задание. При отрицательной обратной связи задание сравнивается
(вычитание) со значением выходного параметра. Отрицательная ОС позволяет создавать устойчивые
системы. Регуляторы в подавляющем большинстве работают по принципу отрицательной обратной связи. В
сумматоре определяется величина рассогласования - отклонение. Изменение величины управляющего
сигнала происходит на основании значения рассогласования по заложенным уравнениям.
сумматор
Z
e
f
Р
u
ОУ
y
Рис 1.4 Схема контура управления с обратной связью.
Принцип функционирования одноконтурной системы АР. Регулятор получает по обратной связи
информацию о переменной и производит постоянное сравнение текущего значения регулируемой величины
у с заданным значением Z, определяя отклонение е = z – у. Изменение сигнала на выходе регулятора зависит
от величины отклонения. Если текущее значение равно заданному значению, то регулятор не изменяет
управляющее воздействие, в противном случае управляющее воздействие на объект u изменяется в
соответствии с величиной отклонения. Чем больше отклонение регулирования (и чем дольше оно
наблюдается), тем больше изменение управляющего воздействия на объект
3.5 Классы управляющих систем
Сложность управляющей части зависит от того какую роль играет человек, оператор процесса. В любом
случае для него имеется устройство (прибор) для визуализации ( показаний значения) сигнала датчика.
Вариант первый. Оператор анализирует ситуацию и с ручного задатчика на пульте или штурвалом на вентиле
меняет положение исполнительного устройства. Например, увеличивая расход пара на объект. Это – ручное
управление. За процессом он следит по прибору для показаний значения технологического параметра. Часто
успользуется задатчик, то есть устройство для дистанционного воздействия на ИУ. Оператор самостоятельно
контролирует и поддерживает нужное значение параметра. Это применение прямого воздействия на объект
для компенсации нарушений технологическго процесса.
Вариант 2. Сигнал от датчика приходит на регулирующий прибор. Главная его часть – вычислительный
комплекс, который находит разность (т.е. вычитает) между требуемым значением контролируемого
параметра и реальным текущим значением. Эта разность служит для вычисления изменения положения
исполнительного механизма. В результате получается управляющий сигнал, который поступает на устройство
меняющее положение ИУ. Очень часто таким устройством является электропривод (actuator). У регулятора
обязательно есть элемент для ввода требуемого значения параметра.
Такая система –это автоматическое регулирование параметра. Оператор следит за поведением параметра
(обычно по устройству для показаний значения параметра) и меняет при необходимости заданное значение.
Это - контур управления
Котур управления важен при проектировании систем управления , так как должны быть согласованны по
физическим и программным свойствам все элементы контура. «Автоматчик» кроме того настраивает эту
цепочку приборов и вычисляет, ремонтирует, заменяет неисправные элементы.
Вариант 3. Система управления такая же как в варианте 2, но задание задает не оператор, а другое устройство,
координирующее взаимодействие различных контуров регулирования. Ему может давать задание
вышележащий уровень. Систем втоматического регулирования нижнего уровня может быть большое
количество. Все они связаны с задающими подсистемами. Таким образом сплетается большая сеть
взхамосвязанных контуров. Такая система – это автоматизированная система управления технологического
процесса (АСУТП).
В АСУТП обычно присутствует вычислительная техника. Упрощенная структурная схема АСУТП дана ниже:
Здесь ТОУ – технологический Объект Управления; ЛПР – локальные приборы регулировния;
Объект управления имеет следующие обязательные составляющие: имеется предмет труда (обработки) и
технологический процесс его изменения; Этот процесс оформлен аппаратно (колонна, емкость , реактор и т.
д.); Имеются материальные и энергетические потоки, позволяющие менять состояние предмета труда;
Состояние предмета труда характеризуется технололигескими параметра, доступными для измерения
(давления, расходы и т.д.).
В устройствах вычислительной технике реализоваы все регуляторы для контуров регулирования. Задача
координации всех и выдачи заданий этим контурам также реализована в компъютерах и програмируемых
контроллерах.
Установившийся режим - это режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой
величины и ее заданным значением будет постоянным во времени.
При регулировании по возмущению управляющий сигнал вырабатывается на основе желаемого изменения
регулируемой величины y0 (задания) и, главное, в зависимости от возмущения.
4.1 Элементы схем коонтроля, управления и регулирования
Мы рассмотрели контур управления. Он может быть с обратной связью. Тогда в него вхдят: датчик
технологического параметра, сигнал от которого идет на вход сравнивающего устройства регулятора, задание
на другой вход сранивающего устройства, с этого устройства величина рассогласования (разность) е поступает
на регулятор, выход с регулятора идет на исполнительный механизм который измененяет величину
управляющего потока в нужном направлении.
Контур инвариантного управления отличется тем что датчик измеряет величину возмущения и управляющее
устройство (не регулятор) меняет сигнал на клапан (исполнительный механизм) при изменении возмущения.
Важной функцией управляющих систем являектся измерение технологических параметров. Ниже приведен
список и условное (символьное) обозначение основных параметров технологических процессов.
F - расход,
L - уровень,
Р - давление,
Т - температура,
Е - любая электрическая величина (напряжение, ток),
G - положение, перемещение,
Q - состав смеси, концентрация,
М - влажность,
R - радиоактивность,
S - скорость (линейная или угловая), частота вращения
V - вязкость,
W – масса.
D - плотность,
Н - ручное воздействие,
К - временная программа,
На схемах приборы для измерения и представления параметров изображаются так:
Прибор для измерения температуры показывающий (термометры ртутный, манометрический и т.д.)
Прибор для измерения температуры показывающий, регистрирующий, установленный на щите
Регулятор давления ( по месту)
Прибор для измерения расхода показывающий интегрирующий, установленный на щите.
Прибор для измерения уровня с контактным устройством, установленный по месту.
Прибор для измерения качества продукта показывающий, установленный по месту (газоанализатор
на кислород.
Прибор для измерения частоты вращения привода регистрирующий, установленный на щите
(тахометр).
Пример функциональной схемы для ректификационной колонны, с использованием условных обозначений.
Вот примеры условных обозначений для исполнительных механизмов:
и - регулирующий орган (задвижка, клапан и т.д.);
к - регулирующий клапан, открывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально открытый) ;
л - регулирующий клапан, закрывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально закрытый) ;
м - управляющий электропневматический клапан;
н- отсекатель с приводом (запорный клапан) ;
п - электрозадвижка ; р - пневмоотсекатель ;
с - отборное устройство без постоянно подключенного прибора (служит для наладки, снятия характеристик).
4.2 Единицы измерения физических величин и технологических параметров.
Давление — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности
перпендикулярно этой поверхности. Среднее давление по всей поверхности есть отношение силы к площади
поверхности. Чтобы расчитать ваше давление на землю в положении «стоя», нужно ваш вес разделить на площадь
подошв вашей обуви ( с учетом наличия двух ног). Поэтому гораздо страшнее, если вам на ногу наступит обладательница
шпилек, чем хозяйка кроссовок.
Атмосферное давление — это давление воздуха в данном месте. Если его принимают за «0» для шкалы измерений, то
давление в этой шкале называется избыточным и обозначается «ати». Если за «0» принимают давление в космосе
(вакуум), то давление называется абсолютным и обозначается «ата». Разница между давлением в «ати» и «ата»
составляет одну атмосферу (один бар). Абсолютное давление больше. Прибор для измерения давления называется
манометром и может градуироваться в обеих шкалах. Всегда уточняйте в каких шкалах отрадуирован ваш прибор.
Приборы с «0» ата измеряют величину вакуума в тех аппаратах, в которых он может возникать. Для точного измерения
вакуума производят приборы называемые вакуумметрами.
Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м2). Однако, на
практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры
ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного
давления. Соответсвенно, 1бар = 1000 мбар = 1000*100Па = 100000Па. 1ата= 756 мм.рт.ст = 756*133,322 = 100792Па. 1
мм. водяного столба = 10 Па.
Температура — скалярная физическая величина, характеризующая среднюю энергию частиц макроскопической системы,
которая находится в состоянии термодинамического равновесия. Температура измеряется в градусах (®): Цельсия С,
Кельвина К, Фаренгейта F. Градусы Цельсия очень распространены из-за исторической привязки к важным
характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C) при атмосферном давлении. Это
удобно. Самая низкая температура, которая возможна — это –273,15 °C. Эта температура называется абсолютным
нулем.
Начало шкалы Кельвина совпадает с абсолютным нулем. Кельвин определяется как 1⁄273,16 термодинамической
температуры тройной точки воды (0,008 °C или 32,018 °F). Кельвин является одной из семи основных единиц системы СИ.
Один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия. Но вся шакала Кельвина сдвинута вниз на 273,15 градуса. При
пересчете температуры в шкале Цельсия в шкалу Кельвина нужно к показаниям по Цельсию добвить 274,15. 1°К = 1°С +
274,15, 11°К = 11°С +274,15.
На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном
давлении). Один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Пересчет из шкалы Фаренгейта в шкалу
Обратную формулу
выражения. Температура замерзания воды по Фаренгейту равна 32 °.
пересчета
можно
вывести из этого
В настоящее время градус Фаренгейта используется в быту как основная единица измерения температуры в
следующих странах: Англия, США и зависимые территории (Гуам, Виргинские острова, Палау, Пуэрто-Рико и
т.д.), Белиз, Бермудские Острова, Ямайка.
Температурная шкала Реомюра (°Re, °Ré, °R) (фр. Réaumur) — устаревшая шкала для измерения температуры, в которой
точки кипения и замерзания воды соответственно равны 80 и 0 градусам. В XVIII веке Шкала Реомюра была
распространена в Европе, особенно во Франции, Германии и в России. К 1790 году, в связи с переходом на метрическую
систему, Франция перешла на шкалу Цельсия. В наше время шкала Реомюра используется только в некоторых странах
для измерения температуры молока при производстве сыра.
Количество жидкости или газа, которое проходит через определенную площадь за единицу времени, называется
расходом. Его можно измерять по-разному, например, определяя через контроль движения массы или объема. Расход
зависит от скорости движения среды, площади поперечного сечения, через которое проходит вещество и плотности
среды. Измеряют расход приборы называемые расходомерами. Принципы определения величины расхода различные,
начиная с измерения скорости потока или измерения потери давления на сужающем устройстве (диафрагме). Также
используются различные тепловые, электромагнитные и другие эффекты, например вызываемяе силой корриолиса.
Единицы измерения расхода. Характеризует интенсивность движения. Объемный расход: М3/час, М3/сек, М3/мин. В
гидроавтоматике самая популярная единица расхода – Литр в минуту- л/мин. По сути - это величина объема протекшего
за единицу времени. При умножении величины расхода на время мы получаем значение накопившегося за это время
объема в соответствующих единицах измерения объема. Эта величина называется количеством.
Накопленные Количества измеряется в М3 (объем), тоннах, килограммах и т.д. Количество меняется от соотношения
расходов входящих и выходящих потоков. Поэтому для понимания причин накопления нужно контролировать эти
расходы. Очень часто величину накопленного количества характеризует «уровень» - линейная величина, измеряемая в
метрах, сантиметрах, милиметрах. Для перехода от уровня к объёму или массе требуется использовать величины
площади поперечного сечения объекта в котором контролируется количество и плотность среды. Для определения
количества накопленного газа нужно знать объём в котором он заключен и плотность газа. Плотность газа зависит от
давления и от состава газовой среды. Поэтому контроль количеств газа проводить сложнее чем жидких и сыпучих
продуктов.
Важный параметр Угловая скорость — векторная величина, характеризующая скорость вращения тела. Вектор угловой
скорости по величине равен углу поворота тела в единицу времени и направлен по оси вращения согласно правилу
буравчика, то есть, в ту сторону, в которую ввинчивался бы буравчик с правой резьбой, если бы вращался в ту же сторону.
У высоких людей с длинными конечностями есть преимущество в отношении линейной скорости. То есть, передвигая
ноги с одинаковой угловой скоростью, они двигают ступни с более высокой линейной скоростью. То же происходит и с их
руками. Такое преимущество может быть одной из причин того, что в первобытных обществах мужчины занимались
охотой чаще, чем женщины. Вероятно, что из-за этого также в процессе эволюции выиграли более высокие люди.
Длинные конечности помогали не только в беге, но и во время охоты — длинные руки бросали копья и камни с большей
линейной скоростью. С другой стороны, длинные руки и ноги могут быть неудобством. Длинные конечности имеют
больший вес и для их перемещения нужна дополнительная энергия. Кроме этого, когда человек быстро бежит, длинные
ноги быстрее двигаются, а значит, при столкновении с препятствием удар будет сильнее, чем у людей с короткими
ногами, которые двигаются с той же линейной скоростью.
Единица измерения угловой скорости, принятая в системах СИ и СГС — радианы в секунду. Поскольку радиан физически
безразмерен, физическая размерность угловой скорости — просто 1/с. В технике также используются обороты в минуту,
обороты в секунду и градусы в секунду.
1 радиан в секунду = 57.295 градус в секунду = 9.549 оборотов в минуту =
572.958 оборотов в час. оборот в секунду = 6.283 радиан в секунду = 360 градус в секунду = 60 оборотов в минуту. 50
оборотов в секунду (50 Гц) = 3000 оборотов в минуту. Такую скорость вращения требуется постоянно поддерживать для
вала турбины и связанного с ней вала электрогенератора. При малейших отклонениях от заданной частоты, сетевая
защита выбрасывает электрогератор из внешней сети Эстонии.
На расстоянии 35 786 километров от Земли находится орбита, на которой вращаются спутники. Это особенная орбита,
потому что тела, вращающиеся на ней в одном направлении с Землей, проходят всю орбиту примерно за такое же время,
которое требуется Земле, чтобы совершить полный оборот вокруг своей оси. Это немного меньше 24 часов, то есть один
день. Так как угловая скорость вращения тел на этой орбите равна угловой скорости вращения Земли, то наблюдателям с
Земли кажется, что эти тела не движутся. Такая орбита называется геостационарной.
5.1 Использование современных технологий программирования.
Укажем некоторые реализации систем управления с использованием современных технологий разработки: 1. АСУТП с
использованием пакетов программирования датчиков и исполнительных механизмов по протоколам и интерфейсам
сетевого обработки информации и дистанционной настройки этих устройств. Для этого создается единая кабельная сеть
вместе с Хабами, Свичами, Роутерами и другими сетевыми устройствами, связывающими датчики и клапана с
контроллерами, компьтерами. Чтобы проверить или настроить эти приборы не нужно идти на место установки и там
отключать его и проверять в неудобных условиях. Все делается на пульте управления через наладочный компьтер или
специальный блок. Более того, сигнал о нарушении работы устройства или сети выявится автоматически в приборе и
сразу прийдет на экран компьютера оператора. Датчики и исполнительные механизмы должны содержать блоки
HART(устаревшее), Profibus, Profinet.
Пример системы построеной с использованием Profibus. Она объединяет разрозненные устройства автоматизации в
единую систему на полевом уровне, а также может связывать PLC (программируемые контроллеры) с удаленными
модулями распределенной сети , с индикаторными панелями HMI (человеко машинного интерфейса) и органами
управления на пультах операторов (мониторах) SCADA. Profibus устройства разных производителей могут объединятся в
одну общую сеть. Сеть Profibus построена в соответствии с многоуровневой моделью OSI и описывает три ее уровня (1 физический уровень, 2 - канальный уровень, 7 - уровень приложений). Любая сеть содержит физический уровень
(«железо»), реализует международные протоколы, описывающие взаимодействие составных частей сети, и программы
реализующие протоколы.
На физическом уровне Profibus может представлять собой инфракрасную сеть/ оптическую сеть на оптическом волокне
(FO) /электрическую сеть. Электрическая сеть созданна на основе экранированной витой пары (ITP), в соответствии
стандарта RS-485. Скорость передачи варьируется от 9,6 Кbit/s до 12 Мbit/s. Под общим названием Рrofibus понимается
три различных, но совместимых протокола: Profibus-FMS, Profibus-DP и Profibus-PA. Протокол Profibus-FMS (Fieldbus
Message Specification – спецификация сообщений шины полевого уровня) разработан для связи и обмене информацией
ведущих (Master) устройств (Контроллеров и Промышленных компьютеров) друг с другом и устройствами HMI. Протокол
Profibus-DP (Distributed Periphery – распределенная периферия) разработан для высокоскоростной передачи данных
между ведущим (Master) контроллером и оконечными (Slave) устройствами сети и применяется на нижнем (I/O, Field)
уровне системы. Максимальная скорость передачи прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется от
185,5Kbit/s при 1200 м до 12 Мbit/s при 100м. Протокол Рrofibus-PА (Process Automation) предназначен для
использования с приборами расположенными как в обычных зонах, так и в взрывоопасных зонах (Ex-зонах) . Протокол
основан на стандарте IEC 61158-2. Сегменты Profibus-PА подключаются к Profibus-DP через специальные
искробезопасные барьеры или DP/PA-куплеры. Стандарт протокола описывает уровни 1 и 2 OSI-модели (физический
уровень и уровень передачи данных). В PROFIBUS PA могут создаваться линейные, звездообразные и кольцевые
топологии сети с ответвлениями до 120 м. Через DP/PA куплеры осуществляется питание устройств и согласование с
PROFIBUS DP для обмена данными. Скорость передачи 31.25 Kbit/s, время цикла < 10 ms.
Аналогичное построение имеют сети на базе Profinet. Но построены они на проколах соответсвующим протоколам сети
Ethernet. Передача информации и ее защита и обработка более совершенны. Кроме того информация может быть
передпна в любую точку Земли, где есть Интернет, естественно с защитой от нелегального проникновения.
2. АСУТП с использованием пакетов программирования контроллеров и компьютеров, обеспечивающих представление
информации в реальном времени. Системы с такими пакетами называют SCADA системами.
Назначение SСADA-пакетов – сократить сроки создания конкретных систем управления. Все они обладают, в общем-то,
одинаковым набором элементов для построения подобных систем. Программистам предприятия не надо писать свою
программу – есть возможность просто настроить существующую инструментальную систему под конкретные задачи.
Более того, со SCADA-пакетом может работать уже не программист, а непосредственно специалист по управлению
предприятия. В SCADA системе сигналы с датчиков используются не только для управления оборудованием но и для
показа хода процесса на мнемосхеме технологического процесса, которая воспроизводится на мониторах или
графических панелях устанавленных на пультах управления и шкафах автоматики. SCADA сохраняет информацию об
изменении показателей, собирает необходимые для организации производства данные, выдает информацию в виде
таблиц, графиков, гистограмм, распознает аварийные ситуации, вырабатывает подсказки оператору. Система способна
сама генерировать отчеты и направлять их на уровень управления предприятием.
Пример мнемосхемы созданной с помощью SCADA системы.
Современные информационные системы позволяют инженеру-технологу, находясь в любом городе и имея доступ в
Интернет, вызвать на экране «картинку» цеха своего предприятия и при необходимости вмешаться.
Основные функции и задачи SCADA:
-Обмен данными с различных устройств связи с объектом управления ;
-Обработка данных в режиме реального времени;
-Реализация SCADA HMI – человеко-машинного интерфейса с отображением информации на ПК или операторских
панелях;
-Ведение базы данных реального времени;
-Контроль аварийной сигнализации и сообщениями о тревогах;
-Создание отчетов о ходе технологического процесса;
-Передача данных на верхние уровни АСУ ТП (MES/ERP системы)
Для того, чтобы подсоединится к разнообразному аппаратному обеспечению от различных производителей,
используемому для конроля и управления, необходимо, чтобы SCADA система поддерживала все протоколы обмена
данными, которые используются в данном оборудовании. Протоколов обмена информации – сотни.
Для обеспечения связи с объектом и оборудованием система управления SCADA использует специализированные
программы-драйверы ввода/вывода или OPC/DDE серверы. OPC сервер ( OLE for Process Control - технологии связи и
компоновки объектов для управления процессами, представляет собой целое семейство технологий, построенных на
принципах OLE, ActiveX, COM/DCOM. Эти программы располагаются в памяти компьтера и ничего не делают пока не
почувстуют вызов ОРС клиента, связанного с контроллером или интелектуальным прибором. При получении от него
данных OPC сервер преобразует сигнал в формат понятный SCADA, и передает ей данные. SCADA чаще всего является и
сервером и клиентом. Информация движется в обе стороны. Контроллеры нужно приобретать вместе с OPC сервером
предназначенным для этого контроллера.
Поддержкой спецификаций технологии OPC занимается международная организация OPC Foundation. Они же являются
и создателями технологии OPC сервера. Девизом организации OPC Foundation и концепции OPC сервера является
открытость коммуникаций по открытым протоколам.
Особенность использования SCADA-программ такая: вместе с программой разработки нужно приобретать вторую
программу, разрешающую работать созданной Вами SCADA системе в реальном времени. Без этого Вам не запустить
вашу разработку. Такая программа называктся «монитор реального времени» и она проверяет наличее лицензионного
ключа, обычно ключа вставляемого в USB порт.
На рынке получили признание SCADA-программы многих производителей, среди них такие, как WinCC (Siemens,
Германия), In Touch (Wonderware, США), FIX (Intellution, США), Genesis (Iconics, США), , RealFlex (RealFlex Systems, США),
Sitex (Jade Software, США), Trace Mode (AdAstra, Россия), Simplicity (GE Fanuc Automation, США), RSView (Rockwell Software
Inc., США), Wizcon (Emation, Израиль), Winlog, MasterSCADA(InSAT, Россия), OpenSCADA. и другие. Выделены SCADAпрограммы, применяемые на VKG.
Общая структура автоматизированного управления производством.
1. Верхний уровень управления предприятием (ЕRP) – обработка информации о производстве за период – неделя,
месяц, год. Контроль производства за указанные периоды. Планирование на перспективу.
2. Оперативно производственное управление (MES) - обработка информации о процессе производства за период – час,
смена, сутки. Контроль производства за указанные периоды. Использование в задачах обработанной информации из баз
данных. Ежесуточное оперативное планирование. Распределение информации по службам предприятия. Координация
работ служб.
3. Управление технологическими операциями (АСУТП). Непрерывный во времени контроль и управление производством.
Системы защиты и блокировок. Создание баз данных реального времени и использование текущей информации в
задачах контроля и управления. Процессы в АСУТП являются самыми интенсивными по объему информации и самыми
жесткими по времени. Их опрос и реакции на ситуацию составляют секунды и даже миллисекунды, минуты, часы. В
SCADA-системах происходит накопление и обработка большого числа технологических параметров (десятки тысяч) и
создается в БДРВ информация об исходных данных для MES-уровня.
Здесь очень важно общение человека/оператора с техническими устройствами контроля и управления, что релизуется
интерфейсом – комплексом программ и технических устройств работающих по заранее согласованному и
утвержденному протоколу.
5.2 Человеко машинный интерфейс (ЧМИ).

Создание систем человеко-машинного интерфейса тесно увязано с понятиями эргономика и юзабилити. Сначала
создание рабочего места: кресла, стола, или пульта управления, размещение приборов и органов управления
(соответствием всего этого физиологии человека занимается эргономика), освещение рабочего места и,
возможно, микроклимат .

далее рассматриваются взаимодействие оператора со всеми органами управления: их доступность и
необходимые усилия, эффективность и скорость доступа, согласованность (непротиворечивость) управляющих
воздействий (в том числе т. н. «защита от дурака»), расположение дисплеев и размеры надписей на них (всё это
входит в сферу юзабилити)
В промышленных условиях ЧМИ чаще всего реализуется с использованием типовых средств: операторских панелей,
компьютеров и типового программного обеспечения.
Панель HMI (от англ. human-machine interface — «человеко-машинный интерфейс») — компактный
жидкокристаллический дисплей, предназначенный для визуализации параметров процесса (объекта) и/или
осуществления операторского управления. Панель HMI является элементом построения человеко-машинного
интерфейса систем управления. Для реализации функций управления панели снабжаются блоками кнопочного
управления и/или сенсорными экранами (touch screens).
Типовая панель предоставляет пользователю следующую функциональность:
1.Визуализация параметров технологического процесса (или объекта) в текстовом или графическом режимах;
2.
Управление и обработка аварийных сообщений, регистрация времени и даты возникновения аварийных сообщений;
3. Ручное управление с помощью функциональных кнопок или сенсорного экрана;
4. Возможность программирования графики и настройки функциональных клавиш;
5. Построение диаграмм и трендов, отображение сводных отчетов.
В графическом режиме для визуализации процесса используются интерактивных (touch) мнемосхемы.
Можно выделить следующие важные характеристики панелей оператора:
1. Тип и размер экрана. Экран может быть разного разрешения, начиная от миниатюрного 128x128 и вплоть до дисплея
офисного ПК. Экран может быт как монохромным, так и цветным, причем количество отображаемых цветов может
варьироваться от 16 до 16 млн. Параметры отображения влияют на удобство восприятия информации.
2. Организация управления: или с помощью прозрачного сенсорного экрана, наклеиваемого на ЖК-экран, или с
помощью функциональных кнопок и манипуляторов, расположенных на фронтальной стороне. Возможен и
комбинированный вариант.
3. Количество поддерживаемых сетевых протоколов. Современные панели имеют встроенную поддержку сразу
нескольких коммуникационных протоколов, например, Profibus DP и Industrial Ethernet. Причем на шинах передачи
данных панели могут выступать и в качестве мастера, и в качестве слейва.
4. Степень защиты. Для фронтальной части — это, как правило, IP65, для остальной части корпуса — IP20. Наибольшее
значение имеет степень защиты именно фронтальной части.
Пример: протокол интерфейса сигнализации нарушений технологического режима
Если параметр синализации в заданных границах, то светодиод светися ровным зеленым светом.
При получении физического сигнала о выходе параметра за предусмотренную границу на мнемосхеме сигнализации
красным цветом загорается светодиод , который мигает с частотой - свет три секунды/выключение три секунды.
Одновременно включается звуковой сигнал, оповещающий оператора о приходе сигнала о нарушении.
Мигание и звуковой сигнал продоложаются до тех пор, пока оператор не проделает операцию (например, не нажмет
кнопку «приема сигнала»), подтверждающию что сигнал замечен. При этом действии звуковой сигнал отключается.
Мигание также прекращается, но светодиод продолжает светится ровным красным светом.
При возвращении параметра в заданные границы, соответствующий светод переходит в свечение ровным зеленым
цветом. Это событие сопровождается подачей звукового сигнала с другой частоой звучания. Сигнал возврата в
нормальный режим снимается той же кнопкой «приема сигнала».
Пример реализации человеко машинного интерфейса на хим водоочистке VKG:
Пример графического экрана реализующего интерфейс с оператором технологического процесса.
В нижней части графической формы расположены кнопки с информацией для вызова различных графических форм,
например, форм регуляторов для контроля их работы и настройки параметров этих регуляторов . Также здесь можно
вызывать формы с графиками (трендами) параметров, таблицы с рапортами об аварийных и предаварийных сообщений,
графические экраны с других компьютеров и другие полезные источники информации.