Управління технічними системами лекції

Міністерство освіти Російської Федерації

Уфімський державний нафтовий технічний університет

Кафедра Автоматизації хіміко-технологічних процесів

Кирюшин О.В.

Управління технічними системами

курс лекцій

Уфа 2003

УДК 658.012 (07)

ББК 32.965я7

До 43

Рецензенти: директор Регіонального центру тестування, канд. техн. наук,

доцент Ахметсафіна Р.З .;

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

До 43 Кирюшин О.В. Управління технічними системами: курс лекцій. -

Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. - 80 с.

Навчальний посібник написано за матеріалами курсу «Управління технічними системами», що читається на кафедрі Автоматизації хіміко-технологічних процесів УГНТУ для студентів різних спеціальностей.

Викладений матеріал розділений на три частини:

1) теорія автоматичного управління, в якій містяться теоретичні основи побудови систем управління;

2) засоби автоматизації і управління, де описуються основні методи вимірювання та засоби автоматизації, що використовуються в нафтовидобутку, нафтопереробці і нафтохімії;

3) сучасні системи управління виробництвом, де коротко перераховано основні аспекти побудови АСУ ТП.

Ó Уфимський державний нафтовий технічний університет, 2003

Ó Кирюшин О.В., 2003

Частина 1. Теорія Автоматичного Управління (ТАУ)

1. Основні терміни та визначення ТАУ.

1.1. Основні поняття.

Системи управління сучасними хіміко-технологічними процесами характеризуються великою кількістю технологічних параметрів, число яких може досягати декількох тисяч. Для підтримки необхідного режиму роботи, а в кінцевому підсумку - якості продукції, що випускається, всі ці величини необхідно підтримувати постійними або змінювати за певним законом.

Фізичні величини, що визначають хід технологічного процесу, називаються параметрами технологічного процесу. Наприклад, параметрами технологічного процесу можуть бути: температура, тиск, витрата, напруга і т.д.

Параметр технологічного процесу, який необхідно підтримувати постійним або змінювати за певним законом, називається регульованою величиною або регульованим параметром.

Значення регульованої величини в даний момент часу називається миттєвим значенням.

Значення регульованої величини, отримане в даний момент часу на підставі даних деякого вимірювального приладу називається її виміряним значенням.

Приклад 1. Схема ручного регулювання температури сушильного шафи.

Мал. 1.1

Потрібно вручну підтримувати температуру в сушильній шафі на рівні Т _зад.

Людина-оператор в залежності від показань ртутного термометра РТ включає або вимикає нагрівальний елемент Н за допомогою рубильника Р. ¨

На основі цього прикладу можна ввести визначення:

Об'єкт управління (об'єкт регулювання, ОУ) - пристрій, необхідний режим роботи якого повинен підтримуватися ззовні спеціально організованими керуючими впливами.

Управління - формування дій, що забезпечують необхідний режим роботи ОУ.

Регулювання - приватний вид управління, коли завданням є забезпечення сталості будь-якої вихідної величини ОУ.

Автоматичне управління - управління, здійснюване без безпосередньої участі людини.

Вхідний вплив (Х) - вплив, що подається на вхід системи або пристрою.

Вихідна дія (Y) - дія, що видається на виході системи або пристрою.

Зовнішній вплив - вплив зовнішнього середовища на систему.

Структурна схема системи регулювання до прикладу 1 зображена на рис. 1.2.

Приклад 2. Схема автоматичного регулювання температури сушильного шафи.

У схемі використовується ртутний термометр з контактами РТК. При підвищенні температури до заданої контакти замикаються стовпчиком ртуті, котушка релейного елемента РЕ збуджується і ланцюг нагрівача Н розмикається контактом РЕ. При зниженні температури контакти термометра розмикаються, реле знеструмлюється, відновлюючи подачу енергії на об'єкт (див. Рис. 1.3). ¨

Приклад 3. Схема АСР температури з вимірювальним мостом.

При температурі об'єкта, що дорівнює заданій, вимірювальний міст М (див. Рис. 1.4) урівноважений, на вхід електронного підсилювача ЕУ сигнал не надходить і система знаходиться в рівновазі. При відхиленні температури змінюється опір терморезистора R _Т і рівновагу моста порушується. На вході ЕУ з'являється напруга, фаза якого залежить від знака відхилення температури від заданої. Напруга, посилене в ЕУ, надходить на двигун Д, який переміщує движок автотрансформатора АТ в відповідну сторону. При досягненні температури, яка дорівнює заданої, міст збалансується і двигун відключиться.

Мал. 1.4

Величина заданого значення температури встановлюється за допомогою резистора R _зад. ¨

Виходячи з описаних прикладів, можна визначити типову структурну схему одноконтурной АСР (див. Рис. 1.5). Прийняті позначення:

x - задає вплив (завдання), e = х - у - помилка регулювання, u - керуючий вплив, f - рівноваги вплив (обурення).

Мал. 1.5

визначення:

Задає вплив (те саме, що вхідний вплив Х) - вплив на систему, що визначає необхідний закон зміни регульованої величини).

Керуючий вплив (u) - вплив керуючого пристрою на об'єкт управління.

Керуючий пристрій (КП) - пристрій, що здійснює вплив на об'єкт управління з метою забезпечення необхідного режиму роботи.

Рівноваги вплив (f) - вплив, що прагне порушити необхідну функціональну зв'язок між заданою дією і регульованою величиною.

Помилка управління (е = х - у) - різниця між запропонованим (х) і дійсним (у) значеннями регульованої величини.

Регулятор (Р) - комплекс пристроїв, що приєднуються до регульованого об'єкту і забезпечують автоматичну підтримку заданого значення його регульованої величини або автоматичну зміну її за певним законом.

Автоматична система регулювання (АСР) - автоматична система з замкнутим ланцюгом дії, в якому управління (u) виробляється в результаті порівняння дійсного значення у з заданим значенням х.

Додаткова зв'язок в структурній схемі АСР, спрямована від виходу до входу розглянутого ділянки ланцюга впливів, називається зворотним зв'язком (ОС). Зворотній зв'язок може бути негативною або позитивною.

1.2. Класифікація АСР.

1. За призначенням (за характером зміни завдання):

· Стабілізуюча АСР - система, алгоритм функціонування якої містить припис підтримувати регульовану величину на постійному значенні (x = const);

· Програмна АСР - система, алгоритм функціонування якої містить припис змінювати регульовану величину відповідно до заздалегідь заданої функцією (x змінюється програмно);

· Стежить АСР - система, алгоритм функціонування якої містить припис змінювати регульовану величину залежно від наперед невідомої величини на вході АСР (x = var).

2. За кількістю контурів:

· Одноконтурні - містять один контур,

· Багатоконтурні - містять кілька контурів.

3. За кількістю регульованих величин:

· Одномірні - системи з 1 регульованою величиною,

· Багатовимірні - системи з декількома регульованими величинами.

Багатовимірні АСР в свою чергу поділяються на системи:

а) незв'язаного регулювання, в яких регулятори безпосередньо не пов'язані і можуть взаємодіяти тільки через загальний для них об'єкт управління;

б) пов'язаного регулювання, в яких регулятори різних параметрів одного і того ж технологічного процесу пов'язані між собою поза об'єктом регулювання.

4. За функціональним призначенням:

АСР температури, тиску, витрати, рівня, напруги і т.д.

5. За характером використовуваних для управління сигналів:

· Безперервні,

· Дискретні (релейні, імпульсні, цифрові).

6. За характером математичних співвідношень:

· Лінійні, для яких справедливий принцип суперпозиції;

· Нелінійні.

Принцип суперпозиції (накладення): Якщо на вхід об'єкта подається кілька вхідних впливів, то реакція об'єкта на суму вхідних впливів дорівнює сумі реакцій об'єкта на кожне вплив в окремо:

L (х ₁ + х ₂₎ = L (х ₁₎ + L (х _2),

де L - лінійна функція (інтегрування, диференціювання і т.д.).

7. По виду використовуваної для регулювання енергії:

· Пневматичні,

· Гідравлічні,

· Електричні,

· Механічні та ін.

8. За принципом регулювання:

· По відхиленню:

Переважна більшість систем побудовано за принципом зворотного зв'язку - регулювання по відхиленню (див. Рис. 1.7).

Елемент називається суматором.Його вихідний сигнал дорівнює сумі вхідних сигналів. Зачернений сектор говорить про те, що даний вхідний сигнал треба брати з протилежним знаком.

· По обуренню.

Дані системи можуть бути використані в тому випадку, якщо є можливість вимірювання впливу, що обурює (див. Рис. 1.8). На схемі позначений К - підсилювач з коефіцієнтом посилення К.

· Комбіновані - поєднують в собі особливості попередніх АСР.

Даний спосіб (див. Рис. 1.9) досягає високої якості управління, однак його застосування обмежене тим, що обурює вплив f не завжди можна виміряти.

1.3. Класифікація елементів автоматичних систем.

1. За функціональним призначенням:

· Вимірювальні,

· Підсилювально-перетворювальні,

· Виконавчі,

· Коригувальні.

2. По виду енергії, використовуваної для роботи:

· Електричні,

· Гідравлічні,

· Пневматичні,

· Механічні,

· Комбіновані.

3. За наявністю або відсутністю допоміжного джерела енергії:

· Активні (з джерелом енергії),

· Пасивні (без джерела).

4. За характером математичних співвідношень:

· лінійні

· Нелінійні.

5. По поведінці в статичному режимі:

· Статичні, у яких є однозначна залежність між вхідним і вихідним впливами (стан статики). Прикладом є будь-який тепловий об'єкт.

· Астатические - у яких ця залежність відсутня. Приклад: Залежність кута повороту ротора електродвигуна від прикладеної напруги. При подачі напруги кут повороту буде постійно зростати, тому однозначної залежності у нього немає.

2. Характеристики і моделі елементів і систем.

2.1. Основні моделі.

Роботу системи регулювання можна описати словесно. Так, в п. 1.1 описана система регулювання температури сушильного шафи. Словесний опис допомагає зрозуміти принцип дії системи, її призначення, особливості функціонування і т.д. Однак, що найголовніше, воно не дає кількісних оцінок якості регулювання, тому не придатне для вивчення характеристик систем і побудови систем автоматизованого управління. Замість нього в ТАУ використовуються більш точні математичні методи опису властивостей систем:

· Статичні характеристики,

· Динамічні характеристики,

· диференційне рівняння,

· Передавальні функції,

· Частотні характеристики.

У кожній із цих моделей система може бути представлена ​​у вигляді ланки, що має вхідні впливу Х, обурення F і вихідні впливу Y

Під впливом цих впливів вихідна величина може змінюватися. При цьому під час вступу на вхід системи нового завдання вона повинна забезпечити із заданою ступенем точності нове значення регульованої величини в сталому режимі.

Сталий режим - це режим, при якому розбіжність між істинним значенням регульованої величини і її заданим значенням буде постійним у часі.

2.2. Статичні характеристики.

Статичною характеристикою елемента називається залежність сталих значень вихідної величини від значення величини на вході системи, тобто

y _вуст = j (х).

Статичну характеристику (див. Рис. 1.11) часто зображують графічно у вигляді кривої у (х).

Статичним називається елемент, у якого при постійній вхідній дії з часом встановлюється постійна вихідна величина. Наприклад, при подачі на вхід нагрівача різних значень напруги він буде нагріватися до відповідних цим напруженням значень температури.

Астатическим називається елемент, у якого при постійній вхідній дії сигнал на виході безперервно росте з постійною швидкістю, прискоренням і т.д.

Лінійним статичним елементом називається безінерційний елемент, що володіє лінійною статичною характеристикою:

у _уст = К * х + а _0.

Як видно, статична характеристика елемента в даному випадку має вигляд прямої з коефіцієнтом нахилу К.

Лінійні статичні характеристики, на відміну від нелінійних, зручніші для вивчення завдяки своїй простоті. Якщо модель об'єкта нелінійна, то зазвичай її перетворять до лінійного вигляду шляхом лінеаризації.

САУ називається статичної, якщо при постійній вхідній дії помилка управління е прагне до постійного значення, що залежить від величини впливу.

САУ називається астатичними, якщо при постійній вхідній дії помилка управління прагне до нуля незалежно від величини впливу.

2.3. Динамічні характеристики.

Перехід системи від одного сталого режиму до іншого при будь-яких вхідних впливах називається перехідним процесом. Перехідні процеси можуть зображуватися графічно у вигляді кривої y (t).

Наприклад, процес нагріву сушильного шафи до сталого значення може мати вигляд, представлений на малюнку 1.12.

Тобто, перехідний процес характеризує динамічні властивості системи, її поведінку.

Оскільки вхідні дії можуть змінюватися в часі, то і перехідні характеристики будуть кожного разу різні. Для простоти аналізу систем вхідні дії приводять до одного з типових видів (див. Рис. 1.13).

Залежно від виду вхідного впливу функція у (t) може мати різне позначення:

Перехідною характеристикою h (t) називається реакція об'єкта на одиничне поетапне вплив при нульових початкових умовах, тобто при х (0) = 0 і у (0) = 0.

Імпульсною характеристикою w (t) називається реакція об'єкта на d-функцію при нульових початкових умовах.

При подачі на вхід об'єкта синусоїдального сигналу на виході, як правило, в сталому режимі виходить також синусоїдальний сигнал, але з іншого амплітудою і фазою: y = A _вих * sin (w * t + j), де A _вих - амплітуда, w - частота сигналу, j - фаза.

Частотної характеристикою (ЧХ, АФХ та ін.) Називається залежність амплітуди і фази вихідного сигналу системи в сталому режимі при додатку на вході гармонійного впливу.

2.4. Диференційне рівняння. Лінеаризація.

Відомо, що будь-який рух, процеси передачі, обміну, перетворення енергії і речовини математично можна описати у вигляді диференціальних рівнянь (ДУ). Будь-які процеси в АСР також прийнято описувати диференціальними рівняннями, які визначають сутність що відбуваються в системі процесів незалежно від її конструкції і т.д. Вирішивши ДУ, можна знайти характер зміни регульованої змінної в перехідних і сталих режимах при різних впливах на систему.

Для спрощення задачі знаходження ДУ, що описує роботу АСР в цілому, систему розбивають на її окремі елементи, перехідні процеси в яких описуються досить простими ДУ. Так як ДУ описують роботу системи незалежно від фізичної сутності протікають в ній процесів, то при розбитті системи немає необхідності враховувати їх фізичну цілісність. Для кожного елемента структурної схеми необхідно скласти ДУ, що визначає залежність зміни вихідної величини від вхідних.

Так як вихідна величина попереднього елемента є вхідний для подальшого, то, визначивши ДУ окремих елементів, можна знайти ДУ системи.

Однак, такий метод можна застосовувати тільки в окремих випадках. Справа в тому, що в більшості випадків реальних елементів системи зв'язок між вхідний і вихідний величинами є нелінійної і часто задається в графічній формі. Тому, навіть якщо ДУ системи і буде отримано, воно буде нелінійним. А аналітичне рішення нелінійних ДУ можливо далеко не завжди.

Для вирішення цієї проблеми враховують, що в процесі регулювання відхилення всіх змінюються величин від їх усталених значень малі, і тому можлива заміна нелінійних ДУ наближеними лінійними ДУ, тобто можлива лінеаризація диференціальних рівнянь.

Розглянемо сутність процесу лінеаризації на прикладі сушильного шафи. Залежність температури об'єкта від напруги, що подається в більшості випадків нелінійна і має вигляд, представлений на малюнку.

Графічно линеаризацию деякого рівняння від двох змінних F (х, у) = 0 в околиці деякої точки (х _0, у ₀₎ можна уявити як заміну розглянутого ділянки кривої на дотичну (див. Рис. 1.14), рівняння якої визначається за формулою:

,

де і - приватні похідні від F по х і у. Дане рівняння називається рівнянням в прирости, оскільки значення х і у тут замінені на збільшення D х = х - х ₀ і D у = у - у _0.

Лінеаризація ДУ відбувається аналогічно, відмінність полягає тільки в тому, що необхідно шукати приватні похідні по похідним ( , , і т.д.).

Приклад. Лінеаризація нелінійного ДУ.

3xy - 4x ² + 1,5 y = 5 + y

Дане ДУ є нелінійним через наявність творів змінних х і у. Лінеарізіруем його в околиці точки з координатами х ₀ = 1, = 0, = 0. Для визначення відсутнього початкового умови у ₀ підставимо дані значення в ДУ:

3у ₀ - 4 + 0 = 0 + у ₀ звідки у ₀ = 2.

Введемо в розгляд функцію

F = 3xy - 4x ² + 1,5x'y - 5y '- y

і визначимо всі її похідні при заданих початкових умовах:

= (3у - 8х = 3 * 2 - 8 * 1 = -2,

= (3х + 1,5x '- 1 = 3 * 1 + 1,5 * 0 - 1 = 2,

= (1,5у = 1,5 * 2 = 3,

= -5.

Тепер, використовуючи отримані коефіцієнти, можна записати остаточне лінійне ДУ:

^-5. Dy '+ ^2. Dy + ^3. D х '- ^2. D х = 0.

¨

2.5. Перетворення Лапласа.

Дослідження АСР істотно спрощується при використанні прикладних математичних методів операційного числення. Наприклад, функціонування деякої системи описується ДУ виду

, (2.1)

де х і у - вхідна і вихідна величини. Якщо в дане рівняння замість x (t) і y (t) підставити функції X (s) і Y (s) комплексного змінного s такі, що

і , (2.2)

то вихідне ДУ при нульових початкових умовах рівносильно лінійному рівнянню алгебри

a ₂ s ² Y (s) + a ₁ s Y (s) + a ₀ Y (s) = b ₁ X (s) + b ₀ X (s).

Такий перехід від ДУ до рівнянню алгебри називається перетворенням Лапласа, формули (2.2) відповідно формулами перетворення Лапласа, а отримане рівняння - операторних рівнянням.

Нові функції X (s) і Y (s) називаються зображеннями x (t) і y (t) по Лапласа, тоді як x (t) і y (t) є оригіналами по відношенню до X (s) і Y (s) .

Перехід від однієї моделі до іншої досить простий і полягає в заміні знаків диференціалів на оператори s ^n, знаків інтегралів на множники , А самих x (t) і y (t) - зображеннями X (s) і Y (s).

Для зворотного переходу від операторного рівняння до функцій від часу використовується метод зворотного перетворення Лапласа. Загальна формула зворотного перетворення Лапласа:

, (2.3)

де f (t) - оригінал, F (jw) - зображення при s = jw, j - уявна одиниця, w - частота.

Ця формула досить складна, тому були розроблені спеціальні таблиці (див. Табл. 1.1 і 1.2), в які зведені найбільш часто зустрічаються функції F (s) і їх оригінали f (t). Вони дозволяють відмовитися від прямого використання формули (2.3).

Таблиця 1.2 - Перетворення Лапласа

Таблиця 1.2 - Формули зворотного перетворення Лапласа (доповнення)

Закон зміни вихідного сигналу зазвичай є функцією, яку необхідно знайти, а вхідний сигнал, як правило, відомий. Деякі типові вхідні сигнали були розглянуті в п. 2.3. Тут наводяться їх зображення:

одиничне поетапне вплив має зображення X (s) = ,

дельта-функція X (s) = 1,

лінійне вплив X (s) = .

Приклад. Рішення ДУ з використанням перетворень Лапласа.

Припустимо, вхідний сигнал має форму одиничного ступеневої впливу, тобто x (t) = 1. Тоді зображення вхідного сигналу X (s) = .

Виробляємо перетворення вихідного ДУ по Лапласа і підставляємо X (s):

s ² Y + 5sY + 6Y = 2sX + 12X,

s ² Y + 5sY + 6Y = 2s + 12 ,

Y (s ³ + 5s ² + 6s) = 2s + 12.

Визначається вираз для Y:

.

Оригінал отриманої функції відсутня в таблиці оригіналів і зображень. Для вирішення завдання його пошуку дріб розбивається на суму простих дробів з урахуванням того, що знаменник може бути представлений у вигляді s (s + 2) (s + 3):

= = + + =

= .

Порівнюючи отриману дріб з вихідною, можна скласти систему з трьох рівнянь з трьома невідомими:

М ₁ + М ₂ + М ₃ = 0 M ₁ = 2

^5. М ₁ + ^3. М ₂ + ^2. М ₃ = 2 - M ₂ = -4

^6. М ₁ = 12 M ₃ = 2

Отже, дріб можна представити як суму трьох дробів:

= - + .

Тепер, використовуючи табличні функції, визначається оригінал вихідний функції:

y (t) = 2 - ^4. e ^{-2 t} + ^2. e ^{-3 t.} ¨

2.6. Передавальні функції.

2.6.1 Визначення передавальної функції.

Перетворення ДУ по Лапласа дає можливість ввести зручне поняття передавальної функції, що характеризує динамічні властивості системи.

Наприклад, операторний рівняння

3s ² Y (s) + 4sY (s) + Y (s) = 2sX (s) + 4X (s)

можна перетворити, винісши X (s) і Y (s) за дужки і поділивши один на одного:

Y (s) * (3s ² + 4s + 1) = X (s) * (2s + 4)

.

Отриманий вираз називається функцією передачі.

Передавальної функцією називається відношення зображення вихідної дії Y (s) до зображення вхідного X (s) при нульових початкових умовах.

(2.4)

Передавальна функція є дрібно-раціональної функцією комплексної змінної:

,

де B (s) = b ₀ + b ₁ s + b ₂ s ² + ... + b ^_m s _m - поліном чисельника,

А (s) = a ₀ + a ₁ s + a ₂ s ² + ... + a ^_n s _n - поліном знаменника.

Передавальна функція має порядок, який визначається порядком полінома знаменника (n).

З (2.4) випливає, що зображення вихідного сигналу можна знайти як

Y (s) = W (s) * X (s).

Так як передавальна функція системи повністю визначає її динамічні властивості, то первинне завдання розрахунку АСР зводиться до визначення її передавальної функції.

2.6.2 Приклади типових ланок.

Ланкою системи називається її елемент, що володіє певними властивостями в динамічному відношенні. Ланки систем регулювання можуть мати різну фізичну основу (електричні, пневматичні, механічні та ін. Ланки), але відноситься до однієї групи. Співвідношення вхідних і вихідних сигналів в ланках однієї групи описуються однаковими передавальними функціями.

Найпростіші типові ланки:

· Підсилююче,

· Інтегрує,

· Дифференцирующее,

· Апериодическое,

· Коливальний,

· Запізнюється.

1) Підсилювальне ланка.

Ланка підсилює вхідний сигнал в К раз. Рівняння ланки у = К * х, передавальна функція W (s) = К. Параметр До називається коефіцієнтом посилення.

Вихідний сигнал такого ланки в точності повторює вхідний сигнал, посилений в К раз (див. Рис. 1.15).

Прикладами таких ланок є: механічні передачі, датчики, безінерційні підсилювачі та ін.

2) Інтегруюче.

2.1) Ідеальна інтегруюча.

Вихідна величина ідеального інтегруючого ланки пропорційна інтегралу вхідної величини.

; W (s) =

При подачі на вхід ланки впливу вихідний сигнал постійно зростає (див. Рис. 1.16).

Ця ланка Астатичне, тобто не має усталеного режиму.

2.2) Реальна інтегруюча.

Передавальна функція цієї ланки має вигляд:

W (s) = .

Перехідна характеристика на відміну від ідеальної ланки є кривою (див. Рис. 1.17).

Прикладом інтегруючого ланки є двигун постійного струму з незалежним збудженням, якщо в якості вхідного впливу прийняти напруга живлення статора, а вихідного - кут повороту ротора.

3) Дифференцирующее.

3.1) Ідеальне дифференцирующее.

Вихідна величина пропорційна похідною за часом від вхідних:

; W (s) = K * s

При ступінчастому вхідному сигналі вихідний сигнал являє собою імпульс (d-функцію).

3.2) Реальне дифференцирующее.

Ідеальні дифференцирующие ланки фізично не реалізовуються. Більшість об'єктів, які представляють собою диференційні ланки, відносяться до реальних диференціюються ланкам. Перехідна характеристика і передавальна функція цієї ланки мають вигляд:

W (s) = .

4) апериодическим (інерційний).

Цьому ланці відповідають ДУ і ПФ виду:

; W (s) = .

Визначимо характер зміни вихідної величини цієї ланки при подачі на вхід ступеневої впливу величини х _0.

Зображення ступеневої впливу: X (s) = . Тоді зображення вихідної величини:

Y (s) = W (s) X (s) = = K x ₀ .

Розкладемо дріб на прості:

= + = = - = -

Оригінал першого дробу по таблиці: L ^-1 { } = 1, другий:

L ^-1 { } = .

Тоді остаточно отримуємо:

y (t) = K x ₀ (1 - ).

Постійна Т називається постійної часу.

Більшість теплових об'єктів є апериодическими ланками. Наприклад, при подачі на вхід електричної печі напруги її температура змінюватиметься по аналогічному закону (див. Рис. 1.19).

5) Коливальний ланка має ДУ і ПФ виду

,

W (s) = .

При подачі на вхід ступеневої впливу амплітудою _х0 на перехідна крива буде

мати один з двох видів: апериодический (при Т ₁ ³ 2Т ₂₎ або коливальний (при Т ₁ <2Т _2).

6) запізнюється.

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

Вихідна величина у в точності повторює вхідну величину х з деяким запізненням t. Приклади: рух вантажу по конвеєру, рух рідини по трубопроводу.

2.6.3 З'єднання ланок.

Оскільки досліджуваний об'єкт з метою спрощення аналізу функціонування розбитий нами на ланки, то після визначення передавальних функцій для кожної ланки постає завдання об'єднання їх в одну передавальну функцію об'єкта. Вид передавальної функції об'єкта залежить від послідовності з'єднання ланок:

1) Послідовне з'єднання.

W _про = W ^_1. W ^_2. W ₃...

При послідовному з'єднанні ланок їх передавальні функції перемножуються.

2) Паралельне з'єднання.

W _про = W ₁ + W ₂ + W ₃ + ...

При паралельному з'єднанні ланок їх передавальні функції складаються.

3) Зворотній зв'язок

Передавальна функція за завданням (х):

«+» Відповідає негативній ОС,

«-» - позитивною.

Для визначення передавальних функцій об'єктів, що мають більш складні з'єднання ланок, використовують або послідовне укрупнення схеми, або перетворять за формулою Мезона.

2.6.4 Передавальні функції АСР.

Для дослідження і розрахунку структурну схему АСР шляхом еквівалентних перетворень призводять до найпростішого стандартного вигляду «об'єкт - регулятор».

Це необхідно, по-перше, для того, щоб визначити математичні залежності в системі, і, по-друге, як правило, всі інженерні методи розрахунку і визначення параметрів настройки регуляторів застосовані для такої стандартної структури.

У загальному випадку будь-яка одномірна АСР з головною зворотним зв'язком шляхом поступового укрупнення ланок може бути приведена до такого виду.

Якщо вихід системи у не подавати на її вхід, то ми отримаємо разомкнутую систему регулювання, передавальна функція якої визначається як добуток:

W _¥ = W ^_p. W _y

(W _p - ПФ регулятора, W _y - ПФ об'єкта управління).

Тобто послідовність ланок W _p і W _y може бути замінена однією ланкою з W _¥. Передавальну функцію замкненої системи прийнято позначати як Ф (s). Вона може бути виражена через W _¥:

Ф _з (s) = = .

(Далі будемо розглядати тільки системи зі зворотним негативною зв'язком, оскільки вони використовуються в переважній більшості АСР).

Дана передавальна функція Ф _з (s) визначає залежність у від х і називається функцією передачі замкнутої системи по каналу задає впливу (за завданням).

Для АСР існують також передавальні функції по інших каналах:

Ф _e (s) = = - по помилці,

Ф _в (s) = = - по обуренню.

Оскільки передавальна функція розімкнутої системи є в загальному випадку дрібно-раціональної функцією виду W _¥ = , То передавальні функції замкнутої системи можуть бути перетворені:

Ф _з (s) = = , Ф _e (s) = = .

Як видно, ці передавальні функції відрізняються тільки вираження ми числителей. Вираз знаменника називається характеристичним виразом замкнутої системи і позначається як D _з (s) = A (s) + B (s), в той час як вираз, що знаходиться в чисельнику передавальної функції розімкнутої системи W _¥, називається характеристичним виразом розімкнутої системи B (s ).

2.6.5 Визначення параметрів передавальної функції об'єкта по перехідної кривої.

Процес отримання передавальної функції об'єкта, виходячи з даних про перехідний процес, називається ідентифікацією об'єкта.

Припустимо, що при подачі на вхід деякого об'єкту ступінчастої впливу була отримана перехідна характеристика (див. Рис. 1.26). Потрібно визначити вид і параметри передавальної функції.

Припустимо, що передавальна функція має вигляд

,

(Інерційної ланка з запізненням).

Параметри передавальної функції:

К - коефіцієнт посилення,

Т - постійна часу,

t - запізнювання.

Коефіцієнтом посилення називається величина, що показує, у скільки разів даний ланка підсилює вхідний сигнал (в усталеному режимі), і дорівнює відношенню вихідної величини у в усталеному режимі до вхідних величиною х:

,

Стале значення вихідної величини у _уст - це значення у при t ® ¥.

Запізненням t називається проміжок часу від моменту зміни вхідної величини х до початку зміни вихідної величини у.

Постійна часу Т може бути визначена декількома методами в залежності від виду передавальної функції. Для даної передавальної функції 1-го порядку Т визначається найбільш просто: спочатку проводиться дотична до точки перегину, потім знаходяться точки перетину з віссю часу і асимптотой y _вуст; час Т визначається як інтервал часу між цими точками.

У разі, якщо на графіку між точкою перегину є увігнутість, визначається додаткове запізнювання t _доп, яке додається до основного: t = t + t _доп.

2.7. Частотні характеристики.

2.7.1 Визначення частотних характеристик.

Відомо, що динамічні процеси можуть бути представлені частотними характеристиками (ЧХ) шляхом розкладання функції в ряд Фур'є.

Припустимо, є деякий об'єкт і потрібно визначити його ЧХ. При експериментальному зняття ЧХ на вхід об'єкта подається синусоїдальний сигнал з амплітудою А _вх = 1 і певною частотою w, тобто

x (t) = А _вх sin (wt) = sin (wt).

Тоді після проходження перехідних процесів на виході ми будемо також мати синусоїдальний сігналтой ж частоти w, але інший амплітуди А _вих і фази j:

у (t) = А _вих sin (wt + j)

При різних значеннях w величини А _вих і j, як правило, також будуть різними. Ця залежність амплітуди і фази від частоти називається частотною характеристикою. Види ЧХ:

· АФХ - залежність амплітуди і фази від частоти (зображується на комплексній площині);

· АЧХ - залежність амплітуди від частоти;

· ФЧХ - залежність фази від частоти;

· Лах, ЛАЧХ - логарифмічні АЧХ.

На комплексній площині вхідна величина x = А _^вх. sin (wt) для кожного моменту часу t _i визначається вектором х на комплексній площині. Цей вектор має довжину, рівну А _вх, і відкладений під кутом wt _i до дійсної осі. (Re - дійсна вісь, Im - уявна вісь)

Тоді величину х можна записати в комплексній формі

х (t) = А _вх (cos (wt) + ^j. sin (wt)),

де j = - уявна одиниця.

Або, якщо використовувати формулу Ейлера e ^{j a} = cosa + ^j. sina, то можна записати

х (t) = А _^вх. e ^{j w t.}

Вихідний сигнал y (t) можна аналогічно уявити як вектор

y (t) = А _^вих. e ^{j (w t + j).}

Розглянемо зв'язок передавальної функції і частотної характеристики.

Визначимо похідні по Лапласа:

у ® Y

у '® sY

у "® s ² Y і т.д.

Визначимо похідні ЧХ:

у '(t) = jw А _вих е ^{j (w t + j)} = jw у,

у "(t) = (jw) ² А _вих е ^{j (w t + j)} = (jw) ² у і т.д.

Звідси видно відповідність s = jw. Висновок: частотні характеристики можуть бути побудовані за передавальними функціями шляхом заміни s = jw.

приклад: .

При s = jw маємо:

= = = =

= - j = Re (w) + j Im (w).

Змінюючи w від 0 до ¥, можна побудувати АФХ (див. Рис.). ¨

Для побудови АЧХ і ФЧХ використовуються формули:

, .

Формули отримання АФХ по АЧХ і ФЧХ:

Re (w) = A (w) cos j (w),

Im (w) = A (w) sin j (w).

2.7.2 Логарифмічні частотні характеристики.

Логарифмічні частотні характеристики (ЛЧХ) використовуються досить часто для опису динамічних параметрів різних пристроїв. Існують два основних види ЛЧХ, які, як правило, використовуються спільно і зображуються у вигляді графіків:

1) ЛАЧХ - логарифмічна АЧХ.

Формула для побудови ЛАЧХ: L (w) = ^20. lg A _вих (w).

Одиниця виміру - децибел (дБ).

На графіку ЛАЧХ по осі абсцис відкладається частота в логарифмічному масштабі. Це означає, що рівним величинам відрізків по осі w відповідають кратні значення частоти. Для ЛЧХ кратність = 10.

По осі ординат відкладаються значення L (w) в звичайному масштабі.

2) ЛФЧХ - логарифмічна ФЧХ. Являє собою ФЧХ, у якій вісь частоти w проградуірована в логарифмічному масштабі відповідно до ЛАЧХ. По осі ординат відкладаються фази j.

Приклади ЛЧХ.

1. Фільтр низьких частот (ФНЧ)

ЛАЧХ ЛФЧХ Приклад ланцюга

Фільтр низьких частот призначений для придушення високочастотних впливів.

2. Фільтр високих частот (ФВЧ)

ЛАЧХ ЛФЧХ Приклад ланцюга

Фільтр високих частот призначений для придушення низькочастотних впливів.

3. Загороджувальний фільтр.

Загороджувальний фільтр придушує тільки певний діапазон частот

ЛАЧХ і ЛФЧХ Приклад ланцюга

.

3. Якість процесів управління.

3.1. Критерії стійкості.

3.1.1 Стійкість.

Важливим показником АСР є стійкість, оскільки основне її призначення полягає в підтримці заданого постійного значення регульованого параметра або зміна його по певному закону. При відхиленні регульованого параметра від заданої величини (наприклад, під дією обурення або зміни завдання) регулятор впливає на систему таким чином, щоб ліквідувати це відхилення. Якщо система в результаті цього впливу повертається в початковий стан або переходить в інший рівноважний стан, то така система називається стійкою. Якщо ж виникають коливання з дедалі більшою амплітудою або відбувається монотонне збільшення помилки е, то система називається нестійкою.

Для того, щоб визначити, стійка система чи ні, використовуються критерії стійкості:

1) кореневої критерій,

2) критерій Стодоли,

3) критерій Гурвіца,

4) критерій Найквіста,

5) критерій Михайлова та ін.

Перші два критерії є необхідними критеріями стійкості окремих ланок і розімкнутих систем. Критерій Гурвіца є алгебраїчним і розроблений для визначення стійкості замкнутих систем без запізнення. Останні два критерії відносяться до групи частотних критеріїв, оскільки визначають стійкість замкнутих систем по їх частотним характеристикам. Їх особливістю є можливість застосування до замкнутим системам з запізненням, якими є переважна більшість систем управління.

3.1.2 Кореневий критерій.

Кореневої критерій визначає стійкість системи по виду передавальної функції. Динамічною характеристикою системи, яка описує основні поведінкові властивості, є характеристичний поліном, що знаходиться в знаменнику передавальної функції. Шляхом прирівнювання знаменника до нуля можна отримати характеристичне рівняння, по корінню якого визначити стійкість.

Коріння характеристичного рівняння можуть бути як дійсні, так і комплексні і для визначення стійкості відкладаються на комплексної площині (див.Мал. 1.34).

(Символом позначені коріння рівняння).

Види коренів характеристичного рівняння:

- Дійсні:

позитивні (корінь № 1);

негативні (2);

нульові (3);

- Комплексні

комплексні пов'язані (4);

чисто уявні (5);

За кратності коріння бувають:

поодинокі (1, 2, 3);

пов'язані (4, 5): s _i = a ± jw;

кратні (6) s _i = s _{i +1} = ...

Кореневої критерій формулюється наступним чином:

Лінійна АСР стійка, якщо всі корені характеристичного рівняння лежать в лівій півплощині. Якщо хоча б один корінь знаходиться на уявної осі, яка є кордоном стійкості, то кажуть, що система знаходиться на межі стійкості. Якщо хоча б один корінь знаходиться в правій півплощині (не залежно від числа коренів в лівій), то система є нестійкою.

Іншими словами, всі дійсні корені і дійсні частини комплексних коренів повинні бути негативні. В іншому випадку система нестійка.

Приклад 3.1. Передавальна функція системи має вигляд:

.

Характеристичне рівняння: s ³ + 2s ² + 2.25s + 1.25 = 0.

Коріння: s ₁ = -1; s ₂ = -0,5 + j; s ₃ = -0,5 - j.

Отже, система стійка. ¨

3.1.3 Критерій Стодоли.

Цей критерій є наслідком з попереднього і формулюється так: Лінійна система стійка, якщо всі коефіцієнти характеристичного полінома позитивні.

Тобто, для передатна з прикладу 3.1 за критерієм Стодола відповідає стійкій системі.

3.1.4 Критерій Гурвіца.

Критерій Гурвіца працює з характеристичним поліномом замкнутої системи. Як відомо, структурна схема АСР помилково має вигляд (див. Рис.)

W _p - передавальна функція регулятора,

W _y - передавальна функція об'єкта управління.

Визначимо передавальну функцію для прямого зв'язку (передавальну функцію розімкнутої системи, див. П. 2.6.4): W _¥ = W _p W _y.

Далі з урахуванням наявності негативного зворотного зв'язку отримуємо передавальну функцію замкненої системи:

.

Як правило, передавальна функція розімкнутої системи має дрібно-раціональний вид:

.

Тоді після підстановки і перетворення отримуємо:

.

Звідси випливає, що характеристичний поліном замкнутої системи (ХПЗС) можна визначити як суму чисельника і знаменника W _¥:

D _з (s) = A (s) + B (s).

Для визначення стійкості по Гурвіцу будується матриця таким чином, щоб по головній діагоналі були розташовані коефіцієнти ХПЗС з a _{n +1} по a _0. Праворуч і ліворуч від неї записуються коефіцієнти з індексами через 2 (a _0, a _2, a ₄... або a _1, a _3, a ₅...). Тоді для стійкої системи необхідно і достатньо, щоб визначник і всі головні діагональні мінори матриці були більше нуля.

Якщо хоча б один визначник дорівнюватиме нулю, то система буде знаходиться на межі стійкості.

Якщо хоча б один визначник буде від'ємний, то система нестійка незалежно від числа позитивних або нульових визначників.

Приклад. Дана передатна функція розімкнутої системи

.

Потрібно визначити стійкість замкнутої системи по критерію Гурвіца.

Для цього визначається ХПЗС:

D (s) = A (s) + B (s) = 2s ⁴ + 3s ³ + s ² + 2s ³ + 9s ² + 6s + 1 = 2s ⁴ + 5s ³ + 10s ² + 6s + 1.

Оскільки ступінь ХПЗС дорівнює n = 4, то матриця буде мати розмір 4х4. Коефіцієнти ХПЗС рівні а ₄ = 2, а ₃ = 5, а ₂ = 10, а ₁ = 6, а ₀ = 1.

Матриця має вигляд:

(Зверніть увагу на схожість рядків матриці: 1 з 3 і 2 з 4). Визначники:

Δ ₁ = 5> 0,

,

Δ ₄ = 1 * Δ ₃ = 1 * 209> 0.

Оскільки всі визначники позитивні, то АСР стійка. ♦

3.1.5 Критерій Михайлова.

Описані вище критерії стійкості не працюють, якщо передавальна функція системи має запізнювання, тобто може бути записана у вигляді

,

де t - запізнювання.

В цьому випадку характеристичне вираження замкнутої системи полиномом не є і його коріння визначити неможливо. Для визначення стійкості в даному випадку використовуються частотні критерії Михайлова і Найквіста.

Порядок застосування критерію Михайлова:

1) Записується характеристичне вираження замкнутої системи:

D _з (s) = A (s) + B ^(s). e ^{- t s.}

2) підставляємо s = jw: D _з (jw) = Re (w) + Im (w).

3) Записується рівняння годографа Михайлова D _з (jw) і будується крива на комплексній площині.

Для стійкої АСР необхідно і достатньо, щоб годограф Михайлова (див. Рис.), Починаючись при w = 0 на позитивній дійсної півосі, обходив послідовно в позитивному напрямку (проти годинникової стрілки) при зростанні w від 0 до ¥ n квадрантів, де n - ступінь характеристичного полінома.

Якщо годограф Михайлова проходить через початок координат, то кажуть, що система знаходиться на межі стійкості.

3.1.6 Критерій Найквіста.

Цей критерій аналогічний критерію Михайлова, але працює з АФХ системи, тому більш складний для розрахунків.

послідовність:

1) Визначається передатна функція розімкнутої системи .

2) Визначається число правих коренів m.

3) підставляють s = jw: W _¥ (jw).

4) Будується АФХ розімкнутої системи.

Для стійкості АСР необхідно і достатньо, щоб при збільшенні w від 0 до ¥ АФХ W _¥ (jw) m раз охоплювала точку (-1; 0), де m - число правих коренів розімкнутої системи.

Якщо АФХ проходить через точку (-1; 0), то замкнута система знаходиться на межі стійкості.

У разі, якщо характеристичне рівняння розімкнутої системи A (s) = 0 коренів немає (тобто m = 0), то критерій, згідно з критерієм, замкнута система є стійкою, якщо АФХ розімкнутої системи W _¥ (jw) неохоплювала точку (-1; 0), в іншому випадку система буде нестійка (або на кордоні стійкості).

3.2. Показники якості

Якщо досліджувана АСР стійка, то може виникнути питання про те, наскільки якісно відбувається регулювання в цій системі і чи задовольняє воно технологічним вимогам. На практиці якість регулювання можна визначити візуально по графіку перехідної кривої, однак, є точні методи, що дають конкретні числові значення.

Показники якості розбиті на 4 групи:

1) прямі - визначувані безпосередньо по кривій перехідного процесу,

2) кореневі - визначувані по корінню характеристичного полінома,

3) частотні - по частотних характеристиках,

4) інтегральні - отримані шляхом інтегрування функцій.

3.2.1 Прямі показники якості.

До них відносяться: ступінь загасання y, перерегулирование s, статична помилка е _ст, час регулювання t _p і ін.

Відразу по ній визначається стале значення вихідної величини у _уст.

Ступінь загасання y визначається за формулою

,

де А ₁ і А ₃ - відповідно 1-а і 3-я амплітуди перехідної кривої.

Перерегулювання s = , Де y _max - максимум перехідної кривої.

Статична помилка е _ст = х - у _уст, де х - вхідна величина.

Час досягнення першого максимуму t _м визначається за графіком.

Час регулювання t _p визначається наступним чином: Знаходиться допустиме відхилення D = 5% у _уст і будується «трубка» товщиною 2D. Час t _p відповідає останній точці перетину y (t) з даної кордоном. Тобто час, коли коливання регульованої величини перестають перевищувати 5% від сталого значення.

3.2.2 Кореневі показники якості.

До них відносяться: ступінь колебательности m, ступінь стійкості h і ін.

Не вимагають побудови перехідних кривих, оскільки визначаються по корінню характеристичного полінома. Для цього коріння полінома відкладаються на комплексної площині і по ним визначаються:

Ступінь стійкості h визначається як межа, правіше якої коренів немає, тобто

h = min ,

де Re (s _i) - дійсна частина кореня s _i.

Ступінь колебательности m розраховується через кут g: m = tg g. Для визначення g проводяться два променя, які обмежують все коріння на комплексній площині. g - кут між цими променями і уявною віссю. Ступінь колебательности може бути визначена також за формулою:

m = min .

3.2.3 Частотні показники якості.

Для визначення частотних показників якості потрібна побудова АФХ розімкнутої системи і АЧХ замкнутої системи.

За АФХ визначаються запаси: DA - по амплітуді, Dj - по фазі.

Запас DA визначається по точці перетину АФХ з негативною дійсною полуосью.

Для визначення Dj будується коло одиничного радіуса з центром в початку координат. Запас Dj визначається по точці перетину з цим колом.

За АЧХ замкнутої системи визначаються показники колебательности за завданням М і помилку М _Е як максимуми відповідно АЧХ за завданням і АЧХ помилково.

3.2.4 Зв'язки між показниками якості.

Описані вище показники якості пов'язані між собою певними співвідношеннями:

; t _p = ; ; M = .

4. Налаштування регуляторів.

4.1. Типи регуляторів.

Для регулювання об'єктами управління, як правило, використовують типові регулятори, назви яких співпадають з назвами типових ланок:

1) П-регулятор (пропорційний регулятор)

W _П (s) = K _1.

Принцип дії полягає в тому, що він виробляє котра управляє вплив на об'єкт пропорційно величині помилки (чим більше помилка е, тим більше керуючий вплив u).

2) І-регулятор (інтегруючий регулятор)

W _І (s) = .

Керуючий вплив пропорційно інтегралу від помилки.

3) Д-регулятор (диференціює регулятор)

W _Д (s) = K ₂ s.

Генерує керуючий вплив тільки при зміні регульованої верічіни:

u = K ₂ .

На практиці дані найпростіші регулятори комбінуються в регулятори виду:

4) ПІ-регулятор (пропорційно-інтегральний регулятор)

W _ПІ (s) = K ₁ + .

5) ПД-регулятор (пропорційно-диференційний регулятор)

W _ПД (s) = K ₁ + K ₂ s.

6) ПІД-регулятор.

W _ПІД (s) = K ₁ + + K ₂ s.

Найбільш часто використовується ПІД-регулятор, оскільки він поєднує в собі переваги всіх трьох типових регуляторів.

4.2. Визначення оптимальних параметрів регуляторів.

Регулятор, включений в АСР, може мати кілька налаштувань, кожна з яких може змінюватися в досить широких межах. При цьому при певних значеннях параметрів система буде управляти об'єктом відповідно до технологічних вимог, при інших може привести до нестійкого стану.

Тому стоїть завдання визначити настройки, відповідні стійкій системі, а й вибрати з них оптимальні.

Оптимальними настройками регулятора називаються настройки, які відповідають мінімуму (або максимуму) якого-небудь показника якості. Вимоги до показників якості встановлюються безпосередньо, виходячи з технологічних. Найчастіше накладаються вимоги на час регулювання (мінімум) і ступінь загасання (Y ³ Y _зад).

Однак, змінюючи налаштування таким чином, щоб збільшити ступінь загасання, ми можемо прийти до дуже великого часу регулювання, що недоцільно. І навпаки, прагнучи зменшити час регулювання, ми отримуємо більш коливальні процеси з великим значенням Y.

Залежність Y від t _p в загальному випадку має вигляд, зображений на графіку (див. Рис. 1.42).

Тому для визначення оптимальних параметрів розроблений ряд математичних методів, серед яких метод D-розбиття.

Кривий D-розбиття називається крива в площині налаштувань регулятора, яка відповідає певному значенню будь-якого показника якості.

Наприклад, потрібно забезпечити ступінь загасання Y ³ Y _зад. Є формула, що зв'язує Y зі ступенем колебательности m: . Далі будується крива D-розбиття рівній мірі колебательности m. Послідовність побудови:

1) Визначається ХПЗС D _з (s) з невідомими настройками.

2) Робиться підстановка s = jw - mw і поділ D _з (jw - mw) = Re (w) + Im (w).

3) Отриманий вираз прирівнюється до нуля і виходить система

Re (w) = 0

Im (w) = 0

Дана система має кілька невідомих: w і настройки регулятора.

4) Далі, змінюючи w від 0 до ¥ ця система вирішується щодо налаштувань регулятора.

5) За отриманими даними будується крива, по якій визначаються оптимальні настройки.

Наприклад, для ПІ-регулятора крива D-розбиття може мати вигляд представлений на малюнку 1.43.

Оптимальні настройки відповідають максимальним значенням K ₀ (для ПІ- і ПІД-регуляторів) або K ₁ (для ПД-регулятора).

Частина 2. Засоби автоматизації і управління.

1. Вимірювання технологічних параметрів.

1.1. Державна система приладів (ГСП).

ГСП об'єднує в собі всі засоби контролю і регулювання технологічних процесів. Характерною особливістю ГСП є:

1) блочно-модульний принцип, що лежить в основі конструкцій пристроїв;

2) уніфікація вхідних-вихідних сигналів і сигналів харчування.

Містить три гілки:

1) гідравлічну,

2) пневматичну,

3) електричну.

Блочно-модульний принцип характеризується наявністю окремих модулів або блоків, що виконують досить просту функцію. Цей принцип дозволяє зменшити номенклатуру засобів автоматизації, спрощує ремонт і заміну, зменшує вартість, дозволяє реалізувати принцип взаємозамінності.

Уніфіковані сигнали:

1) Пневматичні - сигнали тиску стисненого повітря

діапазон зміни сигналу: 0,2 - 1 або 0,02 - 0,1 МПа;

сигнал харчування: 1,4 ;

відстань передачі сигналу: до 300 м.

2) Електричні сигнали мають багато діапазонів, які можна розділити на дві групи:

а) струмові (сигнали постійного струму), наприклад:

0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА і ін .;

б) сигнали напруги постійного струму, наприклад: 0 - 1 В, 0 - 10 В і ін.

Первинні прилади (датчики) можуть перетворювати вимірюваний параметр в будь-якої уніфікований сигнал. Якщо ж датчик видає неуніфікований сигнал, то для приведення його до стандартного діапазону повинен бути встановлений відповідний перетворювач.

1.2. Точність перетворення інформації.

Пряме вимірювання - вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять безпосередньо з досвідчених даних.

Непряме вимір - вимір, при якому шукане значення величини знаходять на підставі залежності між цією величиною і величинами, що піддаються, прямим вимірам.

Принцип вимірювань - сукупність фізичних явищ, на яких засновані вимірювання.

Метод вимірювань - сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювань.

Засіб вимірювань - технічний засіб, що використовується при вимірах і має нормовані метрологічні властивості.

Міра - засіб вимірювань, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Аналоговий вимірювальний прилад - вимірювальний прилад, показання якого є безперервною функцією змін вимірюваної величини.

Цифровий вимірювальний прилад - вимірювальний прилад, автоматично виробляє дискретні сигнали вимірювальної інформації, показання якого представлені в цифровій формі.

Показує вимірювальний прилад - вимірювальний прилад, що допускає тільки відлік показань.

Показання кошти вимірів - вимір величини, що визначається за відліковий пристрій і виражене в прийнятих одиницях цієї величини.

Градуювальна характеристика кошти вимірів - залежність між значеннями величин на виході і вході кошти вимірів, складена у вигляді таблиці, графіка або формули.

Діапазон показань - область значень шкали, обмежена кінцеві і початковим значеннями шкали.

Діапазон вимірювань - область значень вимірюваної величини, для якої нормовані допустимі похибки засобу вимірювань.

Межа вимірювань - найбільше та найменше значення діапазону вимірювань.

Чутливість вимірювального приладу - відношення зміни сигналу на виході вимірювального приладу до викликає його зміни вимірюваної величини.

Будь-які вимірювання супроводжуються похибками:

1) випадкові похибки - мають випадкову природу і причина їх невідома;

2) промахи - викликані неправильними отсчетами по приладу;

3) систематичні - обумовлені недосконалістю методів визначення, конструкції приладу.

Види похибок:

1) абсолютні: DХ = Х - Х _0,

де Х - виміряне значення параметра, Х ₀ - справжнє значення;

Абсолютна похибка вимірювання - похибка вимірювання, виражена в одиницях вимірюваної величини.

2) відносні: (Виражені в% -ах);

Відносна похибка вимірювання - відношення абсолютної похибки вимірювання до істинного значення вимірюваної величини. Відносна похибка може бути виражена у відсотках.

3) наведені: ,

де Х _min і Х _max - мінімальне і максимальне значення вимірюваної величини.

Максимальна приведена похибка називається класом точності:

.

Залежно від класу точності прилади діляться на еталонні (зразкові) і робочі.

1.3. Класифікація КВП.

На нафтопереробних і хімічних виробництвах найбільш часто вимірюваними величинами є температура, тиск, витрата і рівень. На них припадає близько 80% всіх вимірів. Іншу частину займають електричні, оптичні і ін. Виміру.

При вимірах використовуються різні вимірювальні прилади, які класифікуються за рядом ознак. Загальною градацією є поділ їх на прилади для вимірювання: механічних, електричних, магнітних, теплових та інших фізичних величин.

Класифікація за родом вимірюваної величини вказує, яку фізичну величину вимірює прилад (тиск Р, температуру Т, витрата F, рівень L, кількість речовини Q і т.д.).

Виходячи з ознаки перетворення вимірюваної величини, вимірювальні прилади поділяють на прилади:

а) безпосередньої оцінки;

б) порівняння.

За характером вимірювання: стаціонарні і переносні.

За способом відліку вимірюваної величини: що показують, що реєструють, що підсумовують.

1.4. Види первинних перетворювачів.

Первинні прилади або первинні перетворювачі призначені для безпосереднього перетворення вимірюваної величини в іншу величину, зручну для вимірювання або використання. Розрізняють генераторні, параметричні і механічні перетворювачі:

1) Генераторні здійснюють перетворення різних видів енергії в електричну, тобто вони генерують електричну енергію (термоелектричні, п'єзоелектричні, електрокінетіческіе, гальванічні і ін. Датчики).

2) До параметричних відносяться реостатні, тензодатчики, термосопротивления і т.п. Їм для роботи необхідне джерело енергії.

3) Вихідним сигналом механічних первинних перетворювачів (мембранних, манометрів, дифманометрів, ротаметрів і ін.) Є зусилля, що розвивається чутливим елементом під дією вимірюваної величини.

1.5. Методи та прилади для вимірювання температури.

1.5.1 Класифікація термометрів.

Температура речовини - величина, що характеризує ступінь нагретости, яка визначається внутрішньою кінетичної енергією теплового руху молекул. Вимірювання температури практично можливо тільки методом порівняння ступеня нагретости двох тіл.

Для порівняння нагретости цих тіл використовують зміни будь-яких фізичних властивостей, що залежать від температури і легко піддаються вимірюванню.

По властивості термодинамічної тіла, використовуваного для вимірювання температури, можна виділити наступні типи термометрів:

· Термометри розширення, засновані на властивості температурного розширення рідких тіл;

· Термометри розширення, засновані на властивості температурного розширення твердих тіл;

· Термометри газові манометрические;

· Термометри рідинні манометричні;

· Конденсаційні;

· Електричні;

· Термометри опору;

· Оптичні монохроматичні пірометри;

· Оптичні колірні пірометри;

· Пірометри.

1.5.2 Термометри розширення. Рідинні скляні.

Теплове розширення рідини характеризується порівняльним коефіцієнтом об'ємного розширення, значення якого визначається як

, 1 / град,

де V _0, V _{t 1,} V _{t 2} - обсяги рідини при 0 ° С, температурах t ₁ і t ₂ відповідно.

Чутливість термометра залежить від різниці коефіцієнтів об'ємного розширення термометрической рідини і скла, від обсягу резервуара і діаметра капіляра. Чутливість термометра зазвичай лежить в межах 0,4 ... 5 мм / ° С (для деяких спеціальних термометрів 100 ... 200 мм / ° С).

Для захисту від пошкоджень технічні термометри монтуються в металевій оправі, а нижня погружная частина закривається металевою гільзою.

1.5.3 Термометри, засновані на розширенні твердих тіл.

До цієї групи приладів відносяться дилатометрические і біметалічні термометри, засновані на зміні лінійних розмірів твердих тіл зі зміною температури.

1) Конструктивне виконання дилатометрічні термометрів засноване на перетворенні вимірюваної температури в різницю абсолютних значень подовжень двох стержнів, виготовлених з матеріалів з істотно різними термічними коефіцієнтами лінійного розширення:

, 1 / град,

де l _0, l _{t 1,} l _{t 2} - лінійні розміри тіла при 0 ° С, температурах t ₁ і t ₂ відповідно.

В силу того, що Db мала, дилатометрические термометри застосовуються в якості різного роду теплових реле в пристроях сигналізації і регулювання температури.

2) Біметалічні термометри засновані на деформації біметалічною стрічки при зміні температури. Зазвичай застосовуються біметалеві стрічки, зігнуті у вигляді плоскої або гвинтовий спіралі. Один кінець спіралі укріплений нерухомо, другий - на осі стрілки. Кут повороту стрілки дорівнює куту закручування спіралі, який пропорційний зміни температури.

Біметалічні термометри забезпечують зміна температури з відносними похибками 1 - 1,5%.

1.5.4 Газові манометрические термометри.

В основу принципу дії манометричного термометра покладена залежність між температурою і тиском термометрического (робочого) речовини, позбавленого можливості вільно розширюватися при нагріванні.

Манометричні термометри зазвичай включають в себе термобаллон, капілярну трубку і трубчасту пружину з повідцем, зубчастим сектором і стрілкою. Вся стістема заповнюється робочою речовиною. При нагріванні термобаллона, встановленого в зоні вимірюваної температури, тиск робочої речовини всередині замкнутої системи збільшується. Збільшення тиску сприймається манометричної пружиною, яка впливає через передавальний механізм на стрілку або перо приладу.

Газові манометрические термометри засновані на залежності температури і тиску газу, укладеного в герметично замкнутій Термосистеми.

Переваги: ​​шкала приладу практично рівномірна.

Недоліки: порівняно велика інерційність і великі розміри термобаллона.

1.5.5 Рідинні манометричні термометри.

Як манометричної рідини в приладах цього типу застосовується метиловий спирт, ксилол, толуол, ртуть і т.д.

Рідинні манометричні термометри мають рівномірну шкалу.

1.5.6 Конденсаційні манометрические термометри.

Конденсаційні манометричні термометри реалізують залежність пружності насичених парів низкокипящей рідини від температури. Оскільки ці залежності для використовуваних рідин (хлористий метил, етиловий ефір, хлористий етил, ацетон і ін.) Нелінійні, отже, і шкали термометрів нерівномірні. Однак, ці прилади мають більш високу чутливість, ніж газові рідинні.

1.5.7 Електричні термометри.

Принцип дії цього типу термометрів заснований на залежності термо-ЕРС (ТЕДС) ланцюга від зміни температури.

У термоелектричної ланцюга, що складається з двох провідників А і В (див. Рис. 2.1) виникають 4 різні ТЕДС: 2 ТЕДС в місцях спаїв провідників А і В, ТЕДС на кінці провідника А і ТЕДС на кінці провідника В. Сумарна ТЕДС, що виникає при нагріванні спаев провідників до температур t і t _0:

E _AB (tt ₀₎ = e _AB (t) + e _BA (t _0),

де e _BA і e _AB - ТЕДС, обумовлена контактною різницею потенціалів і різницею температур кінців А і В.

ТЕДС E _AB (tt ₀₎ є функцією від температури гарячого спаю t за умови сталості температури холодного спаю t _0.

Термопари градуюються при певній постійній температури t ₀ (зазвичай t ₀ = 0 ° C або 20 ° C). При вимірах температура t ₀ може відрізнятися від градуировочного значення. У цьому випадку вводиться відповідна поправка в результат вимірювання:

E _AB (tt ₀₎ = E _AB (tt ₀ ^') + E _AB (t ^_0' t _0).

Поправка E _AB (t ₀ ^'t ₀₎ дорівнює ТЕДС, яку розвиває дана термопара при температурі гарячого спаю t ^_0' і градуювальному значенні температури холодних спаїв. Поправка береться позитивної, якщо t ₀ ^'> t ₀ і негативною, якщо t _{^0' 0.}

Величина поправки може бути взята з градуировочной таблиці.

Конструктивне виконання термопар різноманітно і залежить головним чином від умов їх застосування. При необхідності вимірювання невеликої різниці температур або отримання великої ТЕДС застосовуються диференціальні термопари і термобатареи, що представляють собою кілька послідовно з'єднаних термопар.

Компенсація зміни температури холодних спаїв термопар. Правильне вимірювання температури можливо лише при сталості температур вільних спаев t _0. Воно забезпечується за допомогою сполучних проводів і спеціальних термостатирует пристроїв. З'єднувальні дроти в даному випадку призначені для перенесення вільних кінців термопари в зону з відомою постійною температурою, а також для приєднання вільних кінців термопари до затискачів вимірювальних приладів. З'єднувальні дроти повинні бути термоелектричного подібні термоелектроди термопари.

Як правило, з'єднувальні дроти для термопар, виготовлених з неблагородних металів, виконуються з тих же самих матеріалів, що і термоелектроди. Виняток становить хромель-алюмелеві термопара, для якої з метою зменшення опору лінії в якості сполучних проводів застосовується мідь в парі з константаном.

Градуювання термопар: ХА - хромель-алюмелеві; ХК - хромель-копелеві;

ПП - платинородій-платинові і т.д.

Вимоги до термопар:

1) відтворюваність,

2) висока чутливість,

3) надійність,

4) стабільність,

5) достатній температурний діапазон.

Таблиця 2.1 - Матеріали, які використовуються для виготовлення термопар.

Методи і засоби для вимірювання ТЕДС:

1) Метод безпосередньої оцінки (за допомогою мілівольтметра);

2) Компенсаційний метод (за допомогою потенціометрів).

1.5.8 Термометри опору.

Вимірювання температури термосопротивлений засноване на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури.

Вид функції R = f (t) залежить від природи матеріалу. Для виготовлення чутливих елементів серійних термосопротивлений застосовуються чисті метали, до яких пред'являються наступні вимоги:

а) метал не повинен окислюватися або вступати в хімічні реакції з вимірюваним середовищем;

б) температурний коефіцієнт електричного опору металу a повинен бути досить великим і незмінним;

в) функція R = f (t) повинна бути однозначна.

Найбільш повно зазначеним вимогам відповідають: платина, мідь, нікель, залізо і ін.

Основний недолік термосопротивлений: велика інерційність (до 10 хв.).

Для вимірювання температури найбільш часто застосовуються термосопротивления типів ТСП (платинові) і ТСМ (мідні).

1.5.9 Пірометри випромінювання.

Пірометри випромінювання засновані на використанні теплового випромінювання нагрітих тіл. Верхня межа вимірювання температури пирометра випромінювання практично не обмежений. Вимірювання засноване на безконтактному способі, тому відсутнє спотворення температурного поля, що викликається введенням преобразовательного елемента приладу в вимірювану середу. Можливо вимір температури полум'я і високих температур газових потоків при великих швидкостях.

Промениста енергія виділяється нагрітим тілом у вигляді хвиль різної довжини. При порівняно низьких температурах (до 500 ° С) нагріте тіло випромінює інфрачервоні промені. У міру підвищення температури колір тіла від темно-червоного доходить до білого. Зростання інтенсивності монохроматичноговипромінювання з підвищенням температури описується відповідними рівняннями.

1.5.10 Кольорові пірометри.

У колірних пірометрах визначається відношення інтенсивності випромінювання реального тіла Е _l в променях з двома заздалегідь вибраними значеннями довжини хвилі l ₁ і l _2, тобто показання колірних пірометрів визначається функцією f (Е _{l 1} / Е _{l 2).} Це відношення для кожної температури різна, але однозначно.

1.6. Побічні прилади для вимірювання різниці потенціалів.

Для вимірювання ТЕДС в комплектах термоелектричних термометрів застосовуються пірометричні мілівольтметри і потенціометри. У потенціометр, на відміну від мілівольтметрів, використовується компенсаційний метод вимірювання.

1.6.1 Пірометричні мілівольтметри.

Пірометричні мілівольтметри є електро-вимірювальними приладами магніто-електричної системи.

У конструкції пірометричні мілівольтметрів можна виділити магнітну і рухливу системи. Перша складається з подковообразного магніту 1, полюсних наконечників 2 і циліндричного сердечника 3. Кільцевій зазор між сердечником і полюсними наконечниками характеризується наявністю практично рівномірного електромагнітного поля.

У цьому зазорі соосно з сердечником розміщується рамка 4, яка монтується на кернах, що спираються на підп'ятники, або на натягнутих нитках. Момент сил, що протидіє обертанню рамки створюється спеціальними пружинами.

Взаємодія струму, що протікає по рамці з полем постійного магніту 2 викликає поява крутного моменту, який, будучи урівноважений протидіє моментом пружин, повертає рамку на певний кут. Цей кут пропорційний величині протікає по рамці струму.

1.6.2 Потенціометри.

1.6.3 Автоматичні електричні потенціометри.

Схема автоматичного потенціометра показана на рис. 2.5, де позначено:

R _p - опір реохорда,

R _ш - шунта,

R _п - для завдання меж вимірювання,

R _н і R _до - для завдання початку і кінця шкали,

R _б - баластні,

R _з - для повірки робочого струму,

R _м - мідне опір для компенсації впливу температури холодних спаїв.

ІПС - джерело живлення стабілізований.

Потенціометр складається з моста опорів АВСD, в одну з діагоналей якого включений джерело живлення ІПС (діагональ ЗС), а в іншу (вимірювальну діагональ АD) термопара з ТЕДС Е і електродвигун ЕД з підсилювачем уед. У вершині А моста знаходиться реохорд R _р, до движку якого прикріплена стрілка, що рухається уздовж шкали. Переміщенням движка в свою чергу управляє електродвигун.

Міст може знаходиться в двох станах: урівноваженому і неврівноважену.

Коли міст знаходиться в рівновазі, то напруга між його вершинами AD одно по модулю термоЕРС (U _AD = Е) і напруга небалансу ΔU, що подається на підсилювач уед, дорівнює нулю:

ΔU = U _AD - Е = 0.

В даному стані ЕГ не працює.

Якщо з яких-небудь причин термо-ЕРС Е зміниться, то міст виходить з рівноваги і на вході підсилювача уед з'явиться напруга небалансу ΔU ≠ 0. Підсилювач, посиливши напруга, подає його на ЕД, який, обертаючись, переміщає движок реохорда. переміщення движка триває до тих пір, поки міст знову не прийде в рівновагу і напруга на ЕД знову не стане дорівнює нулю.

У цих потенціометрів процес компенсації здійснюється автоматично, безперервно і з великою швидкістю. Ці прилади мають пристрої для автоматичного внесення поправки на температуру холодних спаїв термопари.

1.7. Методи вимірювання опору.

Для вимірювання опорів термоелектричних опорів (ТС) часто використовують автоматичні електронні мости, включені по двухпроводной, трехпроводной або чьотирьох схемами.

Двухпроводная схема підключення мосту до ТЗ показана на рис. 2.6, де позначені:

R _1, R _2, R _3, R ₄ - опору моста;

R _б - баластні опір для обмеження робочого струму;

R _т - опір ТЗ;

R _л - опір лінії (сполучних проводів).

Умовою рівноваги моста є рівність творів протилежних плечей, тобто в даному випадку:

R _^1. R ₃ »R _^2. (R ₄ + R _т + ^2. R _л).

Коли міст урівноважений, напруга на діагоналі U _AD = 0 і, отже, ЕГ не працює. При зміні температури об'єкта змінюється R _т і U _AD перестає бути нульовим. Ця напруга посилюється уед і подається на ЕД, який, обертаючись, переміщає движок реохорда.

Недоліком такої схеми є те, що опору лінії входять в одне плече з R _т, отже, зміна R _л може викликати зміну показань моста. Для компенсації R _л застосовуються трехпроводная або чотирипровідна схеми.

Трипровідна схема підключення мосту (див. Рис. 2.7).

У цьому випадку рівняння рівноваги має вигляд:

(R ₁ + R ^_л). R ₃ »R ^_2. (R ₄ + R _т + R _л).

Тобто опір лінії R _л входить в обидві частини рівняння і частково компенсується.

1.8. Методи та прилади для вимірювання тиску і розрядження.

1.8.1 Класифікація приладів для вимірювання тиску.

Під тиском в загальному випадку розуміють межа відносини нормальної складової зусилля до площі, на яку діє зусилля.

Залежно від природи контрольованого процесу нас цікавить абсолютний тиск Р _а чи надмірне Р _і. При вимірюванні Р _а за початок відліку приймається нульове тиск, яке можна собі уявити як тиск всередині судини після повного відкачування повітря. Природно, досягти Р _а = 0 неможливо.

Барометричний тиск Р _бар - тиск, який чиниться атмосферою на все знаходяться в ній предмети.

Надмірний тиск представляє собою різницю між абсолютним і барометричним тисками:

Р _і = Р _а - Р _бар

Якщо Р _абс <�Р _бар, то Р _і називається тиском розрядження.

Класифікація приладів для вимірювання тиску:

I. За принципом дії:

1) рідинні (заснований на урівноваженні тиск стовпом рідини);

2) поршневі (вимірюваний тиск врівноважується зовнішньої силою, що діє на поршень);

3) пружинні (тиск вимірюється за величиною деформації пружного елемента);

4) електричні (заснований на перетворенні тиску в будь-яку електричну величину).

II. За родом вимірюваної величини:

1) манометри (вимірювання надлишкового тиску);

2) вакуумметри (вимірювання тиску розрядження);

3) мановакуумметри (вимір як надлишкового тиску, так і тиску розрядження);

4) напорометри (для вимірювання малих надлишкових тисків);

5) тягоміри (для вимірювання малих тисків розрядження);

6) тягонапорометри;

7) діфманометри (для вимірювання різниці тисків);

8) барометри (для вимірювання барометричного тиску).

1.8.2 Рідинні манометри.

Широко застосовуються в якості зразкових приладів для лабораторних і технічних вимірювань. В якості робочої рідини використовується спирт, вода, ртуть, масла.

Двотрубний манометр являє з себе U-подібну трубку, заповнену затвора рідиною.

1.8.3 Чашкові манометри і дифманометри.

Рівняння рівноваги: ​​Р = rg (h + H).

1.8.4 Мікроманометри.

h = ^L. sin (a) - висота підняття рівня рідини у вузькій трубці,

P = ^{r. g.} h - виміряний тиск.

Похибка: ± 1,5%.

1.8.5 Пружинні манометри.

Складаються з трубчастої пружини 1 з повідцем, зубчастого сектора 3 і шестерні 4 з прикріпленою до неї стрілкою 2.

При збільшенні тиску трубчаста пружина прагне розігнутися, в результаті чого вона через поводок починає взаємодіяти на зубчастий сектор, відхиляючи стрілку.

1.8.6 Електричні манометри.

Перетворювачі тиску типу "Сапфір".

Ці манометри забезпечують безперервне перетворення значення вимірюваного параметра (тиску надлишкового, абсолютного, розрядження, різниці тисків нейтральних і агресивних середовищ) в уніфікований струмовий сигнал для дистанційної передачі (0 - 5 мА, 0 - 20 мА і ін.).

Мембранний тензопреобразователь 3 розміщений всередині підстави 9 (див. Рис. 2.13). Внутрішня порожнина 4 тензопреобразователя заповнена кремнийорганической рідиною і відділена від вимірюваного середовища металевою гофрованою мембраною 6, привареною по зовнішньому контуру до основи 9. Порожнина 10 повідомлена з навколишньою атмосферою.

Вимірюється тиск подається в камеру 7 фланця 5, який ущільнений прокладкою 8. Вимірюваний тиск впливає на мембрану 6 і через рідину впливає на мембрану тензопреобразователя, викликаючи її прогин і зміна опору тензорезисторів. Електричний сигнал від тензопреобразователя передається з вимірювального блоку 1 по проводах через гермовивод 2.

Перетворювачі Сапфір-22ДА моделей 2050 і 2060, призначені для вимірювання абсолютного тиску, відрізняються тим, що порожнина 10 вакуумована і герметизирована.

Перетворювачі Сапфір-22ДД моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 і 2444 (див. Рис. 2.14), призначені для вимірювання різниці тисків, відрізняються тим, що в них використовується тензопреобразователь мембранно-важільного типу, який розміщений всередині підстави в замкнутій порожнині , заповненої кремнийорганической рідиною, і відділений від вимірюваного середовища двома металевими гофрованими мембранами. Мембрани з'єднані між собою центральним штоком, переміщення якого передається важелю тензопреобразователя, що викликає деформацію тензопреобразователя. Чутливим елементом тензопреобразователя є пластина з монокристалічного сапфіру (різновид корунду - Al ₂ O ₃₎ з кремнієвими плівковими тензорезисторами (структура КНС - кремній на сапфірі).

Електричний сигнал від тензопреобразователя передається з вимірювального блоку в електронний пристрій 1 по проводах через гермоввод 2. Вимірювальний блок витримує без руйнування вплив односторонньої перевантаження робочим надлишковим тиском. Це забезпечується тим, що при такій перевантаження одна з мембран 8 лягає на профільовану поверхню підстави 9.

1.9. Методи та прилади для вимірювання витрати пари, газу і рідини.

1.9.1 Класифікація.

Кількість речовини виражається в одиницях об'єму або маси (тобто в м ³ або кілограмах). Кількість рідини з рівною мірою точності може бути виміряна і об'ємним, і масовим методами, кількість газу - тільки об'ємним. Для твердих і сипучих матеріалів використовується поняття насипний або об'ємної маси, яка залежить від гранулометричного складу сипучих матеріалів. Для більш точних вимірювань кількість сипучого матеріалу визначається зважуванням.

Витратою речовини називається кількість речовини, що проходить через дане перетин трубопроводу в одиницю часу. Масова витрата вимірюється в кг / с, об'ємний - в м ³ / с.

Прилади, що вимірюють витрату, називаються витратомірами. Ці прилади можуть бути забезпечені лічильниками (інтеграторами), тоді вони називаються витратомірами-лічильниками. Такі прилади дозволяють вимірювати витрату і кількість речовини.

Класифікація:

механічні

об'ємні

ковшові

барабанного типу

мірники

швидкісні

за методом змінного перепаду тиску

за методом постійного перепаду тиску

напірні трубки

ротаційні

електричні

електромагнітні

ультразвукові

радіоактивні

1.9.2 Метод змінного перепаду тиску.

Є найпоширенішим і вивченим методом вимірювання витрати рідини, пари та газу.

У вимірювальній техніці звуження потоку є діафрагми, сопла і сопла Вентурі.

Найбільш часто з них застосовуються діафрагми, які представляють собою тонкий диск, встановлений в трубопроводі так, щоб його отвір було концентрично внутрішньому контуру перетину трубопроводу. Звуження потоку починається до діафрагми. Потім на деякій відстані за нею завдяки дії сил інерції, потік звужується до мінімального значення, а далі поступово розширюється до повного перерізу трубопроводу. Перед діафрагмою і за ній утворюються зони з вихровим рухом.

I - I - перетин потоку до спотворення форми.

II - II - перетин в місці максимального звуження.

Р _п - втрати тиску на тертя і завихрення.

Різниця тисків _Р1 - _Р2 залежить від витрати середовища, що протікає через трубопровід.

У разі використання сопла струмінь, що протікає через нього, не відривається від його профільованою частини і тому Р _п менше.

Ще менше втрати Р _п в соплі Вентурі.

Перепад тиску вимірюється дифманометрами. Комплект витратоміра складається з елементів:

1) звуження потоку (Д);

2) імпульсні трубки (Т);

3) дифманометр (ДМ).

Як дифманометрів зазвичай використовуються перетворювачі різниці тиску типу "Сапфір".

1.9.3 Витратоміри постійного перепаду тиску.

До них відносяться гідродинамічні, поршневі, поплавкові, ротаметричний витратоміри.

Найбільш поширеними приладами групи витратомірів постійного перепаду тиску є ротаметри (див. Рис. 2.17), які мають ряд переваг перед витратомірами змінного перепаду тиску:

а) втрати Р _п незначні і не залежать від витрат;

б) мають великий діапазон виміру і дозволяють вимірювати малі витрати.

Принцип дії заснований на вимірюванні положення Н поплавка, що обертається в розширюється догори трубці під впливом спрямованої вгору струменя.

Q - витрата проходить через трубку газу або рідини,

a - кут нахилу стінок трубки.

Залежність Н від Q нелінійна, але в початковому і середньому ділянках рівномірність ділень шкали спотворюється в незначній мірі.

Відсутність прямої залежності між Q і Н вимагає індивідуального градуювання кожного приладу.

Ротаметричний трубки зазвичай виготовляються зі скла, на яке наноситься шкала. Ротор також може бути виготовлений у вигляді кульки або диска.

1.9.4 Витратоміри змінного рівня.

Використовуються для вимірювання витрат сумішей продуктів, що містять тверді частинки, пульсуючих потоків, особливо активних середовищ.

Вимірювання здійснюються при атмосферному тиску. Складається з елементів (див. Рис. 2.18): 1 - калібрований посудину, 2 - уровнемерное скло, 3 - отвір в днищі, 4 - перегородка для заспокоєння потоку.

1.9.5 Витратоміри швидкісного напору.

Вимірювання витрати засноване на залежності динамічного напору від швидкості потоку вимірюваного середовища.

Дифманометр, що з'єднує обидві трубки, показує динамічний тиск, по якому судять про швидкість потоку і, отже, про витрату.

1.10. Методи та прилади для вимірювання рівня.

1.10.1 Методи виміру рівня.

У загальному обсязі вимірювальних операцій в нафтопереробці, нафтохімії та газової промисловості вимір рівня становить 18 - 20%.

Поl вимірюванням рівня розуміється індикація положення розділу двох середовищ різної щільності щодо будь-якої горизонтальної поверхні, прийнятої за початок відліку. Прилади, що виконують це завдання, називаються рівнемірами.

Методи вимірювання рівня: 1) поплавковий, 2) буйковий, 3) гідростатичний, електричні та ін.

1.10.2 Поплавковий метод вимірювання рівня.

Поплавковий рівнемір побудований за принципом використання сили, що виштовхує рідини. Чутливий елемент являє собою тіло довільної форми (поплавок), плаваючий на поверхні рідини і має постійну осадку. Поплавок переміщається вертикально разом з рівнем рідини і поточне значення рівня визначається фіксацією положення поплавка.

1.10.3 буйкових рiвнемірiв.

Дія буйкового рівнеміра засновано на законі Архімеда. Чутливий елемент буйкового рівнеміра - буй - масивне тіло, підвішене вертикально всередині судини, рівень рідини в якому контролюється. У міру зміни рівня рідини змінюється занурення буя внаслідок компенсації виштовхує сили рідини зміною зусилля в підвісці.

Таким чином, за величиною занурення буя судять про рівень рідини в посудині. Характеристика буйкового рівнеміра лінійна, а чутливість тим більше, чим більше площа поперечного перерізу буя.

1.10.4 Гідростатичні рівнеміри.

У цих приладах вимірювання рівня рідини постійної щільності зводиться до вимірювання тиску, створеного стовпом рідини Р = r _ж g h.

Розрізняють пьезометрические рівнеміри і рівнеміри з безпосереднім виміром стовпа рідини.

П'єзометричного рівнеміри застосовуються для вимірювання рівня найрізноманітніших, в тому числі в'язких і агресивних рідин.

Повітря з пьезометрической трубки 1 барботують через шар рідини. Кількість повітря, що подається під тиском, обмежується дроселем 3 таким чином, щоб швидкість руху його в трубопроводі була мінімально можливою. Рівень рідини визначається по різниці тиску в Дифманометр 2.

1.10.5 Електричні методи вимірювання рівня.

Для вимірювання рівня рідини може бути використано відмінність електричних властивостей рідини і парогазової суміші під нею. Під електричними властивостями розуміються діелектрична проникність і електропровідність речовин.

Кондуктометричний метод вимірювання рівня заснований на вимірюванні електричної провідності первинного перетворювача, що залежить від значення рівня.

Ємнісний метод вимірювання заснований на зміні ємності первинного перетворювача в залежності від положення рівня вимірюваного середовища. Зазвичай первинний перетворювач виконується у вигляді коаксіальних циліндричних обкладок, занурених у вимірювану рідину. Зі зміною рівня рідина заповнює простір між обкладинками і тим самим змінює їх електричну ємність. Залежність між рівнем рідини і ємністю пропорційна.

2. Виконавчі пристрої.

2.1. Класифікація виконавчих пристроїв.

Виконавчим пристроєм (ВП) називається пристрій в системі управління, безпосередньо реалізує управлінський вплив з боку регулятора на об'єкт управління шляхом механічного переміщення регулюючого органу (РО) об'єкта.

Більшість керуючих впливів в нафтопереробці, нафтовидобутку і нафтохімії реалізується шляхом зміни витрат речовин (наприклад, сировини, палива, кубового залишку колони і т.д.).

Рівняння статики ІУ для витрати F рідини або газу може бути описано як

F = F (ΔP, ν, ρ, C _1, C _2,...),

де ΔP - перепад тиску на РО, ν - в'язкість, ρ - щільність, С _i - деякі параметри, що залежать від конструкції РО, режиму закінчення потоку і т.д. Звідси видно, що витрата F може бути змінений шляхом:

- зміни ΔP (насосні ІУ),

- ν або ρ (реологічні ІУ),

- коефіцієнтами C _i (дросельні ІУ).

2.2. Виконавчі пристрої насосного типу.

Структура ІУ насосного типу представлена на малюнку, де позначено: u - керуючий вплив з боку регулятора, ІМ - виконавчий механізм (привід), РВ - регулюючий орган (насос), Х _р - параметр, що змінює продуктивність насоса (частота обертання валу, хід поршня і т.д.).

Для даних ІУ, як правило, тиск на виході Р _вих більше, ніж тиск на вході Р _вх, а перепад тиску на РО визначається як? Р = Р _вих - Р _вх.

Насосні ІУ діляться на три класи:

1) З обертовим рухом РВ:

а) шестерні - зуби шестерень створюють зі стінками корпусу безліч обсягів, за допомогою яких рідина з всмоктуючої лінії подається в нагнетательную; зворотний струм рідини істотно менше, так як при зачепленні шестерень між собою залишкові обсяги невеликі.

б) шиберні - при обертанні шибери відцентровими силами притискаються до корпусу і утворюють з ним змінні обсяги: на всмоктується лінії збільшуються, на нагнітальної - дедалі менші.

в) гвинтові - перекачування виробляється гвинтовим шнеком.

г) відцентрові - зміна витрати відбувається за рахунок зміни вхідної швидкості в порожнині ротора насоса.

2) З поступальним рухом РВ:

а) поршневі,

б) мембранні,

в) сильфонні.

2.3. Виконавчі пристрої реологического типу.

Деякі рідини і дисперсійні системи можуть змінювати в'язкість під дією електричного поля (наприклад, вазелінове, трансформаторне, касторове масла, олефіни, алюмосилікати та ін.), Тобто F = F (ν).

Перетворювач в ІУ даного типу здійснює зміна електромагнітного поля в РВ в залежності від u, яке в свою чергу впливає на ν. При цьому витрата F на РВ змінюється пропорційно.

2.4. Виконавчі пристрої дросельного типу.

Ці ІУ знайшли переважне поширення в силу універсальності і простоти. Залежно від u ІМ змінює будь-якої параметр дроселя РВ, що призводить до зміни витрати F.

Пропускний характеристикою дроселя називається залежність витрати F від перепаду тиску? Р = Р _вх - Р _вих, положення РВ і т.д.

Залежність F (? Р) для турбулентного потоку:

F = γ ,

де , S - площа перетину потоку, ξ - коефіцієнт місцевого опору, ρ - щільність.

Типи ІУ:

1) Плунжерні - витрата регулюється шляхом зміни площі прохідного перетину, утвореного парою «сідло-затвор» (див. Рис.). Форма затвора підбирається таким чином, щоб пропускна характеристика F = F (h) була лінійна (h - положення штока).

2) Шлангові - витрата регулюється стисканням гнучкого шланга (тип ПШУ-1).

3) Діафрагмові - використовують гнучкі мембрани.

5) Крани - використовують затвори, виконані у вигляді циліндра, усіченого конуса чи сфери з прохідним отвором; витрата регулюється поворотом затвора на певний кут.

6) Засувки - витрата регулюється плоскою засувкою, що переміщається перпендикулярно осі трубопроводу.

2.5. Виконавчі механізми.

Стандартні виконавчі механізми (ІМ) працюють в комплекті з РВ, утворюючи разом ІУ, і класифікуються за:

- виду енергії, що створює перестановочне зусилля (електричні, пневматичні, гідравлічні та ін.);

- виду руху (прямоходового, однооборотние і багатооборотні);

- принципом створення перестановочного зусилля (мембранні, поршневі, сильфонні, лопатеві, електромагнітні, електродвигунні і ін.).

Пневматичні ІМ знайшли широке поширення завдяки простоті конструкції, низьку вартість, надійності, здатності працювати в пожежо-і вибухонебезпечних умовах. Недоліки: обмеженість відстані від регулятора до місця установки ІУ (зазвичай до 200 м), низька швидкодія, низький клас точності.

Вхідним сигналом цих ІМ є тиск стисненого повітря, яке, впливаючи на мембрану, створює зусилля

F = S _еф (Р _u - Р _о),

де P _u - керуючий тиск,

Р _про - початковий тиск, при якому створюється рух плунжера,

S _еф - ефективна площа мембрани.

Електричні ІМ мають переваги: високу швидкодію, точність позиціонування, компактність, доступність джерела енергії, великі перестановки зусилля. Недоліки: дорожнеча, необхідність заходів захисту у вибухо- і пожежонебезпечних умовах.

Поділяються на електродвигунні (привід від двигуна) і електромагнітні.

Промисловість випускає майже виключно електродвигунні ІМ з напругою 220 В або 380 В:

- багатооборотні (МЕМ),

- однооборотние (МЕВ) з кутом повороту до 360º,

- прямоходового (МЕП).

Приклад маркування: МЕВ-0,63 / 10-0,25 (однооборотний електричний ІМ, момент 6,3 ^Н. М, час ходу 10 сек, номінальний хід 0,25 обороту).

3. Функціональні схеми автоматизації

3.1. Умовні позначення

Всі місцеві вимірювальні і перетворюючі прилади, встановлені на технологічному об'єкті зображуються на функціональних схемах автоматизації у вигляді кіл (див. Рис. 2.30, а і б).

Якщо прилади розміщуються на щитах і пультах в центральних або місцевих операторних приміщеннях, то в колі проводиться горизонтальна розділова лінія (див. Рис. 2.30, в і г). Якщо функція, якої відповідає окружність, реалізована в системі розподіленого управління (наприклад, в комп'ютеризованої системи), то окружність вписується в квадрат (див. Рис. 2.30, д).

Всередину кола вписуються:

- в верхню частину - функціональне позначення (позначення контрольованих, сігналізіруемих або регульованих параметрів, позначення функцій і функціональних ознак приладів і пристроїв);

- в нижню - позиційні позначення приладів і пристроїв.

Місця розташування добірних пристроїв і точок виміру вказуються за допомогою тонких суцільних ліній.

Буквені позначення засобів автоматизації будуються на основі латинського алфавіту і складаються з трьох груп букв:

1 буква - Контрольований, сігналізіруемий або регульований параметр:

D - щільність,

Е - будь-яка електрична величина,

F - витрата,

G - положення, переміщення,

Н - ручний вплив,

К - временна'я програма,

L - рівень,

М - вологість,

Р - тиск,

Q - склад суміші, концентрація,

R - радіоактивність,

S - швидкість (лінійна або кутова),

Т - температура,

U - різнорідні величини,

V - в'язкість,

W - маса.

2 буква (обов'язкова) - уточнення характеру вимірюваної величини:

D - різниця, перепад,

F - співвідношення,

J - автоматичне перемикання,

Q - підсумовування, інтегрування.

3 група символів (кілька букв) - функції та функціональні ознаки приладу:

I - свідчення,

R - реєстрація,

З - регулювання,

S - перемикання,

Y - перетворення сигналів, перемикання,

А - сигналізація,

Е - первинне перетворення параметра,

Т - проміжне перетворення параметра, передача сигналів на відстань,

К - перемикання управління з ручного на автоматичне і назад, управління по програмі, корекція.

Умовні позначення інших приладів, які використовуються на схемах, показані на рис. 2.31:

- автоматичний захист з системи протиаварійного захисту (ПАЗ, див. Рис. 2.31, а);

- технологічне відключення (включення) з системи управління (див. Рис. 2.31, б);

- регулюючий клапан, що відкривається при припиненні подачі повітря (нормально відкритий) - рис. 2.31, в;

- регулюючий клапан, що закривається при припиненні подачі повітря (нормально закритий) - рис. 2.31, г;

- керуючий електропневматичний клапан (ЕПК) - рис. 2.31, д;

- відсікач з приводом (запірний клапан) - рис. 2.31, е.

3.2. Приклади побудови умовних позначень приладів і засобів автоматизації

(У дужках вказані приклади типів приладів)

3.3. Приклади схем контролю температури.

3.3.1 Індикація і реєстрація температури (TIR).

101-1 Термоелектричний термометр тип ТХА, гр. ХА, межі вимірювання від -50 ° С до 900 ° С, матеріал корпусу Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515

101-2 Перетворювач термоЕРС в стандартний струмовий сигнал 0 ... 5 мА, гр. ХА, марка Ш-72

101-3 Міліамперметр показує реєструючий на 2 параметра, марка А-542

Примітка: Інші види амперметрів: А-502, А-503 - показують, А-542, А-543 - реєструють, остання цифра - число параметрів; А-100 - показує на 1 параметр.

3.3.2 Індикація, реєстрація та регулювання температури за допомогою пневматичного регулятора (TIR С, пневматика).

102-1 той же, що 101-1

102-2 той же, що 101-2

102-3 електропневмопреобразователь, вхідний сигнал 0 ... 5 мА, вихідний - стандартний пневматичний 0,02 ... 0,1 МПа, марка ЕПП-63 (або ЕПП-180)

102-4 пневматичний вторинний прилад на 3 параметри зі станцією управління, марка ПВ 10.1Е (з електроприводом діаграмної стрічки)

102-5 Пневматичний ПІ-регулятор ПР 3.31

Примітка: Регулятори ПР 2.31 зняті з виробництва.

3.3.3 Індикація і регулювання температури за допомогою мікропроцесорного регулятора (TI С, ел.).

103-1 той же, що 101-1

103-2 Трьохканальний микропроцессами-бур'янистої регулятор типу «Протерм-100»

103-3 Регулюючий клапан для неагресивних середовищ, корпус з чавуну, гранична температура Т = 300 ° С,

тиск Р _у = 1,6 МПа,

умовний діаметр D _у = 100 мм, тип 25нч32нж

3.3.4 Індикація, реєстрація, сигналізація і регулювання температури за допомогою потенціометра (моста) (TIR С, ел.).

104-1 той же, що 101-1

104-2 Автоматичний електронний потенціометр на 1 точку з вбудованими пристроями регулювання і сигналізації, тип КСП-4 (або автоматичний електронний міст типу КСМ-4 і т.д.)

104-3 Лампа сигнальна Л-1

104-4 той же, що 103-3

3.4. Приклади схем контролю тиску.

3.4.1 Індикація тиску (PI).

210-1 Манометр пружинний М- ... (див. Рис. 2.36)

3.4.2 Сигналізація тиску (PA).

202-1 Пневматичний первинний перетворювач тиску,

межа вимірювання 0 ... 1,6 МПа, вихідний сигнал 0,02 ... 0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонний з пневмовихід)

202-2 Електроконтакта манометр з сигнальною лампою ЕКМ-1

202-3 той же, що 104-3

3.4.3 Індикація, реєстрація і регулювання тиску (PIRC, пневматика)

Див. Мал. 2.38.

203-1 той же, що 202-1

203-2 той же, що 102-4

203-3 той же, що 102-5

203-4 той же, що 103-3

3.4.4 Індикація і реєстрація тиску (PIR, ел.).

Див. Мал. 2.39.

204-1 Первинний перетворювач тиску зі стандартним струмовим виходом 0 ... 5 мА, марка МС-Е (або Сапфір-22ДІ і т.д.)

204-2 той же, що 101-3

3.4.5 Індикація, реєстрація, регулювання і сигналізація тиску (PIRCA, пневматика).

Див. Мал. 2.40.

205-1 той же, що 202-1

205-2 той же, що 102-4

205-3 той же, що 102-5

205-4 той же, що 103-3

205-5 той же, що 202-2

205-6 той же, що 202-3

3.5. Схеми контролю рівня і витрати.

Схеми контролю рівня аналогічні схемам контролю тиску, оскільки його значення при вимірюванні або перетвориться в тиск, або датчики рівня, як і датчики тиску, мають на виході стандартний пневматичний або електричний сигнал.

Для вимірювання витрати рідини первинні перетворювачі встановлюються в перерізі трубопроводу, тому на схемі з позначення також, як правило, зображуються вбудованим в трубопровід.

При використанні звужують пристроїв, наприклад, діафрагм, перепад тисків на них змиритися дифманометрами, тому схеми автоматизації аналогічні схемами контролю тиску. Інші витратоміри, як правило, вже мають на виході стандартний сигнал.

Приклади схем:

301-1 Діафрагма марки ДК6-50-II-а / г-2 (діафрагма камерна, тиск Р _у = 6 атм, діаметр D _у = 50 мм)

301-2 Дифманометр з пневмовихід 0,02 ... 0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматики) або Сапфір-22ДД (для електричної схеми)

302-1 Ротаметр РД-П (з пневмовихід) або РД-Е (з електричним виходом)

Таблиця 2.2 - Форма специфікації до ФВА.

Прилади в специфікації можуть бути згруповані по позиціях на схемі або за марками.

Частина 3. Сучасні системи управління виробництвом.

1. Структура АСУ ТП.

Характерною особливістю розвитку сучасної електронної промисловості є бурхливе зростання, що супроводжується настільки ж бурхливим зниженням вартості засобів автоматизації, обчислювальної техніки, комунікацій, пристроїв високоточних вимірювань параметрів.

Цифрові технології швидко витісняють аналогові, що переважали в системах управління в недалекому минулому. Це пов'язано з тим, що можливості цифрових засобів вимірювання та управління на порядок вище, ніж у аналогових. До числа їхніх достоїнств відносяться:

1) більш точне уявлення вимірюваних величин;

2) велика перешкодозахищеність;

3) можливості побудови обчислювальних мереж;

4) велика гнучкість і ефективність в управлінні процесом і т.д.

Всі ці можливості пов'язані з конкретними вигодами для користувачів:

1) прискорення роботи операторів системи управління;

2) економія фінансових ресурсів;

3) підвищення якості та коректності рішень, прийнятих операторами;

4) зменшення втрат продукції та ін.

Будь-яку автоматичну систему управління технологічним процесом (АСУ ТП) можна в кінцевому підсумку розділити на 3 основних рівня ієрархії:

Самим нижнім рівнем є рівень датчиків і виконавчих механізмів, які встановлюються безпосередньо на технологічних об'єктах. Їх діяльність полягає в отриманні параметрів процесу, перетворення їх у відповідний вигляд для подальшої передачі на вищий щабель (функції датчиків), а також в прийомі сигналів і у виконанні відповідних дій (функції виконавчих механізмів).

Середній рівень - рівень виробничої дільниці. Його функції:

- збір інформації, що надходить з нижнього рівня, її обробка та зберігання;

- вироблення керуючих сигналів на основі аналізу інформації;

- передача інформації про виробничій ділянці на більш високий рівень.

Верхній рівень в системі автоматизації займає т.зв. рівень управління. На цьому рівні здійснюється контроль за виробництвом продукції. Цей процес включає в себе збір надходять з виробничих ділянок даних, їх накопичення, обробку та видачу керівних директив нижнім східцях. Атрибутом цього рівня є центр управління виробництвом, який може складатися з трьох взаимопроникающих частин:

1) операторської частини,

2) системи підготовки звітів,

3) системи аналізу тенденцій.

Операторська частина відповідає за зв'язок між оператором і процесом на рівні управління. Вона видає інформацію про процес і дозволяє в разі необхідності втручання хід автоматичного управління. Забезпечує діалог між системою і операторами.

Система підготовки звітів виводить на екрани, принтери, в архіви і т.д. інформацію про технологічні параметри з зазначенням точного часу вимірювання, видає дані про матеріальне і енергетичному балансі та ін.

Система аналізу тенденцій дає оператору можливість спостереження за технологічним параметрами і робити відповідні висновки.

На верхньому рівні АСУ ТП розміщені потужні комп'ютери, які виконують функції серверів баз даних і робочих станцій і забезпечують аналіз і зберігання всієї інформації, що надійшла за будь-який заданий інтервал часу. а також візуалізацію інформації та взаємодія з оператором. Основою програмного забезпечення вирхнего рівня є пакети SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системи управління і доступу до даних).

2. Пристрої зв'язку з об'єктом (УСО).

Майже всі технологічні параметри, присутні в реальному технологічному об'єкті. мають аналоговий або дискретний вигляд. Існує багато датчиків, які можуть перетворювати вимірювані величини тільки в аналоговий вигляд (напруга, опір, тиск), а також багато виконавчих механізмів, що мають тільки аналогові вхідні сигнали. Для того, щоб зв'язати між собою параметри, представлені в аналоговому і цифровому видах, в сучасній АСУТП використовують пристрої зв'язку об'єктом.

Модулі УСО - це конструктивно закінчені пристрої, виконані у вигляді модулів, що встановлюються, як правило, в спеціалізовані плати з клемними соединителями або стандартний DIN-рейку.

На УСО покладаються такі функції:

1) Нормалізація аналогового сигналу, тобто приведення меж шкали первинного безперервного сигналу до одного зі стандартних діапазонів вхідних сигналів АЦП.

2) Попередня низькочастотна фільтрація аналогового сигналу - обмеження смуги частот первинного безперервного сигналу з метою зниження впливу на результат вимірювання перешкод різного походження.

3) Забезпечення гальванічної ізоляції між джерелами сигналу і каналами системи.

Крім цих функцій ряд УСО може виконувати більш складні функції за рахунок наявності в їх складі АЦП, дискретного введення-виведення, мікропроцесора і інтерфейсів передачі даних.

За характером оброблюваного сигналу УСО можна розділити на аналогові, дискретні та цифрові.

Аналогові УСО (аналого-цифрові перетворювачі АЦП, цифро-аналогові перетворювачі ЦАП і ін.) Повинні мати великою точністю, лінійністю і великим напруженням ізоляції.

Дискретні УСО забезпечують опитування датчиків з релейним виходом, вимикачів, контролю наявності напруги в мережі і т.д., а вихідні дискретні УСО формують сигнали для управління пускателями, двигунами та іншими пристроями. Дискретні УСО задовольняють тим же вимогам, що і аналогові, але, крім того, мають мінімальним часом перемикання, а вихідні можуть забезпечувати комутацію вищих струмів і напруг.

Серед модулів УСО існують також пристрої, що працюють тільки з цифровою інформацією. До них відносяться комунікаційні модулі, призначені для мережевої взаємодії (наприклад, повторювачі для збільшення протяжності лінії зв'язку, перетворювачі інтерфейсів RS-232 / RS-485).

У напрямку проходження даних модулі УСО можна розділити на три типи:

1) пристрої введення, що забезпечують передачу сигналів датчиків;

2) пристрою виводу для формування сигналів на виконавчі механізми;

3) двонаправлені.

У реальних системах модулі УСО можуть не бути присутнім у вигляді самостійних пристроїв, а входити до складу датчиків (в цьому випадку датчики називають інтелектуальними) або промислових комп'ютерів. Прикладом можуть служити датчики, що видають готовий цифровий сигнал. в цьому випадку межа між первинним перетворювачем і УСО проходить десь всередині датчика. З іншого боку, УСО можуть бути виконані у вигляді АЦП / ЦАП-плат, що вставляються в стандартні ISA або PCI слоти комп'ютера. В цьому випадку аналогові сигнали можуть бути введені прямо в комп'ютер, де і перетворюються в цифровий вигляд.

3. Апаратна і програмна платформа контролерів.

Промислові контролери та комп'ютери. розташовані на середньо рівні АСУТП грають роль керуючих елементів. приймають цифрову інформацію і передають сигнали.

До останнього часу роль контролерів в АСУТП в основному виконували PLC (Programmable Logic Controller - програмовані логічні контролери) зарубіжного і вітчизняного виробництва. Найбільш популярні нашій країні PLC таких зарубіжних виробників, як Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а також вітчизняні моделі: «Ломіконт», «Ремиконт», Ш-711, «Мікродата», «Емікон» і ін.

У зв'язку з бурхливим зростанням виробництва мініатюрних РС-сумісних комп'ютерів останні все частіше стали використовувати в якості контролерів.

Перша і головна перевага РС-контролерів пов'язано з їх откритотью, що дозволяє застосовувати в АСУ обладнання різних фірм. Тепер користувач не прив'язаний до конкретного виробника.

Друга важлива перевага їх полягає в більш «родинних» зв'язках з комп'ютерами верхнього рівня. В результаті не потрібні додаткові витрати на підготовку персоналу.

Третя перевага - більш висока надійність. Зазвичай розрізняють фізичну і програмну надійність контролерів. Під фізичною надійністю розуміють здатність апаратури стійко функціонувати в умовах навколишнього середовища промислового цеху і протистояти її шкідливого впливу. Під програмної розуміється здатність програмного забезпечення (ПО) стійко функціонувати в ситуаціях, що вимагають реакції в заданий час. Програмна надійність визначається в першу чергу ступенем налагодженості ПО. Оскільки в більшості РС-контролерів використовуються комерційні широко поширені і добре налагоджені операційні системи (Windows, Unix, Linux, QNX і ін.), То слід очікувати, що програмна надійність буде вище, ніж у PLC.

Операційні системи контролерів повинні задовольняти не тільки вимогам відкритості, а й вимогам роботи в режимі реального часу, була компактна і мала можливість запуску з ПЗУ або флеш-пам'яті.

4. Операційна система PC-контролерів

Операційна система контролерів повинна задовольняти вимогам відкритості. Але не тільки їм. Специфіка умов роботи контролерів вимагає, щоб ОС підтримувала роботу в режимі реального часу, була компактна і мала можливість запуску з ПЗУ або флеш-пам'яті.

Для PC-контролерів найкраще підходить операційна система QNX (фірма QSSL, Канада). Перш за все, це пов'язано з тим, що архітектура QNX є відкритою, модульної та легко модифікується. QNX може завантажуватися як з ПЗУ, флеш-пам'яті, так і за допомогою віддаленого завантаження по мережі. QNX розроблена відповідно до стандартів POSIX, є комерційною операційною системою, широко поширена на світовому ринку (сотні тисяч продажів), підтримує всі шини, використовувані в PC-контролерах, включаючи ISA, PCI, CompactPCI, PC / 104, VME, STD32. Понад сто фірм - виробників програмного і апаратного забезпечення випускають продукцію, орієнтовану на QNX.

QNX є операційною системою, яка дає повну гарантію в тому, що процес з найвищим пріоритетом почне виконуватися практично негайно і що критичне подія (наприклад, сигнал тривоги) завжди буде оброблено. Вона відома як операційна система, яка функціонує в "захищеному режимі". Це означає, що всі програми в системі захищені один від одного і будь-яка "фатальна" помилка в одній з програм не призводить до "краху" всієї системи. Файлова система QNX була розроблена з урахуванням забезпечення цілісності даних при відключеннях харчування. Навіть при форс-мажорному відключенні харчування ви лише втратите деякі дані з кеш-пам'яті, але файлова система не зруйнується. Після включення комп'ютера буде забезпечена нормальна робота системи. У QNX повністю реалізовано вбудоване мережеве взаємодія "точка-точка". По суті, мережа з машин QNX діє як один потужний комп'ютер. Будь-які ресурси (модеми, диски, принтери) можуть бути додані до системи простим підключенням до будь-якій машині в мережі. QNX підтримує одночасну роботу в мережах Ethernet, Arcnet, Serial і Token Ring і забезпечує більш ніж один шлях для комунікації, а також балансування навантаження в мережах. Якщо кабель або мережева плата виходять з ладу і зв'язок припиняється, то система буде автоматично перенаправляти дані через іншу мережу. Це надає користувачеві автоматичну мережеву надмірність і збільшує швидкість і надійність комунікацій у всій системі.

5. Засоби технологічного програмування контролерів

Специфіка роботи з контролерами в порівнянні зі звичайними офісними комп'ютерами полягає не тільки в орієнтації на роботу з платами вводу-виводу, а й в переважному використанні мов технологічного програмування. Як правило, на промислових підприємствах з контролерами працюють не програмісти, а технологи, які добре знають специфіку об'єктів управління і технологічного процесу. Для опису процесів зазвичай використовуються такі мови, як мова релейно-контактних схем, функціональних блоків і так далі, теоретичні основи яких взяті з методів автоматичного управління. Накопичений багатьма фірмами досвід був узагальнений у вигляді стандарту IEC 1131-3 [1], де визначено п'ять мов програмування контролерів: SFC - послідовних функціональних схем, LD - релейних діаграм, FBD - функціональних блокових діаграм, ST - структурованого тексту, IL - інструкцій. Важливо відзначити, що використання даного стандарту повністю відповідає концепції відкритих систем, а саме, робить програму для контролера незалежної від конкретного обладнання - ні від типу процесора, ні від операційної системи, ні від плат вводу-виводу. В даний час програми багатьох фірм підтримують цей стандарт: ACCON-Prosys тисячі сто тридцять одна (фірма DeltaLogic), Open DK (фірма infoteam Software GmbH), Multiprog (фірма KW Software), NAiS Control (Matsushita Automation Controls) і ін. Найбільш відомою реалізацією цього стандарту є пакет ISaGRAF фірми CJ International, що включає систему розробки (WorkBench) і систему виконання (Target).

Якщо перша використовується для створення, моделювання, тестування і документування прикладних програм, що виконуються під управлінням ядра ISaGRAF, то друга завантажується ззовні або записується в ПЗУ. За даними організації PLCopen, в даний час програма, створена за допомогою ISaGRAF, може бути завантажена і виконана на процесорах Intel і Motorola під управлінням операційних систем DOS, OS-9, QNX, iRMX, Lynx, pSOS, OS-9000, VMEexec, VRTX , VxWorks, Windows NT. Основними достоїнствами ISaGRAF є простий, інтуїтивно зрозумілий для технолога графічний інтерфейс, вбудовані засоби налагодження, моделювання, тестування і документування програм, підтримка промислових мереж (Profibus, Modbus).

6. Приклад реалізації контролерів

Як приклад контролера, побудованого на базі концепції відкритих систем розглянемо контролер CS104 фірми Steinhoff. Це компактний, модульний і PC-сумісний комп'ютер, який може комплектуватися обладнанням будь-якої фірми, що поставляє плати в форматі PC / 104, в тому числі плати вводу-виводу, жорсткі або гнучкі диски, PC-карти, флеш-пам'ять і т. Д. базовий комплект контролера фірми Steinhoff: процесорний модуль, що включає сам процесор, 4-Мбайт динамічне ОЗУ, інтерфейси для клавіатури, миші, два послідовних і один паралельний порт, IDE / FDD, 128-Kбайт флеш-пам'яті, таймер реального часу, сторожовий таймер, Ethernet. Для ОС QNX забезпечується віддалене завантаження по мережі. За бажанням користувача контролер CS104 може бути укомплектований одним з наступних інтерфейсів для промислових мереж: Profibus, CAN, InterBus-S, LonWorks, II / O Lightbus, до кожного з яких поставляються драйвери, що працюють в QNX. Для технологічного програмування використовується пакет ISaGRAF з виконавчою системою для ОС QNX. Така архітектура ПО дозволяє на працюючій системі здійснювати віддалене програмування (на технологічних мовах IL, ST, FB, SFC, LD) і налагодження в захищеному режимі елементів програми, які обслуговують окремі 32-розрядні завдання робочого процесу, що гарантує високу надійність роботи системи в цілому.

Взаємодія зі SCADA-системами забезпечують драйвери для декількох пакетів, таких як RealFlex, Sitex і ін. [2]. Таким чином, контролер CS104 дозволяє побудувати систему АСУ ТП з використанням стандартних компонентів, що володіє модульностью і масштабованість, т. Е. В повній мірі відповідає концепції відкритих систем.

література

1. Кулаков М.В. Технічні вимірювання та прилади для хімічних виробництв. М .: Машинобудування, 1983. - 424 с.

2. Нікітенко Е.А. автоматизація і телеконтроль електрохімічної захистом магістральних газопроводів. М .: Недра, 1976.

3. Полоцький Л.М., Лапшенков Г.І. Автоматизація хімічних виробництв. Учеб. посіб. -М .: Хімія, 1982. - 296 с.

4. Теорія автоматичного управління / Под ред. Нетушил А.В. Ч.1. -М .: Вища. шк., 1968.

5. Бесекерскій В.А., Попов О.П. Теорія автоматичного регулювання. -М .: Наука, 1966.

6. Дадаян Л.Г. Автоматизація технологічних процесів: методичні вказівки до курсового та дипломного проектування. -Уфа .: Изд-во УНІ, 1985. - 225 с.

7. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-вимірювальні прилади і автоматика. Л .: Хімія, 1988. - 225 с.

8. Стефані Є.П. Основи побудови АСУТП: Учеб. посіб. -М .: Енергоіздат, 1982. -352 с.

9. Автоматичні прилади, регулятори та керуючі машини: Довідник / За ред. Кошарского Б.Д. -Ізд. 3-е. -Л .: Машинобудування, 1976. -486 с.

10. Голуб'ятників В.А., Шувалов В.В. Автоматизація виробничих процесів у хімічній промисловості: Підручник. -М .: Хімія, 1985. -352 с.

11. Теорія автоматичного управління: Підручник. У 2-х частинах / За ред. А.А.Воронова. -М .: Висш.шк., 1986. -Ч.1. - 367 с. - Ч.2. -504 с.

12. Аязян Г.К. Розрахунок автоматичних систем з типовими алгоритмами регулювання: Учеб. посіб. -Уфа .: Изд-во УНІ, 1986. -135 с.

13. Верьовкін А.П., Попков В.Ф. Технічні засоби автоматизації. Виконавчі пристрої: Учеб. посіб. -Уфа .: Изд-во УНІ, 1996. -95 с.

14.ГОСТ 21.404-85. Позначення умовні приладів і засобів автоматизації.

15. ГОСТ 21.408-93. Правила виконання робочої документації автоматизації технологічних процесів.

16. Кузнєцов А. SCADA-системи: програмістом можеш ти не бути .// СТА. -1996. -№ 1. -С. 32 - 35.

17. Кабан С. SCADA-пакет InTouch в вітчизняних проектах .// Світ комп'ютерної автоматизації. -1997. -№ 2. - С. 88 - 90.

18. Хрістенсен Д. Знайомство зі стандартом на мови програмування PLC IEC 1131-3.// Світ комп'ютерної автоматизації. -1997. -№ 2. - С. 24 - 25.

ЗМІСТ

С.

Частина 1. Теорія Автоматичного Управління (ТАУ) 3

1. Основні терміни та визначення ТАУ. 3

1.1. Основні поняття. 3

1.2. Класифікація АСР. 6

1.3. Класифікація елементів автоматичних систем. 8

2. Характеристики і моделі елементів і систем. 8

2.1. Основні моделі. 8

2.2. Статичні характеристики. 9

2.3. Динамічні характеристики. 10

2.4. Диференційне рівняння. Лінеаризація. 11

2.5. Перетворення Лапласа. 13

2.6. Передавальні функції. 16

2.6.1 Визначення передавальної функції. 16

2.6.2 Приклади типових ланок. 17

2.6.3 З'єднання ланок. 19

2.6.4 Передавальні функції АСР. 20

2.6.5 Визначення параметрів передавальної функції об'єкта

по перехідної кривої. 21

2.7. Частотні характеристики. 22

2.7.1 Визначення частотних характеристик. 22

2.7.2 Логарифмічні частотні характеристики. 24

3. Якість процесів управління. 25

3.1. Критерії стійкості. 25

3.1.1 Стійкість. 25

3.1.2 Кореневий критерій. 26

3.1.3 Критерій Стодоли. 27

3.1.4 Критерій Гурвіца. 27

3.1.5 Критерій Михайлова. 29

3.1.6 Критерій Найквіста. 29

3.2. Показники якості 30

3.2.1 Прямі показники якості. 30

3.2.2 Кореневі показники якості. 31

3.2.3 Частотні показники якості. 31

3.2.4 Зв'язки між показниками якості. 32

4. Налаштування регуляторів. 32

4.1. Типи регуляторів. 32

4.2. Визначення оптимальних параметрів регуляторів. 33

Частина 2. Засоби автоматизації і управління. 35

1. Вимірювання технологічних параметрів. 35

1.1. Державна система приладів (ГСП). 35

1.2. Точність перетворення інформації. 35

1.3. Класифікація КВП. 37

1.4. Види первинних перетворювачів. 37

1.5. Методи та прилади для вимірювання температури. 38

1.5.1 Класифікація термометрів. 38

1.5.2 Термометри розширення. Рідинні скляні. 38

1.5.3 Термометри, засновані на розширенні твердих тіл. 39

1.5.4 Газові манометрические термометри. 39

1.5.5 Рідинні манометричні термометри. 40

1.5.6 Конденсаційні манометрические термометри. 40

1.5.7 Електричні термометри. 40

1.5.8 Термометри опору. 42

1.5.9 Пірометри випромінювання. 42

1.5.10 Кольорові пірометри. 43

1.6. Побічні прилади для вимірювання різниці потенціалів. 43

1.6.1 Пірометричні мілівольтметри. 43

1.6.2 Потенціометри. 44

1.6.3 Автоматичні електричні потенціометри. 44

1.7. Методи вимірювання опору. 45

1.8. Методи та прилади для вимірювання тиску і розрядження. 46

1.8.1 Класифікація приладів для вимірювання тиску. 46

1.8.2 Рідинні манометри. 47

1.8.3 Чашкові манометри і дифманометри. 47

1.8.4 Мікроманометри. 48

1.8.5 Пружинні манометри. 48

1.8.6 Електричні манометри.

Перетворювачі тиску типу "Сапфір". 48

1.9. Методи та прилади для вимірювання витрати пари, газу і рідини. 50

1.9.1 Класифікація. 50

1.9.2 Метод змінного перепаду тиску. 51

1.9.3 Витратоміри постійного перепаду тиску. 52

1.9.4 Витратоміри змінного рівня. 52

1.9.5 Витратоміри швидкісного напору. 53

1.10. Методи та прилади для вимірювання рівня. 53

1.10.1 Методи виміру рівня. 53

1.10.2 Поплавковий метод вимірювання рівня. 53

1.10.3 буйкових рiвнемірiв. 53

1.10.4 Гідростатичні рівнеміри. 54

1.10.5 Електричні методи вимірювання рівня. 54

2. Виконавчі пристрої 55

2.1. Класифікація виконавчих пристроїв 55

2.2. Виконавчі пристрої насосного типу 55

2.3. Виконавчі пристрої реологического типу 56

2.4. Виконавчі пристрої дросельного типу 56

2.5. Виконавчі механізми 57

3. Функціональні схеми автоматизації 58

3.1. Умовні позначення 58

3.2. Приклади побудови умовних позначень приладів і засобів

автоматизації 60

3.3. Приклади схем контролю температури 64

3.4. Приклади схем контролю тиску 66

3.5. Схеми контролю рівня і витрати 68

Частина 3. Сучасні системи управління виробництвом 69

1. Структура АСУ ТП 69

2. Пристрої зв'язку з об'єктом (УСО). 70

3. Апаратна і програмна платформа контролерів 72

4. Операційна система PC-контролерів 73

5. Засоби технологічного програмування контролерів 74

6. Приклад реалізації контролерів 75

література 76