Габбасова Ж.Д. Автоматизированные технологические процессы

Подождите немного. Документ загружается.

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

1. ГЛОССАРИЙ

1. АСУТП – автоматизированная система управления технологическими

процессами.

2. АЦП – Аналогово-цифровое преобразование генерирует цифровой

выход.

3. VisSim – система математического моделирования (визуальное

моделирование).

4. Гомогенные системы – однородные (однофазные) системы.

5. Детерминированные системы – это системы, у которых в любой

момент времени t можно однозначно определить ее новое состояние

в момент времени t + dt.

6. Идентификация математической модели – определение степени

близости реального объекта и его математической модели.

7. Интерфейс пользователя – элемент технических систем,

обеспечивающий обмен информацией между оператором

(пользователем) и технической системой.

8. Каскадное регулирование – схема регулирования, когда выход

одного из регуляторов может являться заданием для другого

регулятора.

9. Кинетика химической реакции – скорость протекания реакции.

10.Корреляция – определение меры тесноты связи переменных.

11.Мониторинг процесса – сбор информации о процессе.

12.Переходной режим процесса – изменение величин системы во

времени в процессе перехода системы из одного состояния в другое.

13.Состояние системы – минимальное количество информации о

системе, чтобы предсказать ее будущее поведение.

14.Стохастические системы – системы, в которых изменение

определяющих величин происходит беспорядочно и часто.

15.Супервизорное управление – управление объектом от ЭВМ

непосредственно через регуляторы.

16.SCADA –система сбора информации реального времени с удаленных

объектов, обработки, анализа и возможного управления удаленными

объектами (дистанционный мониторинг и управление).

17.ТОУ – технологический (технический) объект управления.

18.Управляемость системы – свойство системы иметь управляющее

воздействие, позволяющее перевести систему из заданного

начального состояния в требуемое состояние за конечный отрезок

времени.

19.ЦАП – цифро-аналоговое преобразование

20.Энтропия – степень неупорядочности объекта.

1 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

2. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ

ЛЕКЦИЯ 1. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О

ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

1.1 Задачи в области автоматизации

Автоматизированные системы управления технологическими

процессами (в металлургии, машиностроении, нефтегазовой

промышленности и др.) являются высшим этапом комплексной

автоматизации и призваны обеспечить существенное увеличение

производительности труда, улучшения качества выпускаемой продукции и

других технико-экономических показателей производства, а также защиту

окружающей среды.

Особенностью построения любой АСУ является системный подход ко

всей совокупности металлургических, теплотехнических, экологических и

управленческих вопросов. Специалист в области разработки АСУТП должен

владеть теорией автоматического регулирования и управления, разбираться

в конструкциях и основах технологии производственных агрегатов,

достаточно свободно ориентироваться в работе ЭВМ, математическом и

алгоритмическом обеспечения, уметь правильно применять средства

информационной и управляющей техники. Подготовка специалиста

базируется на целом ряде дисциплин, таких как «Технология процессов и

производств», «Вычислительная техника и программирование», «Теория

автоматического управления», «Технические средства автоматики»,

«Моделирование объектов и систем управления» и др. Дисциплина

«Автоматизация технологических процессов и производств» завершает

подготовку по автоматизации и поэтому учебно-методический комплекс по

этой дисциплине, помимо специальных сведений, содержит материалы из

некоторых предшествующих дисциплин.

Развитие современного производства идет по пути создания

высокоэффективных промышленных установок, сопровождается

интенсификацией технологических и производственных процессов и систем

управления ими. При этом постепенно был осуществлен переход от ручного

управления технологическими процессами к автоматизированным и далее – к

полностью автоматическим.

Все это привело к выделению в науке об управлении самостоятельного

раздела, перед которым ставятся задачи разработки методов и систем

автоматизации технологических процессов. Эти системы получили название

«Автоматизированные системы управления технологическими процессами»

(АСУТП).

В эти системы включена большая область систем управления

технологическими объектами с разной степенью освобождения человека

2 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

(оператора) от функций контроля и управления и передачи их

автоматическим устройствам.

Автоматизированной системой управления (АСУ) называется человеко-

машинная система, обеспечивающая сбор и переработку информации,

необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой

деятельности. АСУ технологическими процессами (АСУТП) – это

автоматизированная система управления для выработки и реализации

управляющих воздействий на технологический объект управления в

соответствии с принятым критерием качества управления. В АСУТП

воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного

контроля, электронной и вычислительной техники.

АСУТП проводят общую централизованную обработку первичной

информации в темпе протекания технологического процесса, после чего

информация используется не только для управления этим процессом, но и

преобразуются в форму, пригодную для использования на вышестоящих

уровнях управления для решения оперативных и организационно-

экономических задач.

1.2Общие сведения о промышленных системах регулирования

Производственные процессы характеризуются множеством

регулируемых величин: температурой, давлением, расходом, концентрацией

и т. д., которые называются параметрами процесса. Чтобы технологическое

оборудование работало в требуемом режиме, то есть с высоким КПД, с

заданной производительностью, давало продукцию необходимого качества и

работало надежно, необходимо поддерживать величины, характеризующие

процесс, в большинстве случаев постоянными. Эта важнейшая задача

возложена на промышленные системы автоматического регулирования и

стабилизации технологических процессов.

Промышленные системы регулирования занимают второй уровень

современных иерархических систем управления технологическими

процессами. Их главная задача состоит в том, чтобы стабилизировать

технологические параметры на заданном уровне. Этим занимаются системы

автоматической стабилизации. В этих системах сигнал задания (уставка

регулятора) остается постоянным в течении длительного времени работы.

Другой, не менее важной задачей, является задача программного управления

технологическим агрегатом, что обеспечивает переход на новые режимы

работы. Решение этой проблемы осуществляется с помощью той же системы

автоматической стабилизации, задание которой изменяется от программного

задатчика.

В современных технологических комплексах имеются сотни и тысячи

контуров регулирования, от качества работы которых во многом зависит

качество выдаваемой продукции. Поэтому для большинства промышленных

САР необходима достаточно высокая точность их работы (±1÷15%). При

этом главное назначение системы стабилизации - это компенсация внешних

3 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

возмущающих воздействий, действующих на объект управления.

Структурная схема одноконтурной САР промышленным объектом

управления приведена на рис. 2.1. Основными элементами ее являются: АР -

автоматический регулятор, УМ - усилитель мощности, ИМ - исполнительный

механизм, РО - регулируемый орган, СОУ - собственно объект управления, Д

- датчик, НП - нормирующий преобразователь, ЗД - задатчик, ЭС - элемент

сравнения.

Рис. 2.1. Структурная схема САР промышленным объектом управления.

Обозначение переменных: Y

- задающий сигнал, е- ошибка

регулирования, - U

выходной сигнал регулятора, U

- управляющее

напряжение, h - перемещение регулирующего органа, Q

- расход вещества

или энергии, F - возмущающее воздействие, T - регулируемый параметр

(например температура), Y

ос

- сигнал обратной связи (выходное напряжение

или ток преобразователя).

Характерной особенностью схемы является наличие нормирующего

преобразователя НП, обеспечивающего работу автоматического регулятора

со стандартными значениями тока (0ё5 mA) или напряжения (0ё10 В).

Нормирующий преобразователь выполняет следующие функции:

1) преобразует нестандартный входной сигнал (mB) в стандартный

выходной сигнал;

2) осуществляет фильтрацию входного сигнала;

3) осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с

целью получения линейного диапазона;

4) применительно к термопаре, осуществляет температурную

компенсацию холодного спая термопары.

Рис. 2.2. Расчетная схема САР промышленным объектом управления.

Для расчетных целей исходную схему упрощают до схемы, показанной

на рис. 2.2, где АР - регулятор, ОУ - объект управления.Y Здесь под объектом

управления уже понимается неизменяемая часть системы, состоящая из

преобразователей сигналов, исполнительного механизма, регулирующего

органа, собственно объекта управления и датчика.

4 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

ЛЕКЦИЯ 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

2.1. Управляемость технологического процесса

Функционирование АСУТП неразрывно связано с переработкой потока

технологической информации. Поэтому специалист по автоматизации

должен знать общие положения по информационному обеспечению процесса

управления, общие принципы получения и преобразования технологической

информации, включая переход от аналоговой к цифровой форме

представления информации, способы кодирования сигналов, передачи

информации и защиты ее от помех. Специалист должен уметь на основе

известной структуры АСУТП, требований по точности измерения и

поддержания выходных параметров системы определять объем каждой из

типов информации (априорная, технологическая), рассчитывать разрядность

устройств измерения, преобразования и передачи информации, выбирать

наиболее целесообразный код по условиям точности, оценивать пропускную

способность каналов связи.

Для реализации целенаправленного и результативно протекающего

технологического процесса он должен быть управляемым. Это означает, что

в процессе функционирования технологического объекта необходимо

осуществлять непрерывные воздействия на исполнительные органы, чтобы

при внешних возмущениях обеспечить получение необходимого

единственного результата.

Другими словами, под управляемостью системы понимаем свойство

системы иметь управляющие воздействия, которые позволяют перевести

систему из заданного начального состояния в требуемое состояние за

конечной отрезок времени.

Дадим математическую интерпретацию и поясним понятие

управляемости.

Рассмотрим динамическую систему, для характеристики который

используется вектор состояния Х, координатами которого является

совокупность переменных состояния:

,,...,,

321 n

xxxx

т.е.

 

xxxxX ,...,

3,21



- вектор состояния.

Аналогично

 



,...,



- вектор управления.

В этом случае динамическая система описывается управлением

состояния вида:

  



,,...,,

321 ni

xxxxf



, где

=1,2,…

(1.1)

Воспользуемся понятием фазового пространства, в котором состояние

объекта управления изображается точками. Для случая, когда

3n

фазовое

пространство не имеет наглядной графической интерпретации. Когда

2n

фазовое пространство переходит в фазовую плоскость

5 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

Рис. 1 Фазовая плоскость Рис.2 Фазовая траектория движения

динамической системы из точки

в точку

Любое изменение вектора  переводит объект управления в некоторое

новое состояние.

Если в фазовом пространстве

,,...,,

321 n

xxxx

задано два множества Г

, то система (1) называется управляемой относительно Г

и Г

, если

существует такое допустимое управление

 



, которое конечный отрезок

времени переводит изображающую точку Х системы (1) из множества Г

множество Г

Если объект, управляемый, то следующим этапом изучения объекта

является определения допустимого уровня качества управления

технологическим процессом. Во многих случаях качество управления

оценивается на вероятных свойствах самого объекта путем вычисления

энтропии Н (степень неупорядочности объекта) или подсчета энтропии

объекта (при неравновероятных исходах) по выбранным признакам

усредненных значений энтропии – иначе расчета математического ожидания.

Чем меньше энтропия, тем выше качество управления. Обычно энтропия Н

изменяется от 0 до 1.

Отсюда следует, что управление объектом должно быть тем более

совершенным (качественным), чем больше мы хотим снизить начальную

неупорядочность его функционирования по выбранным признакам. Таким

образом, количественной характеристике степени снижения

неупорядочности объекта (уменьшению энтропии) можно поставить в

соответствие величину, характеризирующую необходимый для этого объема

управления.

Для количественной оценки необходимого объема управления введена

величина, численно равная изменению энтропии и называется информацией:

0

коннач

HHHJ

(1.2)

Наиболее часто употребляемой единицей информации является

двоичная единица (дв. ед), которая называется бит. Она (бит) определяет

объем информации , необходимый для исключения одного из двух

равновероятных исходов.

Получение информации о технологическом объекте управления

осуществляется по различным каналам связей. Связь управляемого

устройства (УУ) с оператором может быть прямая (оператор - УУ) и

6 (107)

Фазовая траектория

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

обратная (УУ - оператор). Любая информация может быть представлена

только на каком-либо материальном носителе (магнитные ленты, диски,

графические изображения на чертежах т.д.) обычно в АСУТП это сигнал в

виде импульса тока или напряжения, передаваемые по проводам.

Информация с одного носителя на другой переносится с помощью

считывания и записи. Комплекс вопросов, связанных с приемом информации

оператором от УУ (обратная связь) изучается специальной наукой –

инженерной психологией, которая рассматривает, оператора как звено в

замкнутой системе управления. Связь УУ с технологическим объектом

управления также может быть прямая (УУ – ТОУ) и обратная (ТОУ – УУ).

Прямая связь. По этому каналу исполнительным элементом

технологического объекта передаются воздействия от управляемого

устройства. Основные задачи этого канала – преобразование управляемого

сигнала в управляющее воздействие, пригодное по своей природе и виду для

подачи его на управляющий вход исполнительного органа технологического

объекта управления.

Обратная связь. Эта связь предназначена для получения информации о

текущем состоянии технологического объекта, которая необходима для

выработки управляющей информации. Канал обратной связи включает в себя

первичные преобразователи контролируемого параметра в сигнал (датчики) и

вторичные преобразователи сигнала датчика в сигнал, форма которого

позволяет ввести его в управляющее устройство. При этом используются

преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в цифровые, когда

непрерывно изменяющийся технологический параметр преобразуется в

дискретную комбинацию выходных сигналов, представляющую собой

цифровой код. Такое аналого-цифровое преобразование выполняется

первичным импульсным или кодовым датчиком, либо первичный датчик

дает на выходе разность потенциалов, которая вторичным преобразователем

преобразуется в код.

2.2. Преобразование технологической информации

Материальным носителем информации является сигнал, который

помимо информации несет также некоторою энергию, полученную от

источника информации. Эта энергия воздействует на приемник. Сигнал

носителей внешней (априорной и исходной) информации должен передавать

сведения о задачах и целях управления. Сигналы текущей информации,

вырабатываемые датчиками должны обеспечивать необходимую простоту и

высокую достоверность преобразования технологического параметра в

сигнал. В преобразовании сигналов можно выделить два аспекта:

преобразование природы, формы и параметров сигнала (модуляция,

квантование и др.); установление однозначного соответствия между

отдельными видами сигналов и состояниями управляемости

контролируемого параметров (кодирование: состояние-сигнал;

перекодирование: сигнал-сигнал; диодирование: сигнал-состояние).

7 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

Виды и форма сигналов. Для управления АСУТП наиболее часто

используются электрические сигналы, реже – механические, гидравлические,

пневматические. Классификация представления сигналов в АСУТП

приведена на рис.3

В соответствие с классификацией сигналы делятся на две группы:

аналоговые или непрерывные, способные в определенном диапазоне

находиться в бесконечно большом количестве состояний;

дискретные, способные в определенном интервале находиться в

конечном числе состояний (ток в цепи, коммутируемой реле; выходной

сигнал логического элемента и т.д.) Аналоговые сигналы могут быть

потенциальными с линейным и нелинейным преобразованием первичного

состояния и частотным (гармоническим), отрабатывающим изменение

первичного состояния соответствующим изменением амплитуды, частоты

или фазы сигнала. Дискретные сигналы бывают квантовыми по уровню

времени. Квантование сигналов по уровню сводится к замене текущих

значений непрерывного сигнала конечным числом его уровней.

Рис.3 Классификация представления сигналов

а) б)

Рис.4 Квантование сигналов по уровню (а) и времени (б)

8 (107)

Формы сигналов

Аналоговые Дискретные

Потенциальные

Гармонические

Квантование по уровню Квантование по времени

Линейно зависимые

от параметров

Изменение

частоты

Постоянный

шаг

Амплитудная

модуляция

Не линейно зависимые

от параметров

Изменение

амплитуды

Переменный

шаг

Временная

модуляция

Изменение

фазы

 



Δy(t)

i+1

 



y(t)

Δy(t)

1 2 3 4 5 K

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

На рис 4а показан непрерывный сигнал у(t), который в результате

квантования заменяется ступенчатой функцией

 



Разность уровней

Δy(t)

называется разрешающей способностью сигнала или шагом квантования по

уровню.

Пока сигнал не изменится на Δy(t), преобразователь фиксирует

предыдущее значение его уровня. Если в интервале времени t

до t

i+1

приращение сигнала не выходит за пределы шага квантования в одну или

другую сторону, то прибор фиксирует постоянное значение у

i .

Шаг квантования определяется требуемой точностью измерения и

обеспечивается разрешающей способностью квантуемого преобразователя.

Чем выше разрешающая способность преобразователя, тем меньше шаг

квантования. Он зависит от допустимой относительной погрешности

измерения δ:

      

tytyty

minmax





, (1.3)

где

   

tyty

minmax

- соответственно максимальный и минимальный уровни

сигналов.

Число уровней квантованного сигнала с учетом нулевого вычисляется по

формуле

   

 

minmax









tyty

(1.4)

Количество информации (в битах), содержащееся в таком сигнале

составит

nJ log

С учетом (1.3) и (1.4) получим объем информации в зависимости от

допустимой погрешности:













 1

log



(1.5)

Квантование непрерывного сигнала по уровню позволяет ограничить

конечным числом бесконечное множество измерений. В этом случае система

в большей степени защищена от помех.

Квантование непрерывного сигнала у(t) во времени (рис.4,б) сводится к

замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом

мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток

времени

tT 

. Последний называется шагом или периодом квантования по

времени и может быть постоянным или переменным.

Кодирование сигналов. Кодирование сигналов служит для обмена

информацией между отдельными составляющими АСУТП, ее обработки и

хранения с требуемой точностью и надежностью.

Кодирование состоит в использовании кода – универсального способа

отображения информации при ее передаче, обработка и хранении. Код

представляет собой систему соответствий между элементами сообщений и

сигналами, при помехе которых эти элементы можно зафиксировать.

По соображениям простоты технической реализации явное

преимущество на стороне когда с n=2 (n – число символов в разделе или

основание кода), при котором для хранения, передачи и обработки

9 (107)

Атырауский институт нефти и газа

УМК. Автоматизация технологических процессов. Издание первое.

информации необходимы дискретные элементы с двумя устойчивыми

состояниями («да» - «нет», «включено» - «отключено»). Поэтому двоичный

код получил широкое распространение в цифровых устройствах контроля и

управления.

Переход от десятичной к другим системам (10→2, 10→8, 10→16)

удобнее всего производить по методу деления. По этому методу исходное

число в десятичной системе последовательно делится на основание числа

искомой системы. Остатки от деления образуют результат перевода, причем

старший разряд соответствует последнему остатку, а младший – первому

остатку.

Например:

Преобразование 10→2 Преобразование 10→8

1479/2 = 739 (остаток 1) – младший разряд 1479/8 = 184 (остаток 7) – младший

разряд

739/2 = 369 (остаток 1) 184/8 = 23 (остаток 0)

369/2 = 184 (остаток 1) 23/8 = 2 (остаток 7)

184/2 = 92 (остаток 0) 2/8 = 0 (остаток 2) – старший

разряд

92/2 = 46 (остаток 0) N

= 2707

46/2 = 23 (остаток 0)

23/2 = 11 (остаток 1) Преобразование 10→16

11/2 = 5 (остаток 1) 1479/16 = 92 (остаток 7) – младший

разряд

2.2 = 1 (остаток 0) 92/16 = 5 (остаток 12)

1/2 = 0 (остаток 1) – старший разряд 5/16 = 0 (остаток 5) – старший

разряд

=10111000111 N

= 5C7

т.к. в шестнадцатеричной системе для изображения чисел применяются от 0 до

15 (всего 16 цифр); обозначение первых десяти цифр от 0 до 9 совпадают с десятичным,

а остальные шесть цифр (от 10 до 15) обозначаются латинскими буквами A,D,C,D,E,F.

Литература: 5 осн. [17-22, 25-28, 29-35, 36-40], 8 осн. [6-15]

ЛЕКЦИЯ 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1 Интерфейс между техническим процессом и системой

управления

Датчики и исполнительные механизмы

Тема лекции посвящена описанию интерфейса между

физическим/техническим процессом и управляющим компьютером. Для того

чтобы обеспечить связь компьютера с процессором, приходится применять

много разных технологий. Жизненно важными для цифрового управления

являются измерения и технология датчиков. Датчики должны точно

отображать физические переменные технологического процесса, как в

стационарных, так и в переходных режимах работы.

10 (107)