Реферат: Управление техническими системами (лекции)

Министерствообразования Российской Федерации

Уфимскийгосударственный нефтяной технический университет

Кафедра Автоматизациихимико-технологических процессов

Кирюшин О.В.

Управление техническимисистемами

курс лекций

Уфа 2003

УДК658.012 (07)

ББК32.965я7

К43

Рецензенты:директор Регионального центра тестирования, канд. техн. наук,

                   доцентАхметсафина Р.З.;

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

К43  Кирюшин О.В. Управление техническими системами: курс лекций. –

          Уфа:Изд-во УГНТУ, 2003. – 80 с.

          Учебноепособие написано по материалам курса «Управление техническими системами»,читаемого на кафедре Автоматизации химико-технологических процессов УГНТУ длястудентов различных специальностей.

          Изложенныйматериал разделен на три части:

1) теория автоматического управления, вкоторой содержатся теоретические основы построения систем управления;

2) средства автоматизации и управления,где описываются основные методы измерения и средства автоматизации,используемые в нефтедобыче, нефтепереработке и нефтехимии;

3) современные системы управленияпроизводством, где вкратце перечислены основные аспекты построения АСУ ТП.

Ó Уфимскийгосударственный нефтяной технический университет, 2003

Ó КирюшинО.В., 2003


          Часть 1.Теория Автоматического Управления (ТАУ)

          1. Основные термины и определенияТАУ.

          1.1. Основные понятия.

          Системыуправления современными химико-технологическими процессами характеризуютсябольшим количеством технологических параметров, число которых может достигатьнескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге– качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживатьпостоянными или изменять по определенному закону.

          Физическиевеличины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрамитехнологического процесса. Например, параметрами технологическогопроцесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д.

          Параметртехнологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным илиизменять по определенному закону, называется регулируемой величиной или регулируемымпараметром.

          Значениерегулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновеннымзначением.

          Значениерегулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основанииданных некоторого измерительного прибора называется ее измереннымзначением.

          Пример1. Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа.

/>


Рис. 1.1

          Требуетсявручную поддерживать температуру в сушильном шкафу на уровне Тзад.

          Человек-операторв зависимости от показаний ртутного термометра РТ включает или выключает нагревательныйэлемент Н с помощью рубильника Р. ¨

          Наоснове данного примера можно ввести определения:

Объект управления (объектрегулирования, ОУ) – устройство, требуемый режим работы которого долженподдерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий,обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

Регулирование – частный вид управления, когда задачей являетсяобеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участиячеловека.

Входное воздействие(Х) –воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.

Выходное воздействие(Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.

Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему.

          Структурнаясхема системы регулирования к примеру 1 изображена на рис. 1.2.

/>


          Пример2. Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа.

          Всхеме используется ртутный термометр с контактами РТК. При повышении температурыдо заданной контакты замыкаются столбиком ртути, катушка релейного элемента РЭвозбуждается и цепь нагревателя Н размыкается контактом РЭ. При понижении температурыконтакты термометра размыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергиина объект (см. рис. 1.3). ¨

/> <td/> />
Рис. 1.3

          Пример3. Схема АСР температуры с измерительным мостом.

          Притемпературе объекта, равной заданной, измерительный мост М (см. рис. 1.4)уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает и системанаходится в равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивлениетерморезистора RТ иравновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которогозависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное вЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ всоответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мостсбалансируется и двигатель отключится.

/> /> /> /> /> <td/> /> /> /> />

Рис. 1.4

          Величиназаданного значения температуры устанавливается с помощью резистора Rзад. ¨

          Исходяиз описанных примеров, можно определить типовую структурную схему одноконтурнойАСР (см. рис. 1.5). Принятые обозначения:

x — задающеевоздействие (задание), e = х — у — ошибка регулирования, u — управляющее воздействие, f — возмущающее воздействие (возмущение).

/>


Рис. 1.5

          Определения:

Задающее воздействие (то же, что входное воздействие Х) — воздействие насистему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины).

Управляющее воздействие (u) — воздействие управляющего устройства на объект управления.

Управляющее устройство (УУ) — устройство, осуществляющее воздействие наобъект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.

Возмущающее воздействие (f) — воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональнуюсвязь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Ошибка управления (е = х — у) — разность между предписанным (х) идействительным (у) значениями регулируемой величины.

Регулятор (Р) — комплекс устройств, присоединяемых крегулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданногозначения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенномузакону.

Автоматическая системарегулирования (АСР) — автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u)вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значениемх.

          Дополнительнаясвязь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемогоучастка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь можетбыть отрицательной или положительной.

          1.2. Классификация АСР.

1.По назначению (по характеру изменения задания):

·    стабилизирующая АСР — система, алгоритм функционирования которой содержитпредписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const);

·    программная АСР — система, алгоритм функционирования которой содержитпредписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданнойфункцией (x изменяется программно);

·    следящая АСР — система, алгоритм функционирования которой содержитпредписание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестнойвеличины на входе АСР (x = var).

2.По количеству контуров:

·    одноконтурные — содержащие один контур,

·    многоконтурные — содержащие несколько контуров.

3.По числу регулируемых величин:

·    одномерные — системы с 1 регулируемой величиной,

·    многомерные — системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы:

а) несвязанного регулирования, вкоторых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать толькочерез общий для них объект управления;

б) связанного регулирования, в которыхрегуляторы различных параметров одного и того же технологического процессасвязаны между собой вне объекта регулирования.

4.По функциональному назначению:

          АСРтемпературы, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д.

5.По характеру используемых для управления сигналов:

·    непрерывные,

·    дискретные (релейные, импульсные,цифровые).

6.По характеру математических соотношений:

·    линейные, для которых справедливпринцип суперпозиции;

·    нелинейные.

Принцип суперпозиции (наложения): Если на вход объекта подается нескольковходных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий равнасумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности:

/>


                                                                   L(х1 + х2) =  L(х1) +  L(х2),

где L — линейная функция(интегрирование, дифференцирование и т.д.).

7.По виду используемой для регулирования энергии:

·    пневматические,

·    гидравлические,

·    электрические,

·    механические и др.

8.По принципу регулирования:

·    по отклонению:

/>Подавляющеебольшинство систем построено по принципу обратной связи — регулирования поотклонению (см. рис. 1.7).

/>         

/>/>/>/>          Элемент              называется сумматором. Его выходной сигнал равен сумме входныхсигналов.        Зачерненный сектор говорит о том, что данный входной сигнал надобрать с противоположным знаком.

·    по возмущению.

Данные системы могут быть использованы в том случае,если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рис. 1.8). Насхеме обозначен />К — усилитель с коэффициентом усиления К.

·    комбинированные — сочетают в себе особенности предыдущих АСР.

          Данныйспособ (см. рис. 1.9) достигает высокого качества управления, однако его применениеограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегдаможно измерить.

/>

 


          1.3. Классификация элементовавтоматических систем.

1.По функциональному назначению:

·    измерительные,

·    усилительно-преобразовательные,

·    исполнительные,

·    корректирующие.

2.По виду энергии, используемой для работы:

·    электрические,

·    гидравлические,

·    пневматические,

·    механические,

·    комбинированные.

3.По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии:

·    активные (с источником энергии),

·    пассивные (без источника).

4.По характеру математических соотношений:      

·    линейные

·    нелинейные.

5.По поведению в статическом режиме:

·    статические, у которых имеется однозначная зависимость междувходным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером является любойтепловой объект.

·    астатические — у которых эта зависимость отсутствует. Пример:Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения.При подаче напряжения угл поворота будет постоянно возрастать, поэтому однозначнойзависимости у него нет.

          2. Характеристики и моделиэлементов и систем.

          2.1. Основные модели.

          Работусистемы регулирования можно описать словесно. Так, в п. 1.1 описана системарегулирования температуры сушильного шкафа. Словесное описание помогает понятьпринцип действия системы, ее назначение, особенности функционирования и т.д.Однако, что самое главное, оно не дает количественных оценок качества регулирования,поэтому не пригодно для изучения характеристик систем и построения системавтоматизированного управления. Вместо него в ТАУ используются более точныематематические методы описания свойств систем:

·    статические характеристики,

·    динамические характеристики,

·    дифференциальные уравнения,

·    передаточные функции,

·    частотные характеристики.

          Влюбой из этих моделей система может быть представлена в виде звена, имеющеговходные воздействия Х, возмущения F и выходные воздействия Y

/>Подвлиянием этих воздействий выходная величина может изменяться. При этом припоступлении на вход системы нового задания она должна обеспечить с заданнойстепенью точности новое значение регулируемой величины в установившемся режиме.

Установившийся режим — это режим, при котором расхождение между истиннымзначением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным вовремени.

          2.2. Статические характеристики.

/>Статической характеристикой элемента называется зависимость установившихся значенийвыходной величины от значения величины на входе системы, т.е.

                                                                             yуст = j(х).

Статическую характеристику (см. рис. 1.11) частоизображают графически в виде кривой у(х).

Статическим называется элемент, у которого при постоянном входномвоздействии с течением времени устанавливается постоянная выходная величина.Например, при подаче на вход нагревателя различных значений напряжения он будетнагреваться до соответствующих этим напряжениям значений температуры.

Астатическим называется элемент, у которого при постоянном входномвоздействии сигнал на выходе непрерывно растет с постоянной скоростью,ускорением и т.д.

Линейным статическим элементом называется безинерционный элемент, обладающийлинейной статической характеристикой:

ууст = К*х + а0.

          Каквидно, статическая характеристика элемента в данном случае имеет вид прямой скоэффициентом наклона К.

          Линейныестатические характеристики, в отличие от нелинейных, более удобны для изученияблагодаря своей простоте. Если модель объекта нелинейна, то обычно ее преобразуютк линейному виду путем линеаризации.

САУназывается статической, если при постоянном входном воздействииошибка управления е стремится к постоянному значению, зависящему от величинывоздействия.

САУназывается астатической, если при постоянном входном воздействииошибка управления стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.

          2.3. Динамические характеристики.

          Переходсистемы от одного установившегося режима к другому при каких-либо входныхвоздействиях называется переходным процессом. Переходные процессы могутизображаться графически в виде кривой y(t).

/>   Например,процесс нагрева сушильного шкафа до установившегося значения может иметь вид,представленный на рисунке 1.12.

   То есть, переходный процесс характеризуетдинамические свойства системы, ее поведение.

          Посколькувходные воздействия могут изменяться во времени, то и переходные характеристикибудут каждый раз разные. Для простоты анализа систем входные воздействияприводят к одному из типовых видов (см. рис. 1.13).

/>


          Взависимости от вида входного воздействия функция у(t) может иметьразное обозначение:

Переходной характеристикой h(t) называется реакция объекта на единичное ступенчатоевоздействие при нулевых начальных условиях, т.е. при х(0) = 0 и у(0)= 0.

Импульсной характеристикой w(t) называется реакция объекта на d-функцию при нулевых начальных условиях.

          Приподаче на вход объекта синусоидального сигнала на выходе, как правило, в установившемсярежиме получается также синусоидальный сигнал, но с другой амплитудой и фазой: y = Aвых*sin(w*t + j), где Aвых — амплитуда, w — частота сигнала, j — фаза.

Частотной характеристикой (ЧХ, АФХ и др.) называется зависимость амплитуды ифазы выходного сигнала системы в установившемся режиме при приложении на входегармонического воздействия.

 

        2.4.Дифференциальные уравнения. Линеаризация.

          Известно,что любое движение, процессы передачи, обмена, преобразования энергии ивещества математически можно описать в виде дифференциальных уравнений (ДУ).Любые процессы в АСР также принято описывать дифференциальными уравнениями, которыеопределяют сущность происходящих в системе процессов независимо от ее конструкциии т.д. Решив ДУ, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходныхи установившихся режимах при различных воздействиях на систему.

          Дляупрощения задачи нахождения ДУ, описывающего работу АСР в целом, системуразбивают на ее отдельные элементы, переходные процессы в которых описываютсядостаточно простыми ДУ. Так как ДУ описывают работу системы независимо от физическойсущности протекающих в ней процессов, то при разбивке системы нет необходимостиучитывать их физическую целостность. Для каждого элемента структурной схемынеобходимо составить ДУ, определяющее зависимость изменения выходной величиныот входной.

          Таккак выходная величина предыдущего элемента является входной для последующего,то, определив ДУ отдельных элементов, можно найти ДУ системы.

          Однако,такой метод применим только в частных случаях. Дело в том, что в большинствеслучаев в реальных элементах системы связь между входной и выходной величинамиявляется нелинейной и часто задается в графической форме. Поэтому, даже если ДУсистемы и будет получено, оно будет нелинейным. А аналитическое решениенелинейных ДУ возможно далеко не всегда.

          Длярешения этой проблемы учитывают, что в процессе регулирования отклонения всехизменяющихся величин от их установившихся значений малы, и поэтому возможназамена нелинейных ДУ приближенными линейными ДУ, то есть возможна линеаризациядифференциальных уравнений.

          Рассмотримсущность процесса линеаризации на примере сушильного шкафа. Зависимостьтемпературы объекта от подаваемого напряжения в большинстве случаев нелинейна иимеет вид, представленный на рисунке.

/>          Графическилинеаризацию некоторого уравнения от двух переменных F(х, у) = 0 вокрестности некоторой точки (х0, у0) можно представитькак замену рассматриваемого участка кривой на касательную (см. рис. 1.14),уравнение которой определяется по формуле:

/>,

где/> и /> - частные производные от F пох и у. Данное уравнение называется уравнением в приращениях, поскольку значениях и у здесь заменены на приращения Dх = х — х0и Dу = у — у0.

          ЛинеаризацияДУ происходит аналогично, отличие состоит только в том, что необходимо искатьчастные производные по производным (/>, />, /> и т.д.).

          Пример.Линеаризация нелинейного ДУ.

3xy — 4x2 + 1,5/>y = 5/> + y

          ДанноеДУ является нелинейным из-за наличия произведений переменных х и у.Линеаризируем его в окрестности точки с координатами х0= 1, />= 0, />= 0. Для определениянедостающего начального условия у0подставим данные значения в ДУ:

3у0 — 4 + 0 = 0 + у0    откуда    у0=2.

          Введемв рассмотрение функцию

F = 3xy — 4x2 + 1,5x’y — 5y’ — y

иопределим все ее производные при заданных начальных условиях:

/> =(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.

          Теперь,используя полученные коэффициенты, можно записать окончательное линейное ДУ:

-5.Dy’ +2.Dy + 3.Dх’ — 2.Dх = 0.

¨

          2.5. Преобразования Лапласа.

          ИсследованиеАСР существенно упрощается при использовании прикладных математических методовоперационного исчисления. Например, функционирование некоторой системыописывается ДУ вида

                                      />,                      (2.1)

гдех и у — входная и выходная величины. Если в данное уравнение вместо x(t) и y(t) подставитьфункции X(s) и Y(s) комплексного переменного s такие, что

                   />          и        />,                  (2.2)

тоисходное ДУ при нулевых начальных условиях равносильно линейному алгебраическомууравнению

a2 s2 Y(s) + a1 sY(s) + a0Y(s) = b1 X(s) + b0X(s).

          Такойпереход от ДУ к алгебраическому уравнению называется преобразованиемЛапласа, формулы (2.2) соответственно формулами преобразованияЛапласа, а полученное уравнение — операторным уравнением.

          Новыефункции X(s) и Y(s) называются изображениями x(t) и y(t) поЛапласу, тогда как x(t) и y(t) являются оригиналами по отношению к X(s) и Y(s).

          Переходот одной модели к другой достаточно прост и заключается в замене знаковдифференциалов /> на операторы sn, знаков интегралов /> намножители />, а самих x(t) и y(t) — изображениями X(s) и Y(s).

          Дляобратного перехода от операторного уравнения к функциям от времени используетсяметод обратного преобразования Лапласа. Общая формула обратногопреобразования Лапласа:

                                             />,                               (2.3)

гдеf(t) — оригинал, F(jw) — изображение при s = jw, j — мнимая единица, w — частота.

          Этаформула достаточно сложна, поэтому были разработаны специальные таблицы (см.табл. 1.1 и 1.2), в которые сведены наиболее часто встречающиеся функции F(s) иих оригиналы f(t). Они позволяют отказаться от прямого использованияформулы (2.3).

Таблица 1.2 — Преобразования Лапласа

Оригинал x(t)

Изображение X(s)

d-функция 1 1

/>

t

/>

t2

/>

tn

/>

e-at

/>

a.x(t)

a.X(s)

/>

/>

x(t — a)

X(s).e-as

/>

sn.X(s)

/>

/>

Таблица 1.2 — Формулы обратного преобразования Лапласа(дополнение)

Изображение X(s)

Оригинал x(t)

/>

a Î R, M Î R

(a и М — действительные числа)

M.e-at

a = a1 + j. a2

M = M1 + j.M2

(a и М — комплекные)

2.e-a1t.[M1.cos(a2.t) — M2.sin(a2.t)]

          Законизменения выходного сигнала обычно является функцией, которую необходимо найти,а входной сигнал, как правило, известен. Некоторые типовые входные сигналы былирассмотрены в п. 2.3. Здесь приводятся их изображения:

единичноеступенчатое воздействие имеет изображение X(s) = />,

дельта-функцияX(s) = 1,

линейноевоздействие X(s) = />.

          Пример.Решение ДУ с использованием преобразований Лапласа.

/>

          Допустим,входной сигнал имеет форму единичного ступенчатого воздействия, т.е. x(t) =1. Тогда изображение входного сигнала X(s) = />.

          Производимпреобразование исходного ДУ по Лапласу и подставляем X(s):

s2Y + 5sY + 6Y = 2sX + 12X,

s2Y + 5sY + 6Y = 2s/> + 12/>,

Y(s3 + 5s2 + 6s) =2s + 12.

          Определяетсявыражение для Y:

/>.

          Оригиналполученной функции отсутствует в таблице оригиналов и изображений. Для решениязадачи его поиска дробь разбивается на сумму простых дробей с учетом того, чтознаменатель может быть представлен в виде s(s +2)(s + 3):

/>=/>=/>+/>+/>=

= />.

          Сравниваяполучившуюся дробь с исходной, можно составить систему из трех уравнений стремя неизвестными:

/>/>                             М1 + М2+ М3 = 0                             M1 = 2

                             5.М1+ 3.М2 + 2.М3 = 2 à               M2 = -4

                             6.М1= 12                                          M3 = 2

          Следовательно,дробь можно представить как сумму трех дробей:

/>=/>-/>+/>.

          Теперь,используя табличные функции, определяется оригинал выходной функции:

y(t) =2 — 4.e-2t + 2.e-3t.     ¨

          2.6. Передаточные функции.

          2.6.1 Определение передаточнойфункции.

          ПреобразованиеДУ по Лапласу дает возможность ввести удобное понятие передаточной функции,характеризующей динамические свойства системы.

          Например,операторное уравнение

3s2Y(s) + 4sY(s) + Y(s) = 2sX(s) + 4X(s)

можнопреобразовать, вынеся X(s) и Y(s) за скобки и поделив друг на друга:

Y(s)*(3s2 + 4s + 1) = X(s)*(2s + 4)

/>.

          Полученноевыражение называется передаточной функцией.

Передаточной функцией называется отношение изображения выходноговоздействия Y(s)  к изображению входного X(s)при нулевых начальных условиях.

                                                        />                                                (2.4)

          Передаточнаяфункция является дробно-рациональной функцией комплексной переменной:

/>,

где B(s) = b0+ b1s + b2s2 + … + bm sm — полином числителя,

      А(s) = a0+ a1s + a2s2 + … + an sn — полином знаменателя.

          Передаточнаяфункция имеет порядок, который определяется порядком полинома знаменателя (n).

          Из(2.4) следует, что изображение выходного сигнала можно найти как

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

          Таккак передаточная функция системы полностью определяет ее динамические свойства,то первоначальная задача расчета АСР сводится к определению ее передаточнойфункции.

          2.6.2 Примеры типовыхзвеньев.

          Звеномсистемы называется ее элемент, обладающий определенными свойствами вдинамическом отношении. Звенья систем регулирования могут иметь разнуюфизическую основу (электрические, пневматические, механические и др. звенья),но относится к одной группе. Соотношение входных и выходных сигналов в звеньяходной группы описываются одинаковыми передаточными функциями.

          Простейшиетиповые звенья:

·    усилительное,

·    интегрирующее,

·    дифференцирующее,

·    апериодическое,

·    колебательное,

·    запаздывающее.

1)Усилительное звено.

/>Звеноусиливает входной сигнал в К раз. Уравнение звена у = К*х, передаточная функцияW(s) = К. Параметр К называется коэффициентом усиления.

    Выходной сигнал такого звена в точности повторяетвходной сигнал, усиленный в К раз (см. рис. 1.15).

    Примерами таких звеньев являются: механическиепередачи, датчики, безынерционные усилители и др.

2)Интегрирующее.

2.1)Идеальное интегрирующее.

  Выходная величина идеального интегрирующего звенапропорциональна интегралу входной величины.

/>/>;  W(s) = />

При подаче на вход звена воздействия выходной сигналпостоянно возрастает (см. рис. 1.16).

Это звено астатическое, т.е. не имеет установившегосярежима.

2.2)Реальное интегрирующее.

/>Передаточнаяфункция этого звена имеет вид:

W(s) = />.

Переходная характеристика в отличие от идеальногозвена является кривой (см. рис. 1.17).

            Примером интегрирующего звена являетсядвигатель постоянного тока с независимым возбуждением, если в качестве входноговоздействия принять напряжение питания статора, а выходного — угол поворотаротора.

3)Дифференцирующее.

3.1)Идеальное дифференцирующее.

  Выходная величина пропорциональна производной повремени от входной:

/>;           W(s) = K*s

  При ступенчатом входном сигнале выходной сигналпредставляет собой импульс (d-функцию).

3.2)Реальное дифференцирующее.

/>        Идеальныедифференцирующие звенья физически не реализуемы. Большинство объектов, которыепредставляют собой дифференцирующие звенья, относятся к реальнымдифференцирующим звеньям.  Переходная характеристика и передаточная функцияэтого звена имеют вид:

W(s) = />.

4)Апериодическое (инерционное).

  Этому звену соответствуют ДУ и ПФ вида:

/>;                 W(s) = />.

Определим характер изменения выходной величины этогозвена при подаче на вход ступенчатого воздействия величины х0.

  Изображение ступенчатого воздействия: X(s) = />. Тогда изображение выходной величины:

Y(s) = W(s) X(s) = />/> =K x0/>.

  Разложим дробь на простые:

  /> =/> + /> =/> = /> -/> = /> -/>

  Оригинал первой дроби по таблице: L-1{/>}= 1, второй:

L-1{/>}= />.

  Тогда окончательно получаем:

/>y(t) = K x0(1 — />).

  Постоянная Т называется постоянной времени.

          Большинство тепловых объектов являютсяапериодическими звеньями. Например, при подаче на вход электрической печинапряжения ее температура будет изменяться по аналогичному закону (см. рис.1.19).

5)Колебательное звено имеет ДУ и ПФвида

/>/> ,

W(s) = />.

При подаче на вход ступенчатого воздействия амплитудойх0на переходная кривая будет

 иметь один из двух видов: апериодический (при Т1³ 2Т2) или колебательный (при Т1 < 2Т2).

6)Запаздывающее.

y(t) = x(t — t),                 W(s) = e-ts.

          Выходнаявеличина у в точности повторяет входную величину х с некоторым запаздыванием t. Примеры: движение груза по конвейеру, движениежидкости по трубопроводу.

          2.6.3 Соединения звеньев.

          Посколькуисследуемый объект в целях упрощения анализа функционирования разбит нами назвенья, то после определения передаточных функций для каждого звена встаетзадача объединения их в одну передаточную функцию объекта. Вид передаточнойфункции объекта зависит от последовательности соединения звеньев:

/>1) Последовательное соединение.

                                                                            Wоб = W1.W2.W3…

При последовательном соединении звеньев ихпередаточные функции перемножаются.

2)Параллельное соединение.

/>Wоб = W1 + W2 + W3 + …

При параллельном соединении звеньев их передаточныефункции складываются.

/>3) Обратная связь

Передаточная функция по заданию (х):

/>

«+» соответствует отрицательной ОС,

«-» — положительной.

          Дляопределения передаточных функций объектов, имеющих более сложные соединениязвеньев, используют либо последовательное укрупнение схемы, либо преобразуют поформуле Мезона.

          2.6.4 Передаточные функцииАСР.

/>   Дляисследования и расчета структурную схему АСР путем эквивалентных преобразованийприводят к простейшему стандартному виду «объект — регулятор».

Этонеобходимо, во-первых, для того, чтобы определить математические зависимости всистеме, и, во-вторых, как правило, все инженерные методы расчета и определенияпараметров настройки регуляторов применены для такой стандартной структуры.

          Вобщем случае любая одномерная АСР с главной обратной связью путем постепенногоукрупнения звеньев может быть приведена к такому виду.

          Есливыход системы у не подавать на ее вход, то мы получим разомкнутую системурегулирования, передаточная функция которой определяется как произведение:

W¥ = Wp.Wy

(Wp — ПФ регулятора, Wy — ПФ объекта управления).

/>Тоесть последовательность звеньев Wp<sup/>иWy может быть заменена одним звеном с W¥. Передаточную функцию замкнутой системы принятообозначать как Ф(s). Она может быть выражена через W¥:

Фз(s) = />= />.

(далеебудем рассматривать только системы с обратной отрицательной связью, посколькуони используются в подавляющем большинстве АСР).

          Даннаяпередаточная функция Фз(s) определяет зависимость у от хи называется передаточной функцией замкнутой системы по каналу задающего воздействия(по заданию).

          ДляАСР существуют также передаточные функции по другим каналам:

Фe(s) = />= /> - по ошибке,

Фв(s) = />= /> -по возмущению.

          Посколькупередаточная функция разомкнутой системы является в общем случаедробно-рациональной функцией вида W¥ = />, топередаточные функции замкнутой системы могут быть преобразованы:

Фз(s) = />= />,            Фe(s) =/>= />.

          Каквидно, эти передаточные функции отличаются только выражения ми числителей.Выражение знаменателя называется характеристическим выражением замкнутой системыи обозначается как Dз(s) = A(s) + B(s), вто время как выражение, находящееся в числителе передаточной функцииразомкнутой системы W¥, называется характеристическим выражениемразомкнутой системы B(s).

 

          2.6.5 Определение параметровпередаточной функции объекта по переходной кривой.

          Процессполучения передаточной функции объекта, исходя из данных о переходном процессе,называется идентификацией объекта.

          Предположим,что при подаче на вход некоторого объекта ступенчатого воздействия былаполучена переходная характеристика (см. рис. 1.26). Требуется определить вид ипараметры передаточной функции.

/>Предположим,что передаточная функция имеет вид

/>,

(инерционной звено с запаздыванием).

     Параметры передаточной функции:

К — коэффициент усиления,

Т — постоянная времени,

t — запаздывание.

Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько разданное звено усиливает входной сигнал (в установившемся режиме), и равнаотношению выходной величины у в установившемся режиме ко входной величине х:

/>,

Установившееся значение выходнойвеличины ууст — этозначение у при t ® ¥.

Запаздыванием t называется промежуток времениот момента изменения входной величины х до начала изменения выходной величиныу.

Постоянная времени Т может быть определена несколькими методами взависимости от вида передаточной функции. Для рассматриваемой передаточнойфункции 1-го порядка Т определяется наиболее просто: сначала проводитсякасательная к точке перегиба, затем находятся точки пересечения с осью времении асимптотой yуст; времяТ определяется как интервал времени между этими точками.

          Вслучае, если на графике между точкой перегиба имеется вогнутость, определяетсядополнительное запаздывание tдоп, которое прибавляется к основному: t = t + tдоп.

          2.7. Частотные характеристики.

          2.7.1 Определение частотныххарактеристик.

          Известно,что динамические процессы могут быть представлены частотными характеристиками(ЧХ) путем разложения функции в ряд Фурье.

          Предположим,имеется некоторый объект и требуется определить его ЧХ. При экспериментальномснятии ЧХ на вход объекта подается синусоидальный сигнал с амплитудой Авх= 1 и некоторой частотой w, т.е.

/>                                                                   x(t) =Авхsin(wt) = sin(wt).

Тогда после прохождения переходных процессов на выходемы будем также иметь синусоидальный сигналтой же частоты w, но другой амплитуды Авых и фазы j:       

                у(t) =Авыхsin(wt + j)

          Приразных значениях w величины Авых и j, как правило, также будут различными. Эта зависимость амплитуды и фазыот частоты называется частотной характеристикой. Виды ЧХ:

·    />АФХ — зависимость амплитуды и фазы от частоты(изображается на комплексной плоскости);

·    АЧХ — зависимость амплитуды от частоты;

·    ФЧХ — зависимость фазы от частоты;

·    ЛАХ, ЛАЧХ — логарифмические АЧХ.

        На комплексной плоскости входная величина x = Авх.sin(wt)для каждого момента времени ti определяется вектором х на комплекснойплоскости. Этот вектор имеет длину, равную Авх, и отложен под углом wti к действительной оси. (Re — действительная ось, Im — мнимая ось)

          Тогда величину хможно записать в комплексной форме

х(t) =Авх(cos(wt) + j.sin(wt)),

гдеj = />-мнимая единица.

          Или,если использовать формулу Эйлера eja = cosa + j.sina, то можно записать

х(t) =Авх.ejwt.

          Выходнойсигнал y(t) можно аналогично представить как вектор

y(t) =Авых.ej(wt+j).

          Рассмотримсвязь передаточной функции и частотной характеристики.

          Определимпроизводные по Лапласу:

                             у® Y

                             у’® sY

                             у”® s2Y и т.д.

          Определимпроизводные ЧХ:

                             у’(t) = jw Авыхеj(wt+ j) = jw у,

                             у”(t) =(jw)2 Авыхеj(wt+ j) = (jw)2 у   ит.д.

          Отсюдавидно соответствие s = jw. Вывод: частотные характеристики могут быть построены по передаточнымфункциям путем замены s = jw.

          Пример:/>.

          Приs = jw имеем:

/> =/> = /> =/> =

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

          Изменяяw от 0 до ¥, можно построитьАФХ (см. рис.). ¨

/>Дляпостроения АЧХ и ФЧХ используются формулы:

        />,                />.

Формулы получения АФХ по АЧХ и ФЧХ:

        Re(w) = A(w) cos j(w),

        Im(w) = A(w) sin j(w).

          2.7.2 Логарифмическиечастотные характеристики.

          Логарифмическиечастотные характеристики (ЛЧХ) используются довольно часто для описаниядинамических параметров различных устройств. Существуют два основных вида ЛЧХ,которые, как правило, используются совместно и изображаются в виде графиков:

1)ЛАЧХ — логарифмическая АЧХ.

/>Формуладля построения ЛАЧХ: L(w) = 20.lg Aвых(w).

Единица измерения — децибел (дБ).

       На графике ЛАЧХ по оси абсцисс откладываетсячастота в логарифмическом масштабе. Это означает, что равным величинам отрезковпо оси w соответствуют кратные значения частоты. Для ЛЧХкратность = 10.

          Пооси ординат откладываются значения L(w) в обычном масштабе.

2)ЛФЧХ — логарифмическая ФЧХ.Представляет из себя ФЧХ, у которой ось частоты w проградуирована в логарифмическом масштабе в соответствии с ЛАЧХ. Пооси ординат откладываются фазы j.

          ПримерыЛЧХ.

1.Фильтр низких частот (ФНЧ)

 

/>                   ЛАЧХ                            ЛФЧХ                      Пример цепи

          Фильтрнизких частот предназначен для подавления высокочастотных воздействий.

2.Фильтр высоких частот (ФВЧ)

 

/>                   ЛАЧХ                            ЛФЧХ                        Пример цепи

          Фильтрвысоких частот предназначен для подавления низкочастотных воздействий.

3.Заградительный фильтр.

Заградительныйфильтр подавляет только определенный диапазон частот

 

          ЛАЧХи ЛФЧХ                                   Пример цепи

/>


.

          3. Качество процессовуправления.

          3.1. Критерии устойчивости.

          3.1.1 Устойчивость.

          Важнымпоказателем АСР является устойчивость, поскольку основное  ее назначениезаключается в поддержании заданного постоянного значения регулируемогопараметра или изменение его по определенному закону. При отклонениирегулируемого параметра от заданной величины (например, под действиемвозмущения или изменения задания) регулятор воздействует на систему такимобразом, чтобы ликвидировать это отклонение. Если система в результате этоговоздействия возвращается в исходное состояние или переходит в другоеравновесное состояние, то такая система называется устойчивой.Если же возникают колебания со все возрастающей амплитудой или происходитмонотонное увеличение ошибки е, то система называется неустойчивой.

          Длятого, чтобы определить, устойчива система или нет, используются критерии устойчивости:

1)корневой критерий,

2)критерий Стодолы,

3)критерий Гурвица,

4)критерий Найквиста,

5)критерий Михайлова и др.

          Первыедва критерия являются необходимыми критериями устойчивости отдельных звеньев иразомкнутых систем. Критерий Гурвица является алгебраическим и разработан дляопределения устойчивости замкнутых систем без запаздывания. Последние двакритерия относятся к группе частотных критериев, поскольку определяютустойчивость замкнутых систем по их частотным характеристикам. Их особенностью являетсявозможность применения к замкнутым системам с запаздыванием, которыми являетсяподавляющее большинство систем управления.

          3.1.2 Корневой критерий.

          Корневойкритерий определяет устойчивость системы по виду передаточной функции.Динамической характеристикой системы, описывающей основные поведенческиесвойства, является характеристический полином, находящийся в знаменателепередаточной функции. Путем приравнивания знаменателя к нулю можно получитьхарактеристическое уравнение, по корням которого определить устойчивость.

          Корнихарактеристического уравнения могут быть как действительные, так и комплексныеи для определения устойчивости откладываются на комплексной плоскости (см. рис.1.34).

/>(Символом     обозначены корни уравнения).

/>Видыкорней характеристического уравнения:

— Действительные:

          положительные (корень № 1);

          отрицательные (2);

          нулевые (3);

— Комплексные

          комплексные сопряженные (4);

          чисто мнимые (5);

По кратности корни бывают:

          одиночные (1, 2, 3);

          сопряженные (4, 5): si = a ± jw;

          кратные (6) si = si+1 = …

          Корневойкритерий формулируется следующим образом:

          ЛинейнаяАСР устойчива, если все корни характеристического уравнения лежат в левойполуплоскости. Если хотя бы один корень находится на мнимой оси, котораяявляется границей устойчивости, то говорят, что система находится на границеустойчивости. Если хотя бы один корень находится в правой полуплоскости (независимо от числа корней в левой), то система является неустойчивой.

          Инымисловами, все действительные корни и действительные части комплексных корнейдолжны быть отрицательны. В противном случае система неустойчива.

          Пример3.1. Передаточная функция системы имеет вид:

/>.

Характеристическоеуравнение: s3 + 2s2 + 2.25s + 1.25 = 0.

Корни:s1 = -1;     s2 = -0,5 + j;         s3 = -0,5 — j.

Следовательно,система устойчива. ¨

          3.1.3 Критерий Стодолы.

          Этоткритерий является следствием из предыдущего и формулируется следующим образом:Линейная система устойчива, если все коэффициенты характеристического полиномаположительны.

          Тоесть, для передаточная из примера 3.1 по критерию Стодола соответствует устойчивойсистеме.

          3.1.4 Критерий Гурвица.

          КритерийГурвица работает с характеристическим полиномом замкнутой системы. Какизвестно, структурная схема АСР по ошибке имеет вид (см. рис.)

Wp — передаточная функция регулятора,

/>Wy — передаточная функция объекта управления.

       Определим передаточную функцию для прямой связи(передаточную функцию разомкнутой системы, см. п. 2.6.4): W¥ = Wp Wy.

          Далеес учетом наличия отрицательной обратной связи получаем передаточную функциюзамкнутой системы:

/>.

          Какправило, передаточная функция разомкнутой системы имеет дробно-рациональныйвид:

/>.

          Тогдапосле подстановки и преобразования получаем:

/>.

          Отсюдаследует, что характеристический полином замкнутой системы (ХПЗС) можноопределить как сумму числителя и знаменателя W¥:

Dз(s) = A(s) + B(s).

          Дляопределения устойчивости по Гурвицу строится матрица таким образом, чтобы поглавной диагонали были расположены коэффициенты ХПЗС с an+1 по a0. Справаи слева от нее записываются коэффициенты с индексами через 2 (a0, a2, a4… или a1, a3, a5 …).Тогда для устойчивой системы необходимо и достаточно, чтобы определитель и всеглавные диагональные миноры матрицы были больше нуля.

          Еслихотя бы один определитель будет равен нулю, то система будет находится награнице устойчивости.

          Еслихотя бы один определитель будет отрицателен, то система неустойчива не зависимоот числа положительных или нулевых определителей.

          Пример. Дана передаточная функция разомкнутой системы

/>.

          Требуетсяопределить устойчивость замкнутой системы по критерию Гурвица.

          Дляэтого определяется ХПЗС:     

D(s) = A(s) + B(s) = 2s4 + 3s3 +s2 + 2s3 + 9s2 + 6s + 1 = 2s4 + 5s3+ 10s2 + 6s + 1.

            Поскольку степень ХПЗС равна n = 4, то матрица будет иметь размер 4х4. КоэффициентыХПЗС равны а4 = 2, а3 = 5, а2 = 10, а1= 6, а0= 1.

          Матрица имеет вид:

/>

(обратите внимание насходство строк матрицы: 1 с 3 и 2 с 4). Определители:

Δ1 = 5 > 0,

/>,

/>

Δ4 = 1* Δ3= 1*209 > 0.

          Поскольку всеопределители положительны, то АСР устойчива.   ♦


          3.1.5 Критерий Михайлова.

          Описанныевыше критерии устойчивости не работают, если передаточная функция системы имеетзапаздывание, то есть может быть записана в виде

/>,

гдеt — запаздывание.

          Вэтом случае характеристическое выражение замкнутой системы полиномом не являетсяи его корни определить невозможно. Для определения устойчивости в данном случаеиспользуются частотные критерии Михайлова и Найквиста.

          Порядокприменения критерия Михайлова:

1)Записывается характеристическое выражение замкнутой системы:

          Dз(s) = A(s) + B(s).e-ts.

2)Подставляется s = jw:        Dз(jw) =Re(w) + Im(w).

3)Записывается уравнение годографа Михайлова Dз(jw) и строится кривая на комплексной плоскости.

/>Дляустойчивой АСР необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова (см. рис.),начинаясь при w = 0 на положительной вещественной полуоси, обходилпоследовательно в положительном направлении (против часовой стрелки) привозрастании w от 0 до ¥  nквадрантов, где n — степень характеристического полинома.

     Если годограф Михайлова проходит через началокоординат, то говорят, что система находится на границе устойчивости.

 

          3.1.6 Критерий Найквиста.

          Данныйкритерий аналогичен критерию Михайлова, но работает с АФХ системы, поэтомуболее сложен для расчетов.

          Последовательность:

1)Определяется передаточная функция разомкнутой системы />.

2)Определяется число правых корней m.

3)Подставляется s = jw: W¥(jw).

4)Строится АФХ разомкнутой системы.

          Дляустойчивости АСР необходимо и достаточно, чтобы при увеличении w от 0 до ¥ АФХ W¥(jw) m раз охватывала точку (-1; 0), где m — число правых корней разомкнутой системы.

/>          ЕслиАФХ проходит через точку  (-1; 0), то замкнутая система находится на границеустойчивости.

В случае, если характеристическое уравнениеразомкнутой системы A(s) = 0 корней не имеет (т.е. m = 0), токритерий, согласно критерию, замкнутая система является устойчивой, если АФХразомкнутой системы W¥(jw) не охватывала точку (-1; 0), в противном случаесистема будет неустойчива (или на границе устойчивости).

          3.2. Показатели качества

          Еслиисследуемая АСР устойчива, то может возникнуть вопрос о том, насколько качественнопроисходит регулирование в этой системе и удовлетворяет ли оно технологическимтребованиям. На практике качество регулирования может быть определено визуальнопо графику переходной кривой, однако, имеются точные методы, дающие конкретныечисловые значения.

          Показателикачества разбиты на 4 группы:

1)прямые — определяемые непосредственно по кривой переходного процесса,

2)корневые — определяемые по корням характеристического полинома,

3)частотные — по частотным характеристикам,

4)интегральные — получаемые путем интегрирования функций.

          3.2.1 Прямые показатели качества.

          Кним относятся: степень затухания y, перерегулирование s, статическая ошибка ест, время регулирования tp и др.

Рис. 1.38

  /> <td/> />
          Предположим, переходная кривая, снятаяна объекте, имеет колебательный вид (см. рис. 1.38).

          Сразупо ней определяется установившееся значение выходной величины ууст.

Степень затухания y определяется по формуле

/>,

где А1 и А3 — соответственно 1-я и 3-я амплитуды переходной кривой.

Перерегулирование s = />,где ymax — максимум переходной кривой.

Статическая ошибка ест = х — ууст, где х — входнаявеличина.

Время достижения первого максимума tмопределяется по графику.

Время регулирования tp определяется следующим образом: Находится допустимоеотклонение D = 5% ууст и строится «трубка» толщиной 2D. Время tp соответствует последней точке пересечения y(t) сданной границей. То есть время, когда колебания регулируемой величины перестаютпревышать 5 % от установившегося значения.

          3.2.2 Корневые показателикачества.

          Кним относятся: степень колебательности m, степеньустойчивости h и др.

          Нетребуют построения переходных кривых, поскольку определяются по корнямхарактеристического полинома. Для этого корни полинома откладываются накомплексной плоскости и по ним определяются:

Степень устойчивости h определяется как граница,правее которой корней нет, т.е.

h = min/>,

где Re(si) — действительная часть корня si.

Степень колебательности m рассчитывается через угол g: m = tg g. Для определения g проводятся два луча, которые ограничивают все корни на комплекснойплоскости. g — угол между этими лучами и мнимой осью. Степеньколебательности может быть определена также по формуле:

m = min />.

          3.2.3 Частотные показателикачества.

          Дляопределения частотных показателей качества требуется построение АФХ разомкнутойсистемы и АЧХ замкнутой системы.

ПоАФХ определяются запасы: DA — по амплитуде, Dj — по фазе.

/>   ЗапасDA определяется по точке пересечения АФХ с отрицательной действительнойполуосью.

   Для определения Dj строится окружность единичного радиуса с центром вначале координат. Запас Dj определяется по точке пересечения с этой окружностью.

   По АЧХ замкнутой системы определяются показателиколебательности по заданию М и ошибке МЕ как максимумысоответственно АЧХ по заданию и АЧХ по ошибке.

          3.2.4 Связи между показателямикачества.

          Описанныевыше показатели качества связаны между собой определенными соотношениями:

/>;         tp = />;                  />;         M = />.

 

          4. Настройка регуляторов.

          4.1. Типы регуляторов.

          Длярегулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы,названия которых соответствуют названиям типовых звеньев:

1)П-регулятор (пропорциональный регулятор)

WП(s) = K1.

          Принципдействия заключается в том, что он вырабатывает управляющее воздействие наобъект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка е, тем большеуправляющее воздействие u).

2)И-регулятор (интегрирующий регулятор)

WИ(s) = />.

          Управляющеевоздействие пропорционально интегралу от ошибки.

3)Д-регулятор (дифференцирующий регулятор)

WД(s) = K2 s.

          Генерируетуправляющее воздействие только при изменении регулируемой веричины:

u = K2/>.

          Напрактике данные простейшие регуляторы комбинируются в регуляторы вида:

4)ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный регулятор)

/>


WПИ(s) = K1 + />.

/> <td/>

Рис. 1.40

 

5)ПД-регулятор (пропорционально-дифференциальный регулятор)

/>


WПД(s) = K1 + K2 s.

/> <td/>

Рис. 1.41

 

6)ПИД-регулятор.

WПИД(s) = K1 + /> + K2 s.

          Наиболеечасто используется ПИД-регулятор, поскольку он сочетает в себе достоинства всехтрех типовых регуляторов.

          4.2. Определение оптимальныхнастроек регуляторов.

          Регулятор,включенный в АСР, может иметь несколько настроек, каждая из которых можетизменяться в достаточно широких пределах. При этом при определенных значенияхнастроек система будет управлять объектом в соответствии с технологическимитребованиями, при других может привести к неустойчивому состоянию.

          Поэтомустоит задача определить настройки, соответствующие устойчивой системе, но и выбратьиз них оптимальные.

          Оптимальныминастройками регулятора называются настройки, которые соответствуют минимуму(или максимуму) какого-либо показателя качества. Требования к показателямкачества устанавливаются непосредственно, исходя из технологических. Чаще всегонакладываются требования на время регулирования (минимум) и степень затухания (Y ³ Yзад).

          Однако,изменяя настройки таким образом, чтобы увеличить степень затухания, мы можемприйти к слишком большому времени регулирования, что нецелесообразно. И наоборот,стремясь уменьшить время регулирования, мы получаем более колебательные процессыс большим значением Y.

/>            ЗависимостьY от tp в общем случае имеет вид, изображенный на графике(см. рис. 1.42).

            Поэтому для определения оптимальных настроекразработан ряд математических методов, среди которых метод D-разбиения.

          КривойD-разбиения называется кривая в плоскости настроекрегулятора, которая соответствует определенному значению какого-либо показателякачества.

          Например,требуется обеспечить степень затухания Y ³ Yзад. Имеется формула, связывающая Y со степенью колебательности m: />. Далее строится кривая D-разбиенияравной степени колебательности m. Последовательность построения:

1)Определяется ХПЗС Dз(s) снеизвестными настройками.

2)Делается подстановка s = jw — mw и разделение Dз(jw — mw) = Re(w) + Im(w).

3)Полученное выражение приравнивается к нулю и получается система

/>Re(w) = 0

Im(w) = 0

          Даннаясистема имеет несколько неизвестных: w и настройкирегулятора.

4) Далее, изменяя w от 0 до ¥ эта системарешается относительно настроек регулятора.

5) По полученным данным строитсякривая, по которой определяются оптимальные настройки.

/>   Например,для ПИ-регулятора кривая D-разбиения может иметь вид представленный на рисунке1.43.

   Оптимальные настройки соответствуют максимальномузначению K0(для ПИ-и ПИД-регуляторов) или K1 (дляПД-регулятора).


          Часть 2.Средства автоматизации и управления.

          1. Измерения технологическихпараметров.

          1.1. Государственная системаприборов (ГСП).

          ГСПобъединяет в себе все средства контроля и регулирования технологическихпроцессов. Характерной особенностью ГСП является:

1)блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств;

2)унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания.

          Содержиттри ветви:

1) гидравлическую,

2) пневматическую,

3) электрическую.

          Блочно-модульныйпринцип характеризуется наличием отдельных модулей или блоков, выполняющихдостаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить номенклатурусредств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяетреализовать принцип взаимозаменяемости.

          Унифицированныесигналы:

1)Пневматические — сигналы давления сжатого воздуха

          диапазонизменения сигнала:          0,2 — 1 /> или 0,02- 0,1 МПа;

          сигналпитания:                      1,4 />;

          расстояниепередачи сигнала:        до 300 м.

2)Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно разделить на двегруппы:

          а)токовые (сигналы постоянного тока), например:

                    0- 5 мА, 0 — 20 мА, 4 — 20 мА и др.;

          б)сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 — 1 В, 0 — 10 В и др.

          Первичныеприборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в какой-либоунифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то дляприведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующийпреобразователь.

          1.2. Точность преобразованияинформации.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величинынаходят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение — измерение, при котором искомое значение величинынаходят на основании зависимости между этой величиной и величинами,подвергаемыми, прямым измерениям.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаныизмерения.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов исредств измерений.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях иимеющее нормированные метрологические свойства.

Мера – средство измерений, предназначенное длявоспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработкисигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственноговосприятия наблюдателем.

Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являютсянепрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающийдискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены вцифровой форме.

Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий толькоотсчитывание показаний.

Показания средства измерений – измерение величины, определяемое по отсчетному устройствуи выраженное в принятых единицах этой величины.

Градуировочная характеристикасредства измерений – зависимостьмежду значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная ввиде таблицы, графика или формулы.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечны иначальным значениями шкалы.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которойнормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазонаизмерений.

Чувствительность измерительногоприбора – отношение изменениясигнала на  выходе измерительного прибора к вызывающему его изменениюизмеряемой величины.

          Любыеизмерения сопровождаются погрешностями:

1) случайные погрешности — имеютслучайную природу и причина их неизвестна;

2) промахи — вызванынеправильными отсчетами по прибору;

3) систематические — обусловленынесовершенством методов определения, конструкции прибора.

          Видыпогрешностей:

1)абсолютные:  DХ = Х — Х0,

          гдеХ — измеренное значение параметра, Х0 — истинное значение;

Абсолютная погрешность измерения – погрешностьизмерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

2)относительные: /> (выраженныев %-ах);

Относительная погрешность измерения – отношениеабсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.Относительная погрешность может быть выражена в процентах.

3)приведенные: />,

          гдеХmin и Хmax — минимальное имаксимальное значения измеряемой величины.

          Максимальнаяприведенная погрешность называется классом точности:

/>.

          Взависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) ирабочие.

 

          1.3. Классификация КИП.

          Нанефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемымивеличинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходитсяоколо 80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические идр. измерения.

          Приизмерениях используются различные измерительные приборы, которые классифицируютсяпо ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы дляизмерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физическихвеличин.

          Классификацияпо роду измеряемой величины указывает, какую физическую величину измеряетприбор (давление Р, температуру Т, расход F, уровень L,количество вещества Q и т.д.).

          Исходяиз признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы разделяютна приборы:

                   а)непосредственной оценки;

                   б)сравнения.

          Похарактеру измерения: стационарные и переносные.

          Поспособу отсчета измеряемой величины: показывающие, регистрирующие, суммирующие.

          1.4. Виды первичных преобразователей.

          Первичныеприборы или первичные преобразователи предназначены длянепосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобнуюдля измерения или использования. Различают генераторные, параметрические имеханические преобразователи:

1) Генераторныеосуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то естьони генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические,электрокинетические, гальванические и др. датчики).

2) К параметрическимотносятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п. Им для работынеобходим источник энергии.

3) Выходным сигналом механическихпервичных преобразователей  (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметрови др.) является усилие, развиваемое чувствительным элементом под действиемизмеряемой величины.

          1.5. Методы и приборы дляизмерения температуры.

          1.5.1 Классификация термометров.

          Температуравещества — величина, характеризующая степень нагретости, котораяопределяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул.Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степенинагретости двух тел.

          Длясравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физическихсвойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.

          Посвойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры,можно выделить следующие типы термометров:

·    термометры расширения, основанныена свойстве температурного расширения жидких тел;

·    термометры расширения, основанныена свойстве температурного расширения твердых тел;

·    термометры газовые манометрические;

·    термометры жидкостные манометрические;

·    конденсационные;

·    электрические;

·    термометры сопротивления;

·    оптические монохроматические пирометры;

·    оптические цветовые пирометры;

·    радиационные пирометры.

          1.5.2 Термометры расширения.Жидкостные стеклянные.

          Тепловоерасширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемногорасширения, значение которого определяется как

/>,1/град,

гдеV0, Vt1, Vt2 — объемыжидкости при 0 °С, температурах t1 и t2соответственно.

          Чувствительностьтермометра зависит от разности коэффициентов объемного расширениятермометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра.Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/°С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С).

          Длязащиты от повреждений технические термометры монтируются в металлическойоправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой.

          1.5.3 Термометры, основанныена расширении твердых тел.

          Кэтой группе приборов  относятся дилатометрические и биметаллическиетермометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменениемтемпературы.

1)Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основанона преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значенийудлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическимикоэффициентами линейного расширения:

/>,1/град,

гдеl0, lt1, lt2 — линейные размеры тела при 0 °С, температурах t1 и t2соответственно.

          Всилу того, что Db мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различногорода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

2)Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллическойленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты,согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укрепленнеподвижно, второй — на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углузакручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.

          Биметаллическиетермометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1- 1,5 %.

          1.5.4 Газовые манометрическиетермометры.

          Воснову принципа действия манометрического термометра положена зависимость междутемпературой и давлением  термометрического (рабочего) вещества, лишенноговозможности свободно расширяться при нагревании.

          Манометрическиетермометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатуюпружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняетсярабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемойтемпературы, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается.Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействуетчерез передаточный механизм на стрелку или перо прибора.

          Газовыеманометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа,заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

          Достоинства:шкала прибора практически равномерна.

          Недостатки:сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.

          1.5.5 Жидкостные манометрическиетермометры.

          Вкачестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловыйспирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д.

          Жидкостныеманометрические термометры имеют равномерную шкалу.

          1.5.6 Конденсационные манометрическиетермометры.

          Конденсационныеманометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паровнизкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости дляиспользуемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетони др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, этиприборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые  жидкостные.

/>          1.5.7Электрические термометры.

        Принцип действия этого типа термометровоснован на зависимости  термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.

        В термоэлектрической цепи, состоящей из двухпроводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местахспаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводникаВ. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0:

EAB(t t0) = eAB(t) +eBA(t0),

гдеeBA и eAB — ТЭДС, обусловленная контактной разностьюпотенциалов и разностью температур концов А и В.

          ТЭДСEAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t приусловии постоянства температуры холодного спая t0.

          Термопарыградуируются при определенной постоянной температуры t0(обычно t0 = 0°C или20 °C).При измерениях температура t0можетотличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующаяпоправка в результат измерения:

EAB(t t0) = EAB(t t0’)+ EAB(t0’t0).

          ПоправкаEAB(t0’t0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара притемпературе горячего спая t0’ и градуировочном значении температуры холодных спаев.Поправка берется положительной, если t0’ ><sup/>t0иотрицательной, если t0’ <<sup/>t0.

          Величинапоправки может быть взята из градуировочной таблицы.

          Конструктивноеисполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий ихприменения. При необходимости измерения небольшой разницы температур илиполучения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи,представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар.

          Компенсацияизменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температурывозможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с помощью соединительных проводови специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данномслучае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известнойпостоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары кзажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны бытьтермоэлектрически подобны термоэлектродам термопары.

          Какправило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородныхметаллов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключениесоставляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивлениялинии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.

          Градуировкитермопар: ХА — хромель-алюмелевые; ХК — хромель-копелевые;     

ПП — платинородий-платиновые и т.д.

          Требованияк термопарам:

1)воспроизводимость,

2)высокая чувствительность,

3)надежность,

4)стабильность,

5)достаточный температурный диапазон.

Таблица 2.1 — Материалы, используемые для изготовлениятермопар.

Название Состав

ТЭДС, мВ

(при t0= 0 °C и t1 = 100 °C)

Максимальный темпер. предел, °C хромель 10% Cr + 90 % Ni +2,95 1000 платинородий 90 % Pt + 10 % Rh +0,86 1300 медь Cu +0,76 350 платина Pt 1300 алюмель 95 % Ni + 5 % Al -1,2 1000 копель 56 % Cu + 44 % Ni -4 600 константан 60 % Cu + 40 % Ni -3,4 600

/>


          Методыи средства для измерения ТЭДС:

1)Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра);

2)Компенсационный метод (с помощью потенциометров).

          1.5.8 Термометры сопротивления.

          Измерениетемпературы термосопротивлениями основано на свойстве проводников иполупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменениитемпературы.

          Видфункции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовлениячувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистыеметаллы, к которым предъявляются следующие требования:

а) металл не должен окисляться иливступать в химические реакции с измеряемой средой;

б) температурный коэффициентэлектрического сопротивления металла a должен бытьдостаточно большим и неизменным;

в) функция R = f(t) должнабыть однозначна.

          Наиболееполно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др.

          Основнойнедостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).

          Дляизмерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП(платиновые) и ТСМ (медные).

          1.5.9 Пирометры излучения.

          Пирометрыизлучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхнийпредел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен.Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурногополя, вызываемого введением преобразовательного элемента прибора в измеряемуюсреду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовыхпотоков при больших скоростях.

          Лучистаяэнергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительнонизких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускаетинфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красногодоходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения сповышением температуры описывается соответствующими уравнениями.

          1.5.10 Цветовые пирометры.

          Вцветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реальноготела Еl в лучах с двумя заранее выбранными значениями длиныволны l1 и l2, то естьпоказания цветовых пирометров определяется функцией f(Еl1 / Еl2). Этоотношение для каждой температуры различно, но однозначно.

          1.6. Вторичные приборы дляизмерения разности потенциалов.

          Дляизмерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяютсяпирометрические милливольтметры и потенциометры. В потенциометрах, в отличие отмилливольтметров, используется компенсационный метод измерения.

          1.6.1 Пирометрические милливольтметры.

/>        Пирометрическиемилливольтметры являются электро-измерительными приборами магнито-электрическойсистемы.

        В конструкции пирометрических милливольтметровможно выделить магнитную и подвижную системы. Первая состоит изподковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрическогосердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечникамихарактеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля.

Вэтом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется накернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил,противодействующий вращению рамки создается специальными пружинами.

          Взаимодействиетока, протекающего по рамке с полем постоянного магнита 2 вызывает появлениевращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментомпружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционаленвеличине протекающего по рамке тока.

          1.6.2 Потенциометры.

RАВ

 

В

 

А

  />/>/>/>/>/>     Потенциометрыв отличие от милливольтметров работают по компенсационному (нулевому) методуизмерения.

/>

D

  />/>/>

Е(t t0)

 

ΔU

  />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>     Принцип компенсации при измерении ТЭДС заключаетсяв уравновешивании ее известным напряжением DU на калибровочномрезисторе RАВ,созданным вспомогательным источником тока. Ток от вспомогательного источника проходитчерез реохорд RAB.UAB<sub/>пропорциональноRАВ (вточке D находится движок реохорда).

Рис. 2.4

       Последовательно с термопарой,генерирующей ТЭДС, включен милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем в серединешкалы. Передвигая движок D, добиваются уравновешивания ΔU и E(t t0).

          1.6.3 Автоматические электрическиепотенциометры.

/>


          Схемаавтоматического потенциометра показана на рис. 2.5, где обозначено:

Rp — сопротивление реохорда,

Rш — шунта,

Rп — для задания пределов измерения,

Rн и Rк — длязадания начала и конца шкалы,

Rб — балластное,

Rс — для поверки рабочего тока,

Rм — медноесопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев.

ИПС — источник питания стабилизированный.

          Потенциометрсостоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей котороговключен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительнуюдиагональ АD) термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД сусилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаясявдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.

          Мостможет находится в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном.

          Когдамост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами ADравно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ΔU,подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю:

ΔU = UAD – Е = 0.

Вданном состоянии ЭД не работает.

Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то моствыходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небалансаΔU ≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает егона ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. перемещение движкапродолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение наЭД снова не станет равно нулю.

          Вэтих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывнои с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматическоговнесения поправки на температуру холодных спаев термопары.

          1.7. Методы измерениясопротивления.

          Дляизмерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используютавтоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводнойили четырехпроводной схемам.

          Двухпроводнаясхема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6, где обозначены:

R1, R2, R3, R4 — сопротивления моста;

Rб — балластное сопротивление для ограничения рабочеготока;

Rт — сопротивление ТС;

Rл — сопротивление линии (соединительных проводов).

          Условиемравновесия моста является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. вданном случае:

R1.R3 » R2.(R4 + Rт + 2.Rл).

          Когдамост уравновешен, напряжение на диагонали UAD =0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объектаизменяется Rт и UAD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливаетсяУЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда.

/>

 

 

 


/>        Недостаткомтакой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно плечо с Rт, следовательно, изменение Rл может вызывать изменение показаний моста. Длякомпенсации Rлприменяются трехпроводная или четырехпроводная схемы.

        Трехпроводная схема подключения моста (см.рис. 2.7).

В этом случае уравнение равновесия имеет вид:

(R1 + Rл).R3 » R2.(R4 + Rт + Rл).

То есть сопротивление линии Rл входит в обе части уравнения и частично компенсируется.

 

          1.8. Методы и приборы дляизмерения давления и разряжения.

          1.8.1 Классификация приборовдля измерения давления.

          Поддавлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющейусилия к площади, на которую действует усилие.

          Взависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютноедавление Ра или избыточное Ри. При измерении Раза начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представитькак давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно,достигнуть Ра = 0 невозможно.

          Барометрическоедавление Рбар — давление, оказываемое атмосферой на все находящиесяв ней предметы.

          Избыточноедавление представляет собой разность между абсолютным и барометрическимдавлениями:

/>Ри= Ра — Рбар

Если Рабс < Рбар, то Риназывается давлением разряжения.

          Классификацияприборов для измерения давления:

I.По принципу действия:

1) жидкостные (основанные на уравновешиваниидавления столбом жидкости);

2) поршневые (измеряемое давлениеуравновешивается внешней силой, действующей на поршень);

3) пружинные (давление измеряется повеличине деформации упругого элемента);

4) электрические (основанные напреобразовании давления в какую-либо электрическую величину).

II. Породу измеряемой величины:

1) манометры (измерение избыточногодавления);

2) вакуумметры (измерение давления разряжения);

3) мановакуумметры (измерение какизбыточного давления, так и давления разряжения);

4) напорометры (для измерения малыхизбыточных давлений);

5) тягомеры (для измерения малых давленийразряжения);

6) тягонапорометры;

7) дифманометры (для измерения разностидавлений);

8) барометры (для измерения барометрическогодавления).

          1.8.2 Жидкостные манометры.

/>              Широкоприменяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и техническихизмерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла.

              Двухтрубный манометр представляет изсебя U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью.

 

          1.8.3 Чашечные манометры идифманометры.

Н

            Чашечный (однотрубный) манометрявляется разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 2.10), укоторого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряетсядавление Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытыйконец трубки совмещен с атмосферой.

/>       Уравнениеравновесия:                   Р = r g (h + H).

Рис. 2.10

         Чашечные и трубные манометрыприменяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже — в качестве рабочихприборов.

          1.8.4 Микроманометры.

Рис. 2.11

  />       Применяютсядля измерения давлений, меньших 100 — 200 мм водяного столба. Представляют изсебя жидкостной манометр с наклоненной по углом 20…50° трубкой.

/>h = L.sin(a) — высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке,

P = r.g.h — измеренное давление.

       Погрешность: ± 1,5 %.

   1.8.5 Пружинныеманометры.

   Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком,зубчатого сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2.

   При увеличении давления трубчатая пружина стремитсяразогнуться, в результате чего она через поводок начинает взаимодействовать назубчатый сектор, отклоняя стрелку.

          1.8.6 Электрическиеманометры.

                   Преобразователидавления типа «Сапфир».

          Этиманометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемогопараметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давленийнейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал длядистанционной передачи (0 — 5 мА, 0 — 20 мА и др.).

          Мембранный тензопреобразователь 3 размещенвнутри основания 9 (см. рис. 2.13). Внутренняя полость 4 тензопреобразователязаполнена кремни­йорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металли­ческойгофрированной мембраной 6, приваренной по наружному кон­туру к основанию 9.Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается вкамеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давлениевоздействует на мемб­рану 6 и через жидкость воздействует на мембранутензопреобразо­вателя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезис­торов.Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока1 по проводам через гермовывод 2.

/>


Преобразователи Сапфир-22ДАмоделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления,отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизи­рована.

Преобразователи Сапфир-22ДДмоделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444 (см. рис. 2.14), предназначенныедля измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используетсятензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутриоснования в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, иотделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами.Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которогопередается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформациютензопреобразователя.          Чувствительнымэлементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллическогосапфира (разновидность корунда — Al2O3) скремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС — кремний на сапфире).

/>  

/> <td/>

Рис. 2.14

 

          Электрический сигнал от тензопреобразователяпередается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам черезгермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействиеодносторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем,что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированнуюповерхность основания 9.

 

          1.9. Методы и приборы дляизмерения расхода пара, газа и жидкости.

          1.9.1 Классификация.

          Количествовещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может бытьизмерено и объемным, и массовым методами, количество газа — только объемным.Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы,которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для болееточных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.

          Расходомвещества называется количество вещества, проходящее через данное сечениетрубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный — вм3/с.

          Приборы,измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могутбыть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками.Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

          Классификация:

Механические

/>          объемные

                   ковшовые

                   барабанноготипа

                   мерники

          скоростные

                   пометоду переменного перепада давления

                   пометоду постоянного перепада давления

                   напорныетрубки

                   ротационные

Электрические

          электромагнитные

          ультразвуковые

          радиоактивные

          1.9.2 Метод переменного перепададавления.

          Являетсясамым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара игаза.

          Визмерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и соплаВентури.

          Наиболеечасто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкийдиск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентричновнутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается додиафрагмы. Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции,поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется дополного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны свихревым движением.

/>I — I — сечение потока до искажения формы.

II — II — сечение в месте максимального сужения.

Рп — потери давления натрение и завихрения.

Разность давлений Р1 — Р2зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод.

          Вслучае использования сопла струя, протекающая через него, неотрывается от его профилированной части и поэтому Рп меньше.

/>     Ещеменьше потери Рп в сопле Вентури.

     Перепад давления измеряется дифманометрами.Комплект расходомера состоит из элементов:

1) сужающее устройство (Д);

2) импульсные трубки (Т);

3) дифманометр (ДМ).

     В качестве дифманометров обычно используютсяпреобразователи разности давлений типа «Сапфир».

          1.9.3 Расходомеры постоянногоперепада давления.

          Кним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрическиерасходомеры.

          Наиболеераспространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давленияявляются ротаметры (см. рис. 2.17), которые имеют ряд преимуществ передрасходометрами переменного перепада давления:

а)потери Рп незначительны и не зависят от расхода;

б)имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы.

/>            Принципдействия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося врасширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи.

Q — расход проходящего через трубку газа или жидкости,

a — угол наклона стенок трубки.

            Зависимость Н от Q нелинейна, нов начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительнойстепени.

            Отсутствие прямой зависимости между Q и Нтребует индивидуальной градуировки каждого прибора.

/>   Ротаметрическиетрубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротортакже может быть изготовлен в виде шарика или диска.

   1.9.4 Расходомерыпеременного уровня.

   Используются для измерения расходов смесейпродуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активныхсред.

          Измеренияосуществляются при атмосферном давлении. Состоит из элементов (см. рис. 2.18): 1- калиброванный сосуд, 2 — уровнемерное стекло, 3 - отверстие вднище, 4 — перегородка для успокоения потока.

          1.9.5 Расходомеры скоростногонапора.

/>         Измерениерасхода основано на зависимости динамического напора от скорости потокаизмеряемой среды.

         Дифманометр, соединяющий обе трубки,показывает динамическое давление, по котором судят о скорости потока и,следовательно, о расходе.

 

          1.10. Методы и приборы дляизмерения уровня.

          1.10.1 Методы измеренияуровня.

          Вобщем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и газовойпромышленности измерение уровня составляет 18 — 20 %.

          Поl измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различнойплотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за началоотсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами.

          Методыизмерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3) гидростатический,электрические и др.

          1.10.2 Поплавковый метод измеренияуровня.

          Поплавковыйуровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости.Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок),плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку. Поплавокперемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровняопределяется фиксацией положения поплавка.

          1.10.3 Буйковые уровнемеры.

/>        Действиебуйкового уровнемера основано на законе Архимеда. Чувствительный элементбуйкового уровнемера — буй — массивное тело, подвешенное вертикально внутрисосуда, уровень жидкости в котором контролируется. По мере изменения уровняжидкости изменяется погружение буя вследствии компенсации выталкивающей силыжидкости изменением усилия в подвеске.

          Такимобразом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде.Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше,чем больше площадь поперечного сечения буя.

          1.10.4 Гидростатическиеуровнемеры.

/>         Вэтих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится кизмерению давления, созданного столбом жидкости Р = rж g h.

         Различают пьезометрические уровнемеры иуровнемеры с непосредственным измерением столба жидкости.

          Пьезометрическиеуровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в томчисле вязких и агрессивных жидкостей.

          Воздухиз пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количествовоздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом,чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровеньжидкости определяется по разности давления в дифманометре 2.

          1.10.5 Электрические методыизмерения уровня.

/>          Для измерения уровня жидкости может бытьиспользовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси подней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость иэлектропроводность веществ.

          Кондуктометрический методизмерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичногопреобразователя, зависящей от значения уровня.

          Емкостнойметод измерения основан на изменении емкости первичного преобразователя взависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно первичный преобразовательвыполняется в виде коаксиальных цилиндрических обкладок, погруженных визмеряемую жидкость. С изменением уровня жидкость заполняет пространство междуобкладками и тем самым изменяет их электрическую емкость. Зависимость междууровнем жидкости и емкостью пропорциональная.

          2. Исполнительныеустройства.

          2.1. Классификацияисполнительных устройств.

          Исполнительнымустройством (ИУ) называется устройство в системе управления,непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора наобъект управления путем механического перемещения регулирующего органа(РО) объекта.

          Большинствоуправляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимииреализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива,кубового остатка колонны и т.д.).

          Уравнениестатики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как

F = F(ΔP, ν, ρ, C1, C2, …),

гдеΔP – перепаддавления на РО, ν — вязкость, ρ – плотность, Сi– некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока ит.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем:

          — изменения ΔP(насосные ИУ),

— ν или ρ (реологические ИУ),

— коэффициентами Ci<sub/>(дроссельныеИУ).

2.2. Исполнительныеустройства насосного типа.

          СтруктураИУ насосного типа представлена на рисунке, где обозначено: u –управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ – исполнительный механизм(привод), РО – регулирующий орган (насос), Хр – параметр, изменяющийпроизводительность насоса (частота вращения вала, ход поршня и т.д.).

/>Дляданных ИУ, как правило, давление на выходе Рвых больше, чем давлениена входе Рвх, а перепад давления на РО определяется как ΔР = Рвых– Рвх.

       Насосные ИУ делятся на три класса:

1)  С вращательным движениемРО:

/>а)шестеренчатые – зубья шестеренок создают со стенками корпуса множествообъемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается внагнетательную; обратный ток жидкости существенно меньше, так как призацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики.

б) шиберные – при вращениишиберы центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменныеобъемы: на всасывающейся линии увеличивающиеся, на нагнетательной –уменьшающиеся.

/>в) винтовые – перекачка производится винтовымшнеком.

г) центробежные – изменениерасхода происходит за счет изменения входной скорости в полости ротора насоса.

2) С поступательным движениемРО:

а) поршневые,

б) мембранные,

в) сильфонные.

          2.3. Исполнительныеустройства реологического типа.

/>       Некоторыежидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действиемэлектрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла,олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F(ν).

       Преобразователь в ИУ данного типа осуществляетизменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое всвою очередь влияет на ν. При этом расход F на РОизменяется пропорционально.

          2.4. Исполнительныеустройства дроссельного типа.

/>       ЭтиИУ нашли преимущественное распространение в силу универсальности и простоты. Взависимости от u ИМ изменяет какой-либо параметр дросселя РО, чтоприводит к изменению расхода F.

       Пропускной характеристикой дросселя называетсязависимость расхода F от перепада давления ΔР = Рвх – Рвых,положения РО и т.д.

       Зависимость F(ΔР) длятурбулентного потока:

F = γ />,

где/>, S – площадьсечения потока, ξ – коэффициент местного сопротивления, ρ –плотность.

/>


                                                          ТипыИУ:

1) Плунжерные – расходрегулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой«седло-затвор»  (см. рис.). Форма затвора подбирается таким образом, чтобыпропускная характеристика F = F(h) была линейна (h – положениештока).

2) Шланговые – расходрегулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1).

3) Диафрагмовые – используютгибкие мембраны.

Рис. 2.28

  4) Заслоночные – используютзаслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода.

5) Краны – используют затворы,выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием;расход регулируется поворотом затвора на определенный угол.

6) Задвижки – расходрегулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оситрубопровода.

          2.5. Исполнительныемеханизмы.

          Стандартныеисполнительные механизмы (ИМ) работают в комплекте с РО, образуя вместеИУ, и классифицируются по:

— виду энергии, создающейперестановочное усилие (электрические, пневматические, гидравлические и др.);

— виду движения (прямоходовые,однооборотные и многооборотные);

— принципу создания перестановочногоусилия (мембранные, поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные,электродвигательные и др.).

          ПневматическиеИМ нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, низкойстоимости, надежности, способности работать в пожаро- и взрывоопасных условиях.Недостатки: ограниченность расстояния от регулятора до места установки ИУ(обычно до 200 м), низкое быстродействие, низкий класс точности.

/>      Входнымсигналом этих ИМ является давление сжатого воздуха, которое, воздействуя намембрану, создает усилие

F = Sэф (Рu – Ро),

где Pu – управляющее давление,

Ро – начальное давление, при которомсоздается движение плунжера,

Sэф – эффективная площадь мембраны.

          ЭлектрическиеИМ имеют преимущества: высокое быстродействие, точность позиционирования, компактность,доступность источника энергии, большие перестановочные усилия. Недостатки:дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и пожароопасных условиях.

          Подразделяютсяна электродвигательные (привод от двигателя) и электромагнитные.

          Промышленностьвыпускает практически только электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380В:

          — многооборотные (МЭМ),

          — однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360º,

          — прямоходовые (МЭП).

          Примермаркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Н.м,время хода 10 сек, номинальный ход 0,25 оборота).

          3. Функциональные схемыавтоматизации

          3.1. Условные обозначения

          Всеместные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическомобъекте изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде окружностей(см. рис. 2.30, а и б).

/>


          Еслиприборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторныхпомещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная разделительная линия(см. рис. 2.30, в и г). Если функция, которой соответствует окружность,реализована в системе распределенного управления (например, вкомпьютеризированной системе), то окружность вписывается в квадрат (см. рис.2.30, д).

          Внутрьокружности вписываются:

— в верхнюю часть  — функциональноеобозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемыхпараметров, обозначение функций и функциональных признаков приборов и устройств);

— в нижнюю — позиционные обозначенияприборов и устройств.

          Местарасположения отборных устройств и точек измерения указываются с помощью тонкихсплошных линий.

          Буквенныеобозначения средств автоматизации строятся на основе латинского алфавита исостоят из трех групп букв:

1 буква -  Контролируемый, сигнализируемый или регулируемыйпараметр:

D — плотность,

Е — любая электрическая величина,

F — расход,

G — положение, перемещение,

Н — ручное воздействие,

К — временна’я программа,

L — уровень,

М — влажность,

Р — давление,

Q — состав смеси, концентрация,

R — радиоактивность,

S — скорость (линейная или угловая),

Т — температура,

U — разнородные величины,

V — вязкость,

W – масса.

2буква (не обязательная) — уточнениехарактера измеряемой величины:

D — разность, перепад,

F — соотношение,

J — автоматическое переключение,

Q — суммирование, интегрирование.

3группа символов (несколько букв) — функциии функциональные признаки прибора:

I — показания,

R — регистрация,

С — регулирование,

S — переключение,

Y — преобразование сигналов, переключение,

А — сигнализация,

Е — первичное преобразование параметра,

Т — промежуточное преобразованиепараметра, передача сигналов на расстояние,

К — переключение управления с ручногона автоматическое и обратно, управление по программе, коррекция.

          Условныеобозначения других приборов, используемых на схемах, показаны на рис. 2.31:

— автоматическая защита из системыпротивоаварийной защиты (ПАЗ, см. рис. 2.31, а);

— технологическое отключение(включение) из системы управления (см. рис. 2.31, б);

— регулирующий клапан, открывающийсяпри прекращении подачи воздуха (нормально открытый) – рис. 2.31, в;

— регулирующий клапан, закрывающийсяпри прекращении подачи воздуха (нормально закрытый) – рис. 2.31, г;

— управляющий электропневматическийклапан (ЭПК) – рис. 2.31, д;

— отсекатель с приводом (запорныйклапан) – рис. 2.31, е.

/>

 

 


          3.2. Примеры построенияусловных обозначений приборов и средств автоматизации

          (В скобках указаныпримеры типов приборов)

/> Первичный измерительный преобразователь для измерения температуры, установленный по месту (например, термоэлектрический преобразователь (термопара), термопреобразователь сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.д.). /> Прибор для измерения температуры показывающий (термометры ртутный, манометрический и т.д.). /> Прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите (милливольтметр, логометр, потенциометр (типа КСП и др.), мост автоматический (типа КСМ и др) и т.д.). /> Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту.

/>

Прибор для измерения температуры одноточечный регистрирующий, установленный на щите (милливольтметр самопишущий, логометр, потенциометр и т.д.).

/>

Прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр, мост и т.д.).

/>

Прибор для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр и т.д.).

/>

Регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту (дилатометрический регулятор температуры и д.р.). /> Комплект для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите (пневматический вторичный прибор, например, ПВ 10.1Э системы «Старт»  с регулирующим блоком ПР 3.31). /> Прибор для измерения температуры бесшкальный с контактным устройством, установленный по месту (реле температурное). /> Байпасная панель дистанционного управления, установленная на щите. /> Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых (воздушных) линий, установленный на щите. /> Прибор для измерения давления (разряжения), показывающий, установленный по месту (любой показывающий манометр, дифманометр, напоромер и т.д.). /> Прибор для измерения перепада давления показывающий, установленный по месту (дифманометр показывающий. /> Прибор для измерения давления (разряжения) бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (дифманометр бесшкальный с пневмо- или электропередачей). /> Прибор для измерения давления (разряжения) регистрирующий, установленный на щите (самопишущий манометр или любой другой вторичный прибор для регистрации давления).

/>

Прибор для измерения давления с контактным устройством, установленный по месту (реле давления).

/>

Прибор для измерения давления (разряжения) показывающий с контактным устройством, установленный по месту (электроконтактный манометр и т.д.). Регулятор давления прямого действия «до себя». /> Первичный измерительный преобразователь для измерения расхода, установленный по месту (диафрагма, сопло Вентури датчик индукционного расходомера и т.д.). /> Прибор для измерения расхода бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (бесшкальный дифманометр, ротаметр с пневмо- или электропередачей). /> Прибор для измерения соотношения расходов регистрирующий, установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения расходов). /> Прибор для измерения расхода показывающий, установленный по месту (дифманометр или ротаметр показывающий и т.д.). /> Прибор для измерения расхода интегрирующий показывающий, установленный по месту (любой счетчик-расходомер с интегратором). /> Прибор для измерения расхода показывающий интегрирующий, установленный на щите (показывающий дифманометр с интегратором). /> Прибор для измерения расхода интегрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количество вещества, установленный по месту (счетчик-дозатор). /> Первичный измерительный преобразователь для измерения уровня, установленный по месту (датчик электрического или емкостного уровнемера). /> Прибор для измерения уровня показывающий, установленный по месту. /> Прибор для измерения уровня с контактным устройством, установленный по месту (реле уровня). /> Прибор для измерения уровня с контактным устройством бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (уровнемер бесшкальный с пневмо- или электропередачей). /> Прибор для измерения уровня бесшкальный регулирующий с контактным устройством, установленный по месту (электрический регулятор-сигнализатор уровня с блокировкой по верхнему уровню). /> Прибор для измерения уровня показывающий с контактным устройством, установленный на щите (вторичный показывающий прибор с сигнализацией верхнего и нижнего уровня). /> Прибор для измерения плотности раствора бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (датчик плотномера с пневмо- или электропередачей). /> Прибор для измерения размеров показывающий, установленный по месту (толщиномер).

/>

Прибор для измерения любой электрической величины показывающий, установленный по месту. /> Вольтметр. /> Амперметр. /> Ваттметр /> Прибор для управления процессом по временной программе, установленный на щите (командный пневматический прибор, многоцепное реле времени и т.д.). /> Прибор для измерения влажности регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор влагомера и т.д.). /> Первичный преобразователь для измерения качества продукта, установленный по месту (датчик рН-метра и т.д.). /> Прибор для измерения качества продукта показывающий, установленный по месту (газоанализатор на кислород и т.д.). /> Прибор для измерения качества продукта регистрирующий регулирующий, установленный на щите (вторичный самопишущий прибор регулятора концентрации серной кислоты в растворе и т.д.). Прибор для измерения радиоактивности показывающий с контактным устройством, установленный по месту (прибор для показаний и сигнализации предельно допустимых значений a и b-излучений). /> Прибор для измерения частоты вращения привода регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор тахогенератора). /> Прибор для измерения нескольких разнородных величин регистрирующий, установленный по месту (самопишущий дифманометр-расходомер с дополнительной записью давления и температуры). /> Прибор для измерения вязкости раствора показывающий, установленный по месту (вискозиметр показывающий). /> Прибор для измерения массы продукта показывающий с контактным устройством, установленный по месту (устройство электронно-тензометрическое сигнализирующее и т.д.). /> Прибор для контроля погасания факела печи бесшкальный с контактным устройством, установленный на щите (вторичный прибор запально-защитного устройства; применение резервной буквы В должно быть оговорено на поле схемы). /> Преобразователь сигнала, установленный на щите (входной и выходной сигналы – электрические; нормирующий преобразователь и т.д.). /> Преобразователь сигнала, установленный по месту (входной сигнал пневматический, выходной – электрический; электропневмопреобразователь ЭПП-63 и т.д.). /> Устройство, выполняющее функцию умножения на постоянный коэффициент К.

/>

Пусковая аппаратура для управления электродвигателем (магнитный пускатель, контактор и т.д.; применение резервной буквы N должно быть оговорено на поле схемы).

/>

Аппаратура, предназначенная для ручного дистанционного управления, установленная на щите (кнопка, ключ управления, задатчик и т.д.).

/>

Аппаратура для ручного дистанционного управления, снабженная устройством для сигнализации, установленная на щите (кнопка с лампочкой и т.д.).

/>

Ключ управления, предназначенный для выбора управления, установленный на щите.

          3.3. Примеры схем контролятемпературы.

          3.3.1 Индикация ирегистрация температуры (TIR).

/>101-1Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от –50 °С до 900 °С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515

101-2 Преобразователь термоЭДС встандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72

101-3 Миллиамперметр показывающийрегистрирующий на 2 параметра, марка А-542

Примечание: Другие виды амперметров: А-502, А-503 –показывающие, А-542, А-543 – регистрирующие, последняя цифра – числопараметров; А-100 – показывающий на 1 параметр.

          3.3.2 Индикация, регистрацияи регулирование температуры с помощью пневматического регулятора (TIRС, пневматика).

/>102-1то же, что 101-1

102-2 то же, что 101-2

102-3 электропневмопреобразователь,входной сигнал 0…5 мА, выходной – стандартный пневматический 0,02…0,1 МПа,марка ЭПП-63 (или ЭПП-180)

102-4 пневматический вторичный прибор на3 параметра со станцией управления, марка ПВ 10.1Э (с электроприводомдиаграммной ленты)

102-5 Пневматический ПИ-регулятор ПР3.31

Примечание: Регуляторы ПР 2.31 сняты с производства.

/>   3.3.3 Индикация ирегулирование температуры с помощью микропроцессорного регулятора (TIС, эл.).

103-1 то же, что 101-1

103-2 Трехканальный микропроцесс-сорныйрегулятор типа «Протерм-100»

103-3 Регулирующий клапан длянеагрессивных сред, корпус из чугуна, предельная температура Т = 300 °С,

        давление Ру = 1,6МПа,

        условный диаметр Dу = 100 мм, тип 25нч32нж

/>         3.3.4Индикация, регистрация, сигнализация и регулирование температуры с помощью потенциометра(моста) (TIRС, эл.).

104-1 то же, что 101-1

104-2 Автоматический электронный потенциометрна 1 точку со встроенными устройствами регулирования и сигнализации, тип КСП-4(или автоматический электронный мост типа КСМ-4 и т.д.)

104-3 Лампа сигнальная Л-1

104-4 то же, что 103-3

/>


3.4.Примеры схем контроля давления.

3.4.1Индикация давления (PI).

210-1 Манометр пружинный М-…(см. рис. 2.36)

/>

 

 


3.4.2 Сигнализациядавления (PA).

202-1 Пневматический первичныйпреобразователь давления,

        предел измерения 0… 1,6 МПа,выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом)

202-2 Электроконтактный манометр ссигнальной лампой ЭКМ-1

202-3 то же, что 104-3

/>


3.4.3 Индикация,регистрация и регулирование давления (PIRC, пневматика)

См. рис. 2.38.

203-1 то же, что 202-1

203-2 то же, что 102-4

203-3 то же, что 102-5

203-4 то же, что 103-3

/>


3.4.4 Индикация ирегистрация давления (PIR, эл.).

См. рис. 2.39.

204-1 Первичный преобразователь давлениясо стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.)

204-2 то же, что 101-3

/>


3.4.5 Индикация,регистрация, регулирование и сигнализация давления (PIRCA, пневматика).

См. рис. 2.40.

205-1 то же, что 202-1

205-2 то же, что 102-4

205-3 то же, что 102-5

205-4 то же, что 103-3

205-5 то же, что 202-2

205-6 то же, что 202-3

          3.5. Схемы контроля уровня ирасхода.

          Схемы контроля уровняаналогичны схемам контроля давления, поскольку его значение при измерении либо преобразуется в давление, либо датчики уровня, как и датчики давления, имеют навыходе стандартный пневматический или электрический сигнал.

/>       Дляизмерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечениитрубопровода, поэтому на схеме из обозначения также, как правило, изображаютсявстроенным в трубопровод.

       При использовании сужающих устройств, например,диафрагм, перепад давлений на них замеряется дифманометрами, поэтому схемыавтоматизации аналогичны схемам контроля давления. Прочие расходомеры, как правило,уже имеют на выходе стандартный сигнал.

       Примеры схем:

301-1 Диафрагма марки ДК6-50-II-а/г-2(диафрагма камерная, давление Ру = 6 атм, диаметр Dу = 50 мм)

301-2 Дифманометр с пневмовыходом0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматики) или Сапфир-22ДД (для электрическойсхемы)

302-1 Ротаметр РД-П (с пневмовыходом)или РД-Э (с электрическим выходом)

Таблица 2.2 — Форма спецификации к ФСА.

поз.

Параметры среды,

измеряемые параметры

Наименование и техническая

характеристика

Марка К-во

Приме-

чание

100-1

101-1

103-2

Давление в аппарате,

Рmax = 0,5 МПа

Манометр сильфонный с пневмовыходом, вых. сигнал 0,02…0,1 МПа, пределы измерений 0…1,6 МПа МС-П2 3 по месту

          Приборыв спецификации могут быть сгруппированы по позициям на схеме или по маркам.


          Часть3. Современные системы управления производством.

          1. Структура АСУТП.

          Характерной особенностьюразвития современной электронной промышленности является бурный рост,сопровождающийся столь же бурным снижением стоимости средств автоматизации,вычислительной техники, коммуникаций, устройств высокоточных измеренийпараметров.

          Цифровые технологии быстровытесняют аналоговые, преобладавшие в системах управления в недалеком прошлом.Это связано с тем, что возможности цифровых средств измерения и управления напорядок выше, чем у аналоговых. К числу их достоинств относятся:

1) более точное представлениеизмеряемых величин;

2) большая помехозащищенность;

3) возможности построениявычислительных сетей;

4) большая гибкость и эффективность вуправлении процессом и т.д.

          Все эти возможности связаныс конкретными выгодами для пользователей:

1) ускорение работы операторовсистемы управления;

2) экономия финансовых ресурсов;

3) повышение качества и корректностирешений, принимаемых операторами;

4) уменьшение потерь продукции и др.

          Любую автоматическуюсистему управления технологическим процессом (АСУ ТП) можно в конечном итогеразделить на 3 основных уровня иерархии:

/>


          Самым нижним уровнемявляется уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаютсянепосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается вполучении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид длядальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также вприеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функцииисполнительных механизмов).

          Средний уровень — уровень производственного участка. Его функции:

— сбор информации, поступающей снижнего уровня, ее обработка и хранение;

— выработка управляющих сигналов наоснове анализа информации;

— передача информации опроизводственном участке на более высокий уровень.

          Верхний уровень всистеме автоматизации занимает т.н. уровень управления. На этом уровнеосуществляется контроль за производством продукции. Этот процесс включает всебя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработкуи выдачу руководящих директив нижним ступеням. Атрибутом этого уровня являетсяцентр управления производством, который может состоять из трехвзаимопроникающих частей:

1) операторской части,

2) системы подготовки отчетов,

3) системы анализа тенденций.

          Операторская частьотвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдаетинформацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство  ходавтоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами.

          Система подготовкиотчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию отехнологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данныео материальном и энергетическом балансе и др.

          Система анализатенденций дает оператору возможность наблюдения за технологическимпараметрами и делать соответствующие выводы.

          На верхнем уровне АСУ ТПразмещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочихстанций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любойзаданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие соператором. Основой программного обеспечения вырхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition — системы управления и доступа кданным).

          2.Устройства связи с объектом (УСО).

          Почти все технологическиепараметры, присутствующие в реальном технологическом объекте. имеют аналоговыйили дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовыватьизмеряемые величины только в аналоговый вид (напряжение, сопротивление,давление), а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговыевходные сигналы. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленныев аналоговом и цифровом видах, в современной АСУТП  используют устройствасвязи  объектом.

          Модули УСО — этоконструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей,устанавливаемых, как правило, в специализированные платы с клеммными соединителямиили стандартный DIN-рельс.

          На УСО возлагаютсяследующие функции:

1)Нормализация аналогового сигнала, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывногосигнала к одному из стандартных диапазонов входных сигналов АЦП.

2)Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала — ограничениеполосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния нарезультат измерения помех различного происхождения.

3)Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналамисистемы.

          Помимо этих функций ряд УСОможет выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе АЦП,дискретного ввода-вывода, микропроцессора и интерфейсов передачи данных.

          По характеруобрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые, дискретныеи цифровые.

          Аналоговые УСО(аналого-цифровые преобразователи АЦП, цифро-аналоговые преобразователи ЦАП идр.) должны обладать большой точностью, линейностью и большим напряжениемизоляции.

          Дискретные УСО обеспечиваютопрос датчиков с релейным выходом, выключателей, контроля наличия напряжения всети и т.д., а выходные дискретные УСО формируют сигналы для управленияпускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО удовлетворяюттем же требованиям, что и аналоговые, но, кроме того, обладают минимальнымвременем переключения, а выходные могут обеспечивать коммутацию более высокихтоков и напряжений.

          Среди модулей УСОсуществуют также устройства, работающие только с цифровой информацией. К нимотносятся коммуникационные модули, предназначенные для сетевого взаимодействия(например, повторители для увеличения протяженности линии связи, преобразователиинтерфейсов RS-232/RS-485).

          По направлению прохожденияданных модули УСО можно разделить на три типа:

1)устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов  датчиков;

2)устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;

3)двунаправленные.

          В реальных системах модулиУСО могут не присутствовать в виде самостоятельных устройств, а входить всостав датчиков (в этом случае датчики называют интеллектуальными) илипромышленных компьютеров. Примером могут служить датчики, выдающие готовыйцифровой сигнал. в этом случае граница между первичным преобразователем и УСОпроходит где-то внутри датчика. С другой стороны, УСО могут быть выполнены ввиде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в стандартные ISA или PCIслоты компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо вкомпьютер, где и преобразуются в цифровой вид.

          3.Аппаратная и программная платформа контроллеров.

          Промышленные контроллеры икомпьютеры. расположенные на средне уровне АСУТП играют роль управляющихэлементов. принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы.

          До последнего времени рольконтроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller — программируемые логическиеконтроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны нашей стране PLC таких зарубежных производителей, какAllen-Braidly, Siemens,ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт»,«Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др.

          В связи с бурным ростомпроизводства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще сталииспользовать в качестве контроллеров.

          Первое и главноепреимущество РС-контроллеров связано с их открытотью, позволяющей применять вАСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретномупроизводителю.

          Второе важное преимуществоих заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. Врезультате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала.

          Третье преимущество — болеевысокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежностьконтроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратурыустойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха ипротивостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способностьпрограммного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующихреакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередьстепенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используютсякоммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux,QNX и др.), то следует ожидать, чтопрограммная надежность будет выше, чем у PLC.

          Операционные системыконтроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но итребованиям работы в режиме реального времени, была компактна и имелавозможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти.

          4. Операционная система PC-контроллеров

          Операционнаясистема контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Но не толькоим. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работув режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУили флэш-памяти.

          ДляPC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL,Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX являетсяоткрытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ,флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX разработана всоответствии со стандартами POSIX, является коммерческой операционной системой,широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч продаж), поддерживает всешины, используемые в PC-контроллерах, включая ISA, PCI, CompactPCI, PC/104,VME, STD32. Более ста фирм — производителей программного и аппаратногообеспечения выпускают продукцию, ориентированную на QNX.

          QNXявляется операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процессс наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно и что критическоесобытие (например, сигнал тревоги) всегда будет обработано. Она известна какоперационная система, функционирующая в «защищенном режиме». Этоозначает, что все программы в системе защищены друг от друга и любая«фатальная» ошибка в одной из программ не приводит к«краху» всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетомобеспечения целостности данных при отключениях питания. Даже при форс-мажорномотключении питания вы лишь потеряете некоторые данные из кэш-памяти, но файловаясистема не разрушится. После включения компьютера будет обеспечена нормальнаяработа системы. В QNX полностью реализовано встроенное сетевое взаимодействие«точка-точка». По существу, сеть из машин QNX действует как одинмощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски, принтеры) могут быть добавленык системе простым подключением к любой машине в сети. QNX поддерживаетодновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring иобеспечивает более чем один путь для коммуникации, а также балансировку нагрузкив сетях. Если кабель или сетевая плата выходят из строя и связь прекращается,то система будет автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Этопредоставляет пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличиваетскорость и надежность коммуникаций во всей системе.

/>          5. Средстватехнологического программирования контроллеров

          Спецификаработы с контроллерами по сравнению с обычными офисными компьютерами состоит нетолько в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественномиспользовании языков технологического программирования. Как правило, напромышленных предприятиях с контроллерами работают не программисты, а технологи,хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. Дляописания процессов обычно используются такие языки, как язык релейно-контактныхсхем, функциональных блоков и так далее, теоретические основы которых взяты изметодов автоматического управления. Накопленный многими фирмами опыт былобобщен в виде стандарта IEC 1131-3 [1], где определены пять языковпрограммирования контроллеров: SFC — последовательных функциональных схем, LD — релейных диаграмм, FBD — функциональных блоковых диаграмм, ST — структурированного текста, IL — инструкций. Важно отметить, что использованиеданного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно,делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования — ниот типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. Внастоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт: ACCON-Prosys1131 (фирма DeltaLogic), Open DK (фирма infoteam Software GmbH), Multiprog(фирма KW Software), NAiS Control (Matsushita Automation Controls) и др. Наиболееизвестной реализацией этого стандарта является пакет ISaGRAF фирмы CJInternational, включающий систему разработки (WorkBench) и систему исполнения(Target).

          Еслипервая используется для создания, моделирования, тестирования и документированияприкладных программ, исполняемых под управлением ядра ISaGRAF, то втораязагружается извне либо записывается в ПЗУ. По данным организации PLCopen, в настоящеевремя программа, созданная с помощью ISaGRAF, может быть загружена и исполненана процессорах Intel и Motorola под управлением операционных систем DOS, OS-9,QNX, iRMX, Lynx, pSOS, OS-9000, VMEexec, VRTX, VxWorks, Windows NT. Основнымидостоинствами ISaGRAF являются простой, интуитивно понятный для технолога графическийинтерфейс, встроенные средства отладки, моделирования, тестирования и документированияпрограмм, поддержка промышленных сетей (Profibus, Modbus).

/>          6. Пример реализацииконтроллеров

          Вкачестве примера контроллера, построенного на базе концепции открытых системрассмотрим контроллер CS104 фирмы Steinhoff. Это компактный, модульный иPC-совместимый компьютер, который может комплектоваться оборудованием любойфирмы, поставляющей платы в формате PC/104, в том числе платы ввода-вывода,жесткие или гибкие диски, PC-карты, флэш-память и т. д. Базовый комплектконтроллера фирмы Steinhoff: процессорный модуль, включающий сам процессор,4-Мбайт динамическое ОЗУ, интерфейсы для клавиатуры, мыши, два последовательныхи один параллельный порт, IDE/FDD, 128-Kбайт флэш-памяти, таймер реальноговремени, сторожевой таймер, Ethernet. Для ОС QNX обеспечивается удаленная загрузкапо сети. По усмотрению пользователя контроллер CS104 может быть укомплектованодним из следующих интерфейсов для промышленных сетей: Profibus, CAN,InterBus-S, LonWorks, II/O Lightbus, к каждому из которых поставляютсядрайверы, работающие в QNX. Для технологического программирования используетсяпакет ISaGRAF с исполнительной системой для ОС QNX. Такая архитектура ПОпозволяет на работающей системе осуществлять удаленное программирование (натехнологических языках IL, ST, FB, SFC, LD) и отладку в защищенном режимеэлементов приложения, обслуживающих отдельные 32-разрядные задачи рабочегопроцесса, что гарантирует высокую надежность работы системы в целом.

          Взаимодействиесо SCADA-системами обеспечивают драйверы для нескольких пакетов, таких как RealFlex,Sitex и др. [2]. Таким образом, контроллер CS104 позволяет построить системуАСУ ТП с использованием стандартных компонентов, обладающую модульностью имасштабируемостью, т. е. в полной мере соответствующую концепции открытыхсистем.


Литература

1. Кулаков М.В. Технические измерения иприборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. — 424 с.

2. Никитенко Е.А. автоматизация ителеконтроль электрохимической защитой магистральных газопроводов. М.: Недра,1976.

3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И.Автоматизация химических производств. Учеб. пособ. -М.: Химия, 1982. — 296 с.

4. Теория автоматического управления /Под ред. Нетушила А.В. Ч.1. -М.: Высш. шк., 1968.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теорияавтоматического регулирования. -М.: Наука, 1966.

6. Дадаян Л.Г. Автоматизациятехнологических процессов: методические указания к курсовому и дипломномупроектированию. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1985. — 225 с.

7. Камразе А.Н., Фитерман М.Я.Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Л.: Химия, 1988. — 225 с.

8. Стефани Е.П. Основы построенияАСУТП: Учеб. пособ. -М.: Энергоиздат, 1982. -352 с.

9. Автоматические приборы, регуляторы иуправляющие машины: Справочник /Под ред. Кошарского Б.Д. -Изд. 3-е. -Л.:Машиностроение, 1976. -486 с.

10. Голубятников В.А., Шувалов В.В.Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учебник.-М.: Химия, 1985. -352 с.

11. Теория автоматического управления:Учебник. В 2-х частях / Под ред. А.А.Воронова. -М.: Высш.шк., 1986. -Ч.1. — 367с. — Ч.2. -504 с.

12. Аязян Г.К. Расчет автоматическихсистем с типовыми алгоритмами регулирования: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ,1986. -135 с.

13. Веревкин А.П., Попков В.Ф.Технические средства автоматизации. Исполнительные устройства: Учеб. пособ.-Уфа.: Изд-во УНИ, 1996. -95 с.

14. ГОСТ 21.404-85. Обозначенияусловные приборов и средств автоматизации.

15. ГОСТ 21.408-93. Правила выполнениярабочей документации автоматизации технологических процессов.

16. Кузнецов А. SCADA-системы:программистом можешь ты не быть.// СТА. -1996. -№ 1. –С. 32 – 35.

17. Кабаев С. SCADA-пакет InTouch в отечественныхпроектах.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 88 – 90.

18. Христенсен Д. Знакомство состандартом на языки программирования PLC IEC1131-3.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 24 – 25.


СОДЕРЖАНИЕ

С.

Часть 1. ТеорияАвтоматического Управления (ТАУ)                      3

1.Основные термины и определения ТАУ.                                             3

   1.1. Основные понятия.                                                                         3

   1.2. Классификация АСР.                                                                     6

   1.3. Классификация элементов автоматических систем.                     8

2.Характеристики и модели элементов и систем.                                   8

   2.1. Основные модели.                                                                          8

   2.2. Статические характеристики.                                                                  9

   2.3. Динамические характеристики.                                                     10

   2.4. Дифференциальные уравнения. Линеаризация.                                     11

   2.5. Преобразования Лапласа.                                                             13

   2.6. Передаточные функции.                                                                16

          2.6.1Определение передаточной функции.                                   16

          2.6.2Примеры типовых звеньев.                                                    17

          2.6.3Соединения звеньев.                                                               19

          2.6.4Передаточные функции АСР.                                                          20

          2.6.5Определение параметров передаточной функции объекта

                  по переходной кривой.                                                          21

   2.7. Частотные характеристики.                                                           22

          2.7.1Определение частотных характеристик.                               22

          2.7.2Логарифмические частотные характеристики.                     24

3.Качество процессов управления.                                                                   25

   3.1. Критерии устойчивости.                                                                25

          3.1.1Устойчивость.                                                                         25

          3.1.2Корневой критерий.                                                               26

          3.1.3Критерий Стодолы.                                                                27

          3.1.4Критерий Гурвица.                                                                27

          3.1.5Критерий Михайлова.                                                            29

          3.1.6Критерий Найквиста.                                                             29

   3.2. Показатели качества                                                                      30

          3.2.1Прямые показатели качества.                                                          30

          3.2.2Корневые показатели качества.                                             31

          3.2.3Частотные показатели качества.                                            31

          3.2.4Связи между показателями качества.                                    32

4.Настройка регуляторов.                                                                       32

   4.1. Типы регуляторов.                                                                        32

   4.2. Определение оптимальных настроек регуляторов.                     33

Часть2. Средства автоматизации и управления.                              35

1.Измерения технологических параметров.                                           35

  1.1. Государственная система приборов (ГСП).                                  35

  1.2. Точность преобразования информации.                                       35

  1.3. Классификация КИП.                                                                      37

  1.4. Виды первичных преобразователей.                                                       37

  1.5. Методы и приборы для измерения температуры.                        38

          1.5.1Классификация термометров.                                                         38

          1.5.2Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.           38

          1.5.3Термометры, основанные на расширении твердых тел.                39

          1.5.4Газовые манометрические термометры.                               39

          1.5.5Жидкостные манометрические термометры.                        40

          1.5.6Конденсационные манометрические термометры.               40

          1.5.7Электрические термометры.                                                  40

          1.5.8Термометры сопротивления.                                                 42

          1.5.9Пирометры излучения.                                                          42

          1.5.10Цветовые пирометры.                                                          43

  1.6. Вторичные приборы для измерения разности потенциалов.                 43

          1.6.1Пирометрические милливольтметры.                                   43

          1.6.2Потенциометры.                                                                     44

          1.6.3Автоматические электрические потенциометры.                            44

  1.7. Методы измерения сопротивления.                                                         45

  1.8. Методы и приборы для измерения давления и разряжения.                 46

          1.8.1Классификация приборов для измерения давления.            46

          1.8.2Жидкостные манометры.                                                       47

          1.8.3Чашечные манометры и дифманометры.                              47

          1.8.4Микроманометры.                                                                           48

          1.8.5Пружинные манометры.                                                                  48

          1.8.6Электрические манометры.

                  Преобразователи давления типа «Сапфир».                         48

  1.9. Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости.     50

          1.9.1Классификация.                                                                      50

          1.9.2Метод переменного перепада давления.                               51

          1.9.3Расходомеры постоянного перепада давления.                    52

          1.9.4Расходомеры переменного уровня.                                                52

          1.9.5Расходомеры скоростного напора.                                       53

  1.10. Методы и приборы для измерения уровня.                                53

          1.10.1Методы измерения уровня.                                                 53

          1.10.2Поплавковый метод измерения уровня.                             53

          1.10.3Буйковые уровнемеры.                                                                  53

          1.10.4Гидростатические уровнемеры.                                           54

          1.10.5Электрические методы измерения уровня.                         54

2.Исполнительные устройства                                                                55

  2.1. Классификация исполнительных устройств                                  55

  2.2. Исполнительные устройства насосного типа                                55

  2.3. Исполнительные устройства реологического типа                       56

  2.4. Исполнительные устройства дроссельного типа                                    56

  2.5. Исполнительные механизмы                                                          57

3.Функциональные схемы автоматизации                                              58

  3.1. Условные обозначения                                                                             58

  3.2. Примеры построения условных обозначений приборов и средств

автоматизации                                                                                 60

  3.3. Примеры схем контроля температуры                                          64

  3.4. Примеры схем контроля давления                                                66

  3.5. Схемы контроля уровня и расхода                                                         68

Часть 3. Современные системы управления производством            69

/>/>1.Структура АСУ ТП                                                                              69

2.Устройства связи с объектом (УСО).                                                   70

3. Аппаратная и программная платформа контроллеров                      72

4. Операционная система PC-контроллеров                                           73

5. Средства технологического программированияконтроллеров                  74

6. Пример реализации контроллеров                                                      75

Литература                                                                                                         76

еще рефераты
Еще работы по остальным рефератам