Структура средств автоматизации
Глава I. Общая характеристика систем автоматического регулирования и управления
Предисловие
Статья II. Список литературы. 176
Раздел 1.03 9.6.Передаточные функции цифровой системы в режиме прямого цифрового управления. 171
Раздел 1.02 9.5Понятие об устойчивости импульсных систем. 169
Структура одномерной цифровой автоматической системы и ее линеаризация. 148
Общие сведения о дискретных системах. 141
Статья I. 9. Понятие о цифровых системах автоматического регулирования. 141
Обобщенная техническая структура типовой автоматической системы регулирования. 134
Техническая реализация аналоговых электрических средств автоматического регулирования. 134
Приближенный выбор параметров настроек регуляторов. 132
Интегральные показатели качества. 130
Глава 8. Понятие о качестве процессов регулирования (управления) 128
Частотный критерий Найквиста. 125
Частотный критерий Михайлова. 123
9.3 Анализ амплитудно–импульсной системы. 156
Раздел 1.01 9.4. Математическое описание амплитудно–импульсной системы. 159
Раздел 1.04 9.7.Дискретное представление дифференциальных уравнений непрерывных ПИД–регуляторов. 173
Теория автоматического управления изучает информационные процессы, протекающие в автоматических системах. При теоретическом рассмотрении процессов управления абстрагируются от физических и конструктивных особенностей систем и вместо реальных систем рассматривают их адекватные математические модели, методологической основой которых являются теория обыкновенных дифференциальных уравнений, операционное исчисление (преобразование Лапласа), гармонический анализ (преобразование Фурье).
Теория автоматического управления совместно с теорией функционирования элементов систем управления образуют широкую отрасль науки – автоматику, которая, в свою очередь, является одним из разделов технической кибернетики, изучающей мощные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и предприятиями (АСУ П), включающей в структуру управления цифровые вычислительные машины. Для информационного объединения двух основных уровней управления АСУ ТП и АСУ П используют автоматизированные системы управления производственными процессами (АСУ ПП). Использование цифрового управления переводит аналоговую систему управления в дискретную, базой математического описания которой являются дискретные преобразования Лапласа, Z-преобразование, разностные уравнения.
Данное учебное пособие представляет собой курс лекций, читаемый на протяжении многих лет студентам специальности «Промышленная теплоэнергетика», и дает основные сведения по линейной теории автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Освоение этого курса в плане общеинженерной подготовки студентов позволит пользоваться обширной учебной, научно-технической и справочной литературой по автоматическому управлению и достаточно свободно ориентироваться в вопросах автоматики.
С учетом того, что студенты специальности «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергообеспечение предприятий» являются пользователями конкретно разработанных и созданных систем автоматического управления теплоэнергетических установок, теоретический курс направлен на освоение базовых понятий теории и принципов создания систем автоматического управления с использованием минимальных знаний математики.
С учетом того, что уровень физико-математической подготовки в школах и институтах за последние 15-20 лет существенно снизился, а объем аудиторных занятий для изучения этой дисциплины в вузах за это время существенно сократился, основы линейной теории автоматического управления рассматриваются в основном на примере одномерных систем на уровне освоения основных понятий. Это дает возможность понять основные принципы построения систем управления, их анализ, определить устойчивость и качество одномерных систем и их техническую реализацию с использованием выпускаемых промышленностью технических средств.
Понятие о многомерных системах дается бегло, только на уровне понятий.
Рассмотрены основные вопросы, возникающие при переходе от аналоговых (непрерывных систем) управления к цифровым системам.
Современная автоматизация представляет собой комплекс различных автоматических устройств, каждое из которых решает свою задачу. Совокупность этих устройств определяет структуру средств автоматизации. В простых случаях автоматизации каждое средство может быть использовано как самостоятельное устройство; комплексное же использование этих средств представляет собой автоматическое управление работой технических или технологических объектов.
Предусматривается следующая структура этих устройств.
1. Автоматический контроль параметров (информационный контроль)
Предназначен для измерения текущих значений параметров технологического процесса (давления, температуры, расходов, уровня жидкости, концентрации компонентов среды и т.п.). Для получения информации о параметрах используются показывающие, регистрирующие (записывающие на дисковую или ленточную диаграмму), интегрирующие (для определения количества протекающей среды за определенное время), сигнализирующие (применяемые в схемах защит и сигнализации) приборы. Автоматический контроль решает следующие задачи: наблюдение за ходом технологического процесса, получение необходимых данных для расчета технико-экономических показателей работы агрегата (цеха, станции и т.п.) и определения качества работы автоматических систем управления (регулирования).
2. Технологическая сигнализация
Предназначена для информации о состоянии основного и вспомогательного оборудования и хода технологического процесса. Различается четыре вида технологической сигнализации: командная, контрольная, предупредительная и аварийная.
Командная сигнализация предназначена для автоматического оповещения персонала о происшедших включениях в работу (или отключениях) отдельных механизмов или запорных органов на коммуникациях. При этом обычно используется световая сигнализация (зеленая, красная или желтая лампочки). Например, включен в работу питательный насос, вентилятор, дымосос – горит красная лампочка.
Контрольная сигнализация служит для передачи командных сигналов от одного поста управления к другому (и обратно). При этом используется световая и звуковая сигнализация. Например, при снижении (или повышении) нагрузки на электростанциях, переводе котлов на другой вид топлива, переключениях в системах теплоснабжения дежурный персонал вызывается к телефону с помощью командной сигнализации – мигает красная лампочка и звенит звонок (гудок). Персонал подходит к телефону и получает информацию об изменениях в режиме работы агрегата и необходимых действиях.
Предупредительная сигнализация автоматически извещает персонал о возникновении опасных режимов работы оборудования, которые могут привести к аварии. Используют световую (горит световое табло, на нем высвечивается причина, по которой сработала сигнализация, например повышение уровня воды в барабане парового котла до первого допустимого предела) и звуковую сигнализацию (электрический звонок). Персонал таким образом предупрежден, оценивает ситуацию и решает, какие меры можно предпринять для восстановления нормального режима работы
Аварийная сигнализация предназначена для автоматического оповещения обслуживающего персонала о происшедшем аварийном отключении оборудования в результате срабатывания аварийной защиты. Используется световая (горит световое табло, на котором высвечивается причина отключения оборудования, например понижение уровня воды в барабане парового котла до второго допустимого предела) и звуковая сигнализация (гудит сирена или ревун).
3. Автоматические защиты
Они предназначены для защиты работающего оборудования от аварий. Защиты подразделяются на два вида: локальные (или местные) и основные (или аварийные).
Локальные защиты включают, отключают или переключают часть действующего оборудования при выходе некоторых параметров за допустимые пределы. Основное оборудование продолжает работать. При восстановлении параметров локальные защиты отключаются. Примеры локальных защит:
1. Защита от повышения давления пара на паровых котлах. При повышении давления пара сверх допустимого значения открываются предохранительные клапаны и пар стравливается в атмосферу. При снижении давления до нормального значения предохранительные клапаны закрываются, котел продолжает работать.
2. Защита от повышения уровня воды в барабане парового котла до второго допустимого предела. Защита открывает аварийный слив воды из барабана котла, и при уменьшении уровня воды аварийный слив закрывается. Котел продолжает работать в нормальном режиме.
3. Аварийное включение резервного питательного насоса. При выходе из строя одного из работающих питательных насосов (падает давление на нагнетании) защита включает резервный питательный насос и отключает аварийный.
Основные (аварийные) защиты отключают основное оборудование при возникновении аварийных режимов работы, прекращая подачу энергии (тепловой, химической, электрической). Например, при понижении уровня воды в барабане парового котла до второго допустимого предела защита отключает подачу топлива; при повышении числа оборотов паровой турбины сверх допустимого предела защита отключает подачу пара в турбину и т.п.. Срабатывания аварийной защиты всегда сопровождается срабатыванием аварийной сигнализации.
4. Автоматические блокировки
Предназначены для автоматического предохранения технологических участков или всего агрегата в целом от неправильных действий обслуживающего персонала. Неправильные действия могут иметь место из-за невнимательности персонала, неправильно понятых команд, ошибочных действиях при авариях. Различают две группы блокировок: запретно-разрешающие и аварийные.
Запретно-разрешающие блокировки устраняют возможность неправильных включений и отключений механизмов, производимых персоналом, неправильную по технологическим требованиям очередность пуска и остановки механизмов, что может привести к аварийной ситуации. Например, при пуске котла на газовом топливе необходимая очередность операций пуска следующая: включить дымосос, провентилировать топку, включить вентилятор, включить запальник, включить подачу газа в горелку. Если оператор нарушает порядок включения оборудования, то блокировки не дают ему этого сделать, иначе котел будет загазован и при зажигании факела может произойти взрыв газо-воздушной смеси в топке и газоходах котла. Другим примером может служить нарушение очередности включения (или отключения) транспортеров топливоподачи котельных, работающих на твердом топливе.
При пуске в работу топливоподачи первым должен быть включен последний транспортер, подающий уголь в бункера котлов, потом включается предшествующий и т.д. Последним включается транспортер, подающий уголь в систему топливоподачи от угольного склада. При нарушении этой технологической цепочки существует опасность, что при отказе работы оборудования (промежуточный транспортер не включается, а первый от склада угля уже включен) тракт топливоподачи может быть завален поступающим углем. Аналогичная ситуация возникает и при отключении системы топливоподачи (должен быть отключен первый транспортер, подающий уголь со склада, потом следующий, и так до последнего транспортера, подающего уголь в приемные бункера котлов).
Аварийные блокировки служат для последовательного автоматического отключения механизмов, расположенных по ходу производственного процесса до механизма, подвергшегося аварии, или полного отключения агрегата в технологическом порядке после срабатывания аварийной защиты. Например, после срабатывания аварийной защиты на паровом котле отключается подача топлива (газа, мазута, твердого топлива). Аварийные блокировки отключают подачу воздуха, отсекают котел от паровой магистрали (закрывают главную паровую задвижку), включают продувку пароперегревателя, снижая давление пара в котле, отключают впрыск конденсата в пароохладитель, прикрывают подачу питательной воды в котел, перекрывают подачу газа, мазута к горелкам и т.п.
5. Дистанционное управление
Используется для ручного управления на расстоянии регулирующими и запорными органами или отдельными механизмами (насосами, вентиляторами, дымососами, запорными органами с электроприводом). Применяется как самостоятельный канал управления и как резервный, действующий параллельно с автоматическим каналом управления на одни и те же регулирующие органы при отключении автоматики. Действие дистанционного управления всегда сопровождается срабатыванием контрольной сигнализации.
6. Автоматическое управление и регулирование
Основной задачей любого процесса управления техническими системами является выработка и реализация таких решений, которые при заданных условиях обеспечивают наиболее эффективное достижение цели. Целями управления технологическими процессами могут быть: поддержание значения какой-либо физической величины с заданной точностью, изменение величины по определенной заданной программе, выбор и поддержание оптимального значения величины, обеспечение максимальной производительности агрегата и т. п. Если управление осуществляется без непосредственного участия человека, его называют автоматическим.
При наиболее простых целях управления (поддержание постоянного значения какой-либо физической величины или изменение ее по заданной программе) процесс управления называют автоматическим регулированием. Автоматическое регулирование является одной из важнейших функций автоматического управления, без осуществления которой невозможна работа большинства автоматических систем управления.
Развитие теории и практики автоматического регулирования было важным историческим этапом автоматизации производства и до сих пор имеет большое самостоятельное значение. В теории автоматического регулирования были введены основополагающие понятия автоматики, сформулированы и решены вопросы устойчивости и качества автоматических систем. Теория и практика автоматического регулирования являются основой создания и развития современных автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).
В связи с этим в дальнейшем будут рассматриваться основы теории автоматического регулирования.