Агрегатные комплексы и системы технических средств автоматизации ГСП

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

При автоматизации самых разнообразных технологических процессов возникает необходимость в применении обширной номенклатуры технических средств автоматизации, отвечающих различным требованиям эксплуатации, настройки, ремонта и т. п. Это проблема в ГСП решается на основе принципа агрегатирования, который позволяет обеспечивать построение более сложных устройств и систем из ограниченного набора более простых унифицированных изделий (модулей) методом «наращивания и стыковки» этих более простых изделий. Для обеспечения возможности «наращивания и стыковки» необходима конструктив ная и информационная совместимость изделий ГСП без дополнительной разработки устройств для их сочленения или изменения самих изделий.

В рамках ГСП выпускается ряд агрегатных комплексов и систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов, машин, агрегатов, аппаратов и др. объектов.

Комплекс приборов и аппаратуры «Каскад-1». Комплекс представляет собой транзисторный унифицированный набор высоконадежных средств автоматизации, включающий десять функциональных групп изделий: регулирующие блоки, измерительные блоки, динамические преобразователи, нелинейные блоки, логические блоки, задающие устройства, блоки управления, тиристорные усилители мощности, магнитные пускатели, вспомогательные устройства, в том числе суммирующие, согласующие, защитные, указывающие и др. Связь между датчиками регулируемых параметров и блоками комплекса осуществляется с помощью унифицированного сигнала связи 0—5 и 0-20 мА.

Блоки комплекса обеспечивают различные законы регулирования в пульсирующем и аналоговом режимах изменения выходных сигналов, а также компоновку взаимосвязанных АСР любых технологических процессов в разных режимах работы.

Комплекс «Каскад-2». В этом комплексе расширен набор входных сигналов: предусмотрено использование сигналов 4— 20 мА и 0—10 В. а также сигналов от термоэлектрических преобразователей температуры и термопреобразователей сопротивления, а также расширены функциональные возможности путем введения в состав комплекса некоторых дополнительных устройств (интеграторов, размножителей и др.).

Агрегатный комплекс электрических средств регулирования (АКЭСР). Комплекс в микроэлектронном исполнении предназначен для построения практически любых АСР, в том числе в составе централизованных систем с применением управляющих вычислительных машин (УВМ).

АКЭСР включает три основные группы технических средств: регулирующие устройства, функциональные устройства и выносные задатчики с блоками управления. Две первые группы используются для преобразования унифицированных сигналов от измерительных преобразователей и выработки управляющих сигналов в аналоговой, дискретной (импульсной) или позиционной форме для передачи их к исполнительным устройствам. Третья группа устройств предназначена для ручной установки заданий блокам и ручного дистанционного управления. Аппаратура комплекса обладает повышенной надежностью и помехозащищенностью, что достигается введением блоков гальванического разделения электрических цепей информационных н управляющих сигналов.

Агрегатный комплекс пневматических регулирующих устройств “Старт”. Комплекс построен на основе универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). В состав комплекса входят несколько типов автоматических регуляторов, а также функциональные блоки и вторичные приборы (показывающие, самопишущие, интегрирующие). С помощью технических средств комплекса могут строиться самые разнообразные системы автоматического регулирования и управления, в том числе самонастраивающиеся, многоканальные н др. Устройства системы «Старт* рассчитаны на использование в по- жаро- и взрывоопасных условиях, в помещениях с агрессивными средами и тяжелыми условиями эксплуатации.

3.5. Микропроцессорные технические средстве

Одним из перспективных направлений развития технических средств автоматизации является использование микропроцессорных больших интегральных схем (МП БИС) или просто микро процессоров (МП), применение которых дает возможность изменять алгоритм обработки данных посредством программирования Наряду с этим важнейшим результатом использования в технических средствах автоматизации микроминиатюрных больших интегральных схем (БИС) является возможность создавать электронные схемы и конструкции с высоким быстродействием и повышенной надежностью, низкой стоимости и энергоемкости.

На рис. 4.6 приведена структурная схема универсального мик роп роцессора.

Ядром микропроцессора является арифметическо-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения по командам от устройства управления (УУ) нескольких простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылка, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления (УУ) руководит работой АЛ У и внутренних регистров (ВР), которые служат для ввода, хранения и вывода двоичной информации, а также для сдвига двоичного числа. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров (ВР) служит внутренней памятью микропроцессора, расширяет возможности АЛУ и используется для временного хранении данных и команд, а также выполняет некоторые процедуры обработки информации. Отдельные части микропроцессора соединяются между собой с помощью внутрен процессоров (МП), применение которых дает возможность изменять алгоритм обработки данных посредством программирования Наряду с этим важнейшим результатом использования в технических средствах автоматизации микроминиатюрных больших интегральных схем (БИС) является возможность создавать электронные схемы и конструкции с высоким быстродействием и повышенной надежностью, низкой стоимости и энергоемкости.

На рис. 4.6 приведена структурная схема универсального мик роп роцессора.

Внешние связи микропроцессора осуществляются с помощью внешних шин: управления (ШУ), данных (ШД) и адреса (ША). Процедура обработки данных, выполняемая программно-управляемым микропроцессором, определяется программой, т. е. совокупностью команд, имеющих свой код операции и адрес.

Микропроцессоры могут встраиваться непосредственно в приборы, датчики, преобразователи, автоматические регулирующие устройства, машины, элементы технологического оборудования и др. объекты, работой которых они управляют. При этом они могут объединяться в единые централизованные системы под управлением центрального (главного) МП, что обеспечивает их координированное функционирование.

Микропроцессоры используются при автоматизации как самостоятельные технические средства или их элементы, так и в микроЭВМ, представляющих собой конструктивно законченные вычислительные устройства, которые построены на основе МП БИС в отдельном корпусе, и имеющих свои источники питания, пульты управления, узлы ввода-вывода информации (сигналов), что позволяет использовать их в качестве автономных, независимо работающих устройств со своим программным обеспечением.

На практике также применяются функциональные блоки, содержащие МГ1 БИС и оформленные конструктивно в виде отдельных плат. Такие блоки выполняют рать микроЭВМ, встраиваемой в технические средства автоматизации, и называются микроконтроллерами.

Отечественной промышленностью освоено серийное производство регулирующих микропроцессорных контроллеров типа реми- конт и лом и конт. На рис. 4.7 приведена структурная схема ре- мнконта. предназначенного для автоматического регулирования самых разнообразных технологических процессов в разных отраслях промышленности. Он содержит процессор, постоянную и оперативную память (ПЗУ и ОЗУ), устройства ввода-вывода информации (УСО) и устройство связи с оператором. Эти элементы объединены внутренней параллельной шиной и образуют физическую структуру контроллера реми- конт.

Ремиконт формирует заданный закон регулирования.* выполняет суммирование, дифференцирование. селектированне, переключение н др. преобразования аналоговых сигналов, а также обрабатывает и формирует дискретные сигналы управления. При этом реализуемые им алгоритмы управления могут задаваться и изменяться оператором непосредственно на месте эксплуатации. С помощью ремиконта возможна организация программного, каскадного, многосвязанного и др\гих видов управления технологическими процессами.

Ремиконт является многоканальным устройством, заменяющим несколько десятков аналоговых приборов и регуляторов. Для настройки ремиконта используется специальная панель, клавиши и индикаторы которой обозначены терминами, привычными для специалистов. Ремиконт снабжен также средствами информационного контроля за ходом автоматизируемого процесса и диагностическими индикаторами вида «норма». «больше», «меньше» и т. и., которые помогают обнаруживать и ликвидировать возможные отклонения и неисправности.

Одним из важнейших элементов использования микропроцессорного контроллера при автоматизации технологических процессов является программное обеспечение, которое основывается на алгоритмах. Алгоритмы управления, в свою очередь, разрабатываются на базе методов теории автоматического регулирования и управления, методов оптимизации.

Программное обеспечение контроллера включает программу диспетчера, рабочие программы, программу обслуживания пульта оператора и диагностическую программу. Программа диспетчера служит для координации процесса вычислений в режиме реального времени, а также управляет выполнением других программ. Рабочие программы выполнены в виде блоков, каждый из которых реализует один из алгоритмов управления. Набор таких алгоритмических блоков образует библиотеку рабочих программ. С помощью программы обслуживания пульта оператора обеспечивается выполнение приказов, поступающих от оператора. Диагностическая программа контролирует правильность работы всех устройств и узлов МП К.

Микропроцессорные технические средства получают все большее распространение не только как АР, но и как элементы других групп технических средств, и в первую очередь в измерительных устройствах — измерительных преобразователях (датчиках) и измерительных приборах, где они могут использоваться для повышения точности измерений, проведения вычислительных операций, введения корректирующих показателей и т. п

Основным элементом АСР (рис. 5.1) является объект регулирования (ОР) —технологический аппарат, машина, в которых поддерживается требуемое значение регулируемой величины у, называемой также выходной величиной объекта. В нашем примере ОР — теплообменник, регулируемая величина — температура продукта, выходящего из теплообменника. Температура может отклоняться от заданной под действием возмущений г, например изменения давления греющего пара, изменения начальной температуры н расхода продукта, подаваемого в теплообменник.

Для оценки хода процесса в объекте необходимо иметь измерительное устройство ИУ< вырабатывающее сигнал о текущем значении регулируемой величины в данный момент. Этот сигнал поступает на автоматический регулятор АР, сравнивающий текущее значение регулируемой величины с заданным которое вырабатывается задающим устройством ЗУ. При наличии разности между этими величинами (у—’Уля) регулятор АР формирует сигнал управления который зависит от знака и значение отклонения регулируемой величины от задания.

Сигнал управления дг_р преобразуется исполнительным механизмом ИМ в перемещение регулирующего органа ЯО, непосредственно изменяющего значение регулирующей (входной) величины х объекта. Таким образом осуществляется регулирующее воздействие: в нашем случае изменяется подача греющего пара в теплообменник с целью ликвидировать возникшее отклонение температуры от* заданного значения.

Необходимо отметить условность понятий «входная» и «выходная» величина и их отличие от входных и выходных потоков в процессе. В нашем примере подача пара и температура продукта не являются входом и выходом теплообменника в технологическом смысле (расход продукта на входе и выходу теплообменника).

При автоматизации технологических процессов используются различные АСР, которые могут быть классифицированы по нескольким признакам. По принципу р гули р о в а н и я АСР делят на действующие по отклонению, возмущению и комбинированные. Наибольшее распространение получили АСР, называемые одноконтурными и работающие ло отклонению регулируемой величины у от заданного значения у*л (рис. 5.2, а). В них при появлении отклонения (у—у_м) регулятор вырабатывает регулирующее воздействие на объект с целью привести регулируемую величину к заданному значению. В таких АСР регу лирующее воздействие осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущений. АСР по отклонению являются замкнутыми, регулятор в них включен по принципу отрицательной обратной связи, т. е. сигнал, преобразуясь, передается с выхода объекта регулирования на его вход. Примем у%_л = = 0, тогда регулируемую величину у (/) будем рассматривать как отклонение от заданного значения.

При регулировании по возмущению (рис. 5.2, б) регулятор АР в получает информацию о текущем значении основного возмущающего воздействия z\. При изменении его и несовпадении с номинальным значением г\*л регулятор формирует регулирующее воздействие Хр* направляемое на объект. В таких АСР возмущающее воздействие может быть компенсировано еще до появления отклонения на выходе объекта. Обычно такие АСР строят по основному возмущению, например по нагрузке объекта. Нагрузкой является количество энергии или вещества, расходуемого при технологическом процессе в объекте. В контур регулирования такой АСР не поступают сигналы о текущем значении регулируемой величины у, поэтому АСР не реагирует на ее изменения в результате действия других возмущений. АСР по возмущению являются разомкнутыми.

В комбинированных АСР (рис. 5.2, в) совместно используются принципы регулирования по отклонению и по возмущению. В результате удается получить более высокое качество регулирования.

По характеру изменения заданного значе- и и я регулируемой величины АСР подразделяются на системы автоматической стабилизации, в которых заданное значение устанавливается постоянным; системы программного управления, в которых заданное значение регулируемой величины изменяется во времени по некоторому заранее заданному закону-программе;

следящие системы, в которых заданное значение является функцией внешней независимой технологической величины. Разновидностью следящих систем являются системы регулирования соотношения двух величии, например расходов двух продуктов.

При действии на вход объекта возмущения на его выходе появляется отклонение регул и ру емой вел ич и - ны и, следовательно, начинает работать автоматический регулятор. В результате в замкнутой системе протекает процесс регулирования выходной величины, или переходный процесс (рис. 5.3). Он может быть неколебательиым (апериодическим), колебательным затухающим, колебательным незатухающим с постоянной амплитудой колебаний и колебательным расходящимся с увеличивающейся амплитудой. Очевидно, что АСР. в которых проходит колебательный процесс с увеличивающейся амплитудой, неработоспособны, так как с течением времени отклонение регулируемой величины от заданного значения не уменьшается, а, наоборот, возрастает. Такие АСР называются неустойчивыми.

Если в системе возможен переходный колебательный процесс с постоянной амплитудой колебаний, то такая АСР находится на границе устойчивости. Практически она тоже неработоспособна, так как любые незначительные изменения параметров объекта или регулятора могут стать причиной превращения ее в неустойчивую АСР. Это справедливо для АСР непрерывного действия. В системе с двухпозиционной АСР (см. п. 5.3) регулируемая величина совершает незатухающие колебания (автоколебания).

Устойчивыми являются АСР. в которых протекают только апериодические или колебательные затухающие переходные процессы. Устойчивость АСР зависит от сочетания динамических характеристик объекта и регулятора. К АСР предъявляются также определенные требования по качеству регулирования, которое принято оценивать по показателям переходного процесса при скачкообразном входном воздействии.

Основными показателями, характеризующими апериодический переходный процесс в замкнутой АСР (рис. 5.4, а), являются следующие: максимальное динамическое отклонение регулируемой величины yw остаточное отклонение регулируемой величины после окончания переходного процесса j/oc?; время процесса регулирования /, н по окончании которого отклонение регулируемой величины от установившегося значения будет меньше заданного А у, определяемого требованиями к качеству регулирования.

Колебательный затухающий переходный процесс (рис. 5.4, б), кроме того, характеризуется степенью затухания:

= (У\ - Уг)1у\. (5.1)

Для устойчивых АСР 0< ф< I, причем чем ближе if к единице, тем больше запас устойчивости системы, тем ближе переходный процесс к апериодическому.

Автоматические регуляторы и их характеристики
Наиболее важной характеристикой автоматических регуляторов (АР) является закон регулирования — уравнение, связывающее перемещение регулирующего органа (РО) с отклонением регулируемой величины. Как и любой другой элемент АСР. автоматический регулятор может иметь линейную и нелинейную характеристики. В данной книге в основном рассматриваются линейные АР, из нелинейных АР приводятся сведения только о позиционных.

Позиционными называются АР. у которых регулирующее воздействие принимает только ограниченное число определенных значений. Регулирующий орган в такой АСР может занимать соответствующее число определенных положений (позиций), причем его перемещение из одного положения в другое происходит практически мгновенно. Позиционные АР делятся на несколько разновидностей в зависимости от числа возможных положений РО. Рассмотрим основные их свойства на примере наиболее простых и распространенных лвухпозициоинык АР.

Как показывает название, регулирующий орган двухпозиционного регулятора может занимать только два положения (рис. 5.8, а). Если отклонение регулируемой величины превышает значение у_тши соответствующее верхней настройке АР, то РО переключается в положение, при котором регулирующее воздействие на объект минимально (x_mm). Автоматический регулятор настраивается так, чтобы при переключении РО регулирующее воздействие заведомо превышало действие возмущения. В результате отклонение регулируемой величины начинает уменьшаться, однако РО остается в том же положении, пока отклонение регулируемой величины не достигнет нижнего значения настройки АР (у_ты). В этот момент РО переключается в положение, при котором регулирующее воздействие на объект увеличивается до максимального {х_тШж). В результате преобладающего действия возмущения отклонение регулируемой величины вновь начнет возрастать. Таким образом, в АСР с двухпозиционным АР регулируемая величина совершает незатухающие колебания, так называемые автоколебания. Качество такого переходного процесса оценивается периодом автоколебаний Т_л и их амплитудой у_л. На рис. 5.8. б изображен переходный процесс в АСР. состоящей из двухпозициониого АР и статического объекта с запаздыванием. Амплитуда у_ш и период колебаний Г. такого процесса увеличиваются с ростом инерционности и запаздывания объекта и при повышении диапазона настройки регулятора < /та« У пип-

По виду закона регулирования АР непрерывного действия делятся на интегральные (И-регуляторы), пропорциональные (П-регуляторы), пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы) и пропорционально-ннтегрально-дифференциальные (ПИД- регуляторы).

Интегральные регуляторы. Интегральным (И-регулятором) называется такой регулятор, у которого скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна отклонению регулируемого параметра от заданного значения:

dx, {t)/dt=-St> y(1). (5.21)

⇐ Предыдущая 1 2 3 45