auth_all
.pdfВыявление факторов наиболее влияющих на качество ТП производится путем построения диаграммы Парето и ее модификаций Продукт технологического процесса - результат технологической операции или ТП соответствующий заданным требованиям
Тема 2. Технические средства автоматизации технологических процессов
Реальная система автоматического регулирования содержит контур управления, в который включается устройства для получения информации о состоянии процесса: датчики и преобразователи сигнала датчиков, регулятор, исполнительное устройство, объект регулирования.
Устройства контроля включающие в себя: средства мониторинга, защиты, блокировки,
сигнализации, отображения информации. Устройства соединяются каналами связи по которым передаются сигналы.
К аналоговым сигналам относят отображение информации с помощью носителя,
обладающего собственными параметрами.
Аналоговые сигналы, информационные параметры которых в определенных пределах могут иметь любые значения.
Дискретными сигналами называются информационные сигналы параметры которых могут иметь ограниченные значения. Сигнал может быть закодирован при этом он отображается в виде последовательности знаков, например двоичных или буквенно цифровых Параметры измеряемые и регулируемые в системах автоматизации ТП
1.Теплоэнергетические: температура, давление, уровень, расход
2.Электроэнергетические: ток, напряжение, мощность, частота
3.Механические - линейные, угловые, скорость, деформация, твердость ..
4.Химический составконцентрация, химические свойства, например pH раствора,
компонентный состав
5. Физические свойства- влажность, плотность, вязкость, прозрачность, насыщенность света,
яркость и т.д.
11
2.1Назначение технических средств автоматизации
Датчики – чувствительные элементы воспринимают контролируемый параметр и преобразуют его в величину удобную для передачи по каналам связи или преобразования
Преобразователи переводят выходной сигнал датчиков в выходную физическую величину унифицированную или удобную для использования в конкретной системе
Регуляторы формируют сигнал рассогласования между регулируемой величиной и ее заданным значением и производят динамическое преобразование сигнала по законам регулирования
Исполнительные устройства изменяют регулирующее воздействие на объекте в соответствии с сигналом подаваемом от регулятора
Мониторинг – от ( англ. Monitoring надзирающий, проверяющий) обеспечивает
контроль технологического процесса и исключение отказов.
В подсистему мониторинга входят а) Блокировки, которые обеспечивают либо последовательное включение рабочих органов
системы, либо безопасность обслуживающего персонала б) Автоматическая защита обеспечивает контроль процесса, формирование сигнала в
критических ситуациях и использование этих сигналов для предотвращения аварии в) Автоматическая сигнализация извещает персонал о различных режимах работы оборудования
г) Система отображения обеспечивает регистрацию и сбор информации о состоянии объекта,
документирование и оперативное общение оператора с системой, в процессе решения задач по управлению ТП
2.2. Датчики
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями),
или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.
Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту,
силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения,
12
передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще.
Датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
2.2.1 Классификация датчиков
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:
В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические,
расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в химической промышленности: температура –
50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество
(масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают
неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),
датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного,
индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:
-электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;
-электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
-они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности,
чувствительности и быстродействия средств измерений.
13
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные,
фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
-аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал,
пропорционально изменению входной величины;
-цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
-бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.
2.2.2Основные принципы функционирования современных датчиков
Эффект или явление |
Преобразование |
|
|
|
|
Пироэлектрический |
Температура – |
|
эффект |
электричество |
|
|
|
|
Термоэлектрический |
Тепловая энергия – |
|
эффект |
электроны |
|
|
|
|
Электротермический |
Электричество – |
|
эффект Пельтье |
тепловая энергия |
|
|
|
|
Электротермический |
Температура и |
|
эффект Томсона |
электричество – |
|
|
тепловая энергия |
|
|
|
|
Теплопроводность |
Тепловая энергия – |
|
|
изменение |
|
|
физических свойств |
|
|
|
|
Тепловое излучение |
Тепловая энергия – |
|
|
|
Сущность
Возникновение электрозарядов на гранях кристаллов при повышении температуры
Испускание электронов при нагревании металла в вакууме
Поглощение (генерация) тепловой энергии при электротоке в цепи с биметаллическими соединениями
Поглощение (генерация) тепловой энергии при разных температурах участков в однородной цепи
Переход тепла внутри объекта в область с более низкой температурой
Оптическое излучение при повышении
14
|
инфракрасные лучи |
|
|
|
|
Эффект Зеебека |
Температура – |
|
электричество |
|
|
Фотогальванический |
Свет – электричество |
эффект |
|
|
|
Эффект |
Свет – |
фотопроводимости |
электросопротивление |
|
|
Эффект Зеемана |
Свет, магнетизм – |
|
спектр |
|
|
Эффект Рамана |
Свет – свет |
(комбинационное |
|
рассеяние света) |
|
|
|
Эффект Поккельса |
Свет и электричество |
|
– свет |
|
|
Эффект Керра |
Свет и электричество |
|
– свет |
|
|
Эффект Фарадея |
Свет и магнетизм – |
|
свет |
|
|
Эффект Холла |
Магнетизм и |
|
электричество – |
|
электричество |
|
|
Эффект Доплера |
Звук, свет – частота |
|
|
Магнитосопротивление |
Магнетизм и |
|
|
температуры объекта
Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре слоев
Возникновение ЭДС в облучаемом светом p-n переходе
Изменение электросопротивления полупроводника при его облучении светом
Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле
Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического
Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный при прохождении через пьезокристалл с приложенным к нему электронапряжением
Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный в изотопном веществе с приложенным к нему электронапряжением
Поворот плоскости поляризации светового луча при прохождении через парамагнитное вещество
Возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электротока и приложении магнитного поля
Изменение частоты при взаимном перемещении объектов
Увеличение электрического
15
|
электричество – |
сопротивления твердого тела в магнитном |
|
электросопротивление |
поле |
|
|
|
Магнитострикция |
Магнетизм – |
Деформация ферромагнитного тела в |
|
деформация |
магнитном поле |
|
|
|
Пьезоэлектрический |
Давление – |
Возникновение разности потенциалов на |
эффект |
электричество |
гранях сегнетоэлектрика, находящегося |
|
|
под давлением |
|
|
|
2.2.3.Характеристики датчиков
При проектировании необходимо учитывать следующие характеристики датчиков
Чувствительность - отношение изменения сигнала на выходе к изменениям измеряемого параметра на входе (коэффициент передачи)
S = (Xn - Xn-1)/ (Xi - Xi-1) где
(Xn - Xn-1) изменение параметра на выходе датчика; (Xi - Xi-1) изменение входной величины
Погрешность измерения: абсолютная а, относительная о, средне -
арифметическая и др.
а = Xn - X , о = Xn/X ; где Xn - показания датчика, X - истинное значение
Степень однозначности зависимости выходной величины от входной -
гистерезис
= м - б где м и б средние значения погрешности полученные
экспериментально при изменении измеряемого параметра со стороны меньших
ибольших значений до точки измерения
Статическая погрешность Xc = Xn - X при X = const
Погрешность датчика в динамическом режиме Xд = Xn - X при X = vario
Динамическая погрешность = Xд - Xc
Функциональная зависимость выходного сигнала от значений входного параметра Xn = f(X), например
Xn = a + Bx, (линейный, квадратичный, логарифмический ...)
Стабильность датчика во времени - относительная погрешность датчика по
времени
16
ρ= (Xnt1 - Xnt2)/X ;где Xnt1 и Xnt2 показания датчика в моменты времени t1 и t2, когда истинное значение контролируемой величины не изменяется
Устойчивость против механических, термических, электрических и других перегрузок
α= (Xkp - Xn)/X; Xkp - значение выходного сигнала датчика в условиях одного из видов перегрузки
2.2.4. Преобразователи
Анализ технических характеристик современных датчиков показывает, что по мере внедрения микропроцессоров ДТС становились все более интеллектуальными
(обладающими искусственным интеллектом) [2]. В настоящее время хорошие интеллектуальные возможности имеют так называемые датчики с двойной технологией,
т.е. комбинированные датчики.
Измерительные преобразователи переводят выходной сигнал объекта в выходную физическую величину: перемещение, усилие, сопротивление, напряжение, ток, частоту
Нормирующие преобразователи переводят выходной сигнал измерительных преобразователей в унифицированный
Взависимости от вида сигнала на входе и выходе измерительные преобразователи могут быть разделены на три группы:
1. Преобразователи имеющие на входе и выходе одинаковые физические величины,
например, делители напряжения.
2.Преобразователи, имеющие на входе и выходе различные физические величины.
3.Преобразователи структуры сигнала, например, аналгоцифровые и цифроаналоговые преобразователи, преобразователи кода.
Внастоящее время разработка преобразователей идет в следующих направлениях:
проектирование цифровых преобразователей на основе монолитных схем с нормированием и аналогоцифровым преобразованием сигналов непосредственно в
чувствительном элементе, с выхода снимается цифровая информация, пример, биспин:
сила светачастота.
проектирование измерительных преобразователей с двухпроводной схемой включения совместно с цифровыми датчиками.
создание нормально пассивных измерительных преобразователей, у которых отсутствует выходной сигнал до тех пор пока на схему не поступит сигнал запроса.
17
проектирование электроннооптических измерительных преобразователей, в которых отсутствует источник питания и которые совместимы с волоконнооптическими каналами связи. Преимуществовысокая устойчивость к электромагнитным помехам.
2.2.5 Методика выбора датчиков
Для использования в системе управления ТП необходимо учитывать следующие свойства и характеристики датчиков
1.пределы измерения с гарантированной точностью
2.допустимая погрешность, класс точности
3.инерционность - постоянная времени
4.устойчивость к влиянию физических параметров, контролируемой и окружающей среды /температуры, влажности .../ на нормальную работу датчика
5.устойчивость к разрушающим воздействиям контролируемой и окружающей среды:
химические воздействия, абразивные свойства ..., т.е. прочность датчика
6.предельные значения контролируемых величин и параметров окружающей среды
7.расстояние, на которое должна быть передана информация
8.недопустимость наличия в месте установки датчика вибраций, магнитных и электрических полей, радиоактивных излучений и других факторов, которые могут нарушить нормальное функционирование датчика
9.возможность применения датчика с точки зрения требований пожаро и взрыво опасности .
2.3.Регуляторы
Главная функция регулятора - формирование сигнала рассогласования между регулируемой величиной и ее заданным значением (уставкой), а также динамические преобразования сигнала рассогласования по типовым алгоритмам (законам) регулирования. Управляющий сигнал с выхода регулятора поступает на вход исполнительного устройства При построении регуляторов используют известные в теории САР методы коррекции, когда
желаемые алгоритмы достигаются с помощью последовательных и параллельных корректирующих цепей и обратных связей. В ряде случаев исполнительные устройства также участвуют в формировании необходимого алгоритма Дополнительные требования к регуляторам систем АСУТП
в режиме автоматического управления безударный переход с внешнего источника задания на внутренний и обратно.
18
ограничение выходного аналогового сигнала по верхнему и нижнему уровню и сигнализация о предельных значениях уровней.
гальваническая развязка входных и выходных цепей.
связь с устройствами верхнего уровня управления.
аналоговая и дискретная автоподстройка динамических параметров регуляторов в адаптивных системах.
Применяются регуляторы дискретного и непрерывного принципа работы, прямого и косвенного действия
2.3.1 Регуляторы непрерывного действия
1.Пропорциональные регуляторы (P- регуляторы), в которых перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения, также называются статическими В P. - регуляторах реализуется закон
Y = k(X - Xo) , где - положение регулирующего органа, т.е. выходной величины.
Преимущества P - регулятора: высокое быстродействие, малое время переходного процесса,
высокая устойчивость системы. Недостаток - наличие остаточного отклонения регулируемой величины регулируемой величины от заданного значения.
2.Интегральные астатические регуляторы (I – регуляторы), в них регулирующий орган перемещается со скоростью, пропорциональной отклонению регулируемой величины
за которое регулирующий орган переместится из одного крайнего положения в другое при максимальном
отклонении регулируемой величины от заданного значения. Тu является параметром настройки I - регулятора
Преимущества I - регулятора: исключается отклонение регулируемой величины, недостаток -
меньшие устойчивость и быстродействие
3.Пропорционально - интегральные регуляторы, (PI – регуляторы), называются также изодромными или регуляторами с упругой обратной связью, закон регулирования имеет вид В PI - регуляторе регулирующий орган при наличии
отклонения регулируемой величины сначала перемещается быстро пропорционально отклонению, а
затем продолжает свое перемещение в результате
интегрального воздействия обычно медленнее, в результате PI - регуляторы могут
19
поддержать в установившемся режиме постоянное значение регулируемой величины независимо от нагрузки и положения статический коэффициент передачи (усиления)
регулятора
4. Пропорционально - дифференциальные регуляторы (PD – регуляторы), обеспечивают перемещение регулирующего органа как пропорционально отклонению регулируемой величины, так и пропорционально скорости отклонения. PD - регуляторы еще при подходе регулируемой величины к заданному значению осуществляют действия, препятствующие переходу величины за пределы заданного значения. Закон регулирования имеет вид:
где - Tп время предварения (дифференцирования)
знак +/- указывает на то, что предварение может быть положительным и отрицательным. PD - регуляторы также называются регуляторами по первой производной, чаще применяются при регулировании быстропротекающих процессов
5.Пропорционально - интегрально - дифференциальные регуляторы (PID) или
|
изодромные с предварением, в них |
t |
регулирующий орган |
Y = k{(X - Xo) + 1/Ти (X - Xo)dt +/- Tп (X - Хo)/dt} |
перемещается пропорционально |
0 |
отклонению, интегралу и скорости |
|
отклонения регулируемой величины. Работу PID регулятора можно рассматривать как совместное действие статического и астатического регуляторов. Закон регулирования имеет вид: иллюстрация - термо шкафы различного назначения При расчете погрешности регулирования, необходимо учитывать погрешности остальных
элементов системы регулирования: датчик, преобразователь, собственно регулятор,
исполнительное устройство, объект регулирования.
2.4 Исполнительные устройства
Назначение исполнительного устройства ( ИУ ) состоит в изменении регулирующего воздействия на объект управления в соответствии с сигналам поступающим от регулятора По виду энергии, создающей перестановочное усилие ИУ разделяются на пневматические,
гидравлические, электрические и комбинированные..
-пневматические ИУ могут быть: мембранными, поршневыми и сильфонными
-гидравлические ИУ могут быть . мембранными, поршневыми, лопастными и с гидромуфтами
-электрические ИУ разделяются на электродвигательные и электромагнитные.
20