В.А. Старовойтов Технические средства автоматизации. Программа, методические указания, контрольные задания и курсовая работа

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра электропривода и автоматизации

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

Программа, методические указания, контрольные задания и курсовая работа для студентов заочного обучения специальности

170500 ″ Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов″ (ХМз)

Составитель В.А. Старовойтов Утверждено на заседании кафедры Протокол № 2 от 23.10.2000 Рекомендовано к печати учебнометодической комиссией специальности 170500 Протокол № 2 от 30.10.2000

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Система автоматического управления является неотъемлемой частью технического оснащения современного производства, обеспечивая повышение качества и улучшение экономических показателей за счет реализации оптимальных технологических режимов.

Правильный выбор и грамотная эксплуатация измерительных приборов и механических средств автоматизации являются залогом надежной и эффективной работы этих систем. В немалой степени все это можно отнести и к огромному парку разнообразного оборудования и механизмов, с помощью которых осуществляется тот или иной технологический процесс. Обладая необходимыми знаниями в указанной области, будущий инженер-механик должен хорошо ориентироваться в прикладных вопросах автоматизации.

Целью преподавания настоящей дисциплины и является изучение принципов построения и действия общепромышленных и специализированных технических средств контроля и автоматизации, используемых как на химических, так и на производствах строительных материалов.

По окончании изучения дисциплины студенты должны:

1) знать принцип действия и условия использования измерительных преобразователей для получения информации о состоянии технологического процесса и оборудования;

2)знать способы и устройства для передачи измерительной и командной информации, а также средства ее отображения;

3)знать технические средства обработки информации и формирования команд управления как в локальных, так и в централизованных системах автоматизации;

4)знать устройство и принцип действия средств для использования командной информации на объекте управления;

5)научиться рассматривать изучаемое техническое средство как динамическое звено единой системы автоматического управления;

6)быть способным применить полученные знания при проектировании новых или модернизации существующих промышленных установок.

2

Курс рассчитан на 70 часов. Работа над курсом состоит из следующих этапов:

1. Самостоятельная работа по изучению теоретического материала по учебникам и учебным пособиям и выполнение курсовой работы.

2.Прослушивание краткого курса лекций в период сессии.

3.Выполнение и защита лабораторных работ.

4.Подготовка к сдаче экзамена.

Как видно из вышеизложенного, программой курса предусматривается выполнение курсовой работы, данные для которой выбираются по номеру варианта, соответствующего последней цифре номера зачетной книжки. Следует напомнить, что данная дисциплина тесно связана с изученной ранее дисциплиной ″ Управление техническими системами″ , которая в основном посвящена теории автоматического управления. Т.о. курсовая работа является обобщенной работой, решающей типичные задачи синтеза систем автоматизации.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная

1.Клюев А.С. Автоматическое регулирование: Учеб. для средн. спец. учеб. заведений. – М.: Высш. шк.,1986. – 351с.

2.Коновалов Л.И. Элементы и системы автоматики: Учеб. пособие/ Л.И. Коновалов, Д.П. Петелин. – М.: Высш. шк., 1985. – 216с.

3.Шувалов В.В. Автоматизация промышленных процессов в химической промышленности / В.В. Шувалов, Г.А. Огаджанов, В.А. Голубятников. – М.: Химия, 1991. – 480с.

4.Подлесный Н.И. Элементы систем автоматического управления и контроля/ Н.И. Подлесный, В.Г. Рубанов. – Киев: Выща школа, 1991.

– 316 с.

5.Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. – М.: Машиностроение, 1985. – 382 с.

Дополнительная

6.Лапшенков Г.И. Автоматизация процессов в химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы / Г.И. Лапшенков, Л.М. Полоцкий. – М.: Химия, 1988. – 288 с.

3

7.Промышленные приборы и средства автоматизации: Справ./ Под общей ред. В.В. Черенкова. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-

ние, 1987. – 847 с.

8.Шарков А.А. Автоматическое регулирование и регуляторы в химической промышленности. – М.: Химия, 1990. – 288 с.

9.Гинзбург С.А. Основы автоматики и телемеханики/ С.А. Гинзбург, Н.Я. Лехтман, В.С. Малов. – М.: Энергия, 1978. – 512 с.

10.Батицкий В.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности/ В.А. Батицкий, В.И. Куроедов, А.А. Рыжков. – М.: Недра, 1991. – 303 с.

11.Полоцкий Л.М. Автоматизация химических производств / Л.М. Полоцкий, Г.И. Лапшенков. – М.: Химия, 1982. – 296 с.

Тема 1. ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП): основные понятия и определения; структура измеряемых и регулируемых величин. Систематические принципы построения ГСП и ее иерархическая структура. Унификация, агрегатирование изделий и их информационная совместимость. Характеристики средств ГСП.

Изображение средств измерения и технических средств автоматизации на функциональных схемах по ГОСТ 21404-85 (6, с. 8-13, 224233; 3, с. 68-80; 7, с. 5-23; 8, с. 147-148).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При изучении данного материала следует уяснить объективную необходимость создания ГСП, являющейся основой реализации систем автоматизации практически любой сложности. Для построения последних используют четыре группы устройств, предназначенных для выполнения вполне определенных функций, и именно эти устройства являются предметом изучения настоящего курса.

В связи с этим следует обратить внимание на иерархическую структуру построения ГСП по функционально-целевому признаку, а также уяснить сущность принципов агрегатирования, оптимизации и информационной совместимости технических средств.

4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назначение приборов и средств автоматизации.

2.В чем различие естественных и унифицированных сигналов?

3.Назовите пять структурных групп измеряемых и регулируемых величин, используемых в системах автоматизации.

4.Объясните иерархическую структуру ГСП.

5.Какова суть принципов оптимизации и агрегатирования изделий ГСП ?

6.Дайте характеристики используемых в ГСП энергоносителей сигналов.

7.Какие показатели технических средств служат для характеристики их надежности ?

Тема 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ ПРОЦЕССА (ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ)

Первичные измерительные преобразователи. Датчики: назначения и требования, предъявляемые к ним (1, с. 14; 5, с. 6).

Термопреобразователи сопротивления, термоэлектрические и манометрические преобразователи (1, с. 29-31; 5, с. 43-56, 68-73; 7, с. 3764).

Преобразователи давления и разности давлений деформационные (пружинные) и электрические (1, с. 36-37; 5, с. 124-134, 136-140; 7, с. 87-128).

Сужающие устройства и ротаметры (5, с. 160-168, 176-180; 7,

с. 132-161).

Уровнемеры поплавковые, гидростатические, электрические и акустические для жидких и сыпучих сред (5, с. 194-205; 10 с. 127).

Преобразователи линейных и угловых перемещений (1, с. 38; 2,

с. 25-44; 4, с. 110-143, 162-169; 7, с. 330-346).

Преобразователи физических свойств и химического состава газов (оптико-абсорбционные, термокондукционные, термомагнитные, пнев-

5

матические, электрохимические) (5, с. 321-357; 6, с. 69-77; 7, с. 224275).

Преобразователи химического состава и физических свойств жидкостей (кондуктометрические, потенциометрические, вольтамперметрические, диэлькометрические, оптические) (5, с. 212-283; 6, с. 82-96; 7,

с. 275).

Преобразователи, нормирующие (электрические и пневматические) назначение и устройство (5, с. 111-112; 6, с. 51; 7, с.66-70, 318327).

Средства измерения напряжения, силы и мощности электрическо-

го тока (7, с. 327).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

За редким исключением любая система автоматического управления предполагает получение информации о состоянии оборудования и параметрах протекающего в нем технологического процесса. Это осуществляется с помощью одного или нескольких измерительных преобразователей, преобразующих измеряемый параметр в произвольный (естественный) или нормированный (унифицированный) сигнал аналоговой или дискретной формы, наиболее удобной для дальнейшего использования. В системах электроавтоматики это электрические системы и здесь необходимо уяснить, что выходная электрическая величина чувствительного элемента (первичного измерительного преобразователя или датчика) может представлять собой или параметр электрической цепи (R, C, L), или электродвижущую силу. Знание этих особенностей в дальнейшем позволит правильно выбрать соответствующий измерительный прибор и другие технические средства системы автоматизации.

Если выходной сигнал преобразователя не пневматический, а электрический, то следует обратить внимание на возможность его взрывозащищенного исполнения.

Унифицированный преобразователь измеряемой величины (как и датчик модульного исполнения) представляет собой чувствительный элемент и схему согласования, причем четко выделить их часто не представляется возможным. Обычно чувствительные элементы в них, преобразуют измеряемую величину в сигнал, пропорциональный длине или силе.

6

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение первичного измерительного преобразователя и датчика.

2.Какие возможности дает применение унифицированных (нормированных) сигналов ?

3.Приведите примеры формальных преобразований сигналов в датчиках: температуры, давления, расхода, кислотности среды ?

4.Объясните принцип действия какого-либо нормирующего преобразователя.

5.Для измерения каких величин используют кондуктометрические преобразователи ?

6.Приведите примеры измерительных преобразователей угловых перемещений.

7.Какие дополнительные устройства применяют при измерениях больших токов и напряжений ?

Тема 3. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Аналоговые показывающие и регистрирующие (записывающие) вторичные приборы электрические и электронные (милливольтметры и логометры, автоматические приборы следящего уравновешивания) (1, с. 32-34; 3, с. 149-151; 5, с. 73-81; 6, с. 55-65; 7, с. 357-411).

Приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой (6, с. 59-60; 7, с. 390-397).

Вторичные пневматические приборы (6, с. 170-172; 7, с. 411-417; 8, с. 235-242).

Цифровые показывающие вторичные приборы (6, с. 62; 7, с. 417-

422).

Устройства цифровой и знаковой индикации (7, с. 422-423; 9,

с.334-337).

Световая и звуковая сигнализация (3, с. 73-92; 141). Алфавитно-цифровые печатающие устройства (2, с. 91-92). Дисплеи (мониторы) (3, с. 137-140).

7

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Рассматриваемые приборы можно использовать в системах автоматизации различных уровней управления как непосредственно для наблюдения за текущими значениями контролируемых параметров, так и для их документирования (записи при наличии записывающего устройства).

Некоторые модификации вторичных приборов, благодаря установке внутри них дополнительных устройств, могут выполнять и другие функции: осуществлять дистанционную передачу показаний, преобразовывать электрический сигнал в пневматический, интегрировать и т.п. Кроме того при наличии встроенных регулирующих устройств приборы могут осуществлять еще и функции автоматических регуляторов с практически любым законом регулирования.

Большая часть вторичных записывающих аналоговых приборов выполнена по схеме следящего уравновешивания независимо от элементной базы. Все они предназначены для использования в комплекте с измерительными преобразователями, имеющими на выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока (для милливольтметров и потенциометров) или изменения активного сопротивления (для миллиамперметров или мостов). Соответствие измерительного преобразователя с естественным выходным сигналом и прибора определяется по идентичности номинальных статических характеристик (градуировок). При наличии нормированного выходного сигнала шкала прибора выбирается в пределах измерения этого сигнала или же в процентах (обычно 100) от этого предела.

Следует помнить, что информация о состоянии (положении) может быть подана и от исполнительного устройства. Для ее отображения обычно используются простейшие милливольтметры магнитоэлектрической системы. В общем случае сигнализация о крайних (предельных) значениях контролируемых параметрах выдается на световые или звуковые индикаторы различных типов, размещенные как на пультах управления, так и на соответствующих мнемосхемах (графопанелях).

8

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Изобразите упрощенную принципиальную схему измерительного прибора следящего уравновешивания (моста или потенциометра).

2.Объясните принцип действия логометра.

3.Можно ли одним измерительным прибором измерять несколько (3, 6 или 12) однородных величин?

4.Можно ли одним измерительным прибором измерять несколько разнообразных величин?

5.Для чего нужна запись измеряемых величин?

6.Какие типы указателей измерительных приборов вам извест-

ны?

7.Назовите приборы прямого измерения.

8.В чем заключается и как реализуется в приборах принцип следящего уравновешивания ?

Тема 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ И УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Классификация регуляторов и общие принципы их функциониро-

вания (1, с. 222-225; 6, с. 96-101; 8, с. 135-140).

Практическая реализация Пз, П, И, ПИ, ПД и ПИД законов регу-

лирования (1, с. 225-247; 6, с. 112-123).

Регуляторы прямого действия (7, с. 605-638; 8, с. 141-145). Регуляторы электрические (электронные) аппаратного типа (1,

с.258-286; 2, с.207-212; 6, с.131-143).

Регуляторы электрические (электронные) приборного типа (8,

с.148-155).

Микропроцессорные контроллеры (ремиконт, ломиконт) (3,

с. 151-162; 6, с. 143-158; 7, с. 528-533; 8, с. 267-276).

Контроллеры системы ТDС 3000 (8, с. 271-276). Электрические датчики-реле (7, с. 424-502; 10, с. 129-130).

Регуляторы пневматические и вспомогательная аппаратура управ-

ления (1, с. 303-310; 6, с. 112-121).

Программные регуляторы (8, с.182-184).

Пускорегулирующая аппаратура: релейно-контактная (2, с.44-73), бесконтактная (2, с. 75-80).

9

Логические элементы: основные функции, их преобразование и реализация релейно-контактными элементами (2, с. 136-157).

МикроЭВМ и микропроцессоры (2, с. 92-97; 8, с. 256-267).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Независимо от классификационных признаков регулятором называют устройство, предназначенное для выработки сигналов управления (командной информации), изменяющихся по определенному закону (Пз, П, И, ПИ, ПД и ПИД) и обеспечивающих протекание техпроцеса в желаемом направлении.

Промышленные электрические (электронные) регуляторы могут быть встроены в измерительные приборы (приборный тип) или же выполнены в виде автономных блоков (аппаратный тип), воспринимающих информацию непосредственно от датчиков. Основу любого регулятора составляет законоформирующее устройство. В современных электронных регуляторах это устройство выполняется на базе операционных усилителей. Помимо формирования закона регулирования регулятор (регулирующий прибор, субблок) может выполнять и другие функции, например суммирование сигналов, демпфирование, ручное управление исполнительным механизмом и др. Для этого он снабжается органами настройки и оперативного управления. При этом последние могут быть реализованы в виде отдельных устройств (панели управления, задатчики и т.д.), объединенных совместно с регулятором в единый комплекс. Как правило, регулятор предназначен для работы с вполне конкретным исполнительным механизмом, так как только в комплекте с ним возможна реализация того или иного закона регулирования.

Следует помнить, что за процесс формирования закона регулирования отвечают три основных элемента: устройства усиления, дифференцирования и интегрирования. Все эти операции, помимо основных (сложение, деление и др.), могут выполнять и микропроцессорные устройства, а также микроЭВМ. Таким образом последние можно также рассматривать и как автоматические регуляторы.

Проигрывающие электронным в быстродействии пневматические регуляторы позволяют реализовать не менее сложные законы регулирования. Они объединены в единую систему ″ Старт″ , включающую в себя другие функциональные блоки и устройства. Унифицированный