Классификация и общая характеристика управления. Законы регулирования, регуляторы, исполнительные механизмы и регулирующие органы. Программно-технические комплексы. Контроллеры.
Для эффективного использования полученной ИИС информации об объекте управления необходимо ее проанализировать, выработать по определенным алгоритмам соответствующие команды и передать их к объекту для непосредственного формирования управляющих воздействий в конкретной физической форме. Все эти операции должны осуществляться в требуемом темпе (быстродействии), задаваемом ходом технологического процесса.
Качественный и количественный состав технических средств этой группы главным образом и определяет уровень автоматизации объекта.
В зависимости от выполняемых техническими средствами функции при переработке информации канал управления может быть представлен обобщенной функциональной схемой, приведенной на рисунке 1. В конкретном канале управления ряд средств может отсутствовать.
Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема канала управления
Полученная в ИИС контрольная информация об объекте направляется в группу устройств формирования команд (УФК) управления. Сигналы команд управления с помощью исполнительных механизмов (ИМ) преобразуются в величины, удобные для воздействия на регулирующие органы (РО) конкретных технологических аппаратов. Например, электрический командный сигнал включает электропривод, воздействующий на проходной клапан, изменяющий расход воды. С помощью РО происходит изменение потоков материала, энергии и т. п. в объекте управления, приводящее к соответствующей корректировке хода технологического процесса.
В зависимости от уровня автоматизации в УФК можно выделить технические средства соответствующих уровней управления. К средствам I, представляющим нижний уровень управления, относятся регулирующие устройства местных (локальных) и автономных систем регулирования. Средства II включают в себя устройства агрегатированных комплексов централизованных систем управления, осуществляющих регулирование взаимосвязанных объектов. Управляющие команды вырабатываются средствами III высшего уровня, включающими в себя различные вычислительные машины и вычислительные комплексы. Их наличие соответствует созданию на предприятии автоматизированной системы управления.
Управляющие команды на исполнительные устройства (ИМ и РО) могут подаваться как непосредственно со средств верхнего уровня управления, так и через средства более низких уровней, корректируя их работу.
Как и в начале получения информации ИИС, в канале управления имеются источники энергии ИЭ, которые могут быть общие с ИИС.
Выбор режимов работы УФК и ИМ, контроль их состояния и исправности осуществляется группой задающих устройств и вспомогательного оборудования (ЗУ и В). В сложных системах управления сюда могут входить разнообразные технические средства, включая вычислительные машины. В простейшем случае в локальных системах это могут быть ключи выбора вида управления («Местное», «Автоматическое») и дистанционные указатели (датчики) положения выходного органа ИМ.
В системах с регуляторами прямого действия бывает трудно выделить отдельные функциональные элементы, конструктивно объединенные в одно целое.
Передача сигналов команд управления от УФК до ИМ при больших расстояниях осуществляется, как и в ИИС, с помощью различных средств телемеханики.
Каждая функциональная группа канала управления включает в себя различные типы технических средств всех трех ветвей ГСП, отличающихся номиналами для разных условий применения. На высших уровнях наибольшее распространение получили электрические средства управления;
Таким образом, в канале управления могут использоваться технические средства всех шести групп ГСП, а также средства, не входящие в ГСП.
Промышленные автоматические регуляторы.
Одной из основных частей низовой локальной системы автоматического регулирования (САР) является регулятор. В общем случае регулятором называется автоматическое устройство, вырабатывающее управляющий сигнал (для исполнительных устройств САР) по определенному закону (алгоритму) в соответствии с величиной и знаком рассогласования. Под рассогласованием (отклонением, ошибкой) понимается разница между действительным (текущим) и заданным значением регулируемого параметра или пропорциональными ему сигналами. Промышленный автоматический регулятор в общем виде представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов и устройств осуществляющих преобразование полученной информации в управляющий сигнал, удобный для воздействия на регулирующий орган (клапан, шибер, дозатор и т. п.) объекта управления.
В настоящее время, как правило, используются универсальные регуляторы, применяемые для широкого круга объектов. Они обладают широким диапазоном разнообразных параметров настройки, что позволяет применять их на разнообразных объектах, повышает серийность и снижает стоимость отдельного регулятора.
Кроме этого, по конструкциям различают приборные регуляторы, имеющие в своем составе вторичные приборы, облегчающие наблюдение и настройку САР, и агрегатные (или блочные), в которых сигнал с датчика сразу поступает на измерительный блок регулятора. Здесь для наблюдения и настройки САР необходимо пользовать дополнительные вторичные приборы.
В реальных промышленных регуляторах формирование необходимого закона осуществляется вследствие применения различных обратных связей.
Передаточная функция реального промышленного регулятора Wp(р) отличается от идеальной и ее можно представить в виде произведения передаточной функции идеального регулятора Wид(р) на передаточную функцию некоторого балластного звена Wбал(р) записать в виде
Wp(р) = Wид(р)* Wбал(р).
Позиционные электрические регуляторы в простейшем случае реализуют с помощью контактных микропереключателей, встраиваемых во вторичные приборы. При достижении стрелкой прибора заданного предельного значения механический кулачок воздействует на микропереключатель, который остается в новом состоянии до возврата стрелки за заданное значение.
Параметрами настройки двухпозиционного регулятора является выбор величины (степени) релейного открытия и закрытия регулирующего органа.
При трехпозиционном законе параметрами настройки являются величина зоны нечувствительности и скорость изменения регулирующего воздействия.
Благодаря простоте, надежности и дешевизне позиционные регуляторы довольно распространены, хотя точность регулирования САР на их основе сравнительно низка.
Пневматические аналоговые регуляторы благодаря своей надежности и безопасности работы в сырых и агрессивных средах находят применение, например, в отделениях приготовления реагентов.
Пневматические аналоговые регуляторы могут формировать П-, ПИ- и ПИД- законы регулирования.
Автоматические самонастраивающиеся регуляторы типа АРС производят поиск и поддержание экстремального значения регулируемого параметра. Поиск экстремума осуществляется путем принудительного изменения регулятором входного параметра процесса с разной скоростью для разных по инерционности объектов. Регулятор “запоминает” предыдущее значение регулируемого параметра и, сравнивая его с последующим, определяет направление дальнейшего поиска.
Гидравлические регуляторы, используя в качестве усилительно-преобразующего устройства струйную трубку, золотник или элемент сопло-заслонка (гидравлический) и охватывающую эти элементы гидравлическую изодромную обратную связь, могут также формировать П-, И- и ПИ закон регулирования. Гидравлические регуляторы применяются в САР, где требуются большие перестановочные усилия.
В электропневматических и электрогидравлических регуляторах имеются различные конструкции (золотниковые, электросиловые типа сопло-заслонка и др.) преобразователей электрических сигналов в пневматические или гидравлические. Это позволяет использовать для получения, обработки и перёдачи информации на большие расстояния электрические сигналы, а для тяжелых и взрывоопасных условий работы регулирующих органов применять пневматические и гидравлические исполнительные механизмы.
В регуляторах прямого действия, кроме классического с поплавком, в качестве датчика - преобразователя и источника энергии используют биметаллические пластинки и термобаллоны с расширяющейся средой (в регуляторах температуры), мембраны и сильфоны (в регуляторах давления), передающие выработанные усилия при отклонении регулируемого параметра от задания на соответствующие (требующие небольших усилий) регулирующие органы.
Совершенствование регуляторов связано, с одной стороны, с желанием получить более качественные и надежные САР, с другой — с развитием их элементной (конструктивной) базы.
Разработаны пневматические регуляторы с переменной структурой, позволяющие реализовать более сложные нелинейные законы регулирования. Коэффициент усиления и постоянная времени интегрирования этих регуляторов автоматически переключаются с одного режима на другой в зависимости от соотношения значений сигнала рассогласования и скорости его изменения. Это позволило создать более качественные САР для объектов с большими запаздываниями и возмущениями.
Развитие цифровой вычислительной техники позволило создать дешевые микропроцессоры, функции которых определяются не жесткой электрической схемой, а специальной программой, которая легко может быть изменена оператором.
Микропроцессорный комплекс послужил аппаратурной основой цифровых контроллеров, предназначенных для распределительного (по отдельным аппаратам, технологическим операциям) управления технологическими процессами на уровне местных локальных САР (вместо аналоговых регуляторов). Наличие запасных каналов, блоков памяти и специальной программы проверки нормальной работы САР значительно повысило как надежность системы управления, так и ее функциональные возможности.
Исполнительные механизмы.
Сигналы, выработанные устройствами формирования команд (УВМ, регулирующими блоками), поступают на исполнительные устройства.
Исполнительные устройства относятся к пятой функциональной группе средств ГСП и включают в себя местные средства управления и усилители мощности (УМ) командных сигналов, исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (РО).
Местные средства управления вместе с усилителями мощности (если они необходимы) предназначены для ручного, неавтоматического управления ИМ. Это могут быть различные универсальные переключатели (ключи) для выбора режимов работы (“Местное”, “Автоматическое”) по месту и подачи сигналов на усилители мощности или сразу на ИМ, тумблеры и кнопки, предназначенные также для ручной подачи командных и исполнительных сигналов соответственно на усилители мощности и ИМ.
Наиболее распространенными усилителями мощности являются релейные усилители — реле, пускатели, контакторы, которые скачкообразно меняют подвод энергии к ИМ, что не позволяет плавно изменять скорость или усилие, развиваемое ИМ, но зато релейные усилители мощности самые простые и дешевые;
магнитные усилители, получившие в свое время широкое распространение для электрических ИМ благодаря возможности плавного изменения подводимой к ИМ мощности; они дешевы, надежны, но громоздки;
тиристорные усилители мощности для электрических ИМ, получающие все большее распространение с ростом их надежности и уменьшением стоимости;
различные золотниковые устройства, элементы типа “сопло – заслонка”, струйные трубки для пневматических и гидравлических ИМ.
Исполнительные механизмы предназначены для преобразования командных сигналов в сигналы, удобные для воздействия на конечное звено систем автоматики — регулирующий орган.
УФК
Щит
ИМ
Щ
1
8
2
9
3
10
6
4
7
5
РО
Рисунок 2 - Обобщенная структура исполнительного механизма
На рисунке 2 приведена обобщенная структура ИМ с функциональными связями между элементами.
Сигналы с устройств формирования команд УФК через усилители мощности 1 подаются на основной элемент — исполнительный двигатель 2 (электродвигатель, поршень, мембрана и т. п.), служащие источником силового воздействия на РО. Силовое воздействие через элемент сцепления З (муфта, шарнир и т.п.) передается на выходной передаточно - преобразующий элемент 4 ИМ. Это могут быть различного рода редукторы с выходным рычагом или штоком.
Остальные элементы являются вспомогательными, но необходимыми для качественной и надежной работы ИМ.
Концевые выключатели 5 прекращают передачу энергии с усилителей мощности 1 при достижении выходным элементом крайних положений. Крайние (предельные) положения ИМ определяются как конструкцией самого ИМ, так и пределами допустимого перемещения РО.
Могут быть и другие элементы защиты 6, прекращающие подачу энергии при нарушении нормальной работы ИМ.
Датчики обратной связи 7 вырабатывают сигнал, пропорциональный величине перемещения выходного элемента ИМ. Их используют для визуального контроля положения РО как по месту установки ИМ, так и на расстоянии (щит оператора) с помощью дистанционных указателей положения (ДУП) 8. Кроме того, сигнал датчиков обратной связи может быть использован УФК для формирования команд управления.
Датчик обратной связи по скорости 9 служит при необходимости для стабилизации скорости перемещения выходного элемента ИМ.
Механизм ручного дублера 10 (специальный штурвал, ручка с расцепителем) позволяет перемещать выходной элемент 4 вручную при отсутствии энергии, поломке двигателя или при наладке ИМ.
Элементы 1 и 8 могут быть установлены как на самом ИМ, так и на щитах управления.
В конкретной модели ИМ ряд элементов (кроме двигателя и выходного элемента) может отсутствовать.
Некоторые исполнительные механизмы оснащают успокоителями (тормозными устройствами), уменьшающими выбег ИМ при его отключении.
Основным требованием, предъявляемым к ИМ, является перемещение РО с возможно меньшим искажением законов регулирования, формируемых управляющим устройством, т. е. ИМ должен обладать достаточным быстродействием и точностью.
Основными показателями исполнительных механизмов являются:
1. Номинальные значения вращающегося момента на выходном валу или усилия на его выходном штоке.
2. Максимальные значения вращающего момента на выходном валу ИМ или усилия на его выходном штоке.
З. Время оборота выходного вала ИМ или хода его штока.
4. Максимальная величина угла поворота выходного вала или хода штока.
ИМ различных ветвей ГСП имеют существенно отличные механические или внешние характеристики, т. е. зависимость частоты вращения n от момента М [n=f(М)] или скорости перемещения υ от толкающего (тягового) усилия Р [ υ = φ (Р)].
Классификация по режимам работы относится главным образом к электрическим ИМ, для которых имеют значения тепловые нагрузки.
Таблица 1 - Общая классификация ИМ без учета их конкретных конструктивных особенностей
|
Принцип классификации |
Виды исполнительных механизмов |
|
По виду используемой энергии для выходного элемента |
Электрические, пневматические, гидравлические |
|
По исполнению |
Нормального исполнения, специального исполнения; взрыво-, водо-, влаго-, термо-, вибростойкие |
|
По характеру и назначению в САР
|
дискретные, непрерывные, следящие и программные |
|
По скорости движения |
Быстроходные, тихоходные |
|
По времени (режиму) работы
|
Кратковременного действия, повторно-кратковременного, продолжительного |
|
По способу управления |
Для местного управления, дистанционного, телеуправления |
|
По мощности |
Маломощные, средней мощности, мощные |
|
По характеру движения выходного элемента |
Поворотные, прямоходные |
В свою очередь электрические ИМ можно классифицировать на ИМ переменного и постоянного тока; многофазные и однофазные; электромагнитные и электродвигательные (моторные); прямоходные, поворотные и многооборотные.
Основными преимуществами электрических ИМ являются неограниченный радиус действия и возможность применения при низких температурах окружающей среды.
Наиболее распространенные электрические исполнительные механизмы серии МЭО (механизм электрический однооборотный.) Вы рассмотрели на лабораторной работе.
Пневматические ИМ в качестве энергии для приведения в действие выходного элемента используют сжатый воздух с различными параметрами давления.
Пневматические ИМ применяют для процессов не требующих большого быстродействия, в помещениях с повышенной пожаро- и взрыво- опасностью, с агрессивной средой. Однако прямое управление с помощью давления сжатого воздуха пневматическими ИМ имеет ограниченный радиус действия.
В зависимости от конструкции преобразующего силового элемента пневматические ИМ делятся на мембранные, поршневые, сильфонные и лопастные (поворотные), которые, в свою очередь, могут быть пружинные или беспружинные, прямоходные или поворотные.
В пружинных ИМ одностороннего действия обратный ход выходного элемента осуществляется за счет действия пружины.
Пневматические ИМ имеют мягкие характеристики, что предотвращает их поломку в стопорном режиме, но приводит к значительному снижению скорости перемещения при возрастании сопротивления нагрузки.
Пневматические ИМ имеют ручной дублер, представляющий обычно различные резьбовые устройства с маховиком.
Для сигнализации крайних положений ИМ применяют как пневматические сигнализаторы крайних положений, так и электрические.
Указатели положения штока ИМ представляют различные перемещения штока в пропорциональный пневматический сигнал.
В пневматических ИМ имеются фиксаторы, которые фиксирую заданное положение выходного элемента ИМ при аварийном изменении командного сигнала. Наиболее употребительны два типа фиксаторов: пневматические и механические. Принцип действия пневматических фиксаторов заключается в автоматическом отсекании объема сжатого воздуха, находящегося в данный момент в рабочей полости ИМ. Действие механических фиксаторов состоит в торможении штока ИМ с помощью колодок, кулачков и т. д.
Наиболее распространены мембранные ИМ, имеющие достаточный ход и усилие на выходном элементе.
Гидравлические ИМ используют в качестве рабочей среды жидкости (обычно масло) и применяют для создания больших (до нескольких тонн) перестановочных усилий. При этом они обладают очень жесткой механической характеристикой. Имеются поршневые, мембранные и лопастные гидравлические ИМ, которые в свою очередь могут быть прямоходные и поворотные.
Управление ИМ обычно осуществляется через электрогидравлическое реле с золотником. Эти ИМ комплектуются электродвигателем с насосной станцией и системой ее управления.
Радиус действия гидравлических ИМ еще более ограничен, чем пневматических. С увеличением расстояния растут потери давления и уменьшается быстродействие.
Регулирующие органы.
Конечным звеном САР, осуществляющим непосредственное воздействие на объект регулирования, является регулирующий орган (РО).
РО изменяет поток материала, энергии, взаимное расположение частей агрегата в направлении необходимого хода технологического процесса.
При расчетах систем регулирования РО относят к объекту и его входную величину, обычно выражаемую в процентах хода регулирующего органа (% х. р. о.), принимают за вход объекта. РО и конструктивно бывает выполнен вместе с объектом регулирования (шибер флотационной машины, направляющий аппарат дымососа).
По назначению регулирующие органы в ГСП классифицируются на РО для жидких и газообразных сред; сыпучих и твердых тел; потоков энергии сжатого воздуха и жидкости под давлением; потоков электроэнергии.
По конструктивным особенностям РО для потоков жидких и газообразных средств делятся на клапаны, заслонки, задвижки, краны, шиберы, форсунки, дозаторы, вентили, золотники.
Для сыпучих и твердых тел применяют различного рода питатели и дозаторы.
Потоки энергии изменяют с помощью различного рода электрических машин (генераторов), реостатов, автотрансформаторов, регулируемых дросселей, ионных и полупроводниковых элементов.
Основной характеристикой РО является его статическая характеристика, т.е. зависимость между выходным параметром у0 РО (расходом, давлением, напряжением) и величиной перемещения РО в процентах от максимального.
Динамические параметры РО (инерционность, запаздывание) обычно намного меньше, чем у самого объекта регулирования, и специально не рассматриваются.
РО типа поворотная заслонка является наиболее простым и широко распространенным, отличается небольшим усилием для своего перемещения. Применяется главным образом для регулирования расхода слабо загрязненных газообразных сред.
Односедельные и двухседельные клапаны применяют для управления расходом довольно чистых жидкостей и газов.
Поворотный шибер (сливной порог) применяется для автоматического регулирования уровня сильно загрязненных жидкостей (например, пульпы на сливе флотационной машины). Порог обычно выполняется из куска транспортерной ленты, верхняя кромка которого укреплена металлическим жестким ребром.
Для сильно загрязненных и агрессивных жидкостей и газов применяют шланговый клапан. Клапаны герметичны от окружающей среды и не имеют сальниковых соединений.
Для регулирования расхода кускообразных и сыпучих сред (руда и готовые концентраты обогатительных фабрик) применяют различного рода пластинчатые, тарельчатые, шнековые, конвейерные и другие питатели.
Для изменения расхода различных реагентов применяют специальные РО — питатели реагентов.
Программно-технические комплексы.
В настоящее время автоматизация большинства технологических процессов осуществляется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК).
Программно-технические комплексы представляют собой совокупность микропроцессорных средств автоматизации (микропроцессорных контроллеров, устройств связи с объектом УСО), дисплейных пультов оператора и серверов различного назначения, промышленных сетей, которые позволяют связать перечисленные компоненты, программного обеспечения контроллеров и дисплейных пультов оператора.
ПТК предназначены, в первую очередь, для создания распределенных систем управления технологическими процессами различной информационной мощности (от десятков входных/выходных сигналов до сотни тысяч) в самых разных отраслях промышленности.
ПТК серийно начали производить в конце 1970-х годов ряд зарубежных фирм (Honeywell, Foxboro, Yokogawa и др.). В 1980 – 1990-х гг. появились ПТК отечественного производства (ПТК «Период», ПТК-ТЛС, ПТК РСУ, МП-8000М, МК-8000).
Широкому распространению ПТК в значительной мере способствовали улучшение элементной базы для создания малогабаритных и быстродействующих микроконтроллеров, повышение надежности управляющих вычислительных сетей, разработка эффективного программного обеспечения для промышленных контроллеров и операторских станций. В настоящее время на российском рынке нашли распространение свыше сотни ПТК отечественного и зарубежного производства. Среди отечественных выгодно выделяются ПТК Квинт, Саргон, КРУГ, Круиз, Дирижер, Техноконт, Деконт.
Закладываемые при разработке ПТК принципы типизации, унификации и агрегатирования позволяют добиться полной совместимости всех элементов комплекса, включая контроллеры, УСО, дисплейные пульты оператора, интерфейсы и протоколы сетевого обмена и др. Такой подход позволяет существенно снизить время на проектирование и монтаж АСУ ТП, проведение пуско-наладочных работ.
1.1. Классификация
Все универсальные микропроцессорные ПТК подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте управления.
1. Контроллер на базе персонального компьютера (PC)
Это направление существенно развилось в последнее время, что объясняется, в первую очередь, следующими причинами:
• повышением надежности рс;
• наличием множества модификаций персональных компьютеров в обычном и промышленном исполнении;
• использование открытой архитектуры;
• легкости подключения любых блоков ввода/вывода (модулей усо), выпускаемых третьими фирмами;
• возможностью использования широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления).
Контроллеры на базе pc, как правило, используют для управления небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в специализированных системах автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит нескольких десятков, а набор функций предусматривает сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих воздействий. Рациональную область применения контроллеров на базе pc можно очертить следующими условиями:
• выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта управления (необходима большая вычислительная мощность);
• средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;
• реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности) программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня, типа c++, pascal и др.;
• практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами. К функциям такой поддержки относятся: глубокая диагностика работы вычислительных устройств, меры автоматического резервирования, в том числе устранение неисправностей без остановки работы контроллера, модификация программных компонентов во время работы системы автоматизации и т.д.
На рынке контроллеров на базе pc в России успешно работают кампании: octagon, advantech, analog devices и др. Многие российские фирмы закупают компьютерные платы и модули ввода/вывода этих фирм и строят из них контроллеры.