ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГТУ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»

Информационные технологии

и автоматизация в металлургии

учебное пособие для выполнения лабораторных работ

авторы: д.т.н., проф. Салихов З.Г., к.т.н., доц. Бекаревич А.А.

г. Москва

2007г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….3

Лабораторная работа №1 «Получение первичной информации о технологическом процессе с помощью контактных средств измерения температуры»………………………………………………………………………..4

Лабораторная работа №2 «Получение первичной информации о технологическом процессе с помощью бесконтактных средств измерения температуры»………………………………………………………………………..13

Лабораторная работа №3 «Получение первичной информации о технологическом процессе с помощью технических средств измерения давления и расхода»……………………………………………………………………………37

Лабораторная работа №4 «Исполнительные устройства»………………………..62

Введение

Настоящее пособие призвано помочь приобрести новые знания в области информационных технологий и автоматизации в металлургии, в том числе приобрести практические навыки в использовании приборов и оборудования для автоматизации технологических процессов в металлургии, а также находить и перерабатывать информацию о технологическом процессе в процессе подготовки квалифицированных кадров в области информатизации и автоматизации металлургических предприятий.

Лабораторная работа №1

«Получение первичной информации о технологическом процессе с помощью контактных средств измерения температуры»

Цель работы: Ознакомится с устройством и приобрести практические навыки получения информации о технологическом процессе с помощью типовых технических средств автоматики контроля температуры контролируемой среды контактным способом.

Теоретическая часть.

В автоматизации металлургических процессов информация есть содержание сигнала, сообщения, полученного автоматической системой об объекте управления.

Сбор – это получение максимально выверенной исходной информации, является одним из самых ответственных этапов в работе с информацией, поскольку от цели сбора и методов последующей обработки полностью зависит конечный результат работы всей информационной системы.

Технология сбора - это использование определенных методов сбора информации и технических средств, выбираемых в зависимости от вида информации и применяемых методов ее сбора. На заключительном этапе сбора, когда информация преобразуется в данные, осуществляется ее ввод в систему.

Данные – это информация, представленная в формализованном виде, пригодном для машинной (компьютерной) обработки

Для различных этапов сбора технологической информации, обычно применяются такие средства, как датчики температуры, давления, расхода и др., относящиеся к средствам 1-го уровня иерархической структуры технических средств ГСП (рис.1).

На ряду с датчиками, средства 1-го уровня включают в себя так же исполнительные устройства. Средства 2-го и 3-го уровней выполняют функции программного управления, стабилизации режимов работы ТОУ и выхода на режим, включая ручное управление и программно-логическое. Задачи исследования ТОУ и оптимизации процесса управления решаются средствами 4-го уровня. С помощью этих же средств выполняются и функции представления информации и сервисные функции.

Рис. 1. Иерархическая структура технических средств ГСП

Датчики измерения температуры контактным способом или термоэлектрические термометры - это термопары, снабженные защитной арматурой. Принцип действия термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в зависимости от температуры концов (спаев) термопары. Замкнутая электрическая цепь (рис. 2), состоящая из двух разнородных термоэлектродов “А” и “В”, образует термопару, у которой спай с температурой t называется горячим или рабочим, а спай с температурой t₀ - холодным или свободным.

Рис.2 Термопара

Суммарная электродвижущая сила в замкнутой цепи термопары выражается уравнением

где - суммарная ТЭДС термопары; , - потенциалы, возникающие местах соприкосновения термоэлектродов “AB”.

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, имеем:

Таким образом, измерение неизвестной температуры сводится к определению ТЭДС термопары при этой температуре с помощью измерительного прибора.

При введении в цепь термопары третьего проводника “С” (рис. 3), концы которого имеют одинаковые температуры, ТЭДС термопары не изменяется (то же относится и к нескольким проводникам). Потому включение в цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не отражается на величине ТЭДС самой термопары.

Рис.3 Цепь термопары с введенным третьим электродом

Термопары, как правило, градуируются при температуре холодного спая . В действительности же температура холодных спаев термопары обычно отличается от , поэтому для нахождения действительной температуры вводят поправку по уравнению:

где - ТЭДС при температурах рабочего t и холодного спаев; - ТЭДС при температурах рабочего t и холодного спаев; - ТЭДС, развиваемая термопарой при температуре рабочего спая и свободного . Знак "+" относится к случаю, когда , а минус - к случаю .

На (рис.4) показана конструкция термоэлектрического термометра в собранном виде: 1, 2 - электроды (нагреваемые концы термопара скручиваются, а затем свариваются); 3 - электроизоляционные трубки; 4 - защитный чехол; 5 - соединительная колодка; 6 - провода к измерительному прибору.

Термоэлектроды термопары изготавливаются из различных материалов, к которым предъявляются следующие требования:

а) Постоянство термоэлектродных свойств материала во времени;

б) Высокое значение развиваемой ТЭДС;

в) Высокая жаростойкость;

г) Высокая электропроводность;

д) Возможность воспроизводимости сплавов одинакового состава.

Наибольшую ТЭДС при одинаковых температурах развивает хромель-копелевая термопара ТХК, которая более удобна для измерения температур до 600°С.

Для удобства применения термопары изготавливают в соответствующей армировке, чтобы электрически изолировать термоэлектроды и защитить их от воздействия измеряемой среды.

Рис.4 Конструкция термопары

Для защиты термоэлектродов при температуре до 1000°С изолированные термоэлектроды помещают в защитный чехол из обычной (углеродистой) стали или нержавеющей. При температурах до 1300°С применяют фарфоровые защитные чехлы. При более высоких температурах используют металлокерамические газонепроницаемые защитные чехлы из диборида циркония (до 1800°С), дисилицида молибдена (до 1700°С), диборида циркония с молибденом (до 2000°С). При измерении высоких температур применяются нестандартные термопары. Наиболее перспективные из них: вольфрам-молибденовая термопара ВМ до 2000°С в восстановительной среде; вольфрам-рениевые ВР до 2300°С в инертной среде и другие.

Свободные концы термопары располагается в головке термоэлектрического термометра, температура которой бывает часто достаточно высокой и, главное, не остается постоянной, а изменяет свою величину в зависимости от условий теплообмена с окружающей средой. Поэтому соединение термопары с вторичными приборами, находящимися на некотором расстоянии в зоне более низкой и постоянной температуры, осуществляется с помощью компенсационных проводов, изготовленных из сплавов, развивающих в пределах до 100°С ТЭДС, равную ТЭДС термопары. В этом случае при изменении температуры холодного спая термопары результирующая ТЭДС термопары не изменяется.

Описание лабораторного стенда: Лабораторный стенд для выполнения работы (рис.5) состоит из ВК1 – выключатель, предназначен для включения/отключения лабораторного стенда к напряжению сети ~220В; ВК2 - выключатель, предназначен для включения/отключения нагревательного элемента печи к напряжению сети ~220В; НП1- нагревательная печь; А1 - амперметр, предназначен для измерения силы тока в цепи питания нагревательной печи; V1 - вольтметр, предназначен для измерения напряжения в цепи питания нагревательной печи; ТПР1 - управляющее твердотельное реле; ТП1 - термопара для измерения температуры в печи в зоне №1; ТП2 - термопара для измерения температуры в печи в зоне №2; R1- компенсационное сопротивление №1, предназначено для компенсации сопротивления в подводящих проводниках термопары ТП1; R2- компенсационное сопротивление №2, предназначено для компенсации сопротивления в подводящих проводниках термопары ТП2; К1 - двух позиционное коммутирующее устройство, представляет собой , предназначено для поочередной коммутации термопар ТП1 и ТП2 с микроконтроллером ОВЕН ТРМ-151; БП1 - блок питания, предназначен для создания управляющего напряжения 24В в цепи управляющего твердотельного реле ТПР1; МР1 - микропроцессорный регулятор ОВЕН ТРМ-151 с УОИ (устройством отображения информации), предназначен для контроля, регулирования и отображения на ЖК дисплее технологического параметра – температуры в нагревательной печи.

Порядок проведения работы:

1. Выключателем ВК1 включить лабораторный стенд;

2. Выключателем ВК2 включить нагревательный элемент;

3. Нагреть печь НП1 до температуры в зоне №1 450 °С, при этом переключая двухпозиционное коммутирующее устройство К1, с дискретностью 10 секунд, снять показания температуры для термопар ТП1 и ТП2, отображаемые на индикаторе регулятора МР1.

4. Выключателем ВК2 выключить нагревательный элемент печи НП1.

5. Переключая двух позиционное коммутирующее устройство К1 и наблюдая за индикатором регулятора МР1 снять показания температуры для термопар ТП1 и ТП2 с дискретностью 10 секунд, до тех пор, пока температура не снизится до 50 °С.

6. Выключателем ВК1 выключить лабораторный стенд.

Рис.5 Лабораторный стенд

Отчет по работе:

Каждый студент составляет отчет о проделанной работе объемом 4-5 стр., который должен содержать следующие материалы:

1. Краткое изложение теории;

2. Схему и описание лабораторной установки;

3. Краткое описание методики проведения лабораторной работы;

4. Экспериментальные данные в табличном и графическом виде;

5. Выводы о проделанной работе.

Контрольные вопросы:

1. Определение информации.

2. Определение сбора информации.

3. Технология сбора.

4. Определение данных.

5. Иерархическая структура технических средств ГСП.

6. Уравнение суммарной электродвижущей силы в замкнутой цепи термопары.

7. На чем основан принцип действия термопары?

8. Как устроена термопара?

9. Назначение компенсационных проводов?

10. Требования к материалам термоэлектродов.

Лабораторная работа №2

«Получение первичной информации о технологическом процессе с помощью бесконтактных средств измерения температуры»

Цель работы: Ознакомится с устройством и приобрести практические навыки получения информации о технологическом процессе с помощью типовых технических средств автоматики контроля температуры контролируемой среды бесконтактным способом.

Теоретическая часть.

Информация характеризуется определенными свойствами, зависящими как от данных (содержательной части информации), так и от методов работы с ними. Перечислим наиболее важные из этих свойств:

• информация предоставляет новые сведения об окружающем мире, отсутствовавшие до ее получения;

• информация не материальна, несмотря на то, что она проявляется в форме знаков и сигналов на материальных носителях;

• знаки и сигналы могут предоставить информацию только для получателя, способного их воспринять и распознать;

• информация неотрывна от физического носителя, но в тоже время не связана ни с конкретным носителем, ни с конкретным языком;

• информация дискретна - она состоит из отдельных фактических данных, передающихся в виде отдельных сообщений;

• в то же время информация непрерывна - она накапливается и развивается поступательно.

Такие понятия, как «качество» и «ценность», применительно к информации определить достаточно сложно в силу их субъективности. Наиболее часто под качеством информации понимают совокупность свойств, отражающих степень пригодности конкретной информации об объектах и их взаимосвязях для достижения целей, стоящих перед пользователем.

Среди основных потребительских показателей качества информации, определяющих возможность и эффективность ее использования, можно назвать следующие:

• репрезентативность - правильность отбора и формирования информации для адекватного отражения передаваемого явления;

• содержательность - семантическая емкость информации, равная отношению количества семантической информации в сообщении к объему обрабатываемых данных;

• достаточность - содержательная полнота сообщаемого набора показателей для принятия решения;

• доступность - удобство формы представления информации для восприятия потребителем;

• актуальность - степень ценности информации на момент ее использования в зависимости от срока возникновения и динамики изменения информации;

• своевременность - степень соответствия момента поступления информации назначенному моменту времени;

• точность и достоверность - близость информации к реальному состоянию описываемого объекта или явления;

• ценность - важность информации для решения конкретных задач;

• понятность - соответствие содержания информации уровню знаний потребителя;

• краткость - степень сжатости изложения сообщаемых сведений;

• устойчивость - способность информации реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности.

В теории информации также существует понятие «количества информации».

Количество информации - мера снятия неопределенности одной случайной величины в результате наблюдения за другой.

Для измерения температуры бесконтактным способом в телемеханике используют датчики измерения температуры бесконтактным способом или пирометры.

Телемеханика - область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приёма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

• удалённость объектов контроля и управления;

• необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

• недопустимость большого запаздывания сигналов;

• высокая надёжность передачи команд управления;

• высокая степень автоматизации процессов сбора информации.

Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объединить разобщённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, ж.-д. узлом), либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на металлургических и (или)химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой).

Внедрение телемеханических систем позволяет сократить численность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях.

Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия "телемеханика" всё чаще и чаще используется сокращение АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом. Современная система телемеханики также немыслима без компьютера, поэтому можно сказать, что телемеханика и АСУТП - близнецы-братья. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Например, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях - АСУТП.

В англоязычных источниках аналогом понятия "телемеханика" является сокращение SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.

В телемеханике оперируют следующими понятиями:

Телеуправление (ТУ) (в англоязычных источниках DO - Digital Output) обеспечивает дистанционное управление объектом контроля. Управление начинается с выдачи оператором (диспетчером) команды телеуправления с ЭВМ или пульта управления. Команды ТУ обычно двухпозиционные:

• ТУ Включить;

• ТУ Отключить.

Команда ТУ передается с пункта управления (ПУ) на контролируемый пункт (КП) по каналу связи. Контроллер КП, получив команду ТУ, проверяет ее достоверность и выдает электрический сигнал на исполнительное устройство (например, включает пусковое реле электродвигателя). Для контроля выполнения команды контроллер КП передает на ПУ подтверждение о корректности ТУ. Применяются также более сложные алгоритмы выдачи ТУ, например, с промежуточным контролем готовности исполнительных цепей. Для защиты команд ТУ от искажений при передаче применяют специальное кодирование, например, передают команду дважды, в прямом и инверсном виде и т.п. Обычно в одном цикле управляют только одним объектом.

Пункт Управления (ПУ) - в телемеханике и АСУТП это место размещения диспетчерского персонала, аппаратуры для приема и обработки информации от контролируемых пунктов.

В задачи ПУ входят:

• прием данных с КП по каналам связи;

• организация опроса КП при использовании одного канала связи для подключения нескольких КП;

• передача на КП команд управления;

• передача данных и прием команд ЭВМ;

• переадресация, передача данных на верхний уровень и прием команд с верхнего уровня в многоуровневых системах;

• фильтрация, преобразование и передача данных при интеграции с системами других производителей.

Для реализации полного набора перечисленных функций контроллеры ПУ оснащают микропроцессорами и соответствующим программным обеспечением. Перенастройка программного обеспечения позволяет гибко изменять конфигурацию системы, протоколы обмена и алгоритмы обработки данных в процессе эксплуатации системы. Для настройки ПУ используют специальные программы-конфигураторы, функционирующие на ПЭВМ. В современных ПУ программы и настройки хранят во внутренней FLASH-памяти контроллеров, что обеспечивает быстрый запуск системы и восстановление в случае сбоев.

Контролируемый пункт (КП) - в телемеханике и АСУТП это место размещения объектов контроля и управления, а также аппаратура, выполняющая функции контроля и управления, обычно называемая контроллером КП.

Часто под термином КП подразумевают один контроллер, установленный на контролируемом объекте.

Контроллер КП выполняет непосредственный сбор данных с объекта (посредством опроса датчиков и преобразователей) и передачу их на ПУ (реализуя функции телесигнализации и телеизмерения), а также непосредственно выполняет команды телеуправления.

На большинство технологических процессов в металлургии находятся несколько контроллеров КП. Для точной идентификации каждый из контроллеров КП на объекте имеет свой логический номер, который называют номером КП или адресом КП.

В настоящее время практически все контроллеры КП оснащены микропроцессорами и работают по заданной программе. Программное обеспечение решает задачи сбора данных (фильтрует дребезг контактов ТС и ослабляет сетевые наводки на цепи ТИ), выполняет буферизацию событий перед выдачей в канал связи.

Современные контроллеры КП вместе с базовыми функциями (ТС, ТИ, ТУ) обеспечивают интеграцию в систему различных электронных устройств: приборов учета энергии, автоматических защит и проч. Например, контроллеры КП снимают показания электронных счётчиков, расходомеров и передают их для обработки на ПУ по единому телемеханическому каналу связи.

Телесигнализация (ТC) (DI - Digital Input) используется для дистанционного контроля дискретных изменений состояния объекта, например, включен/выключен, движется/стоит, норма/авария и т.п. Для получения данных объект оснащают датчиками. В простейшем случае применяют двухпозиционные контактные переключатели, но могут использоваться и многопозиционные переключатели. Контроллер КП опрашивает состояние датчиков и при изменении состояния передает информацию о событии на ПУ в короткой посылке, обычно называемой Телесигналом. Контроллер ПУ при получении ТС передает его для обработки в ЭВМ (и на контроллер щита) для оповещения диспетчера и отображения изменившегося состояния объекта.

Телеизмерения (ТИ) (ТИТ - ТИ Текущие) (AI - Analog Input) используют для получения количественной оценки характеристик контролируемого процесса, например, температуры, напряжения, тока, давления и пр. Для измерения на объекте используют преобразователи, которые преобразуют физические параметры в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП измеряет значения этих сигналов и по запросам ПУ или спорадически передает их на ПУ в цифровом виде. ТИ поступают на ЭВМ и щит для отображения. ЭВМ следит за уровнями измерений и предупреждает оператора о превышении заданных пороговых значений (уставок).

Важным параметром телеизмерений является точность. В старых системах обычно использовались 8-разрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые обеспечивают погрешность измерения более 0,8% для однополярных сигналов и более 1,6% для двуполярных. Современные системы оснащают 10...14-разрядными АЦП, что позволяет достичь точности измерений 0,25...0,1%. Дальнейшее повышение точности ограничивается наличием наводок на измерительные цепи. Для ослабления наводок от промышленной силовой сети с частотой 50 Гц в контроллерах КП применяют алгоритмы цифровой фильтрации.

Телерегулирование (ТР) (AО - Analog Output) обеспечивает дистанционное задание уровня воздействия на объект управления. Управление начинается с задания оператором величины воздействия, а затем выдачей команды с ЭВМ. Команда ТР передается с пункта управления (ПУ) на контролируемый пункт (КП) по каналу связи. Контроллер КП, получив команду ТР, проверяет ее достоверность и выдает сигнал заданного уровня на исполнительное устройство (например, открывает вентиль на 56%). Кроме ручной выдачи управления применяется и автоматизированная выдача. В данном случае на ЭВМ устанавливают программу с алгоритмом вычисления величины управления. Для предотвращения "удара" при выдаче телерегулирования применяют плавное изменение выходного сигнала до достижения заданного уровня. Эту задачу обычно выполняет контроллер КП.

Достоверность телеизмерений и телесигнализации (отсутствие искажений данных при передаче по каналам связи) обеспечивается за счет введения в посылки кодов защиты. Обычно в посылке передают контрольную сумму данных. Наиболее надежными являются полиномиальные контрольные суммы.