Главная · Измерения · Общие сведения о технических средствах автоматизации. Системы и средства автоматизации производства. Технические средства автоматизации Системы автоматизированного управления

Общие сведения о технических средствах автоматизации. Системы и средства автоматизации производства. Технические средства автоматизации Системы автоматизированного управления

Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.
Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, автоматизированный участок, цех и т. д.), нуждающийся в автоматическом или автоматизированном
управлении, называется объектом управления (ОУ) или техническим объектом управления
(ТОУ).
Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой
автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).
Ниже приведены наиболее широко используемые термины и их определения:
элемент - простейшая составная часть устройств, приборов и других средств, в которой
осуществляется одно преобразование какой-либо величины;(мы в дальнейшем дадим более
точное определение)
узел - часть прибора, состоящая из нескольких более простых элементов (деталей);
преобразователь - устройство, преобразующее один вид сигнала в другой по форме или виду
энергии;
устройство - совокупность некоторого числа элементов, соединенных между собой
соответствующим образом, служащая для переработки информации;
прибор - общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений,
производственного контроля, вычислений, учета, сбыта и др.;
блок - часть прибора, представляющая собой совокупность функционально объединенных
элементов.

Любая система управления должна выполнять следующие функции:
сбор информации о текущем состоянии технологического объекта
управления (ОУ);
определение критериев качества работы ОУ;
нахождение оптимального режима функционирования ОУ и оптимальных
управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев
качества;
реализация найденного оптимального режима на ОУ.
Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА.
Различают четыре типа систем управления (СУ):
информационные;
автоматического управления;
централизованного контроля и регулирования;
автоматизированные системы управления технологическими процессами.

В САУ все функции выполняются автоматически
при помощи соответствующих технических
средств.
Функции оператора включают в себя:
- техническую диагностику состояния САУ и
восстановление отказавших элементов системы;
- коррекцию законов регулирования;
- изменение задания;
- переход на ручное управление;
- техническое обслуживание оборудования.

ОПУ - операторский пункт управления;
Д - датчик;
НП - нормирующий преобразователь;
КП - кодирующие и декодирующие
преобразователи;
ЦР - центральные регуляторы;
MP - многоканальное средство
регистрации (печать);
С - устройство сигнализации
предаварийного режима;
МПП - многоканальные показывающие
приборы (дисплеи);
МС - мнемосхема;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
К – контроллер.

Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП) - это машинная система, в которой ТСА
осуществляют получение информации о состоянии объектов,
вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки
управления.
Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и
реализации с помощью локальных АСР или дистанционного
управления РО.
Различают следующие типы АСУТП:
- централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и
управления выполняет один компьютер;
- супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на
базе ТСА индивидуального пользования и центральным
компьютером, имеющим информационную линию связи с
локальными системами) ;
- распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций
контроля обработки информации и управления между несколькими
территориально распределенными объектами и компьютерами.

Типовые средства автоматизации могут
быть:
-техническими;
-аппаратными;
-программно-техническими;
- общесистемными.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТСА ПО УРОВНЯМ ИЕРАРХИИ АСУ
Информационно-управляющие вычислительные комплексы (ИУВК)
Централизованные информационные управляющие системы (ЦИУС)
Локальные информационно-управляющие системы (ЛИУС)
Регулирующие устройства и устройства управления (РУ и УУ)
Вторичный
преобразователь (ВП)
Первичный преобразователь (ПП)
Чувствительный элемент (ЧЭ)
Исполнительный
механизм (ИМ)
Рабочий
орган (РО)
ОУ

ИУВК: ЛВС, серверы, ERP-, MES-системы. Здесь реализуются все цели АСУП,
вычисляется себестоимость продукции, издержки на производство.
ЦИУС: промышленные компьютеры, пульты управления, управляющие
комплексы, средства защиты и сигнализации.
ЛИУС: промышленные контроллеры, интеллектуальные контроллеры.
РУ и УУ: микроконтроллеры, регуляторы, регулирующие и сигнализирующие
устройства.
ВП: показывающие, регистрирующие (вольтметры, амперметры,
потенциометры, мосты), интегрирующие счетчики.
ИМ: двигатель, редуктор, электромагниты, электромагнитные муфты и пр.
ЧЭ: датчики тепло-технологических параметров, перемещения, скорости,
ускорения.
РО: механическое устройство, изменяющее количество вещества или
энергии, поступающей на ОУ, и несущее информацию об управляющем
воздействии. РО могут быть вентили, клапаны, нагреватели, затворы,
задвижки, заслонки.
ОУ: механизм, агрегат, процесс.

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:
датчики;
исполнительные механизмы;
регулирующие органы (РО);
линии связи;
вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
устройства аналогового и цифрового регулирования;
программно-задающие блоки;
устройства логико-командного управления;
модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния
технологического объекта управления (ТОУ);
модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
преобразователи сигналов из одной формы в другую;
модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов
управления;
буферные запоминающие устройства;
программируемые таймеры;
специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной
подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
управляющие средства;
блоки многоконтурного, аналогового и аналого-цифрового регулирования;
устройства многосвязного программного логического управления;
программируемые микроконтроллеры;
локально-вычислительные сети.
К общесистемным средствам автоматизации относят:
устройства сопряжения и адаптеры связи;
блоки общей памяти;
магистрали (шины);
устройства общесистемной диагностики;
процессоры прямого доступа для накопления информации;
пульты оператора.

В системах автоматического управления в качестве
сигналов обычно используются электрические и
механические величины (например, постоянный ток,
напряжение, давление сжатого газа или жидкости,
усилие и т.п.), так как они позволяют легко
осуществлять преобразование, сравнение, передачу на
расстояние и хранение информации. В одних случаях
сигналы возникают непосредственно вследствие
протекающих при управлении процессов (изменения
тока, напряжения, температуры, давления, наличия
механических перемещений и т.д.), в других случаях
они вырабатываются чувствительными элементами
или датчиками.

Элементом автоматики называется простейшая конструктивно законченная в
функциональном отношении ячейка (устройство, схема), выполняющая определенную
самостоятельную функцию преобразования сигнала (информации) в системах
автоматического управления:
преобразование контролируемой величины в сигнал, функционально связанный с
информацией об этой величине (чувствительные элементы, датчики);
преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии: электрической
в неэлектрическую, неэлектрической в электрическую, неэлектрической в неэлектрическую
(электромеханические, термоэлектрические, электропневматические, фотоэлектрические и
другие преобразователи);
преобразование сигнала по значению энергии (усилители);
преобразование сигнала по виду, т.е. непрерывного в дискретный или обратно
(аналогоцифровые, цифроаналоговые и другие преобразователи);
преобразование сигнала по форме, т.е. сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока
и наоборот (модуляторы, демодуляторы);
функциональное преобразование сигналов (счетно-решающие элементы, функциональные
элементы);
сравнение сигналов и создание командного управляющего сигнала (элементы сравнения,
нуль-органы);
выполнение логических операций с сигналами (логические элементы);
распределение сигналов по различным цепям (распределители, коммутаторы);
хранение сигналов (элементы памяти, накопители);
использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные
элементы).

Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы
управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на
чертежах изображают в виде различных схем:
электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.
Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о
составе и связях любого устройства или системы.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические
схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы
соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.
Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и
взаимосвязей.
Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих
в отдельных функциональных цепях или установке в целом.
Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все
связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей
установки.
Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью
проводов, кабелей, трубопроводов.
Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.
Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения
на месте эксплуатации.
Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного
раскрытия содержания и связей элементов установки.

Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой
величины, т. е. у(t) - регулируемая величина.
Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения.
Величину g(t) будем называть задающим воздействием.
Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства
y(t)=g(t). Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на
элемент сравнения (ЭС).
На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g(t).
В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается у (t). На выходе ЭС
формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка
∆ = g(t) – y(t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный
элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования
(ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у (t) не
станет равна заданной g(t).
На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия:
нагрузка объекта, внешние факторы и др.
Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t).
Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал,
стремящийся свести это отклонение к нулю.

По выполняемым функциям основные элементы
автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы,
реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы
импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).
По роду физических процессов, используемых в основе
устройств, элементы автоматики делятся на электрические,
ферромагнитные, электротепловые, электромашинные,
радиоактивные, электронные, ионные и др.

Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) -
устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую
на его вход в виде некоторой физической величины, функционально
преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную
для воздействия на последующие элементы (блоки).

Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий
количественное преобразование (чаще всего усиление)
поступающей на его вход физической величины (тока,
мощности, напряжения, давления и т.п.).

Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство
выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных
пределах.
Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины
х определенного значения выходная величина у изменяется скачком.

Распределитель (шаговый искатель) - элемент
автоматики, осуществляющий поочередное подключение
одной величины к ряду цепей.
Исполнительные устройства - электромагниты с втяжным
и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также
электродвигатели, относящиеся к электромеханическим
исполнительным элементам автоматических устройств.
Электродвигатель - это устройство, обеспечивающее
преобразование электрической энергии в механическую и
преодолевающее при этом значительное механическое
сопротивление со стороны перемещаемых устройств.

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
Основные понятия и определения
Каждый из элементов характеризуется какими-либо свойствами, которые
определяются соответствующими характеристиками. Некоторые из этих
характеристик являются общими для большинства элементов.
Главной общей характеристикой элементов является коэффициент
преобразования (или коэффициент передачи, представляющий собой
отношение выходной величины элемента у к входной величине х, или
отношение приращения выходной величины ∆у или dy к приращению
входной величины ∆х или dx.
В первом случае К=у/х называется статическим коэффициентом
преобразования, а во втором случае К" = ∆у/∆х≈ dy/dx при ∆х →0 -
динамическим коэффициентом преобразования.
Связь между значениями х и у определяется функциональной
зависимостью; значения коэффициентов К и К" зависят от формы
характеристики элемента или вида функции у =f(х), а также от того, при
каких значениях величин подсчитываются К и К". В большинстве случаев
выходная величина изменяется пропорционально входной и
коэффициенты преобразования равны между собой, т.е. К= К" = const.

Величина, представляющая собой отношение относительного приращения
выходной величины ∆у/у к относительному приращению входной величины
∆х/х, называется относительным коэффициентом преобразования η∆ .
Например, если изменение входной величины на 2 % вызывает изменение
выходной величины на
3 %, то относительный коэффициент преобразования η∆ = 1,5.
Применительно к различным элементам автоматики коэффициенты
преобразования К", К, η∆ и η имеют определенный физический смысл и свое
название. Например, применительно к датчику коэффициент
преобразования называется чувствительностью (статической, динамической,
относительной); желательно, чтобы она была как можно больше. Для
усилителей коэффициент преобразования принято называть коэффициентом
усиления; желательно, чтобы он был также как можно больше. Для
большинства усилителей (в том числе и электрических) величины х и у
являются однородными, и поэтому коэффициент усиления представляет
собой безразмерную величину.

При работе элементов выходная величина у может отклоняться от требуемого
значения за счет изменения их внутренних свойств (износа, старения материалов и
т.п.) или за счет изменения внешних факторов (колебания напряжения питания,
окружающей температуры и др.), при этом происходит изменение характеристики
элемента (кривая у" на рис. 2.1). Это отклонение называется погрешностью, которая
может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между полученным
значением выходной величины у" и расчетным (желаемым) ее значением ∆у = у"- у.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ∆у к
номинальному (расчетному) значению выходной величины у. В процентах
относительная погрешность определяется как γ = ∆ у 100/у.
В зависимости от причин, вызывающих отклонение, различают температурную,
частотную, токовую и другие погрешности.
Иногда пользуются приведенной погрешностью, под которой понимается
отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины.
В процентах приведенная погрешность
γприв = ∆y 100/уmax
Если абсолютная погрешность постоянна, то приведенная погрешность также
постоянна.
Погрешность, вызванная изменением характеристик элемента со временем,
называется нестабильностью элемента.

Порогом чувствительности называется минимальная
величина на входе элемента, которая вызывает изменение
выходной величины (т.е. уверенно обнаруживается с помощью
данного датчика). Появление порога чувствительности
вызывают как внешние, так и внутренние факторы (трение,
люфты, гистерезис, внутренние шумы, помехи и др.).
При наличии релейных свойств характеристика элемента
может приобретать реверсивный характер. В этом случае она
также обладает порогом чувствительности и зоной
нечувствительности.

Динамический режим работы элементов.
Динамическим режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного
установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а
следовательно, и выходная величина у изменяются во времени. Процесс изменения величин х и у
начинается с некоторого порогового времени t = tп и может протекать в инерционном и
безинерционном режимах.
При наличии инерционности наблюдается запаздывание изменения у по отношению к изменению
х. Тогда при скачкообразном изменении входной величины от 0 до х0 выходная величина у достигает
установившегося Yуст не сразу, а по истечении промежутка времени, в течение которого происходит
переходный процесс. При этом переходный процесс может быть апериодическим (неколебательным) затухающим или колебательным затухающим.Время tуст(время установления), в течение
которого выходная величина у достигает установившегося значения, зависит от инерционности
элемента, характеризуемой постоянной времени Т.
В простейшем случае установление величины у происходит по показательному закону:
где Т - постоянная времени элемента, зависящая от параметров, связанных с его инерционностью.
Установление выходной величины у тем продолжительнее, чем больше значение Т. Время установления tycт выбирается в зависимости от необходимой точности измерения датчика и составляет
обычно (3... 5) Т, что дает ошибку в динамическом режиме не более 5... 1 %. Степень приближения ∆у
обычно оговаривается и в большинстве случаев составляет от 1 до 10 % от установившегося значения.
Разность между значениями выходной величины в динамическом и статическом режимах называется динамической погрешностью. Желательно, чтобы она была как можно меньше. В электромеханических и электромашинных элементах инерционность в основном определяется механической
инерцией движущихся и вращающихся частей. В электрических элементах инерционность
определяется электромагнитной инерцией или другими подобными факторами. Инерционность
может быть причиной нарушения устойчивой работы элемента или системы в целом.

Технические средства автоматизации (ТСА) предназначены для создания систем, выполняющих заданные технологические операции, в которых человеку отводятся, в основном, функции контроля и управления.

По виду используемой энергии технические средства автоматизации классифицируются на электрические , пневматические , гидравлические и комбинированные . Электронные средства автоматизации выделяют в отдельную группу, так как они, используя электрическую энергию, предназначены для выполнения специальных вычислительных и измерительных функций.

По функциональному назначению технические средства автоматизации можно подразделить в соответствии с типовой схемой системы автоматического регулирования на исполнительные механизмы , усилительные , корректирующие и измерительные устройства , преобразователи, вычислительные и интерфейсные устройства .

Исполнительный элемент - это устройство в системе автоматического регулирования или управления, воздействующее непосредственно или через согласующее устройство на регулирующий элемент или объект системы.

Регулирующий элемент осуществляет изменение режима функционирования управляемого объекта.

Электрический исполнительный элемент с механическим выходом - электродвигатель - применяется в качестве оконечного усилителя механической мощности. Эффект, оказываемый объектом или механической нагрузкой на исполнительный элемент, эквивалентен действию внутренних, или естественных, обратных связей. Такой подход используется в тех случаях, когда необходим детальный структурный анализ свойств и динамических особенностей исполнительных элементов с учетом действия нагрузки. Электрический исполнительный элемент с механическим выходом является составной частью автоматического привода.

Электрический привод - это электрическое исполнительное устройство, преобразующее управляющий сигнал в механическое воздействие с одновременным усилением его по мощности за счет внешнего источника энергии. Привод не имеет специального звена главной обратной связи и представляет собой совокупность усилителя мощности, электрического исполнительного элемента, механической передачи, источника питания и вспомогательных элементов, объединенных определенными функциональными связями. Выходными величинами электрического привода являются линейная или угловая скорость, тяговое усилие или вращающий момент, механическая мощность и т. д. Электрический привод должен располагать соответствующим запасом по мощности, необходимым для воздействия на управляемый объект в форсированном режиме.

Электрический сервомеханизм представляет собой следящий привод, который отрабатывает входной управляющий сигнал с усилением его по мощности. Элементы электрического сервомеханизма охватываются специальными элементами обратной связи и могут иметь внутренние обратные связи за счет нагрузки.

Механическая передача электрического привода или сервомеханизма осуществляет согласование внутреннего механического сопротивления исполнительного элемента с механической нагрузкой - регулирующим органом или объектом управления. К механическим передачам относятся различные редукторы, кривошипно-шатунные, рычажные механизмы и другие кинематические элементы, в том числе передачи с гидравлическими, пневматическими и магнитными опорами.

Электрические источники питания исполнительных элементов, устройств и сервомеханизмов подразделяются на источники с практически бесконечной мощностью, со значением их внутреннего сопротивления, близким к нулю, и источники с ограниченной мощностью со значением внутреннего сопротивления, отличным от нуля.

Пневматические и гидравлические исполнительные устройства - это устройства, в которых в качестве энергоносителя используется соответственно газ и жидкость под определенным давлением. Эти системы занимают прочное место среди других средств автоматизации благодаря своим преимуществам, к которым, в первую очередь, относятся надежность, устойчивость к механическим и электромагнитным воздействиям, высокий коэффициент отношения развиваемой мощности приводов к собственному весу и пожаровзрывобезопасность.

Основная задача исполнительного устройства состоит в том, чтобы усилить сигнал, поступающий на его вход, до уровня мощности, достаточного для того, чтобы оказать требуемое воздействие на объект в соответствии с поставленной целью управления.

Важным фактором при выборе исполнительного элемента является обеспечение заданных показателей качества системы при имеющихся энергетических ресурсах и допустимых перегрузках.

Характеристики исполнительного устройства должны определяться из анализа автоматизируемого процесса. Такого рода характеристиками исполнительных устройств и сервомеханизмов являются энергетические, статические, динамические характеристики, а также технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Обязательным требованием к исполнительному приводу является минимизация мощности двигателя при обеспечении требуемых значений скоростей и моментов. Это приводит к минимизации энергетических затрат. Весьма важными факторами при выборе исполнительного устройства или сервомеханизма являются ограничения по массе, габаритным размерам и надежности.

Важными составляющими систем автоматизации являются усилительные и корректирующие устройства. Общими задачами, решаемыми корректирующими и усилительными устройствами систем автоматики, являются формирование требуемых статической и частотной характеристик, синтез обратных связей, согласование с нагрузкой, обеспечение высокой надежности и унификация устройств.

Усилительные устройства усиливают по мощности сигнал до уровня, необходимого для управления исполнительным устройством.

Особые требования, предъявляемые к корректирующим элементам систем с переменными параметрами - возможность и простота перестройки структуры, программы и параметров корректирующих элементов. Усилительные устройства должны удовлетворять определенным техническим условиям по удельной и максимальной выходной мощности.

По структуре усилительное устройство представляет собой, как правило, многокаскадный усилитель со сложными обратными связями, которые вводятся для улучшения его статических, динамических и эксплуатационных характеристик.

Усилительные устройства, применяемые в системах автоматизации, можно подразделить на две группы:

1) электрические усилители, имеющие электрические источники питания;

2) гидравлические и пневматические усилители, использующие в качестве основного энергоносителя соответственно жидкость или газ.

Источник питания или энергоноситель определяет наиболее существенные особенности усилительных устройств автоматики: статические и динамические характеристики, удельную и максимальную мощность, надежность, эксплуатационные и технико-экономические показатели.

К электрическим усилителям относятся электронные вакуумные, ионные, полупроводниковые, диэлектрические, магнитные, магнитно-полупроводниковые, электромашинные и электромеханические усилители.

Квантовые усилители и генераторы составляют особую подгруппу устройств, используемых в качестве усилителей и преобразователей слабых радиотехнических и других сигналов.

Корректирующие устройства формируют сигналы коррекции статических и динамических характеристик системы.

В зависимости от вида включения в систему линейные корректирующие устройства подразделяются на три типа: последовательные, параллельные корректирующие элементы и корректирующие обратные связи. Использование того или иного типа корректирующих устройств определяется удобством технической реализации и эксплуатационными требованиями.

Корректирующие элементы последовательного типа целесообразно применять, если сигнал, величина которого функционально связана с сигналом ошибки, является немодулированным электрическим сигналом. Синтез последовательного корректирующего устройства в процессе проектирования системы управления наиболее прост.

Корректирующие элементы параллельного типа удобно использовать при формировании сложного закона регулирования с введением интеграла и производных от сигнала ошибки.

Корректирующие обратные связи, охватывающие усилительные или исполнительные устройства, находят наиболее широкое применение благодаря простоте технической реализации. В этом случае на вход элемента обратной связи поступает сигнал сравнительно высокого уровня, например, с выходного каскада усилителя или двигателя. Использование корректирующей обратной связи позволяет уменьшать влияние нелинейностей тех устройств системы, которые ими охватываются, следовательно, в ряде случаев удается улучшить качество процесса регулирования. Корректирующая обратная связь стабилизирует статические коэффициенты охватываемых устройств в условиях действия помех.

В системах автоматического регулирования и управления используются электрические, электромеханические, гидравлические и пневматические корректирующие элементы и устройства. Наиболее просто электрические корректирующие устройства реализуются на пассивных четырехполюсниках, которые состоят из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Сложные электрические корректирующие устройства включают также разделительные и согласующие электронные элементы.

В электромеханические корректирующие устройства, кроме пассивных четырехполюсников, входят тахогенераторы, импеллеры, дифференцирующие и интегрирующие гироскопы. В ряде случаев электромеханическое корректирующее устройство может быть реализовано в виде мостовой схемы, в одну из плеч которой включен электрический двигатель исполнительного устройства.

Гидравлические и пневматические корректирующие устройства могут состоять из специальных гидравлических и пневматических фильтров, включаемых в обратные связи основных элементов системы, или в виде гибких обратных связей по давлению (перепаду давлений), расходу рабочей жидкости, воздуха.

Корректирующие элементы с перестраиваемыми параметрами обеспечивают адаптивность систем. Реализация таких элементов осуществляется с помощью релейных и дискретных устройств, а также ЭВМ. Подобные элементы принято относить к логическим корректирующим элементам.

ЭВМ, функционирующая в реальном масштабе времени в замкнутом контуре управления, имеет практически неограниченные вычислительные и логические возможности. Основной функцией управляющей ЭВМ является вычисление оптимальных управлений и законов, оптимизирующих поведение системы в соответствии с тем или иным критерием качества в процессе ее нормальной эксплуатации. Высокое быстродействие управляющей ЭВМ позволяет, наряду с основной функцией, выполнять целый ряд вспомогательных задач, например, с реализацией сложного линейного или нелинейного цифрового корректирующего фильтра.

При отсутствии ЭВМ в системах наиболее целесообразно применять нелинейные корректирующие устройства как обладающие наибольшими функциональными и логическими возможностями.

Регулирующие устройства представляют собой сочетание исполнительных механизмов, усилительных и корректирующих устройств, преобразователей, а также вычислительных и интерфейсных блоков.

Информация о параметрах объекта управления и о возможных внешних воздействиях, оказывающих на него влияние, поступает на регулирующее устройство от измерительного устройства. Измерительные устройства в общем случае состоят из чувствительных элементов, воспринимающих изменения параметров, по которым производится регулирование или управление процессом, а также из дополнительных преобразователей, часто выполняющих функции усиления сигналов. Вместе с чувствительными элементами эти преобразователи предназначены для преобразования сигналов одной физической природы в другую, соответствующую виду энергии, используемой в системе автоматического регулирования или управления.

В автоматике преобразующими устройствами или преобразователями называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения регулируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства в этом смысле являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования регулирующего воздействия или с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства.

Вычислительные устройства средств автоматизации, как правило, строятся на базе микропроцессорных средств.

Микропроцессор - программно управляемое средство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одной или нескольких интегральных микросхемах.

Основными техническими параметрами микропроцессоров являются разрядность, емкость адресуемой памяти, универсальность, число внутренних регистров, наличие микропрограммного управления, число уровней прерывания, тип стековой памяти и число основных регистров, а также состав программного обеспечения. По разрядности микропроцессоры подразделяются на микропроцессоры с фиксированной разрядностью и модульные микропроцессоры с изменяемой разрядностью слова.

Микропроцессорными средствами называются конструктивно и функционально законченные изделия вычислительной и управляющей техники, построенные в виде или на основе микропроцессорных интегральных микросхем, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке и поставке рассматриваются как единое целое и применяются при построении более сложных микропроцессорных средств или микропроцессорных систем.

Конструктивно микропроцессорные средства выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока или типового комплекса, причем изделия нижнего уровня конструктивной иерархии могут использоваться в изделиях высшего уровня.

Микропроцессорные системы - это вычислительные или управляющие системы, построенные на основе микропроцессорных средств, которые могут применяться автономно или встраиваться в управляемый объект. Конструктивно микропроцессорные системы выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока комплекса или нескольких изделий указанных типов, встроенных в аппаратуру управляемого объекта или выполненных автономно.

По области применения технические средства автоматизации можно подразделить на технические средства автоматизации работ на промышленных производствах и технические средства автоматизации других работ, важнейшим составляющим которых являются работы в экстремальных условиях, где присутствие человека опасно для жизни или невозможно. В последнем случае автоматизация осуществляется на базе специальных стационарных и мобильных роботов.

Технические средства автоматизации химических производств: Справ. изд./В.С.Балакирев, Л.А.Барский, А.В.Бугров и др.-М.: Химия, 1991. –272 с.

Под определения «объекта автоматизации» попадают самые различные технические объекты (металлургические печи, транспорт, различные машины и прочие технические приспособления), а также производственные процессы, которые могут выполняться одним или целым комплексом технологических агрегатов, установок или машин при их взаимодействии с системой управления. На данном этапе развития человечества автоматизация активно внедряется во все сферы человеческой жизни, .

Постоянное совершенствование и внедрение систем автоматизации являются процессами абсолютно взаимосвязанными. С одной стороны, для модернизации различных отраслей необходимо разрабатывать и внедрять системы механизации и автоматизации в уже работающие механизмы, а с другой стороны – при создании абсолютно новой технологии необходимо предусмотреть пути ее эффективной автоматизации.

По своей иерархии технические средства автоматики классифицируют на два класса:

  • Системы автоматизированного (автоматического) регулирования САР и управления САУ;
  • Устройства, элементы и подсистемы САР и САУ;

Общей функциональной частью обеих систем является объект регулирования (управления). Объект управления – управляемая часть системы (машина или комплекс машин) установленный режим функционирования которой должен поддерживаться управляющей частью системы в соответствии с выбранной ранее задачей управления.

Система управления (СУ) – это динамический замкнутый комплекс, который состоит из управляемых объектов и трех подсистем: логико-вычислительной, информационной и исполнительной. Обобщенная схема приведена ниже:

Информационной подсистемой называют совокупность технических средств для получения, представления и передачи информации. К средствам, чье предназначение получение и преобразование первичной информации о внутренних и внешних факторах работы объектов, над которыми ведется управления, относят – измерительные и чувствительные элементы, анализаторы, датчики первичной информации и другие устройства. К этой категории относят и средства для представления и передачи информации в удобной для системы управления форме – приемники, кодирующие/декодирующие устройства, передатчики, каналы связи и так далее.

Логико-вычислительная система – технические средства, задача которых обработка информации.

Главной задачей средств обработки информации – выработка решений, необходимых для достижения задач управления, сформулированных в техническом задании при изготовлении САУ. Данные решения, как правило, реализуются в форме задающих или управляющих сигналов. К техническим средствам переработки информации относят разнообразные аналоговые и цифровые вычислительные средства, в том числе и микроконтроллеры.

Технические средства, которые используются для формирования сигналов управления и непосредственно управляют объектом, называют исполнительной подсистемой . К техническим средствам исполнительных подсистем в основном относятся электропривода, а также, регуляторы освещения и температуры, электромагниты гидравлических механизмов и так далее.

Системы управления, в процессе работы которых, включая этапы принятие решений и выработку управляющих воздействий, полностью отсутствует участие оператора (оператор только наблюдает за производственным процессом) называют системами автоматического управления САУ .

Системы управления, в которых при принятии оператором решений участвуют вычислительные машины (цифровые, аналоговые или гибридные), называют автоматизированными системами управления АСУ.

Средства автоматизации – это технические средства, предназначенные для оказания помощи должностным лицам органов управления в решении информационных и расчетных задач. Применение средств автоматизации повышает оперативность управления, снижает трудозатраты должностных лиц органов управления, повышает обоснованность принимаемых решений. К средствам автоматизации относятся следующие группы средств (рис. 3.4):

электронно-вычислительные машины (ЭВМ);

устройства сопряжения и обмена (УСО);

устройства сбора и ввода информации;

устройства отображения информации;

устройства документирования и регистрации информации;

автоматизированные рабочие места;

средства математического обеспечения;

средства программного обеспечения;

средства информационного обеспечения;

средства лингвистического обеспечения.


Электронно-вычислительные машины классифицируются:

а) по назначению – общего назначения (универсальные), проблемно-ориентированные, специализированные;

б) по размерам и функциональным возможностям - суперЭВМ, большие ЭВМ, малые ЭВМ, микроЭВМ.

СуперЭВМ обеспечивают решение сложных военно-технических задач и

задач по обработке больших объемов данных в реальном масштабе времени.

Большие и малые ЭВМ обеспечивают управление сложными объектами и системами. МикроЭВМ ориентированы для решения информационных и расчетных задач в интересах конкретных должностных лиц. В настоящее время широкое развитие получил класс микроЭВМ, основу которого составляют персональные ЭВМ (ПЭВМ).

В свою очередь персональные ЭВМ разделяются на стационарные и переносные. К стационарным ПЭВМ относят: настольные, портативные, блокноты, карманные. Все составные части настольных ПЭВМ выполнены в виде отдельных блоков. Портативные ПЭВМ типа ″Lоp Top″ выполняются в виде небольших чемоданчиков массой 5 – 10 килограммов. ПЭВМ-блокнот типа ″Note book″ или ″Sub Note book″ имеет размер с небольшую книгу и по характеристикам соответствует настольным ПЭВМ. Карманные ПЭВМ типа ″Palm Top″ имеют размеры записной книжки и позволяют записывать и редактировать небольшие объемы информации. К переносным ПЭВМ относятся электронные

секретари и электронные записные книжки.

Устройства сопряжения и обмена предназначены для согласования параметров сигналов внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи. При этом эти устройства выполняют как физическое согласование (форма, амплитуда, длительность сигнала), так и кодовое. К устройствам сопряжения и обмена относятся: адаптеры (сетевые адаптеры), модемы, мультиплексоры. Адаптеры и модемы обеспечивают согласование ЭВМ с каналами связи, а мультиплексоры обеспечивают согласование и коммутацию одной ЭВМ и нескольких каналов связи.

Устройства сбора и ввода информации . Сбор информации с целью ее последующей обработки на ЭВМосуществляется должностными лицами органов управления и специальными датчиками информации в системах управления оружием. Для ввода информации в ЭВМ применяются следующие устройства: клавиатура, манипуляторы, сканеры, графические планшеты, средства речевого ввода.

Клавиатура – это матрица клавиш, объединенных в единое целое, и электронный блок для преобразования нажатия клавиши в двоичный код.

Манипуляторы (координатно-указательные устройства, устройства управления курсором) совместно с клавиатурой повышают удобство работы пользователя. Повышение удобства работы связано, прежде всего, с возможностью быстро перемещать курсор по экрану дисплея. В настоящее время в ПЭВМ используются следующие разновидности манипуляторов: джойстик (рычаг, установленный на корпусе), световое перо (применяется для формирования изображений на экране), манипулятор типа «мышь», сканер – для ввода в ПЭВМ изображений, графические планшеты – для формирования и ввода в ПЭВМ изображений, средства речевого ввода.

Устройства отображения информации отображают информацию без ее долговременной фиксации. К ним относятся: дисплеи, графические табло, видеомониторы. Дисплеи и видеомониторы служат для отображения информации, вводимой с клавиатуры или других устройств ввода, а также для выдачи пользователю сообщений и результатов выполнения программ. Графические табло осуществляют визуальный вывод текстовой информации в виде бегущей строки.

Устройства документирования и регистрации информации предназначены для вывода информации на бумагу или другой носитель с целью обеспечения длительного времени хранения. К классу этих устройств относятся: печатающие устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Печатающие устройства или принтеры предназначены для вывода алфавитно-цифровой (текстовой) и графической информации на бумагу или подобный ей носитель. Наиболее широко применяются матричные, струйные и лазерные принтеры.

Современная ПЭВМ содержит, как минимум, два запоминающих устройства: накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). Однако в случаях обработки больших объемов информации вышеуказанные накопители не могут обеспечить их запись и хранение. Для записи и хранения больших объемов информации используются дополнительные запоминающие устройства: накопители на магнитных дисках и лентах, накопители на оптических дисках (НОД), накопители на DVD-дисках. Накопители типа НОД обеспечивают высокую плотность записи, повышенную надежность и долговечность хранения информации.

Автоматизированные рабочие места (АРМ) – это рабочие места должностных лиц органов управления, оборудованные средствами связи и автоматизации. Основным средством автоматизации в составе АРМ является ПЭВМ.

Средства математического обеспечения – это совокупность методов, моделей и алгоритмов, необходимых для решения информационных и расчетных задач.

Средства программного обеспечения – это совокупность программ, данных и программных документов, необходимых для обеспечения функционирования самой ЭВМ и решения информационных и расчетных задач.

Средства информационного обеспечения – это совокупность информации, необходимая для решения информационных и расчетных задач. В состав информационного обеспечения входят собственно массивы информации, система классификации и кодирования информации, система унификации документов.

Средства лингвистического обеспечения – совокупность средств и способов представления информации, допускающих ее обработку на ЭВМ. Основу лингвистического обеспечения составляют языки программирования.

Менеджмент, консалтинг и предпринимательство

Лекция 2. Общие сведения о технических средствах автоматизации. Необходимость изучения общих вопросов касающихся технических средств автоматизации и государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации ГСП диктуется тем что технические средств

Лекция 2.

Общие сведения о технических средствах автоматизации.

Необходимость изучения общих вопросов, касающихся технических средств автоматизации и государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), диктуется тем, что технические средства автоматизации являются неотъемлемой частью ГСП. Технические средства автоматизации представляют собой основу при реализации информационно-управляющих систем в промышленной и непромышленной сферах производства. Принципы организации ГСП в значительной мере определяют содержание этапа проектирования технического обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). В свою очередь, основу ГСП составляют проблемно-ориентированные агрегатные комплексы технических средств.

Типовые средства автоматизации могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными .

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:

  • датчики;
  • исполнительные механизмы;
  • регулирующие органы (РО);
  • линии связи;
  • вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
  • устройства аналогового и цифрового регулирования;
  • программно-задающие блоки;
  • устройства логико-командного управления;
  • модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объекта управления (ТОУ);
  • модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
  • преобразователи сигналов из одной формы в другую;
  • модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;
  • буферные запоминающие устройства;
  • программируемые таймеры;
  • специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:

  • аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
  • управляющие средства;
  • блоки многоконтурного аналогового и аналого-цифрового регулирования;
  • устройства многосвязного программного логического управления;
  • программируемые микроконтроллеры;
  • локально-вычислительные сети.

К общесистемным средствам автоматизации относят:

  • устройства сопряжения и адаптеры связи;
  • блоки общей памяти;
  • магистрали (шины);
  • устройства общесистемной диагностики;
  • процессоры прямого доступа для накопления информации;
  • пульты оператора.

Технические средства автоматизации в системах управления

Любая система управления должна выполнять следующие функции :

  • сбор информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ);
  • определение критериев качества работы ТОУ;
  • нахождение оптимального режима функционирования ТОУ и оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев качества;
  • реализация найденного оптимального режима на ТОУ.

Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА. Различают четыре типа систем управления (СУ):

1) информационные;

2) автоматического управления;

3) централизованного контроля и регулирования;

4) автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Информационные (неавтоматизированные ) системы управления (рис. 1.1) применяются редко, только для надежно функционирующих, простых технологических объектов управления ТОУ.

Рис. 1.1. Структура информационной системы управления:

Д - датчик (первичный измерительный преобразователь);

ВП - вторичный показывающий прибор;

ОПУ- операторский пункт управления (щиты, пульты, мнемосхемы, устройства сигнализации);

УДУ – устройства дистанционного управления (кнопки, ключи, байпасные панели управления и др.);

ИМ – исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

С - устройства сигнализации;

МС – мнемосхемы.

В некоторых случаях в состав информационной СУ входят регуляторы прямого действия и встроенные в технологическое оборудование регуляторы.

В системах автоматического управления (рис. 1.2) все функции выполняются автоматически при помощи соответствующих технических средств.

Функции оператора включают в себя:

  • техническую диагностику состояния САУ и восстановление отказавших элементов системы;
  • коррекцию законов регулирования;
  • изменение задания;
  • переход на ручное управление;
  • техническое обслуживание оборудования.

Рис. 1.2. Структура системы автоматического управления (САУ):

КП - кодирующий преобразователь;

ЛС - линии связи (провода, импульсные трубки);

ВУ - вычислительные устройства

Системы централизованного контроля и регулирования (СЦКР) (рис. 1.3). САУ применяются для простых ТОУ, режимы функционирования которых характеризуются небольшим числом координат, а качество работы одним легко вычисляемым критерием. Частным случаем САУ является автоматическая система регулирования (АСР).

Система управления, автоматически поддерживающая экстремальное значение ТОУ, относится к классу систем экстремального регулирования.

Рис. 1.3. Структура системы централизованного контроля и регулирования:

ОПУ - операторский пункт управления;

Д - датчик;

НП – нормирующий преобразователь;

КП - кодирующие и декодирующие преобразователи;

ЦР - центральные регуляторы;

МР – многоканальное средство регистрации (печать);

С - устройство сигнализации предаварийного режима;

МПП - многоканальные показывающие приборы (дисплеи);

МС - мнемосхема;

ИМ - исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

К – контроллер

АСР, поддерживающие заданное значение выходной регулируемой координаты ТОУ, подразделяются на:

  • стабилизирующие;
  • программные;
  • следящие;
  • адаптивные.

Экстремальные регуляторы применяются крайне редко.

Технические структуры СЦКР могут быть двух типов:

1) с индивидуальными ТСА;

2) с коллективными ТСА.

В системе первого типа каждый канал конструируют из ТСА индивидуального пользования. К ним относятся датчики, нормирующие преобразователи, регуляторы, вторичные приборы, исполнительные механизмы, регулирующие органы.

Выход из строя одного канала регулирования не приводит к остановке технологического объекта.

Такое построение увеличивает стоимость системы, но повышает ее надежность.

Система второго типа состоит из ТСА индивидуального и коллективного пользования. К ТСА коллективного пользования относят: коммутатор, КП (кодирующие и декодирующие преобразователи), ЦР (центральные регуляторы), МР (многоканальное средство регистрации (печать)), МПП (многоканальные показывающие приборы (дисплеи)).

Стоимость коллективной системы несколько ниже, но надежность в сильной степени зависит от надежности коллективных ТСА.

При значительной длине линии связи применяют индивидуальные кодирующие и декодирующие преобразователи, размещенные около датчиков и исполнительных механизмов. Это повышает стоимость системы, но улучшает помехозащищенность линии связи.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) (рис. 1.4) - это машинная система, в которой ТСА осуществляют получение информации о состоянии объектов, вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки управления. Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и реализации с помощью локальных АСР или дистанционного управления РО.

Различают следующие типы АСУТП:

  • централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и управления выполняет одна управляющая вычислительная машина УВМ) (рис.1.4);

Рис. 1.4. Структура централизованной АСУ ТП:

УСО - устройство связи с объектом;

ДУ - дистанционное управление;

СОИ - средство отображения информации

  • супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на базе ТСА индивидуального пользования и центральной УВМ (ЦУВМ), имеющей информационную линию связи с локальными системами) (рис. 1.5);

Рис. 1.5. Структура супервизорной АСУТП: ЛР - локальные регуляторы

  • распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций контроля обработки информации и управления между несколькими территориально распределенными объектами и вычислительными машинами (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Иерархическая структура технических средств ГСП

PAGE 7


А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
7111. Организация и управления работой флота и портов 155 KB
Организация и управления работой флота и портов Конспект лекций Структура управления предприятием, принципы планирования Любое предприятие, в том числе и транспортное включает в себя три относительно самостоятельных, но взаимосвязанных общих ц...
7112. БУХГАЛТЕРСКИЙ ФИНАНСОВЫЙ УЧЕТ ПРАКТИКУМ 449.5 KB
Общие сведения об организации Сквозная задача рассматривает деятельность малого предприятия - общества с ограниченной ответственностью Мебель. На предприятии один цех основного производства, который выпускает мягкую мебель (диваны). ИНН...
7113. Бухгалтерский учет с нуля 3.6 MB
Андрей Витальевич Крюков Бухгалтерский учет с нуля Аннотация Профессия бухгалтера была и сегодня остается достаточно популярной. Все знают, что в каждой фирме обязательно работает хотя бы один бухгалтер. Вы тоже решили стать бухгалтером, но, впервые...
7114. Пособие инженеру ПТО по исполнительной документации 2.08 MB
Пособие инженеру ПТО по исполнительной документации (Пособие молодой канцелярской крысы на объекте версия 6.0) Страница, зарезервированная для выходных типографских данных. Публикуемые материалы являются достоянием гостарбайтеров, по какой п...
7115. Звіт з навчальної практики в с. Любомирка 5.36 MB
Звіт з навчальної практики в с. Любомирка 1. Системи і способи керування тракторів. Підготовка тракторів до роботи. Система керування трактором включає в себе такі підсистеми: управління двигуном: регулювання потужності, час...
7116. Основные методы оценки экономической эффективности инвестиций на транспорте 77.5 KB
Основные методы оценки экономической эффективности инвестиций на транспорте. Содержание Введение 3 Инвестиции на транспорте 4 Особенности методов оценки инвестиций 6 Заключение 11 Список использованной литературы 12 Введение. Транспорт относится к ч...
7117. Исследование тяговой способности канатоведущего шкива 568.5 KB
Исследование тяговой способности канатоведущего шкива Введение Методические указания составлены в соответствии с программой курса Подъемники для студентов специальности 170900 (ПСМ). Курс Подъемники является одним из заключительных в подготовке...
7118. Транспортный комплекс страны, понятие и общая характеристика 134.5 KB
Тема 1. Транспортный комплекс страны, понятие и общая характеристика. 1.1. Предмет экономики автомобильного транспорта. Общественное производство, т.е. единство производительных сил и производственных отношений, изучается с двух сторон. Естественные...
7119. Основные фонды на автомобильном транспорте и в дорожном хозяйстве 159 KB
Тема 2. Основные фонды на автомобильном транспорте и в дорожном хозяйстве. 2.1. Понятия об основных фондах. Основным фактором процесса производства материальных благ являются рабочая сила и средства производства. Средства производства подразделяются...