Содержание
1. Введение
2. Анализ современного состояния АПП
2.1. Причины появления АСУ ТП. Общие понятия
2.2. Назначение, цель и функции АСУ ТП
2.3. АСУ ТП пара в котельной
3. Определение параметров объекта регулирования
3.1. Идентификация передаточной функции объекта
4. Выбор типового регулятора АСР и определение параметров его настройки
5. Анализ динамических характеристик АСР с типовым регулятором
6. Построение переходного процесса АСР с использованием ПИ-регулятора
6.1. Построение переходного процесса при помощи пакета Simulink
6.2. Расчет одноконтурной цифровой АСР
7. Выбор технических средств автоматизации
7.1. Датчики
7.1.1. Пружинный манометр
7.1.2. Электроконтактный манометр
7.1.3. Уровнемер
7.2. Контроллер
8. Заключение
9. Библиографический список
1. Введение
Автоматизация производства представляет собой процесс передачи функции контроля и управления производством от человека автоматическим устройством.
При создании автоматизированных систем следует принимать во внимание уровень технологии и оборудования, состояние организации и управления производством. Нельзя автоматизацию производства сводить лишь к автоматизации управления, если технологические процессы и основное оборудование остаются на прежнем уровне.
В строительной индустрии автоматизация производства внедряется как на заводах строительных материалов, так и в строительстве. Особенно успешно автоматизируются заводы по производству цемента. На некоторых заводах по производству цемента внедрены и успешно действуют управляющие вычислительные машины. В зависимости от степени автоматизации функции управления различают: ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном управлении все функции процесса выполняет человек—оператор. В автоматизированном управлении часть функций выполняет человек, а другую часть — автоматические устройства. При автоматическом управлении все функции выполняют автоматические устройства.
В зависимости от характера и объема операций, выполняемых автоматическими устройствами, различают следующие виды автоматизации:
ü автоматический контроль, при котором с помощью приборов осуществляется измерение величины, ее регистрация, указание ее значения, автоматическая сигнализация максимальных или минимальных значений;
ü автоматическое управление регулирующими органами в объекте регулирования;
ü автоматическое регулирование, автоматическое поддержание заданных значений каких-либо физических величин в заранее принятых условиях.
Перечисленные виды автоматизации могут быть реализованы либо с помощью приборов, снабженных показывающим, записывающим и регулирующим устройством, и предназначенных обычно для контроля и автоматического управления одним параметром, либо с помощью вычислительных машин, контролирующих и управляющих большим числом параметров.
Приборы контроля и автоматического регулирования классифицируют следующим образом:
ü измерительные преобразователи (датчики), позволяющие измерить контролируемую (или регулируемую) величину и преобразовать ее в сигнал, удобный для дальнейшего использования;
ü вторичные приборы, действующие совместно с датчиками и позволяющие записывать, показывать контролируемую величину, сигнализировать о ее каких-либо отклонениях, преобразовывать и передавать сигнал на автоматические регуляторы;
ü автоматические регуляторы, воспринимающие сигнал от датчика о действительном значении регулируемой величины, а от задатчика — о заданном значении регулируемой величины; сравнивающие их, в случае различия усиливающие разность этих величин (рассогласование), воздействующие через исполнительные устройства на регулирующий орган для приведения регулируемой величины в соответствие с заданным значением;
ü исполнительные устройства, позволяющие воздействовать на регулирующий орган для изменения подачи вещества или энергии в регулируемый объект;
ü сигнализирующие устройства (сигнальные лампы, звонки, сирены), позволяющие известить о достижении регулируемой величиной определенного уровня или аварийного значения.
Измерительные преобразователи (датчики) следует выбирать по виду контролируемого (или регулируемого) параметра — температуры, давления, расхода, уровня и т. д. с учетом пределов значений измеряемых величин. После того, как определен тип датчика, следует выбрать вторичный прибор. Например, термопару применяют с автоматическим электронным потенциометром, который снабжен показывающим и записывающим устройствами (выпускают также потенциометры с регулирующим устройством). Потенциометры выбирают в зависимости от пределов контролируемых значений, а также в зависимости от того, каким образом необходимо контролировать величину (запись, сигнализация, передача на щит управления и т. д.). Автоматические регуляторы выбирают с учетом различных факторов, главным образом условий регулирования технологического параметра.
2. Анализ литературных источников по теме курсового проекта
2.1 Причины появления АСУ ТП. Общие понятия
АСУ ТП называют человеко-машинными системами управления, в которых человек принимает окончательные решения по управлению технологическим процессом. АСУ ТП возникли как следствие научно-технического прогресса в промышленности. Рост масштабов производства, увеличение единичной мощности машин и установок, энергосберегающая и безотходная технология, переход на поточные и непрерывные способы производства, усложнение технологических процессов, использование форсированных и критических режимов на границе устойчивости — вот далеко не полный перечень технологических причин появления АСУ ТП. К этому необходимо добавить некоторые социально-экономические предпосылки: перевод промышленности на интенсивный путь развития, повышение требований к техническому уровню и эффективности функционирования систем управления, необходимость реализации значительных производственных резервов оборудования и повышение общего уровня организации производства и его культуры, улучшение стиля и эффективности руководства, технологической и трудовой дисциплины и т. д. Таким образом, АСУ ТП — это система, которая при участии оперативного персонала в реальном времени обеспечивает автоматизированное управление процессом изготовления (переработки) продукта по заданным технологическим и технико-экономическим критериям.
Предшественниками АСУ ТП были традиционные системы локальной автоматики, такие, как АСР, автоматический контроль, сигнализация, защита и т. п., устанавливаемые на отдельных агрегатах технологического процесса. АСР при этом поддерживала на заданном уровне один из параметров процесса или соотношение двух параметров. При наличии взаимосвязанных параметров применялись специальные компенсаторы для автономных АСР, для компенсации возмущений применялись инвариантные АСР, при изменении характеристик оборудования применялись адаптивные АСР.
В отличие от локальных АСР АСУ ТП подходит к управлению технологическим процессом (ТП) как к единому целому, во всей сложности взаимосвязей его параметров. АСУ ТП автоматизирует сам процесс принятия решений по оптимальному управлению ТП. Автоматизированный сбор и рутинная обработка информации, вычисление технико-экономических показателей, оптимальных по некоторым критериям режимов, выполняется с помощью ЭВМ (или комплекса ЭВМ), что позволяет человеку принять быстрое и оптимальное решение в сложных условиях, в том числе для задач, не поддающихся полной формализации при создании математической модели управления ТП.
АСУ ТП способна выдавать различную информацию. Технологи-операторы получают оперативную информацию в темпе с ТП и текущие технико-экономические показатели (ТЭП), что позволяет своевременно корректировать режимы и нагрузки агрегатов. Руководители цехов, руководство предприятия и АСУ высших уровней получают информацию о деятельности персонала, предаварийных и аварийных ситуациях, состоянии оборудования для проведения мероприятий по укреплению технологической дисциплины, квалификации персонала, надежности оборудования, об обосновании сроков и объемов капитальных ремонтов.
В иерархии систем управления промышленностью АСУ ТП образуют нижнюю ступень. От автоматизированных систем управления более высокого уровня АСУ ТП отличает преобладание задач оперативного управления над задачами организационно-экономического типа.
По степени охвата управляемого процесса АСУ ТП подразделяются на локальные и комплексные. Под локальной АСУ ТП понимается управление отдельной частью технологического процесса или технологической операцией. Локальные АСУ ТП автономно функционируют как подсистемы комплексной АСУ ТП, которая решает также задачи организационно-технологического управления по технико-экономическим показателям.
АСУ ТП используют различные типы ЭВМ. В локальных подсистемах применяются микро-ЭВМ и мини-ЭВМ, для решения оптимизационных и технико-экономических задач — средние и большие ЭВМ.
2.2 Назначение, цель и функции АСУ ТП. Подсистемы и виды обеспечения АСУ ТП
Назначение АСУ ТП заключается в целенаправленном ведении ТП и обеспечении информацией смежных и вышестоящих органов и систем управления.
Цель управления математически формулируется обычно в виде критерия управления и часто сводится к получению максимального экономического эффекта с учетом плановых, экономических и технических ограничений. В частном случае это может быть максимальная производительность, минимальная стоимость, минимальный расход дорогого сырья и т. д.
Практически цель управления реализуется путем стабилизации параметров процесса на входе и заданных параметров готовой продукции, оптимизации и согласования режимов работы агрегатов, обеспечения безопасности функционирования ТП.
Функции АСУ ТП направлены на выполнение поставленных частных целей управления и выполняются комплексом технических средств (КТС) и персоналом.
Информационные функции обеспечивают контроль основных параметров процесса и сигнализацию об отклонении от этих параметров; измерение и регистрацию по вызову; запросы оператора; вычисление ТЭП, показателей качества продукции и процесса; периодическую регистрацию и др. Совокупность информационных функций составляет информационную подсистему АСУ ТП.
Управляющие функции обеспечивают выработку и реализацию управляющих воздействий на объект управления, стабилизацию параметров, программное изменение режима, защиту, формирование и реализацию оптимальных управляющих воздействий, распределение нагрузок между агрегатами, управление пусками и остановами агрегатов и т. д. Совокупность управляющих функций составляет управляющую подсистему АСУ ТП (рис.1). Кроме вышеперечисленных основных (внешних) функций имеются служебные (внутренние) функции АСУ ТП: контроль за правильностью функционирования, связь с АСУ более высокого уровня, слежение за астрономическим временем и отсчет временных интервалов.
АСУ ТП выполняет свои функции в условиях непрерывного взаимодействия людей и комплекса технических средств. Это взаимодействие осуществляется при определенном организационном и программном обеспечении на базе математического обеспечения. Для обмена информацией в АСУ ТП принимаются определенные соглашения о формах массивов документов, шкалах приборов, кодах и правилах расшифровки, т. е. создается информационное обеспечение.
Техническое обеспечение состоит из комплекса технических средств (КТС) для выполнения перечисленных выше функций АСУ ТП. Технические средства для сбора, передачи, преобразования и отображения информации, вычислительные, управляющие и исполнительные устройства. Сюда же относят приборы для тестирования и наладки КТС. КТС имеет определенное территориальное размещение. Так, на технологических агрегатах могут быть установлены первичные измерительные преобразователи (датчики), регулирующие органы, запорная арматура и средства, информирующие о включении или выключении технологического оборудования.
В непосредственной близости от технологического оборудования устанавливают местные щиты управления, на которых монтируются регуляторы, показывающие и самопишущие вторичные приборы, а также другие приборы и узлы локальной автоматики для постоянного персонала или обходчиков.
Операторы технологического процесса постоянно находятся в операторском пункте, который оборудован щитами, пультами, а также электрифицированной печатающей машинкой, предназначенной для регистрации технологических параметров процесса по вызову оператора.
На центральном щите управления (ЦЩУ) дежурного инженера или диспетчера расположены вторичные приборы, а также показывающие и самопишущие приборы; цифровые приборы, показывающие по вызову оператора значение измеряемого технологического параметра; дисплеи, осуществляющие визуальный вывод или буквенно-симсольной информации на экране электроннолучевых трубок; мнемосхема технологического процесса с сигнальными табло. При контроле и управлении отдаленными технологическими процессами в состав технических средств АСУ ТП входят системы телеконтроля и телеуправления.
Вычислительный комплекс (ВК) АСУ ТП размещается в специально оборудованном помещении на ЦЩУ и состоит из одной или нескольких специализированных управляющих ЭВМ типов М-6000, М-7000, М-1800 и др. ВК может работать в информационном режиме, режиме «Советчика оператора», «Непосредственного цифрового управления» и др.
В состав ВК АСУ ТП входят устройства информационной подсистемы, а именно: коммутаторы и концентраторы сигналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), устройства памяти предельных значений параметров, устройства масштабирования (для вычисления абсолютных значений параметров), опроса состояния двухпозиционных устройств и т. п. ; устройства управляющей подсистемы — арифметическое устройство (АУ), оперативная и постоянная память (ОЗУ) и (ПЗУ) на магнитных дисках (МД) и магнитных лентах (МЛ), устройство связи с периферией ВК, цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), устройства цифрового управления исполнительными механизмами и сигнальными табло, устройства аналогового управления регуляторами, пульт оператора и т. п. Эти устройства кратко рассмотрены в четвертой главе. Комплекс технических средств называют иногда термином «твердый товар».
Информационное обеспечение определяет способы и формы отображения информации о состоянии объекта для ввода в ЭВМ и для представления оператору в виде документов, графиков, изображений на дисплее и в виде управляющих сигналов для АСР, системы сигнализации, защиты и т. д.
Математическое обеспечение (МО) является идеологическим содержанием АСУ ТП. В него включаются математические методы, модели и алгоритмы, позволяющие провести математическую формализацию функций АСУ ТП. Математическая модель объекта может уточняться во время эксплуатации на основании информации о состоянии объекта.
Алгоритмы представляют собой определенную последовательность элементарных операций сложения и вычитания и логических операций, доступных ЭВМ и позволяющих обрабатывать информацию о процессе а вычислять различную выходную информацию, в том числе и управляющие воздействия для регулирования и управления процессом. В последнем случае вычисления производятся в темпе с процессом или даже в опережающем темпе.
Различают внутреннее и внешнее МО, которое иногда называют специальным математическим обеспечением (СМО). К внутреннему МО относятся алгоритмы функционирования собственно вычислительного комплекса: операционная система, обеспечивающая начальный пуск и оперативную координацию работы отдельных устройств; трансляторы с алгоритмических языков; вычисление типовых функций; тесты. Внешнее МО для каждой АСУ ТП специфично. Разработка внешнего МО включает в себя формализацию задач, выбор метода и определение алгоритма. Внешнее Мр получает отражение в алгоритмической структуре АСУ ТП, которая содержит перечень и порядок решения задач в зависимости от производственной ситуации.
Программное обеспечение (ПО) разрабатывается при проектировании АСУ ТП на базе математического обеспечения. ПО обеспечивает разработку и эксплуатацию программ на ЭВМ. На логическом уровне в ЭВМ можно выделить устройство для выполнения программ, сами программы и данные в виде чисел или текстов.
Программы как последовательность действий над данными и данные записываются в память ЭВМ, и устройство выполнения программ последовательно вызывает и выполняет команды программ по вводу данных с различных устройств ввода, преобразованию и выводу данных на разнообразные устройства вывода. ПО имеет в своем составе управляющие программы (часть операционной системы (ОС), программы управления данными (системы управления базой данных (СУБД), а также программы связи оператора с ОС и СУБД.
Программы могут быть записаны на языках Ассемблера, АЛМО, что экономит объем памяти ЭВМ, но усложняет труд программиста: на алгоритмических языках ФОРТРАН, АЛГОЛ, ПЛ/1, БЕЙСИК возможна упрощенная запись команд, но требуется больший объем памяти.
Программы работают по своему регламенту, исполнение очереди программ производится в соответствии с приоритетами. Программы хранятся в ОЗУ и в ПЗУ (в регистрах, на магнитных лентах и дисках). Все многообразие программ делится на общее программное обеспечение (ОПО), для создания которого используется внутреннее МО, и специальное программное обеспечение (СПО), для которого используется СМО. ОПО поставляется в комплекте с ЭВМ и включает в себя программу-диспетчер, программы управления отдельными устройствам, служебные и стандартные подпрограммы (статистика, логарифмы, синусы и т. д.), трансляторы с алгоритмических языков в машинные, тесты для проверки технических средств. СПО разрабатывается для конкретной системы и должно обеспечивать выполнение всех функций АСУ ТП, а также допустить наращивание программы с учетом развития системы. СПО может компоноваться из отдельных модулей на ЭВМ организации-разработчика АСУ ТП, например ЕС-1022, ЕС-1033, M-i030, а созданные программы исполняются на ЭВМ М-6000, M-7G00, СМ, «Электроника-100» и др., используемых в АСУ ТП.
В настоящее время начинает применяться генерация СПО с помощью функционально законченных элементов с настраиваемыми входами и выходами — алгоритмических и программных модулей. Создаются библиотеки таких модулей для АСУ ТП в разных отраслях.