Практикум по системам управления химико-технологическими процессами

2

УДК 66-52:66 (075)

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой автоматизированного электропривода и промэлектроники В. Ю. Островлянчик (Сибирский государственный индустриальный университет)

Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой автоматизации производственных процессов и автоматизированных систем управления А. В. Чупин (Кемеровский технологический институт пищевой промышленности)

Шаулева, Н. М. Практикум по системам управления химикотехнологическими процессами / Н. М. Шаулева, И. А. Лобур ; ФГБОУ ВПО §Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбаче- ва-. – Кемерово, 2012. – 88 с.

ISBN 978-5-89070-827-4

Подготовлен в соответствии с рабочей программой дисциплины §Системы управления химико-технологическими процессамидля студентов химикотехнологических специальностей всех форм обучения.

Изложены основные понятия управления и автоматизации, общие сведения об измерениях и средствах измерений, рассмотрена структура и задачи государственной системы приборов. Особое внимание уделено структуре и функциям средств технической диагностики в химической промышленности, выбору средств измерений параметров технологического процесса. Рассмотрены способы построения функциональной схемы автоматизации технологического объекта.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВПО §Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горба- чева-.

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные химические производства характеризуются все возрастающей сложностью и многообразием операций и оборудования. Управление такими производствами возможно лишь при широком использовании методов и средств автоматизации, которыми должны владеть инженеры химико-технологических специальностей.

Для подготовки таких специалистов предлагается настоящее учебное пособие, содержание которого соответствует рабочей программе курса §Системы управления химико-технологическими про- цессами-. В соответствии с рабочей программой в пособии приведены вопросы проектирования систем автоматического управления химических производств.

Именно специалист в области химической технологии формулирует задачи, определяет параметры технологического процесса, которые необходимо поддерживать на нужном уровне, а также §допуски- на возможные отклонения в процессе управления, указывает возможные каналы управления. Однако грамотная постановка задачи управления невозможна без необходимой информированности инженера химика-технолога о структурах и функциях систем управления, основах их анализа и синтеза. При этом следует отметить, что инже- нер-технолог должен разбираться в способах диагностики и управления процессом. Поэтому в данном учебном пособии представлены основные понятия об измерительных приборах, регуляторах, исполнительных устройствах. Значительное внимание уделено анализу различных видов автоматических систем с целью выбора типа регулируемого параметра. Рассмотрен пример типовой схемы автоматизации, а также дан материал для выполнения расчетно-графической работы.

Предлагаемый практикум написан на основе лекций и практических занятий, которые авторы проводили на протяжении ряда лет, работая со студентами химико-технологических специальностей Кузбасского государственного технического университета.

Учебное пособие позволит активизировать самостоятельную работу студентов, которой уделяется все больше внимания.

При написании учебного пособия авторы стремились отразить теоретическую и практическую значимость изложенного материала. Была сделана попытка взаимно увязать работу различных элементов систем и рассмотреть вопросы автоматизации химических производств. Изложить этот материал в сравнительно небольшом объеме

4

было непросто. В связи с ограниченным объемом в учебном пособии не отражено конструктивное оформление измерительных преобразователей, приборов, автоматических регуляторов и других технических средств автоматизации, используемых в химических производствах. Эти вопросы, а также лабораторные работы по курсу, способствующие закреплению теоретического материала, требуют отдельного освещения.

Авторы признательны профессору, доктору технических наук В. Ю Островлянчику и доценту, кандидату технических наук А. В. Чупину за полезные советы и указания, высказанные при рецензировании книги.

5

ТЕМА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ

ИУПРАВЛЕНИИ

1.1.Системы управления и автоматизации

Автоматика – это научная дисциплина, изучающая способы и устройства для создания самодействующих (автоматических) систем.

Автоматизация – это процесс применения средств автоматики, электроники, вычислительной техники и др. в различных сферах деятельности человека: в промышленности (промышленная), на транспорте, в быту, в медицине, в космосе, в атомной энергетике и т. д., результатом которой является создание различных самодействующих систем или систем автоматизации.

Управление – это процесс преобразования информации о состоянии объекта и среды в определенные действия на объект, обеспечивающие его функционирование в соответствии с поставленной целью. Этапы процесса управления показаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема процесса управления

На схеме приняты следующие обозначения: ТОУ – технологический объект управления (машина, установка, агрегат); X – вектор контролируемых параметров объекта; F – вектор возмущающих воздействий; U – вектор управляющих воздействий.

6

Процесс управления является информационным замкнутым процессом: при изменении возмущений изменяются контролируемые параметры объекта, информация о которых совместно с заданием используется для выработки управляющих воздействий, которые в свою очередь изменяют контролируемые параметры и т. д. Задание на управление объектом формируется в соответствии с поставленной целью управления оператором, компьютером или наладчиком.

Объект управления – это объект, для достижения результатов функционирования которого необходимы и допустимы специально организованные воздействия.

В химической промышленности к типовым ОУ относят ректоры, массообменные колонны, теплообменники, насосы, вентиляторы и другие аппараты и устройства технологических установок, включая трубопроводы.

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализуемого на нем технологического процесса.

Совокупность объекта управления (ОУ) и автоматического управляющего устройства (УУ) называется системой автоматического управления (САУ).

В общем виде структура САУ показана на рис. 1.2, а. При этом воздействием называется какой-либо фактор, влияющий на работу САУ. Различают задающее ХЗ, управляющее U и возмущающее F воздействия.

Задающим называется внешнее воздействие, определяющее необходимый закон изменения выходной величины Y объекта управления. Выходная величина называется также управляемой величиной или управляемой координатой объекта.

Управляющим называется воздействие, поступающее от УУ к ОУ и обеспечивающее изменение управляемой величины в соответствии с заданием XЗ(t). Зависимость U(XЗ), формируемая управляющим устройством, обусловлена свойствами ОУ и требованиями технологического процесса. Эту зависимость можно представить в виде некоторой функции или алгоритма управления, представляющего собой последовательность и содержание управляющих воздействий для обеспечения заданного поведения объекта управления.

Возмущающим называется внешнее воздействие, нарушающее заданный закон изменения управляемой величины, например, изменение нагрузки ОУ или изменение внешних условий (температуры,

7

давления, влажности и др.). Характер и состав возмущающих воздействий зависят от вида конкретного ОУ и условий его эксплуатации.

Рис. 1.2. Структура САУ

Объект управления на рис. 1.2, а является одномерным, т. е. имеющим одну выходную величину. Количество входных воздействий при этом не имеет значения. На рис. 1.2, б показан многомерный объект, для которого Y={y1, y2, ..., yn}. Мы будем рассматривать только одномерные объекты управления, далее просто объекты.

Контрольные вопросы:

1.Что изучает автоматика?

2.Дайте определение понятия автоматизация.

3.Дайте определение понятия управление.

4.Объясните структуру процесса управления.

5.Дайте определение понятия объект управления.

6.Дайте определение понятия технологический объект управле-

ния.

7.Что такое система автоматического управления?

8.Что понимают под задающим, управляющим и возмущающим воздействиями?

9.В чем отличие между одномерными и многомерными объек-

тами?

8

1.2. Государственная система приборов (ГСП)

ции (ГСП). Последняя создана для экономически и технически целесообразного решения проблемы комплексного обеспечения техническими средствами систем контроля и управления различными производственными объектами.

Разрабатываемые в рамках ГСП технические средства могут использоваться в виде локальных систем контроля, регулирования, сигнализации, защиты и др., а также на нижнем уровне автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Основной технической базой современных АСУ ТП является ГСП, выполненная в виде совокупности изделий, предназначенных для получения, обработки и использования информации.

Создание и развитие ГСП осуществляется на основе следующих принципов: унификация, агрегатирование, формирование гибких перестраиваемых компонентов системы, реализация в изделиях рациональных эстетических и эргономических требований. При этом обеспечивается минимизация номенклатуры средств контроля и управления, а также их совместимость – информационная (согласованность сигналов связи), конструктивная, метрологическая и эксплуатационная.

Изделия ГСП строятся на основе базовых конструкций с унифицированными структурами, сигналами, источниками питания, конструктивными параметрами; это позволяет иметь общую технологическую базу для производства изделий, обеспечивает их взаимокомплектуемость и взаимозаменяемость, высокую точность, надежность

идолговечность.

ВГСП стандартизованы параметры входных и выходных сигна-

лов и источников энергии, элементы, блоки и модули приборов и устройств, их присоединительные, габаритные и монтажные размеры. В нормализованный ряд приборов и средств автоматизации входят первичные преобразователи и измерительные приборы; преобразователи для получения нормированных сигналов; регуляторы; вычислительные, функциональные и логические блоки; запоминающие

9

устройства; вторичные приборы; цифро-печатающие устройства; исполнительные устройства и др.

Носители информационных сигналов связи ГСП разделяются на две группы: энергетические (электрические, пневматические, гидравлические) и вещественные (перфокарты, перфоленты, магнитные средства, печатные бланки или диаграммы). Энергетические носители сигналов используются для формирования сигналов измерительной информации и дистанционной связи технических средств. Вещественные носители сигналов используются для хранения и представления информации.

Одна из главнейших задач, решаемая ГСП, состоит в создании

ограниченной номенклатуры унифицированных устройств, способных максимально удовлетворять потребности управления. Сокращение номенклатуры технических средств автоматизации (ТСА) достигается объединением их в отдельные функциональные группы путем сведения функций этих устройств к ограниченному числу типовых функций. Оптимизация состава каждой группы обеспечивается разработкой параметрических рядов изделий (ограничения по классам точности, техническим параметрам и т. д.).

Существенное сокращение числа различных функциональных устройств достигается обеспечением их совместимости в системах управления. Концепция совместимости, включающая в себя требования информационного, энергетического, конструктивного, метрологического, эксплуатационного сопряжений между изделиями ГСП, основана на последовательной унификации и стандартизации свойств и характеристик изделий. Унифицируются виды носителей нормированной информации: электрические, пневматические сигналы; коды, способ представления: аналоговый, дискретный и т. д. Вводятся типовые конструктивы, унифицируются присоединительные размеры и т. д. Нормируются метрологические характеристики: виды погрешностей, методы нормирования погрешностей,

модульный принцип построения изделий. Применение этого принципа делает приборы более универсальными, позволяет использовать при их создании рациональный минимум конструктивных элементов. Вместе с тем возможность простой и легкой замены отдельных узлов позволяет модифицировать эти приборы в процессе эксплуатации, повышает их ремонтопригодность и расширяет круг решаемых ими задач.