Введение. Автоматизация – применение технических средств, экономико-математических методов и систем управления (СУ)

Автоматизация – применение технических средств, экономико-математических методов и систем управления (СУ), освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации [1].

Цель автоматизации – повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация планирования и управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.

Существует тесная связь между проектированием технологических процессов и систем управления. Традиционно СУ вводились в технологический процесс для лучшего его функционирования или упрощения работы оперативного персонала. Со временем стало ясно, что можно достичь большего, если проектировать процессы и СУ как единое целое. СУ дает дополнительную возможность увеличит производительность оборудования и повысить экономичность проекта. Кроме того именно из-за несовершенства процесса возникают чрезвычайно сложные задачи управления. В целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) необходимость совместного проектирования может возникнуть при совершенствовании бумаго-делательной машины (БДМ) и использовании новых принципов формования бумажного полотна.

В связи с вышесказанным совместная работа инженеров по автоматизации и инженеров технологов значительно повысит эффективность производства.

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Основные понятия об управлении, автоматизации управления и регулировании. Системы автоматического управления (САУ) и системы автоматического регулирования (САР). Задачи автоматизации

При изучении любого технологического процесса как объекта управления (ОУ) важнейшим этапом исследования является получение математической модели (ММ) процесса.

ММ процесса - это алгебраические или дифференциальные уравнения, связывающие его входные и выходные переменные.

Параметры, характеризующие свойства поступающих в аппарат материальных и энергетических потоков называются входными переменными процесса.

Входные переменные, если их используют для управления процессом называют управляющими воздействиями.

Параметры, характеризующие свойства выходных материальных и энергетических потоков, а также качественные показатели готовой продукции называют управляемыми переменными или регулируемыми параметрами.

Внешние воздействия на объект или систему регулирования, вызывающие отклонения регулируемой величины от заданного значения, называются возмущающими воздействиями или возмущениями.

Объектом управления (ОУ) называют технологическую установку, на которую оказывается управляющее воздействие.

Граница объекта начинается от точки воздействия на поток энергии или вещества и заканчивается в точке, в которой осуществляется измерение управляемого параметра.

Процесс- это количественное или качественное изменение состояния объекта (системы) в зависимости от времени.

Управление – это процесс воздействия на объект с целью обеспечения требуемого течения технологического процесса (ТП).

Ручное управление осуществляется с помощью человека;

автоматизированное с помощью технических средств и систем управления;

автоматическое – без участия человека.

Регулирование является частным случаем управления, при котором желаемое течение процесса обеспечивается путем стабилизации одной или нескольких физических величин.

На рисунке 1.1 показана функциональная схема системы автоматического регулирования (САР).

Рисунок 1.1 Функциональная схема САР

На рисунке 1.1 представлена функциональная схема (ФС) САР, которая состоит из объекта управления и автоматического управляющего устройства (АУУ), выполняющего функции оператора при замене ручного управления на автоматическое.

Дадим определения основных блоков САР.

Чувствительный элемент (ЧЭ) – устройство, воспринимающее изменение физической величины y(t), характеризующей процесс, и преобразующее её в другую физическую величину, которая поступает на преобразователь.

Преобразователь (Пр) – это устройство, преобразующее полученную с ЧЭ величину.

Задающее устройство (ЗУ) – элемент САР, с помощью которого системе «даётся» задание g(t) изменять регулируемую величину ОУ по какому-либо закону или поддерживать её определённое значение.

Сравнительное устройство или элемент сравнения (ЭС) – элемент САР, сопоставляющий сведения о действительном значении регулируемой величины и заданном значении.

На выходе ЭС – сигнал ошибки регулирования:

ε(t) = g(t) – y(t)

Регулятор – устройство, реализующее закон управления, воздействующее на исполнительный механизм, который приводит к изменению положения регулирующего органа (РО) для достижения цели управления.

Исполнительный механизм (ИМ) служит для изменения состояния РО по сигналам u(t) регулятора.

РО воздействует на ОУ.

Системой автоматического регулирования (САР) называется совокупность АУУ и ОУ, взаимодействующих между собой.

Элементы, из которых состоит САР называют звеньями системы, а временные характеристики входными и выходными сигналами.

На рисунке 1.1 звеньями являются: задающее устройство, элемент сравнения, регулятор, исполнительный механизм, регулирующий орган, объект управления, преобразователь, чувствительный элемент.

Входные и выходные сигналы:

g(t) – задающее воздействие;

y(t) – текущее значение регулируемой величины;

ε (t) – ошибка или рассогласование;

u(t) – управляющее воздействие;

f(t) – возмущающее воздействие.

По ирархии объектов и целей управления принято классифицировать автоматические системы на системы автоматического регулирования (САР) и системы автоматического управления (САУ).

САР является полностью функционально завершенным устройством, реализующим самостоятельно (в автоматическом режиме) вид управления, а именно регулирование, и обеспечивающим достижения цели управления, заключающейся в обеспечении близости текущих значений регулируемой величины к заданному значению.

САУ, аналогично САР, осуществляет в автоматическом режиме управление технологическим объектом, установкой или агрегатом, при этом наряду с регулированием реализует и другие виды управления (координацию, управление состоянием, оптимальное управление), в соответствии с целью управления, заключающейся в обеспечении эффективности функционирования технологического объекта.

САУ можно разделить на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), производствами (АСУП), организационные системы управления (ОСУ).

Основные вопросы, которые необходимо учитывать при проектировании САУ, следующие [3]:

1) Анализ технологического процесса как объекта автоматизации с описанием входных и выходных параметров, возмущающих воздействий, возможных управляющих воздействий;

2) Требуемая точность стабилизации технологических параметров и частота их контроля

3) Анализ взаимного влияния между основными параметрами процесса, количественная оценка пределов их изменения;

4) Анализ ситуаций нарушения нормального режима работы оборудования (изменение производительности, пуск и отключение оборудования, аварийные ситуации);

5) Определение функций оператора, которые могут быть автоматизированы, исходя из уровня механизации процесса (наличие исполнительных устройств) и уровня развития технических средств.