ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В СФЕРЕ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Основные объекты автоматического регулирования.

Под объектом регулирования понимают те части контура регулирования, в пределах которых протекает регулируемый процесс. К нему относят также возмущение, вызывающее отклонение регулируемой величины, и регулирующий орган, с помощью которого регулятор воздействует на объект.

При этом, очевидно, что методика описания процессов и расчета статических и динамических характеристик объекта регулирования не зависит от природы процессов. Регулируемая величина служит прямым или косвенным показателем уровня содержащейся в объекте регулирования энергии и выбирается в зависимости от реальных возможностей наилучшего определения протекающего в объекте регулирования процесса при наиболее простых средствах ее измерения. Объект регулирования характеризуется, кроме того, нагрузкой, определяющей количество преобразуемой в нем энергии или протекающего через него вещества, которые могут расходоваться потребителем, передаваться следующему объекту (в сложных системах) или рассеиваться в окружающее пространство.

В процессе регулирования объект подвергается воздействиям со стороны потребителя и со стороны регулятора. Первое воздействие является возмущающим, второе — регулирующим. Возмущение большей частью является следствием изменения нагрузки. Объекты регулирования, даже характеризуемые с физической точки зрения одной и той же регулируемой величиной, могут отличаться как по количеству содержащейся в них энергии (вещества), так и по виду распределения этой энергии в объекте. И то и другое оказывает влияние на основные характеристики объекта: статическую, динамическую и характеристику возмущения.

Объекты регулирования могут быть однопараметровыми (с одной регулируемой величиной) и многопараметровыми (с несколькими регулируемыми величинами).

Объекты с последовательным распределением аккумулирующих энергию элементов можно отнести к простым, а объекты, содержащие также и параллельные аккумулирующие элементы, к сложным.

Объекты регулирования, кроме того, можно подразделить на объекты с со- средоточенными и распределенными параметрами.

В первых регулируемая величина будет функцией только регулирующего и возмущающего воздействия и времени, во вторых она является также функцией и дополнительных параметров, например, протяженности объекта» В зависимости от числа элементов, составляющих объект регулирования и способных аккумулировать энергию (накапливать вещество), можно различать по порядку старшей производной дифференциального уравнения: линейные объекты первого, второго и более высокого порядка.

Объекты регулирования с распределенными параметрами описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Например, для печи (теплоемкость и тепловое сопротивление равномерно распределены во всем ее объеме), описываемой в действительности уравнением бесконечно большого порядка, можно получить приближенное уравнение в частных производных, если предположить, что протяженность среды совпадает по направлению с распространением в ней тепловой энергии. То же допущение может быть применено и при описании процессов, происходящих в длинных гидравлических или газовых трубопроводах, а также в электрических кабелях и линиях.

Полное решение возможно с учетом граничных условий.

Для облегчения решения сложные объекты регулирования нередко описывают приближенными дифференциальными уравнениями с запаздыванием исходя из подобия действительной временной характеристики рассматриваемого объекта с распределенными параметрами и кривой первого, а иногда и второго, порядка, сдвинутой по отношению начала координат на величину запаздывания е.

В результате автоматизации производственных процессов достигаются высокая производительность труда, объективность и надежность процесса, значительное облегчение труда людей, ускорение работ и снижение их себестоимости, повышение культуры труда, повышение и стабильность качества продукции.

Вопрос об автоматизации необходимо рассматривать во взаимосвязи с технологическим оборудованием и технологическим процессом. Необходимое условие целесообразности и возможности автоматизации - полная механизация всех процессов и операций.

Каждый процесс состоит из операции, выполняющихся в определенной последовательности или определенном сочетании.

Процесс (операция) может быть ручным, механизированным и автоматизированным.

Механизированным называется процесс, в котором ручной труд человека заменяется механизмами, получающими энергию от специального источника.

Автоматизированным называется процесс, в котором ручное управление механизмами и машинами (процессом, операцией) заменено специальными устройствами, обеспечивающими заданную производительность и качество продукта. Таким образом, автоматизация является способом управления механизированным процессом.

Механизация и автоматизация должны применяться в случае экономической целесообразности или необходимости освобождения человека от тяжелого или вредного труда.

Механизация и автоматизация могут быть частичной и комплексной.

Частичной механизацией называется такая, при которой механизированы только отдельные основные операции или процессы. Такой механизацией не может быть достигнуто координальное снижение трудоемкости процесса, так как не обеспечивается его непрерывность.

Комплексной механизацией называется такая, при которой основные и вспомогательные операции или процессы механизированы при помощи механизмов, машин и оборудования, взаимно увязанных по производительности и обеспечивающих заданный темп всего процесса и наивысшие возможные при данных условиях и уровне развития техники технико-экономические показатели процесса или, иными словами, максимальную производительность труда при минимальной стоимости работ. Комплексная механизация всех звеньев производственного процесса создает технические основы для его протекания без вмешательства человека, т.е. для автоматизации процесса.

Следовательно, автоматизация является высшей формой механизации и применение ее наиболее целесообразно только при наличии комплексно механизированного производства.

Частичной автоматизацией называется такая, при которой автоматизированы отдельные основные операции или процессы контроля регулирования и управления. Частичная автоматизация является ступенью к комплексной автоматизации.

При комплексной автоматизации все основные и вспомогательные операции или процессы управления автоматизированы так, что заданная производительность и качество выполняемых работ или продукции получаются без вмешательства человека, за которым остаются только функции наблюдения за работой специальных устройств.

Существующие разновидности автоматических машин, систем и устройств можно разделить на следующие.

1. Циклические автоматические машины и системы машин, осуществляющие выполнение жестко заданной программы производственного цикла без контроля в процессе ее выполнения.

В основу автоматических машин и устройств этого вида положена жесткая программа необходимой последовательности, характера и продолжительности отдельных операций без применения автоматического контроля за ходом этих операций или качеством работы и продукции. Эта программа обычно задается и осуществляется при помощи простейших средств - кулачковых устройств и механических связей.

2. Рефлекторные автоматические машины и системы машин, осуществляющие управление производственным процессом в соответствии с заданной постоянной программой, путем выявления отклонений от заданной программы.

При этом виде автоматических машин и систем программное регулирование производственного процесса выполняется при непрерывном или периодическом автоматическом контроле за состоянием процесса и отклонениями его от заданной программы. В зависимости от знака и величины отклонения производятся воздействия либо на характеристики машины, либо на энергетические потоки. Это наиболее распространенный вид автоматизации, который может быть применен в большинстве производственных процессов.

Особенностью этих систем является использование специальных приборов и устройств для получения информации о ходе процесса, задания программы, переработки получаемой информации и сравнения ее с заданной программой ивыработки управляющих воздействий, а также использование устройств для управления энергетическими потоками. Задаваемая программа может быть неизменной, изменяемой во времени полностью либо частично.

3. Математические вычислительные машины и компьютерные устройства, используемые тогда, когда заданы конечные (результативные) параметры производственного процесса и в зависимости от совокупности условий автоматически и изыскивается и производится необходимое регулирование и управление процессом.

Это высшая ступень автоматизации процессор. Указанные машины и устройства применяются для вычисления личным по табличным данным необходимой программы работы рефлекторных автоматических устройств, определения по результатам анализа исходных продуктов или условий работы технологических агрегатов, настроек автоматических устройств управления и регулирования в целях получения заданного качества продукта или достижения нужного хода процесса. Кроме этого, вычислительные машины и устройства могут применяться для определения оптимальных условий автоматического управления производственным процессом.

Автоматические устройства данного вида отличаются тем, что программа работы их определяется вычислительными машинами или устройствами на основании заданных им конечных параметров (качества продукта, оптимальных условий ведения процессов и т. п.). Это особенно важно для быстродействующих или сложных технологических процессов, когда составление программы при переменных исходных данных или переменных условиях работы может занять у человека очень много времени.

Все рассмотренные виды автоматизации и основные автоматические устройства, а также технологические процессы для которых эти устройства предназначены, нуждаются в большом количестве элементов автоматики, регулирующих устройств и контрольно-измерительных приборов.

Автоматический контроль производственных операций и технологического процесса в целом лежит в основе автоматизации всего процесса.

Прежде чем приступать к частичной или комплексной автоматизации производства, нужно иметь все необходимые контрольно-измерительные приборы, обеспечивающие надежный и непрерывный контроль процесса производства.

Исключительное значение имеет надежность средств контроля, элементов автоматики и автоматических устройств при комплексной автоматизации. Недопустимо, когда из-за одного ненадежного звена может нарушиться работа всей автоматической системы.

Важнейшая особенность современных систем комплексной автоматизации - широкое применение телемеханических устройств, служащих для преобразования и передачи сигналов контроля, управления и регулирования на расстояние. Органическое соединение систем автоматизации с телемеханизацией создает телеавтоматические системы, в которых отдельные автоматизируемые агрегаты, установки и объекты соединяются друг с другом телемеханическими связями и образуют единые комплексно автоматизированные системы.

Телеавтоматизация значительно расширяет возможности автоматизации и является более высокой и эффективной ее фазой.

Особенно большое значение телеавтоматизация имеет при управлении рассредоточенными объектами, расположенными на большой территории - на нефтяных и газовых промыслах, нефтепроводах, газопроводах и т.п.