Цели, задачи и принципы построения автоматических систем управления

Стандарт RS-485 очень помехоустойчивый, т.к. синфазные помехи, наводимые в обоих сигнальных проводах и поступающие на вход приемников, не воспринимаются ими как информативный сигнал, причем величина напряжения помех, не влияющих на передачу информации, может достигать 25 В.

Физической средой передачи данных по стандарту RS-485 может служить экранированная витая пара или коаксиальный кабель.

 

 

3 МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ АСУ ТП

 

3.1 Задание на проектирование систем автоматизации технологических процессов

 

 

- Наименование предприятия и задача проекта (к примеру «Автоматизация участка очистки и корректировки раствора ФБА цеха №1 АО «УМЗ»);

- Основание для проектирования (технико-экономическое обоснование, которое указывает на экономическую целесообразность автоматизации данного объекта);

- Перечень производств, цехов, агрегатов, установок, охватываемых проектом систем автоматизации, с указанием для каждого особых условий при  их наличии (например, класс взрыво- и пожароопасности помещений, наличие агрессивной, влажной, сырой, запыленной окружающей среды и т. д.);

- Стадийность проектирования;

- Требования к разработке вариантов технического проекта;

- Планируемый уровень капитальных затрат на автоматизацию и примерных затрат на научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские работы и проектирование;

- Предложения по централизации управления технологическими процессами и структуре управления объектом, по объему и уровню автоматизации (т.е. требуется ли полная автоматизация технологического процесса, частичная автоматизация некоторых технологических переделов или достаточно разработать только систему контроля состояния технологического объекта и сбор данных о ходе технологического процесса.);

- Предложения по размещению центральных и местных пунктов управления, щитов и пультов (диспетчерских, цеховых, агрегатных и др.).

 

 

3.2 Исходные данные и материалы

 

 

- Технологические схемы с характеристиками оборудования, с трубопроводными коммуникациями и указанием действительных внутренних диаметров, толщин стенок и материалов труб.

- Перечни контролируемых и регулируемых параметров с необходимыми требованиями и характеристиками (т.е. оптимальные, предельные и аварийные значения технологических параметров).

- Чертежи производственных помещений с расположением технологического оборудования и трубопроводных коммуникаций, с указанием рекомендуемых мест расположения щитов и пультов (планы и разрезы).

- Чертежи технологического оборудования, на котором предусматривается установка приборов и средств автоматизации, перечень и характеристика поставляемых комплектно с оборудованием приборов, средств автоматизации и систем управления, чертежи комплектно поставляемых щитов, пультов и т. д.

- Строительные чертежи помещений для установки и размещения технических средств систем автоматизации.

- Схемы управления электродвигателями, типы пусковой аппаратуры и станций управления для использования при проектировании автоматизации.

- Схемы водоснабжения с указанием диаметров труб, расхода, давления и температуры воды.

- Схемы воздухоснабжения с указанием давления, температуры, влажности и запыленности воздуха, наличия устройств очистки и осушки воздуха.

- Данные, необходимые для расчета регулирующих органов, сужающих устройств и заполнения опросных листов.

- Требования к надежности систем автоматизации (значения требуемой вероятности отказов элементов АСУ ТП за определенный промежуток времени, требуется ли резервирование (двойное резервирование) элементов АСУ ТП).

- Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, результаты научно-исследовательских работ должны содержать математическое описание динамических свойств объекта управления. Если эти математические зависимости неизвестны, то в задании на проектирование должны приводиться экспериментальные временные или частотные характеристики, снятые на опытных или аналогичных действующих установках, графически отражающие динамические свойства объекта по каждому из каналов управления (кривые разгона или графики АФЧХ).

 

 

3.3 Состав проектной документации

 

 

В проекте разрабатывается следующая документация:

- структурная схема управления и контроля (для сложных многоуровневых систем управления);

- структурная схема комплекса технических средств (КТС);

- функциональные схемы автоматизации технологических процессов;

- принципиальные электрические, гидравлические и пневматические схемы контроля, автоматического регулирования, управления, сигнализации и питания;

- общие виды щитов и пультов;

- монтажные схемы щитов и пультов или таблицы для монтажа электрических и трубных проводок в щитах и пультах;

- схемы внешних электрических и трубных проводок;

- планы расположения в производственных и административных помещениях щитов, пультов, средств вычислительной техники и т. д.;

- планы расположения средств автоматизации, электрических и трубных проводок;

- спецификации и заявочные ведомости приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизированного оборудования;

- пояснительная записка, с рекомендациями по монтажу и настройке элементов АСУ ТП, с расчетами по выбору регуляторов и определения примерных значений их параметров настройки при различных технологических режимах работы оборудования;

- задания заказчику на разработки, связанные с автоматизацией объекта:

1) на обеспечение средств автоматизации электроэнергией, сжатым воздухом, гидравлической энергией, теплоносителями и хладоагентами требуемых параметров; на теплоизоляцию трубных проводок и устройств;

2) на проектирование помещений систем автоматизации (для установки щитов, пультов, средств вычислительной техники, датчиков и т. д.), а также помещений для работы оперативного персонала, кабельных сооружений (туннелей, каналов, эстакад и т. д.), проемов и закладных устройств в строительных конструкциях;

3) на обеспечение средствами производственной связи;

4) на размещение и установку на технологическом оборудовании и трубопроводах закладных устройств, первичных приборов, регулирующих и запорных органов и т. п.;

5) на устройства пожаротушения и пожарной сигнализации.

- чертежи  закладных устройств, (бобышек, штуцеров, гильз, карманов, расширителей, фланцевых соединений, ответных фланцев, переходных патрубков и т. д.) необходимых для монтажа на технологическом оборудовании, датчиков, преобразователей, исполнительных механизмов и регулирующих органов.

 

 

3.4 Формализация технологического процесса

 

 

Общая последовательность формализации технологического процесса состоит из следующих этапов:

 

3.4.1 составление содержательного описания, в котором в произвольной повествовательной форме в деталях описывается технологический процесс при нормальном его ходе и аварийных ситуациях;

В случае циклического процесса:

- разбиение цикла на такты, характеризуемые неизменным состоянием исполнительных приводов и контролируемых параметров.

Технологический такт - конечный интервал  времени, когда агрегат работает с неизменной комбинацией включенных (отключенных) командных (кнопки, ключи), оповестительных (датчики) и исполнительных (электро-, гидроприводы, электромагниты, муфты) элементов.

- анализ переходов от одного такта к другому при нормальных и аварийных ситуациях для выявления причин переходов, т.е. выявления изменения состояния командных и исполнительных органов вызывающих переход;

- установление причинно-следственных и логических ситуационных связей между входами и выходами объекта управления, обусловленных требованиями технологии;

- составление формализованного графического представления алгоритма функционирования в виде таблицы, циклограммы, графика и т.п.

В случае непрерывного технологического процесса:

- описание последовательности операций при запуске, нормальном функционировании и останове технологического объекта.

- анализ перехода от одного режима работы к другому, т.е. выявление изменений состояния командных и исполнительных органов вызывающих переход.

 

3.4.2 Определение входных и выходных технологических параметров контроля (если они не указаны в задании на проектирование).

 

3.4.3 Определение зависимости между входными и выходными параметрами, т.е. определение статических и динамических свойств объекта управления (по методике изложенной в курсе ТАУ, если они не указаны в задании на проектирование).

Представление о динамических свойствах объекта регулирования дают графики переходного процесса (переходные характеристики) на рисунке 3.1.

 

 

 

Рисунок 3.1 – График переходного процесса для определения динамических свойств объекта

Для построения графика переходного процесса сначала осуществляют автоматический непрерывный контроль и регистрацию на вторичном приборе с ленточной диаграммой или ЭВМ той выходной величины, характер изменения которой хотят определить, затем в момент времени to скачкообразно вносят изменение входной величины на 10—15%. При этом все остальные входные величины должны иметь стабильное значение. Переходный процесс изменения регулируемого параметра будет изображен на диаграмме в виде кривой от начальной точки to до нового установившегося значения параметра. Снятие переходных характеристик производят несколько раз со скачкообразным изменением входной величины в сторону уменьшения и в сторону увеличения при различных рабочих режимах технологического процесса. В тех случаях, когда не представляется возможной автоматическая регистрация изменения исследуемой выходной величины, опробование и измерение выполняют вручную.

На верхнем графике одного из типичных переходных процессов (рис. 3.1) показано возмущение, введенное в объект в момент to,— изменение входной величины на Q. На нижнем графике показана кривая изменения во времени выходного параметра (величины) у, возникшее в результате возмущения объекта. Выходной параметр у изменился от первоначального уровня аб до нового уровня ид на величину У. Для оценки динамических показателей объекта проводят прямую лж—касательную к кривой изменения у в точке ее перегиба. Отрезок кг характеризует запаздывание процесса в объекте; это время т, которое проходит с момента возмущения до начала интенсивного изменения регулируемого параметра:

где то — транспортное запаздывание (отрезок ке); тп—переходное, или емкостное, запаздывание (отрезок ег). Время переходного процесса оценивается постоянной времени То.

 

3.4.4 Определение закона регулирования и рекомендации по выбору регулятора. Основная задача при выборе регулятора — определение закона регулирования, который должен реализовать регулятор применительно к динамическим свойствам объекта регулирования.

Двухпозиционное регулирование целесообразно применять в объектах без большого запаздывания, обладающих большой емкостью при постоянной или очень мало изменяющейся нагрузке, и при соблюдении условий:

где т — полное запаздывание объекта; То — постоянная времени объекта.

Двухпозиционное регулирование может быть применено для емкостных объектов без свойств самовыравнивания. Качество регулирования во многом зависит от инерционности чувствительного элемента датчика.

Для многоемкостных объектов двухпозиционное регулирование может применяться при низких требованиях к стабильности регулируемой величины.

П-регулирование применяют в объектах со средней емкостью, с небольшим запаздыванием и при небольших колебаниях нагрузки. Оно находит применение для одноемкостных и иногда для двухъемкостных объектов.

Для регулирования объектов с колеблющейся нагрузкой П-регулирование непригодно.

И-регулирование применяют в объектах с самовыравниванием, обладающих различными емкостями при медленных изменениях нагрузки.

Оптимальные показатели регулирования без остаточной ошибки могут быть достигнуты при регулировании объектов с самовыравниванием, у которых постоянная времени То находится в пределах 2—40 с. Время запаздывания всей системы регулирования.

И-регулирование с постоянной скоростью обеспечивает хорошие результаты работы при регулировании уровня, давления и температуры, если объект обладает небольшим запаздыванием и небольшой постоянной времени. Для обеспечения устойчивости регулирования И-регулятор с постоянной скоростью должен иметь некоторую зону нечувствительности.

ПИ-регулирование применяют в объектах с любой емкостью (в том числе и в многоемкостных), с большим запаздыванием и большими, но плавными изменениями нагрузки. При таком регулировании допустимо соотношение

ПИД-регулирование может быть применено в объектах с любой емкостью, с очень большим запаздыванием и при больших и резких изменениях нагрузки. Эти регуляторы целесообразно применять в объектах, для которых: