Цели, задачи и принципы построения автоматических систем управления

Импульсные регуляторы можно применять в объектах без большого запаздывания, обладающих средней емкостью при постоянной или плавно изменяющейся нагрузке, когда:

Под емкостью объекта подразумевают запас вещества или энергии, содержащийся в нем при заданном значении выходного (регулируемого) параметра. Емкость объекта характеризуется коэффициентом емкости, т. е. количеством регулирующего агента, подводимого к объекту (или отводимого от него) и необходимого для изменения величины параметра на единицу его измерения. Например, единица измерения коэффициента емкости при регулировании уровня в баке выражают в м2 '[м3 /м (высота уровня)]. Очевидно, коэффициент емкости бака с большим диаметром будет больше.

Как известно, при одинаковой разности между притоком и расходом жидкости в сосудах с различными диаметрами скорость изменения уровня в сосуде с меньшим диаметром будет больше. Следовательно, в регулируемых объектах с малым коэффициентом емкости отклонение регулируемого параметра (при прочих равных условиях) будет более значительным, чем у объектов с большим коэффициентом емкости.

При регулировании давления, коэффициент емкости получают как отношение объема жидкости или газа, находящегося в регулируемом объекте, к значению регулируемого давления. В объектах, где регулируется температура, коэффициентом емкости считают отношение количества тепла, аккумулированного в объекте, к регулируемому значению температуры или то количество тепла, которое необходимо ввести в объект (или вывести из него), чтобы температура регулируемой среды изменилась на 1градус.

Поскольку в одном и том же объекте могут протекать различные процессы, емкость и коэффициент емкости этого объекта могут быть различными. При одинаковых возмущениях, чем меньше коэффициент емкости, тем быстрее будет изменяться регулируемый параметр, и наоборот.

Объекты регулирования обычно отделены один от другого различными технологическими устройствами, которые обладают соответствующим сопротивлением. Так, при регулировании температуры имеется термическое сопротивление материала аппаратов при регулировании уровня жидкости в баках — гидравлическое сопротивление соединительных трубопроводов и запорной арматуры. Объект автоматического регулирования, состоящий из сопротивления и одной емкости, называют одноемкостным. Объект с несколькими емкостями, участвующими в процессе регулирования и разделенными между собой сопротивлениями, называют многоемкостным.

Самовыравниванием объекта регулирования называют свойство объекта регулирования, при котором значение регулируемого параметра при изменении подачи  или потребления стремится к новому стабильному значению.

Рассмотрим процесс самовыравнивания на примере заполнения сосуда жидкостью. Пусть жидкость, нагнетаемая насосом 1 (рисунок 3.2, а), поступает в бак 3 через трубку 2, конец которой находится выше уровня жидкости в баке. Из бака жидкость откачивается насосом 5 через трубку 4. При нарушении равновесия между притоком Qn и расходом Qp уровень жидкости в баке либо повышается, пока бак не переполнится, либо, наоборот, понижается до тех, пор, пока вода не уйдет из бака. В данном случае процесс не имеет самовыравнивания.

Несколько измененный случай регулирования показан на рисунок 3.2, б когда вода подается в бак насосом 1, как в предыдущем случае, но выливается она свободно через трубку 4, присоединенную ко дну бака. При неравенстве притока расходу уровень жидкости в баке изменится: если приток 'больше расхода, то уровень будет повышаться. Однако вследствие увеличения гидростатического напора увеличится и количество воды, вытекающей из бака через сливную трубку. Спустя некоторое время из-за повышения уровня воды увеличивающийся расход станет равен увеличенному притоку, и вновь наступит равновесие, причем дальнейшее повышение уровня жидкости в баке прекратится. При уменьшении притока уровень будет понижаться до тех пор, пока расход, который будет уменьшаться вследствие уменьшения гидростатического напора, не станет равен притоку. Процесс опять достигнет состояния равновесия при новом, более низком уровне жидкости в баке. Таким образом, рассмотренный процесс обладает свойством самовыравнивания.

На технологические процессы действуют возмущения, которые нарушают равновесие систем. Это изменение может происходить по-разному. В одном случае при нарушении притока регулируемый параметр примет новое значение, равное притоку после возмущения. В другом случае параметр после

возмущения будет непрерывно изменяться. В первом случае объект регули рования имеет самовыравнивание, во втором — нет. Наличие самовыравнивания существенно облегчает задачу автоматического регулирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2 - Процесс самовыравнивания на примере заполнения сосуда жидкостью

 

 

Запаздывание—это время, требующееся для установления нового значения параметра и необходимое для преодоления инерционности объекта. Запаздывание подразделяют на емкостное, переходное и передаточное (транспортное).

Под емкостным запаздыванием понимают замедление в изменении регулируемой величины при изменении притока или расхода обусловленное емкостью объекта или тепловым и гидравлическим сопротивлениями (например, тепло передается через стенки, имеющие изоляцию; при этом, чем больше время передачи тепла, тем больше запаздывание).

Передаточное запаздывание — это задержка в изменении регулируемого параметра вследствие того, что движение тепла или другого фактора, распространяясь от места подачи, достигнет места установки измерительного устройства регулятора лишь через некоторый промежуток времени.

 

3.4.5 Определение метода измерения технологических параметров

К примеру:

• контактный (с помощью манометрических термометров, термопар, термосопротивлений и т.п.) или бесконтактный (с помощью пирометров) методы измерения температуры.
• буйковый, акустический, пъезометрический, гидростатический и т.д. методы измерения уровня.
• индукционный, ульразвуковой или метод измерения расхода с помощью стандартных сужающих устройств и т.д.

Метод измерения технологического параметра определяется свойствами технологических сред в которых производится замер, особенностями технологического процесса и характеристиками окружающей среды в месте установки датчиков. Рекомендации по применению тех или иных методов измерения технологических параметров и применению соответствующих приборов и датчиков приведены в курсе «Монтаж и наладка приборов и средств автоматизации», а также в специальной литературе.

 

3.4.6 Определение допустимого разброса технологических параметров от их номинального значения, пределов измерения и класса точности датчиков и приборов, а также разрядности АЦП контроллеров и модулей аналогового ввода сигналов в ЭВМ.

Необходимо выбирать датчики и приборы, диапазон измерений которых превышает значение верхнего (нижнего) предела измеряемой величины на 10 - 15 %. В противном случае работа на предельных режимах ведет к быстрому износу оборудования. А при использовании датчиков и приборов, диапазон измерений которых превышает значение верхнего (нижнего) предела измеряемой величины более чем на 30 % неоправданно большой становится приведенная погрешность измерений, которая зависит от диапазона измерений.

При выборе датчиков, помимо критериев точности преобразования, условий эксплуатации, стоимости следует обращать внимание на характер выходного сигнала и при прочих равных условиях следует выбирать датчики с выходным унифицированным сигналом:

- токовым 0-5 мА, 0-20мА, 4-20 мА;

- потенциальным 0-5 В, 0-10 В, 0-2,5В;

- частотным 0-10 кГц.

Применение датчиков с естественным выходным сигналом (термопара, термометр сопротивления, тензодатчик) имеет смысл в том случае, если стоимость измерений данными датчиками на данном технологическом объекте существенно ниже стоимости измерений аналогичными датчиками с унифицированным выходным сигналом.

Примечание: Под стоимостью измерения подразумеваются общие затраты на закупку, доставку, монтаж датчиков и каналов связи. Трудозатраты на тех.обслуживание, ремонт и поверку.

Следует отметить, что использование датчиков с естественным выходным сигналом ведет к усложнению и соответствующему удорожанию следующего элемента системы - нормализатора сигналов.

Определение класса точности датчиков и приборов, а также разрядности АЦП контроллеров и модулей аналогового ввода сигналов в ЭВМ производится по следующей методике:

Необходимая точность измерения технологических параметров в процентах определяется следующим образом:

При двухстороннем ограничении технологического параметра (например 0С) необходимая точность в процентах определяется по формуле:

 

                                                                                (3.1)

 

где Хмакс. и Хмин. – соответственно максимально и минимально

допустимые значения  технологического параметра.

       Хном. – номинальное значение технологического параметра.

 

При одностороннем ограничении технологического параметра (например 0С) необходимая точность в процентах определяется по формуле:

 

                                                                             .(3.2)

 

Суммарная погрешность измерительного канала определяется по формуле

                                                                  (3.3)

 

где - основные допускаемые погрешности элементов измерительного канала, т.е. погрешности датчика, нормирующего преобразователя, вторичного прибора, АЦП контроллера и т.п.

Погрешности датчиков и других элементов указываются в справочниках и каталогах.

Как правило, погрешность АЦП модулей ввода/вывода не превышает 0,1 %.

Пример: Необходимо контролировать температуру воды в  емкости. Номинальное значение температуры Хном = 80 градусов, максимально и минимально допустимые значения Хмакс= 83 градуса, Хмин = 78 градусов. Температура определяется с помощью термопреобразователя сопротивления ТСМ, сигнал с которого поступает на вторичный прибор «Диск-250», установленный на щите рядом с емкостью. Вторичный прибор имеет унифицированный выходной сигнал 0-5 мА и погрешность по преобразованию 0,5 %. Информация со вторичного прибора, через нормирующий преобразователь «ток – напряжение» где токовый сигнал 0-5 мА преобразуется в потенциальный 0 - 5В, с помощью встраиваемого модуля PCI – 711B вводится в память ЭВМ. Погрешность нормирующего преобразователя составляет 0,1 %. Модуль PCI – 711B содержит 12 разрядный АЦП с точностью преобразования 0,1%.

Требуется:

- Нарисовать структуру измерительного канала.

- Определить необходимую точность измерения температуры.

- Произвести предварительный выбор датчика температуры и рассчитать суммарную погрешность измерительного канала.

- Сравнить требуемую точность и полученную погрешность измерительного канала и произвести окончательный выбор датчика температуры по точности.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.3 - Структура измерительного канала

 

 

Рассчитываем необходимую точность измерения температуры по формуле (3.2)

 = (83-78)*100% / 6*80 = 1,04 %

Выбираем датчик, который имел бы невысокую стоимость и обеспечивал среднюю точность в интервале температур от 0 до 100 градусов.

Стандартный ряд классов точности имеет следующий вид

1*10n ;  1.5 *10n;   2*10n;   2.5*10n ;  4*10n ;  5*10n ; 6*10n . где n – целое число из ряда  n = 0,-1,-2,-3,-4.

Следует отметить, что с увеличением класса точности резко возрастает стоимость приборов и датчиков, поэтому не следует без существенных причин выбирать прибор или датчик высокого класса точности (приборы и датчики класса 0,02 и выше относятся к разряду образцовых).

Предварительно выбираем датчик ТСМ с номинальной статической характеристикой (НСХ) 50М с пределом измерений 0-100 градусов и классом точности 0,6.

Рассчитываем суммарную погрешность измерительного канала по формуле (3.3):

= = 0,79 %

Получаем, что

<       0,79 % < 1,04%

Окончательно выбираем датчик ТСМ 50М, с пределом измерений 0-100 градусов и классом точности 0,6.

Если суммарная погрешность оказывается больше требуемой точности, то какой-либо элемент (элементы) системы контроля необходимо заменить на более точные и  провести повторный расчет суммарной погрешности. Проще и дешевле заменить датчик на более точный. В крайнем случае, выбирают модуль ввода с 16 разрядным АЦП.

Определяют габаритные размеры датчиков (К примеру длины погружных частей датчиков температуры) и материалы датчиков и защитой арматуры (к примеру, материал внутренних поверхностей индукционных расходомеров). Определяют способ крепления датчиков на трубопроводах и технологическом оборудовании (К примеру, с помощью фланцев или штуцеров).

 

3.4.7 Определение структуры программно-технического комплекса (ПТК) для АСУ ТП, выбор аппаратных и программных средств.

Самое главное – определить оптимальную структуру системы управления. Системы управления бывают двух видов: