Методические указания к выполнению разделов

6.1. Содержание разделов пояснительной записки

Во введении показывается роль автоматизации и влияние ее на научно-технический прогресс, описывается существующее положение и состояние разрабатываемой системы автоматизации согласно теме курсового проекта. Определяется круг задач, связанных с автоматизацией заданного объекта, указываются преимущества автоматизированного процесса по сравнению с неавтоматизированным.

В разделе ”Краткая характеристика объекта автоматизации” дается понятие об автоматизации, ее видах, приводится технологическая схема и описание работы установки, условия эксплуатации автоматизируемого объекта и основные технические требования к САУ и САР объекта; кратко описываются условия, в которых эксплуатируются автоматизируемые установки. Указывается, по какой величине параметра (давление, расход, температура и пр.) контролируется работа.

Раздел ”Разработка задания на автоматизацию” включает: определение входных и выходных величин, их взаимозаменяемость, необходимый вид автоматизации, места контроля и регулирования, результаты в виде графической схемы-задания.

Указывается, какие параметры должны быть переведены на автоматическое регулирование, где должны быть использованы системы защиты и блокировки. Обосновываются и определяются технические требования к САУ и САР.

Приводится словесное описание алгоритма управления процессом и представляется графически с помощью блок-схемы или совокупности блоков, выполняющих определенные технологические операции; разрабатывается защитная автоматика для предотвращения аварий оборудования, возникающих в аварийных режимах работы.

Раздел ”Функциональная схема автоматизации” включает составление функциональных (технологических) схем автоматизации на основе принятых средств автоматизации. Приводится описание работы запроектированной схемы автоматизации.

Раздел ”Принципиальная электрическая схема управления” включает проектирование и составление принципиальных электрических схем (управления, регулирования, защиты, измерения и сигнализации) на основе структурных схем и принятых средств автоматизации. Приводится описание схем и последовательность работы их элементов.

В разделе ”Выбор средств автоматизации” на основании функциональных схем производится выбор технических средств автоматизации. Выбираются первичные приборы (датчики), исполнительные элементы, регулирующие органы, вторичные приборы, автоматические регуляторы, реле и т.п. Составляется таблица, в которой дается техническая характеристика выбранных средств автоматизации.

После выбора составляется спецификация контрольно-измерительных и регулирующих приборов, необходимых для обеспечивания разработанной системы контроля и автоматического регулирования, указываются тип и основные характеристики выбранных приборов.

В разделе ”Заключение” дается анализ работы автоматизированной установки, и приводятся технико-экономические характеристики и эффективность автоматизации.

6.2. Методические указания к выполнению отдельных разделов курсового

проекта.

6.2.1. Краткая характеристика объекта автоматизации, технологическая

схема работы установки.

Автоматизация - это применение методов и средств автоматики для превращения механизмов, оборудования, производственных процессов из неавтоматических в автоматические. Частичной называется автоматизация лишь отдельных операций или машин, участвующих в едином технологическом процессе.

Полной является автоматизация всего агрегата, строительного участка, завода, работающего без вмешательства человека.

Автоматизация может идти по двум направлениям: автоматизация машин и механизмов и автоматизация технологических процессов, составляющих единый технологический цикл производства материалов строительной индустрии. Внедрение автоматизации возможно на основе совершенной материальной базы. В табл.1 приводятся примеры типового оборудования и задач, решаемых при автоматизации дозирования и взвешивания.

Таблица 1

Представляемая пояснительная записка, кроме обоснования выбора и краткой характеристики объекта автоматизации (включающей назначение объекта), должна содержать описание элементной базы автоматизируемой системы. Указывается состав входящего в автоматизируемую систему оборудования, его технические характеристики.

При выборе номенклатуры приборов обязательно учитываются соответствие их паспортных данных внешним условиям и условиям технологического процесса, а также требованиям надежности.

Необходимо также описать технологический процесс, автоматизация которого приводится.

Для примера опишем технологический процесс программного регулирования температуры в автоклаве с применением электронного регулятора ПРТЭ-3 (рис.1). Схема состоит из программного регулятора ПРТЭ, работающего в комплекте с термосопротивлением ЭТП-11, релейным блоком (блок управления исполнительными механизмами) и соленоидными вентилями типа СВВ (исполнительные механизмы ИМ1, ИМ2, ИМ3, ИМ4).

Контроль давления осуществляется электроконтактным манометром ЭКМ, наличие конденсационной воды в автоклаве фиксируется блоком измерения уровня конденсата. Температурная программа задается специальным копиром, внешние контуры которого представляют собой кривую температурного режима, предусмотренного технологией производства.

Температура внутри парового пространства измеряется датчиком. Запись изменения температуры производится с помощью электронного моста ЭМД-112. Программный регулятор ПРТЭ, реагируя на отклонения температуры от заданной величины, через релейный блок управляет исполнительным механизмом ИМ1. Этот механизм, регулируя впуск пара, обеспечивает в паровом пространстве автоклава подъем и выдержку температуры в соответствии с заданным режимом. После изотермической выдержки релейный блок переводится регулятором ПРТЭ на управление исполнительным механизмом ИМ3. Сбросом пара механизм обеспечивает предусмотренное программой снижение температуры.

Рис.1. Технологический процесс программного регулирования

температуры в автоклаве с применением ПРТЭ-3

На основании задания курсового проекта составляется схема автоматизации процесса, на которой должны быть показаны все технологическое оборудование и средства автоматики. При разработке такой схемы выбирают предварительно систему автоматики (электрическую, пневматическую, гидравлическую или смешанную), исходя из вида вспомогательной энергии.

Технологическая схема должна давать достаточно полное представление о технологическом процессе и управлении им. В дальнейшем она используется для разработки схемы автоматизации.

6.2.2. Составление схемы-задания на автоматизацию выбранного

технологического объекта.

Схема-задание представляется, как правило, графически на основе технологической схемы.

Пример фрагмента такой схемы приведен на рис.2., где показано составление задания на автоматизацию процесса тепловлажностной обработки.

Сверху технологической схемы горизонтально проводятся линии, условно обозначающие виды необходимой автоматизации. Вид автоматизации обозначается буквами (например, АК - автоматический контроль, АР - автоматическое регулирование, ЛПУ - логико-программное управление, ОПТ - оптимизация и т.д.).

Под технологической линией тоже проводятся линии, условно обозначающие параметры, подвергаемые автоматизации. Эти линии обозначают буквами латинского алфавита, предусмотренными ГОСТом для обозначения измеряемых величин в схемах автоматизации. Порядок расположения букв в буквенном обозначении:

- основное обозначение измеряемой величины;

- дополнительное обозначение измеряемой величины (при необходимости);

- обозначение функционального признака прибора.

Если выбрана многоуровневая структура системы управления, то ниже проводятся горизонтальные линии, условно изображающие пункты управления.

На изображенной таким образом схеме через участок, где должен контролироваться или управляться параметр, проводят вертикальную линию. На ней точками в местах пересечения с линиями вида автоматизации обозначают вид автоматизации, на технологической схеме - место параметра, в местах пересечения с линиями параметров - параметр автоматизации, а с линиями пунктов управления - необходимый пункт управления, с которого управляют работой системы.

Рис.2. Графическая схема-задание на автоматизацию процесса тепловой

обработки железобетонных изделий

На рис.2 приведены обозначения:

1а - контроль положения толкателя;

1б - логико-программное управление толкателем;

2а - контроль положения снижателя;

2б - логико-программное управление снижателем;

3а - контроль работы воздушной завесы;

3б - логико-программное управление воздушной завесой и т.д.

6.2.3. Разработка систем автоматического контроля

Под контролем понимается процесс получения информации о состоянии объекта путем сравнения значений измеряемых параметров с допустимыми.

Задача на разработку систем автоматического контроля решается определением параметров, которые необходимо контролировать в ходе процесса.

При разработке системы автоматического контроля для каждого параметра следует указать:

- наименование и место его измерения, т.е. расположение датчика;

- диапазон изменения контролируемой величины;

- требуемую точность измерения;

- необходимо выбрать характер контроля (непрерывный, периодический) и вид контроля (показания, регистрация или сигнализация);

- указываются места расположения вторичных приборов и, при необходимости, особые условия их функционирования (пожаро- и взрывоопасность, влажность, запыленность и т.п.).

Выбирая места установки аппаратуры автоматического контроля (а также регулирования и защиты) автоматизируемого процесса, следует по возможности сокращать количество устанавливаемой аппаратуры и каналов связи. Это достигается выбором контролируемых параметров и точек их контроля так, чтобы эти параметры характеризовали ход процесса на возможно большем его участке.

Места измерения контролируемых и регулируемых параметров должны обеспечивать минимальное запаздывание сигнала.

6.2.4. Разработка систем автоматического регулирования

Автоматическое регулирование следует рассматривать как частный случай автоматического управления, при котором желаемое течение процесса поддерживается с требуемой точностью при изменяющихся внешних условиях в определенном промежутке времени или изменяется в соответствии с заданным режимом. Задача на автоматическое регулирование решается установлением регулируемых величин.

Для каждой из регулируемых величин указывается:

1. Наименование и вид регулирования (стабилизация, программное регулирование или слежение).

2. Регулирующее воздействие (тип регулируемого органа - клапан, заслонка, экран и т.д.).

3. Требуемые показатели качества регулирования:

- время регулирования;

- величина ошибки в установившемся состоянии, т.е. статическая точность;

- показатель качества регулирования - колебательность.

Необходимо также указать динамические характеристики объекта регулирования (привести переходную характеристику объекта регулирования или его уравнение, т.е. математическую модель).

На рис.3 приведен пример программного регулирования заданного параметра по разработанной блок-схеме.

Рис.3. Блок-схема температурного регулирования температуры в автоклаве:

t - температура среды (регулируемая величина);

R_U - сопротивление терморезистора;

R _з - сопротивление потенциометра задатчика;

U - сигнал ошибки;

К - коэффициент пропорциональности;

а - управляющее воздействие;

a - величина задания;

К _а - усиленный сигнал управляющего воздействия;

Р - параметр, изменяющий значение регулируемой величины t;

1 - автоклав; 2 - датчик (термосопротивление); 3 - задающее устройство (потенциометр с движком, перемещающимся по заданной программе); 4 - сравнивающее устройство (мост сопротивления); 5 - управляющее устройство - регулятор; 6 - усилитель сигнала; 7,8 - исполнительное устройство.

6.2.5. Разработка логико-программного управления

Логико-программное управление осуществляет заданную последовательность включения и отключение исполнительных устройств в зависимости от времени и состояния объекта управления.

Для независимых с точки зрения управления участков технологической схемы формируются основные задачи логико-программного управления, составляются схемы алгоритмов управления со словесным описанием их.

Словесное описание алгоритма предусматривает запись его по шагам. Каждый шаг представляет собой элементарную операцию. Содержание шага записи ведется в словесной форме с указанием очередного шага, к которому следует перейти. В случае разветвления процесса описание шага состоит из двух частей, разделенных словом ”иначе”.

В каждой из частей указывается номер очередного шага, к которому следует перейти после выполнения сформулированного условия.

Блок-схема алгоритма представляет собой графическое изображение алгоритмизации процесса, в котором каждый оператор условно изображается в виде геометрического символа. Символы соединяются между собой линиями, указывающими последовательность выполнения операторов. Внутри символов дается формульное или словесное содержание соответствующего оператора. Примеры основных символов приведены в приложении 2.

Для сложных алгоритмов, включающих более 15 операторов, допускается составление укрупненной блок-схемы алгоритма, в которой некоторым операторам могут соответствовать подалгоритмы, содержащие несколько операций. В этих случаях дается полное словесное описание каждого подалгоритма.

Определяется общее количество входов и выходов алгоритма (контролируемых параметров, вводимых оператором данных нормируемых управляющих воздействий и т.д.). Перечень входа и выхода целесообразно представить в виде таблицы.

Пример блок-схемы алгоритма управления выдачей материала со склада заполнителей приведен на рис.4. Тракт подачи материала состоит из шести отсеков с питателями П_i (i = 1...6), промежуточного (К1) и выходного (К2) конвейеров. Выдача материала начинается по пусковому сигналу (ПС) из дозаторного отделения, который состоит из номера i выбранного отсека и пусковой команды, и оканчивается при снятии пускового сигнала или при опорожнении отсека. Словесное описание алгоритма:

1. Контроль наличия пускового сигнала. Если ПС=1, то переход к 2, иначе к 1.

2. Контроль наличия материала в выбранном отсеке (может осуществляться путем контроля уровня). Если У_i = 1, то переход к 4, иначе к 3.

3. Включить сигнализацию, переход к 1.

4. Подалгоритм включения механизмов тракта выдачи материала. Обеспечивает последовательность включения механизмов тракта против потока транспортируемого материала. При этом каждый последующий механизм включается при условии нормального функционирования предыдущего. Контроль работы конвейеров может осуществляться путем измерения скорости ленты, контроль состояния питателя - путем определения положения питателя. В случае неисправности какого-либо из механизмов прекращаются пусковые операции, и включается сигнализация. Переход к 6.

5. Контроль работы К1 (по скорости ленты). Если С1=1, то переход к 7, иначе к 6.

6. Подалгоритм аварийного останова механизмов тракта, включения сигнализации и после устранения неисправности переход к 4.

7. Контроль работы К2. Если С2=1, то переход к 8, иначе к 6.

8. Контроль наличия материала в бункере (по уровню материала). Если У _i =1, то переход к 10, иначе к 9.

9. Включить сигнализацию, переход к 11.

10. Контроль наличия пускового сигнала. Если ПС=1, то переход к 5, иначе к 11.

11. Подалгоритм отключения механизмов тракта. Обеспечивает последовательное включение механизмов тракта в направлении по потоку материала. При этом каждый конвейер выключается только после доработки материала на ленте.

Входами алгоритма являются:

- пусковой сигнал - ПС _i = 0 или 1 (i = 0... 6);

- наличие материала в отсеке - У _i = 0 или 1, всего 6;

- состояние питателя - П=В, П=0, всего 12;

- скорость ленты конвейера С1=0 или 1, С2 = 0 или 1, всего 1;

- наличие материала на ленте - М1=0 или 1, М2=0 или 1, всего 2.

Выходами алгоритма являются команды:

-управление конвейером 1-К1=В или 0, всего 2;

- управление конвейером 2 - К2=В или 0, всего 2;

- управление сигнализацией - СГ=В или 0, всего 2;

- управление питателем - П _i =В, П _i 0, всего 12.

Таким образом, алгоритм имеет 23 входа и 18 выходов.

Рис.4. Схема алгоритма управления процессом выдачи материала

со склада заполнителей

6.2.6. Разработка системы автоматической защиты

Защитная автоматика нужна для предотвращения аварий оборудования, возникающих в аварийных режимах работы (избыток или недостаток подачи сырья, перегрузки электродвигателей, чрезмерная запыленность среды и т.п., ошибки оператора). Таким образом для технологических процессов, где возможно возникновение аварийных ситуаций, необходимо предусмотреть защитные мероприятия.

6.2.7. Функциональные схемы автоматизации, методика составления

Исходным документом при проектировании систем автоматизации технологических процессов, при выполнении функциональных схем автоматизации и изображении их на технологических схемах является ОСТ 36-27-77 ”Приборы и средства автоматизации. Обозначение условные в схемах автоматизации технологических процессов”. Этим стандартом установлены обозначения измеряемых величин, функциональные признаки приборов, линии связи, а также способы и методика построения условных графических обозначений.

Функциональную схему контроля и управления технологической установки выполняют, как правило, на одном чертеже, на котором изображают аппаратуру всех систем контроля, регулирования, управления и сигнализации, относящуюся к данной технологической установке.

Функциональные схемы могут быть выполнены двумя способами.

По первому способу щит и пульты условно изображают прямоугольниками, в которых с помощью условных изображений показывают устанавливаемые в щитах и пультах приборы и средства автоматизации. От них показывают линии связи к элементам схемы, с которыми они взаимодействуют. Щит и пульты, изображенные в виде прямоугольников, отображают организацию контроля, и управления технологическим процессом и располагаются в нижней части чертежа.

Прямоугольники щитов и пультов управления располагают в такой последовательности, при которой достигаются наибольшая простота и ясность схемы. Приборы и средства автоматизации, которые устанавливают вне щитов и пультов, условно показывают в прямоугольнике ”Приборы местные”. Такие прямоугольники располагают над прямоугольниками щитов и пультов оператора.

Каждому элементу схемы присваивают свой номер, который проставляют в спецификациях.

По второму способу приборы и средства автоматизации изображают вблизи отборных устройств и первичных измерительных преобразователей. Щиты и пульты в схемах не показывают, чем достигается простота совмещения схемы контроля и управления с технологической схемой и меньшая трудоемкость их составления.

		Рис.5. Функциональная схема регулирования температуры в пропарочной камере с коррекцией по прочности бетона:   1-1 - акустический измеритель; 1-2 - измеритель плотности; 1-3 - регулятор температуры; 1-4 - исполнительный механизм с регулирующим клапаном; 1-5 - термометр сопротивления; 2-1 - сужающее устройство, 2-2 - измеритель расхода бес- шкальный; 2-3 - вторичный прибор.

6.2.8. Методика построения принципиальных электрических схем

управления

На схемах изображают все электрические элементы, связи между ними, разрывы, зажимы. Схемы выполняют разными способами.

Условные графические обозначения составных частей элементов располагают в разных местах схемы таким образом, чтобы отдельные цепи изделия были изображены наиболее наглядно.

При этом элементы, входящие в одну цепь, изображают последовательно друг за другом по прямой, а отдельные цепи - одна под другой (строчный метод выполнения схем). Допускается располагать строчки на схеме вертикально.

Условные обозначения различных элементов в принципиальных электрических схемах определены действующим ГОСТ 2.755-74 ”Обозначения условные графические для электрических схем”.

Размеры условных графических изображений приведены в ГОСТ 2.747-68.

Элементы коммутирующих устройств (реле, контакторов, кнопок, выключателей и т.п.) должны изображаться на схемах, как правило, в отключенном положении, т.е. при отсутствии внешних механических воздействий на аппараты. В соответствии с этим правилом все контакты электрических аппаратов делятся на ”замыкающие-разомкнутые” при возбужденном аппарате и при отсутствии внешнего механического воздействия и ”размыкающие-замкнутые” при невозбужденном аппарате и при отсутствии внешнего механического воздействия.

При разработке принципиальных электрических схем все аппараты и приборы, входящие в схему, получают буквенно-позиционное обозначение или марку, причем марка, присвоенная аппарату, сохраняется при обозначении всех его элементов. Система маркировки позволяет различать однотипную аппаратуру, содержащуюся в схеме. Обозначение элементов осуществляется по ГОСТ 2.710-81 ”Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах”.

Порядок изложения работы принципиальных схем начинают с рассмотрения исходного состояния схемы (после подачи в нее напряжения). Затем следует описать все режимы работы схемы, для которых они разрабатывались. Изложение обычно заканчивается рассмотрением работы схемы в аварийных режимах. На рис.6 представлен пример изображения принципиальной электрической схемы.

		1k1
			S1

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема технологической

сигнализации

6.2.9. Выбор технических средств автоматики

Для оперативного контроля за состоянием технологического процесса выбирают технические средства оперативной информации, к которым относятся первичные и вторичные измерительные приборы, показывающие и регистрирующие, экран дисплея, печатающие устройства.

6.2.9.1. Выбор первичных приборов (датчиков)

Основным назначением датчиков является измерение и преобразование контролируемого технологического параметра (температуры, давления, уровня, расхода, состава, плотности и т.д) в стандартный сигнал (электрический, пневматический, гидравлический). Выбор датчика, как правило, производится в два этапа. На первом этапе выбирают разновидность датчика (например, при измерении температуры - термопара, термометр сопротивления или манометрический термометр).

На втором этапе, когда выбраны все элементы автоматического регулирования или контроля, определяют по каталогу типоразмер выбранного датчика (например, термометр сопротивления медный, градуировки 23 типа ТСМ длиной 800 мм, с передвижным штуцером, негерметичных.

Выбор типа датчиков уровня, плотности, состава и влажности газа, перемещения, силы, частоты вращения и ускорения обычно производят в один этап. Он сводится к учету и подбору факторов и характеристик датчиков (статические характеристики, чувствительности, гистерезиса, погрешности измерения, инерционности, расстояния, на которое может быть выходной сигнал датчика и т.д.).

Термопары и термометры сопротивления обеспечивают измерения с погрешностью не более 0,5%, а контактные и манометрические термометры - 1,5-2,5%. В диапазоне температур от -50 до +500°С отдают предпочтение термометрам сопротивления, так как они менее подвержены действию электрических и магнитных полей. При температурах от -50 до +150°С следует применять медные термометры сопротивления как более дешевые и лучше переносящие вибрации, чем платиновые. Термометры сопротивления и манометрические термометры измеряют средние температуры тела или среды, в то время как термопары измеряют ”местную” температуру.

При выборе приборов, используемых в качестве датчиков давления, рекомендуется параметры их подбирать таким образом, чтобы измеряемое давление находилось в пределах 13-23 шкалы прибора, а при колеблющемся давлении - в пределах 13-12 шкалы прибора.

При измерении расходов жидкостей или газов промышленные установки большей частью оснащены дроссельными расходомерами, основными элементами которых являются дросселирующие устройства (диафрагмы, сопла и трубки Вентури), работающие вместе с дифманометрами. При выборе того или другого стандартного дросселирующего устройства руководствуются следующими основными положениями:

-измерительная диафрагма значительно проще в изготовлении, чем сопло, но имеет большой переход давления;

- сопло позволяет измерять больший расход и в ряде случаев обеспечивает более высокую точность;

- трубки Вентури работают при наименьшем перепаде давления, поэтому их применяют там, где ограничение потерь давления имеет решающее значение.

6.2.9.2. Выбор вторичных приборов

Для измерения расхода, давления или разности давлений, разрежения, уровня и других величин совместно с электрическими индукционными дифференциально-трансформаторными датчиками применяются следующие приборы:

- автоматические показывающие одноточечные приборы типа АСП с записью на ленте;

- электронные одноточечные показывающие и записывающие на дисковой диаграмме приборы типа ЭПИД;

- миниатюрные автоматические показывающие приборы типов КСД1, КСД2 и КСД1, в основу которых положена дифференциально-трансформаторная система измерения.

Погрешность показывающих приборов ±0,5 т ±1%, самопишущих до 1%.

Вторичные электронные приборы с реостатными задатчиками снабжаются аварийными сигнальными устройствами. Показывающие электронные приборы ЭПВ2, ЭМВ2 и ЭЛВ2 для этого оснащаются переключателями, к которым подключают сигнальные лампы.