Системи управління технологічними процесами

Системи управління технологічними процесами

Системи управління технологічними процесами

1.     Структура систем управління

  Говорячи про автоматизацію виробництва не можна не згадати про різноманітні автоматичні пристрої, які там використовуються. Тих пристроїв дуже багато, всіх їх розглянути неможливо тому розглянемо основні види автоматів, які відрізняються характером роботи, яку вони виконують. Всю сукупність автоматичних пристроїв створених людиною можна поділити на такі чотири групи:

- Пристрої автоматичного регулювання

- Пристрої і системи автоматичного управління

- Пристрої автоматичного контролю

- Пристрої автоматичного захисту

Важливою ланкою будь-якого автоматизованого процесу являється автоматичний контроль його параметрів. Це звільнює людину від спостерігання за технологічним процесом. Пристрої автоматичного

контролю виконують наступні функції:

-Дають кількісну оцінку фізико-хімічних властивостей твердих, рідких і газоподібних тіл (тиск, температура, вологість і т.д.)

-Визначають геометричні розміри деталей в процесі обробки і після неї

- Оцінюють якість виконаних робіт

- Ведуть облік результатів виробництва.

При виході за межі допустимих норм параметрів, які контролюються пристроями автоматичного контролю,  пристрої автоматичного контролю зразу сповіщають про це пристрої управління.

Серед систем автоматичного контролю виділяються системи автоматичної сигналізації, які сповіщають людину про хід технологічного процесу , про  виникнення аварійних ситуацій.

Пристрої автоматичного захисту теж контролюють деякі параметри технологічного процесу, але при наближенні аварійної ситуації вони не тільки сповіщають про це, а й припиняють технологічний процес.

2. Автоматичний контроль технологічних процесів

Що швидше: виготовити болт чи переконатись в його доброякісності?

Станок-автомат на виготовлення одного болта витрачає не більше 1-2 сек. А якщо контролювати розміри болта вручну на це витрачається півхвилини – у 30 разів більше! Виходить парадокс: за станком спостерігає всього 1 робітник-наладчик, а для контролю продукції станка потрібно добрий десяток людей.

Автоматичний контроль – перша ступінь автоматизації будь-якого процесу. Суть контролю – порівняння, наприклад, розмір готової деталі із заданим значенням за кресленням. До контрольних операцій відносять також багато інших робіт, покладених перш за все на людину. Це систематичний контроль продукції, що виробляється, енергії, яка витрачається, спостереження за температурою, швидкістю обертання, напругою, частотою та іншими величинами, важливими для технологічного процесу, перевірка запасів сировини, комплектуючих деталей і т. д.

У зв’язку з тим, що з кожним роком все більше зростають вимоги до точності, якості обробки і зборки деталей, а самі технологічні процеси все більш ускладнюються, все гостріше становляться задачі звільнення людини від функцій контролю.

Без перебільшення можна сказати, що автомати можуть контролювати всі фізико-хімічні властивості твердих тіл, рідин та газів, їх температуру, тиск, вологість, міцність, в’язкість, електропровідність, частоту коливань і т. п. чистота обробки, якість металевих і неметалевих покрить, наявність сторонніх домішок, небажаних змін у структурі виробів – все це підвладне автоматичному контролю.

Але контроль, навіть якщо його виконує автомат, здійснюють по-різному. Якщо деталь повністю готова і контролюючий пристрій лише відокремлює придатні деталі від непридатних, то такий контроль називають пасивним. У даному випадку автомат-контролер не вмішується у виробничий процес. Більш досконалим є контроль активний, коли за результатами вимірювань автомат-контролер підналаджує машину, коректує хід технологічного процесу і може зупинити станок у випадку, наприклад, поломки інструменту. При порушенні технологічного процесу і небезпечних перевантаженнях контролюючі автомати подають звуковий або світловий сигнал.

Активний контроль дозволяє до мінімуму зменшити можливість браку.

Пристрої автоматів контролю дуже різноманітні. У них використовують закони механіки, оптики, електротехніки. Найбільше розповсюдження отримали електричні контролери, які відрізняються швидкістю дії, малими розмірами і масою, дозволяють передавати результати контролю на великі відстані.

Наприклад, потрібно проконтролювати швидкість руху газу, який проходить по трубах. Для цього у трубі закріплюють датчик – тонкий платиновий дріт в кілька сантиметрів. Він нагрівається до 100-400⁰С. Опір металевого провідника, як відомо, зменшується при пониженні температури. І чим швидше мимо дротинки рухається газовий потік, тим сильніше вона охолоджується, тим менший відповідно її опір і більша сила струму у колі. Цей струм приводить у дію механізм, який зменшує або збільшує подачу газу. Таким чином автомат-контролер активно впливає на кількість газу, що подається по трубі.

Для автоматичного контролю застосовують не лише надточну механіку, пристрої електротехніки та електроніки, але і досягнення ряду наук, які були важливі та цікаві лише для фізиків-теоретиків. У фізичних лабораторіях були відкриті так звані «мічені»  атоми – ізотопи, які внаслідок своєї радіоактивності є нестабільними. Їх називають «міченими» тому, що вони на відміну від своїх стабільних родичів випромінюють альфа-, бета- і гама-промені. На ці мічені атоми і поклали функції контролю, причому справляються вони з цією роботою досить успішно.

3. Сигналізація в автоматичних системах

У енергосистемах, на річному, морському та залізничному транспорті, у авіації і т. д. виникає, і досить часто, необхідність повідомляти людей про хід технологічного процесу, досягнення максимальних (або мінімальних) тисків, температур, швидкостей, нарешті, про виникнення небезпечних, аварійних режимів роботи машин та необхідності вжити невідкладних заходів.

Внаслідок складності великої швидкості протікання технологічного процесу людина не в змозі миттєво визначити виникнення тієї чи іншої критичної ситуації. Доводиться створювати автоматичні пристрої оповіщення, тобто автоматичну сигналізації – різновидність контролю.

Існує і контрольна сигналізація, призначена для повідомлення про зупинку або початок роботи механізмів та пристроїв, про положення органів управління, про зміни, які відбуваються в технологічному процесі. Найчастіше для контрольних сигналів використовують лампи зеленого, синього кольору, реле, які приводять у дію звуковий сигнал.

Більш важливі завдання стоять перед попереджувальною сигна-лізацією, яка сповіщає про виникнення небезпечних змін режиму роботи машини або системи, про настання таких процесів, які в подальшому можуть призвести до важких наслідків.

Попереджувальні сигнали повинні сприйматися негайно – незалежно від умов освітленості чи виробничого шуму. Найчастіше вони подаються сигналами червоного кольору, дзвінками, свистками, сиренами.

Зрештою, аварійна сигналізація сповіщає про самовільну зупинку машини, небезпеку виникнення пожежі або вибуху, про наближення аварії або катастрофи. Уривчасті звуки сирени, яскраві спалахи світла і т. п. зобов’язують до негайних дій, привертають загальну увагу: вживай негайних заходів.

Той або інший сигнал обирають зі строгим врахуванням особливостей зору і слуху людини, а також значення і ролі, які ці автоматичні сигнали призначені виконувати.

Найпростіше – це подача сигналів лише про два стани контрольованого об’єкта: увімкнено-вимкнено, відкрито-закрито, машина працює-машина стоїть і т. д. Це відноситься до сигналізації, яка повідомляє про критичні значення контрольованих величин. Але поєднання кількох простих сигналізаторів дозволяє зробити так звані вказівні пристрої.

Сигналізатори подібного, простого типу дозволяють також здійснювати автоматичний контроль багатьох параметрів. Спеціалісти такий контроль називають множинним.

Множинний контроль використовують для спостереження за обробкою тих чи інших деталей. Припустимо, на станку обробляється вал. Перед станочником знаходиться панель, на якій зображений розріз оброблюваного валу. Під кресленням розміщені два ряди електричних лампочок; кожна з’єднується з датчиком на тих ділянках валу, які при обробці контролюються, і кожній контрольованій величині відповідають  дві лампочки – одна верхня і одна нижня. Якщо в процесі обробки розмір відхилиться від заданого допуску в позитивну сторону (тобто, діаметр є трохи більшим заданого на кресленні), то загорається верхня лампочка. При відхиленні в негативну сторону – нижня.

Верстатник обробляє вал до тих пір, поки всі контрольовані величини знаходяться в межах придатності; при цьому всі лампочки нижнього ряду не горять, а загоряється лампа, розташована над кресленням. Трудомісткий контроль за допомогою ручного інструменту тут замінений автоматичним, причому одночасно контролюється велика кількість параметрів.

Інколи виникає необхідність в автоматичній реєстрації контрольованих величин. Маючи перед собою графіки або групи цифр, букв, фотографій, можна зробити висновки про те, як проходив технологічний процес, які і коли були відхилення, збої.

Пристрій автоматичного контролю часто, крім своїх основних контрольних функцій, одночасно виконує іншу корисну роботу. Наприклад, сортує вироби. інколи замість сортування автоматично маркірують вироби. Умовна відмітка, або клеймо, наноситься фарбою, трафаретом, травленням, електрогравіровкою та іншими способами. Такий «паспорт» виробу дозволяє або цей виріб забракувати, або використовувати у відповідності з даними, отриманими при контролі-маркіровці.

Системи автоматичного контролю і сигналізації можуть бути недистанційними, дистанційними і телеметричними.

Якщо вимірювальний і виконавчий елементи знаходяться у одному місці і сигнали вимірювального елемента достатні за величиною, щоб привести в дію виконавчий елемент, то система автоматичного контролю виявляється досить простою і, як правило, надійною. У цій недистанційній системі відсутня лінія зв’язку. Так побудовані недистанційний механічний манометр, тахометр, механічний автомат для сортування деталей, біметалічний термометр та інші. Серед недистанційних засобів контролю можуть бути навіть електронні автомати для контролю розмірів деталей, що переміщаються, фотоелектронні пристрої для цих же цілей та інші.

Широкого застосування у системах недистанційного автоматичного контролю отримали ультразвукові методи. Ультразвук виявляє приховані дефекти у різних матеріалах і готових виробах.

Якщо частота пружних коливань або хвиль перевищує 16 кГц, то такі коливання називають ультразвуковими. Вони добре розповсюджуються у металах, у воді. Дуже важливо те, що ультразвук здатний відбиватись від межі розподілу двох середовищ. Припустимо, у деталі є тріщини або внутрішня пустота - раковина. Пропускаючи через деталь короткі імпульси ультразвуку і подаючи відбиті імпульси на екран осцилографа, легко виявити у деталі приховані дефекти.

Як приклад: сигналізатор критичного тиску газу всередині якої-небудь ємності. Це трубка, з’єднана з ємністю. Вхід у трубку закритий кулькою, яка утримується пружиною. При перевищенні тиску понад норму пружина буде не в стані долати тиск газу, стиснеться і газ почне виходити через трубку, приводячи у дію свисток або сирену. Простота та надійність недистанційних систем забезпечили їх широке розповсюдження. Але у ряді випадків необхідний контроль на відстані, і це привело до створення дистанційних автоматичних контрольних пристроїв. У них виконавчі елементи віддалені від контрольованих об’єктів. Це віддалення, як правило, не перевищує кілометра.

Припустимо, потрібно виміряти температуру всередині хімічного реактора. Для цього всередину його поміщається балон, наповнений рідиною і з’єднаний довгою капілярною трубкою з манометровою коробкою.

Манометр – пристрій для вимірювання тиску. Але з його допомогою можна визначати і температуру. Якщо температура всередині хімічного реактора зростає, то нагрівається і рідина у балоні. Вона прагне розширитись; отже, тиск рідини зростає. Ця зміна тиску фіксується манометром. Якщо шкалу манометра проградуювати не в атмосфера, а у градусах, то його покази будуть безпосередньо інформувати про температуру реактора.

Все ширше застосовуються і пневматичні системи автоматичного контролю температури, тиску, розрідження рівня та інших параметрів, які відносяться в основному до теплоенергетики. В цих системах на виконавчі елементи передаються імпульси тиску повітря, причому інтенсивність цих імпульсів залежить від контрольованої величини.

Все ж більш досконалі і надійні електричні системи дистанційного контролю. Вони є універсальними, без інерційними і дозволяють передавати дані на значні відстані. Немаловажним є і те, що значно прискорюється проведення контрольних операцій і, головне, з’являється можливість у різних контрольних системах застосовувати однотипні електричні виконавчі елементи.

5. Автоматичне регулювання

Автоматичне регулювання – це підтримання незмінною на протязі певного часу якої-небудь важливої величини, яка характеризує технологічний процес, або ж зміну цієї величини за певним законом.

Регульована величина (тиск, температура, частота обертання) порівнюється із заданим значенням. А регулятор здійснює вплив на технологічний процес.

У приладах і системах автоматичного регулювання використовується багато типів регуляторів.

Відкриємо капот автомобіля. Серед інших пристроїв ви знайдете коробку з написом «реле-регулятор».

Кожний автомобіль має свою «електростанцію» - генератор постійного струму. Напруга, яка виробляється ним, залежить від частоти обертання двигуна автомобіля. Якби не було автомата, який слідкує за величиною напруги генератора, то при малій частоті обертання генератор не заряджався, а при великій перегорали б лампочки фар і пошкоджувались інші споживачі струму.

Реле-регулятор робить просту річ: він то збільшує, то зменшує опір обмотки збудження генератора.

В цьому електричному регуляторі для управління виконавчим органом використовується електрична енергія. Крім регуляторів напруги існують також регулятори сили струму, частоти, активної і реактивної потужності.

Електричні регулятори можуть також розрізнятись по типу датчика, вимірювального перетворювача. Якщо датчик – електромагніт плюс магнітний підсилювач, то перед нами електромагнітний регулятор; якщо датчик – електронна лампа або напівпровідниковий пристрій,  то – електронний; якщо у чутливому елементі використовується поле вихрових струмів, то регулятор буде індукційним і т. д.

Крім електричних регуляторів, широко використовують пневматичні і гідравлічні регулятори. У них працюють стиснуте повітря або тиск рідини, які підводяться від стороннього джерела. Наприклад, автоматичний регулятор частоти обертання валу у паровій машині. Сходячись при зменшенні частоти обертання валу і розіходячись при збільшенні частоти, кулі то піднімають, то опускають заслінку, змінюючи подачу пару, а отже, і частоту обертання валу.

Пневматичні та гідравлічні регулятори мають досить складну конструкцію, потребують ряду точних у виготовленні деталей, що, звичайно, здорожує їх. порівняно дешевим і надійним є застосування у пристроях пневмогідроавтоматики так званої струменевої техніки.

Її особливістю є те, що у пристроях відсутні механічні рухомі деталі (поршні, мембрани), а всю роботу регулятора виконують струмені і потоки повітря або рідини. Прилади струменевої техніки особливо вигідні ще й тому, що їх виготовляють способом друкованих схем. При цьому у плоскій пластинці створюється відбиток всіх необхідних елементів у схемі регулятора. Закрий схему кришкою з отворами для підведення і відведення газу або рідини – пристрій готовий. Струменеві прилади, виготовлені таким шляхом, можуть бути одношаровими і багатошаровими, причому їх можна виготовляти не лише друкуванням, але і методом фотохімічного травлення або точного лиття різних металів.

У порівнянні зі звичайними приладами пневмогідроавтоматики струменеві прилади не лише надійні і недорогі, але і мають в сотні і тисячі разів більшу швидкодію. Вони використовуються не лише для регулювання і контролю, але і для управління технологічними процесами.

Будь-який автоматичний регулятор створюється з елементів, кожний з яких виконує цілком певну функцію. Ось ці елементи: вимірювальний (або чутливий) елемент, який підключається до об’єкту, вимірює і перетворює регульовану величину – температуру, тиск, струм і т. д. (автоматичний регулятор може мати не один, а кілька чутливих елементів, які вимірюють кілька величин, від яких залежить вплив регулятора).

Наступним елементом автоматичного регулятора є задаючий елемент, обов’язком якого є «пам’ятати» в кожний момент часу потрібне значення регульованої величини. При програмному регулюванні із складним законом зміни регульованої величини роль задаючого елементу може виконувати обчислювальний пристрій.

Є у автоматичному регуляторі і елемент порівняння, який порівнює сигнали вимірювального і задаючого елементів, виконавчий елемент, коректуючий елемент.

Чим вище розвивається автоматизація, тим автоматичні пристрої стають все складнішими.

6. Блокування

Блокува́ння — фіксація робочих частин апаратів та механізмів у певному положенні, яке зберігається незалежно від того, усунено чи ні блокуючий вплив. Блокування підвищує безпеку обслуговування і надійність роботи обладнання, забезпечує необхідну послідовність вмикання механізмів та елементів пристроїв, а також обмеження переміщень механізмів в межах робочої зони.

Блокування широко застосовують в промисловості. Наприклад, механічне блокування кришок електроапаратури, автоматичних вимикачів, пускачів, контакторів та ін. пристроїв шахтної і нафтопромислової автоматики, що виготовляється у вибухозахищеному виконанні, забезпечує захист обслуговуючого персоналу при оглядах і ремонтах, запобігаючи відкриванню оболонки при наявності напруги в робочих камерах апарата.

Електричне блокування широко використовують на транспорті для безпеки проходження потягів і підвищення пропускної спроможності шляхів.

У гірництві — одній з найбільш складних і небезпечних галузей промисловості блокування застосовують на всіх видах шахтного транспорту, на людському і скіповому підйомах шахт для забезпечення заданого циклу руху, в системах керування гірничими машинами.

Контрольні запитання:

1. На які групи ділять автоматичні пристрої?

2. Які функції виконують пристрої автоматичного контролю?

3. Які системи виділяють серед систем автоматичного контролю?

4. Чим характерні пристрої автоматичного захисту?

5. Розкажіть за автоматичний контроль.

6. Що таке автоматичне регулювання?

7. Які ви знаєте типи пристроїв автоматичного регулювання?

8. Яке призначення пристроїв блокування?