В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования. Во всем этом могут помочь автоматизированные системы управления.

Автоматизированная система управления или АСУ - комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений.

Автоматизированная система управления технологическим процессом.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (сокр. АСУТП) - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Может иметь связь с более глобальной автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает необходимость участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.

Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, устройства управления, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

Автоматизация технологического процесса - совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Классификация АСУ ТП

В зарубежной литературе можно встретить довольно интересную классификацию АСУ ТП, в соответствие с которой все АСУ ТП делятся на три глобальных класса:

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык этот термин можно перевести как “система телемеханики”, “система телеметрии” или “ система диспетчерского управления”. На мой взгляд, последнее определение точнее всего отражает сущность и предназначение системы - контроль и мониторинг объектов с участием диспетчера.

Тут необходимо некоторое пояснение. Термин SCADA часто используется в более узком смысле: многие так называют программный пакет визуализации технологического процесса. Однако в данном разделе под словом SCADA мы будем понимать целый класс систем управления.

PLC (Programmable Logic Controller). На русский язык переводится как “программируемый логический контроллер” (или сокращенно ПЛК).

Тут, как и в предыдущем случае, есть двусмысленность. Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления. Тем не менее, термин ПЛК имеет и более общее значение и часто используется для обозначения целого класса систем.

DCS (Distributed Control System). По-русски распределенная система управления (РСУ). Тут никакой путаницы нет, все однозначно.

Справедливости ради надо отметить, что если в начале 90-х такая классификация не вызывала споров, то сейчас многие эксперты считают ее весьма условной. Это связано с тем, что в последние годы внедряются гибридные системы, которые по ряду характерных признаков можно отнести как к одному классу, так и к другому.

Основа автоматизации технологических процессов - это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).

Основными целями автоматизации технологических процессов являются:

· Повышение эффективности производственного процесса.

· Повышение безопасности.

· Повышение экологичности.

· Повышение экономичности.

Достижение целей осуществляется посредством решения следующих задач:

· Улучшение качества регулирования

· Повышение коэффициента готовности оборудования

· Улучшение эргономики труда операторов процесса

· Обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве (в т.ч. с помощью управления каталогом)

· Хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.

Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) - комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Может иметь связь с более глобальной Автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве, в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.

Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, контроллеры, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:

· Автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation)

· Автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation)

· Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation)

СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Под средством автоматизации технологического процесса понимается комплекс технических устройств, обеспечивающих перемещение исполнительных (рабочих) органов машины с заданными кинематическими параметрами (траектории и законы движения). В общем случае указанная задача решается посредством системы управления (СУ) и привода рабочего органа. Однако, в первых автоматических машинах выделить приводы и систему управления в отдельные модули невозможно. Пример структуры такой машины представлен на рис.1.

Автомат работает следующим образом. Асинхронный электродвигатель через главный передаточный механизм приводит в непрерывное вращение распределительный кулачковый вал. Далее движения передаются соответствующими толкателями через передаточные механизмы 1...5 на рабочие органы 1...5. Распределительный вал обеспечивает не только передачу механической энергии к рабочим органам, но и является пограммоносителем, согласовывая движение последних по времени. В машине, имеющей такую структуру, приводы и система управления интегрированы в единые механизмы. Приведенной выше структуре может, например, соответствовать кинематическая схема, представленная на рис.2.

Аналогичная машина такого же назначения и соответствующей производительности в принципе может иметь структурную схему, представленную на рис.3.

Автомат, представленный на рис.3, работает следующим образом. СУ выдает команды на приводы 1...5, которые осуществляют перемещение в пространстве рабочих органов 1...5. При этом СУ осуществляет согласование траекторий в пространстве и по времени. Основной особенностью автомата здесь является наличие явно выделенной системы управления и приводов каждого рабочего органа. В общем случае в состав автомат могут включаться датчики, которые обеспечивают СУ соответствующей информацией, необходимой для выработки обоснованных команд. Датчики обычно устанавливаются перед рабочим органом или после него (датчики положения, акселерометры, датчики угловых скоростей, силы, давления, температуры и т.п.). Иногда датчики располагаются внутри привода (на рис.3 канал передачи информации показан пунктиром) и обеспечивают СУ дополнительной информацией (величина тока, давления в цилиндре, скорости изменения тока и т.п.), которая используется для повышения качества управления. Более подробно такие связи рассматриваются в специальных курсах.. Согласно структуре (рис.3) могут быть построены самые разные, принципиально отличающиеся друг от друга автоматы. Основным признаком для их классификации является тип СУ. В общем случае классификация систем управления по принципу действия представлена на рис.4.

Цикловые системы могут быть замкнуты или разомкнуты. Автомат, структура и кинематическая схема которого представлены соответственно на рис.1 и рис.2, имеет разомкнутую систему управления. Такие машины часто называют «механическими дураками», потому что они работают до тех пор, пока вращается распределительный вал. СУ не контролирует параметры технологического процесса и в случае разрегулирования отдельных механизмов автомат продолжает выпускать продукцию, даже если это брак. Иногда в оборудовании могут присутствовать один или несколько приводов без обратных связей (см. привод 3 на рис.3). На рис.5 представлена кинематическая схема автомата с разомкнутой цикловой системой управления и раздельными приводами. Автоматом, имеющим такую схему, можно управлять только по времени (обеспечивать согласованные начала перемещений рабочих органов во времени) с помощью перепрограммируемого контроллера, командоаппарата с распределительным кулачковым валом, логической схемы, реализованной на любой элементной базе (пневмоэлементы, реле, микросхемы и т.д.). Основным недостатком управления по времени является вынужденное завышение цикловых параметров машины и, следовательно, снижение производительности. Действительно, создавая алгоритм временного управления, приходиться учитывать возможную нестабильность работы приводов по времени срабатывания, которое не контролируется, путем завышения временных интервалов между подачей управляющих команд. В противном случае может иметь место столкновение рабочих органов, например, из-за случайного увеличения времени хода одного цилиндра и уменьшения времени хода другого цилиндра.

В тех случаях, когда необходимо контролировать начальные и конечные положения рабочих органов (для того, например, чтобы исключить их столкновения), применяют цикловые СУ с обратными связями по положению. На рис.6 представлена кинематическая схема автомата с такой системой управления. Опорные сигналы для синхронизации срабатываний рабочих органов 1...5 поступают с датчиков положения 7...16. В отличии от автомата со структурой и кинематической схемой, представленных на рис.1 и 2, данная машина имеет менее стабильный цикл. В первом случае все цикловые параметры (времена рабочих и холостых ходов) определяются исключительно частотой вращения распределительного вала, а во втором (рис.4 и 6) - они зависят от времени срабатывания каждого цилиндра (является функцией состояния цилиндра и текущих параметров, характеризующих технологический процесс). Однако, эта схема в сравнении со схемой, представленной на рис.5, позволяет повысить производительность машины за счет исключения ненужных временных интервалов между подачей команд управления.

Все приведенные выше кинематические схемы соответствуют цикловым СУ. В том случае, когда хотя бы один из приводов автомата имеет позиционное, контурное или адаптивное управление, то принято называть его СУ соответственно позиционной, контурной или адаптивной.

На рис.7 представлен фрагмент кинематической схемы поворотного стола автомата с позиционной СУ. Привод поворотного стола РО осуществляется электромагнитом, состоящим из корпуса 1, в котором расположены обмотка 2 и подвижный якорь 3. Возврат якоря обеспечивается пружиной, а ограничение хода - упорами 5. На якоре установлен толкатель 6, который посредством ролика 7 , рычага 8 и вала I связан с поворотным столом РО. Рычаг 8 связан с неподвижным корпусом пружиной 9. Подвижный элемент потенциометрического датчика положения 10 жестко связан с якорем.

При подаче напряжения на обмотку 2 якорь сжимает пружину и, уменьшая зазор магнитопровода, перемещает РО посредством механизма прямолинейной кулисы, состоящей из ролика 7 и кулисы 8. Пружина 9 обеспечивает силовое замыкание ролика и кулисы. Датчик положения обеспечивает СУ информацией о текущих координатах РО.

СУ увеличивает ток в обмотке до тех пор, пока якорь, а, следовательно, и жестко связанный с ним РО, не достигнет заданной координаты, после чего сила пружины уравновесится силой электромагнитной тяги. Структура СУ такого привода может иметь, например, вид, как показано на рис.8.

СУ работает следующим образом. Устройство считывания программ выдает на вход преобразователя координат переменную х 0 , выраженную например в двоичном коде и соответствующую требуемой координате якоря двигателя. С выхода преобразователей координат, один из которых является датчиком обратной связи, напряжения U и U 0 поступают на устройство сравнения, вырабатывающее сигнал ошибки DU, пропорциональный разности напряжений на его входах. Сигнал ошибки подается на вход усилителя мощности, который в зависимости от знака и величины DU выдает ток I на обмотку электромагнита. Если величина ошибки становится равной нулю, то ток стабилизируется на соответствующем уровне. Как только выходное звено по той или иной причине смещается от заданного положения, величина тока начинает меняться таким образом, чтобы вернуть его в исходное положение. Таким образом, если СУ последовательно задает приводу конечное множество М записанных на программоносителе координат, то привод будет иметь М точек позиционирования. Цикловые СУ обычно имеют две точки позиционирования по каждой координате (для каждого привода). В первых позиционных системах количество координат ограничивалось числом потенциометров, каждый из которых служил для запоминания определенной координаты. Современные контроллеры позволяют задавать, хранить и выдавать в двоичном коде практически неограниченное число точек позиционирования.

На рис.8 представлена кинематическая схема типового электромеханического привода с контурной СУ. Такие приводы широко применяются в станках с числовым программным управлением. В качестве датчиков обратной связи используются тахогенератор (датчик угловой скорости) 6 и индуктосин (датчик линейных перемещений) 7. Очевидно, что механизмом, представленным на рис. 8, может управлять позиционная система (см. рис.7).

Таким образом, по кинематической схеме невозможно отличить контурную и позиционную СУ. Дело в том, что в контурной СУ программирующее устройство запоминает и выдает не набор координат, а непрерывную функцию. Таким образом, контурная система - это по сути позиционная система с бесконечным числом точек позиционирования и управляемым временем перехода РО из одной точки в другую. В позиционных и контурных СУ имеется элемент адаптации, т.е. они могут обеспечить ход РО в заданную точку или его движение по заданному закону при различных реакциях на него со стороны окружающей среды.

Однако, на практике адаптивными СУ принято считать такие системы, которые в зависимости от текущей реакции окружающей среды могут менять алгоритм работы машины.

На практике при проектировании автомата или автоматической линии бывает чрезвычайно важно на стадии эскизного проектирования выбрать приводы механизмов и СУ. Эта задача является многокритериальной. Обычно выбор приводов и СУ осуществляют по следующим критериям:

n стоимость;

n надежность;

n ремонтопригодность;

n конструктивная и технологическая преемственность;

n пожаро- и взрывобезопасность;

n уровень рабочего шума;

n устойчивость к электромагнитным помехам (относится к СУ);

n устойчивость к жестким излучениям (относится к СУ);

n массогабаритные характеристики.

Все приводы и СУ можно классифицировать по типу используемой энергии. В приводах современных технологических машин обычно используются: электрическая энергия (электромеханические приводы), энергия сжатого воздуха (пневмоприводы), энергия потока жидкости (гидроприводы), энергия разрежения (вакуумные приводы), приводы с двигателями внутреннего сгорания. Иногда в машинах применяют комбинированные приводы. Например: электропневматический, пневмогидравлический, электрогидравлический и проч. Краткие сравнительные характеристики двигателей приводов приведены в таблице 1. Кроме того, при выборе привода следует учитывать передаточный механизм и его характеристики. Так, сам двигатель может быть дешевым, а передаточный механизм -дорогим, надежность двигателя может быть большой, а надежность перадаточного механизма - маленькой и проч.

Важнейшим аспектом выбора типа привода является преемственность. Так, например, если во вновь проектируемом автомате хотя бы один из приводов гидравлический, то стоит подумать о возможности применения гидравлики и для остальных рабочих органов. Если гидравлика применяется впервые, то надо помнить, что она потребует установки рядом с оборудованием весьма дорогой и большой по массогабаритным параметрам гидростанции. Точно также надо поступать и в отношении пневматики. Порой бывает неразумно прокладывать пневмомагистраль или даже покупать компрессор ради одного пневмопривода в одной машине. Как правило, при проектировании оборудования нужно стремиться к применению однотипных приводов. В этом случае, кроме перечисленного выше, существенно упрощается техническое обслуживание и ремонт. Более глубокое сравнение различных типов приводов и СУ можно произвести только после изучения специальных дисциплин.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют средством автоматизации технологического процесса применительно к производству?

2. Перечислите основные составные части автоматической производственной машины.

3. Что выполняло функции программоносителя в первых цикловых автоматах?

4. В чем заключается эволюция автоматических производственных машин?

5. Перечислите типы СУ, применяемых в технологическом оборудовании.

6. Что такое замкнутая и разомкнутая СУ?

7. В чем заключаются основные особенности цикловой СУ?

8. Чем различаются позиционные и контурные СУ?

9. Какие СУ называются адаптивными?

10. Из каких основных элементов состоит привод машины?

11. По каким признакам классифицируются приводы машин?

12. Перечислите основные типы приводов, применяемых в технологических машинах.

13. Перечислите критерии сравнения приводов и СУ.

14. Приведите пример замкнутого циклового привода.

В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования. Во всем этом могут помочь автоматизированные системы управления.

Автоматизированная система управления или АСУ - комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений.

Автоматизированная система управления технологическим процессом.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (сокр. АСУТП) - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Может иметь связь с более глобальной автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает необходимость участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.

Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, устройства управления, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

Автоматизация технологического процесса - совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Классификация АСУ ТП

В зарубежной литературе можно встретить довольно интересную классификацию АСУ ТП, в соответствие с которой все АСУ ТП делятся на три глобальных класса:

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык этот термин можно перевести как “система телемеханики”, “система телеметрии” или “ система диспетчерского управления”. На мой взгляд, последнее определение точнее всего отражает сущность и предназначение системы - контроль и мониторинг объектов с участием диспетчера.

Тут необходимо некоторое пояснение. Термин SCADA часто используется в более узком смысле: многие так называют программный пакет визуализации технологического процесса. Однако в данном разделе под словом SCADA мы будем понимать целый класс систем управления.

PLC (Programmable Logic Controller). На русский язык переводится как “программируемый логический контроллер” (или сокращенно ПЛК).

Тут, как и в предыдущем случае, есть двусмысленность. Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления. Тем не менее, термин ПЛК имеет и более общее значение и часто используется для обозначения целого класса систем.

DCS (Distributed Control System). По-русски распределенная система управления (РСУ). Тут никакой путаницы нет, все однозначно.

Справедливости ради надо отметить, что если в начале 90-х такая классификация не вызывала споров, то сейчас многие эксперты считают ее весьма условной. Это связано с тем, что в последние годы внедряются гибридные системы, которые по ряду характерных признаков можно отнести как к одному классу, так и к другому.

Основа автоматизации технологических процессов - это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).

Основными целями автоматизации технологических процессов являются:

· Повышение эффективности производственного процесса.

· Повышение безопасности.

· Повышение экологичности.

· Повышение экономичности.

Достижение целей осуществляется посредством решения следующих задач:

· Улучшение качества регулирования

· Повышение коэффициента готовности оборудования

· Улучшение эргономики труда операторов процесса

· Обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве (в т.ч. с помощью управления каталогом)

· Хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.

Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) - комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Может иметь связь с более глобальной Автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве, в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.

Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, контроллеры, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:

· Автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation)

· Автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation)

· Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation)

Широкое внедрение автоматизации - наиболее эффективный путь повышения производительности труда.

На многих объектах для организации правильного технологического процесса необходимо длительно поддерживать заданные значения различных физических параметров или изменять их во времени по определенному закону. Вследствие различных внешних воздействий на объект эти параметры отклоняются от заданных. Оператор или машинист должен так воздействовать на объект, чтобы значения регулируемых параметров не выходили за допустимые пределы, т. е. управлять объектом. Отдельные функции оператора могут выполнять различные автоматические приборы. Воздействие их на объект осуществляется по команде человека, который следит за состоянием параметров. Такое управление называют автоматическим. Чтобы полностью исключить человека из процесса управления, система должна быть замкнутой: приборы должны следить за отклонением регулируемого параметра и соответственно давать команду на управление объектом. Такая замкнутая система управления называется системой автоматического регулирования (САР).

Первые простейшие автоматические системы регулирования для поддержания заданных значений уровня жидкости, давления пара, скорости вращения появились во второй половине XVIII в. с развитием паровых машин. Создание первых автоматических регуляторов шло интуитивно и было заслугой отдельных изобретателей. Для дальнейшего развития средств автоматизации необходимы были методы расчета автоматических регуляторов. Уже во второй половине XIX в. была создана стройная теория автоматического регулирования, основанная на математических методах. В работах Д. К. Максвелла "О регуляторах" (1866г.) и И.А. Вышнеградского "Об общей теории регуляторов" (1876г.), "О регуляторах прямого действия" (1876г.) регуляторы и объект регулирования впервые рассматриваются как единая динамическая система. Теория автоматического регулирования непрерывно расширяется и углубляется.

Современный этап развития автоматизации характеризуется значительным усложнением задач автоматического управления: увеличением числа регулируемых параметров и взаимосвязью объектов регулирования; повышением требуемой точности регулирования, их быстродействия; увеличением дистанционности управления и т. д. Эти задачи могут быть решены только на базе современной электронной техники, широкого внедрения микропроцессоров и универсальных компьютеров.

Широкое внедрение автоматизации на холодильных установках началось только в XX в., но уже в 60-х годах созданы крупные полностью автоматизированные установки.

Для управления различными технологическими процессами необходимо поддерживать в заданных пределах, а иногда изменять по определенному закону значение одной или одновременно нескольких физических величин. При этом необходимо следить, чтобы не возникали опасные режимы работы.

Устройство, в котором протекает процесс, требующий непрерывного регулирования, называют управляемым объектом, или сокращенно объектом (рис. 1,а).

Физическая величина, значение которой не должно выходить за определенные пределы, называется управляемым, или регулируемым параметром и обозначается буквой X. Это может быть температура t, давление р, уровень жидкости Н, относительная влажность? и т. д. Начальное (заданное) значение регулируемого параметра обозначим Х 0 . В результате внешних воздействий на объект действительное значение X может отклоняться от заданного Х 0 . Величину отклонения регулируемого параметра от своего начального значения называют рассогласованием:

Внешнее воздействие на объект, не зависящее от оператора и увеличивающее рассогласование, называют нагрузкой и обозначают Мн (или QH -- когда речь идет о тепловой нагрузке).

Чтобы уменьшить рассогласование, необходимо оказать на объект воздействие, противоположное нагрузке. Организованное воздействие на объект, уменьшающее рассогласование, называют регулирующим воздействием -- М р (или Q P -- при тепловом воздействии).

Значение параметра X (в частности, Х 0) сохраняется постоянным только тогда, когда регулирующее воздействие равно нагрузке:

Х = const только при М р = М н.

Это основной закон регулирования (как ручного, так и автоматического). Для уменьшения положительного рассогласования необходимо, чтобы М р было по модулю больше, чем М н. И наоборот, при М р <М н рассогласование увеличивается.

Автоматические системы . При ручном регулировании для изменения регулирующего воздействия машинисту приходится иногда выполнять целый ряд операций (открытие или закрытие вентилей, пуск насосов, компрессоров, изменение их производительности и т. д.). Если эти операции выполняются автоматическими устройствами по команде человека (например, нажатием кнопки "Пуск"), то такой способ работы называют автоматическим управлением. Сложная схема такого управления показана на рис. 1,б, Элементы 1, 2, 3 и 4 преобразуют один физический параметр в другой, более удобный для передачи следующему элементу. Стрелки показывают направление воздействия. Входным сигналом автоматического управления Х упр может быть нажатие кнопки, перемещение ручки реостата и т. д. Для увеличения мощности передаваемого сигнала к отдельным элементам может быть подведена дополнительная энергия Е.

Для управления объектом машинисту (оператору) необходимо непрерывно получать информацию от объекта, т. е. вести контроль: замерять значение регулируемого параметра X и подсчитывать величину рассогласования?Х. Этот процесс также можно автоматизировать (автоматический контроль), т. е. установить приборы, которые будут показывать, записывать величину?Х или подавать сигнал при выходе?Х за допустимые пределы.

Информацию, получаемую от объекта (цепочка 5--7), называют обратной связью, а автоматическое управление -- прямой связью.

При автоматическом управлении и автоматическом контроле оператору достаточно взглянуть на приборы и нажать кнопку. Нельзя ли и этот процесс автоматизировать, чтобы совсем обойтись без оператора? Оказывается, достаточно подать выходной сигнал автоматического контроля Х к на вход автоматического управления (к элементу 1), чтобы процесс управления стал полностью автоматизированным. При этом элемент 1 сравнивает сигнал Х к с заданным Х 3 . Чем больше рассогласование?Х, тем больше разность Х к --Х 3 , и соответственно увеличивается регулирующее воздействие М р.

Автоматические системы управления с замкнутой цепью воздействия, в которых управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от рассогласования, называют системой автоматической регулирования (САР).

Элементы автоматического управления (1--4) и контроля (5--7) при замыкании цепи образуют автоматический регулятор. Таким образом, автоматическая система регулирования состоит из объекта и автоматического регулятора (рис. 1,в). Автоматическим регулятором (или просто регулятором) называют устройство, которое воспринимает рассогласование и воздействует на объект так, чтобы уменьшить это рассогласование.

По цели воздействия на объект различают следующие системы управления:

а) стабилизирующие,

б) программные,

в) следящие,

г) оптимизирующие.

Стабилизирующие системы поддерживают значение регулируемого параметра постоянным (в заданных пределах). Настройка у них постоянна.

Программные системы управления имеют настройку, изменяющуюся с течением времени по заданной программе.

В следящих системах настройка непрерывно изменяется в зависимости от какого-то внешнего фактора. В установках кондиционирования воздуха, например, в жаркие дни выгоднее поддерживать в помещении более высокую температуру, чем в прохладные. Поэтому желательно непрерывно изменять настройку в зависимости от температуры наружного воздуха.

В оптимизирующих системах поступающая на регулятор информация от объекта и внешней среды предварительно обрабатывается для определения наиболее выгодного значения регулируемого параметра. В соответствии с этим изменяется настройка.

Для поддержания заданного значения регулируемого параметра Х 0 кроме автоматических систем регулирования иногда применяют автоматическую систему отслеживания нагрузки (рис. 1,г). В этой системе регулятор воспринимает изменение нагрузки, а не рассогласования, обеспечивая непрерывное равенство М р =М н. Теоретически при этом точно обеспечивается X 0 = const. Однако практически из-за различных внешних воздействий на элементы регулятора (помехи) равенство М Р =М н может нарушиться. Возникающее при этом рассогласование?Х оказывается значительно больше, чем в системе автоматического регулирования, так как в системе отслеживания нагрузки отсутствует обратная связь, т. е. она не реагирует на рассогласование?Х.

В сложных автоматических системах (рис. 1,д) наряду с основными цепями (прямой и обратной связями) могут быть и дополнительные цепи прямой и обратной связей. Если направление дополнительной цепи совпадает с основной, то ее называют прямой (цепи 1 и 4); если направления воздействий не совпадают, то возникает дополнительная обратная связь (цепи 2 и 3). Входом автоматической системы считают задающее воздействие, выходом -- регулируемый параметр.

Наряду с автоматическим поддержанием параметров в заданных пределах необходима также защита установок от опасных режимов, которую выполняют системы автоматической защиты (САЗ). Они могут быть профилактическими или аварийными.

Профилактическая защита воздействует на регулирующие устройства или отдельные элементы регулятора до наступления опасного режима. Например, в случае прекращения подачи воды на конденсатор компрессор надо остановить, не дожидаясь аварийного повышения давления.

Аварийная защита воспринимает отклонение регулируемого параметра и, когда значение его становится опасным, отключает один из узлов системы, чтобы рассогласование больше не возрастало. При срабатывании автоматической защиты нормальное функционирование системы автоматического регулирования прекращается и регулируемый параметр обычно выходит за допустимые пределы. Если после срабатывания защиты контролируемый параметр вернулся в заданную зону, САЗ может снова включить отключенный узел, и система регулирования продолжает нормально работать (защита многоразового действия).

На крупных объектах чаще применяют САЗ одноразового действия, т. е. после возвращения контролируемого параметра в допустимую зону отключенные защитой узлы сами уже не включаются.

САЗ обычно сочетают с сигнализацией (общей или дифференцированной, т. е. указывающей на причину срабатывания). Преимущества автоматизации. Чтобы выявить преимущества автоматизации, сравним для примера графики изменения температуры в холодильной камере при ручном и автоматическом ее регулировании (рис. 2). Пусть требуемая температура в камере от 0 до 2°С. Когда температура достигает 0°С (точка 1), машинист останавливает компрессор. Температура начинает повышаться, и, когда поднимется примерно до 2°С, машинист снова включает компрессор (точка 2). График показывает, что из-за несвоевременного включения или остановки компрессора температура в камере выходит за допустимые пределы (точки 3, 4, 5). При частых повышениях температуры (участок А) сокращаются допустимые сроки хранения, ухудшается качество скоропортящихся продуктов. Пониженная температура (участок Б) вызывает усушку продуктов, а иногда и снижает их вкусовые качества; кроме того, на дополнительную работу компрессора бесцельно расходуются электроэнергия, охлаждающая вода, преждевременно наступает износ компрессора.

При автоматическом регулировании реле температуры включает и останавливает компрессор при 0 и +2 °С.

Основные функции защиты приборы также выполняют надежнее, чем человек. Машинист может не заметить быстрого повышения давления в конденсаторе (из-за прекращения подачи воды), неисправность в масляном насосе и пр., приборы же реагируют на эти неисправности мгновенно. Правда, в некоторых случаях неполадки скорее будут замечены машинистом, он услышит стук в неисправном компрессоре, почувствует местную утечку аммиака. Все же опыт эксплуатации показал, что автоматические установки работают значительно надежнее.

Таким образом, автоматизация обеспечивает следующие основные преимущества:

1) сокращаются затраты времени на обслуживание;

2) точнее поддерживается требуемый технологический режим;

3) уменьшаются эксплуатационные расходы (на электроэнергию, воду, ремонт и пр.);

4) повышается надежность работы установок.

Несмотря на перечисленные преимущества, автоматизация целесообразна лишь в тех случаях, когда это экономически обосновано, т. е. расходы, связанные с автоматизацией, окупаются экономией от ее внедрения. Кроме того, необходимо автоматизировать процессы, нормальное протекание которых не может быть обеспечено при ручном управлении: точные технологические процессы, работа во вредной или взрывоопасной среде.

Из всех процессов автоматизации наибольшее практическое значение имеет автоматическое регулирование. Поэтому далее в основном рассматриваются автоматические системы регулирования, являющиеся основой автоматизации холодильных установок.

Литература

1. Автоматизация технологических процессов пищевых производств /Под ред. Е. Б. Карпина.

2. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник/ Под ред. Б. Д. Кошарского.

3. Петров. И. К., Солощенко М. Н., Царьков В. Н. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности: Справочник.

4. Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности. Соколов.

Автоматизация технологических процессов заключается в сокращении или исключении ручного труда, затрачиваемого на установку, зажим и снятие деталей, управление станком и контроль размеров.
Автоматизация осуществляется в следующих направлениях:
а) автоматизация отдельных станков и агрегатов, которая производится как при проектировании вновь создаваемого оборудования, так и при модернизации работающего;
б) создание автоматических линий для изготовления определенной детали или изделия;
в) организация автоматических цехов и предприятий для производства изделий, которые выпускаются в больших количествах.
Автоматизация отдельных станков обеспечивает различную степень участия рабочего в выполнении операции. Создаются станки с полуавтоматическим циклом, при работе которых функции рабочего заключаются в установке заготовки, пуске станка и снятии обработанной детали. Примером могут служить токарные многорезцовые и зуборезные станки и станки с автоматическим циклом, оборудованные устройствами, обеспечивающими работу станка без участия рабочего; токарно-револьверные автоматы; станки для шлифования торцовых поверхностей поршневых колец и др.

Простейшим способом автоматизации является оснащение станков продольными и поперечными упорами, лимбами, отсчетными линейками, автоматическими конечными выключателями и переключателями, автоматическими устройствами для правки шлифовального круга, гидравлическими или пневматическими зажимами, загрузочными устройствами, средствами автоматического контроля и т. д.
Поточные линии для обработки массовых деталей создаются путем применения оборудования с различной степенью автоматизации. Автоматические поточные линии могут быть созданы на базе имеющегося оборудования путем оснащения станков автоматическими транспортными и загрузочными средствами. Однако при выпуске сложных деталей, обрабатываемых на станках разных типов, организация автоматической линии на базе действующих станков может оказаться дорогой и сложной. Поэтому большинство автоматических линий комплектуется из агрегатных, специального назначения и универсальных станков, в конструкциях которых заложены возможности включения их в автоматические линии.
В автоматических линиях операторы обычно работают на первой операции (установка детали) и на последней операции (снятие детали). Остальные рабочие—наладчики — заняты подналадкой станков, заменой инструмента и устранением возникающих неисправностей.

Преимуществом автоматических линий является сокращение затрат труда, более высокая производительность, снижение себестоимости изделий, сокращение цикла производства, объема заделов и сокращение потребности в производственных площадях.
В автомобильной и тракторной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении, производстве шарикоподшипников, металлических изделий автоматические линии получают все большее применение не только для механической обработки деталей, но и для производства заготовок, холодной штамповки деталей и сборки узлов. Проектирование технологических процессов для обработки деталей на автоматических станочных линиях должно вестись с учетом особенностей автоматического обслуживания станков. Необходимо стремиться упростить линию и сделать ее более надежной, предусмотреть возможность создания в накопителях между операциями некоторого запаса деталей, обеспечивающего работу линии при подналадке одного из станков, облегчить условия смены инструмента, обеспечить хорошее удаление стружки, доступность узлов для ремонта и подналадки. При большом количестве операций целесообразно разделить линию на несколько частей, объединив в них однородные операции (фрезерование, сверление, растачивание и т. д.).
Большое место в автоматизации технологических процессов занимает внедрение станков, агрегатов и линий с программным управлением. Простейшим методом программного управления на токарных автоматах и полуавтоматах является управление всеми движениями органов станка при помощи распределительных валов с кулачками. Настройка распределительного вала и кулачков определяет программу работы станка.

На копировально-фрезерных, токарных гидро- и электрокопировальных станках программа движения суппорта задается копиром. Выпускаются станки, у которых программа перемещения рабочих органов оформляется в виде перфорированной карты и вводится в считывающий аппарат. Этот аппарат передает через электронное устройство команды исполнительным механизмам, включающим те или иные механизмы станка. Аналогичное устройство имеют станки, у которых программа записывается на магнитную ленту. Запись программы движений рабочих органов на таких станках может быть произведена при обработке первой детали рабочим высокой квалификации; затем программа воспроизводится неограниченное число раз считывающим аппаратом.

Автоматические линии из многих станков также работают как станки с программным управлением. Программа этих линий задается настройкой системы конечных выключателей, электрических, гидравлических и пневматических реле и другой аппаратуры. Получают распространение станки и автоматические линии, у которых управление рабочими органами осуществляется счетно-решающими машинами, работающими по заданной программе.
Станки с программным управлением обеспечивают автоматизацию процесса обработки, позволяют снизить время обработки, повысить производительность труда. Переналадка станков с программным управлением, работающих с перфокартами или магнитной лентой, не требует большого времени. Это позволяет автоматизировать процессы изготовления деталей, выпускаемых небольшими сериями.

Материал статьи написан на основе литературного источника "Технология производства двигателей внутреннего сгорания" М. Л. Ягудин