6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ............................................................................................ 9
1.1 Классификация методов регулирования технологического процесса .... 9
1.2 Методы расчета параметров регулятора................................................... 15
1.3 Исполнение современных средств регулирования .................................. 22
1.4 Выводы по первой главе ............................................................................. 28
ГЛАВА 2. Разработка проекта автоматизированного центрального
теплового пункта производственного цеха ........................................................ 30
2.1. Разработка структурной схемы системы ................................................. 30
2.2. Описание функций, реализуемых системой ........................................... 39
2.3. Расчет коэффициентов ПИД-регуляторов ............................................... 49
2.4 Выводы по второй главе ............................................................................. 58
ГЛАВА 3. Внедрение проекта автоматизированного центрального
теплового пункта производственного цеха ВНИИ «Сигнал»» ........................ 60
3.1. Выбор аппаратного обеспечения системы .............................................. 60
3.2. Настройка и конфигурирование компонентов системы ........................ 67
3.3. Разработка инструкции по эксплуатации ................................................ 71
3.4 Выводы по третьей главе............................................................................ 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 81
ПРИЛОЖЕНИЕ А ................................................................................................. 87
7
ВВЕДЕНИЕ
Задачи повышения эффективности производства и качества
выпускаемой продукции, а также, обеспечения нового качества
управляемости являются насущными для любого предприятия, особенно,
если технологические процессы сложны и малейший сбой может привести
к существенным экономическим потерям или создать опасную ситуацию.
В виду этого, автоматизированная система управления
технологическими процессами на сегодняшний день является реальным и
наиболее оптимальным решением относительно соотношения цена -
качества вышеупомянутой проблемы нынешнего производства [10].
Актуальность темы выпускной квалификационной работы
заключается в том, что на сегодняшний день, в век развития, постоянного
совершенствования и максимальной глобализации информационных
технологий, а также, постоянной переменчивости отечественных и
международных конкурентных рынков, важную роль играет процесс
интегрированной автоматизации систем управления технологическими
процессами.
Теоретическая значимость исследования заключается в применении
современных методов и оборудования. Полученные решения
продемонстрируют возможности современных средств автоматизации.
Практическая значимость работы заключается в возможности
применения разработанных решений для автоматизации подобных
тепловых пунктов без существенных изменений.
Выбор темы исследования обусловлен острой потребностью ВНИПИ
«Сигнал» в современной системе контроля и управления центрального
теплового пункта производственного цеха.
Объектом исследования являются системы контроля и управления
центрального теплового пункта.
8
Предметом исследования является система контроля и управления
центрального теплового пункта производственного цеха ВНИПИ
«Сигнал».
Целью работы является разработка автоматической системы
контроля и управления центрального теплового пункта производственного
цеха ВНИПИ «Сигнал». Для достижения цели работы необходимо решить
ряд задач:
1) Рассмотреть технологии автоматизации систем
теплоснабжения.
2) Разработать структурную схему системы и описать ее
функции.
3) Провести выбор и сравнение датчиков и исполнительных
устройств для построения системы.
4) Осуществить расчет коэффициентов ПИД-регуляторов.
5) Рассмотреть настройку и конфигурацию элементов системы.
Разработать инструкцию по эксплуатации.
9
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ
АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
1.1 Классификация методов регулирования технологического
процесса
Сегодня, концепции построения автоматизированных систем
управления стали темой, которая постоянно меняется, чтобы
соответствовать требованиям современных производств. На практике, эти
системы используются человечеством для повышения своих
возможностей, для преодоления физических ограничений, для
освобождения от рутинных задач и экономии средств. [4]
Рассмотрим, к примеру, человеческие глаза как датчик, который
может видеть входящий объект и быстро передавать мозгу, который
является контроллером, сообщение на изменение положения тела для
предотвращения столкновения с объектом, таким образом, наше тело
является формой системы управления. [7]
Автоматизированные системы управления стали неотъемлемой
частью нашей повседневной деятельности. Например, системы управления
применяют на химических заводах, для управления движением
транспорта, в энергетических системах и в освоении космоса. [7]
Чтобы компания могла развиваться и конкурировать, как с местными
компаниями, так и на международном уровне, необходимо уделять
большое внимание качеству продукта и эффективности его производства.
Для этого, компаний ищут способы разработки и улучшения систем
управления, чтобы иметь возможность достичь максимальной
производительности и качества продукта. [11]
Развитие автоматизированных систем управления позволяет: [7]
улучшить качество продукции;
сократить количество отходов и брака;
10
снизить вред, наносимый окружающей среде;
добиться большего выпуска продукции;
отложить реконструкцию технологического оборудования;
повысить безопасность производства.
Система представляет собой комбинацию или совокупность
различных физических компонентов, которые действуют вместе как
единое целое для достижения определенных целей. [5]
Классификация систем управления может проводиться в очень
широких пределах, в зависимости от исследуемых факторов системы,
например, можно выделить: [5]
по методу анализа и проектирования - линейные и нелинейные
системы;
по типу изменения сигнала во времени – непрерывные и
дискретные системы;
по типу элемента управления - электромеханические,
гидравлические, тепловые, пневматические и другие.
Одним из самых популярных свойств для классификации систем,
последнее время, является тип управления, выделяют открытые и
замкнутые системы управления. [11]
Система управления называется линейной, если она подчиняется
принципу суперпозиции и однородности. Принцип суперпозиции
заключается в получении реакции системы на воздействие на нескольких
входах, путем получения оценки реакции на одном входе и
математическому расчету для воздействия на остальных входах. [7]
Это принцип можно описать формулой:
????
????
????
????
???????? (1)
Принцип однородности можно описать формулой:
????
????
????
????
(2)
11
где является константой.
Нелинейные системы не пропорциональны, в таких системах
небольшие изменения вызывают большую ответную реакцию. Нелинейные
системы не подчиняются принципам суперпозиции, а уравнения
описывающие системы, носят нелинейный характер, например: [7]
????
????
????
????
????
????
????
????
(3)
????
????
????
????
????
????
(4)
Таким образом можно отметить, что нелинейные системы не
пропорциональны, и небольшое изменение не влияет на ответ, поэтому
система непредсказуема, но полностью детерминирована. [14]
Можно выделить системы, в которых выходной сигнал меняется с
течением времени, при неизменном входном сигнале. Таким образом,
можно сказать, что параметры системы меняются со временем, например,
масса космического аппарата в открытом космосе может уменьшаться со
временем. Если параметры системы не зависят от времени, такие системы
называют инвариантными. [13]
В системе непрерывного контроля все входные переменные
являются функциями непрерывного времени (t). В дискретной системе
управления входные переменные могут быть известны в определенные
интервалы, рисунок 1. [7]
Рисунок 1 – Непрерывный входной сигнал слева и дискретный входной
сигнал справа
12
Система с разомкнутым контуром управления не имеет никакой
прямой связи выходного сигнала со входным. Такая система проста в
реализации, дешевле и легко обслуживается, по сравнению с системой с
закрытым контуром управления. [11]
Хорошим примером системы с разомкнутым контуром является
автоматический тостер, в котором управление осуществляется таймером,
который указывает общую продолжительность времени, в течение
которого хлеб будет поджариваться. Здесь выходным параметром системы
будет степень поджаривания хлеба. В этом случае никакой проверки
степени поджаривания хлеб нет, система крайне проста, рисунок 2. [11]
Рисунок 2 – Система управления с открытым контуром
В системах с замкнутым контуром на фактический вход влияет
выход системы. Такая система использует обратную связь от выхода для
сравнения с входным сигналом для генерации сигнала ошибки, который
используется для формирования управляющего воздействия. В закрытой
системе задача управления сводится к минимизации сигнала ошибки, а
именно, разницы между выходным и требуемым значением управляемого
параметра, рисунок 3. [6]
Системы управления с замкнутым контуром часто называют
системами с отрицательной обратной связью. Это связано с тем, что всегда
используется разность сигналов, а не сумма. [12]
13
Рисунок 3 – Закрытая система управления
Замкнутая система имеет некоторые недостатки, такие как,
необходимость использования датчиков, сравнительного элемента и блок
коррекции. Это делает систему более дорогой по сравнению с разомкнутой
системой. Система более сложна при разработке и в построении, а также,
имеет тенденцию быть более неустойчивой, поскольку контроллер имеет
определенный предел управления. [12]
Применение измерительной системы играет очень важную роль не
только в науке, но и во всех отраслях техники, и почти во всей
человеческой деятельности. Для любой заданной величины или
параметров измерительная система сравнивает измеренные значения с
неизвестными значениями. Некоторые из функций измерительной системы
состоят в том, чтобы получать данные из процесса и проверять
полученные данные, а также выступать в качестве источника информации
для системы управления о фактическом значении контролируемого
параметра процесса. [12]
Для системы управления с обратной связью, управление любыми
переменными должно быть объединено с одним или несколькими
измерительными приборами. Этот измерительный прибор должен давать
числовые значения, соответствующие величине измеряемых переменных.
Измерительный прибор состоит из различных элементов, которые
используются для определения величины конкретного параметра процесса.
14
Этими элементами являются датчики, которые измеряют физическую
величину и преобразуют ее в сигнал, сигнал обрабатывается электронной
схемой и преобразуется для отображения или дальнейшей обработки в
составе системы. Например, для измерения температуры, сигнал с
термопары усиливается электронным усилителем, это позволяет
использовать сигнал с усилителя для индикации стрелочным прибором,
либо оцифровать аналоговый сигнал в цифровой эквивалент для обработки
на компьютере. [11]
Контроллер обратной связи является частью блока управления,
предназначен для генерации выходного сигнала, который оказывает
корректирующие усилия к процессу, чтобы управлять измеряемой
переменной. [9]
Практически все контроллеры обратной связи формируют выходной
сигнал, вычисляя ошибку между заданным и измеренным значением
переменной процесса. Ошибки возникают, когда оператор намеренно
меняет заданное значение или когда возмущение, либо нагрузка на процесс
случайно изменяют переменную процесса. Задача контроллера -
автоматически устранить ошибку. [9]
Контроллеры могут быть двух типов в соответствии с процессами,
которые они контролируют. Это непрерывные и дискретные процессы.
В непрерывных процессах входные и выходные переменные
постоянно измеряются во времени. К ним относятся производство
химических веществ, пластмасс и топлива. Дискретные процессы,
контролируется последовательностью операций, например, робототехника
и сборка деталей. [16]
Однако существуют некоторые процессы, которые представляют
собой смеси непрерывных и дискретных процессов. Программируемое
логическое управление используется в дискретных и смешанных
процессах. [12]
15
Метод, которым контроллер может реагировать на сигналы ошибки,
называется режимом регулирования, можно выделить семь методов: [11]
двухступенчатый режим, когда контроллер является просто
переключателем, включая или выключая элемент управления;
пропорциональный режим, в котором контроллер производит
управляющее действие, которое пропорционально погрешности
контролируемого параметра;
режим дифференциального управления, в котором контроллер
создает управляющее действие, пропорциональное скорости изменения
ошибки;
интегральный режим управления, в котором контроллер создает
управляющее воздействие до тех пор, пока ошибка не исчезнет;
сочетание пропорционального и интегрального режима;
сочетание режимов пропорционального и дифференциального;
сочетание пропорционального, интегрального и
дифференциального режимов управления.
Интегральное и дифференциальное управление не используется на
практике по отдельности, только в составе описанных выше комбинаций.
1.2 Методы расчета параметров регулятора
В предыдущем разделе была проведена классификация систем
управления, которая показала преимущества систем с закрытым контуром
управления, рассмотрим их более подробно. [15]
Пропорциональное управление наиболее простое, оно заключается в
формировании выходного сигнала, пропорционально величине ошибки.
Коэффициент пропорциональности определяет амплитуду формируемого
сигнала. Зависимость выходного сигнала от величины ошибки
описывается формулой: [15]
????
????
???????? (5)
где
– коэффициент усиления, пропорциональности;