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.

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

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

• Частичная автоматизация - автоматизация отдельных аппаратов, машин, технологических операций. Производится когда управление процессами вследствие их сложности или скоротечности практически недоступно человеку. Частично автоматизируется как правило действующие оборудование. Локальная автоматизация широко применяется на предприятиях пищевой промышленности.

• Комплексная автоматизация - предусматривает автоматизацию технологического участка, цеха или предприятия функционирующих как единый, автоматизированный комплекс. Например, электростанции.

• Полная автоматизация - высшая ступень автоматизации, при которой все функции контроля и управления производством (на уровне предприятия) передаются техническим средствам. На современном уровне развития полная автоматизация практически не применяется, так как функции контроля остаются за человеком. Близкими к полной автоматизации можно назвать предприятия атомной энергетики.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Специалисты будущего - Автоматизация технологических процессов и производств

✪ Автоматизация технологических процессов

✪ Видеолекция Основные понятия и исторические предпосылки автоматизации

Субтитры

Цели автоматизации

Основными целями автоматизации технологического процесса являются:

• сокращение численности обслуживающего персонала;
• увеличение объёмов выпускаемой продукции;
• повышение эффективности производственного процесса;
• повышение качества продукции;
• снижение расходов сырья;
• повышение ритмичности производства;
• повышение безопасности;
• повышение экологичности;
• повышение экономичности.

Задачи автоматизации и их решение

Цели достигаются посредством решения следующих задач автоматизации технологического процесса:

• 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.

Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи:

• внедрения современных методов автоматизации;
• внедрения современных средств автоматизации.

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

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).

Примечания

Автоматизация производства предполагает наличие надежных, относительно простых по устройству и управлению машин. механизмов и аппаратов.

Литература

Л. И. Селевцов, Автоматизация технологических процессов. Учебник: Издательский центр "Академия"

В. Ю. Шишмарев, Автоматика. Учебник: Издательский центр "Академия"

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.

Типы систем автоматизации включают в себя:

• неизменяемые системы. Это системы, в которых последовательность действий определяется конфигурацией оборудования или условиями процесса и не может быть изменена в ходе процесса.
• программируемые системы. Это системы, в которых последовательность действий может изменяться в зависимости от заданной программы и конфигурации процесса. Выбор необходимой последовательности действий осуществляется за счет набора инструкций, которые могут быть прочитаны и интерпретированы системой.
• гибкие (самонастраиваемые) системы. Это системы, которые способны осуществлять выбор необходимых действий в процессе работы. Изменение конфигурации процесса (последовательности и условий выполнения операций) осуществляется на основании информации о ходе процесса.

Эти типы систем могут применяться на всех уровнях автоматизации процессов по отдельности или в составе комбинированной системы.

В каждой отрасли экономики существуют предприятия и организации, которые производят продукцию или предоставляют услуги. Все эти предприятия можно разделить на три группы, в зависимости от их «удаленности» в цепочке переработки природных ресурсов.

Первая группа предприятий, это предприятия, добывающие или производящие природные ресурсы. К таким предприятиям относятся, например, сельскохозяйственные производители, нефтегазодобывающие предприятия.

Вторая группа предприятий, это предприятия, выполняющие переработку природного сырья. Они изготавливают продукцию из сырья, добытого или произведенного предприятиями первой группы. К таким предприятиям относятся, например, предприятия автомобильной промышленности, сталелитейные предприятия, предприятия электронной промышленности, электростанции и т.п.

Третья группа, это предприятия сферы услуг. К таким организациям относятся, например, банки, образовательные учреждения, медицинские учреждения, рестораны и пр.

Для всех предприятий можно выделить общие группы процессов, связанные с производством продукции или предоставлением услуг.

К таким процессам относятся:

• бизнес процессы;
• процессы проектирования и разработки;
• процессы производства;
• процессы контроля и анализа.

• Бизнес процессы – это процессы, обеспечивающие взаимодействие внутри организации и с внешними заинтересованными сторонами (потребителями, поставщиками, надзорными органами и пр.). К этой категории процессов можно отнести процессы маркетинга и продаж, взаимодействия с потребителями , процессы финансового, кадрового, материального планирования и учета и пр.
• Процессы проектирования и разработки – это все процессы, связанные с разработкой продукции или услуги. К таким процессам относятся процессы планирования разработки, сбора и подготовки исходных данных, выполнение проекта, контроль и анализ результатов проектирования и пр.
• Процессы производства – это процессы, необходимые для производства продукции или предоставления услуг. К этой группе относятся все производственные и технологические процессы. Они также включают в себя процессы планирования потребности и планирования мощностей, логистические процессы и процессы обслуживания.
• Процессы контроля и анализа – эта группа процессов связана со сбором и обработкой информации о выполнении процессов. К таким процессам относятся процессы контроля качества, операционного управления, процессы контроля запасов и пр.

Большинство процессов, относящихся к этим группам, может быть автоматизирована. На сегодняшний день, существуют классы систем, которые обеспечивают автоматизацию этих процессов.

Техническое задание на подсистему "Склады"	Техническое задание на подсистему "Документооборот"	Техническое задание на подсистему "Закупки"

Стратегия автоматизации процессов

Автоматизация процессов представляет собой сложную и трудоемкую задачу. Для успешного решения этой задачи необходимо придерживаться определенной стратегии автоматизации. Она позволяет улучшить процессы и получить от автоматизации ряд существенных преимуществ.

Кратко, стратегию можно сформулировать следующим образом:

• понимание процесса. Для того чтобы автоматизировать процесс необходимо понимать существующий процесс со всеми его деталями. Процесс должен быть полностью проанализирован. Должны быть определены входы и выходы процесса, последовательность действий, взаимосвязь с другими процессами, состав ресурсов процесса и пр.
• упрощение процесса. После проведения анализа процесса необходимо упростить процесс. Лишние операции, не приносящие ценности, должны быть сокращены. Отдельные операции могут объединяться или выполняться параллельно. Для улучшения процесса могут быть предложены другие технологии его исполнения.
• автоматизация процесса. Автоматизация процессов может выполняться только после того, как процесс максимально упростился. Чем проще порядок действий процесса, тем проще его автоматизировать и тем эффективнее будет работать автоматизированный процесс.

Выучились на «автоматизация технологических процессов и производств», кем работать даже не представляете? Наверное, это свидетельствует о серьёзных пробелах в вашем образовании, но давайте вместе попытаемся разобраться в вопросе. Мы ежедневно пользуемся автоматизированными системами , даже не осознавая этого.

Потребность в автоматизации - есть ли она?

Любой производственный процесс, это затрата ресурсов. Благодаря новым технологиям и методикам производства мы можем сэкономить количество сырья и топлива, которое уходит на изготовление продукции.

Но как быть с человеческим ресурсом? Ведь высококвалифицированных специалистов можно задействовать для реализации других проектов, да и сам контроль конвейера работниками - дорогое удовольствие, повышающее цену на конечную продукцию.

Частично проблему решили ещё несколько столетий назад, с изобретением паровых машин и конвейерного производства. Но даже сейчас в большинстве цехов на территории бывшего Союза всё ещё слишком много рабочих. А помимо дополнительных расходов это чревато «человеческим фактором», который является основной причиной большинства возникающих неполадок.

Инженер или 5 остальных специальностей?

Получив по окончанию вуза диплом, вы можете рассчитывать на должность :

1. Инженера.
2. Проектировщика.
3. Конструктора.
4. Научного сотрудника.
5. Руководителя отдела разработок.
6. Сотрудника эксплуатационного отдела.

Профессия инженера была модной лет 40 назад, сейчас мало кто готов думать головой и брать на себя ответственность. Конечно, с вашим дипломом вы будете очень узким специалистом, в списке основных задач будет внедрение и разработка новых систем управления и контроля на производстве.

Но чаще всего от вас требуется лишь поддержания в рабочем состоянии всей системы, исправление возникающих мелких неисправностей и дальнейшее планирование работы.

Любые проекты по оптимизации или обновлению системы будут проводиться под руководством непосредственного начальства, усилиями всего отдела. Так что можете не переживать, в первый же день вас не заставят разработать что-то инновационное или внедрить абсолютно новый способ контроля. Требования к специалистам вполне адекватные, заработная плата зависит от региона и отрасли промышленности.

Разработка и проектирование проекта.

У проектировщиков и конструкторов задачи немного иные. Вот уже они занимаются новыми проектами, практически на всех этапах разработки. В первую очередь от этих сотрудников требуют формулировки и постановки задачи.

Когда определена цель и объём будущих работ, приступают к составлению общего плана реализации будущего проекта. Только после этого проектировщик имеет право перейти к составлению более детальных планов, разработке архитектуры и выбору средств.

А на заключительном этапе необходимо ещё будет документацию составить, для тех же инженеров.

Труд конструктора мало чем отличается от приведённого плана работ, так что заострять на этом внимание особо не стоит. Можно лишь сказать, что представители этих двух профессий стоят несколько ближе к теории и науке, но всё ещё сохраняют связь непосредственно с производством и прекрасно осознают конечный продукт своей работы.

Научные сотрудники в области автоматизации производства.

А теперь пришло время поговорить о тех, кому по душе белые халаты и научные лаборатории. На самом деле речь идёт о математике в чистом виде . Проектирование, создание и усовершенствование моделей, новых алгоритмов. Способности к решению таких теоретических задач, иногда несколько оторванных от реальности, проявляется ещё в школе или университете. Если заметили это за собой, стоит адекватно оценить свои способности и найти себе место в исследовательском центре.

Предложения от частных структур более высокооплачиваемые, но большинство контор потребует все права на результаты вашей интеллектуальной деятельности. Работая в государственной структуре можно вести научную деятельность, больше шанс получить какое-либо признание среди коллег. Вопрос лишь в том, чтобы правильно расставить свои приоритеты.

Руководящие посты и личная ответственность.

На должность руководителя отдела или проекта можно рассчитывать в двух случаях:

1. Попытка выслужиться, реализуя свои амбиции и стремления.
2. Высокий уровень ответственности и личных навыков.

Сразу после университета первый пункт вам не подойдёт, молодому специалисту серьёзную должность не доверят, да и не справитесь вы с ней без определённого опыта и набора знаний. А вот ответственность за неудачу переложить на кого-то будет проблематично.

Так что просто знайте, что при качественном и своевременном выполнении своих обязанностей вы можете рассчитывать на продвижение по карьерной лестнице, ваш диплом это позволяет. Поэтому никакие аргументы от начальства, о несоответствии уровня образования, не пройдут. Но подумайте, стоит ли оно того - прибавятся обязанности и заметно поднимется уровень ответственности.

Профессионалы с факультета «автоматизация технологических процессов и производств» кем работать, знают уже с первых курсов. Не стоит смущаться, если рабочее место удалось получить благодаря знакомствам. Держать на ответственном месте никудышного специалиста никто не будет, так что это не очень весомый аргумент.

Видео о профессии

Далее на видео в рамках программы «Специалисты будущего» будет рассмотрено, кем работать после окончания факультета «Автоматизация технологических процессов и производств». Какие есть нюансы, плюсы и минусы данной профессии:

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.