Закажите услуги фрилансеров для вашего проекта прямо сейчас!

Размещение заказа на фриланс бирже бесплатно.

Автоматика – №4

Лекция №4. Основные технические средства (ТС) получения информации о значениях  параметров ОУ и его среды в отрасли ХПЗ
План лекции:

  • ТС для контроля температуры
  • Термоподвески
  • Пирометры
  • ТС для контроля  перемещения,   усилия, скорости

    • Опеределения, шкалы ТС для контроля температуры
      Самым важным технологическим параметром является температура, измерение которой осуществляют с помощью значительного числа методов и схем. СИТ для измерения температуры называют термометрами.
      Температура – параметр теплового состояния, характеризующийся средней кинетической энергией поступательного движения молекул.
      В вакууме температура определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающих тело.
      Тепло переходит от более нагретого к менее нагретому – принцип работы термометра. Единицей измерения температуры в системе СИ является градус Кельвина. Соотношение единиц Кельвина и Цельсия:
      0°К = -273,15 °С  (абсолютный ноль – космос)
      Однако, подавляющее большинство термометров имеет шкалы, выраженные в градусах Цельсия. Наиболее распространенными являются следующие стандартные шкалы СИТ температуры:   °С.
      В зависимости от необходимого диапазона измерения, точности и удобства измерения температуры в пищевой промышленности применяют жидкостные, биметаллические, дилатометрические, манометрические, термоэлектрические (термопары), фотоэлектрические термометры и термометры сопротивления.
      Температурная шкала – ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми температурами кипения и плавления химически чистых веществ.
      История вопроса
      Первые термометры появились в 16 веке (Галилей) и были водяными.
      Ньютон сделал свою 12-ти градусную шкалу.
      Реомюр – шкала 80 делений (т.к он заполнял термометр спиртом, а спирт расширяется на 0,0008 от температуры плавления льда, до кипения воды).
      1847 г. – Фаренгейт – используя охлаждающие смеси, имитировал самую низкую температуру и принял ее за 0;  2-я точка – температура таяния льда; 100(98)оF – температура здорового человека; 212оF – точка кипения воды.
      Цельсий сначала принял за ноль температуру кипения воды, а за 100 – температуру плавления льда, а затем перевернул.
      Переход от оC к оF:       t оC = 5/9*(t оF – 32)
      Делиль: разделил шкалу на 150 делений (от таяния льда до кипения воды)
      Недостаток этих шкал:  показания зависят от свойств вещества, которым заполняется термометр.
      Впервые термодинамическая шкала была предложена Кельвином в 1848г.
      В Основу был положен термодинамический цикл Карно идеальной тепловой машины, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.








      Термодинамическая шкала неудобна при воспроизведении, поэтому имеются ее усовершенствования.
      МТШ27 – международная температурная шкала 1927г., построена на шести реперных (постоянных) точках, значения температур которых определялись в разных странах газовыми термометрами. В промежутках между точками шкалы температуры воспроизводились с помощью эталонов (платиновый преобразователь температуры, платинородий-платиновая термопара, пирометр излучения) и интерполяционных формул.
      МПШ-48 (международная практическая температурная шкала) – вместо температуры плавления льда ввели тройную точку воды, которая лежит на 0,01°С выше точки плавления льда.
      МПТШ-68 – охватывала больший температурный интервал от 13,81 до 6300К (13,81 – тройная точка равновесного водорода, 54К – тройная точка кислорода, и т.д.).

       1.2. ТС измерения температуры
      По принципу действия приборы для измерения температуры классифицируют следующим образом: термометры расширения, действие которых основано на использовании зависимости удельного объема вещества от температуры (жидкостные, дилатометрические, биметаллические, манометрические); термопары, основанные на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры; термометры сопротивления, действие которых основано на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. В перечисленных группах термометров в основу положен контактный метод измерения.
      Бесконтактный метод состоит в том, что для измерения температуры используется тепловое излучение нагретых тел. Такие термометры называются пирометрами (яркостные, радиационные, цветовые). 
      Принцип действия жидкостных (ЖСТ рис.4.1 ) основан на различии коэффициентов теплового объемного расширения жидкости и стеклянной оболочки, в которой она находится.
        - изменение объема.
       - коэффициент объемного расширения.
       - начальный объем при 0°С.
       - видимый коэффициент расширения жидкости в стекле.

      Рис.4.1. Термометры расширения
      ЖСТ могут работать в интервале температур от –200 до 1200°С.
      Для их изготовления используют специальные термометрические стекла, подвергаемые старению для снижения . Различают термометры со ртутным заполнением и органическими жидкостями.
      Ртуть наиболее предпочтительна:

      • имеет стабильный
      • не смачивает стекло (не образуется миниск)
      • она электропроводна и на ее основе созданы электроконтактные термометры.
        Температура затвердевания ртути – -38,87°С, температура кипения – 356,7°С. Для поднятия верхней точки пространство над ртутью заполняют газом под давлением, для расширения вниз используют амальгама – смесь ртути и металла.
        Ртутные термометры:  максимальные (столбик не опускается сам), минимальные, глубинные.
        Термометры с органическими наполнителями используют для измерения отрицательных температур Этиловый спирт – до -100°С; пентан - до -190°С; толуол - до -90°С. Но все эти жидкости имеют неравномерный коэффициент объемного расширения (неравномерная шкала) и смачивают стекло.
        Дилатометрические и биметаллические термометры.
        Принцип действия основан на различии тепловых коэффициентов линейного расширения двух металлов. Один – с очень высоким, другой – с маленьким коэффициентом линейного расширения.

         чтобы уменьшить динамические погрешности трубка обычно бывает из латуни, меди, алюминия (высокий α). Стержень выполняется из инвара .

        К этой же группе относятся и биметаллические термометры (2 металла жестко соединены).



        Изгибание в сторону с меньшим .


         1.3. Манометрические термометры
        Принцип их действия термометров основан на использовании зависимости давления рабочего вещества при постоянном объеме от температуры. Прибор состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 6, защищенной металлическим рукавом 7, и манометрической части, заключенной в специальный корпус 5. Внутренняя система прибора заполнена рабочим веществом. При нагревании термобаллона увеличивается объем рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются манометрической трубкой 3, которая через передаточный механизм, состоящий из тяги 4 и сектора 2, воздействует через зубчатое колесо на стрелку прибора (рис 4.2), шкала которого отградуирована в единицах температуры  ̊ С.

        Газовые манометры заполняют газами (азот, гелий). Давление газа, в зависимости от температуры, характеризуется законом Шарля.

         - начальное давление (при 0 ̊ С);
        ,  
        t–измеряемая температураt0–начальная температура, ̊ С
        -коэффициент теплового объемного расширения газов, тогда


         1.4.Электрические термометры сопротивления

        Их чувствительный элемент (ЧЭ) представляет собой медную или платиновую проволоку, намотанную на керамической или другой каркас.
        Принцип действия основан на свойстве веществ изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.


        Рис. 4.3. Проволочный термометр сопротивления

        Конструкция термометра сопротивления, которая показана на рис. 4.3 , предусматривает наличие защитного чехла 2, который защищает чувствительный элемент 1 от механических и химических повреждений. Чехол бывает разной длины, толщины и материала. Это определяет соответственно глубину установки датчика в объекте, допустимое давление и агрессивность среды, где измеряют температуру. Чувствительный элемент 1, расположенный в концы защитного чехла 2, соединен с монтажными контактами 3 обводами, которые продеты сквозь керамическое ожерелье 4, во избежание  короткого замыкания. Контакты 3 расположены в пластмассовой головке 5, что делает легкий доступ к ним при снятой крышке 6. Для уменьшение инерционности свободное пространство между стенками защитного чехла и чувствительным элементом заполненный порошком 7 (окиси алюминия или титана), которые имеют высокую теплопроводность.
        Полупроводниковые термометры сопротивления позисторы имеют положительный, а термисторы — отрицательный коэффициент измерительного преобразования, абсолютное значение которого значительно выше, чем в проволочных термометров.  Если коэффициент преобразования, например, медного термометра гр.50М составляет 0,214 Ом/ °С, то для полупроводниковых термометров значения этого коэффициента в зависимости от типа термометра может представлять десятки и сотни Ом на градус.
        Промышленные термопреобразователи сопротивления.
        http://" rel="nofollow noopener" target="_blank">http://rel="nofollow noopener" target="_blank">http://
        Тема 7. Некоторые вопросы разработки и внедрения систем автоматизации  
        Лекция №13 Иерархия задач управления, структуры систем, технические средства
        План лекции:

        • Иерархия задач управления и отражение ее в технической структуре систем автоматизации;
        • Классификация структуры систем: локальные (отдельными видами оборудования), ТП вцелом, предприятием; централизованные, децентрализованные; одноуровневые, многоуровневые (иерархические);
        •  Технические средства автоматизации на разных уровнях автоматизации.

           1. Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) предприятий, в том числе отраслей ХПЗ, решают комплекс задач управления: регулирование (стабилизация) непрерывных ТП, программно-логическое управление (ПЛУ) дискретными (периодическими) процессами, локальная оптимизация каждого процесса, согласование (координации) управлений отдельными ТП (участками), в том числе производительности участков последовательно и параллельно расположенными в технологической схеме предприятия (ТК). При этом необходимо решение задач  диспетчеризации и оптимального управления производственным процессом вцелом.
          При этом возможна  реализация различных иерархических структур в АСУТП, но традиционно рассматривают двух либо трех уровневую структуру. К нижнему уровню такой иерархии относят задачи контроля и регулирования ТП, (ПЛУ). К этому же уровню могут быть отнесены задачи оптимизации ТП. Ранее эти задачи традиционно относили к верхнему уровню систем. На верхнем уровне решаются задачи координации и оптимального управления всем технологическим процессом производства (ТК). Уровень, на котором располагаются датчики (различные первичные преобразователи сигналов), ИМ, РО, установленные на технологическом оборудовании ТП, в литературе часто называют полевым.
          На рис. 13.1 представлен один из возможных вариантов иерархической структуры системы управления ТК.
                  2. Технические структуры современных АСУТП отражают рассмотрен-ные иерархические структуры комплекса задач управления.
          В настоящее время большинство разрабатываемых современных СА  на предприятиях ПП относятся, в соответствии с классификацией по   ОРММ-3 ,  к локальным  АСУТП и создаются в  виде  автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов технологических участков (отделений). При дальнейшем развитии АСУТП предприятия создаются АРМы сменного технолога (диспетчера) и технических руководителей предприятия: главного технолога, главного инженера, технического директора и т.п., с объединением их в единую локальную информационно-вычислительную сеть (интранет) с АРМами операторов.




          Рис.13.1. Структура системы управления ТК
           ai. - вектор   переменных для і-ой подсистемы; т* - вектор управления (задание переменных состояния), определенный в і-ой задаче оптимизации; γi, - параметр координации; βi- вектор информации об оптимизации i-той подсистемы; ЗО - задача оптимизации; СР - система регулирования, П - подсистема ТК (участок);  хi. - координаты состояния; иi. - управления.

          Характерной особенностью современных СА является использование помимо датчиков, преобразователей, приборов контроля, исполнительных механизмов и других традиционных средств автоматизации, микропроцессорных управляющих контроллеров и рабочих станций на базе компьютеров при создании АРМ операторов технологических участков. Названные технические средства позволяют существенно увеличить интеллектуальные возможности СА в части реализации сложных алгоритмов контроля, диагностики и управления, обеспечить разнообразную  визуализацию параметров управляемых процессов и состояния оборудования, хранения и последующее представление данных в виде временных и параметрических графиков, формирование сообщений (текстовых и речевых) как информационного (предаварийного), так и рекомендательного характера.
          Вместе с тем, на первых этапах автоматизации простых объектов управления могут создаваться СА на базе комплекса технических средств, не обладающих указанными особенностями. При этом могут использоваться современные универсальные щитовые приборы, сочетающие в себе функции показывающих, сигнализирующих приборов, регуляторов и  т. п.
          Ключевыми отличиями систем класса АСУТП от таких систем, традиционно называемых локальными (ЛСА), в соответствии с , являются: использование средств компьютерной техники (управляющий контроллер и компьютер) для реализации информационных и управляющих функций, управление процессами, осуществляемое в соответствии с принятым критерием (критериями), а также участие человека-оператора в принятии некоторых особо ответственных решений. Вместе с тем, в настоящее время создаются и полностью автоматизированные комплексы, которые могут быть отнесены к системам автоматического управления.  

          3. Технические средства автоматизации на разных уровнях автоматизации.
          На разных уровнях автоматизации используются современные датчики и исполнительные механизмы, включая частотные преобразователи (полевой уровень), микропроцессорные контроллеры программируемые и непрограммируемые (УСО) рабочие стации АРМ операторов (нижний уровень, диспетчерские станции, мощные компьютеры – серверы, всевозможное оборудования связи, в том числе сетевые проводные и беспроводные, для организации обмена информацией как ТС нижнего уровня, так и с ТС, относящимися к так называемому уровню  управления предприятием АСУ П (бизнес-процессы).
          3.1. Микропроцессорные средства автоматизации для АСУТП
          Современный уровень проектирования СА характеризуется широким использованием проектно - компонуемых  комплексов технических средств (ТС): микропроцессорных контроллеров (МПК), промышленных (персональных) компьютеров (ПК), рабочих станций, структура которых оптимизирована для решения задач автоматического управления технологическими процессами. В проектах автоматизации  широкое применение  нашли  функционально программируемые регулирующие  и логические микропроцессорные контроллеры отечественного производства  -  Ремиконты: Р-110, Р-112, Р-120, Р-122, Р-130; Ломиконты: Л-110, Л-112, Л-120,  Л-122    и др.,    а также  контроллеры,  реализующие принципы свободного программирования: МСУВТ В10 (НПО «ЭТАЛ»),  УНИКОНТ (НПО «КВАНТОР») и др.,  которые в комплекте с ПК либо  промышленными рабочими станциями,  снабженными  специальным программным обеспечением (SCADA – системами),  служат базой для  создания АРМ операторов-технологов, диспетчеров и других специалистов.
          С приходом на рынок ТС  Украины комплексных технических средств автоматизации импортного производства спектр номенклатуры технических и программных средств существенно расширился. Изделия фирмы  Advantech: промышленные компьютеры, рабочие станции, модули для распределенных систем   сбора данных и управления на  базе интерфейса RS-485  типа ADAM 4000, 5000, а также программное обеспечение для этих средств, активно используется разработчиками СА.  Не менее широко представлены на рынке Украины  ТС   других фирм: Siemens, АВВ, Festa, Wago, Octagon System и др. .
             В качестве обязательных этапов на начальных стадиях проектирования рекомендуется исследование алгоритмической структуры СА с целью разработки алгоритмов управления, определения параметров настройки регуляторов, определения требований к технической структуре СА.

          3.2 Разработка технической структуры АРМ оператора на базе МПК

          Современные АСУТП, разрабатываемые в пищевой промышленности, как было отмечено выше, представляют собой реализованные на базе компьютерных средств автоматизированные рабочие места (АРМы) операторов-технологов (на технологических участках, отделениях) и технических руководителей (начальника смены - диспетчера, главного технолога, главного инженера и т.п.),  объединенные в локальную информационно-вычислительную сеть.
          Состав технических и программных средств для АРМ определяется в сегодняшних условиях выбором технической структуры, состава комплекса технических средств (КТС) и его производителя. Наиболее часто используются следующие варианты структур  АРМ оператора-технолога:

          • Функционально-программируемый контроллер (например, Ремиконт Р110, Р130, Ломиконт Л-110 и т.п.) и рабочая станция на базе промышленного   либо офисного компьютера. При этом в состав ПО входят SCADА-система с драйверами (специальными программами) для связи с соответствующим типом контроллера, подсистемой автоматизированного проектирования форм отображения   информации о состоянии ТП и подсистема программирования контроллера (например, комплекс INDEL 4 отечественного производителя предприятия «Инфотехпром», г. Полтава, российская инструментальная система   TRACE MODE фирмы AdAstra и др.).
          • Свободно-программируемый контроллер и рабочая станция. Широко представлены на рынке Украины контроллеры импортного производства (фирмы Advantech, Siemens, WAGO, Festo и др.), отечественного производства    (УНИКОНТ НПО «Квантор», г.  Северодонецк, МСУВТ В10    НПО «ЭТАП» и др.). В состав ПО помимо SCADA-систем    (Genie, Genesis 32 и др.) входят средства программирования контроллеров (например, UltraLogik, STEP 7), либо используются интегрированные пакеты (например,   Кварц   95,   -98, - 20..  для   ПТК   УНИКОНТ),   в   состав   которых   входят   как   средства автоматизированного    проектирования    форм    отображения        информации,    так    и    средства программирования  контроллеров.
            3. Рабочая станция и устройства связи с объектом (УСО) выполненные в виде отдельных блоков для реализации территориально-распределенных систем управления (контроллеры ADAM фирмы Advantech, аналогичные контроллеры фирмы WAGO и др.).
            SCADA-система с драйверами для связи с УСО (например, Genie) при этом обеспечивают как функции отображения информации, так и функции управления ТП.
            4. Разработка АСУТП на базе Micro-PC предусматривает использование системы с платами УСО и процессора в одном конструктиве на базе промышленного контроллера (например, MIC 2000) либо офисных ко...