1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
6.1.2. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Огромное количество измерительных приборов, выпускаемых в стране, требуют стандартизации параметров электрических сигналов первичных измерительных преобразователей, источников питания, конструктивно-присоединительных размеров и нормирования условий эксплуатации. Стандартизация и унификация перечисленных выше элементов положены в основу Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)— это совокупность унифицированных блоков, приборов и устройств для получения, обработки и использования информации. ГСП имеет единые параметры входных и выходных сигналов, а также унифицированные габаритные присоединительные размеры. Она построена по блочно-модульному принципу, что позволяет совершенствовать системы автоматического управления путем замены отдельных блоков и элементов. Измерительные преобразователи, приборы и устройства в соответствии с ГОСТ 12997—76 «ГСП. Общие технические требования» классифицируются следующим образом: по выполняемым функциям; по виду энергии носителя сигналов; по метрологическим свойствам и по защищенности от воздействия окружающей среды. На рисунке 6.1.1 приведена классификация изделий ГСП. Рассмотрим более подробно классификацию изделий ГСП по выполняемым функциям. К устройствам для получения информации о состоянии технологического процесса относятся первичные измерительные преобразователи (чувствительные элементы), воспринимающие изменение технологических параметров (температура, давление, уровень, расход вещества, вязкость, плотность и др.) и преобразующие его в унифицированный выходной сигнал, передаваемый по каналам связи. В группу устройств приема и пре- образования информации входят устройства дистанционной и телемеханической передачи сигналов. В состав группы устройств для преобразования, хранения и обработки информации включены функциональные и логические блоки, регуляторы, управляющие вычислительные машины и комплексы, а также показывающие и самопишущие измерительные приборы и устройства отображения информации (дисплеи, табло, мнемонические схемы). К устройствам, использующим информацию для управления технологическим процессом, относятся исполнительные устройства с электрическим, пневматическим и гидравлическим приводом. Устройства ГСП по виду используемой энергии делят на электрические аналоговые, электрические дискретные, пневматические, гидравлические и устройства, работающие без источников вспомогательной энергии. Электрические аналоговые устройства ГСП имеют стандартный диапазон значений силы тока 0—5 мА, 0—20 мА и напряжений постоянного тока 0—10 мВ, 0—1 В, 0—5 В и 0—10 В (ГОСТ 14853—76 и ГОСТ 10938—75). Электрические дискретные устройства ГСП характеризуются диапазоном частоты переменного тока или частоты импульсов. Частотный диапазон 0—8000 Гц. Параметры импульсных сигналов: для амплитуд сигналов 0,6—220 В, для токов 1—500 мА. Эти сигналы используются в управляющих вычислительных комплексах. Широкое распространение в отрасли получают пневматические устройства ГСП ввиду простоты эксплуатации и надежности в работе. Номинальное значение давления питания для приборов и устройств получения информации о состоянии процесса, преобразования, обработки, хранения информации— 140 кПа (ГОСТ 13053—76). Допустимое отклонение давления питания составляет ±10% от номинального. В силу специфических условий отрасли, а именно повышенных влажности, температуры, содержания паров солей в атмосфере цехов, пневматические устройства ГСП являются наиболее перспективными. В настоящее время промышленность выпускает элементы УСЭППА (универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики) и систему модулей струйной техники (СМСТ), которые применяют при разработке систем автоматического управления технологическими процессами отрасли. Широкая номенклатура изделий пневматической ветви ГСП позволяет создавать различные по сложности системы автоматического управления. Гидравлические устройства ГСП характеризуются диапазоном изменения давления рабочей жидкости (веретенное, турбинное, трансформаторное масло или вода) от 1 до 6,4 МПа. В промышленности они нашли значительное распространение. Устройства ГСП, работающие без источников вспомогательной энергии, характеризуются тем, что они используют энергию той среды, для измерения и регулирования параметров которой устройства предназначены. Наибольшее распространение получили регуляторы прямого действия температуры, давления и уровня. Государственной системой промышленных приборов и средств автоматизации предусматривается выпуск полногабаритных (размер корпуса по лицевой стороне 400X400 мм), малогабаритных (240X320 мм) и миниатюрных (160X200 мм) измерительных приборов. Для автоматических измерительных приборов установлены следующие классы точности: 0,25; 0,5; 1,0 и 1,5. Измерительные приборы в зависимости от времени пробега каретки указателя всей шкалы прибора делятся на быстродействующие (0,25—0,5 с, полногабаритное исполнение), среднего быстродействия (1—10 с, полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные) и низкого быстродействия (до 16 с, миниатюрные) . В зависимости от числа точек измерения приборы выпускаются одноточечные и многоточечные. С учетом внешних факторов, влияющих на работу приборов, их изготовляют в нормальном исполнении, а также в герметическом исполнении для работы при температуре окружающего воздуха от —10 °С до 45 °С и относительной влажности до 98%. В настоящее время практически все разрабатываемые технические средства создаются в рамках унифицированных агрегатных комплексов. Агрегатные комплексы предназначены для решения задач контроля и автоматического регулирования, например: АКЭСР — агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования; АКЭИМ — агрегатный комплекс электрических исполнительных механизмов; АСИМ—агрегатный комплекс средств измерения и дозирования масс; АСВТ — агрегатный комплекс средств вычислительной техники; КТС ЛИУС — комплекс технических средств локальных информационно-управляющих систем и др. Таким образом, внедрение агрегатных комплексов способствует расширению и углублению принципов унификации и агрегатирования при проектировании и эксплуатации систем автоматизации. Внедрение изделий ГСП позволяет решать задачи автоматизации на всех уровнях иерархии: локальные системы автоматического управления, системы централизованного контроля и регулирования и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). На рис.6.1.2 представлена иерархическая структурная схема ГСП, построенная по функционально-целевому признаку. Рис.6.1.1. Классификация изделий Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации На нижнем уровне находятся средства получения информации о состоянии объекта управления, а также исполнительные механизмы, которые осуществляют передачу управляющих воздействий на управляемый объект. На втором уровне расположены технические устройства, предназначенные для построения локальных систем автоматического управления. На третьем уровне размещены устройства централизованного контроля и регулирования, которые могут содержать средства вычислительной техники. Эти средства целесообразно использовать для объектов, включающих большое количество (несколько десятков или сотен) контролируемых и регулируемых параметров. На верхнем уровне расположены средства автоматизации, на базе которых строятся управляющие вычислительные комплексы, способные реализовать сложные алгоритмы управления (опти- мизации, плановые и учетно-статистические). Изделия ГСП все больше внедряются в отрасли, так как увеличиваются объем их выпуска и номенклатура. В настоящее время в стране изготовляется более 2000 типов промышленных приборов и средств автоматизации, входящих в состав ГСП. Рисунок 6.1.2. Иерархическая структура Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации ГСП, Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации, совокупность устройств получения, передачи, хранения, обработки и представления информации о состоянии и ходе различных процессов и выработки управляющих воздействий на них. ГСП состоит из унифицированных элементов, модулей и блоков, допускающих информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение в агрегатных комплексах и автоматизированных системах управления. В ГСП входят электрические, пневматические и гидравлические приборы и устройства в обыкновенном, виброустойчивом, герметичном, пыле- и влагозащищённом исполнении. К устройствам получения и первичного преобразования информации относятся датчики, кнопки, табуляторы и клавишные вычислительные машины с ручным и полуавтоматическим управлением для нанесения информации на перфокарту, перфоленту, магнитные ленты, барабаны или диски, а также выводные устройства, формирующие сигналы для передачи на расстояние. Передача информации осуществляется либо непосредственно через каналы связи (при небольших дистанциях или специально выделенных каналах связи), либо через устройства телемеханики (на большие расстояния). Передача сигналов от многих источников в одно место достигается при помощи устройств централизованного контроля. К средствам представления информации относятся показывающие стрелочные, цифровые, символьные и др. индикаторы, самопишущие приборы, печатающие устройствами графопостроители. Для лучшего восприятия широко применяется метод визуального контроля с помощью устройств отображения информации, промышленного телевидения, мнемонических схем. При большом количестве информации, необходимости её предварительного логического и математического анализа или синтеза, в связи с решением сложных экономических, технологических и иных задач, а также при управлении современными технологическими и энергетическими комплексами применяют средства вычислительной техники. Выработка управляющих воздействий достигается регулирующими устройствами (регуляторами). Регулятор, получая сигналы непосредственно от датчика или через устройство централизованного контроля, вырабатывает в соответствии с заданной программой и законом регулирования энергетические импульсы, приводящие в действие исполнительный механизм, который через регулирующие органы (коммутирующую аппаратуру, управляемые вентили, клапаны, заслонки, задвижки) изменяет потоки энергии или вещества и этим воздействует на объект регулирования. Устройства ГСП взаимодействуют посредством нормированных электрических, пневматических, гидравлических, механических, акустических и оптических сигналов. По виду сигналов устройства ГСП делятся на аналоговые и дискретные. Устройства ГСП имеют нормированные источники питания. Конструктивное сопряжение устройств ГСП обеспечивается унифицированной структурой модулей и блоков, применением нормированных по форме и размерам монтажных плат, кассет, каркасов, панелей, шкафов, щитов и пультов, а также базовых конструкций оснований и узлов, из которых компонуются агрегаты. Этим достигается высокая взаимозаменяемость изделий ГСП. Унификация конструкций ГСП повышает технологичность изделий в производстве, упрощает их комплектацию, монтаж, наладку и эксплуатацию. Информационная, энергетическая и конструктивная сопрягаемость устройств ГСП ускоряет проектирование и изготовление систем автоматического контроля, регулирования и управление в составе оборудования автоматизированного производства (см. Автоматизация производства). В основу построения ГСП положены следующие принципы: выделение устройства по функциональным признакам, минимизация номенклатуры изделий, блочно-модульное построение технических средств, агрегатное построение систем управления, совместимость приборов и устройств. По функциональному признаку все изделия ГСП делятся на четыре группы: устройства получения информации о состоянии процесса; устройства приема, преобразования и передачи информации по каналам связи; устройства преобразования, хранения, обработки информации и формирование команд управления; устройства использования командной информации для воздействия на объект управления. СИ входят в число устройств входят в число первой и второй групп перечисленных групп и представляют собой первичные, промежуточные, масштабирующие (нормирующие) измерительные преобразователи, измерительные приборы и системы. В зависимости от рода используемой энергии СИ и вспомогательные устройства ГСП подразделяют на четыре самостоятельные ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую и не использующей вспомогательной энергии. Все средства измерений и устройства электрической, пневматической и гидравлической ветви имеют унифицированные входные и выходные сигналы, перечень которых приведен в таблице: Таблица. Основные виды унифицированных входных сигналов ГСП. Вид сигнала Физическая величина Параметры сигнала Электрический Постоянный ток 0-5, 0-20, -5-0-5, 4-20 мА Постоянное напряжение 0-10, 0-20 –10-0-10 мВ; 0-10, 0-1 –1-0-1 В Переменное напряжение 0-2, -1-0-1 В Частота 2-8, 2-4 кГц Пневматический Давление 0,2-1 кгс/см*см Гидравлический » 0,1-6,4 МПа Связь электрических, пневматических и гидравлических устройств осуществляется с помощью соответствующих преобразователей сигналов. Этим обеспечивается создание комбинированных средств ГСП. Средства ГСП строятся из блоков и модулей. Блочно-модульный принцип построения средств ГСП обеспечивает возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей путем их наращивания и стыковки. Это позволяет создавать новые СИ и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. ИУ и системы составляют самую многочисленную группу изделий ГСП, составляющую более половины номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение измерительной информации о физических величинах (параметрах), характеризующих технологические процессы, свойства и качество продукции. Классификация ИУ ГСП, учитывающая вид входных и выходных сигналов, приведена на рисунке. Под «естественным» входным сигналом в приведенной классификации понимают выходную физическую величину первичного ИП, полученную однократным простым («естественным») преобразованием измеряемой величины и не соответствующую по параметрам унифицированным сигналам. При этом под простым преобразованием понимают только преобразование, используемым для измерения физическим явлением. Несмотря на большое разнообразие величин, виды естественных выходных сигналов ГСП удается ограничить десятью, приведенными на рисунке. Техническая основа ГСП. Для преобразования естественного выходного сигнала в унифицированный в ГСП используются нормирующие преобразователи. В ГСП, несмотря на значительное разнообразие измеряемых величин и используемых для этого принципов измерений, применяются четыре структурные схемы измерительных устройств, а именно: схема прямого однократного преобразования, схема управляющего преобразования (часто называется компенсационной), схема последовательного прямого преобразования, схема прямого дифференциального преобразования. Нормирование метрологических характеристик СИ ГСП осуществляется по группам, выделенным в зависимости от функционального назначения. Средства ГСП, служащие для технологических измерений, в основном являются аналоговыми и имеют малую случайную составляющую погрешности. Поэтому из метрологические характеристики формируются комплексами, включающими обычно: номинальную функцию преобразования, предел допускаемой основной погрешности, предел допускаемой вариации, динамическую характеристику, номинальное значение входного импеданса, номинальное значение выходного импеданса (для измерительных преобразователей), предел допускаемой дополнительной погрешности (для некоторых измерительных приборов). В ГСП предусмотрено несколько видов конструктивного исполнения СИ: нормальное (обычное), пыле-, брызг о- и взрывозащитное. Измерительные устройства ГСП Измерительные приборы Измерительные преобразователи С естественным входным сигналом С унифицированным входным сигналом С унифицированным выходным сигналом С дискретным (контактным) выходным сигналом Естественные выходные сигналы Переме- щение Угол поворота Усилие Интерва- лы времени П ос то ян но е на пр яж ен ие П ер ем ен но е на пр яж ен ие А кт ив но е со пр от ив ле ни е Ко м пл ек сн ое со пр от ив ле ни е Э ле кт ри че ск ая ем ко ст ь Ч ас то та Нормирующие преобразователи Унифицированные сигналы Рисунок. Классификация СИ ГСП по входным и выходным сигналам. Структурные схемы СИ. Измерительные устройства состоят из некоторого числа элементов (составных частей), предназначенных для выполнения таких, функций, как: преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помехонесущих полей, коммутация цепей, представление информации и т.п. к элементам измерительных устройств относят: опоры, направляющие, пружины, магниты, контакты, множительно-передаточные механизмы и т.п. Основные составные части: Преобразовательный элемент – элемент СИ, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины; Измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов Си, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации; Чувствительный элемент – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственны воздействием измеряемой величины; Измерительный механизм – часть конструкции Си, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает из взаимное перемещение Отсчетное устройство – часть конструкции Си, предназначенное для регистрации показаний. Регистрирующее устройство – часть регистрирующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показаний. На рисунке ниже приведены схемы измерительных устройств прямого действия (прямого преобразования) и сравнения (уравновешивающего или компенсационного преобразования). Структурные схемы СИ прямого действия. Структурные схемы СИ сравнения. Работа этих типов приборов. На первом рисунке измеряемая физическая величина Х поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую величину, удобную для дальнейшего использования (ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и 1 4 3 2 X Y 1 1 7 2 X Y 1 4 3 2 5 6 Z+ X Y Zур - 1 2 5 6 7 Z+ X Y Zур - поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (Элемент 2 может отсутствовать). Выходной сигнал элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека. Показаниями называют значение величины, определяемое по счетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или, в подавляющем большинстве случаев, шкалу с указателем. Для шкальных от счетных устройств принято использовать ряд понятий, сущность большинства, из которых легко установить по рисунку ниже. Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на 3-м рисунке выше. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения, ком парирующий элемент), поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается величина с противоположным знаком Zур (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значения величин Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z-Zур, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине. На остальных рисунках приведены структурные схемы измерительных преобразователей, основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего преобразователя. В этих схемах отсутствует измерительный механизм и отсчетное устройство. Этим определяется тот факт, что сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе измерительных преобразователей, как правило, имеется оконченный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает его по мощности, преобразует в частоту колебаний и т.д.) таким образом, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать. 100 120 140 160 180 200 Указатель Начальное значение шкалы Нижний предел измерения Отметка шкалы Деление шкалы Числовая отметка шкалы Верхний предел измерения Конечное значение шкалы Длтнна деления шкалы Диапазон измерений Диапазон показаний |