Конспект лекций по дисциплине Контроль и управление техническими системами для бакалавров и магистров направления 150400
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И СИСТЕМАМИ Конспект лекций по дисциплине «Контроль и управление техническими системами» для бакалавров и магистров направления 150400 – Металлургия, профиля - обработка металлов давлением Екатеринбург УрФУ 2013 УДК 52.681.325.6 Составитель: С.И. Паршаков Научный редактор: проф., канд. техн. наук С.П. Буркин КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И СИСТЕМАМИ : Конспект лекций по дисциплине «Контроль и управление техническими системами» для бакалавров и магистров направления 150400 – Металлургия, профиля - обработка металлов давлением/С.И. Паршаков, Екатеринбург: УрФУ, 2011. 118 с. Конспект лекций по дисциплине «Контроль и управление техническими системами» предназначен для бакалавров и магистров направления 150400 – Металлургия, профиля - обработка металлов давлением. Рассмотрены принципы работы систем контроля и управления техническими процессами обработки металлов давлением, статика и динамика, функциональные и структурные схемы. Даются начальные сведения об элементах цифровых систем, программируемых логических контроллерах. Предусмотрено знакомство с элементарными логическими операциями и способами минимизации логических функций. Библиогр.: 21 назв. Рис. 67. Табл. 16. © УрФУ, 2013 - 1 - Раздел 1. Введение. Контроль и управление технологическими процессами. 1. Предмет и структура курса «Контроль и управление технологическими процессами» {Автоматизация контроля и управления. Основные задачи и направления автоматизации управления. Современное состояние и перспективы развития систем автоматического контроля и управления технологическими процессами. Терминология} Предмет : Методы и средства контроля и управления технологическими процессами. Под контролем мы будем понимать регистрацию и обработку информации о параметрах технологического процесса, качестве продукции, состоянии рабочих машин и инструмента. Под управлением мы будем понимать воздействия на аппараты и органы рабочих машин, изменяющие их состояние. Различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном управлении воздействие осуществляется путем непосредственного изменения положения и состояния управляющих органов машины за счет физических усилий работника. Например, на стане 130 лаборатории ОМД для задания величины обжатия валки перемещают вращая нажимной винт. При автоматизированном управлении работник не прикладывает физических усилий. Устанавливая положение рукояток, верньеров, нажимая кнопки, оператор отдает команды промежуточному устройству — исполнительному механизму (сервомеханизму). Исполнительный механизм уже и осуществляет перемещение органов управления машины или изменение состояния аппарата. При автоматическом управлении человек полностью исключен из цепочки действий по изменению состояния или перемещению органов управления и принимает участие только при наладке системы или подготовке алгоритма управления. Совокупность мероприятий, обеспечивающих исключение человека из технологического процесса называют автоматизацией. За человеком остаются функции настройки систем управления, а также наблюдения за функционированием автоматических и автоматизированных устройств. В дальнейшем, устройства (машины, системы), действующие без участия человека мы будем называть автоматическими. Системы, в которых большинство операций выполняются без участия человека, но органически включающие в свой состав оператора, выполняющего часть функций не обеспеченных автоматикой, будем называть автоматизированными. Технологические процессы металлургического производства – прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка, плавка, литье и другие, имеют тенденцию перехода к все более автоматизированным и в идеале к автоматическим системам контроля и управления. Изучение методов контроля и управления технологическими процессами будет строиться по следующему плану: - 2 - 2. Распределение времени по видам учебной работы Вид учебной работы Всего часов В том числе 7-й семестр 18 недель Общая трудоемкость дисциплины 180 180 Аудиторные занятия 72 72 Лекции 36 36 Практические занятия (ПЗ) 18 18 Лабораторные работы (ЛР) 18 18 Самостоятельная работа: 108 108 Подготовка к лекциям и лабораторным работам 72 72 Виды итогового контроля (зачет, экзамен) Э Э 3. Структура курса № п/ п Раздел дисциплины Лекц. час ПЗ, час ЛР, час 1 Введение 5 2 Первичные преобразователи информации — датчики (сенсоры). 4 4 3 Каналы передачи информации в системах контроля и управления. 6 4 Статика систем контроля и управления. 2 4 5 Динамика систем контроля и управления. 12 10 6 Логическое управление машинами и процессами ОМД 6 18 7 Заключение 1 Итого 36 18 18 Совершенствованием и использованием систем контроля и управления на металлургических предприятиях, как правило, занимаются специалисты- технологи при участии привлеченных специалистов – электротехников, прибористов, электронщиков и экономистов. Технолог чаще выступает в - 3 - роли системного интегратора, объединяющего усилия привлеченных специалистов для решения поставленной задачи. Особая роль в деле совершенствования систем отводится специалистам, осуществляющим проектирование технологических процессов, машин, инфраструктуры цеха и предприятия. Решения, закладываемые на этапе проектирования, определяют не только возможность применения автоматики, но и ее структуру, затраты и эффективность. При этом достигается решение ряда важных задач: Снижение производственных затрат – повышение эффективности производства. Последнее достигается за счет ● экономии энергетических ресурсов и материалов, например, при использовании оптимальных режимов работы оборудования; ● уменьшения доли заработной платы в себестоимости продукции; ● ликвидации или сокращения дорогостоящего обслуживания, в частности, ночных смен, работы во вредных или опасных условиях, ручного труда; ● повышение выхода годного, снижения расходных коэффициентов; ● уменьшения простоев, увеличения срока службы инструмента и оборудования. Обеспечение безопасности жизнедеятельности за счет ● вывода работающего из опасных зон, опасных помещений путем применения дистанционного управления или замены рабочего машиной; ● использования систем блокировки и защиты; ● жесткого контроля за протеканием опасных химических реакций и процессов, например, при использовании водородных защитных сред при термообработке или щелочных расплавов для травления; ● использования систем автоматического пожаротушения, автоматического сброса давления при нештатных ситуациях; ● использования замкнутых циклов потребления воды и других жизненно важных ресурсов. Повышение производительности труда путем ● более эффективного использования оборудования; ● уменьшения числа работающих на единицу готовой продукции; ● совмещения операций и профессий; ● увеличение скоростей рабочих машин и транспорта; ● сокращения затрат времени на замену инструмента и настройку. Повышение качества готовой продукции, достигаемое за счет ● введения непрерывного контроля за технологическими режимами; ● автоматического контроля за состоянием технологического инструмента и автоматизации его замены; ● внедрения автоматического неразрушающего контроля в потоке; ● регулирования режимов прокатки, волочения, прессования, нагрева и других технологических операций; ● жесткого всеобъемлющего входного контроля качества заготовки и вспомогательных материалов; ● адаптации режимов процессов к изменяющимся условиям. Обеспечение гибкости производства за счет ● использования автоматически перенастраиваемых поточных линий - 4 - и агрегатов непрерывного цикла; ● автоматизации замены технологического инструмента; ● ликвидации промежуточных инстанций между проектированием и изготовлением; ● использования логистики для контроля за движением заготовки, инструмента и вспомогательных материалов. Совершенствование управления технологическими процессами в металлургии развивается по трем основным направлениям. Это совершенствование технологии, совершенствование оборудования и совершенствование элементов автоматики. Направление, связанное с совершенствованием технологии включает решение следующих вопросов: ● переход от дискретных неоднородных процессов к непрерывным однородным, выполняемым в потоке; ● обеспечение устойчивости и надежности технологических режимов; ● обеспечение резервов по расходным материалам, мощностям рабочих машин и энергоресурсам; ● расчленение сложных операций на примитивы – простые действия или движения, сводимые к последовательностям включений и выключений исполнительных механизмов и устройств; ● алгоритмизация технологического процесса – представление его в виде линейного, циклического или древообразного непротиворечивого корректного алгоритма, предусматривающего необходимые ветвления в зависимости от условий или варианта задания; ● разработка рациональных (оптимальных) технологических режимов. Определение допустимых диапазонов изменения технологических параметров; ● выявление важнейших факторов, определяющих качество и производительность; ● упрощение операций – замена сложных и громоздких технологических операций на простые, четко определенные последовательности движений, действий; ● совмещение технологических операций во времени и пространстве. Разработка временных диаграмм выполнения операций; ● разработка требований к качеству заготовки и вспомогательных материалов, обеспечивающих надежность и устойчивость выполнения технологических операций; ● разработка методов контроля технологических параметров и режимов; ● разработка методов учета металла и вспомогательных материалов, энергетических ресурсов; ● разработка методов мониторинга технологического процесса, обеспечивающего регистрацию значений технологических параметров и их привязку ко времени и исполнителю. Направление совершенствования оборудования предусматривает следующее: - 5 - ● упрощение конструкции путем широкого использования стандартных узлов и деталей; ● обеспечение модульности рабочих и транспортных машин путем использования строительных и конструкторских модулей; ● применение эффективных способов подвода энергии и движения – использование гидравлики и пневматики, использование вариаторов и планетарных редукторов в механических системах; ● улучшение управляемости и гибкости оборудования, например, замена групповых приводов рабочих клетей индивидуальными, установка дополнительных исполнительных механизмов; ● при проектировании оборудования — выделение контрольных точек в опасных и тяжело нагруженных зонах, обеспечение возможности размещения датчиков; ● повышение живучести оборудования, использование равнопрочных деталей; ● обеспечение устойчивости работы оборудования; ● обеспечение самоблокировки машины при переходе в нештатный или не расчетный режим работы; ● обеспечение резервов по мощностям, моментам, усилиям, прочностным характеристикам и размерам обрабатываемых изделий; ● дублирование критически важных элементов оборудования. Направление совершенствования элементов автоматики предусматривает следующее: ● переход к цифровой форме представления информации для всех элементов системы; ● замена централизованных систем автоматики на распределенные сетевые; ● использование новых помехоустойчивых средств передачи информации между элементами системы; ● использование быстродействующих микропроцессорных средств обработки информации; ● существенное увеличение точек контроля за состоянием технологического оборудования и параметрами технологического процесса, использование для этой цели современных систем датчиков, выполненных методами интегральных и нано- технологий; ● использование новых средств визуализации информации — защищенных операторских панелей, дисплеев, позволяющих представлять информацию в графической форме, активных мнемосхем, табло; ● использование современных алгоритмов обработки информации — быстрого преобразования Фурье (БПФ) для анализа сигналов, методов идентификации и оптимизации при выработке управляющих воздействий, алгоритмов нечеткой логики при управлении в условиях неопределенности; ● повышение надежности всех элементов автоматических устройств; ● использование универсальных покупных средств — программируемых логических контроллеров, стандартных сервоприводов, стандартного гидравлического и пневматического - 6 - оборудования, универсальных датчиков; ● обеспечение мониторинга и документирования всех входных параметров систем автоматики и выработанных ими управляющих воздействий. Перечисленные задачи и направления далеко не исчерпывают всего развития автоматизации управления в цехах обработки металлов давлением, но помогут инженеру-технологу при выборе вариантов технологии и оборудования. Терминология: Объект ом управления (ОУ) будем называть любое устройство, выполняющее обработку или преобразование вещества, энергии, информации, снабженное органами, позволяющими изменять параметры обработки (преобразования). Например, это • нагревательное устройство с возможностью получения требуемой температуры нагрева, • двигатель под технологической нагрузкой с возможностью изменения частоты вращения, • клеть прокатного стана с возможностью изменения раствора валков для получения заданной толщины полосы, и т. п. Контролируемый параметр — параметр, требуемое значение которого нужно получить или поддерживать. Это, например, температура в нагревательном устройстве, частота вращения двигателя, толщина прокатываемой полосы. О братная связь — информационная связь,обеспечивающая реакцию ОУ на изменение контролируемого параметра, например, увеличение подачи газа, если температура в печи опустилась ниже требуемого значения. И нерционность — свойство объекта сохранять свое состояние во времени и пространстве при отсутствии внешних воздействий. Мерой этого свойства могут быть, например, масса, момент инерции, теплоемкость. Ч увствительность — свойство объекта давать ответ (реакцию) на внешнее воздействие. Чем чувствительнее объект, тем более слабые воздействия будут вызывать его реакцию. Другая терминология будет вводиться и обсуждаться по мере изложения материала. - 7 - Раздел 2. Структурная и функциональная схемы управляемого объекта 1. Элементы теории систем и моделирования При изучении дисциплины мы будем использовать термины «система», «модель», «прямая и обратная связь», «оптимальное управление» и другие, подробно изучаемые в дисциплинах, относящихся к теории систем. В этом разделе будут даны краткие сведения, необходимые для представления и моделирования систем контроля и управления. Приведем несколько важных понятий: Система — (от греческого «целое, составленное из частей», соединение) множество элементов, находящееся в отношениях и связях друг с другом, образующее определенную целостность, единство. Как уже было отмечено ранее, этот термин имеет массу различных толкований и применений, поэтому в следующей главе мы существенно сузим для дальнейшего использования содержание этого понятия, ограничившись лишь системотехническим подходом. Там же будет введено определение системы через ее системообразующие свойства. Модель — тоже широкое и неоднозначное понятие. Молодые люди, начитавшись модных журналов, представляют за этим словом красотку, девушки — идеал своей внешности, ребенок — игрушку, конструктор — макет, математик — формулу. Для философа это «любой образ, аналог (слово тоже требует пояснения) мысленный или условный: изображение, описание, схема, график, план, карта, форма, макет, упрощенная уменьшенная (прокатный стан) или увеличенная (кристаллическая решетка из проволоки и шариков) копия процесса или явления — оригинала, используемый в качестве заместителя или представителя». Мы ограничимся лишь конструктивным содержанием понятия «модель», сведя его к триаде Калмана Оптимум — (от латинского «наилучшее») наилучший вариант решения задачи или путь достижения цели при данных условиях и ресурсах. В последующих лекциях мы исследуем это понятие. Оно содержит в себе огромное противоречие. Нетрудно понять, что «наилучших вообще» решений не существует. (Известный финансист Сорос утверждает, что даже просто правильных решений вообще не существует. По его мнению, все решения в той или иной степени плохи или ошибочны.) Отношение к решению определяется выбранным критерием, который диктуется поставленной при принятии решения целью. Поскольку цель может быть плохо определена, или существуют несколько целей, которые должны достигаться одновременно, то оптимум иногда оказывается весьма далеким от «наилучшего» решения. Компромиссные или универсальные решения никогда не бывают оптимальными в исходном смысле этого слова. То же самое можно сказать о решениях, принимаемых при неопределенности условий их реализации, например, о запасе топлива на зиму. Из перечисленных терминов и определений главным, краеугольным камнем в инженерной практике является модель. Она является основой — - 8 - заместителем (представителем) для изучения любых объектов, конструирования алгоритмов и выработки решений. Под моделированием мы будем понимать не только построение моделей для исследуемых объектов, но и использование последних для уточнения характеристик, рационализации конструирования и выбора наилучшего по определенному критерию варианта системы или варианта ее функционирования. В зависимости от цели моделирования варианты моделей могут быть весьма различны. На верхнем уровне системная модель — наиболее общее описание объекта при отвлечении от его физических свойств, размеров и характеристик. В системной модели выделяются только элементы, из которых состоит объект, и связи между ними. Системная модель может быть одной и той же для разных объектов или процессов. В инженерной практике большое распространение получили математические модели. Это описание объекта или его движения в терминах математики, в виде алгебраических, дифференциальных, интегральных и других структур. Так, процесс пластической деформации может быть описан системой дифференциальных уравнений в частных производных (теория пластичности) или обыкновенными расчетными формулами (инженерные методы ОМД, например, формула Целикова). В связи быстрым развитием компьютерной техники математические модели занимают все большую нишу. Несмотря на это, сохраняют свое значение и физические модели, замещающие объект моделирования набором аппаратных средств. При принятии технических решений говорят о необходимости оптимизационных моделей которые сейчас выделяют в отдельный класс. Специфика этих моделей определяется наличием критерия оптимальности и управляющих воздействий. Кроме того, оптимизационная модель предполагает ограничения по ресурсам управления. |