Лекция №1 Понятие о комплексах технических средств. Государствен. Тема 1 Конструкция и принципы работы типовых элементов систем автоматизации Лекция 1

• Название: Тема 1 Конструкция и принципы работы типовых элементов систем автоматизации Лекция 1
• Дата: 06.10.2022
• Размер: 245.19 Kb.
• Имя файла: Лекция №1 Понятие о комплексах технических средств. Государствен.docx
• Тип: Лекция; #719086

Тема 2.1 Конструкция и принципы работы типовых элементов систем автоматизации

Лекция №1 Понятие о комплексах технических средств. Государственная система приборов

Производством измерений человечество занимается с давних времен, еще за четыре тысячелетия до нашей эры древние вавилоняне проводили астрономические измерения. Строительство египетских пирамид было бы невозможным без производства измерений. Развитие науки и производства требовало увеличения количества измерений, повышения их точности, включения в круг измеряемых все новых и новых величин. Исторически развитие измерительной техники неразрывно связано с развитием потребностей общества. Современные условия характеризуются ускоренным развитием науки и промышленного производства, что немыслимо без широчайшего применения самых разнообразных измерений и измерительных устройств.

Под понятием «измерять», с одной стороны, в быту понимают простейшую операцию получения либо численного значения какой-либо величины, либо операцию сравнения: «больше», меньше», которые без труда выполняются с помощью простых средств. С другой стороны, современные фундаментальные научные исследования требуют проведения сложнейших измерений, постановку и выполнение которых осуществляют целые научные организации, располагающие специалистами высшей квалификации.

Общей для всех измерений является осуществляемая при каждом измерении экспериментальная операция, состоящая в сравнении измеряемой физической величины с одноименной ей величиной, принятой за единицу. Целью такого сравнения является определение количественной оценки измеряемой величины в виде определенного числа принятых для нее единиц.

Затраты на измерительную технику в конце двадцатого века составляли 10÷15 % всех материальных затрат на общественное производство, а в таких отраслях промышленности, как радиоэлектроника, авиастроение, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, эти затраты доходили до 25 %.

В СССР ежедневно проводилось более 20 млрд. измерений. Выполнением измерений и связанных с ними операций контроля было занято более 3 млн. трудящихся. В настоящее время без измерений не может обойтись практически ни одна область деятельности человека.

Основной потребитель измерительной техники – промышленность. Здесь измерительная техника является неотъемлемой частью технологических процессов, так как используется для получения информации о многочисленных режимных параметрах, определяющих ход процессов. На использовании разнообразных и часто сложных измерительных устройств и установок базируется в промышленности контроль качества продукции и сырья.

Измеряемые и регулируемые величины

Набор измеряемых параметров зависит от специфики технологических процессов.

В зависимости от характера технологического процесса все производства можно разделить на две группы: производства с непрерывным и производства с дискретным (штучным) характером технологических процессов.

К первой группе относятся производства таких отраслей промышленности, как нефтеперерабатывающая, газоперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, металлургическая, теплоэнергетическая, ко второй группе – машиностроительная, приборостроительная, радиоэлектронная, пищевая.

Приближенное представление о том, какие параметры и в каком относительном количестве измеряются на производствах с непрерывным и дискретным характером технологических процессов, поможет составить таблица, приведенная ниже.

Процент измеряемых параметров в различных производствах

Параметр	Число измерений, %
	непрерывное	штучное
Температура	50	8
Расход (массовый, объемный) вещества	15	4
Количество (масса, объем) вещества	5	5
Давление	10	4
Уровень	6	4
Число изделий		25
Размер, положение, расстояние		25
Время	4	15
Состав веществ	4	
Прочие (физико-химические свойства, напряжение, ток, скорость)	6	10

Из таблицы видно, что на производствах с непрерывным характером технологических процессов измерения давления, температуры, расхода, уровня и количества вещества составляют более 86 % от общего числа всех измерений. Оставшиеся 14 % измерений составляют измерения состава, физико-химических свойств вещества и электрических величин.

Виды технических измерений по характеру параметров можно разделить на:

• 
  теплотехнические – измерение давления, температуры, расхода и уровня;
  
• 
  физико-химические – измерение состава и физико-химичес­ких свойств вещества;
  
• 
  электрические – измерение электрических величин.
  

Современное производство характеризуется сложностью, значительной единичной мощностью технологических аппаратов и большим числом различных параметров, от которых зависит протекание технологического процесса. Все это определяет тот факт, что проведение современных технологических процессов без их частичной или полной автоматизации невозможно.

Основой автоматизации технологических процессов и производств является непрерывное или периодическое проведение измерение технических параметров.

Получение достоверных результатов в процессе измерения технологических параметров обеспечивает не только эффективное протекание технологического процесса, но и безопасность производства. При росте единичной мощности производственных установок этот аспект принимает особое значение.

Задачей дисциплины «Технические измерения и приборы» является изучение средств измерения, особенностей их применения, способов организации каналов ввода измерительной информации в системы автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами.

Необходимо иметь четкое представление об особенностях и способах применения измерительных преобразователей и оптимальном выборе и использовании указанных устройств на автоматизируемых объектах.

1. Государственная система приборов

Нормальная работа и технический прогресс всех отраслей хозяйственной деятельности потребовали создания государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП) для обеспечения разработки и производства самых разнообразных технических средств (ТС) измерительной и регулирующей техники.

Совокупность ГСП составляют средства измерения (СИ), средства автоматизации (СА), средства управляющей вычислительной техники и программные средства.

Результатом создания ГСП явилась возможность построения на единой элементной базе автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами.

В состав ГСП входят изделия, необходимые и достаточные как для построения систем контроля, регулирования и управления производственными процессами и объектами различных отраслей общественного хозяйства, так и для автономного применения при необходимости реализации отдельных функций этих систем.

ГСП в настоящее время охватывает разработку и изготовление главным образом СИ, используемых в системах автоматизации. Эти СИ объединяются в пять структурных групп измерения и регулирования: теплоэнергетических, электроэнергетических, механических величин, химического состава и физических свойств. В табл. 1.1 приведен состав величин, охватываемых каждой группой.
Таблица 1.1. Структура измеряемых и регулируемых величин ГСП

№ п/п	Структурная группа величин	Состав измеряемых и регулируемых величин
1	Теплоэнергетические	Температура, давление, уровень, расход
2	Электроэнергетические	Сила электрического тока; электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила; активная мощность; реактивная мощность; полная мощность; коэффициент мощности; частота; индуктивность, взаимная индуктивность; электрическая емкость; электрическое сопротивление
3	Механические	Линейная и угловая скорость; момент силы, момент пары сил; число изделий; твердость материалов; вибрация; звуковое давление; масса
4	Химический состав	Массовое содержание, химические свойства и состав газов, жидкостей, твердых тел
5	Физические свойства	Относительная влажность; электрическая проводимость; плотность; вязкость; мутность

В последнее время наметилась тенденция расширения круга измеряемых величин ГСП. Это объясняется непрерывным усложнением задач управления объектами, вызванным повышением требований к качеству продукции, экономии расхода сырья и уменьшению вредного воздействия на окружающую среду.

1.1. Основные понятия и определения ГСП

Измерительная техника – совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпретации их результатов.

Технологические (технические) измерения – область измерительной техники, объединяющая измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах.

Измерительные устройства, установки, системы – специальные технические средства для проведения измерений, различаются по сложности и принципам действия.

Приборы и средства автоматизации (ПрСА) – совокупность технических средств (ТС) ГСП, включающих в себя средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СА) отраслевого назначения, предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля, регулирования и управления.

Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для получения сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки или хранения. Измерительный преобразователь, как правило, не имеет устройства индикации.

Естественный сигнал – сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются физическими свойствами преобразователя и диапазоном изменения измеряемой величины.

Виды естественных сигналов ГСП: перемещение, угол поворота, усилие, интервалы времени, постоянное и переменное напряжение, активное и комплексное сопротивление, электрическая емкость, частота.

Унифицированный сигнал – сигнал, у которого вид носителя информации, диапазон его изменения не зависят от вида измеряемой величины, метода измерения и диапазона изменения измеряемых величин.

Совместимость ТС – возможность автоматического взаимодействия ТС в заранее предусмотренных сочетаниях при построении более сложных комплексных устройств и систем без необходимости применения дополнительных или изменения используемых средств.

Нормирующий преобразователь – служит для преобразования естественного сигнала в унифицированный сигнал.

Интерфейс – совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и (или) программ (по ГОСТ 15971–90).

Работоспособность устройства – состояние устройства, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения своих заданных технических характеристик в определенных фиксированных пределах, называемых областью работоспособности.

Системы автоматизации – совокупность систем автоматического контроля, регулирования и управления (САКРиУ), подразделяются на следующие категории: локальные, централизованные, автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Иерархический принцип управления в технике – принцип построения многоступенчатых систем управления, при котором функции управления распределяются между соподчиненными частями системы.

Нормативно-техническая документация (НТД) – графические и текстовые конструкторские и технологические документы, устанавливающие обязательные и рекомендуемые требования, нормы, методы или конструкцию изделия, используемые при проектировании, изготовлении, испытаниях, эксплуатации или ремонте. К основным видам НТД относятся стандарты всех категорий, методические указания, руководящие технические материалы и методики институтов, общие технические требования, правила и руководства по применению, типовые технологические процессы, типовые методики испытаний, ограничительные перечни.

1.2. Принципы построения ГСП

В основе построения средств ГСП лежит блочно-модульный принцип.

Блочно-модульный принцип – это возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей, что позволяет создавать новые средства измерения и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. В соответствии с этим принципом можно произвести следующую структуризацию:

1. 
   модуль – техническое устройство, реализующее одну элементарную функцию;
   
2. 
   блок – техническое устройство, реализующее строго определенный набор функций и состоящее из нескольких модулей;
   
3. 
   прибор – техническое средство, состоящее из блоков и модулей и имеющее выходной сигнал, пригодный для восприятия человеком.
   

Структура системотехнических основ построения и развития ГСП базируется на следующих принципах и методах:

• 
  агрегатирование;
  
• 
  унификация;
  
• 
  минимизация номенклатуры;
  
• 
  формирование гибких, перестраиваемых компонентов системы;
  
• 
  реализация в изделиях рациональных эстетических и эргономических требований.
  

Принцип агрегатирования – наращивание и видоизменение функций отдельных ТС и создание на их основе систем автоматизации, что осуществляется за счет сочленения унифицированных блоков, модулей и комплектных изделий ГСП без внесения дополнительных конструктивных изменений.

Принцип агрегатирования применительно к изделиям ГСП определяет построение функционально более сложных устройств из ограниченного набора более простых унифицированных изделий методом их наращивания и стыковки.

Агрегатный комплекс (АК) – совокупность ТС, характеризующихся всеми видами совместимости и предназначенных для решения определенных задач автоматического контроля и регулирования.

Изделия АК создают на унифицированной конструктивной базе на основе блочно-модульного принципа построения с использованием базовых модулей. Различное сочетание устройств, входящих в АК, позволяет реализовать новые функции.

Принцип унификации – различные виды совместимости изделий. Достигается однообразием сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков.

Виды совместимости изделий агрегатных комплексов: энергетическая, функциональная, метрологическая, конструктивная, эксплуатационная и информационная.

Энергетическая совместимость – использование одного вида энергии носителя сигналов в измерительных устройствах.

Функциональная совместимость требует, чтобы средства ГСП были четко определены, разграничены и взаимоувязаны по своим функциям для обеспечения совместной работы.

Метрологическая совместимость обеспечивается сопоставимостью метрологических характеристик агрегатных средств, их сохранностью во времени и под действием влияющих величин, возможностью расчетного определения метрологических характеристик всего измерительного тракта по метрологическим характеристикам отдельных функциональных узлов.

Метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, параметры входных и выходных цепей согласуются, чтобы сопряжение агрегатных средств не сопровождалось заметными дополнительными погрешностями.

Конструктивная совместимость обеспечивается согласованностью конструктивных параметров, механическим сопряжением средств, согласованностью эстетических требований.

Эксплуатационная совместимость достигается согласованностью характеристик, определяющих действие внешних влияющих величин на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функционирования. С этой целью все средства делятся на группы по использованию в зависимости от климатических условий и механических воздействий.

Информационная совместимость – обеспечивается согласованностью входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения и порядку обмена. Информационная совместимость определяется унификацией сигналов и применением стандартных интерфейсов.

Изделия агрегатных комплексов, обладающие указанными видами совместимости, позволяют строить измерительные системы (ИС) методами проектной компоновки. Такой способ построения ИС значительно упрощает и сокращает сроки создания систем.

Принцип минимизации номенклатуры изделий ГСП предполагает максимальное удовлетворение потребности в ТС на основе выпуска АК с учетом того, что типоразмеры этих устройств вписываются в организованные определенным образом для них параметрические ряды.

Реализация этих принципов позволяет создавать комплексы технических средств, изменять, расширять функции на основе использования унифицированных базовых конструкций (УБК) и типовых модулей ГСП, путем изменения характера их соединения и структурного сочетания.

Применение принципа агрегатирования позволяет использовать рациональный минимум конструктивных элементов, обеспечивает взаимозаменяемость приборов в целом и отдельных их узлов, значительно упрощает и удешевляет процессы обслуживания и ремонта приборов, позволяет компоновать различные системы автоматизации с заданными техническими характеристиками, дает возможность совершенствования изделий ГСП, не прибегая при этом к их полному обновлению.

Принцип совместимости, реализуемый при построении АК, позволяет создавать техническое обеспечение систем автоматизации всех категорий для различных отраслей промышленности, использовать при этом изделия различных АК.

1.3. Классификация средств измерения и автоматизации ГСП

Технические средства ГСП классифицируют по следующим признакам:

• 
  по выполняемой функции – изделия получения, передачи, ввода и вывода информации; изделия преобразования, обработки и хранения информации; изделия использования информации; вспомогательные изделия (например, источники питания);
  
• 
  по виду энергии носителя сигналов в канале связи – электрические изделия; пневматические изделия; гидравлические изделия; комбинированные изделия; изделия, работающие без использования вспомогательной энергии;
  
• 
  по метрологическим свойствам: 1) средства измерений; 2) изделия, не являющиеся средствами измерений, которые подразделяются: а) на изделия, имеющие нормируемые точностные характеристики (влияние на точность выдаваемых управляющих воздействий); и б) изделия, не имеющие точностных характеристик;
  
• 
  по эксплуатационной законченности – изделия первого, второго и третьего порядка;
  
• 
  по защищенности от воздействия окружающей среды – подразделяются по исполнению изделий: обыкновенное; защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел; защищенное от попадания воды внутрь изделия; защищенное от агрессивной среды; взрывозащищенное;
  
• 
  по устойчивости к механическим воздействиям – подразделяются по исполнению изделий – виброустойчивое, вибропрочное, удароустойчивое;
  

Исполнение – совокупность изделий одного типа, обладающих конструктивными особенностями, которые влияют на эксплуатационные характеристики. Например, имеется тропическое исполнение многих изделий, которое отличается повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов, устойчивостью к разрушающему воздействию живых тропических организмов.

1.3.1. Функциональные группы изделий ГСП

По функциональному признаку технические средства ГСП разделяют на четыре группы устройств, предназначенных для выполнения определенных функций.

Первая функциональная группа – устройства получения информации о состоянии технологического процесса. В группу входят датчики и нормирующие преобразователи.

Вторая функциональная группа – устройства приема, преобразования и передачи информации. Группу составляют коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, телемеханические устройства измерения, сигнализации и управления. Устройства этой группы используются для преобразования сигналов, несущих измерительную информацию, и сигналов, несущих команды управления.

Третья функциональная группа – устройства обработки информации, формирования команд управления и предоставления информации операторам. В нее входят анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, устройства памяти, регуляторы, задатчики, управляющие вычислительные устройства.

Четвертая функциональная группа – устройства использования командной информации на объекте управления. Группу образуют различные исполнительные устройства.

Классификация измерительных устройств ГСП по виду входных и выходных сигналов, приведена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Классификация измерительных устройств ГСП по входным и выходным сигналам

1.3.2. Примеры агрегатных комплексов

Агрегатный комплекс средств контроля и регулирования (АСКР)

Функциональный состав. Центральные устройства обработки информации (аналого-цифрового преобразования, программной обработки цифровой информации). Устройства преобразования информации в аналоговой форме. Устройства уплотнения информации и передачи ее по каналам связи. Устройства связи с оператором. Установки непрерывного избирательного контроля и позиционного регулирования, многоточечной цифровой регистрации, централизованного контроля и многоканального регулирования.

Области применения. Централизованный контроль и управление работой перекачивающих агрегатов для магистральных газопроводов, турбо- и гидрогенераторов, циклических агрегатов текстильных производств, процессов выращивания моно- и поликристаллов, регулирование термоконстантных помещений.

Микропроцессорные средства диспетчеризации, автоматики, телемеханики (Микро-ДАТ)

Выполняемые функции. Сбор, хранение и первичная обработка технологической информации. Прямое цифровое регулирование, цифровая коррекция уставок локальных регуляторов. Программно-логическое управление. Ручной ввод и отображение технологической информации. Активное устройство связи УВМ с объектом и оперативным персоналом. Управление исполнительными устройствами объекта.

Области применения. Распределенные АСУ ТП в черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, в энергетике, машиностроении и приборостроении. В непромышленной сфере: коммунальное хозяйство, транспорт, контроль окружающей среды.

Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ)

Функциональный состав. Устройства сбора и преобразования информации. Коммутаторы. Аналого-цифровые преобразователи. Преобразователи цифровых кодов. Цифро-аналоговые преобразователи. Устройства измерения: показывающие и регулирующие. Устройства представления информации аналоговые, цифровые, показывающие, регистрирующие.

Области применения. Системы управления. Научные исследования. Испытательные и проверочные работы. Техническая диагностика

Агрегатный комплекс щитовых пневматических средств регулирования «Старт»

Функциональный состав. Регулирующие аналоговые и позиционные устройства. Функциональные блоки, вспомогательные устройства.

Области применения. Технологические процессы с агрессивной и пожароопасной средой с преимущественной реализацией локальных систем контроля и регулирования.

Агрегатный комплекс средств гидравлического контроля и регулирования (АСГР)

Функциональный состав. Гидравлические аналоговые и дискретные элементы. Гидравлические датчики и регуляторы. Гидравлические поршневые исполнительные механизмы.

Области применения. Локальные системы регулирования при необходимости реализовывать большие перестановочные усилия в исполнительных устройствах

1.4. Основные ветви системы

Обмен информацией устройств ГСП, входящих в системы измерения и автоматизации, осуществляется посредством сигналов связи и интерфейсов.

В аналоговых системах контроля и регулирования используют непрерывные измерительные сигналы (например, ток, напряжение, световой поток, давление), несущие количественную информацию об измеряемой физической величине, на основе которой осуществляется управление объектом.

В цифровых системах контроля и регулирования применяется кодирование сигнала. В дальнейшем сигнал используют в цифровой форме, что позволяет существенно снизить вероятность потери содержащейся в нем информации.

Одновременно с формированием измерительной информации сигналы связи обеспечивают дистанционную связь ТС системы.

По характеру носители информационных сигналов ГСП подразделяют на две группы (рис. 1.2).



Рис. 1.2. Классификация носителей информационных сигналов связи изделий ГСП
Энергетические носители сигналов предназначены для формирования измерительной информации и дистанционной связи технических средств.

Для этой цели в ГСП предусмотрено три вида энергии: электрическая (наиболее распространенная), пневматическая и гидравлическая. В зависимости от вида энергии устройства ГСП подразделяется на три ветви: электрическую, пневматическую и гидравлическую. Пневматическая ветвь применяются в особых условиях эксплуатации систем, например во взрывоопасных производствах. Гидравлическая ветвь используется для получения больших перестановочных усилий.

Вещественные носители используются для хранения и представления информации.

Наибольшее распространение в системах автоматизации получили электрические сигналы связи, обладающие такими преимуществами, как высокая скорость их передачи, дешевизна и простота прокладки линий связи, возможность передачи сигналов на значительные расстояния, универсальность и доступность источников энергии. Факторами, ограничивающими использование электрических сигналов, в ряде случаев могут быть опасность пожара и взрыва, недостаточная помехозащищенность.

Пример унифицированных аналоговых сигналов ГСП приведен в табл. 1.2

Таблица 1.2. Вид унифицированных аналоговых сигналов ГСП

Вид сигнала	Физическая величина	Значение сигнала
Электрический	Постоянный ток	0÷5; 0÷ ±5; 0÷20; 4÷20 мА
	Постоянное напряжение	0÷10; 0÷ ±10; 0÷20; мВ; 0÷1; 0÷ ±1; 0÷10 В
	Переменное напряжение	–1÷0÷1; 0÷2 В
	Частота	2÷4; 2÷8 кГц
Пневматический	Давление	0,2÷1 кгс/см2 (0,02÷0,1 МПа)
Гидравлический	Давление	0,1÷6,4 МПа

Наибольшее распространение из электрических сигналов нашли унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Они используются как для передачи информации от датчиков к устройствам управления и от них к исполнительным устройствам, так и для обмена информацией устройств управления.

Частотные сигналы используются главным образом в телемеханической аппаратуре.

В первичных преобразователях теплоэнергетических параметров применяется также сигнал взаимной индуктивности, например 0÷10 мГн.

Импульсные (дискретные) сигналы используются для передачи информации о состоянии двухпозиционных устройств и передачи командных сигналов типа «включить – выключить».

Кодированные сигналы используют для обмена информацией между цифровыми устройствами обработки информации, между датчиками и устройствами ввода, между блоками вывода и исполнительными устройствами, имеющими цифровой интерфейс.

Контрольные вопросы

1. 
   С какой целью создавалась государственная система приборов и средств автоматизации?
   
2. 
   Каков состав измеряемых и регулируемых величин ГСП?
   
3. 
   Что включает понятие «измерительная техника»?
   
4. 
   Что такое измерительный преобразователь?
   
5. 
   Чем отличается унифицированный сигнал от естественного?
   
6. 
   В чем заключается иерархический принцип управления в технике?
   
7. 
   Что обеспечивает блочно-модульный принцип?
   
8. 
   Какова суть принципа агрегатирования?
   
9. 
   Какие существуют виды совместимости?
   
10. 
    По каким признакам классифицируются технические средства ГСП?
    
11. 
    На какие группы разделяют технические средства ГСП по функ­цио­нальному признаку?
    
12. 
    На какие ветви делятся устройства ГСП?
    
13. 
    Какие основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП?