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.

И производств - специальность не лёгкая, но нужная. Что же она собой представляет? Где и над чем можно будет работать после получения профессиональной ступени?

Общая информация

Автоматизация технологических процессов и производств - специальность, позволяющая заниматься созданием современных аппаратно-технических и программных средств, которые могут проектировать, исследовать, проводить техническое диагностирование и промышленные испытания. Также человек, овладевший нею, сможет создавать современные системы управления. Код специальности автоматизация технологических процессов и производств - 15.03.04 (220700.62).

Ориентируясь по нему, можно быстро найти интересующую и посмотреть, чем же там занимаются. Но если говорить об этом в целом, то на таких кафедрах готовятся специалисты, умеющие создавать современные автоматизированные объекты, разрабатывать необходимое программное обеспечение и эксплуатировать их. Вот что собой представляет автоматизация

Номер специальности был приведён ранее в виде двух разных числовых значений из-за того, что была введена новая система классификации. Поэтому сначала указано, как описываемая специальность обозначается сейчас, а затем, как это делалось ранее.

Что изучается

Специальность "автоматизация технологических процессов и производств СПО" представляет собой во время обучения совокупность средств и методов, которые направлены на то, чтобы реализовать системы, которые позволяют управлять осуществляемыми процессами без непосредственного в них участия человека (или же для него остаются самые важные вопросы).

В качестве объектов влияния названных специалистов выступают те сферы деятельности, где присутствуют сложные и монотонные процессы:

• промышленность;
• сельское хозяйство;
• энергетика;
• транспорт;
• торговля;
• медицина.

Наибольшее внимание уделяется технологическим и производственным процессам, технической диагностике, научным исследованиям и производственным испытаниям.

Подробная информация об обучении

Мы рассмотрели, что же изучается желающими получить описываемую специальность, в целом. А сейчас давайте детализируем их знания:

1. Собирать, группировать и анализировать исходные данные, необходимые для проектирования технических систем и модулей их управления.
2. Оценивать значимость, перспективность и актуальность объектов, над которыми ведётся работа.
3. Проектировать аппаратно-программные комплексы автоматизированных и автоматических систем.
4. Контролировать проекты на соответствие стандартам и иной нормативной документации.
5. Проектировать модели, которые покажут продукцию на всех этапах её жизненного цикла.
6. Выбирать средства программного обеспечения и автоматизированного производства, которые наилучшим образом подойдут под конкретный случай. А также дополняющие их системы испытаний, диагностики, управления и контроля.
7. Разрабатывать требования и правила к различной продукции, процессу её изготовления, качеству, условиям транспортировки и утилизации после использования.
8. Выполнять и уметь понимать различную конструкторскую документацию.
9. Оценивать уровень брака у созданной продукции, выявлять его причины появления, разрабатывать решения, которые предупредят отклонения от нормы.
10. Сертифицировать разработки, технологические процессы, программные и
11. Разрабатывать инструкции относительно использования продукции.
12. Совершенствовать средства автоматизации и системы выполнения определённых процессов.
13. Обслуживать технологическое оборудование.
14. Настраивать, налаживать и регулировать системы автоматизации, диагностики и контроля.
15. Повышать квалификацию сотрудников, которые будут работать с новым оборудованием.

На какие должности можно рассчитывать

Мы с вами рассмотрели, чем отличается специальность "автоматизация технологических процессов и производств". Работа же по ней может осуществляться на следующих должностях:

1. Аппаратчик-оператор.
2. Инженер-схемотехник.
3. Программист-разработчик.
4. Инженер-системотехник.
5. Оператор полуавтоматических линий.
6. Инженер механизации, автоматизации и автоматизирования производственных процессов.
7. Конструктор вычислительных систем.
8. Инженер измерительных приборов и автоматики.
9. Материаловед.
10. Техник-электромеханик.
11. Разработчик автоматизированной системы управления.

Как видите, вариантов довольно много. Причем следует учитывать ещё и то, что в процессе изучения внимание будет уделено большому количеству языков программирования. А это, соответственно, даст широкие возможности в плане трудоустройства после окончания учебы. К примеру, выпускник может пойти и на автомобильный завод, чтобы работать над конвейером для автомобилей, или же в сферу электроники, чтобы создавать микроконтроллеры, процессоры и другие важные и полезные элементы.

Автоматизация технологических процессов и производств - специальность сложная, подразумевающая большой объем знаний, поэтому к ней необходимо будет подойти со всей ответственностью. Но в качестве вознаграждения следует принять тот факт, что здесь есть широкие возможности для творчества.

Для кого лучше всего подойдёт этот путь

Наибольшая вероятность стать успешными на этом поприще у тех, кто занимался чем-то схожим ещё с детства. Скажем, ходил в кружок радиотехники, программировал за своим компьютером или пробовал собрать свой трехмерный принтер. Если же ничем таким вы не занимались, то переживать не стоит. Шансы стать хорошим специалистом есть, просто придётся приложить значительное количество усилий.

Чему необходимо уделить внимание в первую очередь

Физика и математика - это основа описываемой специальности. Первая наука необходима для того, чтобы понимать происходящие процессы на аппаратном уровне. Математика же позволяет разрабатывать решения для сложных задач и создавать модели нелинейного поведения.

При знакомстве с программированием многим, когда они ещё только пишут свои программы «Привет, мир!», кажется, что знание формул и алгоритмов не нужно. Но это ошибочное мнение, и чем лучше потенциальный инженер разбирается в математике, тем больших высот он сможет достичь в разработке программной составляющей.

Что делать, если нет видения будущего?

Итак, учебный курс пройден, а четкого понимания того, что же нужно делать, нет? Что ж, это говорит о присутствии значительных пробелов в полученном образовании. Автоматизация технологических процессов и производств - специальность, как мы уже говорили, сложная, и надеяться, что все необходимые знания дадут в университете, не приходится. Очень многое перебрасывается на самообучение как в плановом режиме, так и подразумевая, что человек сам заинтересуется изучаемыми предметами и уделит им достаточно времени.

Заключение

Вот мы и рассмотрели в общих чертах специальность "автоматизация технологических процессов и производств". Отзывы специалистов, которые окончили это направление и трудятся здесь, говорят, что, несмотря на сложность первоначально, можно претендовать на довольно неплохую заработную плату, начиная с пятнадцати тысяч рублей. А со временем, поднабравшись опыта и умений, и рядовой специалист сможет претендовать на получение до 40 000 руб.! И даже это ещё не верхняя грань, поскольку для буквально гениальных (читайте - тех, кто много времени посвятил самосовершенствованию и развитию) людей возможным является и получение значительно больших сумм.

Автоматизация производственных процессов – основное направление, по которому в настоящее время продвигается производство во всем мире. Все, что раньше выполнялось самим человеком, его функции, не только физические, но и интеллектуальные, постепенно переходят к технике, которая сама выполняет технологические циклы и осуществляет контроль за ними. Вот такое теперь генеральное русло современных технологий. Роль человека во многих отраслях уже сводится лишь к контролеру за автоматическим контролером.

В общем случае под понятием «управление технологическим процессом» понимают совокупность операций, необходимых для пуска, остановки процесса, а также поддержания или изменения в требуемом направлении физических величин (показателей процесса). Осуществляющие технологические процессы отдельные машины, агрегаты, аппараты, устройства, комплексы машин и аппаратов, которыми необходимо управлять, в автоматике называют объектами управления или управляемыми объектами. Управляемые объекты весьма разнообразны по своему назначению.

Автоматизация технологических процессов – замена физического труда человека, затрачиваемого на управление механизмами и машинами, работой специальных устройств, обеспечивающих это управление (регулирование различных параметров, получение заданной производительности и качества продукта без вмешательства человека).

Автоматизация производственных процессов позволяет во много раз увеличивать производительность труда, повышать его безопасность, экологичность, улучшать качество продукции и более рационально использовать производственные ресурсы, в том числе, и человеческий потенциал.

Любой технологический процесс создается и осуществляется для получения конкретной цели. Изготовления конечной продукции, или же для получения промежуточного результата. Так целью автоматизированного производства может быть сортировка, транспортировка, упаковка изделия. Автоматизация производства может быть полной, комплексной и частичной.

Частичная автоматизация имеет место, когда в автоматическом режиме осуществляется одна операция или отдельный цикл производства. При этом допускается ограниченное участие в нем человека. Чаще всего частичная автоматизация имеет место, когда процесс протекает слишком быстро для того, чтобы сам человек мог в нем полноценно участвовать, при этом достаточно примитивные механические устройства, приводящиеся в движение при помощи электрического оборудования, отлично с ним справляются.

Частичная автоматизация, как правило, применяется на уже действующем оборудовании, является дополнением к нему. Однако, наибольшую эффективность оно показывает, когда включено в общую систему автоматизации изначально - сразу же разрабатывается, изготовляется и устанавливается как ее составная часть.

Комплексная автоматизация должна охватывать отдельный крупный участок производства, это может быть отдельный цех, электростанция. В этом случае все производство действует в режиме единого взаимосвязанного автоматизированного комплекса. Комплексная автоматизация производственных процессов целесообразна не всегда. Ее область применения – современное высокоразвитое производство, на котором используется чрезвычайно надежное оборудование.

Поломка одного из станков или агрегата тут же останавливает весь производственный цикл. Такое производство должно обладать саморегуляцией и самоорганизацией, которая осуществляется по предварительно созданной программе. При этом человек принимает участие в производственном процессе лишь в качестве постоянного контролера, отслеживающего состояние всей системы и отдельных ее частей, вмешивается в производство для пуска-запуска и при возникновении внештатных ситуаций, или при угрозе такого возникновения.

Наивысшая ступень автоматизации производственных процессов – полная автоматизация . При ней сама система осуществляет не только процесс производства, но и полный контроль над ним, который проводят автоматические системы управления. Полная автоматизация целесообразна на рентабельном, устойчивом производстве с устоявшимися технологическими процессами с неизменным режимом работы.

Все возможные отклонения от нормы должны быть предварительно предусмотрены, и разработаны системы защиты от них. Также полная автоматизация необходима для работ, которые могут угрожать жизни человека, его здоровью или же проводятся в недоступных для него местах – под водой, в агрессивной среде, в космосе.

Каждая система состоит из компонентов, которые выполняют определенные функции. В автоматизированной системе датчики снимают показания и передают для принятия решения по управлению системой, команду выполняет уже привод. Чаще всего это электрическое оборудование, так как именно при помощи электрического тока целесообразнее выполнять команды.

Следует разделять автоматизированные систему управления и автоматические. При автоматизированной системе управления датчики передают показания на пульт оператору, а он уже, приняв решение, передает команду исполнительному оборудованию. При автоматической системе – сигнал анализируется уже электронными устройствами, они же, приняв решение, дают команду устройствам-исполнителям.

Участие человека в автоматических системах все же необходимо, пусть и в качестве контролера. Он имеет возможность вмешаться в технологический процесс в любой момент, откорректировать его или же остановить.

Так, может выйти из строя датчик температуры и подавать неправильные показания. Электроника в таком случае, будет воспринимать его данные, как достоверные, не подвергая их сомнению.

Человеческий разум во много раз превосходит возможности электронных устройств, хотя по быстроте реагирования уступает им. Оператор, может понять, что датчик неисправен, оценить риски, и просто отключить его, не прерывая процесс. При этом он должен быть полностью уверен в том, что это не приведет к аварии. Принять решение ему помогает опыт и интуиция, недоступные машинам.

Такое точечное вмешательство в автоматические системы не несет с собой серьезных рисков, если решение принимает профессионал. Однако, отключение всей автоматики и перевод системы в режим ручного управления чреват серьезными последствиями из-за того, что человек не может быстро реагировать на изменение обстановки.

Классический пример – авария на Чернобыльской атомной электростанции, ставшая самой масштабной техногенной катастрофой прошлого века. Она произошла именно из-за отключения автоматического режима, когда уже разработанные программы по предотвращению аварийных ситуаций не могли влиять на развитие обстановки в реакторе станции.

Автоматизация отдельных процессов началась в промышленности еще в девятнадцатом веке. Достаточно вспомнить автоматический центробежный регулятор для паровых машин конструкции Уатта. Но лишь с началом промышленного использования электричества стала возможной более широкая автоматизация уже не отдельных процессов, а целых технологических циклов. Связано это с тем, что до этого механическое усилие на станки передавалось с помощью трансмиссий и приводов.

Централизованное производство электроэнергии и использование ее в промышленности по большому счету, началось лишь с двадцатого века - перед Первой мировой войной, когда каждый станок был оснащен собственным электродвигателем. Именно это обстоятельство дало возможность механизировать не только сам производственный процесс на станке, но механизировать и его управление. Это был первый шаг к созданию станков-автоматов . Первые образцы которых появились уже в начале 1930-х годов. Тогда и возник сам термин «автоматизированное производство».

В России – тогда еще в СССР, первые шаги в этом направлении были сделаны в 30-40-е годы прошлого века. Впервые автоматические станки были использованы в производстве деталей для подшипников. Затем появилось первое в мире полностью автоматизированное производство поршней для тракторных двигателей.

Технологические циклы соединились в единый автоматизированный процесс, начинавшийся с загрузки сырья и заканчивающийся упаковкой готовых деталей. Это стало возможно, благодаря широкому применению современного на то время электрооборудования, различных реле, дистанционных выключателей, и конечно же, приводов.

И только появление первых электронно-вычислительных машин позволило выйти на новый уровень автоматизации. Теперь уже технологический процесс перестал рассматриваться, как просто совокупность отдельных операций, которые нужно совершать в определенной последовательности для получения результата. Теперь весь процесс стал единым целым.

В настоящее время автоматические системы управления не только ведут производственный процесс, но также контролируют его, отслеживают возникновение внештатных и аварийных ситуаций. Они запускают и останавливают технологическое оборудование, отслеживают перегрузки, отрабатывают действия в случае аварий.

В последнее время автоматические системы управления позволяют достаточно легко перестраивать оборудование на производство новой продукции. Это уже целая система, состоящая из отдельных автоматических многорежимных систем, соединенных с центральным компьютером, который увязывает их в единую сеть, и выдает задания для исполнения.

Каждая подсистема является отдельным компьютером со своим программным обеспечением, предназначенным для выполнения собственных задач. Это уже гибкие производственные модули. Гибкими их называют потому, что их можно перенастроить на другие технологические процессы и тем самым расширять производство, версифицировать его.

Вершиной автоматизированного производства являются . Автоматизация пронизало производство сверху донизу. Автоматически работают транспортная линия по доставке сырья для производства. Автоматизировано управление и проектирование. Человеческий опыт и интеллект используется лишь там, где его не может заменить электроника.

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.

Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.

Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации - исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.

Основные сведения об автоматизации

В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.

На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках - это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.

Системы автоматизированного управления

Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.

Объекты автоматизации и их параметры

Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.

Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором - это непосредственно качественные показатели готового продукта.

Регулирующие технические средства

Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.

Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.

Программируемые системы автоматизации

Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.

Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.

Агрегаты и механизмы в системах автоматизации

Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.

Электродвигатели в системах автоматизации

Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители - электрические или магнитные.

Щиты и пульты управления

Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.

Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления - это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.

Проектирование систем автоматизации

Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации. В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:

• уровень (масштаб) автоматизации на конкретном предприятии;
• определение параметров работы объекта, которые должны быть обеспечены средствами контроля и регулирования;
• характеристики управления - полное, дистанционное, операторское;
• возможности блокировки исполнительных механизмов и агрегатов;
• конфигурацию расположения технических средств, в том числе на пультах и щитах.

Вспомогательные средства автоматизации

Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.