Обектите за автоматизация и техните характеристики

Обекти за автоматизация (обекти за управление) — това са отделни инсталации, металорежещи машини, машини, агрегати, апарати, комплекси машини и апарати, които трябва да се контролират. Те са много разнообразни по предназначение, структура и принцип на действие.

Обектът за автоматизация е основният компонент на автоматичната система, който определя естеството на системата, поради което изключително внимание се отделя на нейното изследване. Сложността на даден обект се определя главно от степента на неговите познания и разнообразието от функции, които изпълнява. Резултатите от изследването на обекта трябва да бъдат представени под формата на ясни препоръки относно възможността за пълна или частична автоматизация на обекта или липсата на необходимите условия за автоматизация.

Характеристики на обектите за автоматизация

Проектирането на автоматична система за управление трябва да бъде предшествано от проучване на обекта, за да се установят връзките на обекта. Като цяло тези отношения могат да бъдат представени като четири групи променливи.

Контролирано смущение, чиято колекция образува L-мерния вектор Н = з1, h2, з3, …, зL… Те включват измерими променливи, които зависят от външната среда, като показателите за качество на суровините в леярната, количеството пара, изразходвано в парния котел, водния поток в проточния бойлер, температурата на въздуха в оранжерията, което варира в зависимост от външните условия на околната среда и факторите, влияещи върху процеса. За контролирани смущаващи влияния се поставят ограничения върху технологичните условия.

Индикаторът на технологичния процес, който трябва да се контролира, се нарича контролирано количество (координата), а физическото количество, чрез което индикаторът на технологичния процес се контролира, се нарича контролиращо действие (входно количество, координата).

Контролни действия, чиято съвкупност се образува н-измерен вектор X = x1, x2, x3, …, xн… Те са независими от външната среда и оказват най -значително влияние върху технологичния процес. С тяхна помощ ходът на процеса се променя целенасочено.

За контрол на действията включват включването и изключването на електродвигатели, електрически нагреватели, задвижващи механизми, положението на регулиращите клапани, положението на регулаторите и др.

Изходни променливи, множеството от които образува М-мерния вектор на състоянието Y = y1, y2, y3, …, yМ… Тези променливи са продукцията на обекта, която характеризира неговото състояние и определя показателите за качество на готовия продукт.

Неконтролирани смущаващи влияния, чиято колекция образува G-мерния вектор F = е1, е2, е3, …, еG… Те включват такива смущения, които не могат да бъдат измерени по една или друга причина, например поради липса на сензори.

Ориз. 1. Входове и изходи на обекта за автоматизация

Изучаването на разглежданите връзки на обекта, който ще се автоматизира, може да доведе до два диаметрално противоположни извода: съществува строга математическа зависимост между изходните и входните променливи на обекта или няма зависимост между тези променливи, която може да се изрази с надеждна математическа формула.

В теорията и практиката на автоматичното управление на технологичните процеси е натрупан достатъчен опит при описване състоянието на обект в такива ситуации. В този случай обектът се счита за една от връзките в системата за автоматично управление. В случаите, когато е известна математическата връзка между изходната променлива y и контролното входно действие x на обекта, се разграничават две основни форми на запис на математически описания — това са статичните и динамичните характеристики на обекта.

Статична характеристика в математическа или графична форма изразява зависимостта на изходните параметри от входа. Двоичните връзки обикновено имат ясно математическо описание, например статичната характеристика на претеглящите дозатори за леене на материали има форматаh = km (тук h е степента на деформация на еластичните елементи; t е масата на материала; k е коефициентът на пропорционалност, който зависи от свойствата на материала на еластичния елемент).

Ако има няколко променливи параметри, номограмите могат да се използват като статични характеристики.

Статичната характеристика на обекта определя последващото формиране на цели за автоматизация. От гледна точка на практическото внедряване в леярството, тези цели могат да бъдат сведени до три вида:

• стабилизиране на изходните параметри на обекта;

• промяна на изходните параметри според дадена програма;

• промяна в качеството на някои изходни параметри при промяна на условията на процеса.

Редица технологични обекти обаче не могат да бъдат описани математически поради множеството взаимосвързани фактори, влияещи върху хода на процеса, наличието на неконтролируеми фактори и липсата на познания за процеса. Такива обекти са сложни от гледна точка на автоматизацията. Степента на сложност се определя от броя на входовете и изходите на обекта. Такива обективни трудности възникват при изучаването на процеси, намалени с пренос на маса и топлина. Следователно, при тяхното автоматизиране са необходими предположения или условия, които би трябвало да допринесат за основната цел на автоматизацията — да се повиши ефективността на управлението чрез максимално приближаване на технологичните режими до оптималните.

За изучаване на сложни обекти се използва техника, която се състои в условно представяне на обект под формата на «черна кутия». В същото време се изследват само външни връзки, нито се взема предвид сутрешната структура на системата, тоест те изучават какво прави обектът, а не как функционира.

Поведението на обекта се определя от реакцията на изходните стойности към промените на входните. Основният инструмент за изучаване на такъв обект са статистическите и математическите методи. Методически изследването на обекта се извършва по следния начин: определят се основните параметри, установява се дискретна серия от промени в основните параметри, входните параметри на обекта се променят изкуствено в рамките на установената дискретна серия, всички промени в изходите се записват и резултатите се обработват статистически.

Динамични характеристики обект на автоматизация се определя от редица негови свойства, някои от които допринасят за висококачествен процес на контрол, други му пречат.

От всички свойства на обектите за автоматизация, независимо от тяхното разнообразие, могат да се разграничат основните, най-характерни: капацитет, способност за самоподравняване и изоставане.

Капацитет е способността на обект да акумулира работната среда и да я съхранява в обекта. Натрупването на материя или енергия е възможно поради факта, че във всеки обект има изходно съпротивление.

Мярката за капацитета на обекта е коефициентът на капацитет C, който характеризира количеството вещество или енергия, което трябва да бъде доставено на обекта, за да се промени контролираната стойност с единица в приетия размер на измерване:

където dQ е разликата между притока и потреблението на материя или енергия; ru — контролиран параметър; t е време.

Размерът на коефициента на капацитет може да бъде различен в зависимост от размерите на контролираните параметри.

Скоростта на промяна на управлявания параметър е колкото по -малка, толкова по -голям е коефициентът на капацитета на обекта. От това следва, че е по -лесно да се контролират тези обекти, чиито коефициенти на капацитет са по -големи.

Самонивелиращ се Това е способността на даден обект да влезе след смущение в ново стационарно състояние без намесата на контролно устройство (регулатор).Обектите, които имат самоподравняване, се наричат ​​статични, а тези, които нямат това свойство, се наричат ​​неутрални или астатични. Самоподравняването допринася за стабилизиране на управляващия параметър на обекта и улеснява работата на управляващото устройство.

Самонивелиращите се обекти се характеризират с коефициент (степен) на самонивелиращ се, който изглежда така:

В зависимост от коефициента на самонивелиране, статичните характеристики на обекта придобиват различна форма (фиг. 2).

Зависимост на управлявания параметър от натоварването (относително смущение) при различни коефициенти на самонивелиране: 1-идеално самонивелиране; 2 — нормално самонивелиране; 3 — липса на самонивелиране

Зависимост 1 характеризира обект, за който контролираната стойност не се променя при никакви смущения, такъв обект не се нуждае от управляващи устройства. Зависимост 2 отразява нормалното самоподравняване на обекта, зависимост 3 характеризира обект, който няма самоподравняване. Коефициентът p е променлив, той се увеличава с увеличаване на натоварването и в повечето случаи има положителна стойност.

Закъснение — това е времето, изминало между момента на дисбаланс и началото на промяната в контролираната стойност на обекта. Това се дължи на наличието на съпротива и инерцията на системата.

Има два вида забавяне: чисто (или транспортно) и преходно (или капацитивно), които добавят към общото забавяне в обекта.

Чистото забавяне получи името си, защото в обектите, където съществува, има промяна в времето за реакция на изхода на обекта в сравнение с момента на появата на входното действие, без да се променя величината и формата на действието. Обект, работещ при максимално натоварване или в който сигнал се разпространява с висока скорост, има минималното нетно закъснение.

Преходно забавяне възниква, когато потокът от материя или енергия преодолее съпротивленията между капацитета на обекта. Определя се от броя на кондензаторите и големината на трансферните съпротивления.

Чистите и преходни закъснения влошават качеството на контрола; следователно е необходимо да се стремим да намалим техните стойности. Допринасящите за това мерки включват поставянето на измервателни и управляващи устройства в непосредствена близост до обекта, използването на чувствителни на ниска инерция елементи, конструктивната рационализация на самия обект и т.н.

Резултатите от анализа на най -важните характеристики и свойства на обектите за автоматизация, както и методите на тяхното изследване, позволяват да се формулират редица изисквания и условия, изпълнението на които гарантира възможността за успешна автоматизация. Основните са следните:

• математическо описание на обектните връзки, представено под формата на статични характеристики; за сложни обекти, които не могат да бъдат описани математически — използването на математически и статистически, таблични, пространствени и други методи за изследване на връзките на обект въз основа на въвеждането на определени допускания;

• изграждане на динамичните характеристики на обекта под формата на диференциални уравнения или графики за изучаване на преходни процеси в обекта, като се вземат предвид всички основни свойства на обекта (капацитет, изоставане, самонивелиране);

• използването в обекта на такива технически средства, които биха осигурили издаване на информация за промяната на всички параметри на интереса на обекта под формата на унифицирани сигнали, измерени от сензори;

• използването на изпълнителни механизми с контролирани задвижвания за управление на обекта;

• установяване на надеждно известни граници на промени във външните смущения на обекта.

Подчинените изисквания включват:

• определяне на граничните условия за автоматизация в съответствие с контролните задачи;

• установяване на ограничения за входящите количества и контролни действия;

• изчисляване на критерии за оптималност (ефективност).

Пример за обект на автоматизация — инсталация за подготовка на формовъчни пясъци в леярна

Процесът на приготвяне на формовъчни пясъци се състои от дозиране на първоначалните компоненти, подаването им в смесителя, смесване на готовата смес и подаването й до формовочните линии, обработка и регенериране на отработената смес.

Изходните материали на най-разпространените пясъчно-глинести смеси в леярското производство: отпадъчна смес, пресен пясък (пълнител), глина или бентонит (добавка за свързващо вещество), смлени въглища или въглеродсъдържащи материали (незалепваща добавка), огнеупорни и специални добавки (нишесте, меласа), а също и вода.

Входните параметри на процеса на смесване са разходите за посочените формовъчни материали: отработена смес, пресен пясък, глина или бентонит, смлени въглища, нишесте или други добавки, вода.

Изходните параметри са необходимите механични и технологични свойства на формовъчната смес: якост на сухо и мокро, газопропускливост, уплътняване, формообразуване, течливост, насипна плътност и др., Които се контролират чрез лабораторен анализ.

В допълнение, изходните параметри включват също съставния състав на сместа: съдържанието на активни и ефективни свързващи вещества, съдържанието на активен въглен, съдържанието на влага или степента на овлажняване на свързващото вещество, съдържанието на глоби — абсорбираща влагата фина частици и гранулометричния състав на сместа или модула на финост.

По този начин обектът на контрол на процеса е съставният състав на сместа. Чрез осигуряване на оптимален състав на компонентите на готовата смес, определен експериментално, е възможно да се постигне стабилизиране на дадено ниво на механичните и технологичните свойства на сместа.

Нарушенията, на които е подложена системата за приготвяне на сместа, значително усложняват задачата за стабилизиране на качеството на сместа. Причината за смущението е наличието на рециркулационен поток — използването на отпадъчната смес. Основното възмущение в системата за приготвяне на сместа са процесите на изливане. Под въздействието на течен метал, в частта от сместа в непосредствена близост до отливката и загрята до високи температури, настъпват дълбоки промени в състава на активното свързващо вещество, въглищата и нишестето и преминаването им в неактивен компонент.

Приготвянето на сместа се състои от два последователни процеса: дозиране или смесване на сместа, което осигурява получаването на необходимия състав на компонента, и смесване, което осигурява получаването на хомогенна смес и придава на нея необходимите технологични свойства.

В съвременния технологичен процес за приготвяне на формовъчни смеси се използват непрекъснати методи за дозиране на сурови (формовъчни) материали, чиято задача е да произвеждат непрекъснат поток от постоянно количество материал или неговите отделни компоненти с отклонения на дебита от даденото не повече от допустимо.

Автоматизирането на процеса на смесване като обект на управление може да се извърши със следното:

• рационално изграждане на системи за приготвяне на смес, позволяващо да се изключи или намали влиянието на смущенията върху състава на сместа;

• използването на методи за дозиране с претегляне;

• създаване на свързани системи за управление за многокомпонентно дозиране, като се отчита динамиката на процеса (инерция на смесителя и забавяне), а водещ компонент трябва да бъде отработената смес, която има значителни колебания в дебита и състава;

• автоматичен контрол и регулиране на качеството на сместа по време на приготвянето й;

• създаване на автоматични устройства за сложен контрол на състава и свойствата на сместа с обработка на резултатите от контрола на компютър;

• навременна промяна на рецептата на сместа при промяна на съотношението смес / метал във формата и времето за охлаждане на отливката преди избиване.