1.1 Основы автоматизации производственных процессов

Общие сведения. Во многих отраслях народного хозяйства нагрузки на человека достигли таких пределов, что потребовалась передача ряда его функций автоматам и ЭВМ.

Автоматизировать можно в принципе любой процесс, но без определенных предпосылок, без соединения с передовой технологией невозможно добиться высокого хозяйственного эффекта.

В ходе автоматизации затрагивается множество, казалось бы, несвязанных проблем; Для своей реализации автоматизация требует технического, математического, организационного, информационного и правового обеспечения.

Значение автоматического управления производственными процессами. Автоматизация производственных процессов создает определенные технико-экономические преимущества во всех отраслях современного народного хозяйства страны.

В первую очередь изменяются характер и условия труда на производстве. Сокращаются до минимума трудовые затраты человека, снижается психологическая нагрузка, на его долю остаются лишь функции по перенастройке автоматических систем на новые режимы и участие в ремонтно-наладочных работах. Уменьшается число обслуживающего персонала и затраты на его содержание.

С внедрением средств автоматизации неизбежно повышается производительность труда. За последние сто лет производительность труда возросла более чем в 17 раз, при этом доля механизированного труда с 6 % увеличилась до 96 %. Значительный подъём материального и культурного уровня жизни народа, увеличение национального дохода осуществляются за счет повышения производительности труда. Внедрение автоматизации в различных отраслях промышленности дает повышение производительности труда в среднем в 2...2,5 раза.

В результате автоматизации снижается себестоимость изделий, увеличивается выпуск продукции, повышается ее качество, уменьшаются брак и отходы производства, сокращаются расходы на заработную плату, сырье, материалы и т.п. При этом решающим фактором является снижение расхода топлива, тепловой и электрической энергии, что весьма характерно для систем ТГВ. Использование средств автоматизации увеличивает надежность оборудования, точность производства и безопасность труда. Появляется возможность использовать высокоэффективные технологические процессы и устройства, характер применения которых исключает участие человека (ядерная энергетика, химическое производство и т.п.).

Но, пожалуй, главным является то, что автоматизация повышает эффективность и упорядоченность производства. Процесс управления противостоит неупорядоченности и в этом отношении использование автоматики решающим образом стабилизирует производство.

Внедрение автоматизации приносит и косвенный эффект, так как увеличение производительности оборудования, экономия ресурсов эквивалентны строительству добавочных производственных мощностей. Экономия рабочей силы позволяет более рационально использовать трудовые ресурсы, а улучшение качества продукции способствует экономии топлива, энергии, материалов и т.д. Важнейший вопрос автоматизации - установление ее рационального уровня и объема, которые должны быть тщательно экономически обоснованы, и определение методов и средств автоматизации. Автоматизация является наиболее экономически выгодным мероприятием и окупается в среднем за 1 ... 1,5 года.

Условия, аспекты и ступени автоматизации. Сама по себе автоматизация не может обеспечить желаемый технико-экономический эффект, если к этому не будет определенных предпосылок. Прежде всего, должна быть определена технико-экономическая польза от самостоятельной работы автоматизированных установок. Далеко не всякий технологический процесс и не все операции следует автоматизировать. Автоматизация - не механическая замена ручного труда, поэтому одним из важнейших условий является наличие передовой технологии, непрерывности производства, конструкций, отвечающих требованиям автоматизации. Поэтому не следует усложнять алгоритмы и систему управления, превышая экономически обоснованный уровень. Необходимо стремиться к равномерности автоматизации на отдельных участках производства и в целом (известна автоматическая поточная линия, срок окупаемости которой составляет 86 лет). Большей эффективности автоматизации способствуют также централизация, специализация и массовость производства, научно обоснованная стандартизация и унификация изделий и оборудования.

В объектах автоматизации необходимо обеспечить возможность измерения определяющих технологический процесс величин и разумные пределы их изменения.

Одним из важнейших условий автоматизации является наличие высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Автоматизация - сложный процесс, при рассмотрении которого можно выделить ряд аспектов: технические, научные, экономические, социальные, эргономические, экологические.

Технический аспект проявляется в том, что автоматизация способствует совершенствованию орудий и методов труда, появлению новых технологических процессов, приборов, аппаратов. Развитие автоматизации привело к возникновению новых отраслей науки, связанных с космической и вычислительной техникой, лазерами, молекулярной электроникой и т. д.

Экономический аспект определяется комплексно ростом производительности труда, экономией ресурсов, рабочей силы, улучшением качества продукции за счет оптимального управления производством.

Социальный аспект помимо основного фактора - улучшения условий труда - характеризуется высвобождением времени, что создает благоприятные условия для разностороннего применения способностей людей, повышения профессионального мастерства, роста культуры. Взаимодействие человека и машины на разных уровнях управления далеко не всегда соответствует нормативным требованиям. Выступает на передний план психологическая совместимость человека с машинами, приборами, аппаратами, влияние напряженности в нормальных и особенно экстремальных условиях (эргономический аспект).

В экологическом аспекте автоматизация систем ТГВ призвана сыграть решающую роль при обеспечении полноты сжигания топлива, для предотвращения вредных выбросов в атмосферу, утечек теплоносителя, снижения теплопотерь, шума установок, а в ближайшее время и при эксплуатации атомных теплоцентралей.

Эволюция автоматизации связана с тремя четко определившимися ступенями.

Ручной (операторный) труд характеризуется максимальной физической и психологической нагрузкой на человека, минимальной производительностью труда. Механизация способствует внедрению машин в производственные операции, связанные с высокими затратами физического труда, оставляя человеку функции управления и контроля. Автоматизация полностью разгружает человека от физической работы и функций управления производственными процессами, передавая их ТСА. За человеком остаются лишь функции наладки, настройки и наблюдения за работой машин и ТСА.

Автоматизация строительных машин заключается в применении технических средств и систем управления, освобождающих человека-оператора (полностью или частично) от непосредственного участия в процессах управления работой машины или комплектов машин. Развитие автоматических систем управления обусловлено необходимостью обеспечения более высоких скоростей и усилий управления развивающейся техникой, значительно превышающих физические возможности человека; повышения технико-экономических показателей и обеспечения наилучших (оптимальных) режимов работы; снижения утомляемости операторов и, как следствие, повышения надежности их работы и снижения аварийности; создания новых средств управления рабочими процессами в условиях, опасных для жизни и здоровья человека или недоступных для него.

Управление любым техническим объектом (машиной, ее частью, комплектом машин, технологическим процессом и т.п.) состоит из контроля его фактического состояния и регулирования.

В системе автоматического управления (САУ) все эти процессы выполняются без участия человека (оператора) по специальным программам. Управление заключается в формировании управляющих воздействий, обеспечивающих требуемое состояние или режим работы объекта управления, а также в их реализации.

Автоматический контроль заключается в автоматическом получении информации о состоянии объекта или характере протекания технологического процесса, либо о наступлении их предельных значений, установленных нормативно-технический документацией.

Автоматическое регулирование является разновидностью автоматического управления. Оно заключается в поддержании постоянства или изменения по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс. Регулирование обеспечивается системой автоматического регулирования (САР).

По характеру алгоритма управления (набора правил, по которым изменяется управляющее воздействие) различают системы управления по разомкнутому (без обратной связи) и замкнутому циклу (с обратной связью), а также комбинированные.

В системах разомкнутого цикла (рисунок 1.1,а) задающее воздействие X п

OY

Результатом являются выходные параметры Y, которые х

OY

Рисунок 1.1. Схемы автоматического управления

В системах замкнутого цикла (рисунок 1.1,б) на управляющее устройство по обратной связи поступает информация об отклонении выходной величины Y от заданного значения, что позволяет сформировать управляющее воздействие, возвращающее величину Y в заданном положении.

В комбинированных системах (рисунок 1.1,в) используются схемы как с обратной связью (управляющее устройство УУ₁), так и без неё (управляющее устройство УУ2).

По назначению различают системы автоматической стабилизации, программного управления, следящие и самонастраивающиеся системы.

В системах автоматической стабилизации управляющее (регулирующее) воздействие формируется в результате сравнения действительного значения регулируемой величины с заданным алгоритмом. Эти системы обычно состоят из системы автоматического измерения, которая может быть частью системы автоматического контроля, и внутризамкнутой САУ. Система автоматического измерения включает датчик (чувствительный элемент и элемент преобразования), усилители, линию связи и измерительный прибор, а система автоматического контроля, кроме того - задающий элемент и элемент сравнения. Схема автоматической системы стабилизации показана на рисунке 1.2. Состояние объекта управления ОУ, выраженное признаком или параметром а, воспринимается датчиком Д1 и, преобразованное в удобную форму а1 подается на промежуточный элемент ПР1 для усиления и преобразования в регистрируемый сигнал а'2. Этот сигнал, вместе с сигналом сравнения а2 от задатчика ЗУ, подается на блок сравнения СР, который формирует сигнал рассогласования С = ±а = а₂ - а'₂. Последний поступает в промежуточный элемент ПР2, формирующий сигнал С1 для исполнительного элемента ИУ, воздействующего сигналом С2 на объект управления, не позволяя ему выйти за установленные пределы при внешнем воздействии ВВ.

В следящей САР совместно с задатчиком ЗУ устанавливают датчик Д2, который непрерывно измеряет переменную величину а"2 и в соответствии с ее значением пропорционально изменяет ветчину а, воспринимаемую датчиком Д1.

Р исунок 1.2. Функциональная схема системы стабилизации

Упрощенная схема замкнутой системы программного управления представлена на рисунке 1.3. В отличие от рассмотренной выше схемы (см. рисунок 1.2) задатчик программы ЗП подает сигнал С_п на блок управления по определенной программе, которая должна обеспечить с учетом влияния внешней среды ВС на объект ОУ заданную траекторию протекания выходного процесса ВП. Для этого информация о состоянии ВС и траектория протекания ВП по линии обратной связи (ОС) поступает на блок сравнения СР, формирующий управляющие воздействия.

Рисунок 1.3. Функциональная схема программной САУ с обратной связью.

Самонастраивающиеся системы управления решают задачи значительно более сложные и разнообразные, чем задачи программах систем.

Первая задача таких систем - поддержание экстремума управляемой величины. Для этой цели на объект подают пробные воздействия со стороны управления, анализируют знак изменения управляемой величины и по результатам этого анализа делают управляющее воздействие, приближающее режим к точке экстремума. Устройства, обеспечивающие режим работы управляемого объекта, близкий к оптимальному, называют автоматическими оптимизаторами или экстремальными регуляторами.

Работа самонастраивающейся системы представлена графиком (рисунок 1.4) изменения выходной величины ω в функции входного сигнала u [ω =f(u)]. Пусть первоначально рабочей точкой характеристики ω = f(u) будет точка А или В, не совпадающая с точкой максимума С. При этом неизвестно, на какой из этих точек работает объект управления. Пробным воздействием изменяют входной сигнал, дав ему положительное приращение Δu и установив специальным датчиком знак соответствующего ему приращения выходной величины ω. Если ω положительно, то рабочей является точка А, и для приближения к максимума в дальнейшем входному сигналу u следует давать положительные приращения и наоборот при отрицательном ω входному сигналу u следует давать отрицательные приращения.

Рисунок 1.4. Условная характеристика рабочего процесса

Вторая задача самонастройки - поддержание оптимальной работа системы регулирования по критерию максимального ее быстродействия. В этом случае показатель экстремума является время, в течение которого система приходи в соответствие с изменением условия регулирования. Это время анализируется специальным устройством самонастройки, которое изменяет параметры регулятора так, чтобы время регулирования было минимальным.

В сложных, не имеющих математического описания системах со многими неконтролируемыми воздействиями, для нахождению оптимального условия работы необходимо запоминать различны! режимы управления, учиться управлять. Это осуществляется самообучающимися САУ. В зависимости от значений входных и выходных величин автомат выбирает из памяти системы соответствующие значениям управляющих воздействий.