Управление техническими и технологическими системами


М. А. Волков, А. Ю. Постыляков, Д. В. Исаков








            УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ



Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.51(075.8)
ББК 32.965
    В67


Рецензенты:
кафедра энергетики и транспорта Института инженерно-педагогического образования РГППУ (заведующая кафедрой кандидат педагогических наук, профессор А. О. Прокубовская);
      ведущий инженер-электрик ПАО «Корпорация ВСМПО-Ависма»
кандидат технических наук С. М. Мезенин

Научный редактор:
кандидат технических наук, доцент С. И. Паршаков





        Волков, М. А.
В67        Управление техническими и технологическими системами : учеб-
         ное пособие / М. А. Волков, А. Ю. Постыляков, Д. В. Исаков. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 252 с. : ил., табл.
             ISBN 978-5-9729-0787-8

       Рассмотрены основы электропривода, исполнительные механизмы, преобразовательные устройства для управления ими. Представлены необходимые сведения об измерительных преобразователях, применяемых при построении технических и технологических систем, аппарате передаточных функций, стандартных динамических звеньях, методике получения функций регуляторов тока и скорости электропривода. Предложен пример синтеза регуляторов, освещены результаты моделирования. Рассмотрены математические основы получения логических функций, правила их минимизации, структура программируемых логических контроллеров, особенности программирования.
       Для студентов технических направлений подготовки, изучающих управление техническими и технологическими системами.

УДК 681.51(075.8)
ББК 32.965





ISBN 978-5-9729-0787-8

     © Волков М. А., Постыляков А. Ю., Исаков Д. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................6
1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА......................7
   1.1. Общие вопросы управления техническими системами.........7
    1.1.1. История развития автоматизации.......................7
    1.1.2. Цели учебной дисциплины..............................9
    1.1.3. Задачи и направления развития автоматизации.........10
    1.1.4. Общая схема систем автоматического управления.......12
   1.2. Основы электропривода..................................15
    1.2.1. Структура электропривода............................15
    1.2.2. Классификация типов электроприводов.................16
    1.2.3.  . Область применения и перспективы развития электропривода.19
    1.2.4. Классификация электрических двигателей..............20
    1.2.5. Основные параметры электрических двигателей.........21
    1.2.6. Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей......................23
    1.2.7. Уравнение движения электропривода...................25
   1.3. Общие вопросы регулирования............................26
    1.3.1. Статические показатели качества.....................27
    1.3.2. Динамические показатели процесса регулирования......33
   1.4. Электрический привод постоянного тока..................33
    1.4.1. Конструкция двигателя постоянного тока..............33
    1.4.2. Принцип действия ДПТ................................35
    1.4.3. Классификация ДПТпо способу возбуждения.............35
    1.4.4. Механическая характеристика ДПТ с НВ................37
    1.4.5. Тормозные режимы двигателя постоянного тока с НВ....40
1.5. Регулирование скорости двигателя постоянного тока с независимым возбуждением...................................44
    1.5.1. Реостатное регулирование скорости двигателя.................45
    1.5.2. Изменение напряжения на якоре двигателя.....................47
    1.5.3. Изменение величины магнитного потока двигателя......48
   1.6. Электрический привод переменного тока..................49
    1.6.1. Асинхронный двигатель...............................50
    1.6.2. Синхронный двигатель................................59
    1.6.3. Шаговые двигатели...................................62
   1.7. Регулирование скорости двигателей переменного тока.....66
    1.7.1. Реостатное регулирование скорости...................67
    1.7.2. Частотное регулирование скорости....................70
   1.8. Преобразовательные устройства для управления электродвигателями..................................................76
    1.8.1. Тиристорные преобразователи.................................76

3

    1.8.2. Преобразователи частоты............................82
    1.8.3. Преобразователи для шаговых двигателей.............86
  1.9. Электромагниты.........................................88
  1.10. Электромагнитные муфты................................90
    1.10.1. Классификация муфт................................90
    1.10.2. Фрикционные муфты.................................92
    1.10.3. Ферропорошковые муфты.............................93
    1.10.4. Муфты скольжения..................................96
2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ..............................98
  2.1. Общие сведения.........................................98
    2.1.1. Классификация датчиков.............................99
    2.1.2. Структурные схемы датчиков........................100
    2.1.3. Характеристики датчиков...........................102
    2.1.4. Требования, предъявляемые к датчикам..............103
  2.2. Параметрические преобразователи.......................104
    2.2.1. Электроконтактные датчики.........................104
    2.2.2. Потенциометрические датчики.......................105
    2.2.3. Терморезистивные преобразователи..................107
    2.2.4. Интегральные датчики температуры..................110
    2.2.5. Тензометрические датчики..........................111
    2.2.6. Фотоэлектрические датчики.........................112
    2.2.7. Фоторезисторы.....................................114
    2.2.8. Индуктивные датчики...............................115
    2.2.9. Емкостные датчики.................................119
    2.2.10. Датчики Холла....................................123
  2.3. Генераторные преобразователи..........................124
    2.3.1. Термопары.........................................124
    2.3.2. Пьезоэлектрические датчики........................127
    2.3.3. Ультразвуковые датчики............................129
    2.3.4. Индукционные датчики..............................132
  2.4. Преобразователи угловых перемещений...................136
    2.4.1. Абсолютные энкодеры...............................139
    2.4.2. Инкрементальные энкодеры..........................140
3. ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.........................143
  3.1. Основные термины и определения........................143
  3.2. Передаточные функции..................................145
  3.3. Преобразование структурных схем.......................149
  3.4. Характеристики основных динамических звеньев..........153
  3.5. Основы синтеза регуляторов............................159
  3.6. Моделирование системы автоматического регулирования скорости .... 170

4

4. ПОЛУЧЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ НА ПЛК ... 177
  4.1. Математические основы получения логических функций..179
    4.1.1. Общие сведения..................................179
    4.1.2. Основные определения............................180
    4.1.3. Функции одной переменной........................182
    4.1.4. Функции двух переменных.........................183
    4.1.5. Аксиомы и теоремы алгебры логики................185
    4.1.6. Совершенные дизъюнктивная и конъюнктивная формы функций..................................................186
    4.1.7. Минимизация логических функций..................190
    4.1.8. Метод Квайна....................................192
    4.1.9. Карты Карно.....................................193
    4.1.10. Примеры минимизации функций с помощью карт Карно.195
  4.2. Синтез последовательных алгоритмов..................202
    4.2.1. Циклограмма.....................................203
    4.2.2. Синтез последовательного алгоритма на основе циклограммы............................................204
    4.2.3. Пример циклограммы с третьей проверкой..........208
    4.2.4. Применение элементов «память» при реализации последовательностных алгоритмов........................209
  4.3. Реализация логических алгоритмов....................211
    4.3.1. Типовая структура АСУ ТП........................211
    4.3.2. Коды, применяемые в АСУ ТП......................215
    4.3.3. Последовательность синтеза бесконтактных схем...219
    4.3.4. Программируемые контроллеры. Общая характеристика.........................................220
    4.3.5. Последовательность реализации алгоритмов на программируемых контроллерах...........................223
    4.3.6. Логические модули LOGO!.........................223
    4.3.7. Логические контроллеры Zelio Logic..............225
  4.4. Надежность элементов и систем автоматики............228
    4.4.1. Основные понятия................................228
    4.4.2. Основные зависимости между отдельными показателями надежности................................232
    4.4.3. Аппаратурная и структурная надежность...........233
    4.4.4. Методы расчета надежности систем................235
    4.4.5. Расчет надежности системы с резервом............238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................242
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ...................................243
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................246
ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................248

5

ВВЕДЕНИЕ


     Современное машиностроительное и металлургическое производство характеризуется высокой производительностью, точностью, информационной насыщенностью и гибкостью.
     Новые производственные линии предполагают высокий уровень автоматизации основных и вспомогательных операций, что позволяет добиться высоких показателей производства.
     Автоматизация предполагает частичную или полную замену ручного труда машинным с целью повышения производительности труда, повышения качества выпускаемой продукции, расширения номенклатуры производства, сокращения сроков проектирования и изготовления новых изделий.
     В основе автоматизации лежат знания электротехники, гидравлики, пневматики, кибернетики, информатики, робототехники и технологии производства, а также ряда смежных дисциплин.
     Принято выделять три уровня автоматизации: управление отдельным технологическим объектом, управление технологическим процессом в целом и управление производством. На нижнем уровне используются системы автоматического регулирования и контроля; средний уровень предполагает использование автоматизированных рабочих мест и систем контроля, диагностики и наблюдения (SCADA системы); верхний уровень представляет собой объединенные вычислительной сетью АРМы и базу данных, которая и позволяет эффективно обрабатывать информацию о ходе технологических процессов всего производства.
     К перспективным направлениям развития автоматизации относят дальнейшее увеличение процента полностью автоматических систем, систем программного управления, гибких производственных модулей и робототехнических средств.
     Пособие разделено на четыре части: исполнительные и преобразовательные устройства, первичные преобразователи, основы автоматического управления, программируемые логические контроллеры и их программирование.

6

1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА



1.1. Общие вопросы управления техническими системами

     1.1.1. История развития автоматизации
     Рассмотрение процесса развития автоматизации неразрывно связано с историей развития базовых областей знаний, особенно электротехники, кибернетики и информационных технологий.
     Несмотря на то, что автоматические механизмы (напр., часы, астрономические календари, механизмы имитации поведения животных и птиц, первые ветряные мельницы, регуляторы уровня и давления и др.) были известны с древних времен, их нельзя считать началом этапа развития автоматизации, т. к. они не получили широкого распространения.
     Началом развития автоматизации считается промышленная революция к. XVIII - н. XIX вв. В это время были созданы необходимые условия для развития механизации производств. Первыми отраслями внедрения автоматических устройств стали ткацкое, прядильное, дерево- и металлообрабатывающее производства.
     Важнейшими изобретениями этого периода являются автоматический регулятор питания парового котла И. И. Ползунова (1765) и центробежный регулятора скорости паровой машины Дж. Уатта (1784). Управляемая энергия пара позволила существенно повысить производительность труда, однако паровые машины имели много недостатков, что ограничивало их применение.
     С 60-х годов XIX в. в связи с быстрым развитием железных дорог, стала очевидна необходимость автоматизации железнодорожного транспорта. В России создаются автоматический указатель скорости инженера-

7

механика С. Прауса (1868) и прибор для автоматической регистрации скорости движения поезда, времени его прибытия и др., созданный В. Зальма-ном и О. Графтио (1878).
     Второй этап промышленной революции (к. XIX - н. XX вв.) связан с внедрением электричества в промышленность и с изобретением Н. Теслой переменного тока (1891), позволившего преодолеть проблемы электрификации удаленных потребителей. Им также создаются теории вращающегося магнитного поля (1888) и многофазных электрических машин. Кроме этого происходит развитие теории автоматического управления, основы которого были заложены Дж. К. Максвеллом в статье «О регулировании» (1868) и И. А. Вышнеградским в труде «О регуляторах прямого действия» (1877).
     Благодаря высокому КПД, малым размерам и высокой надежности электродвигателя в промышленности произошел быстрый переход от паровых к электрическим двигателям (за 5 лет было заменено 95 % всех паровых машин). Внедрение в оборудование индивидуального привода расширило возможности совершенствования технологии механической обработки и повышения экономического эффекта. В настоящее время более 85 % всех приводов в мире - электрические.
     Следующим существенным шагом в развитии стали исследования в области физики твердого тела, которые привели к появлению полупроводниковых электронных элементов: диода (1906), транзистора (1947), интегральной схемы (1960). Это позволило развить технологии связи, существенно снизить габариты и энергопотребление электронных устройств, а также повысить их надежность. В 1948 г. Н. Винер публикует книгу «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», ставшей основой для построения и развития систем автоуправления в технике.

8

     Потребность в создании высококачественных технических систем привела к развитию законов автоматического управления. Появились системы, обеспечивающие высокое качество управления, в т. ч. за счет механизмов адаптации к изменениям условий работы оборудования.
     Появление программируемых логических контроллеров (1968) дало возможность полностью автоматизировать управление последовательностью технологических операций.
     Следующим важным шагом стало изобретение и развитие фирмой Intel микропроцессора (1971). Прогресс вычислительной техники привел к глубокому внедрению информационных технологий в производство и технологию. Появилась возможность создания полностью автоматических, программно управляемых технологических объектов, гибких производственных ячеек и систем.
     Развитие вычислительных сетей дало возможность полного контроля и управления всем технологическим процессом, что привело к созданию АСУ ТП.
     Последним этапом развития автоматизации, продолжающимся в настоящее время, является тенденция к объединению управляющей и исполнительной частей оборудования в мехатронные модули. Данное направление получило название мехатроника и робототехника.


     1.1.2. Цели учебной дисциплины

     Целью учебного пособия является формирование у студентов базового уровня знаний в области современной автоматизации промышленных систем.


9

     Выполняемый на современных лабораторных стендах курс практики, дополняющий лекционный, позволяет ознакомиться «вживую» с различными типами датчиков, электродвигателей, научиться основам программирования микроконтроллеров, проверить законы автоматического управления.
     В результате освоения курса предполагается, что обучающийся хорошо знает состав САУ, характеристики и свойства отдельных динамических звеньев технических систем, умеет строить математические модели электропривода и получать требуемое качество управления электрическими двигателями; имеет представление о структуре и функциях АСУ ТП и особенностях систем, применяемых в специальном оборудовании (прокатные станы, пресса, нагревательные и плавильные печи, машины непрерывного литья заготовок, станки, грузоподьемные механизмы и другие средства производства металлургии).


     1.1.3. Задачи и направления развития автоматизации
     Системы, в которых основные операции выполняются автоматически, а управление процессом возложено на оператора, принято обозначать автоматизированными. Например, металлообрабатывающие станки, нагревательные печи, прокатные станы и др.
     В тех случаях, когда процесс управления полностью автоматизирован и вмешательство в технологический процесс со стороны оператора не требуется систему принято обозначать автоматической. Например, технологическое оборудование с программным управлением, автоматические закалочные линии, линии покраски изделий, дуговые плавильные печи, беспилотные летательные аппараты и др.

10

     Автоматизация решает следующие задачи производства.
     1.      Снижение производственных затрат, ведущее к повышению эффективности производства. Достигается за счет использования оптимальных режимов оборудования, уменьшения доли заработной платы в стоимости продукции, продление срока службы оборудования.
     2.      Увеличение производительности труда. Достигается путем эффективного использования оборудования, уменьшения числа работающих на единицу выпускаемой продукции, сокращение непроизводительных затрат времени.
     3.      Повышение качества готовой продукции. Данная задача связана с введением непрерывного контроля за параметрами техпроцесса и состояния инструмента, неразрушающего контроля в потоке, широкими диапазонами регулирования режимов прокатки, прессования, нагрева и других технологических операций, процессами адаптации параметров работы оборудования.
     4.      Обеспечение гибкости производства. Достигается за счет возможности быстрой переналадки оборудования с помощью перепрограммирования, в т. ч. удаленно посредством вычислительных сетей.
     Кроме указанных задач, внедрение полностью автоматических систем контроля над опасными химическими процессами, автоматических систем пожаротушения, систем блокировок и защит при нештатных ситуациях обеспечивает снижение вредного воздействия производства на человека и окружающую среду.
     Автоматизация производственных процессов в металлургии развивается в трех направлениях: совершенствование технологии, оборудования и систем автоматики.
     Совершенствование технологии решает следующие вопросы:
   -   переход к непрерывному производству;

11

   -  обеспечение надежности технологических режимов;
   -  разработки оптимальных режимов обработки сырья и заготовок;
   -  совмещение технологических операций;
   -  разработка методов контроля технологических параметров, учета материалов и мониторинга техпроцесса.
     Совершенствование оборудования включает в себя:
   -  повышение уровня стандартизации узлов оборудования;
   -  улучшение управляемости оборудования путем использования индивидуальных приводов различных типов;
   -  обеспечение самозащиты оборудования при нештатных ситуациях и ошибочных действиях операторов и обслуживающего персонала. Совершенствование систем автоматики предполагает:
   -  использование цифровых систем;
   -  использование распределенных сетевых систем;
   -  использование SCADA-систем;
   -  увеличение надежности системы автоматики;
   -  непрерывный мониторинг и фиксация необходимых параметров системы.

     1.1.4. Общая схема систем автоматического управления
     Понятие управления предполагает целенаправленное воздействие на объект управления для достижения цели управления. Если такое воздействие является автоматическим, то система называется системой автоматического управления (САУ).
     Понятие регулирования имеет более узкий смысл, состоящий в том, что управление в системе автоматического регулирования (САР) сводится к изменению величины регулируемой координаты согласно сигналу задания.

12

   На рис. 1.1 представлена функциональная схема системы автомати-

ческого управления.


Рис. 1.1. Функциональная схема системы автоматического управления

   В общем случае она состоит из следующих блоков:
- задающее устройство (ЗУ), вырабатывает сигнал задания x₃ (t) для выходной величины объекта управления (ОУ), в качестве ЗУ в программно управляемых системах выступает программа, выполняемая на ЭВМ;
- устройство управления (УУ), на основании информации от задающего устройства, сигналов от датчиков выходной и промежуточных величин, а также заложенного алгоритма управления вырабатывает управляющее воздействие u (t), поступающее на силовую часть САУ. В системах автоматического регулирования данный блок называют регулятором;
- устройство адаптации (УА) выполняет необходимую подстройку параметров устройства управления для обеспечения оптимальности протекания процесса управления при меняющихся параметрах объекта управления и внешней среды;


13