Автоматическое регулирование

АВТОМАТИЧЕСКОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ

УЧЕБНИК
для учащихся средних строительных
специальных учебных заведений

Москва
ИНФРА-М
2005

А.А. РУЛЬНОВ, И.И. ГОРЮНОВ, К.Ю. ЕВСТАФЬЕВ

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Допущено Государственным комитетом
Российской Федерации по строительству
и жилищно-коммунальному комплексу
в качестве учебника для студентов
средних специальных учебных заведений,
обучающихся по специальности 2914 «Монтаж и эксплуатация
внутренних сантехнических устройств и вентиляции»

УДК 628(07)
ББК 31.32я723
          Р82

Р е ц е н з е н т ы:

доцент кафедры автоматизации технологических процессов
и строительных производств Московского института
коммунального хозяйства и строительства,
канд. техн. наук Е.П. Голиков;

директор научно-производственного центра «Энерготех»,
канд. техн. наук Н.Н. Абдулханов

Рульнов А.А., Горюнов И.И., Евстафьев К.Ю.
Автоматическое  регулирование: Учебник. – М.: ИНФРА-М,
2005. – 219  с. – (Среднее профессиональное образование).

ISBN 5-16-002447-6

Изложены основы методов автоматического контроля и регулирования
основных теплотехнических параметров в инженерных системах зданий
и сооружений; рассмотрены принципы действия и конструкции контрольноизмерительных приборов,  автоматических регуляторов и управляющих
устройств, широко применяемых при автоматизации систем тепло-, водоснабжения и водоотведения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Рассмотрены вопросы составления схем автоматизации и монтажа первичных
и вторичных приборов, автоматических регуляторов и соединительных
линий; приведены сведения об особенностях их эксплуатации и освещены
вопросы технико-экономической эффективности систем автоматизации
инженерных систем.
Предназначен  для  учащихся  строительных колледжей и техникумов,
обучающихся  по  специальности 2914 «Монтаж и эксплуатация внутренних
сантехнических устройств и вентиляции».
                                                         УДК 628(07)
ББК 31.32я723

Р82

ISBN 5-16-002447-6
© А.А. Рульнов, И.И. Горюнов,
К.Ю. Евстафьев, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

На современном этапе развития промышленного
и гражданского строительства, возведения «интеллектуальных»
(умных) зданий и сооружений, многочисленных коттеджей и индивидуальных домов, постоянного совершенствования и усложнения
санитарно-технического оборудования необходимо автоматизированное управление инженерными системами водо- и теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Если раньше
человек успешно справлялся с задачами управления, то сегодня его
возможности резко ограничены ввиду быстрой утомляемости,
субъективности в оценке возникающих ситуаций, ограниченной
скорости реакции на резкие изменения режимных параметров
и т. п. В результате функции управления в инженерных системах
все в большем объеме передаются автоматическим регуляторам
и вычислительным устройствам.
В современных условиях от техника-монтажника требуются
знания не только инженерных систем и оборудования, но и автоматических устройств контроля и управления: от простейших приборов до микропроцессорных контроллеров (МПК). Специалистсантехник должен за показаниями измерительных приборов «видеть»
ход технологического процесса, скрытого за стенками сооружений,
машин и аппаратов, вмешиваться при необходимости в работу
автоматических систем регулирования (АСР) и устранять простейшие неисправности в их работе. Все это невозможно сделать без
знания основных принципов автоматического регулирования, особенностей устройства, монтажа и эксплуатации приборов и регуляторов. Изучение этих вопросов предусмотрено учебным планом
подготовки в строительных техникумах и колледжах техников по
специальности 2914 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств и вентиляции».
Учебник составлен в соответствии с учебной программой
дисциплины «Автоматическое регулирование», разработанной
в Поволжском государственном межрегиональном строительном
колледже. При его написании авторы стремились максимально
приблизить материал к современному состоянию вопроса. При
этом математические выкладки ограничены рамками программы
средних специальных учебных заведений по математике. Авторы

старались просто и доступно, без громоздкого математического
аппарата изложить основные положения автоматического контроля и регулирования. Естественно, это не могло не сказаться на
глубине трактовки некоторых теоретических вопросов.
Авторы признательны рецензентам за ценные замечания и советы при подготовке рукописи, а также проф. С.А. Щелкунову
за предоставленные материалы из зарубежной практики автоматизации и с благодарностью примут все пожелания читателей,
направленные на устранение недостатков учебника.

ВВЕДЕНИЕ

В нашей стране и за рубежом с каждым годом расширяются объемы работ по автоматизации инженерных систем
зданий и сооружений. В каждом проекте строительства этих объектов наряду со строительно-технологическими решениями разрабатываются системы их автоматизации. Автоматизация сантехнических устройств и вентиляции, входящих в состав инженерных
систем, является одним из важнейших источников экономии
топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на теплоснабжение систем зданий и сооружений. Автоматизация призвана
также коренным образом преобразовать рабочие места, сделать
труд работников жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) более
производительным, творческим и привлекательным. Эти важнейшие социальные и экономические задачи постоянно подчеркиваются в постановлениях директивных органов нашей страны по
строительству и ЖКХ. Особое внимание в этих документах обращается на необходимость повышения эффективности эксплуатации зданий и сооружений за счет внедрения нового оборудования
и средств автоматического контроля и управления.
Автоматизация инженерных систем и протекающих в них
технологических процессов — это совокупность технических
средств и методов, освобождающих человека в определенной
степени или полностью от функций контроля и управления. Иначе
говоря, автоматизация обеспечивает замену физического и умственного труда человека, затрачиваемого на контроль и управление,
работой технических средств (от простейших измерительных приборов и регуляторов до современных управляющих вычислительных машин), обеспечивающих это управление без вмешательства
человека, в функции которого входят только наблюдение за техническими средствами и подготовка их к работе.
Таким образом, автоматизация является высшей формой организации работы инженерных систем. При этом совокупность технических средств автоматики совместно с помещением (объектом
управления) и оборудованием, поддерживающим заданный режим,
образуют систему управления.
Любая форма автоматизации инженерных систем (частичная,
комплексная, полная) всегда начинается с автоматического

контроля за различными параметрами технологических процессов,
осуществляемого с помощью измерительных приборов. Контролируемые параметры в инженерных системах различны: давление,
температура, уровень расхода воздуха, жидкости, энергии или
другой среды. Внедрение автоматического контроля позволяет
перейти к автоматическому управлению, которое организуется
чаще всего в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления — отыскание оптимального режима работы инженерной
системы, на нижней — обеспечение минимальных отклонений
теплотехнических параметров от их оптимальных значений,
т. е. стабилизация параметров. При решении задач стабилизации
вместо автоматического управления чаще применяют термин
автоматическое регулирование.
Автоматическое управление инженерными системами сопровождается технологической сигнализацией и автоматической
защитой. Технологическая сигнализация бывает командная, контрольная, предупредительная и аварийная. Командная сигнализация служит для передачи типовых управляющих сигналов от
одного элемента управления к другому или объекту управления.
Контрольная сигнализация извещает обслуживающий персонал
о включении в работу или остановке отдельных механизмов оборудования, о положении запорных органов на различных коммуникациях. Предупредительная сигнализация служит для извещения
персонала о возникновении опасных изменений эксплуатационного режима, грозящих аварией при их дальнейшем развитии.
Аварийная сигнализация информирует персонал о происшедшем
аварийном отключении оборудования.
Автоматическая защита предохраняет от аварий механизмы
при недопустимых отклонениях параметров технологического процесса или с помощью автоматической блокировки предохраняет
механизмы от неправильных действий дежурного персонала (вследствие невнимательности или ошибочных действий при аварии).
Различают блокировки запретно-разрешающие и аварийные. Первые устраняют возможность неправильных или несвоевременных
включений и отключений механизмов, а также несоблюдение
установленной технологическим регламентом очередности пуска
и остановки различных механизмов. Вторые блокировки предназначены для последовательного отключения оборудования, расположенного до элемента инженерной системы, подвергшегося
аварийному отключению.
Наряду с автоматическим управлением в зданиях и сооружениях используются и другие виды управления, к которым прежде

всего относятся дистанционное и телеуправление. Дистанционное
управление — это ручное управление на расстоянии регулирующими
и запорными органами или отдельными механизмами, осуществляемое с помощью пневматических или электрических приводов.
В инженерных системах наибольшее распространение получили
электроприводы, двигатели или электромагниты, которые обычно
монтируются на регулирующем органе, а устройства управления
ими располагают на некотором расстоянии от него, чаще всего
в диспетчерском пункте. Дистанционное управление применяется
либо самостоятельно, либо параллельно с автоматическим управлением. Телеуправление — это более сложная форма дистанционного управления. Оно осуществляется с помощью телемеханических устройств, позволяющих передавать большое число различных
сигналов одновременно по одной линии связи или по небольшому
их числу. Оба вида управления позволяют реализовать диспетчеризацию, что необходимо для четкой координации и взаимной
увязки режимов работы отдельных инженерных систем в соответствии с изменением нагрузок во времени.

Глава 1.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЯХ И ПРИБОРАХ

1.1.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕХНИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Первой функцией управления, подвергшейся автоматизации, было измерение. Измерительный прибор с индикатором
заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые и достаточно точные измерения. При необходимости к нему можно подключить регистрирующий прибор (РП), записывающий динамику
изменения технологических параметров (рис. 1.1). Эти данные
могут использоваться для анализа протекания технологического
процесса (ТП), а диаграмма, записанная регистратором, служит
отчетным документом. Функции оператора (О) при автоматической
индикации сводятся к определению ошибки управления, а также
реализации регулирующего воздействия.
Небольшие технические усовершенствования позволили перейти от автоматической индикации к автоматическому контролю.
В этом случае оператор получает информацию об отклонении
технологических параметров от заданных значений. Система автоматического контроля кроме измерителя и индикатора содержит
устройство сравнения (УС) и задатчик (ЗД) — устройство, которое
помнит значение технологического параметра. Разделение функций между оператором и системой контроля показано на рис. 1.2.
Таким образом, задачей контроля (от французского controle — проверка чего-либо) является обнаружение событий, определяющих

Рис. 1.1. Схема системы
автоматической индикации
Рис. 1.2. Схема системы
автоматического контроля

ТП

РП

О

УС
ЗД

ТП

РП

О

ход того или иного процесса. В случае когда эти события обнаруживаются без непосредственного участия человека, такой контроль
называют автоматическим.
Важнейшей составной частью контроля является измерение
физических величин, характеризующих протекание процесса. Такие
величины называются параметрами процесса. Технологические
процессы в инженерных системах характеризуются значениями
таких физических величин (параметров), как влажность, давление,
температура, уровень, расход и количество жидких и газовых сред.
Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических
средств. Конечной целью любого измерения является получение
количественной информации об измеряемой величине. В процессе измерения устанавливается, во сколько раз измеряемая
физическая величина больше или меньше однородной с нею в качественном отношении физической величины, принятой за единицу.
Если Q — измеряемая физическая величина, [Q] — некоторый размер физической величины, принятой за единицу измерения, q — числовое значение Q в принятой единице измерения,
то результат измерения Q может быть представлен следующим
равенством:

Q = q [Q].
(1.1)

Уравнение (1.1) называют основным уравнением измерения.
Из него следует, что значение q зависит от размера выбранной
единицы измерения [Q]. Чем меньше выбранная единица, тем
больше для данной измеряемой величины будет числовое значение.
Например, длина 1 м равна 10 дм, 100 см и т. д.
Результат всякого измерения является именованным числом.
Поэтому для определенности написания результата измерения
рядом с числовым значением измеряемой величины ставится сокращенное обозначение принятой единицы измерения. В нашей
стране в соответствии с ГОСТ 9867–61 с 1963 г. действует Международная система единиц измерения, которая сокращенно обозначается СИ. С учетом результатов первого периода внедрения
этого государственного стандарта в 1982 г. был введен в действие
новый ГОСТ 8.417–81 «ГСИ. Единицы физических величин».
В настоящее время система СИ принята в большинстве стран мира
и признана всеми международными организациями. Сведения
о значениях измеряемых величин называют измерительной информацией.

Сигналом измерительной информации называется сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной (например, сигнал от термометра сопротивления). Средством измерения
называют устройство, используемое при измерениях и имеющее
нормированные метрологические свойства. Сигнал измерительной информации, поступающий на вход средства измерений,
называют входным сигналом, получаемый на выходе — выходным
сигналом средства измерений.

1.2.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРИБОРЫ

Измерительный преобразователь — это средство измерений,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем (в практике применяется термин
«датчик»).
Преобразователь, к которому подведена измеряемая величина,
т. е. первый элемент в измерительной цепи, называется первичным
измерительным преобразователем (рис. 1.3). Например, электрод
сигнализатора уровня, сужающее устройство (диафрагма) для измерения расхода и т. п.

Рис. 1.3. Блок-схема измерительной цепи:

О — объект измерения; ПП — первичный преобразователь (датчик);
ПрП — промежуточный преобразователь; ИП — измерительный прибор

В системах автоматического контроля применяются устройства для выдачи сигнала о выходе значения параметра за установленные пределы, причем сигнал появляется при наличии самого
факта выхода независимо от его размера. Такие устройства называют датчиками-реле или сигнализаторами.
Для удовлетворения возросших потребностей создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации
(ГСП), представляющая собой организованную совокупность

О
ПП
ПрП
ИП

Входной
сигнал

Промежуточный
сигнал

Унифицированный
промежуточный сигнал

Выходной
сигнал