«Кафедра Информационно-управляющие системы Андреев С.А., Судник Ю.А., Юсупов Р.Х. ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ Методические указания для студентов факультета заочного образования по специальностям Электрификация и ...»

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный агроинженерный университет

имени В.П.Горячкина

Кафедра «Информационно-управляющие системы»

Андреев С.А., Судник Ю.А., Юсупов Р.Х.

ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Методические указания для студентов факультета заочного образования по специальностям «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

и «Профессиональное обучение» со специализацией «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства»

Москва, 2009 УДК 731.3-526338.436(075.8) Рецензент:

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехнологии в сельскохозяйственном производстве»

Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П.Горячкина»

А.М.Башилов Андреев С.А., Судник Ю.А., Юсупов Р.Х.

Дипломное проектирование. Методические указания для студентов факультета заочного образования по специальностям «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» и «Профессиональное обучение» со специализацией «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства». – М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2009. – 74 с.

Методические указания раскрывают содержание задач основных разделов дипломных проектов, выполняемых студентами 6-го курса факультета заочного образования по кафедре информационно-управляющих систем. Дипломные проекты нацелены на решение задач по автоматизации технологических процессов сельскохозяйственного производства и включают техникоэкономический анализ хозяйственной деятельности предприятий, анализ современных производственных технологий, обоснование целесообразности и основных принципов автоматизации, вопросы проектирования систем автоматического управления, разработку пультов и щитов, оценку надежности технических средств и экономической эффективности систем автоматики, разработку вопросов охраны труда и охраны окружающей среды.

Методические указания печатаются по решению методической комиссии энергетического факультета ФГОУ ВПО МГАУ.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие положения ………………………………………………….. 2. Состав, объем и содержание дипломного проекта……………….. 3. Оформление расчетно-пояснительной записки………………….. 4. Оформление графического материала…………………………….. 5. Введение……………………………………………………………. 6. Технико-экономическая характеристика предприятия…………. 7. Анализ технологического процесса…………………………….... 8. Обоснование целесообразности автоматизации технологического процесса. Определение цели и задач проекта…………….. 9. Обзор современных технических решений по автоматизации технологического процесса……………………………………….. 10. Обоснование принципа автоматизации технологического процесса. Составление функциональной схемы САУ и функциональной схемы системы автоматизации………………………….. 11. Анализ объекта автоматизации. Математическое описание объекта автоматизации…………………………………………...… 12. Проектирование системы автоматического управления………..... 12.1. Разработка принципиальных схем САУ………………… 12.2. Выбор и расчет технических средств автоматики……… 12.2.1. Выбор контрольно-измерительных приборов....... 12.2.2. Выбор регуляторов………………………………... 12.2.3. Выбор датчиков………………………………….... 12.2.4. Выбор исполнительных механизмов……………. 12.2.5. Выбор регулирующих органов………………….... 12.3. Анализ динамических свойств САУ……………………... 12.3.1. Аналитический метод……………………………... 12.3.2. Синтетический метод…………………………….. 12.4. Разработка пультов и щитов управления. Выбор проводов и пуско-защитной аппаратуры……………………….. 13. Оценка надежности работы САУ. Расчет периодичности технического го обслуживания системы. Определение состава службы КИПиА……………………..………………....... 14. Разработка мероприятий по охране труда…………………….... 14.1.Разработка вентиляции производственного помещения..... 14.2.Разработка защитного заземления………………………..... 14.3.Разработк защитного зануления………………………….... 14.4.Разработка освещения производственного помещения..… 15. Разработка мероприятий по охране окружающей среды…..…... 16. Оценка экономической эффективности системы автоматического управления……………………………….…… 17. Заключение………………………………………………….…….. 18. Список использованной литературы…………………………….. 19. Аннотация…………………………………………………………. 20. Рекомендации по подготовке доклада…………………………... 21. Указатель литературы…………………………………………….. Дипломное проектирование является завершающим этапом обучения студента в вузе по специальностям «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» и «Профессиональное обучение» со специализацией «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства».

В своем дипломном проекте студент должен продемонстрировать способность самостоятельно решать задачи автоматизации технологических процессов, умение творчески мыслить, разумно использовать новейшие достижения мировой науки, умело применять полученные знания в конкретных условиях. В процессе выполнения дипломного проекта у студентов систематизируются и закрепляются знания по технологическим процессам и их режимам, комплексной механизации и электрификации производства, средствам автоматики и теории автоматического управления, проектированию и эксплуатации систем автоматического управления и другим разделам технических дисциплин, связанных с автоматизацией сельскохозяйственного производства. Кроме того, выполнение дипломного проекта формирует умение и накапливает навыки использования теоретических знаний, справочной информации и результатов научно-исследовательских работ при решении практических задач проектирования и эксплуатации систем.

Тема дипломного проекта согласовывается с руководителем, формулируется и включается в приказ по университету за несколько месяцев до защиты. Точный график работы над дипломным проектом обычно составляется деканатом и доводится до студентов к моменту проведения государственного экзамена по выбранной специальности. При составлении темы проекта следует иметь в виду, что она не должна корректироваться в процессе работы.

Тема дипломного проекта, сформулированная перед началом проектирования и утвержденная приказом ректора, будет занесена в документы государственной аттестационной комиссии и в соответствующий вкладыш к диплому.

В отличие от курсового проекта, который обычно выполняется по абстрактному объекту, дипломный проект жестко «привязан» к конкретному предприятию. Эта привязка находит отражение как в выполнении спецвопроса (проект может быть выполнен по заданию предприятия и связан с возникшими производственными проблемами), так и в работе над другими разделами: анализе экономической эффективности, разработке мероприятий по охране труда и окружающей среды и т.д. Привязка проекта к реальному предприятию должна найти отражение в утверждаемой теме. Например, темами дипломных проектов могут быть: «Автоматизация процесса пастеризации молока в агрофирме «Майская» Пушкинского района Московской области» или «Автоматизация управления микроклиматом в картофелехранилище ООО «Парус» Собинского района Владимирской области».

Перед началом проектирования студенту-дипломнику рекомендуется посетить предприятие, ознакомиться с объектом предстоящей автоматизации, уяснить особенности и специфику производства. Посещение предприятия является составной частью работы над проектом и осуществляется в рамках преддипломной практики. Подробное задание на преддипломную практику студенты получают у руководителей.

Настоящие методические указания в основном ориентированы на студентов, обучающихся по специальности «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». Дипломные проекты студентов, обучающихся по специальности «Профессиональное обучение» со специализацией «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства» отличаются наличием в нем педагогической части, выполняемой под руководством соответствующего консультанта.

Дипломное проектирование должно выполняться на основе последних достижений индустриальных технологий сельскохозяйственного производства, современного технологического оборудования и средств автоматики с учетом требований действующих нормативов, методик расчетов и типовых проектных решений. Материалы по курсовому проектированию должны быть оформлены в соответствии с действующими ГОСТами и требованиями ЕСКД.

2. СОСТАВ, ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

Дипломный проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графического материала. Расчетно-пояснительная записка демонстрирует последовательность всех действий студента в процессе работы над проектом. В расчетно-пояснительной записке содержатся: характеристика состояния отрасли, технико-экономический анализ хозяйственной деятельности предприятия, оценка уровня механизации и автоматизации технологического процесса, обоснование цели и задач проекта, разработка принципа автоматизации и проектирование системы автоматического управления, разработка мероприятий по охране труда и природы, анализ надежности и экономической эффективности разработки В состав расчетно-пояснительной записки могут входить следующие разделы:

Содержание (порядковый номер не присваивается, 1% от объема).

Введение (порядковый номер не присваивается, 3% от объема).

1. Технико-экономическая характеристика предприятия (5% от объема).

2. Анализ технологического процесса (4% от объема).

3. Обоснование целесообразности автоматизации процесса. Определение цели и задач проекта (1% от объема).

4. Обзор современных технических средств по автоматизации технологического процесса (3% от объема).

5. Обоснование принципа автоматизации технологического процесса. Составление функциональной схемы системы автоматического управления (САУ) и функциональной схемы автоматизации технологического процесса (5% от объема).

6. Анализ объекта автоматизации. Математическое описание объекта автоматизации ( 5% от объема).

7. Проектирование САУ( 50% от объема).

7.1. Разработка принципиальных схем САУ.

7.2. Выбор и расчет технических средств автоматики.

7.3. Анализ динамических показателей работы САУ.

7.4. Разработка пультов и щитов управления. Выбор проводов и пускозащитной аппаратуры.

8. Оценка надежности работы САУ. Расчет периодичности технического обслуживания системы. Определение состава службы КИПиА (5% от объема).

9. Разработка мероприятий по охране труда (5% от объема).

10. Разработка мероприятий по охране окружающей среды (5% от объема).

11. Оценка экономической эффективности САУ (5% от объема).

Заключение (порядковый номер не присваивается, 1% от объема).

Список использованной литературы (1% от объема).

Приложение (1% от объема).

Кроме того, в состав расчетно-пояснительной записки входят титульный лист и заполненный бланк задания на проектирование. К моменту защиты в расчетно-пояснительную записку вкладываются отзыв руководителя, рецензия и аннотация.

Объем и содержание расчетно-пояснительной записки, а также отдельных разделов заблаговременно согласовывается с руководителем. Обычно объем составляет 70…90 страниц машинописного или 110..130 страниц рукописного текста.

Графический материал иллюстрирует содержание расчетнопояснительной записки, способствует наиболее полному представлению проекта на защите, помогает студенту овладеть принципами создания технической и рабочей документации. Как правило, дипломный проект сопровождается 8…10 листами графического материала. При этом часть материала представляет собой чертежи, выполненные с соблюдением требований ГОСТ, часть – плакаты, поясняющие особенности используемых физических явлений, специфику технологии и т.д. Подробная информация о требованиях к оформлению расчетно-пояснительной записки и графического материала содержится в 3-м и 4-м разделах настоящих указаний.

3. ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Расчетно-пояснительная записка к дипломному проекту может быть написана от руки или оформлена с применением компьютерных средств на листах формата А4 (11). На каждом листе оставляют поля: с левой стороны – 25 мм, с правой – 5 мм, сверху и снизу – по 15 мм. Текстовый материал окаймляется рамкой. Образец рамки можно найти в справочной литературе, например в [16,19].

На первом листе каждого раздела помещается основная надпись (штамп), оформленная аналогично надписи на листах графического материала (см. раздел 4). Отличие заключается только в написании двух правых буквенных символов в верхней части надписи. Теперь здесь должна быть аббревиатура ПЗ, свидетельствующая о принадлежности материала к расчетнопояснительной записке.

В целях экономии времени при оформлении текстового материала можно использовать появившиеся в продаже готовые папки. Эти папки помимо бланков титульных листов, бланков листов задания на проектирование и бланков рецензии включают в себя готовые листы с нанесенными на них рамками. Часть листов содержит основные надписи (штампы), которые должны помещаться в начале каждого раздела, и часть листов (большая часть) предназначена для размещения основного текста.

Дипломный проект должен быть написан кратко, ясно, грамотно, с соблюдением научно-технической терминологии. Следует избегать повторения однотипных расчетов, описательных материалов, длинных математических выкладок и т.д. Громоздкие математические расчеты можно вынести в приложения. Расчетно-пояснительная записка оформляется как печатный труд. В качестве образца оформления можно использовать техническую литературу, выпущенную издательствами «Энергия», «КолосС» и др.

На первой странице записки помещают титульный лист, после него – задание на проектирование, оглавление, введение и главы. В конце приводят подробный перечень использованной литературы, выводы, аннотацию и приложения. Текст расчетно-пояснительной записки по мере необходимости иллюстрируют схемами, графиками, таблицами и фотографиями. Все цитаты и другие заимствованные из печати директивные и нормативные данные воспроизводят дословно и сопровождают ссылкой на источник.

Решение инженерных задач обычно выполняют в такой последовательности: постановка задачи, анализ последних достижений науки и практики по данному вопросу и выяснение требований к объекту проектирования, выбор оптимального решения на основе технико-экономического сравнения возможных вариантов, подробная разработка выбранного варианта.

Формулы в тексте помещают в виде отдельных строк и нумеруют. Под формулами приводят перечень примененных символов с расшифровкой их значений и указанием размерностей. Кроме того, нумирацию должны содержать все рисунки и таблицы. Номера формул, рисунков и таблиц должны состоять из двух разрядов. Первый разряд – номер раздела, второй разряд – порядковый номер формулы, рисунка или таблицы. Например, надпись « рис.4.1» означает, что перед нами – первый рисунок четвертого раздела, «табл.2.3.5» - пятая таблица третьего подраздела второго раздела. Следует иметь в виду, что помимо номера каждый рисунок и таблица должны иметь названия. Например: Рис.5.3. Принципиальная электрическая схема регулятора; Табл.2.1. Результаты исследования динамических свойств объекта управления.

Все страницы текста нумеруют. На титульном листе расчетнопояснительной записки, а также на каждой основной надписи (штампе) обязательно должны присутствовать подписи дипломника и его руководителя.

Кроме того, разделы, связанные с разработкой вопросов охраны труда, охраны природы и экономической эффективности, должны подписываться соответствующими консультантами.

На титульном листе расчетно-пояснительной записки и задании на проектирование к моменту защиты в обязательном порядке должны присутствовать подписи заведующего кафедрой. Для получения подписи заведующего кафедрой на титульном листе необходимо заблаговременно (за 5 - 7 дней до дня защиты) предоставить полностью выполненный и подписанный дипломником, руководителем и консультантами проект со всеми иллюстративными материалами. Кроме того, к моменту предоставления дипломного проекта заведующему кафедрой дипломник должен получить отзыв руководителя, который обычно также оформляется на специальном бланке.

4. ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Графический материал, иллюстрирующий дипломный проект, выполняется в виде чертежей или плакатов формата А1 (формат 24: 594 841 мм). В правом нижнем углу чертежа располагают основную надпись (штамп) по ГОСТ 2.104-2006. Такое расположение основной надписи производится и при горизонтальном, и при вертикальном размещении изображения.

В последнее время студенты все чаще прибегают к формированию и представлению иллюстративных материалов с помощью компьютерной техники.

В этом случае можно исключить крупные бумажные носители (листы) и при наличии проекционных аппаратов поочередно выводить изображения на экран непосредственно на защите. Следует отметить, что такая форма представления материалов по-своему удобна, но требует обязательного предварительного согласования с руководителем проекта, с деканом и с персоналом технического обеспечения работы ГЭК. Каждый слайд в обязательном порядке должен дублироваться распечатанным изображением формата А (формата машинописного листа 11), и находиться в приложении к расчетнопояснительной записке. Кроме того, каждый слайд должен быть размножен по количеству членов ГЭК (примерно в 10 экземплярах) и передан в комиссию до начала защиты. Следует отметить, что правила оформления графического материала при использовании компьютерной техники аналогичны традиционным.

Представляемый графический материал по формату, шрифтам, масштабу, условным графическим и позиционным буквенно-цифровым обозначениям должен строго соответствовать требованиям действующих ГОСТов и ЕСКД [21]. Генеральные планы предприятий выполняют в масштабах 1:2000 и 1:5000. На чертежах с планами зданий и сооружений приводятся экспликации помещений и расчётно-монтажные таблицы внутренних электрических сетей. Планы заданий выполняют в масштабах 1:100, 1:200 и 1:400. На этих планах строительная часть зданий и контуры технологического оборудования показывают тонкими линиями в предельно упрощённом изображении. Основное внимание уделяют электрическим сетям и электроустановкам, которые вычерчивают более толстыми линиями.

На нескольких чертежах дипломного проекта обычно приводят электрические схемы. Согласно ГОСТ 2.701-76 «Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению», электрические схемы делятся на следующие типы:

структурные, функциональные, принципиальные (полные), соединений (монтажные), подключения, общие расположения. Схемы выполняют в соответствии с ГОСТ 2.702-75 «Правила выполнения электрических схем». На практике чаще всего пользуются принципиальными (полными) схемами и схемами соединений, которые выполняют без соблюдения масштабов для изделий, находящихся в отключенном положении.

На принципиальной электрической схеме изображают все электрические элементы или устройства и электрические связи между ними, а также разъёмы, зажимы и т. п., которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Схемы выполняют в многолинейном или однолинейном изображении.

Элементы на схемах изображают в виде условных графических обозначений совмещённым или разнесенным способом. Всем элементам установки присваивают буквенно-цифровые позиционные обозначениями в соответствии с требованиями ГОСТ 2.710-75. Эти обозначения проставляют на схеме рядом с условно графическим обозначением элемента с правой стороны или над ним. На расстоянии не менее 12 мм над основной подписью помещают перечень элементов. Продолжение перечня элементов помещают слева от основной надписи, повторяя головку таблицы.

Перечень элементов заполняют следующим образом. В графе «Позиционное обозначение» проставляют позиционное обозначение элемента, устройства или обозначение функциональной группы. В графе «Наименование»

проставляют наименование элемента (устройства) в соответствии с документом, на основании которого элемент (устройство) применен, и делают ссылку на этот документ (государственный стандарт, основной конструкторский документ, технические условия). В графе «Количество» проставляют количество элементов, а в графе «Примечание» - технические данные, которые не содержатся в наименовании элемента.

Содержание графического материала согласовывается с руководителем и консультантами по дипломному проектированию. На сегодняшний день не существует единого перечня материалов, которые должны быть представлены графически. Требование только одно: графический материал должен наиболее полно отражать содержание проекта. При определении содержания графических листов многое зависит от направленности инженерных проработок, от наличия и сущности исследовательских вопросов. Вместе с тем, опираясь на практику прошлых лет, можно привести примерный перечень графического материала:

Лист 1. Генеральный план предприятия.

Лист 2. Общий вид объекта автоматизации (общий вид помещения, технологического оборудования, машины, агрегата и т.д.).

Лист 3. Физические основы технологического процесса (плакат). Технологическая схема автоматизируемого процесса.

Лист 4. Функциональная схема системы автоматизации технологического процесса.

Лист 5. Алгоритм управления процессом. Программа для реализации процесса управления с применением контроллера (плакат).

Лист 6. Анализ динамических свойств системы автоматического управления:

основные формулы, графики, функциональная и структурная схемы САУ, параметры настройки регулятора (плакат).

Листы 7 и 8. Принципиальные электрические схемы управляющего устройства.

Лист 9. Общий вид шкафа управления. Монтажные схемы. Схемы внешних соединений.

Лист 10. Таблица показателей экономической эффективности.

Еще раз подчеркнем: приведенный перечень является примерным. Так, лист 3 необходим в том случае, если в процессе проектирования дипломник производит изменения в технологии производства, использует новые знания по физическим явлениям, разрабатывает нетрадиционные инженерные решения производственных задач; лист 5 представляет интерес только при использовании контроллеров и микропроцессоров, лист 6 представляет ценность при проектировании замкнутой системы автоматического управления.

И напротив, в перечень графических иллюстраций могут войти вопросы по разработке нестандартных узлов и механизмов, оригинальных электрических схем, устройств гидро- и пневмоавтоматики, а также проектирования электрического освещения, водоснабжения, теплоснабжения, вопросы охраны труда и другие стороны проекта.

Требования к изображению основных надписей (штампов), размещаемых на листах графического материала, соответствуют ГОСТ 2.104-2006. Образец основной надписи можно без труда найти в справочниках по черчению и другой технической литературе [16, 19]. Обычно вопросы вызывает заполнение верхней строки основной надписи. Итак, в верхней строке должна быть помещена следующая информация:

При написании введения (впрочем, как и других разделов расчетнопояснительной записки) следует придерживаться принципа «от общего к частному». Так, в начале введения следует остановиться на основных задачах отечественного сельского хозяйства, привести количественные данные по объемам производства различных видов с.-х. продукции. Далее изложение необходимо конкретизировать по отношению к отрасли: животноводству, растениеводству, пчеловодству и т.д. Затем следует еще более узкая конкретизация материала по виду продукции и условиям ее производства. Например, выращивание овощей в условиях защищенного грунта, производство молока на фермах КРС с беспривязным содержанием животных. При этом материал желательно сопровождать современными количественными показателями, иллюстрируя их динамику и научно обосновывая оптимальные значения.

Наконец, из всего производственного цикла следует выделить технологический процесс, предложенный для автоматизации в рамках задания на дипломное проектирование. Здесь следует охарактеризовать значение комплексной механизации и электрификации производства. Необходимо показать, что без применения современных средств автоматики достижение поставленных рубежей невозможно. Таким образом, введение к дипломному проекту доказывает целесообразность предстоящей работы и позволяет приблизиться к формулированию цели и задач проекта.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПРЕДПРИЯТИЯ

Настоящий раздел является описательным. В рамках этого раздела дипломнику не нужно что-то разрабатывать, проектировать, творить. Перед автором дипломного проекта ставится задача детально изучить предприятие, для которого будет разрабатываться проект, ознакомиться с его особенностями и определить состояние производства с точки зрения целесообразности последующей автоматизации.

Для получения информации к написанию этого раздела дипломнику необходимо посетить предприятие, осмотреть основные производственные объекты, собрать сведения экономического характера, детально изучить реализацию выбранного производственного процесса в условиях конкретного хозяйства. Нужно помнить, что в отличие от курсового проекта дипломный проект выполняется на базе реального производства, в тесной привязке к существующим условиям и с учетом фактических особенностей объекта.

Начинать изложение раздела можно с описания основных видов деятельности предприятия, а также его специализации. Здесь указываются основные сферы производства, реализуемые на предприятии: производство той или иной продукции, ее переработка, фасовка, хранение и т.д. Например, производство молока и мяса крупного рогатого скота с одновременным развитием растениеводства для обеспечения собственной кормовой базы, а также первичная обработка молока и выработка ряда молокопродуктов. При описании основных видов деятельности предприятия желательно указать их долевое или процентное соотношение в стоимостном выражении.

Далее следует указать месторасположения предприятия: город, область, район. Можно привести сведения о транспортном обеспечении предприятия:

наличии железной дороги, шоссейных магистралей, дорог местного значения и т.д. Если предприятие рассредоточено на местности (имеет ряд отделений), то в тексте следует об этом упомянуть.

В данном разделе необходимо указать форму собственности предприятия и привести сведения по его истории. Например, открытое акционерное общество (название и дата регистрации), созданное в результате слияния двух обществ открытого типа (названия), образованных на базе совхоза (название и год преобразования). При этом целесообразно проследить изменение профиля деятельности предприятия по мере его реорганизации. Здесь же необходимо описать структуру организации предприятия и управления им: привести описание всех служб и подразделений. Например, инженерной службы, находящейся в подчинении главного инженера и включающей в себя энергетическое, механическое, ремонтное, транспортное подразделения, подразделение трудоемких процессов и охраны труда. Аналогично следует рассмотреть агрономическую, зоотехническую и другие службы. При этом целесообразно подробно описать каждую службу с указанием численности соответствующих подразделений. Для повышения наглядности структуру управления предприятием можно привести в виде рисунка.

К рассматриваемому материалу вплотную примыкают кадровые вопросы.

При рассмотрении этих вопросов следует коснуться численности и квалификационного уровня занятого персонала: привести данные по количеству работников предприятия со средним, средним специальным и высшим образованием. Желательно отразить динамику кадрового состава и оплату труда.

Далее следует остановиться на экономических показателях производства.

Здесь следует привести количественную информацию по производству основных видов продукции. Например, по объему произведенного мяса и молока за год. Причем, желательно эту информацию представить в виде таблицы, отражающей динамику показателей в течение нескольких последних лет.

Важно не только привести правдивую информацию, но и грамотно пояснить ее, выявить тенденции и сделать обоснованные выводы. При этом особое внимание следует уделить тому производственному процессу, которому будет посвящен дипломный проект. Необходимо ознакомиться с уровнем механизации и автоматизации процесса, оценить его энерговооруженность, материалоемкость, фондоемкость и производительность труда. На этом этапе весьма важно выяснить величины капиталовложений и эксплуатационных затрат, характеризующих существующее производство, а также определить валовый продукт в натуральном и стоимостном выражениях.

Продолжая анализ хозяйственной деятельности предприятия, необходимо описать структуру его машинно-тракторного парка. Здесь можно указать численность различных видов используемой мобильной техники: грузовых, легковых, специальных автомобилей, автобусов, тягачей, тракторов и сельскохозяйственных машин. В этом же разделе целесообразно привести сведения по эксплуатации машинно-тракторного парка и организации работы гаража.

Отдельно следует описать работу механической или электромеханической мастерской. При этом необходимо привести характеристику их возможностей по изготовлению или ремонту элементов конструкций, узлов и механизмов. Следует описать основное оборудование, входящее в состав мастерской, а также охарактеризовать основные рабочие места.

В рамках рассматриваемого раздела необходимо хотя бы кратко описать все производственные объекты предприятия, даже не имеющие прямого отношения к автоматизируемому процессу. Например, для дипломного проекта по теме автоматизации управления микроклиматом в животноводческом помещении такими объектами могут быть кормоцеха, оборудование для машинного доения коров, системы кормления и поения животных, машины для навозоуборки и навозоудаления, биогазовые установки, аппараты для охлаждения и первичной обработки молока. Еще более кратко для нашего примера следует описывать технологические процессы растениеводства, пчеловодства, хранения и переработки продукции.

При описании техническо-экономических аспектов функционирования предприятия необходимо обратить внимание на состояние вопросов охраны труда и охраны окружающей среды. Повторяем: ничего предлагать в плане совершенствования этих вопросов здесь не надо – для этого в проекте предусмотрены специальные разделы. Пока же дипломнику необходимо разобраться с реальным положением дел на предприятие и констатировать это в повествовательной форме.

Например, рассматривая вопросы безопасности производства, можно произвести анализ травматизма и дать оценку состоянию охраны труда на предприятии. Для анализа травматизма необходимо на основе статистических данных рассчитать следующие величины:

- показатель частоты несчастных случаев Кч где N – количество пострадавших, включая смертельные случаи;

P – среднесписочное количество работающих.

- показатель частоты несчастных случаев со смертельным исходом Кчс где Nс – количество пострадавших со смертельным исходом.

- показатель тяжести травматизма Кт где Д – суммарное число человеко-дней нетрудоспособности у N1 – количество пострадавших без учета смертельных - показатель потери рабочего времени в расчете на 1000 работающих Кд - показатель частоты профзаболеваний в расчете на 10000 работающих КчБ где Б – количество заболевших профессиональными Оценку состояния охраны труда проводят по значению обобщенного коэффициента:

где Ксп – коэффициент уровня соблюдения правил охраны труда КБ – коэффициент безопасности; Квпр – коэффициент выполнения плановых работ по охране труда.

где Pс – число работающих с соблюдением правил; Pо – общее Для определения Ксп сельскохозяйственных предприятий вводят карту уровня соблюдения требований охраны труда для участков, бригад, цехов на каждый месяц.

Коэффициент безопасности КБ единицы оборудования определяется отношением числа показателей безопасности, соответствующих нормативнотехнической документации по безопасности труда Тб, к общему числу показателей безопасности, относящихся к данному оборудованию То:

Коэффициент выполнения плановых по охране труда Квпр определяется соотношением фактически выполненных В и предусмотренных П на данный период мероприятий На этом этапе необходимо проанализировать планы работ, мероприятия, предусмотренные договором или соглашением, приказы и распоряжения по предприятии., акты формы Н-1 по несчастным случаям на производстве, предписания органов госнадзора и госинспекции по охране труда, а также материалы обследования службы охраны труда.

При изучении вопросов охраны окружающей среды необходимо помнить, что абсолютно безвредных с экологической точки зрения производств не существует. Следует задуматься о специфике исследуемого процесса и попытаться выявить наиболее уязвимые места. Например, в уже рассмотренном примере дипломного проекта на тему автоматизации управления микроклиматом в животноводческом помещении такими местами могут быть:

- удаление загрязненного воздуха в результате вентиляции и его химическое и тепловое воздействие на окружающую среду;

- шум электродвигателей вентиляторов, калориферов и коммутационной аппаратуры;

- электромагнтиное излучение технических средств и его воздействие на биологические объекты;

- изоляция животных от естественных условий обитания и нанесение видового ущерба.

Обращаем внимание дипломников на то, что здесь нами учитывались только те воздействия, которые имели непосредственное отношение к искусственному микроклимату. А ведь еще существуют проблемы с навозом, с воздействием на среду дезинфицирующих и дезинсецирующих средств, с утилизацией павших животных и многие другие.

Если выбранное предприятие специализируется на производстве сельскохозяйственной продукции, оно, как правило, не сосредоточено в одном месте (здании), а занимает значительную территорию. На этой территории находятся вспомогательные сооружения, склады, жилые дома, объекты социальнокультурного назначения и т.д. Все они должны найти свое отражение в рассматриваемом разделе.

Особое внимание следует уделить вопросам водо-, электро- и теплоснабжения предприятия. Необходимо выяснить: каким образом осуществляется подача воды к производственным и социально-бытовым объектам, какое происхождение имеет вода, как организована система очистки воды и обеспечение требуемого давления. Рассматривая вопросы электроснабжения, необходимо указать марку и основные характеристики трансформаторной подстанции, уточнить категории электропотребителей объекта, выяснить состояние вопроса резервирования электроснабжения. При описании теплоснабжения предприятия следует остановиться на работе котельной. Необходимо указать количество и марки котлов, общую тепловую мощность и вид используемого топлива.

При работе над разделом авторам дипломных проектов предстоит получить максимально полное представление о предприятии. Необходимо раскрыть месторасположения значимых объектов, их удаленность друг от друга и взаимосвязь. Эти аспекты хорошо иллюстрируются генеральным планом, который часто представляется дипломниками в качестве первого листа графического материала. Генеральный план включает изображение основных объектов предприятия, которые рассматривались в настоящем разделе. Генеральный план выполняется в масштабе, с соблюдением требований к техническим чертежам. Вместе с тем, изображение большей части объектов на генеральном плане допускается в виде условных обозначений. Например, административные, жилые и производственные здания изображаются в виде прямоугольников, ограды, дороги – одинарными и двойными линиями, водонапорные станции – окружностями, леса и зеленые насаждения – символом деревьев и т.д. [19]. Следует иметь в виду, что отдельные объекты генерального плана поясняются не словами, а номерами на полках выносных линий, которые затем раскрываются в спецификации.

На генеральном плане нет необходимости подробно изображать все трубопроводы (горячей, холодной воды, газа) и линии электропередач 380/220 В на предприятии. В противном случае чертеж оказывается переполненным информацией и становится трудночитаемым. Разумеется, это не относится к тем случаям, когда спецвопрос проекта посвящается этим сетям.

В заключение следует упомянуть о том, что раздел по техникоэкономической характеристике предприятия выполняется в свободной форме. Весь приведенный выше перечень вопросов носит рекомендательный характер. В процессе работы над дипломным проектом не стоит переоценивать роль этого перечня и тратить неоправданно много времени на поиск информации по какой-то недостающей части. По согласованию с руководителем объем и содержание раздела могут быть существенно изменены.

7. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Разработку любой системы автоматизации начинают с анализа технологического процесса. Технологический процесс представляет собой совокупность целенаправленных операций, выполняемых одной или несколькими машинами. По возможности анализ технологического процесса следует производить в два этапа. На первом этапе, стараясь избегать упоминания о машинах, агрегатах и оборудовании, привести биологические основы процесса.

Например, при анализе процесса пастеризации молока подробно изложить цель и сущность пастеризации, проследить историю развития различных методов первичной обработки молока, привести количественные характеристики режимов пастеризации, произвести их сравнительный анализ. Здесь же целесообразно выявить зависимость эффективности пастеризации от тщательности выдерживания ее параметров. Например, если студент планирует заниматься автоматизацией процесса пастеризации с точки зрения поддержания температуры и продолжительности нагрева молока, то здесь необходимо уточнить и наглядно представить зависимость кислотности продукта от отклонения экспозиции.

На втором этапе анализа следует разобраться в технических средствах для реализации исследуемого процесса. Применительно к нашему примеру здесь следует привести различные схемы пастеризаторов: для порционной и поточной обработки. В этом же разделе необходимо подойти к конструкции конкретного промышленного пастеризатора. Именно того пастеризатора, работу которого предстоит автоматизировать. Следует привести подробные технические характеристики выбранного пастеризатора, изобразить его общий вид, разобраться в особенностях эксплуатации.

Вместе с тем анализ технологического процесса в два этапа возможен не всегда. В этих случаях физическая (или биологическая) сущность процесса рассматривается без отрыва от технических средств. Однако и в том, и в другом случае необходимо с максимальной точностью изучить технологию и изобразить процесс графически в виде технологической схемы.

8. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛИ

И ЗАДАЧ ПРОЕКТА

Содержание этого небольшого раздела является логическим завершением предыдущего. Действительно, анализ предложенного технологического процесса в свете основной идеи введения показал, что автоматизация представляет собой прием, обеспечивающий существенное повышение эффективности производства.

Здесь необходимо сформулировать основную цель, достигаемую автоматизацией, а также определить перечень решаемых при этом задач. Цель и задачи проекта не должны быть искусственными, надуманными. Они должны органически вытекать из требований технологического режима и оставаться недостигнутыми при использовании традиционного оборудования. Формулируя цель и задачи будущей работы, надо хорошо представлять что даст внедрение автоматизации и чем может быть обусловлен экономический эффект.

Экономическую эффективность автоматизации можно определить только после завершения проекта, когда полностью выбраны все элементы оборудования. Вместе с тем предварительное технико-экономическое обоснование должно быть сделано до начала разработки. Прежде всего необходимо определить источник экономической эффективности, то есть фактор, за счет которого она может быть достигнута. Источниками экономической эффективности могут быть:

1) повышение производительности труда;

2) высвобождение рабочей силы;

3) экономия топлива и электроэнергии;

4) экономия материалов (кормов, лекарств, удобрений, гербицидов и т.д.);

5) улучшение качества продукции, увеличение сроков хранения;

6) повышение надежности оборудования;

7) повышение уровня организации производства;

8) улучшение информации о процессе и ее использования для управления;

9) повышение продуктивности, сохранности животных и птиц;

10) экономия основных фондов.

Кроме того, автоматизация может привести к положительному социальному эффекту, заключающемуся в исключении монотонного и неквалифицированного труда. Рост производительности оборудования, экономии энергии и материалов могут привести к эффекту, эквивалентному увеличению производственной мощности, уменьшению дефицита в рабочей силе. Повышение качества продукции всегда равноценно ее количественному росту, так как ведет к экономии ресурсов. Все эти источники должны быть четко сформулированы и обоснованы.

Необходимо различать трудовой, энергетический, материальный. структурный и технологический эффекты автоматизации. На этапе техникоэкономического обоснования важно выяснить, какой из этих эффектов основной. Если эффект достигается путем повышения производительности труда и высвобождения рабочей силы, то он называется трудовым. Для его оценки необходимо подсчитать экономию заработной платы.

Если основной эффект достигается благодаря экономии топлива или электроэнергии, то его называют энергетическим. Эффект от экономии материалов является материальным. К нему также можно отнести эффект за счет повышения надежности систем автоматики. Эффекты от повышения продуктивности, качества продукции и срока ее хранения составляют технологический эффект. Наконец, структурный эффект достигается за счет того, что отпадает потребность в постоянном присутствии человека. Высвобождаются рабочие проходы, необходимые для обслуживания машин, средства механизации и автоматизации сращиваются с технологическим оборудованием, которое становится дешевле. Таким образом, структурный эффект определяется снижением капитальных затрат и по крайней мере двух составляющих эксплуатационных издержек: затрат на амортизацию и на текущий ремонт.

9. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Раздел должен включать критический обзор современных технических средств по автоматизации заданного технологического процесса.

Известно, что для автоматизации одних и тех же процессов в разное время разрабатывались и выпускались различные устройства. Например, для управления микроклиматом в картофелехранилищах могут быть использованы комплекты оборудования «ШАУ-АВ» и «Среда-1», для управления вентиляционным оборудованием в животноводческих помещениях системы «Климат-4» и «МКВАУ-3» и т.д. По существу, при написании этого раздела ведется работа с технической литературой. Однако задачей является не просто описание известных систем, а их критический анализ. При этом в первую очередь следует отмечать те недостатки существующего оборудования, которые, по мнению студента, могут быть устранены в процессе дальнейшего проектирования.

При выполнении раздела обычно возникает вопрос: насколько подробно надо описывать известные технические решения? Поскольку материал носит описательный характер, не следует перегружать объем расчетнопояснительной записки технологическими и в особенности электрическими схемами. Нет необходимости приводить данные исследовательского плана, подробные описания последовательности работы электрических схем управления, комментировать временные диаграммы работы, давать описания пультов и щитов. Вместе с тем здесь необходимо словесно описать работу оборудования и основные принципы автоматического управления. Размещенного в этом разделе материала должно быть достаточно для принятия решения о направлении проектирования.

10. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПА АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. СОСТАВЛЕНИЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ САУ

На данном этапе работы предстоит составить общее представление о принципе автоматизации технологического процесса. Необходимо найти место проектируемой САУ в общепринятой классификации. Это позволит четче формулировать текущие задачи и решительнее приступать к составлению схем. Разрабатываемую САУ необходимо классифицировать по уровню автоматизации управляемых системой функций: система децентрализованного, централизованного, автоматизированного или автоматического контроля и управления. Кроме того, САУ следует определить по виду алгоритма управления (неадаптивная, адаптивная), по назначению (контроля, защиты, технологического управления), по принципу управления (по отклонению, по возмущению, комбинированная, иерархическая), по задачам управления (стабилизации, следящая, программная), по виду структуры (замкнутая, разомкнутая), по числу контуров (одноконтурная, многоконтурная), по действия на управляющий орган (прямого, косвенного действия), по характеру установившегося состояния (статическая, астатическая, встречной компенсации, комбинированная), по характеру физических процессов (непрерывная, дискретная), по линейности (линейная, квазилинейная, релейная, цифровая).

Ответы на поставленные вопросы должны быть обоснованными, подкрепленными ссылками на предложенный технологический процесс. В результате осуществленной классификации будут вырисовываться основные взаимосвязи отдельных элементов САУ. Эти взаимосвязи должны быть отражены в функциональной схеме САУ и функциональной схеме автоматизации технологического процесса.

Методика выполнения функциональной схемы САУ изложена на стр.

33…34 [3], а функциональной схемы автоматизации технологического процесса на стр.16….25 [13].

11. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

Поскольку многие современные сельскохозяйственные технологические процессы являются довольно сложными, для создания работоспособных САУ необходимо располагать полной информацией об объекте автоматизации. Как правило, объект автоматизации задан, а проектирование системы сводится к проектированию управляющего устройства. Однако в том случае, если проектирование автоматизации проводится одновременно с технологическим проектированием, правомерно прежде сформулировать требования к самому объекту автоматизации. Для этого необходимо прежде всего выявить его статические, динамические и энергетические характеристики, а также оценить управляемость объекта и определить меры для улучшения его характеристик.

После того как возможности улучшения объекта реализованы в виде проектных предложений, рекомендуется переходить к разработке требований к управляющему устройству. С целью улучшения качества функционирования заданного технологического процесса необходимо в первую очередь выявить управляемые параметры, а также управляющие и возмущающие воздействия. Рассмотрим эту процедуру на примере управления микроклиматом животноводческого помещения.

Начнем с управляемых параметров, то есть с тех величин, совокупность которых определяет понятие «микроклимат». В это понятие входят: температура y1, влажность y2, скорость перемещения воздуха в зоне обитания животных y3, концентрация углекислого газа CO2 y4, концентрация аммиака NH y5, сероводорода H2S y6 и концентрация отрицательно заряженных ионов воздуха y7. Перечисленные параметры характеризуют микроклимат помещения и потому должны входить в список управляемых величин. Понятно, что для других объектов автоматизации управляемые параметры будут другими. Это могут быть: для птичников освещенность, для различных механизмов частота вращения или угол поворота, для излучателей плотность светового потока, для водонагревателей температура воды и т.д. Относительно простые объекты автоматизации могут характеризоваться одной управляемой величиной, более сложные целым рядом величин.

Далее следует определить управляющие воздействия. Как правило, этот вопрос решают технологи и энергетики. Однако вернемся к нашему примеру.

Чтобы обеспечить заданную температуру, необходим обогрев помещения зимой и охлаждение его летом. Ограничимся рассмотрением зимнего периода. В этом случае в зависимости от проектного решения возможен обогрев горячей водой или электрической энергией. В обоих случаях управляющим воздействием выступает искусственно сформированное количество теплоты.

Однако при обогреве горячей водой за управляющее воздействие удобно считать температуру горячей воды при постоянном расходе или расход горячей воды при постоянной температуре. Во втором случае проще за управляющее воздействие считать электрическую мощность электрокалорифера или обогреваемой панели. Обозначим это управляющее воздействие символом U1. Для обеспечения заданной влажности необходимо либо уносить влагу (при ее избытке), либо увлажнять помещение (при ее недостатке). В первом случае процессом управляют при помощи вентиляции, во втором при помощи увлажнителей. Для определенности будем иметь в виду первый вариант. Тогда в качестве управляющего воздействия придется принять расход воздуха U2. Кстати говоря, и другие управляемые величины y3...y6 также могут определяться расходом воздуха. Для управления концентрацией отрицательных ионов в воздухе используют искусственную ионизацию. Теперь управляющим воздействием является поток ионов, который легко пересчитать в напряжение на коронирующих электродах ионизатора U3.

Перейдем к выявлению возмущающих факторов. Эти факторы целесообразно разбить на две группы: контролируемые (которые возможно измерять) и неконтролируемые (которые измерять невозможно). На температуру воздуха в помещении влияют контролируемые факторы: температура наружного воздуха F1, скорость ветра F2, солнечная радиация F3, осадки F4, а также неконтролируемые: открытие дверей и ворот F5, тепловыделения трактора F6, и тепловыделения животных F7. На влажность воздуха внутри помещения влияют контролируемый фактор: влажность наружного воздуха F8 и неконтролируемый влаговыделения животных F9, на концентрацию ионов в помещении влияет неконтролируемый фактор газовыделения животных F10.

Далее необходимо оценить роль каждого фактора, их взаимовлияние и по возможности отбросить второстепенные.

На основе приведенного материала можно приступить к обоснованию требований к автоматизации:

1. Формулируют алгоритм и цели функционирования.

2. На основе алгоритма функционирования объекта формулируют алгоритм управления. Так, если в соответствии с алгоритмом функционирования требуется поддерживать постоянную температуру в пределах 20 ± 1°С, то система управления должна отключать нагрев при достижении температуры 21°С и включать его снова при снижении температуры до 19°С. При более сложном алгоритме функционировании, когда температура в помещении должна зависеть от возмущающих воздействий, необходимо выявить эту зависимость и составить алгоритм управления по возмущению.

3. Определяют, какой должна быть система по степени приспособляемости к условиям работы, то есть можно ли рекомендовать применение самонастраивающейся системы, если мы имеем дело с нестационарным объектом, динамические свойства которого изменяются во времени. К таким объектам в сельскохозяйственном производстве можно отнести теплицы (с изменением возраста растений изменяется их масса), животноводческие помещения для откорма КРС, легкие мобильные машины.

4. Выбирают систему управления по виду применяемой энергии (электрическая, пневматическая или гидравлическая) и в соответствии с этим останавливаются на группе промышленных приборов и средств автоматизации, на которой будут строится средства управления.

5. Выбирают систему по числу управляемых величин. При выборе многомерной системы следует разобраться, должны ли входящие в нее одномерные системы быть связанными или несвязанными, можно ли их рассматривать как автономные.

6. Формулируют требования к качеству переходных процессов: длительности, максимальному динамическому отклонению, колебательности и т.д. Эти требования должны определяться технологией. Если такие требования сформулировать не удается, то систему в дальнейшем оптимизируют по интегральному показателю качества.

7. Формулируют требования к точности системы. Эти требования определяются технологическим процессом. При повышенных требованиях к точности рекомендуется применять астатические системы. Надо помнить, что чрезмерное повышение точности может привести к потере устойчивости.

Следующим важным этапом является математическое описания объекта автоматизации.

Под математическим описанием (математической моделью) подразумевается совокупность уравнений и граничных условий, описывающих зависимость выходных величин от входных в установившемся и переходном режимах. В связи с этим различают математические модели двух классов:

- установившегося режима (статическая модель);

- переходного режима (динамическая модель).

Динамические модели имеют вид уравнений, описывающих изменение во времени выходных величин объектов в зависимости от изменения входных. Эти уравнения, как правило, записывают в дифференциальной форме.

Их частный случай дифференциальные уравнения нулевого порядка (алгебраические уравнения) описывают установившийся режим. Таким образом, в общем случае математической моделью объекта автоматизации с m входными (U1, U2,...,Um ) и n выходными координатами (y1, y2,..., yn) называют совокупность уравнений y = F( U; a), однозначно описывающих поведение величины y при заданных значениях U и a, где a характеристика объекта автоматизации.

Математическая модель может быть получена аналитическим или экспериментальным методом. В последнем случае она может быть детерминированной (выходная величина однозначно определяется входной) или статистической (входное воздействие носит случайный характер).

Дифференциальные уравнения простых объектов автоматизации можно составить, используя закономерность происходящих в них физических явлений. Такими закономерностями могут быть закон сохранения энергии (при управлении температурой), законы электротехники и т.д. Уравнения статических и переходных режимов составляют на базе уравнений балансов вещества и энергии.

При составлении дифференциальных уравнений сложного объекта он должен быть расчленен на ряд простейших элементов, соединенных последовательно. Для каждого из этих элементов составляют математическую модель статики или динамики, а затем получают дифференциальное уравнение объекта, исключая промежуточные величины. Во многих случаях уравнения объектов нелинейны, и поэтому дифференциальные уравнения систем тоже нелинейны и подлежат линеаризации. С целью упрощения задачи при аналитическом методе построения математической модели допускают определенные упрощения (пренебрегают распределенностью параметров, исключают некоторые неконтролируемые возмущающие воздействия и т.д.).

В качестве примера рассмотрим процесс вентиляции животноводческого помещения объемом V с содержанием диоксида углерода Cо (%) при производительности a (м3/мин). Входная величина объекта производительность вентиляторов, выходная концентрация диоксида углерода в помещении.

Обозначим содержание диоксида углерода воздухе в момент времени t через x(%). Составим за промежуток времени dt (мин), прошедший от момента t, баланс диоксида углерода, содержащегося в помещении. За это время вентиляторы доставили в помещение количество воздуха, равное 0,01 Cоadt.

Следовательно, всего за период dt количество диоксида углерода (м3) в воздухе уменьшилось на dV=(0,01x- 0.01Cо) adt.

Обозначив через dx процентное уменьшение количества диоксида углерода в воздухе, это же количество можно подсчитать по другой формуле:

Приравнивая между собой оба выражения для dV, составляем дифференциальное уравнение:

Разделяя переменные, находим Чтобы получить такое простое уравнение, пришлось допустить, что концентрация диоксида углерода во всех частях помещения в каждый момент времени одинаковая, то есть чистый воздух смешивается с загрязненным практически мгновенно.

12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

12.1. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ САУ

На принципиальной схеме все элементы системы изображаются в соответствии с условными обозначениями во взаимосвязи между собой. Из принципиальной схемы должен быть ясен принцип ее действия и физическая природа протекающих в ней процессов. Принципиальные схемы могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими, кинематическими и комбинированными. Элементы принципиальных схем следует изображать в соответствии со стандартом. Изображение элементов должно соответствовать выключенному состоянию (обесточенному, при отсутствии избыточного давления, вращающего момента и т.п.) всех цепей схемы и при отсутствии внешних воздействий. Схема должна быть логически последовательной и читаться слева направо и сверху вниз. Каждому элементу принципиальной схемы присваивают буквенно-цифровое обозначение. Буквенное обозначение обычно представляет собой сокращенное наименование элемента, а цифровое в порядке возрастания и в определенной последовательности условно показывает нумерацию элементов, считая слева направо и сверху вниз. Для сложных схем, как правило, расшифровывают сокращенные буквенные и цифровые обозначения.

В подавляющем большинстве случаев в современных САУ используется электрическая энергия. Причем электроэнергия присутствует и в силовых частях (для питания электронагревателей, осветительных приборов, электродвигателей и др.), и в цепях управления (в релейно-контактных схемах, схемах на логических элементах, микропроцессорах). Поэтому в основном для иллюстрации работы САУ применяются принципиальные электрические схемы.

При разработке САУ технологическими процессами принципиальные электрические схемы обычно выполняют применительно к отдельным самостоятельным установкам или участкам системы, например, изображают схему управления запорной задвижкой, схему дистанционного управления насосом, схему сигнализации уровня жидкости в резервуаре и т.д. На основании таких схем составляют полные электрические схемы, охватывающие комплекс установок или агрегатов и дающие полное представление о связях между всеми элементами устройств управления, блокировки, защиты и сигнализации. Примером схем такого вида может служить принципиальная электрическая схема управления водонапорной станцией, состоящей из основного насоса, измерителей уровня, схемы включения насоса, цепей контроля, сигнализации, а также блокировочных устройств, обеспечивающих отключение питания при неполнофазном режиме и при отсутствии воды в скважине.

Разработка принципиальных электрических схем всегда содержит определенные элементы творчества и требует умелого применения типовых функциональных узлов, оптимальной компоновки их в единую схему с учетом удовлетворения предъявляемых к схемам требований, а также возможного упрощения и минимизации схем. В практике проектирования принципиальных электрических схем наряду с требованиями обеспечения минимальных капитальных затрат, уменьшения сроков и стоимости монтажных работ, а также минимальных эксплуатационных расходов сформировались дополнительные требования: схемы должны обеспечивать высокую надежность, простоту и экономичность, четкость функционирования при аварийных режимах, и удобство эксплуатации.

Принципиальные электрические схемы обычно разрабатывают в следующей последовательности:

1. На основании функциональной схемы автоматизации технологического процесса составляют четко сформулированные технические требования, предъявляемые к электрической части.

2. Применительно к сформулированным требованиям устанавливают условия и последовательность действия схемы.

3. Каждое из заданных условий действия схемы изображают в виде тех или иных элементарных цепей, отвечающих данному условию действия.

4. Элементарные цепи объединяют в одну общую схему.

5. Производят выбор аппаратуры и электрический расчет параметров отдельных элементов (сопротивлений обмоток реле, нагрузки контактов и т.п.).

6. Схему корректируют в соответствии с возможностями принятой аппаратуры.

7. Проверяют схему с точки зрения возможности возникновения ложных цепей или ее неправильной работы при повреждениях элементарных цепей или контактов.

8. Рассматривают возможные вариантные решения и принимают окончательную схему применительно к имеющейся аппаратуре.

Все элементы на принципиальных электрических схемах изображают в виде условных графических обозначений. При этом допускается пропорциональное увеличение или уменьшение размеров обозначений. Условные графические обозначения в схемах выполняют совмещенным или разнесенным способом. При совмещенном способе составные части элементов изображают на схеме в собранном виде, со всеми их катушками, контактами и другими частями. При этом соединения выполняют от аппарата к аппарату, а сами аппараты на схеме располагают таким образом, чтобы соединения получались наиболее простыми и наглядными. При разнесенном способе условные графические обозначения составных частей элементов располагают в разных местах схемы таким образом, чтобы отдельные цепи изделия были изображены наиболее наглядно. В этом случае принципиальная электрическая схема состоит из ряда цепей, расположенных слева направо или сверху вниз в порядке последовательности действия отдельных элементов схемы во времени.

Предпочтительно располагать отдельные цепи в горизонтальной строке, для того чтобы они читались слева направо, а вся схема в целом сверху вниз, аналогично чтению текстового материала.

Все линии связи между аппаратами на принципиальных электрических схемах должны быть показаны по возможности полностью. Если их графическое изображение затрудняет чтение схемы, то линии связи допускается обрывать. Обрыв линии при этом заканчивается стрелками. Толщина линий электрической связи на схемах зависит от форматов схемы и размеров условных графических обозначений и должна быть в пределах 0,2…0,6 мм. Рекомендуемая толщина линий электрической связи 0,3…0,4 мм. Главные (силовые) цепи на чертежах принципиальных электрических схем обычно выполняют в развернутом виде в многолинейном изображении. Для наглядности силовые цепи и их элементы рекомендуется выделять более толстыми линиями.

Схемы управления, регулирования, защиты, измерения и сигнализации должны выполняться с изображением всех фаз переменного тока или обоих полюсов постоянного тока. Элементы аппаратов, входящих в схему, следует соединять короткими, легко обозреваемыми линиями с возможно меньшим числом пересечений.

Катушки магнитных пускателей и реле желательно располагать по одной или нескольким вертикальным линиям при горизонтальном начертании отдельных цепей или по одной или нескольким горизонтальным линиям при вертикальном начертании. Контакты реле, переключателей и других аппаратов также рекомендуется располагать по одной или нескольким вертикальным иди горизонтальным линиям. Если электрическая схема не помещается по длине в пределах одной вертикальной колонки, то она может быть размещена в нескольких колонках.

При наличии в принципиальной электрической схеме однотипных цепей допускается приводить первую, вторую и через разрыв в линии связи последнюю, при этом необходимо учитывать цифровое обозначение опущенных цепей. К условному буквенно-цифровому обозначению элементов схемы, применяемой для нескольких агрегатов, слева добавляют цифру, соответствующую номеру агрегата или системы. Об этом обязательно делают отдельную запись в примечании (например, 1КМ5 обозначает пятый магнитный пускатель в схеме управления первым агрегатом). При наличии в схеме приборов, регулирующих процесс по определенному закону, в поясняющем тексте указывают значения настроечных параметров (коэффициент пропорциональности, время изодрома, предварения и др.), а если эти параметры неизвестны, то приводят их ориентировочные значения с указанием того, что они подлежат уточнению при пусконаладочных работах.

Неразъемные соединения изображают на схеме темными точками диаметром несколько большим, чем толщина линий, разъемные светлыми точками диаметром 1,5…2 мм.

Против каждой цепи управления с правой стороны (или внизу) схемы, на расстоянии 10…15 мм от линии питающего участка делают поясняющую надпись, оформленную в виде таблицы. Эти надписи должны быть краткими, четкими и пояснять назначение или наименование операции рабочего цикла с указанием его длительности, например: «Пуск агрегата витаминной муки АВМ», «Реле контроля состоявшегося пуска агрегата АВМ, 60 с». Над схемой управления указывают значения напряжения и род тока, который питает цепь управления.

Каждую цепь управления нумеруют. Номер цепи проставляют слева у линии питающего участка против нумеруемой линии сверху вниз и слева направо. Под каждым контактом (или слева от него), управляемым реле, проставляют номер цепи, в которую оно включено. А в таблице поясняющих надписей в зоне наличия контактов проставляют номера цепей, в которые включены главные контакты реле.

Для всех электрических приборов и аппаратов, имеющих контактные системы, которые настраиваются и работают в зависимости от протекания технологического процесса или устанавливаемого режима, вычерчивают диаграммы замыкания контактов. Над каждой диаграммой указывают наименование аппарата или прибора. Например, «Диаграмма замыкания контактов универсального переключателя А1» или «Диаграмма замыкания контактов путевых выключателей...».

Каждому элементу принципиальных электрических схем присваивают условное позиционное обозначение, которое характеризует наименование аппарата или устройства и его функциональное назначение (двухбуквенный код по ГОСТ 2.710-81). Для маркировки рекомендуется применять следующие группы чисел:

- цепи управления, регулирования, измерения - основная группа 1…399, резервная 1001…1399, 2001…2399 и т.д.;

- цепи сигнализации основная 800…999, резервная 1400…1799, 2400…2799 и - цепи питания основная 800…999, резервная 1800…1999, 2800…2999 и т.д.

Информацию о примененной в принципиальной электрической схеме аппаратуре приводят в перечне аппаратуры, который помещают над основной надписью и заполняют сверху вниз с разбивкой аппаратуры по признаку места установки ее, а именно: «щит насосной станции», «щит релейный», «аппаратура по месту». Внутри выделенной группы аппаратуру располагают по признакам функциональных групп, например: «аварийная сигнализация», «устройство мигающего света», «блок питания».

Одним из главных проектных документов САУ современными технологическими процессами являются принципиальные электрические схемы питания средств автоматики. Главное требование, предъявляемое к системам электропитания, надежность (бесперебойность) обеспечения энергией, качество электроэнергии, экономичность, удобство и безопасность обслуживания. В разрабатываемых САУ следует по возможности применять напряжения, принятые в распределительных сетях системы электроснабжения автоматизируемого объекта. На зажимах электроприемников систем автоматизации допускаются следующие отклонения напряжения (если нет других указаний):

- на зажимах контрольно-измерительных приборов, регулирующих устройств и т.д. не более ± 5% номинального;

- на зажимах электродвигателей исполнительных механизмов от -5 до +10%;

- на зажимах электроламп систем сигнализации от -2,5% до +5%;

- на зажимах аппаратов управления (катушки реле, пускателей и т.д.) не более указанных заводами-изготовителями или при отсутствии указаний от-5 до +10%;

Вопрос о необходимости резервирования в системе электропитания средств автоматики следует решать с учетом резервирования в системе электроснабжения объекта с соблюдением следующих положений:

1. Число независимых вводов к системам электропитания должно быть равно числу независимых вводов, питающих объект в целом. Если на объекте имеются потребители различных категорий, то электроприемники системы электропитания средств автоматики относятся к потребителям высшей категории.

2. Пропускную способность каждой питающей линии системы электропитания средств автоматики определять по стопроцентной нагрузке данной системы.

3. Режим работы питающих линий системы электропитания средств автоматики применять таким же, каким является режим самого источника питания.

4. Предусматривать устройства автоматического ввода резерва непосредственно в системах электропитания средств автоматики в случаях, когда питающие линии этих систем проложены в неблагоприятных условиях или имеются другие факторы, способствующие возникновению в них повреждений В качестве источников питания управляющих устройств, как правило, используют распределительные щиты системы электроснабжения автоматизируемого объекта. Источник питания должен иметь достаточную мощность и обеспечивать требуемое напряжение у электроприемников. Следует разделять питание двигательной нагрузки САУ и схем контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации. Если обеспечить перечисленные требования невозможно, в схемах питания предусматривают специальные меры, например повышение, стабилизациию напряжения и т.д.

Схемы питания разрабатывают после того, как завершена разработка принципиальных схем управления и выбраны все необходимые элементы.

Затем классифицируют блоки и элементы по роду тока и напряжению питания. Все элементы разбивают на группы, требующие питания постоянным или переменным током, напряжением промышленной, повышенной или высокой частоты, однофазным или трехфазным. Выделяют необходимые напряжения и требования к их стабильности.

В общем случае чертежи схем питания должны содержать:

1) питающие сети;

2) распределительные сети;

3) аппаратуру коммутации источников питания и потребителей электроэнергии;

4) аппаратуру защиты;

5) преобразователи частоты;

6) аппаратуру понижения (повышения), выпрямления и стабилизации напряжения;

7) аппаратуру измерения и контроля;

8) название потребителей;

9) общие пояснения и приложения.

В последнее время на практике широкое применение нашел модульный принцип изготовления блоков питания. При этом собирают следующие модули:

- модуль выпрямителей;

- модуль фильтров;

- модуль стабилизации напряжения;

- понижающий трансформатор;

- измерительную и управляющую аппаратуру.

Графический материал схемы питания располагают в левой стороне листа, а текстовый в нижней части листа и справа. Схему блока питания вычерчивают только в вертикальном изображении цепей, то есть вниз от питающих линий до потребителей, под которыми располагают таблицу поясняющих надписей.

При разработке принципиальных схем САУ может оказаться полезным материал, изложенный в [22] и [26].

12.2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИКИ

При проектировании САУ сельскохозяйственными технологическими процессами необходимо использовать, как правило, серийно выпускаемые приборы, средства автоматики и микропроцессорную технику. Выбор аппаратуры управления, контроля, сигнализации, защиты и блокировки осуществляется по следующим условиям:

- выбранная аппаратура должна в полной мере удовлетворять функциональным требованиям и режиму управления (ручной, автоматический);

- номинальное напряжение, сила и род тока должны соответствовать расчетным значениям;

- число полюсов и порядок их включения, наличие блок-контактов и их исполнение должны соответствовать расчетным;

- конструктивное исполнение аппаратов должно соответствовать условиям среды;

- защитные аппараты должны обеспечивать надежную защиту цепей управления и принцип селективности.

Исходя из перечисленных условий, составляется техническая характеристика аппаратуры, а затем по каталогам выбирается соответствующий тип устройства, рекомендованного для использования в сельском хозяйстве. Техническая характеристика на аппаратуру составляется на основании функциональной схемы автоматизации технологического процесса и принципиальной электрической схемы. При этом должны быть приняты во внимание режимы работы технологического оборудования: нормальный, разгонный выведение на нормальный режим или остановка процесса, анормальный нарушение нормального хода процесса, аварийный при ошибочных действиях персонала или нарушении электроснабжения.

Например, терморегулятор в принципиальной схеме управления вытяжной вентиляцией «Климат-4» должен обеспечивать ступенчатое (с дифференциалом 1…5оС) включение и отключение трех групп вентиляторов на шкале температур от 10 до 20 оС. В случае прекращения теплоснабжения одна группа вентиляторов должна продолжать работу независимо от температуры. При пожаре вентиляция должна отключиться полностью и т.д.

Выбор аппаратуры на другое напряжение производится только в случае ограничения технических возможностей. При этом устройство или параметры блока питания должны быть скорректированы. Род тока (постоянный, переменный, одно- или трехфазный) выбирается так же, как и напряжение, по номиналам источника питания. Число полюсов коммутирующих аппаратов и порядок их работы определяются в результате подсчета количества подключенных к ним функционально разделенных цепей прямого и инверсного порядка. Для многопозиционных переключателей результаты этого подсчета сводят в диаграмму. Характеристика среды дается для групп аппаратов, устанавливаемых в тех или иных местах или в шкафах. Приборы и аппараты, устанавливаемые по месту, подвергаются воздействию окружающей среды (вибрации, местных температурных полей, влаги и т.д.). Для шкафов принимаются условия помещений, где они установлены, а для приборов и аппаратов, установленных внутри шкафов, принимаются условия, соответствующие исполнению шкафов.

Охарактеризуем некоторые особенности по выбору и расчету наиболее распространенных технических средств.

12.2.1. Выбор контрольно-измерительных приборов Помимо учета вышеперечисленных общих требований при выборе контрольно-измерительных приборов необходимо принимать во внимание условия контроля и измерения, размеры и характер контролируемого объекта, расстояние между точкой измерения и вторичным прибором и механические воздействия. Кроме того, должны быть выдержаны требования по точности, чувствительности и инерционности, а также соблюдены условия охраны труда. Необходимо стремиться применять унифицированную аппаратуру (приборы одной информационной системы, одного завода-изготовителя), что облегчит обслуживание системы и позволит сократить количество запасных приборов и средств автоматики. При выборе контрольно-измерительных приборов необходимо руководствоваться следующими метрологическими показателями:

- для контроля и регулирования производственных процессов с высокой степенью точности следует применять приборы класса точности 0,2 (погрешность ± 0,2%) со стандартной шириной поля записи 250 мм;

- для измерения, регистрации и регулирования технологических процессов, допускающих применение приборов средней точности измерения и записи, необходимо использовать приборы класса точности 0,5 (погрешность ± 0,5%) со стандартной шириной поля записи 160 мм;

- для мнемонических схем, пультов, а также контроля и сигнализации в системах автоматического управления, не требующих высокой точности, рекомендуются приборы класса точности 1 (погрешность ±1%) с шириной поля записи 100 мм;

- шкалы показывающих и самопишущих приборов выбирают таким образом, чтобы характерные значения измеряемых величин укладывались во вторую половину или последнюю треть шкалы; в некоторых случаях допустимо использовать несколько приборов с разными шкалами для контроля одной и той же величины при разных режимах работы (например, температуры теплоносителя в сушилках при разных режимах сушки продуктов).

При выборе контрольно-измерительных приборов необходимо учитывать их инерционность, которая должна быть значительно меньше инерционности объекта:

изм и об величины чистого запаздывания контрольногде измерительного прибора и объекта соответственно;

Tизм и Tоб постоянные времени контрольно-измерительного прибора и объекта соответственно.

Сведения о большинстве современных контрольно-измерительных приборов можно найти в [24].

В современных САУ сельскохозяйственными технологическими процессами находят применение регуляторы как непрерывного, так и позиционного действия.

Среди регуляторов непрерывного действия наибольшее распространение получили пропорциональные (П-), интегральные (И-), пропорциональноинтегральные или изодромные (ПИ-), пропорционально-дифференциальные (ПД-), а также пропорционально-интегрально-дифференциальные или изодромные с предварением (ПИД-) законы регулирования. На сегодняшний день известен целый ряд методик по выбору оптимальных регуляторов. Однако всех их объединяет необходимость предварительного математического описания объектов автоматизации и обязательность наличия информации о требуемых показателях качества управления.

Напомним, основными достоинствами П-регулятора являются быстродействие и большой запас устойчивости процесса. Благодаря этим качествам регулятор можно использовать в тех случаях, когда в объекте отсутствует самовыравнивание и наблюдаются частые и резкие возмущающие воздействия. В то же время П-регулятору присуще остаточное отклонение (статическая ошибка), что снижает точность управления. К достоинствам Ирегулятора следует отнести его точность, а также возможность использования с объектами, в которых допускаются значительные колебания нагрузки.

Недостаток И-регулятора заключается в замедленности действия. В этой связи его рекомендуется применять в объектах с самовыравниванием, небольшим запаздыванием и допускающих хоть и значительные, но в то же время плавные и редкие колебания нагрузки. ПИ-регуляторы можно применять для объектов как с самовыравниванием, так и без него в тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования при больших, но плавных изменениях нагрузки. ПД-регуляторы могут иметь либо прямое, либо обратное предварение, то есть сигнал на выходе регулятора может соответственно либо опережать входной, либо отставать от него. ПД-регуляторы промышленность выпускает в виде специальных приставок, предназначенных для уменьшения колебаний и ускорения затуханий переходных процессов в САУ. Для объектов с большой постоянной времени рекомендуется применять блоки с прямым предварением, а для объектов с малой постоянной времени с обратным. ПИДрегуляторы рекомендуется применять на объектах, не допускающих статической неравномерности. У таких объектов нагрузка меняется часто и резко.

При этом объекты могут иметь значительное запаздывание.

Выбранный закон регулирования, а следовательно, и регулятор должны обеспечить один из типовых переходных процессов. Однако в зависимости от значений параметров настройки регулятора количественные показатели режимов работы САУ могут быть разными. Поэтому следующим этапом проектирования является расчет коэффициента передачи, времени изодрома и времени предварения регулятора.

Подробное изложение методики выбора закона регулирования и параметров настройки непрерывных регуляторов можно найти на стр.116… [13].

Характер переходного процесса нелинейных систем с позиционными регуляторами определяется статической характеристикой релейного элемента, а также видом объекта (статический, астатический, с запаздыванием, без запаздывания). Если в проектируемой САУ используется двухпозиционный регулятор с гистерезисной статической характеристикой, а объект автоматизации обладает инерционностью, то управляемая величина может начать изменяться по периодическому закону. В этом случае в системе образуется автоколебательный режим, параметры которого подлежат расчету. Чтобы повысить точность работы САУ, в контур регулирования вводят дифференцирующие элементы, а релейный регулятор охватывают инерционной положительной обратной связью. Сделать это можно следующим образом. Если в схеме имеется датчик, реагирующий на отклонение управляемой величины, то помимо него в схему включают датчик, реагирующий на скорость этого отклонения.

Суммарный сигнал должен попасть в регулятор, и он срабатывает с упреждением, компенсируя влияние запаздывания объекта.

К датчикам САУ предъявляют следующие требования: линейность и однозначность статической характеристики (допускаемая нелинейность не должна превышать 0,1...3%), высокие чувствительность (крутизна) и разрешающая способность, стабильность характеристик во времени, быстродействие; устойчивость к химическим воздействиям контролируемой и окружающей среды (первичные преобразователи заключены в защитные оболочки), высокая перегрузочная способность; взаимозаменяемость однотипных устройств, минимальное обратное влияние на контролируемый параметр; удобство монтажа и обслуживания.

Как правило, датчик выбирают в два этапа. На первом этапе определяют разновидность датчика по роду контролируемого параметра. На втором этапе, когда выбраны все элементы САУ, по каталогу находят типоразмер датчика. При этом датчик рекомендуется подбирать таким образом, чтобы измеряемая величина находилась в пределах 1/3...2/3 диапазона его измерения.

Особое внимание необходимо обращать на быстродействие (инерционность) датчиков.

Информация о большинстве современных датчиков приводится в [24].

12.2.4. Выбор исполнительных механизмов В сельскохозяйственном производстве наибольшее распространение получили электрические исполнительные механизмы, которые подразделяются на электромагнитные (соленоидные приводы) и электродвигательные.

Соленоидные приводы управляют различными регулирующими и запорными клапанами, вентилями и золотниками, работающими по дискретному принципу «открыто-закрыто». Их выбор сводится к расчету катушки электромагнита по напряжению и развиваемому тяговому усилию. Электродвигательные исполнительные механизмы подразделяют на одно- и многооборотные К однооборотным относятся механизмы типа МЭОБ, МЭОК, ДРМ, ДР-1М, ИМ-2/120, ИМТМ-4/2,5 и другие, а к многооборотным механизмы вращательного действия типа МЭМ, двигатели постоянного тока типа МИ.СП, ДПМ, асинхронные двухфазные двигатели типа ДНД, АДТ, АДП и т.п. Если ход запорно-регулирующих органов прямолинейный, то применяют исполнительные механизмы типа МЭП.

Особенность однооборотных исполнительных механизмов заключается в том, что выходной вал проворачивается с постоянной скоростью на угол, не превышающий 360о. Так, например, для механизма типа МЭО-4/100 максимальный угол поворота выходного вала составляет 90 или 240о [14].

Электродвигательные исполнительные механизмы выбирают в зависимости от значения момента, необходимого для вращения поворотных заслонок:

где k - коэффициент, учитывающий затяжку сальников и загрязненность трубопровода, k = 2...3.

Mр - реактивный момент, обусловленный стремлением потока вещества закрыть заслонку;

Mт - момент трения в опорах.

где Pро перепад давления на заслонке (рекомендуется при расчете принимать Pро, равным избыточному давлению перед заслонкой);

Dy диаметр заслонки.

Момент трения в опорах:

где Pи избыточное давление перед заслонкой;

rш радиус шейки вала заслонки;

коэффициент трения в опорах, =0,15.

Необходимо следить за тем, чтобы момент вращения на валу выбираемого исполнительного механизма был не меньше момента, необходимого для вращения заслонки.

По принципу воздействия на объект регулирующие органы подразделяются на дросселирующие и дозирующие. Так, при регулировании потоков газа и жидкостей применяют различные дроссельные заслонки, клапаны, шиберы и т.д., а при регулировании расхода сыпучих материалов тарельчатые и скребковые питатели, секторные затворы, дозаторы и т.д. В зависимости от конструктивных особенностей каждый регулирующий орган можно определить тремя качественными показателями:

- пропускной способностью K;

- пропускной характеристикой, устанавливающей зависимость пропускной способности K от перемещения S затвора при постоянном перепаде давления;

- расходной характеристикой (зависимостью в рабочих условиях относительного расхода среды от степени открытия регулирующего органа: = Q1/Qmax, где Q1 расход среды, при некотором положении регулирующего органа;

Qmax расход среды при полностью открытом регулирующем органе) [14].

При выборе регулирующего органа в первую очередь необходимо оценить его расходную характеристику, которая для большинства автоматических систем должна быть линейной и однозначной. Это требование определяется тем, что тангенс угла наклона касательной к расходной характеристике равен коэффициенту передачи регулирующего органа.

Известно, что коэффициент передачи разомкнутой САУ можно представить произведением:

где Kр коэффициент передачи регулятора;

Kро коэффициент передачи регулирующего органа;

K коэффициент передачи остальных элементов разомкнутой САУ.

При проектировании САУ регулятор подбирают с таким значением Kр, при котором Kро будет оптимальным. Компенсируя возмущение в системе, регулирующий орган будет занимать различные положения. Если его расходная характеристика линейная, то Kро= const, и при всех режимах качество регулирования будет оптимальным. Если же расходная характеристика регулирующего органа нелинейная, то это требование выполняться не будет. В связи с этим особые требования предъявляются к кинематике сочленения регулирующего органа с исполнительным механизмом. Ее подбирают такой, чтобы компенсировать нелинейность расходной характеристики. Другой дефект расходной характеристики регулирующего органа, который также необходимо учитывать при проектировании систем автоматики, ее неоднозначность, носящая гистерезисный характер. Причиной этого являются зазоры.

Допускается гистерезис с шириной петли не более 3…5 % рабочего хода регулирующего органа.

12.3. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ САУ В начале выполнения настоящего раздела необходимо сформулировать цель предстоящей работы. По существу, здесь возможны только два альтернативных варианта.

Во-первых, расчет может носить проверочный (или аналитический) характер, при котором на основе функциональной схемы САУ составляется ее структурная схема, а затем она подвергается всестороннему исследованию.

Выбирая этот вариант, необходимо помнить, что анализ САУ на удовлетворение требованиям к устойчивости и качеству работы потребует наличия информации обо всех звеньях структурной схемы. При этом нужно знать не только функциональные назначения и особенности звеньев, но и их статические и динамические характеристики. И если статические характеристики могут быть представлены в виде графиков, то для задания динамических характеристик потребуются дифференциальные уравнения или передаточные функции.

Во-вторых, расчет может быть проектным (или синтетическим). При выполнении этого расчета необходимо располагать точной информацией только об одном звене системы объекте автоматизации, а также уметь сформулировать требования к показателям качества проектируемой САУ.

Далее, пользуясь одной из многочисленных методик, необходимо подобрать (рассчитать) математические описания управляющего устройства и его составных частей. Завершается расчет выявлением оптимального закона управления, реализуемого регулятором. Используя синтетический метод расчета, можно избежать риска получения негативного результата, который всегда имеется при аналитическом подходе.

Напомним основные этапы расчета.

Статические характеристики звеньев задаются графически. Здесь необходимо обратить внимание на линейность этих характеристик. Если характеристики линейны, для их математического описания достаточно уравнений прямых или коэффициентов передачи. Если характеристики нелинейны, необходимо предпринять меры к их обоснованной линеаризации или смириться с нелинейностью и выбрать математический язык для их описания. Это могут быть z-, w-преобразования или другие математические языки. Если в системе имеются явно выраженные нелинейные звенья, а другие ее звенья обладают инерционностью, то в такой системе возможно образование автоколебаний.

Тогда дальнейший расчет будет сводиться к анализу этих автоколебаний, то есть к определению их амплитуды и частоты. Здесь можно воспользоваться методом гармонической линеаризации [14], а для несложных типовых сочетаний характеристик линейных и нелинейных звеньев готовой таблицей [12].

При известных передаточных функциях звеньев САУ и схеме их соединения следует определить общее математическое описание системы (передаточную функцию). Затем, построив логарифмическую частотную характеристику или выделив характеристическое уравнение и воспользовавшись специальными критериями, необходимо определить устойчивость САУ. При недостижении устойчивости в результате первичного расчета можно попытаться получить желаемый результат параметрической коррекцией [7].

Достигнув устойчивости САУ, следует переходить к оценке качества ее работы. Здесь можно порекомендовать построение кривой переходного процесса с последующим определением соответствующих показателей [4,22].

Оценку качества работы САУ можно произвести и по коэффициентам ошибок в установившемся режиме, по скорости и по ускорению [2]. И вновь при недостижении требуемых показателей необходимо прибегать к параметрической или структурной коррекции.

Значения требуемых показателей качества работы САУ определяются из требований технологического процесса. Далее, зная передаточную функцию объекта автоматизации, подбирается передаточная функция оптимального управляющего устройства. Это можно сделать аналитически [8], задаваясь мерой глубины оптимизации. С целью упрощения выбора оптимального управляющего устройства для одноконтурной аналоговой САУ по известной передаточной функции объекта автоматизации и значениям допустимых коэффициентов ошибок можно воспользоваться готовой таблицей [3]. Учитывая, что управляющее устройство состоит из ряда элементов (например, последовательно соединенных датчика, регулятора, исполнительного механизма и регулирующего органа), полученный алгоритм управления необходимо привести к собственно регулятору:

Wрег.опт.(P) = Wуу опт.(P)/ Wдатч.(P) Wи.м.(P) Wр.о.(P) Известны и упрощенные методики определения передаточных функций регуляторов [14].

12.4. РАЗРАБОТКА ПУЛЬТОВ И ЩИТОВ УПРАВЛЕНИЯ. ВЫБОР

ПРОВОДОВ И ПУСКО-ЗАЩИТНОЙ АППАРАТУРЫ

Средства контроля, сигнализации и управления размещают в специальных щитах и пультах, что позволяет не только сконцентрировать их в одном месте, но и предохранить от вредных воздействий. Аппаратуру в щитах и пультах размещают на поворотных рамах, устанавливаемых внутри и на фасадных панелях.

При выборе типа щитов, пультов и места их установки следует руководствоваться следующим:

- панельные щиты предназначены для установки в в специальных щитовых помещениях (диспетчерских, аппаратных и т п.) с доступом туда только обслуживающего персонала;

- шкафные щиты предназначены для установки непосредственно в производственных помещениях;

- исполнение щитов и пультов, а также аппаратов и приборов, устанавливаемых на них, должно отвечать условиям окружающей среды производственного или щитового помещения [9] Для определения размеров щитов и пультов необходимо:

- уточнить вид, количество и размеры устанавливаемой в каждом щите (пульте) аппаратуры;

- распределить приборы, аппараты по монтажным панелям щита (пульта);

- составить схему размещения каждой монтажной панели с учетом правил расположения приборов и аппаратов, а также монтажных промежутков;

- по максимальным размерам панелей выбрать требуемые размеры щита (пульта).

В настоящем разделе проекта необходимо провести детальный выбор (по схемам размещения по всем панелям) основного щита (пульта), а характеристики остальных щитов оформить в виде таблицы.

Подробную информацию по номенклатуре выпускаемых щитов (пультов) можно получить в [6].

В проекте должна быть разработана следующая документация, обеспечивающая надежный монтаж: