[ С Р Е Д Н Е Е ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Л. И. СЕЛЕВЦОВ, А. Л. СЕЛЕВЦОВ
АВТОМАТИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
УЧЕБНИК
Рекомендовано
Федеральным государственным учреждением
«Федеральный институт развития образования»
в качестве учебника для использования в учебном процессе
образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования Регистрационный номер рецензии 494 от 02 июля 2009 г. ФГУ «ФИРО»
2 е издание, исправленное УДК 658.562.3(075.32) ББК 30.6я723 C29 Р е ц е н з е н т ы:
преподаватель общетехнических дисциплин Московского пищевого колледжа № 33 О. Н. Белялова;
кандидат технических наук, председатель технического совета ОАО компании «Юнимилк» Санкт-Петербургского молочного комбината В. Ф. Поляков Селевцов Л.И.
С29 Автоматизация технологических процессов : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Л. И. Селевцов, А. Л. Селевцов. — 2-е изд., испр. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 352 с.
ISBN 978-5-7695-9438- Рассмотрены методы контроля технологических параметров, устройство контрольно-измерительных приборов, свойства объектов управления и элементы автоматического управления технологическими процессами в пищевом производстве, конструкция и принцип действия технических средств систем автоматического управления, а также их монтаж. Приведены правила выполнения схем автоматизации для вспомогательных и основных технологических производств в пищевой промышленности.
Учебник может быть использован при изучении общепрофессиональной дисциплины ОП.05. «Автоматизация технологических процессов» в соответствии с ФГОС СПО для специальности 260103 «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий».
Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования.
УДК 658.562.3(075.32) ББК 30.6я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Селевцов Л.И., Селевцов А.Л., 2012, с исправлениями © Образовательно-издательский центр «Академия», © Оформление. Издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-9438- Введение Автоматикой называется отрасль науки, изучающая теорию и принципы построения систем управления производственными процессами, действующих без непосредственного участия человека. Как область науки, автоматизация возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой были заложены в работах Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышеградского (1872 — 1878), А. Стодолы (1898) и др. В самостоятельную научно-техническую дисциплину оформилась в 1940-х гг.
Автоматизация производства — это процесс в развитии машинного производства, при котором функции контроля и управления, ранее выполнявшиеся человеком, передаются техническим устройствам (средствам и приборам автоматизации).
К первым автоматическим устройствам относятся автоматический регулятор уровня воды в паровом котле, изобретенный в 1765 г.
русским механиком Н. И. Ползуновым, и регулятор частоты вращения кривошипа в паровой машине английского механика Дж. Уатта (1784).
Цели автоматизации производства следующие: сокращение численности обслуживающего персонала, иногда при снижении уровня его квалификации; повышение качества продукции; снижение расходов сырья и различных видов энергии; сокращение отходов производства; повышение ритмичности производства; повышение производительности труда; увеличение объема выпускаемой продукции; улучшение труда обслуживающего персонала и устранение вредных факторов, влияющих на здоровье работников; улучшение экологии производства. Достижение этих целей ведет к повышению экономической эффективности производства, однако две последних цели могут быть затратными.
По степени контроля и управления производством техническими средствами можно выделить такие уровни автоматизации.
Частичная автоматизация (локальная) — автоматизация отдельных аппаратов, машин, технологических операций. Проводится, когда управление процессами, вследствие их сложности или скоротечности, практически не доступно человеку (оператору). При этом учитывается экономическая эффективность внедрения простых автоматических устройств и требования техники безопасности и экологии. Частично автоматизируется, как правило, действующее оборудование. Современное оборудование, требующее автоматизации, выпускается обычно уже автоматизированным. К частичной автоматизации относится также автоматизация управленческих работ. Локальная автоматизация широко применяется на предприятиях пищевой промышленности.
Комплексная автоматизация предусматривает автоматизацию технологического участка, цеха или предприятия функционирующих как единый, автоматизированный комплекс, например электростанции. Комплексная автоматизация предприятия охватывает все производственные функции соответствующей структуры предприятия. Она целесообразна при относительно стандартной по качеству, легко транспортирующейся продукции, применении надежного, безотказного оборудования.
Отдельно в рамках комплексной системы автоматизации предприятия можно рассматривать комплексную автоматизацию управления предприятием, под которой следует понимать комплексную систему автоматизации управления финансово-хозяйственной деятельностью предприятия, обеспечивающую принятие обоснованных управленческих решений на основе качественной и достоверной информации, получаемой с помощью современных управленческих и информационных технологий. Она обеспечивает ведение оперативного, бухгалтерского и управленческого учета и строится на основе единого информационного пространства, охватывая и координируя всю совокупность управленческих процессов предприятия.
Комплексной автоматизации на современном уровне развития техники подвергаются предприятия молочной, пивоваренной, спиртовой, крахмалопаточной, сахарной, дрожжевой и других отраслей пищевой промышленности, из которых наиболее сложной для комплексной автоматизации является мясная отрасль из-за нестандартности сырья и сложности его транспортирования.
Полная автоматизация — высшая ступень автоматизации, при которой все функции контроля и управления производством (на уровне предприятия) передаются техническим средствам. На современном уровне развития техники полная автоматизация практически не применяется, так как функции контроля в настоящее время остаются за человеком. Близкими к полной автоматизации можно считать атомные электростанции, некоторые крупные тепловые и гидроэлектростанции, системы обороны страны.
Автоматизация производства предполагает наличие надежных, относительно простых по устройству и управлению машин, механизмов и аппаратов. При внедрении систем автоматизации желателен непрерывный технологический процесс, обеспечивающий удобство транспортирования сырья, материалов, полуфабрикатов и готовой продукции. При разной производительности отдельных машин и аппаратов, входящих в технологическую линию, следует устанавливать промежуточные емкости, обеспечивающие непрерывность технологического процесса. Таким образом, автоматизация производства предполагает его максимальную механизацию и непрерывность технологического процесса. Следует понимать, что технология определяет необходимую конструкцию и режимы работы средств механизации, а также задачи, которые необходимо решать при автоматизации технологического процесса.
I КОНТРОЛЬНО
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
РАЗДЕЛ
Глава 1. Основы метрологии и характеристики Глава 2. Измерительные схемы приборов и системы дистанционной передачи показаний Глава 3. Показывающие и регистрирующие Глава 4. Приборы для контроля давления (вакуума) Глава 5. Приборы для контроля температуры Глава 6. Приборы для контроля расхода массы Глава 7. Приборы для контроля уровня Глава 8. Приборы для контроля свойств ГлаваОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Основные понятия. Автоматизация производства, на любых ее уровнях, не возможна без информации о состоянии автоматизируемых объектов. Эта информация поступает в систему автоматического управления с помощью специальных технических средств — контрольно-измерительных приборов (КИП). Качество их работы определяется метрологическими характеристиками. Они разрабатываются отраслью науки, которая называется метрология (от греч.metron (мера) + logos (понятие, учение).
Измерение — процесс определения численного соотношения между действительным значением измеряемой физической величины хд и некоторой величиной, принятой за единицу измерения, называемой мерой (метр, килограмм, ньютон, паскаль, кулон, вольт и др.). Устройство, применяемое для сравнения измеряемой величины с единицей измерения, называется измерительным прибором (линейка, весы, динамометр, манометр, термометр, вольтметр и др.). При этом прибор показывает некоторое количество единиц измеряемой величины (меры) — хи, которое никогда не совпадает с действительным значением хд.
Методы измерений. Для определения численного значения измеряемой величины хд служат прямые и косвенные методы измерения.
Прямые методы измерения основаны на сравнении измеряемой величины хд с единицей измерения с помощью меры или измерительного прибора, шкала которого выражена в единицах измерения.
Косвенные методы измерения заключаются в определении искомой величины хд путем измерения одной или нескольких других величин, с которыми она связана математической зависимостью.
Например, из закона Ома I = сопротивление проводника R моR жет быть вычислено по измерениям силы тока I, протекающего по нему, и падению напряжения U в нем ( R = ).
1.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Класс точности прибора. Ранее было указано, что показания измерительного прибора хи не совпадают с действительным значением измеряемой величины хд. Разность хд - хи = D называется абсолютной погрешностью измерений. Она имеет знак, размерность и может характеризовать точность измерений одной и той же физической величины, но не может быть мерой сравнения точности измерений разных физических величин (нельзя определить, какие измерения более точны: измерения температуры с погрешностью ±1 °С или уровня с погрешностью ±10 мм).Для сравнения точности измерения различных физических величин вводится понятие относительной погрешности. Относительная погрешность d, % — это отношение абсолютной погрешности D к действительному значению измеряемой величины хд, взятое по абсолютной величине:
С помощью относительной погрешности можно сравнивать точность измерений различных физических величин, так как она не имеет размерности и знака.
Однако на сравнительную оценку точности измерений оказывает влияние также значение измеряемой величины хд. Априори можно предположить, что измерения температуры t1 = 5 °C с погрешностью D = ± 0,5 °C менее точные, чем измерения температуры t2 = 1 000 °C с погрешностью D = ± 1 °C.
Для оценки точности работы прибора с учетом значения измеряемой величины, вводится понятие относительной приведенной погрешности g. Это отношение абсолютной погрешности к диапазону N шкалы прибора, взятое по абсолютной величине, %:
Диапазоном шкалы прибора N называется разность между максимальным значением измеряемой величины по шкале прибора хиmax и минимальным значением хиmin:
Относительная приведенная погрешность (в большинстве случаев) определяет основную метрологическую характеристику прибора — класс точности Класс точности прибора всегда указывается на шкале, иногда в виде цифры, обведенной кружком, например ±, чем он меньше, тем выше класс точности прибора.
Таким образом, глядя на шкалу прибора, можно определить максимально допустимую погрешность измерений (при условии, что прибор исправен) по формуле Чувствительность прибора. Чувствительностью s называют предел отношения изменения выходной величины прибора Dy к изменению входной величины Dх при условии, что последняя стремится к нулю:
Для стрелочного показывающего прибора выходной величиной Dy является перемещение стрелки по шкале, а входной Dх — изменение измеряемой величины хд. Очевидно, чем больше s, тем более точно визуально можно отсчитывать показания прибора.
Порог чувствительности. Порогом чувствительности Ds называется минимальное изменение входной величины Dх, которое вызывает изменение выходной величины y, или максимальное изменение входной величины Dх, которое не вызывает изменение выходной величины y. Чем порог чувствительности ниже, тем точность измерений выше.
Инерционность. Инерционностью Т называется продолжительность изменения выходной величины прибора y от минимального до максимального значения (для стрелочного прибора — продолжительность прохождения стрелки от минимальной отметки шкалы до максимальной) при мгновенном изменении входной величины хд, измеряемой от минимального значения до максимального по шкале прибора. Чем больше инерционность, тем больше продолжительность измерения прибором.
Вариация. Вариация В — это наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины хд при ее увеличении и уменьшении. Причинами вариации являются трение в опорах подвижных частей измерительного механизма, люфты в зазорах передаточных звеньев и др. Очевидно, большая вариация показаний отрицательно сказывается на точности измерений.
1.3. ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ ШКАЛ
На рис. 1.1 представлен внешний вид шкал: линейная (рис. 1.1, а), дуговая (рис. 1.1, б ), круговая, циферблатная (рис. 1,1, в), цифровая, или интегрирующая (рис. 1,1, г).
Кроме последнего типа шкалы характеризуются двумя основными величинами:
интервал деления шкалы — расстояние между двумя соседними отметками шкалы, выраженное в линейных метрических единицах (для линейных шкал) или угловых (для дуговых и круговых). Чем больше интервал делений, тем точность отсчета выше. С этой точки зрения предпочтительнее круговые шкалы;
Рис. 1.1. Виды шкал:
а — линейная; б — дуговая; в — круговая циферблатная; г — цифровая, или интегрирующая цена деления шкалы — расстояние между двумя соседними отметками шкалы, выраженное в единицах измеряемой величины.
Чем больше цена деления шкалы, тем точность отсчета ниже.
Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. У неравномерных шкал изменяется интервал делений. При этом к концу шкалы обычно он уменьшается, при одинаковой цене делений. Таким образом, в равномерной шкале точность отсчета одинакова по всей шкале, а в неравномерной она уменьшается к концу шкалы.
Если шкала начинается с нулевой отметки или минимальной отметки одного знака, то она называется односторонней. Если нуль шкалы расположен где-то в середине, то шкала называется двусторонней.
В самопишущих приборах измеряемая величина может записываться на ленточной или дисковой диаграммной бумаге.
1.4. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ И ПРИБОРОВ
Измерительная система (ИС) — это совокупность технических средств, предназначенных для восприятия измеряемой физической величины хд и преобразования ее в визуальную информацию, и состоит из двух элементов: датчика Д, первичного преобразователя (ПП) и измерительного прибора (ИП). Такое построение ИС возможно, если выходной сигнал с ПП согласуется с входным сигналом ИП (например, датчик температуры преобразует ее изменение Рис. 1.2. Виды измерительной системы в изменение электрического сопротивления и ИП измеряет электрическое сопротивление).Если выходной сигнал ПП не согласуется с входным сигналом ИП, то в измерительную систему включается промежуточный согласующий преобразователь (СП). Он преобразовывает выходной сигнал ПП во входной сигнал ИП. На рис. 1.2 показаны два варианта построения измерительной системы.
По принципу действия измерительные приборы подразделяются на две основные группы: ИП прямого преобразования и ИП следящего уравновешивания. На рис. 1.3, а показана структурная схема прибора прямого преобразования. В них измеряемая физическая величина хд, преобразованная с помощью первичного преобразователя ПП или согласующего преобразователя СП в другую физическую величину х, поступает в измерительную схему ИС, которая предназначена для ограничения величины х в определенном диапазоне и, иногда, для дальнейшего ее преобразования.
Стандартизированный по виду физической величины и размерам сигнал с ИС поступает в измерительный механизм ИМ — механическое или электронное устройство, предназначенное для приРис. 1.3. Виды измерительных приборов:
а — прямого преобразования; б — следящего уравновешивания ведения в действие отсчетного устройства ОУ. В результате на выходе наблюдатель получает визуальную информацию y о значении измеряемой величины хд в виде сигнала хи с допускаемой прибором погрешностью.
На рис. 1.3, б показана схема ИП следящего уравновешивания.
Входная величина х поступает в измерительную схему сравнения ИС, которая преобразует х в разностный сигнал Dх. Он подается на усилитель У, а затем в реверсивный двигатель РД. Реверсивный двигатель приводит в действие отсчетное устройство ОУ, а также регистрирующее устройство РУ и дополнительные устройства ДУ (например, сигнальные), при их наличии. Привод движения носителей регистрирующего устройства производится с помощью синхронного двигателя СД. Одновременно РД приводит в действие механизм устройства обратной связи ОС, которое вводит в ИС компенсационный сигнал хк, противоположный по знаку величине Dх. Когда величины Dх и хк станут равными по абсолютной величине, работа РД прекратится и на ОУ и РУ будет выведено значение измеряемой величины (с погрешностью прибора) хи.
Приборы следящего уравновешивания более сложные по конструкции, чем приборы прямого преобразования, однако дают более широкие возможности использования получаемой информации (устройства РУ, ДУ) и в основном имеют более высокий класс точности.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какая погрешность измерений определяет разность между действительным значением измеряемой величины хд и ее измеренным значением хи? 2. В каких методах измерений для определения измеряемой величины используются математические вычисления? 3. С увеличением диапазона измерений N класс точности прибора повышается или уменьшается?4. Как влияет чувствительность S на точность измерений (отсчета измеряемой величины)? 5. Какая характеристика шкалы прибора увеличивается в круговых шкалах по сравнению с минимальными? 6. Как называются шкалы приборов, используемых для измерений как положительных, так и отрицательных температур? 7. Какие устройства преобразуют в ИС измеряемую величину хд во входную Х для измерительного прибора? 8. Для чего используются в приборах следящего уравновешивания реверсивный двигатель РД и синхронный СД?
«