Автоматичне керування

У багатьох галузях народного господарства навантаження на людину в процесі керування досягло таких меж, що знадобилася передача ряду його функцій автоматам і ЕОМ.

В принципі, автоматизувати можна будь-який процес. Але без визначених передумов, без з'єднання з передовою технологією неможливо досягти високого ефекту. У ході автоматизації зачіпається безліч, здавалося б, незв'язаних проблем. Для реалізації процесу автоматизації потрібно технічне, математичне, організаційне, інформаційне і правове забезпечення.

Технічний пристрій називають автоматичним, якщо він тривалий час функціонує і керується без особистої участі людини Сукупність технічних засобів автоматизації (ТЗА), які виконують визначену цільову задачу без участі людини, представляє автоматичну систему. Системою прийнято називати об'єднання елементів будь-якої фізичної природи, що розглядаються як зв'язне ціле для загальної мети - функціонування. Варто розрізняти автоматичні й автоматизовані системи. Останні допускають періодичне втручання людини в діяльність автоматів зі строго визначеними функціями.

Автоматика - галузь техніки і прикладна наукова дисципліна, яка розробляє і вивчає принципи побудови і розрахунку автоматичних систем, що є частиною загальної науки про поводження автоматичних систем - технічної кібернетики. Терміном "автоматика" також широко користуються для скороченого позначення різних засобів автоматизації, автоматичних систем.

Поняття "автоматизація" у даний час вживається в самому широкому розумінні цього слова і служить для позначення комплексу заходів технічного та організаційного характеру, спрямованих на заміну або полегшення праці людини за допомогою різноманітних засобів: від простих пристроїв і механізмів до складних обчислювальних комплексів. Автоматизація виробничих процесів створює техніко-економічні переваги у всіх галузях сучасного народного господарства країни, підвищує продуктивність праці. За останні сто років вона зросла в 20 разів, при цьому частка механізованої праці з 6 % збільшилася май-же 100%. У результаті автоматизації знижується собівартість виробів, збільшується випуск продукції, підвищується її якість, зменшується кількість браку і відходів виробництва, скорочуються витрати на заробітну плату, сировину, матеріали і т.п.

Вирішальним фактором при цьому є зниження витрат палива, теплової й електричної енергії, що характерно для систем теплопостачання і теплоспоживання. Використання засобів автоматизації збільшує надійність устаткування, точність виробництва, безпеку праці. З'являється можливість використовувати високоефективні технологічні процеси і пристрої, характер застосування яких виключає участь людини (ядерна енергетика, хімічне виробництво, високошвидкісні процеси і т.п.).

Значна економія теплової енергії, що витрачається на теплоспоживання, при порівняно невеликих капіталовкладеннях забезпечується за рахунок автоматичного регулювання. При встановленні оптимального режиму роботи економія теплоти може скласти 20% і більше річного споживання без порушення теплового режиму будинків. Ще більший ефект від автоматизації може бути отриманий при технічній (тепловій) реконструкції існуючих будинків. Строк окупності залежить від теплової потужності систем, функціональних характеристик застосовуваного регулятора, вартості ТЗА та їх обслуговування.

Впровадження автоматизації приносить і непрямий ефект, пов'язаний з тим, що збільшення продуктивності устаткування, економія ресурсів еквівалентні будівництву додаткових виробничих потужностей. Економія робочої сили дозволяє більш раціонально використовувати трудові ресурси, а поліпшення якості продукції сприяє економії палива, енергії, матеріалів та ін.

Рис.18.2 - Узагальнена структурна модель автоматизації

Найважливіші питання автоматизації - установлення її раціонального рівня й обсягу, які повинні бути ретельно економічно обґрунтовані, і визначення методів і засобів автоматизації. Автоматизація є найбільше економічно вигідним заходом і окупається в середньому на протязі 1...1,5 року.

На рис.18.2 подана узагальнена структурна модель автоматизації виробничого процесу. Показано об'єкт і технічні засоби автоматизації, а також основні впливи в системі: І₁ – І₃ - інформативні, К - коригувальні, У₁ - У₄ - керуючі.

Наприклад, в випадку водогрійного котла для цілей теплопостачання: сировина - це холодна вода, енергія - газ, а продукція - гаряча вода заданої температури (теплоносій). Для керування процесом підготовки теплоносія його температура вимірюється і перетворюється в інформативний вплив І₁, який надходить до керуючого пристрою. Туди ж надходить інформація про температуру зовнішнього повітря І₂. Керуючий пристрій на основі отриманої інформації формує керуючий вплив У₁ - зміну подачі газу в топку котла на підігрів води. Так відбувається регулювання температури теплоносія.

Автоматичний регулятор. Автоматичне регулювання - процес, який змушує якісний параметр стану об'єкта (регульований параметр) бути постійним чи змінюватися за заданим законом.

Автоматичний регулятор - пристрій або комплекс пристроїв, що реалізують задачу автоматичного регулювання.

Розглянемо роботу найпростішого автоматичного регулятора температури повітря в приміщенні, обладнаному системою центрального водяного опалення. Такі терморегулятори (термостати) одержали велике поширення для індивідуального регулювання температури повітря в опалювальних приміщеннях і економії теплової енергії.

На рис. 18.3 схематично показаний автоматичний термостат, установлений перед нагрівальними приладами на трубопроводі системи опалення (а). Герметичний гармоніковий чуттєвий елемент - термодатчик 1 заповнюється термочутливою масою, яка розширюється при підвищенні температури в кімнаті (б). Переміщення датчика пов'язане з переміщенням регулюючого органа - клапана 3 у корпусі арматури 4, що змінює витрату теплоносія. Можна вручну задавати потрібну температуру поворотом ковпачка 2 із пружиною, що примусово деформує датчик 1 та змушує його реагувати на іншу (бажану) температуру. Цей елемент називається задаючим пристроєм або коректором. Таким чином, до складу найпростішого автоматичного регулятора входять:

§ чуттєвий елемент або датчик, що сприймає зміну регульованого параметра (у даному випадку температури повітря в приміщенні);

§ регулювальний орган - клапан, який змінює витрату теплоносія - гарячої води;

§ задаючий пристрій, - натяжна пружина, яка дозволяє задавати бажану температуру в кімнаті, звичайно в межах 15...25°С.

Рис.18.3 - Схема автоматичного термостата

При бажанні поворотом ковпачка 2 до упору можна відключити нагрівальний прилад від живлення теплоносієм. За таким принципом діють численні регулятори прямої дії, що не використовують іншої енергії, крім енергії регульованого середовища.

Класифікація підсистем автоматизації. Ступінь оснащення засобами автоматизації, яка може бути різною, визначається нормативними і технічними вимогами, а також функціональним призначенням ТЗА. По об’єму і ступеню оснащення об'єкта ТЗА автоматизація може бути частковою, повною і комплексною. Наприклад, якщо в котловій установці регулюється тільки тиск пари, має місце часткова автоматизація, а якщо всі процеси автоматизовані - повна. При автоматизації допоміжних операцій (навантаження, транспортування палива і т.п.) з використанням ЕОМ, ув'язуванням з режимами теплових мереж, інших котлів мова йде про комплексну автоматизацію.

У ході керування складними і простими об'єктами приходиться здійснювати безліч функціонально різних операцій, які виконують різні підсистеми, що входять у загальну схему автоматизації об'єкта.

Ці підсистеми підрозділяються на інформативні, захисні, керуючі й технологічного контролю.

Інформативні включають підсистеми технологічного контролю ,телевимірювання, телесигналізації. Результат дій цих підсистем адресується оператору, завданням якого є прийняття того чи іншого рішення.

Захисні підсистеми включають засоби технологічного та аварійного захисту, технологічного та аварійного блокування, які охороняють технологічне устаткування від наслідків неправильної експлуатації.

До керуючих відносяться підсистеми керування, включаючи дистанційне керування, телемеханічні підсистеми, підсистеми диспетчеризації, автоматичного керування і регулювання, обчислювальної техніки.

Основні функції підсистеми технологічного контролю: одержання кількісних і якісних показників технологічного процесу - усіх видів вимірів за допомогою контрольно-вимірювальних приладів (КВП); спостереження за ходом технологічного процесу. Різниця у функціях полягає в тому, що в першому випадку фіксується характер зміни фізичних величин. Для реалізації функцій технологічного контролю застосовують прилади місцевої і дистанційної дії, а також прилади з реєстрацією, які дозволяють вести облік витрати теплової, електричної енергії, газу, холодної води та ін.

Рівень оснащення об'єкта автоматизації різними підсистемами залежить від конкретних умов експлуатації і нормативних документів, які визначають мінімально необхідний рівень автоматизації.