книги / Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности

Сигналы могут быть следующих видов:

1)сигнал результата управления. Формируется на выходе объекта управления;

2)управляющий сигнал. Подается на вход объекта управле-

ния;

3)задающий сигнал. Подается на вход автоматического устройства управления (АУУ);

4)корректирующий сигнал. Корректирует свойства устройства управления. Подается на вход АУУ;

5)сигнал обратной связи. Это часть сигнала результата управления, которая подается на вход устройства управления по каналу обратной связи. Системы управления с сигналами обратной связи называются замкнутыми системами управления;

6)сигнал внешнего воздействия. Формируется внешней средой, воздействует на все элементы системы и существует

вдвух формах:

−возмущения,

−помехи.

Возмущением называется такой сигнал внешнего воздействия, появление которого предсказуемо как по величине, так и по времени появления. Например, известно, что температура в январе может колебаться в пределах от +5 до –50 ºС, поэтому такое изменение может считаться возмущением для систем управления, так как появление температуры в это время в пределах этого диапазона вполне предсказуемо.

Помехой называется сигнал внешнего воздействия, время появления которого непредсказуемо, как непредсказуем и характер поведения этого сигнала. Например, теоретически возможно, но неизвестно когда, что температура в январе может достичь величины +25 ºС, а в июле –25 ºС. Появление такого сигнала считается помехой для систем управления.

Символ − это материальное отражение информации или ее части в отдельном знаке или в каком-либо биполярном физическом процессе.

11

Например, типичным символом является любой дорожный знак, в котором содержится полная информация о дорожной ситуации. Примером частичного отражения информации через символ является буква как часть слова или цифра как часть числа. В автоматике символы отображаются через биполярные физические процессы (ток, напряжение, свет или магнитное поле) в виде двоичных цифр (0 и 1).

Цифровой сигнал − это последовательная совокупность единичных и нулевых символов заданной разрядности. Размерность разрядности цифрового сигнала, как правило, может быть равной 8, 16, 32 или 64.

В одном символе содержится 1 бит информации. Более крупными единицами символьной информации являются:

байт = 8 бит килобайт = 1024 байт

мегабайт = 1024 кбайт = 10242 байт гигабайт = 1024 Мбайт = 10242 кбайт = 10243 байт

тиррабайт = 1024 Гбайт = 10242 Мбайт = 10243кбайт = 10244 байт

2.2. Технические средства получения информации

Для получения информации в системах автоматического управления используются следующие технические средства:

•воспринимающие элементы,

•измерительные преобразователи.

Воспринимающим элементом называется такое техниче-

ское средство получения информации, которое реагирует однозначно на превышение некоторого уровня этой информации, т.е. регистрирует только наличие информации выше определенного порогового уровня и всегда отвечает на вопрос, есть или нет информация выше этого уровня. Основой воспринимающего элемента (рис. 7) является пороговый элемент, который скачкообразно меняет свое состояние под действием информации определенного уровня.

12

(сигнал), который поступает на вход управляемого источника внешней энергии в том случае, если уровень выходного сигнала этого преобразователя недостаточен для управления объектом. Измерительные преобразователи и воспринимающие элементы чаще называют датчиками.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Системы автоматического управления классифицируются по многим признакам, главные из которых следующие:

•задачи управления;

•назначение;

•принцип работы.

3.1.Классификация систем автоматического управления

по выполнению задач управления

В соответствии с задачами, выполняемыми системами автоматического управления, выделяют пять разновидностей этих систем:

•системы автоматической сигнализации;

•системы автоматического контроля;

•системы автоматической защиты;

•системы автоматического пуска и останова объектов управления;

•системы автоматического регулирования.

Системы автоматической сигнализации предназначены для дистанционной передачи информации о состоянии объекта управления. Такая система имеет следующую структуру:

14

Информация с объекта управления (ОУ) поступает на воспринимающий элемент (ВЭ), который преобразует ее в сигнал и передает его на исполнительное устройство (ИУ), регистрирующее через этот сигнал состояние объекта управления. Примером такой системы может быть телемеханическая система дистанционной передачи сигнала на пульт диспетчера о работе или простое станка-качалки.

Системы автоматического контроля предназначены для контроля уровня одного или нескольких параметров объекта управления. Структура системы автоматического контроля следующая:

Информация с объекта управления поступает на измерительный преобразователь (ИП) (датчик), который преобразует ее в уровневый сигнал и передает его на исполнительное устройство, регистрирующее через сигнал уровень состояния объекта управления. Примером такой системы может быть телемеханическая система дистанционного контроля уровня нефти в буллитах.

Системы автоматической защиты предназначены для поддержания на верхнем предельном уровне параметра (или параметров) объекта управления. Система автоматической защиты имеет следующую структуру:

Сигнал

ИП

Информация с объекта управления поступает на измерительный преобразователь (датчик), а с него на элемент сравнения (ЭС), куда одновременно подается задающий сигнал (ЗС) пре-

15

дельного уровня контролируемого параметра. Если уровень сигнала датчика (или измерительного преобразователя) будет выше величины задающего сигнала, то на устройство управления (УУ) подается сигнал, формирующий управляющее воздействие на объект управления. Примером такой системы может быть система автоматической защиты от перегрузки электросетей.

Системы автоматического пуска и останова объекта управления предназначены для пуска или останова объекта управления. Автоматический пуск или останов объекта управления может осуществляться по сигналам датчика (измерительного преобразователя) или воспринимающего элемента. Структура такой системы выглядит следующим образом:

ИП УУ ОУ

ВЭ

Автоматический пуск объекта управления в этой системе производится по сигналу датчика (измерительного преобразователя) или с помощью пусковой кнопки (воспринимающего элемента). Сигналы формируются и подаются на устройство управления для управляющего воздействия на объект управления. Аналогично может быть произведен автоматический останов объекта управления. Примером такой системы может быть система автоматического пуска или останова компрессора при поддержании заданного давления в ресивере.

Системы автоматического регулирования объектов управ-

ления предназначены для поддержания заданных параметров работы объектов. Структура системы автоматического управления в аналоговом варианте зависит от ее назначения и алгоритма управления этим процессом. В цифровых системах управления структура постоянна и определена структурой микроконтроллера.

Примером системы автоматического регулирования может быть система регулирования (поддержания) давления в нефтяном пластеприпомощи нагнетания через скважину вэтотпласт воды.

16

PNRPU

3.2. Классификация систем автоматического управления по назначению

По назначению системы автоматического управления разделены на три разновидности:

•системы автоматической стабилизации;

•системы автоматического программного управления;

•следящие системы автоматического управления.

Системы автоматической стабилизации предназначены

для поддержания на заданном уровне одного или нескольких параметров объекта управления. Например, такие системы стабилизируют давление бурового раствора, подаваемого в скважину при ее бурении, или стабилизируют нагрузку на исполнительном органе буровой машины или нагрузку на буровом долоте. Имеются системы, предназначенные для стабилизации напряжения питания прибора или для стабилизации тока в сварочном агрегате и т.д.

Системы программного управления − это системы, которые ав-

томатизируют режим работы объекта управления по заданной программе. Примером такой системы является система управления автоматическойстиральноймашинойилипосудомоечноймашиной.

Следящие системы автоматического управления − это систе-

мы, в которых управляющее воздействие на объект управления строго следует за изменением величины входного сигнала в устройстве управления. Например, в таких автоматических системах, как рулевое управление автомобиля с гидроусилителем или его тормозная система, управляющее воздействие на объект управления строго следует по величине и направлению за изменением мускульного воздействия водителяна эти органы управления.

3.3. Классификация систем автоматического управления по принципу работы

По принципу работы системы автоматического управления подразделяются на следующие разновидности:

•системы непрерывного и дискретного действия;

17

•системы прямого и непрямого управления;

•системы, работающие по принципу компенсации отклонения результата управления от заданной величины;

•системы, работающие по принципу компенсации внешнего возмущения;

•статические и астатические системы управления.

3.3.1. Системы непрерывного и дискретного действия

Системы непрерывного действия − это системы управле-

ния, все сигналы которых непрерывны во времени.

Системы дискретного действия − это системы управления,

все сигналы которых прерывны (дискретны) во времени. Дискретныесистемы автоматического управлениябывают трех видов:

•релейные;

•импульсные;

•цифровые.

Врелейных системах автоматического управления сигналы скачкообразно переходят с одного уровня на другой. Например, такие бытовые приборы, как холодильники, электроутюги или электрообогреватели, работают периодически по принципу «включено-выключено».

Вимпульсных системах сигналы представлены в виде двух форм импульсов, изменяющихся по амплитуде или по частоте.

Если информация сигнала заключена в переменной амплитуде импульса постоянной частоты, то такие системы будут ам- плитудно-модулированными. Если же информация сигнала заключена в переменной ширине импульса постоянной амплитуды, то такие системы относят к широтно-модулированным импульсным системам.

Вцифровых системах управления сигнал представлен совокупностью импульсов заданной разрядности, частоты и амплитуды, а вся информация сигнала заключена в комбинации чередования символов 0 и 1, т.е. в чередовании наличия единичного импульса и его отсутствия.

18

3.3.2.Системы прямого и непрямого управления

Всистемах автоматики прямого управления энергии сиг-

нала технического средства получения информации достаточно для управления объектом. Примером такой системы является поплавковый регулятор уровня жидкости в нефтеналивной емкости, или регулятор давления пара в паровых котлах, или регулятор аварийного давления газа в емкостях для его хранения.

Всистемах автоматики непрямого управления энергии технического средства получения информации недостаточно для управления объектом, поэтому в этих системах требуется дополнительный пропорциональный подвод энергии от внешнего источника (усилителя сигнала).

Например, для создания необходимого тормозного усилия на буровой лебедке энергии датчика усилия недостаточно, поэтому для прижатия тормозных колодок к барабану лебедки используют энергию пневмопривода, который прижимает эти колодки с усилием, пропорциональным величине сигнала датчика усилия.

3.3.3. Системы, работающие по принципу компенсации отклонения результата управления от заданной величины

Принцип управления по компенсации отклонения результата управления от заданной величины рассмотрим на примере работы системы автоматизации, представленной на рис. 9. В состав этой системы входит калорифер, состоящий из теплообменника и вентилятора. Калорифер предназначен для обогрева помещения нагретым воздухом. Этот воздух нагнетается вентилятором в теплообменник, в котором рабочим телом является горячая вода.

Исполнительное устройство (вентиль) регулирует подачу в калорифер теплоносителя. На выходе калорифера установлен датчик температуры. Сигнал этого датчика через усилитель передается на элемент сравнения, на который одновременно подается второй сигнал, называемый задающим.

19