Objekti automatizacije i njihove karakteristike

Objekti automatizacije (objekti upravljanja) — to su zasebne instalacije, strojevi za rezanje metala, strojevi, agregati, uređaji, kompleksi strojeva i uređaja koji se moraju kontrolirati. Oni su vrlo raznoliki u svrhu, strukturi i principu djelovanja.

Predmet automatizacije je glavna komponenta automatskog sustava, koja određuje prirodu sustava, stoga se njegovom proučavanju posvećuje posebna pozornost. Složenost objekta određena je uglavnom stupnjem njegovog poznavanja i raznolikošću funkcija koje obavlja. Rezultati istraživanja objekta moraju biti prezentirani u obliku jasnih preporuka o mogućnosti potpune ili djelomične automatizacije objekta ili nepostojanja potrebnih uvjeta za automatizaciju.

Karakteristike objekata automatizacije

Projektiranju automatskog upravljačkog sustava mora prethoditi ispitivanje gradilišta kako bi se utvrdili odnosi na gradilištu. Općenito, ti se odnosi mogu predstaviti kao četiri skupa varijabli.

Kontrolirani poremećaj, čija zbirka tvori L-dimenzionalni vektor H = h1, h2, h3, ..., hL... Uključuju mjerljive varijable koje ovise o vanjskom okruženju, kao što su pokazatelji kvalitete sirovina u ljevaonici, količina potrošene pare u parnom kotlu, protok vode u protočnom bojleru, temperatura zraka u stakleniku koja varira ovisno o vanjskim uvjetima okoline i čimbenicima koji utječu na proces. Za kontrolirane poremećaje postavljaju se ograničenja na tehnološke uvjete.

Pokazatelj tehnološkog procesa kojim se upravlja naziva se kontrolirana veličina (koordinata), a fizikalna veličina kojom se upravlja pokazatelj tehnološkog procesa naziva se upravljačko djelovanje (ulazna veličina, koordinata).

Kontrolne radnje, čija ukupnost čini n-dimenzionalni vektor X = x1, x2, x3, ..., xn... Oni su neovisni o vanjskom okruženju i imaju najznačajniji utjecaj na tehnološki proces. Uz njihovu pomoć namjerno se mijenja tijek procesa.

Za kontrolu radnji uključuju uključivanje i isključivanje elektromotora, električnih grijača, pogona, položaj regulacijskih ventila, položaj regulatora itd.

Izlazne varijable, čiji skup tvori M-dimenzionalni vektor stanja Y = y1, y2, y3, ..., yM... Ove varijable su izlaz objekta, koji karakterizira njegovo stanje i određuje pokazatelje kvalitete gotovog proizvoda. .

Nekontrolirani ometajući utjecaji, čija zbirka tvori G-dimenzionalni vektor F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Oni uključuju takve poremećaje koji se iz jednog ili drugog razloga ne mogu mjeriti, primjerice zbog nedostatka senzora.

Riža. 1.Ulazi i izlazi objekta automatizacije

Proučavanje razmatranih odnosa objekta koji treba automatizirati može dovesti do dva dijametralno suprotna zaključka: postoji stroga matematička ovisnost između izlaznih i ulaznih varijabli objekta ili ne postoji nikakva ovisnost između tih varijabli koja se može izraziti pouzdanim matematičkim formula.

U teoriji i praksi automatskog upravljanja tehnološkim procesima stečeno je dovoljno iskustva u opisivanju stanja objekta u takvim situacijama. U ovom slučaju, objekt se smatra jednom od veza u sustavu automatskog upravljanja. U slučajevima kada je poznat matematički odnos između izlazne varijable y i upravljačkog ulaznog djelovanja x objekta, razlikuju se dva glavna oblika snimanja matematičkih opisa — to su statičke i dinamičke karakteristike objekta.

Statička karakteristika u matematičkom ili grafičkom obliku izražava ovisnost izlaznih parametara o ulaznim. Binarni odnosi obično imaju jasan matematički opis, na primjer, statička karakteristika dozatora za vaganje materijala za lijevanje ima oblik h = km (ovdje je h stupanj deformacije elastičnih elemenata; t je masa materijala; k je faktor proporcionalnosti, koji ovisi o svojstvima materijala elastičnog elementa).

Ako postoji više varijabilnih parametara, nomogrami se mogu koristiti kao statičke karakteristike.

Statička karakteristika objekta određuje naknadno formiranje ciljeva automatizacije. Sa stajališta praktične primjene u ljevaonici, ovi se ciljevi mogu svesti na tri vrste:

• stabilizacija početnih parametara objekta;

• mijenjanje izlaznih parametara prema zadanom programu;

• promjena kvalitete nekih izlaznih parametara pri promjeni uvjeta procesa.

Međutim, niz tehnoloških objekata nije moguće matematički opisati zbog mnoštva međusobno povezanih čimbenika koji utječu na tijek procesa, prisutnosti nekontroliranih čimbenika i nedostatka znanja o procesu. Takvi objekti su složeni sa stajališta automatizacije. Stupanj složenosti određen je brojem ulaza i izlaza objekta. Takve objektivne poteškoće nastaju u proučavanju procesa reduciranih prijenosom mase i topline. Stoga su u njihovoj automatizaciji nužne pretpostavke ili uvjeti koji bi trebali pridonijeti glavnom cilju automatizacije — povećanju učinkovitosti upravljanja maksimalnim približavanjem tehnoloških načina rada optimalnima.

Za proučavanje složenih objekata koristi se tehnika koja se sastoji u uvjetnom prikazu objekta u obliku «crne kutije». Pritom se proučavaju samo vanjske veze, niti se uzima u obzir jutarnja struktura sustava, odnosno proučava se što objekt radi, a ne kako funkcionira.

Ponašanje objekta određeno je odgovorom izlaznih vrijednosti na promjene ulaznih vrijednosti. Glavni alat za proučavanje takvog objekta su statističke i matematičke metode. Metodološki, proučavanje objekta provodi se na sljedeći način: utvrđuju se glavni parametri, uspostavlja se diskretni niz promjena glavnih parametara, ulazni parametri objekta se umjetno mijenjaju unutar utvrđenog diskretnog niza, sve promjene u izlazi se bilježe i rezultati se statistički obrađuju.

Dinamičke karakteristike Objekt automatizacije određen je nizom njegovih svojstava, od kojih neka doprinose kvalitetnom procesu upravljanja, a druga ga ometaju.

Od svih svojstava objekata automatizacije, bez obzira na njihovu raznolikost, mogu se razlikovati glavne, najkarakterističnije: kapacitet, sposobnost samoporavnavanja i kašnjenje.

Kapacitet je sposobnost objekta da akumulira radnu okolinu i pohranjuje je u objektu. Akumulacija materije ili energije moguća je zbog činjenice da u svakom objektu postoji izlazni otpor.

Mjera kapaciteta objekta je koeficijent kapaciteta C, koji karakterizira količinu tvari ili energije koja se mora dostaviti objektu da bi se kontrolirana vrijednost promijenila za jednu jedinicu u prihvaćenoj mjernoj veličini:

gdje je dQ razlika između dotoka i potrošnje tvari ili energije; ru — kontrolirani parametar; t je vrijeme.

Veličina faktora kapaciteta može biti različita ovisno o veličini kontroliranih parametara.

Brzina promjene kontroliranog parametra je to manja što je faktor kapaciteta objekta veći. Iz toga slijedi da je lakše kontrolirati one objekte čiji su koeficijenti kapaciteta veći.

Samoniveliranje To je sposobnost objekta da uđe u novo stacionarno stanje nakon poremećaja bez intervencije kontrolnog uređaja (regulator). Objekti koji imaju samousklađivanje nazivaju se statični, a oni koji nemaju to svojstvo nazivaju se neutralni ili astatični . Samopodešavanje pridonosi stabilizaciji kontrolnog parametra objekta i olakšava rad kontrolnog uređaja.

Samonivelirajući objekti karakterizirani su koeficijentom (stupnjem) samoniveliranja koji izgleda ovako:

Ovisno o koeficijentu samoniveliranja, statičke karakteristike objekta poprimaju različit oblik (slika 2).

Ovisnost kontroliranog parametra o opterećenju (relativni poremećaj) pri različitim koeficijentima samoniveliranja: 1-idealno samoniveliranje; 2 — normalno samoniveliranje; 3 — nedostatak samoniveliranja

Ovisnost 1 karakterizira objekt za koji se kontrolirana vrijednost ne mijenja ni pod kakvim poremećajima, takav objekt ne treba upravljačke uređaje. Ovisnost 2 odražava normalno samoporavnavanje objekta, ovisnost 3 karakterizira objekt koji nema samoporavnavanje. Koeficijent p je promjenjiv, raste s povećanjem opterećenja i u većini slučajeva ima pozitivnu vrijednost.

Kašnjenje — ovo je vrijeme koje je proteklo između trenutka neravnoteže i početka promjene kontrolirane vrijednosti objekta. To je zbog prisutnosti otpora i zamaha sustava.

Postoje dvije vrste kašnjenja: čisto (ili transportno) i prijelazno (ili kapacitivno), koje pridodaju ukupnom kašnjenju u objektu.

Čisto kašnjenje je dobilo svoje ime jer, u objektima gdje postoji, postoji promjena u vremenu odziva izlaza objekta u usporedbi s vremenom kada se događa ulazna akcija, bez promjene veličine i oblika radnje. Objekt koji radi s maksimalnim opterećenjem ili u kojem se signal širi velikom brzinom ima minimalno neto kašnjenje.

Prolazno kašnjenje nastaje kada tok materije ili energije prevlada otpor između kapaciteta objekta.Određen je brojem kondenzatora i veličinom prijenosnih otpora.

Čista i prolazna kašnjenja smanjuju kvalitetu kontrole; stoga je potrebno težiti smanjenju njihovih vrijednosti. Doprinosne mjere uključuju postavljanje mjernih i kontrolnih uređaja u neposrednoj blizini objekta, korištenje niskotromnih osjetljivih elemenata, strukturnu racionalizaciju samog objekta itd.

Rezultati analize najvažnijih karakteristika i svojstava objekata za automatizaciju, kao i metode njihovog istraživanja, omogućuju formuliranje niz zahtjeva i uvjeta čije ispunjavanje jamči mogućnost uspješne automatizacije. Glavni su sljedeći:

• matematički opis odnosa objekata, prikazan u obliku statičkih karakteristika; za složene objekte koji se ne mogu matematički opisati — korištenje matematičkih i statističkih, tabelarnih, prostornih i drugih metoda za proučavanje odnosa objekta na temelju uvođenja određenih pretpostavki;

• konstrukcija dinamičkih karakteristika objekta u obliku diferencijalnih jednadžbi ili grafova za proučavanje prijelaznih procesa u objektu, uzimajući u obzir sva glavna svojstva objekta (kapacitet, kašnjenje, samoniveliranje);

• korištenje u objektu takvih tehničkih sredstava koja bi osigurala davanje informacija o promjeni svih parametara od interesa za objekt u obliku jedinstvenih signala mjerenih senzorima;

• korištenje aktuatora s kontroliranim pogonima za upravljanje objektom;

• utvrđivanje pouzdano poznatih granica promjena vanjskih poremećaja objekta.

Podređeni zahtjevi uključuju:

• određivanje rubnih uvjeta za automatizaciju u skladu sa zadacima upravljanja;

• uspostavljanje ograničenja ulaznih količina i kontrolnih radnji;

• proračun kriterija za optimalnost (učinkovitost).

Primjer objekta automatizacije je postrojenje za pripremu kalupnog pijeska u ljevaonici

Proces izrade kalupnih pijesaka sastoji se od doziranja početnih komponenti, njihovog dodavanja u mješalicu, miješanja gotove smjese i dopremanja na kalupne linije, obrade i regeneracije istrošene smjese.

Polazni materijali najčešćih mješavina pijeska i gline u ljevaoničkoj proizvodnji: otpadna smjesa, svježi pijesak (punilo), glina ili bentonit (vezivni dodatak), mljeveni ugljen ili ugljični materijali (neprianjajući dodatak), vatrostalni i specijalni dodaci (škrob). , melasa) i također vodu.

Ulazni parametri procesa miješanja su troškovi navedenih kalupnih materijala: utrošena smjesa, svježi pijesak, glina ili bentonit, mljeveni ugljen, škrob ili drugi dodaci, voda.

Početni parametri su zahtijevana mehanička i tehnološka svojstva kalupne smjese: čvrstoća u suhom i mokrom stanju, plinopropusnost, zbijenost, sposobnost oblikovanja, fluidnost, nasipna gustoća i dr., koja se kontroliraju laboratorijskom analizom.

Osim toga, izlazni parametri uključuju i sastav smjese: sadržaj aktivnih i učinkovitih veziva, sadržaj aktivnog ugljena, sadržaj vlage ili stupanj vlaženja veziva, sadržaj finih čestica koje apsorbiraju vlagu. te granulometrijski sastav smjese ili modul usitnjenosti.

Dakle, predmet kontrole procesa je konstitutivni sastav smjese. Osiguravanjem optimalnog sastava komponenata gotove smjese, određenog eksperimentalnim putem, moguće je postići stabilizaciju na zadanoj razini mehaničkih i tehnoloških svojstava smjese.

Smetnje kojima je izložen sustav za pripremu smjese uvelike kompliciraju zadatak stabilizacije kvalitete smjese. Razlog poremećaja je prisutnost recirkulacijskog toka — korištenje otpadne mješavine. Glavna zamjerka u sustavu pripreme mješavine su procesi izlijevanja. Pod utjecajem tekućeg metala, u dijelu smjese u neposrednoj blizini odljevka i zagrijanom na visoke temperature, dolazi do dubokih promjena u sastavu aktivnog veziva, ugljena i škroba i njihovog prelaska u neaktivnu komponentu.

Priprema smjese sastoji se od dva uzastopna procesa: doziranja ili miješanja smjese, čime se osigurava dobivanje potrebnog sastava komponente, i miješanja, koje osigurava dobivanje homogene smjese i daje joj potrebna tehnološka svojstva.

U suvremenom tehnološkom procesu pripreme kalupnih smjesa koriste se kontinuirane metode doziranja sirovina (kalupnih) materijala, čija je zadaća proizvesti kontinuirani protok konstantne količine materijala ili njegovih pojedinih komponenti uz odstupanja protoka od dati ne više od dopuštenog.

Automatizacija procesa miješanja kao objekta upravljanja može se izvršiti sa sljedećim:

• racionalna konstrukcija sustava za pripremu smjese, čime se isključuje ili smanjuje utjecaj poremećaja na sastav smjese;

• korištenje metoda vaganja i doziranja;

• stvaranje povezanih sustava upravljanja za višekomponentno doziranje, uzimajući u obzir dinamiku procesa (tromost i kašnjenje miješalice), a vodeća komponenta treba biti potrošena smjesa, koja ima značajne fluktuacije u brzini protoka i sastavu;

• automatska kontrola i regulacija kvalitete smjese tijekom njezine pripreme;

• izrada automatskih uređaja za složenu kontrolu sastava i svojstava smjese s obradom rezultata kontrole na računalu;

• pravodobna promjena recepture smjese pri promjeni omjera smjesa/metal u kalupu i vrijeme hlađenja odljevka prije lijevanja.