Основы автоматизации технических процессов

ПЛАН ЛЕКЦИИ:
Введение.
1. Технологическое оборудование и принципы построения автоматизированных производств.
2. Микропроцессорные средства обработки сигналов датчиков и регулирования.
3. Компьютерные системы сбора информации с датчиков на базе мироЭВМ.
4. Микропроцессорные программируемые регуляторы.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Автоматизация технологических процессов - совокупность методов, аппаратных и технических средств, воплощающих в себе рациональное и грамотное управление объектами и процессами в соответствии с поставленной задачей.
Автоматизированные производства по сравнению с неавтоматизированными обладают определённой спецификой:
для повышения эффективности они должны включать большее число разнородных операций;
требования гибкости автоматизированных производств вызывают необходимость в тщательной проработке технологии, анализе объектов производства, маршрутов движения и операций, обеспечении надёжности процесса переработки с заданным качеством;
при широком ассортименте выпускаемой продукции и сезонности работы технологические решения могут быть многовариантными;
повышаются требования к чёткой и слаженной работе различных служб производства.

Для функционирования оборудования необходим промежуточный транспорт сырья, полуфабрикатов, компонентов, различных сред.

Для осуществления возможности выпуска широкого
ассортимента продуктов из однотипного сырья и переработки
разных видов сырья на однотипном оборудовании создают переналаживаемые системы, обладающие свойством автоматизированной переналадки. Организационным модулем таких систем являются производственный модуль, автоматизированная линия, автоматизированный участок или цех.
Структура производственного модуля:
1 – оборудование для выполнения одной или нескольких операций; 2 – управляющее устройство; 3 – погрузочно-разгрузочное устройство; 4 – транспортно-накопительное устройство; 5 – контрольно-измерительная система
Производственный модель – система, состоящая из единицы технологического оборудования, оснащённого автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующую и позволяющую её встраивать в систему более высокого уровня.
Производственный модуль может включать в себя, например, сушильную камеру, контрольно-измерительную систему, погрузочно-разгрузочную и транспортные системы с локальным управлением.

Структура производственной ячейки:
1 - оборудование для выполнения одной или нескольких операций; 2 – приёмный бункер; 3 – погрузочно-разгрузочное устройство; 4 – конвейер; 5 – промежуточная ёмкость; 6 – управляющий компьютер; 7 – контрольно-измерительная система; 8 – интерфейс связи
Производственная ячейка – комбинация модулей с единой системой измерения режимов работы оборудования, транспортно-накопительной и погрузочно-разгрузочной системами.
Производственная ячейка является частным случаем производственного модуля.
Производственная ячейка может встраиваться в системы более высокого уровня.

Автоматизированная линия переработки – переналаживаемая система, состоящая из нескольких производственных модулей или ячеек, объединённых единой транспортно-складской системой и системой автоматического управления технологическим процессом (АСУТП). Оборудование автоматизированной линии расположено в принятой последовательности технологических операций.
Структура автоматизированной линии:
1, 2, 3, 4 – производственные ячейки и модули;
5 – транспортная система;
6 – склад;
7 – управляющий компьютер

Структура автоматизированного участка:
1, 2, 3 – автоматизированные линии; 4 – производственные ячейки; 5 – производственные модули; 6 – склад; 7 – управляющий компьютер
В отличие от автоматизированной линии на переналаживаемом автоматизированном участке предусмотрена возможность изменение последовательности использования технологического оборудования.
Линия и участок могут включать отдельно функционирующие единицы технологического оборудования.

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
Устройство микроЭВМ. Микропроцессорные средства в настоящее время широко применяют для обработки информации в измерительных системах и автоматике.
Структурный состав микропроцессора в каждом конкретном случае определяется требованиями измерительной системы и средствами автоматического управления (САУ). В простых случаях это может быть однокристальный специализированный вычислитель, работающий по неизменяемой программе. В сложных случаях микропроцессорные средства объединяются в универсальную микроЭВМ, имеющую сложные аппаратные устройства и развитое программное обеспечение.
Высокая степень интеграции во всех случаях позволяет выполнять микропроцессорные средства компактными, гибкими в настройке и надёжными в эксплуатации.
Практически вся обработка информации в цифровом устройстве осуществляется внутри микроЭВМ по определённому алгоритму, реализованному в виде программы.

Структура микропроцессорного устройства
Центральное процессорное устройство или просто процессор – это центральный управляющий и решающий блок микроЭВМ.
В настоящее время этот узел выполняется в виде интегральной
микросхемы ИМС, которую называют микропроцессором. Микропроцессор управляется тактовым генератором. Центральный управляющий и решающий блок микроЭВМ называется генератором импульсов, каждый из которых переводит микропроцессор на следующий шаг работы программы.
Микропроцессор в качестве самостоятельного узла не применяет-
ся. Для его работы требуется постоянное запоминающее устройство ПЗУ – «Память программы», где хранится программа (последовательность команд), которую необходимо выполнить. Сюда же записываются постоянные величины, необходимые для расчётов, и условия выполнения тех или иных команд. Для хранения переменных и промежуточных результатов вычислений (данных) применяется оперативное запоминающее устройство ОЗУ.

Устройство ввода-вывода обеспечивает обмен информацией с внешним оборудованием.
Любая информация в ЭВМ представляется в виде чисел (числовых кодов). Обмен информацией между узлами микроЭВМ осуществляется с помощью шин, т.е. системы электрических линий.
Скорость работы микроЭВМ существенно зависит от разрядности чисел, передаваемых по шинам от узла к узлу. Время выполнения команды определяется тактовой частотой задающего генератора и зависит от быстродействия применяемых ИМС, что, в свою очередь, определяется технологией их изготовления. Сегодня электронная промышленность предлагает десятки разновидностей микропроцессоров, и они непрерывно совершенствуются. По этой причине происходит периодическое обновление аппаратной базы микропроцессоров и компьютеров.
Практически во всей современной электронной аппаратуре ввод дискретных сигналов осуществляется через преобразователи на основе оптронов.
Интерфейс-связи – это устройство связи удалённого объекта с ЭВМ, алгоритм работы которого стандартизирован. Для передачи данных между объектом и ЭВМ последняя обменивается через интерфейс с объектом служебными стандартными сигналами.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ СБОРА ИНФОРМАЦИИ С ДАТЧИКОВ НА БАЗЕ МИКРОЭВМ
Для автоматизированного сбора и обработки электрических сигналов, поступающих с различного орда датчиков (температуры, давления, частоты вращения, количества жидкости или газа, вибрации и т.п.), широко используются компьютерные системы, оснащённые преобразованием таких сигналов в цифровую форму (АЦП, таймеры/счётчики, коммутаторы и др.).
Эти системы конструируют на базе одноплатных микроЭВМ, наиболее совершенными из которых в настоящее время являются так называемые микроРС. В состав микроРС входит материнская плата совместимого компьютера, уменьшенная в несколько раз и оснащённая современным мощным и быстродействующим процессором. Эта материнская плата сопрягается с платой для сбора сигналов с датчиков, которые удалены от компьютера.
Стоимость микроРС очень высокая, поэтому применение таких систем целесообразно лишь в случае сбора сигналов с очень большого числа датчиков (100 и более) и когда требуется высокоскоростная обработка поступающих сигналов. В случае, когда сигналов немного – десятки или даже единицы, применять системы на базе микроРС нецелесообразно.

Для сбора сигналов с небольшого числа датчиков используют однокристальные микроЭВМ – микрокомпьютеры, расположенные в одной микросхеме.
В состав такой микроЭВМ входят основные атрибуты компьютера: память, процессор, различные периферийные устройства, интерфейсы (для связи с другим компьютером), иногда встраивают атрибуты систем сбора (счётчики и генераторы импульсов и др.). Стоимость однокристальных микроЭВМ невысокая.
Применение однокристальных микроЭВМ в удалённых системах сбора сигналов с небольшого числа датчиков – наиболее целесообразно и оптимально.
Основная идея применения однокристальных микроЭВМ в удалённых системах сбора заключается в том, что программа работы однокристальной ЭВМ передаётся в неё из компьютера по последовательному интерфейсу (кабелю), а результаты работы этой программы передаются в компьютер по этому же кабелю и полноценно обрабатываются компьютером.
Удаление системы сбора от компьютера может достигать десятков и даже сотен метров; при этом, поскольку передача информации осуществляется в цифровом виде, потерь информации нет.

Структурная блок-схема удалённой компьютерной системы измерения, регистрации и обработки сигналов на базе однокристального микроконтроллера
Микроконтроллеры - микроЭВМ без монитора, клавиатуры и «мыши», но имеющие специальные устройства: АЦП, интерфейсы связи и т.д.
Основой системы является устройство сбора и предварительной обработки аналоговых и частотных сигналов, к которому подсоединяются кабели от датчиков и которое сопрягается с компьютером по интерфейсу, оборудованному оптронными развязками. В устройстве применяется однокристальный микроконтроллер со встроенным АЦП. Устройство содержит внешнюю память программ и данных. Отличительная особенность системы сбора – её программируемость, т.е. возможность оперативного изменения программы однокристального микроконтроллера, которая передаётся из компьютера и записывается в память. Это позволяет приспосабливать устройство сбора к самым различным задачам (т.е. оно достаточно универсально).

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ
В последние годы для контроля и управления технологическими процессами всё большее применение находят многофункциональные микропроцессорные программируемые регуляторы. Наибольшее применение в перерабатывающей промышленности получил регулятор МПР51, который можно использовать на хлебозаводах для поддержания режима в расстоечных шкафах, в печах для выпечки хлеба; на мясо- и рыбокомбинатах для обеспечения технологического процесса в камерах варки и копчения, в камерах созревания, в универсальных климатических камерах и т.д.
Благодаря встроенному интерфейсу связи с компьютером возможно документирование и управление технологическими процессами с помощью ЭВМ.
Прибор имеет пять входов для контроля температуры, влажности и положения задвижек. Три входа предназначены для подключения термодатчиков, и два входа для датчиков положения задвижек трубопроводов.
Входных сигналов от термодатчиков три, а измеренных величин – пять. Дополнительно вычисляются относительная влажность и разность температур первого и третьего входов (камеры и внутри продукта).

Структура прибора МПР51
В приборе имеется возможность связи с ЭВМ. Специальная программа позволяет опрашивать температурные каналы с определённой периодичностью и выводить полученные данные на принтер или экран в табличном или графическом виде.
При перебоях в электроснабжении прибора параметры регулирования сохраняются в памяти при бора в течение 1 ч. После восстановления питания выполнение программы может быть продолжено.

Пример использования прибора МПР51 для регулирования процесса сушки фруктов
Процесс сушки состоит из нескольких этапов, во время которых температура и влажность в камере сушки поддерживаются постоянными. Все этапы имеют определённую продолжительность. Для поддержания заданной температуры в камере установлен теплоэлектронагреватель ТЭН. Пар для увлажнения подаётся через запорно-регулирующий вентиль.
В камере установлены два датчика – влажности и температуры. Один поддерживает необходимую на каждом шаге температуру в камере, управляя ТЭНом через реле 1 по двухпозиционному (включено/выключено) закону. Второй поддерживает влажность путём выдачи на реле 3 и реле 4 управляющих импульсов «больше – меньше» для привода запорно-регулирующего вентиля.

Пример использования прибора МПР51 для управления процессом термообработки и копчения мясопродуктов в коптильной камере
В камере находятся три датчика температуры – сухой датчик температуры, влажный датчик температуры и датчик температуры мяса. Регулирование температуры ведётся с помощью реле 1,2, а влажности – с помощью реле 3,4.
Для включения дополнительных устройств – дымогенератора и вентилятора – используют соответственно транзисторные ключи N2 и N1.

Пример использования микропроцессорного регулятора температуры ТРМ4 при пастеризации и охлаждении молока
Для пастеризации молока используется пастеризационно-охладительная установка ОКЛ-10Э3. Молоко обрабатывается в два этапа: предварительная обработка в секции регенерации, окончательный нагрев до 76 °С и выдержка в секции пастеризации.
В секции регенерации использованы теплообменники для передачи теплоты от готовой продукции сырому молоку. В секции пастеризации передача теплоты осуществляется водой, подогреваемой паром.
Для автоматизации этого двухступенчатого процесса обработки могут быть использованы три двухпозиционных терморегулятора ТРМ-4.

По первому каналу осуществляется регулирование подачи теплоты от котельной: ТРМ-4-1 через промежуточное реле подаёт команды запирающему вентилю с электромагнитным приводом серии СВВ для управления подачей пара.
По второму каналу ТРМ-4-2 через промежуточный пускатель управляет регулирующим трёхходовым клапаном с электрическим исполнительным механизмом типа ЕСПА. При закрытом клапане молоко направляется в ванну нормализации, а при достижении 76 °С переключается на трубопровод для выхода готового продукта.
Затем в охладительной секции с помощью рассола продукт охлаждается до 4…6 °С. Этим процессом управляет другой терморегулятор ТРМ-4-3, который через промежуточное реле даёт команду клапану СВВ на управление газовым (воздушным) потоком, регулирующим температуру рассола.

Автоматизация технологических процессов - решения для АСУ ТП
При проектировании технологических циклов и их автоматизации учитываются масса параметров, которые необходимо контролировать для достижения оптимальных результатов.
Каждый этап производства необходимо контролировать на предмет правильности выполнения того или иного процесса, следить за его состоянием и обеспечивать эффективное использование средств. Современные технологии измерения и контроля различных параметров предоставляют возможность организовать правильное, технологичное и, главное, безопасное производство, нацеленное на повышения качества продукции с одновременным сокращением энергетических и производственных затрат.
Для предоставления достоверной информации о течении производственных процессов и выработки последовательности воздействий на тот или иной процесс применяются измерительно-регулирующие устройства на базе модуля 16-канального модуля АЦП ЦАП ZET 210, ZET 220 или тензометрическая станция: многоканальный самописец, регистратор параметров технологических процессов, измерители-регуляторы для подключения датчиков температуры, давления, влажности, уровня жидкости, датчиков положения и перемещения

Структурная схема автоматизации технологических процессов
В качестве рабочей станции может быть использован любой персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows XP SP2 (Microsoft Windows Server 2003, Microsoft Windows Vista, Microsoft Windows 7) и шиной USB 2.0. Количество подключаемых модулей ограничено лишь количеством USB-портов, установленных в компьютере.

Информация с первичных преобразователей поступает на измерительные входные каналы модулей. Оператор в реальном времени контролирует параметры: на экране рабочей станции отображаются все измеряемые параметры при помощи программ из состава ZETLab: “Многоканальный самописец", "Термометр”, "Регулятор", "Арифмометр", "Манометр", "Измеритель влажности" и т.д.
В программе настройки порогов (установок) срабатывания сигнализации и/или исполнительных механизмов контролируется превышение допустимых уровней, и при выходе какого-либо параметра за допустимое значение с цифрового выхода подается управляющий сигнал, что приводит к включению/выключению реле и срабатыванию исполнительного механизма.
Удаленный рабочий терминал - персональный компьютер, который может быть установлен в диспетчерской или контрольном пункте, расположенном на достаточном удалении от технологического помещения. Информация от рабочей станции в режиме реального времени поступает на удаленный терминал, что позволяет контролировать процессы дистанционно.
Контролируемые процессы могут быть довольно разнообразные - это может быть поддержание температуры, влажности и давления в замкнутом пространстве, контроль заполненности резервуаров с регулировкой впускных/выпускных вентилей, контроль положения заслонок, дозирование продуктов при приготовлении смесей, управление параметрами электромагнитного поля, контроль освещённости, управление климатом и т.п.