Виды автоматических систем

АВТОМАТИЗАЦИЯ

СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

И ВОДООТВЕДЕНИЯ

УЧЕБНИК

для учащихся средних строительных

специальных учебных заведений

Допущено

Федеральным агентством по строительству

и жилищно-коммунальному хозяйству

в качестве учебника для студентов

средних специальных учебных заведений,

обучающихся по специальности

«Водоснабжение и водоотведение»

 

Москва

ИНФРА-М

УДК 628.1/2(075.3) ББК 38.761.1я723 Р84

Рецензенты:

старший преподаватель кафедры «Автоматизация

инженерно-строительных технологий»

Московского государственного строительного университета,

инженер отдела АСУ Инженерного центра ЕС,

канд. техн. наук Я.В. Захаров;

доцент кафедры «Автоматизация технологических процессов и строительных производств» Московского института коммунального хозяйства и строительства, канд. техн. наук Е.П. Голиков

Рульнов А.А., Евстафьев К.Ю.

Р84 Автоматизация систем водоснабжения и водоотведение: Учеб­ник. - М.: ИНФРА-М, 2007. –

205 с. - (Среднее профессиональное образование).

15ВИ 5-16-002868-4

Изложены основы методов контроля и регулирования основных техно­логических параметров в инженерных системах и очистных сооружениях; рассмотрены принципы действия и конструкции контрольно-измерительных приборов и автоматических регуляторов, управляющих устройств, широко применяемых при автоматизации систем водоснабжения и водоотведения, а также измерения основных технологических величин; приведены сведения об управляющих устройствах, используемых в автоматизированных системах управления технологическими комплексами обработки природных и сточных вод. Освещены основные вопросы технико-экономической эффективности автоматизации систем водоснабжения и водоотведения.

Предназначен для учащихся техникумов, обучающихся по специальности 270112 (2912) «Водоснабжение и водоотведение».

УДК 628.1/2(075.3)

ББК 38.761.1я723

ISВN 5-16-002868-4 © А.А. Рульнов, К.Ю. Евстафьев, 2007

ПРЕДИСЛОВИЕ

Автоматизация систем транспортирования и обра­ботки природных и сточных вод призвана коренным образом пре­образовать рабочие места, сделать труд более производительным, творческим и привлекательным. Это одна из важнейших социаль­ных задач, которая постоянно подчеркивается в постановлениях директивных органов, а также в решениях различных междуна­родных и федеральных конференций и семинаров.

На современном этапе развития техники водообработки не­возможно управлять системами водоснабжения и водоотведения (СВВ) без их автоматизации. Высокая производительность обору­дования, скорости потоков и физико-химических превращений, большие объемы аппаратов и сооружений, зависимость технико-экономических показателей (ТЭП) от большого числа разнооб­разных факторов — все это предъявляет высокие требования к управлению СВВ. Если человек-оператор раньше с успехом справ­лялся с задачами управления, то теперь он этого сделать не может из-за своих ограниченных возможностей: утомляемости, субъек­тивности в оценке возникающих ситуаций, ограниченной скоро­сти реакций на резкие изменения режимных параметров и т.п. В результате функции управления в инженерных системах и на очистных сооружениях все в большем объеме передаются автома­тическим устройствам. В ближайшие годы уровень автоматизации должен вырасти в несколько раз.

В современных условиях от техника-строителя-технолога тре­буются знания не только технологии и оборудования, но и авто­матических устройств контроля и управления — от простейших приборов до управляющих вычислительных машин (УВМ). Тех­нолог должен уметь за показаниями измерительных приборов «видеть» ход технологического процесса, скрытого за стенками сооружений, машин и аппаратов, вмешиваться при необходи­мости в работу автоматических управляющих устройств и устра­нять простейшие неисправности в их работе. Все это невозможно сделать без знания основных принципов управления СВВ, осо­бенностей устройства и эксплуатации приборов, регуляторов и других средств автоматизации. Изучение этих вопросов преду­смотрено в курсе «Автоматизация

систем водоснабжения и водо­отведения».

Настоящий учебник составлен на основе учебной программы по упомянутому курсу, составленной в Калужском коммунально-строительном техникуме. При его написании авторы стремились максимально приблизить материал к современному состоянию проблемы. При этом математические выкладки были ограничены рамками программы техникумов по математике. Авторы стара­лись более просто и доступно, без громоздкого математического аппарата изложить основные положения таких сложных вопросов как автоматический контроль и управление. Естественно, это не могло не сказаться на глубине трактовки теоретических вопросов автоматизации.

Авторы признательны рецензентам за ценные замечания и со­веты при подготовке рукописи и с благодарностью примут все по­желания читателей, направленные на устранение недостатков учебника.

ВВЕДЕНИЕ

В нашей стране и за рубежом с каждым годом рас­ширяется объем работ по автоматизации водопроводных и водоотводящих систем и сооружений. В каждом проекте водоснабже­ния или водоотведения городов и промышленных предприятий наряду с аппаратурно-технологическими решениями разрабаты­ваются системы автоматизации сооружений.

Впервые такие разработки были выполнены специалистами АКХ им. К.Д. Памфилова и начали внедряться на водопроводных очистных сооружениях еще в 1934—1935 гг. Позже на водопровод­ных станциях Москвы, Санкт -Петербурга и Нижнего Новгорода были автоматизированы дозирование реагентов, регулирование скорости фильтрования и промывки фильтров, контроль ряда ка­чественных параметров воды. В дальнейшем широкое внедрение автоматика получила на водопроводных станциях Красноярска, Новосибирска и Уфы. Высокие ТЭП достигнуты автоматизацией водоснабжения с использованием подземных вод в городах Орле и Твери. К настоящему времени созданы системы автоматизации водоприемников, работы водопроводных сетей, процессов коагу­ляции, отстаивания, обеззараживания, фторирования и обесфторивания воды, а также ее реагентного умягчения и обессоливания.

Около 30 лет назад для управления системами СВВ начали применять микропроцессоры и УВМ. Первые автоматизированные системы транспортирования и очистки природных вод, использу­ющие для целей управления вычислительные устройства, появи­лись в странах Западной Европы, США и Японии. С помощью таких систем непрерывно анализируются режимы работы сетей водоснабжения, насосных станций, очистных сооружений и вы­рабатываются необходимые команды управления для поддер­жания экономически наиболее выгодных технологических режи­мов. В последние годы и в нашей стране подобные системы были разработаны в НИИ КВОВ и начали эксплуатироваться на объек­тах МГП «Мосводоканал», ГУЛ «Водоканал» Санкт -Петербурга, МУП «Горводоканал» Новосибирска и ряда других городов.

Успешно выполняются работы и по автоматизации оборотных охлаждающих систем технического водоснабжения, в которых широко используют разработки

лаборатории автоматики НИИ ВОДГЕО, а также зарубежных фирм «Век Еп1ес 1пс» (США) и «Оrqапо» (Япония).

Автоматизация систем водоотведения началась значительно позже. Большая работа по автоматизации таких сооружений про­ведена в Москве на Курьяновской, Люблинской и Люберецкой станциях аэрации. На этих станциях автоматически контролиру­ется ряд технологических параметров, регулируются процессы механической, химической и биологической очистки сточных вод в аэротенках, а также анаэробного сбраживания осадков в метантенках. Из зарубежного опыта наибольший интерес представляют оригинальная система управления кислородным и иловым режи­мом аэротенков фирмы «Отпium d'Аssainissement», которая рабо­тает в ряде городов Франции, типовая система управления АQUАМАХ-80 фирмы «Cowi» (Япония), а также система управ­ления фирмы «Сот» (Дания) для метантенков.

В последние годы большое внимание уделяется автоматизации процессов механического обезвоживания осадков в центрифугах, фильтрах периодического и непрерывного действия, а также терми­ческого обезвоживания в сушильных агрегатах. При этом исполь­зуются как отечественные разработки МГСУ (бывш. МИСИ) и МИКХИСа (бывш. ВЗИСИ), так и ряда зарубежных фирм. На­пример, на Центральной аэрационной станции Санкт -Петербурга в автоматическом режиме работает весь комплекс оборудования обработки осадка под управлением системы Сепtuт СS фирмы «Yokoqawa» (Япония), в цехе механического обезвоживания осад­ков очистной станции Новосибирска — центрипрессы фирмы «Bird Humboldt» (Германия), в аналогичном цехе очистных соору­жений МУП Омска — центрифуги фирмы «Westfalia Separator» (Германия).

Важнейшей задачей повышения эффективности автоматиза­ции СВВ была и остается задача разработки простых, надежных и высокоточных средств автоматического контроля состава природ­ных и сточных вод, а также качества их обработки. Работы в этом направлении постоянно проводятся во всех промышленно разви­тых странах. Много интересных решений с использованием но­вейших средств измерения технологических параметров обработки воды создано в Гипрокоммунводоканале, Мосводоканал - НИИпроекте, Союзводоканалпроекте и ЦНИИЭП инженерного оборудования. В нашей стране достигнуты огромные успехи в тео­рии автоматического управления и общей теории систем. На базе этих достижений активно ведется разработка автоматизированных систем

управления (АСУ) очистных сооружений и цехов.

Все затронутые в данном разделе вопросы отражены в после­дующих главах настоящего учебника. При выборе структуры и

последовательности изложения материала авторы руководствова­лись двумя основными положениями.

Первое — автоматизация любого технологического процесса в СВВ осуществляется, с одной стороны, на базе глубоких знаний самого процесса, а с другой — на основе общих принципов авто­матического управления. Второе — предполагая, что учащиеся уже имеют достаточные знания по технологии и аппаратурному оформлению СВВ, изучение дисциплины целесообразно начи­нать с общих принципов автоматизации технологических систем.

 

 

Глава 1. ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

1.1. Основные понятия управления

В общем случае под автоматизациейпонимают при­менение технических средств и систем управления, частично или полностью освобождающих человека от непосредственного учас­тия в процессах получения, преобразования, передачи или ис­пользования энергии, материалов или информации. Цель автома­тизации — повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, устранение человека от ра­боты в условиях, опасных для здоровья.

Под управлениемв технических системах понимают совокуп­ность действий (работа, исполнение командных сигналов), вы­бранных на основе определенной информации и направленных на поддержание заданных параметров производственного про­цесса и заданных режимов эксплуатации технологического обору­дования или направленных на улучшение функционирования технологического объекта в соответствии с имеющейся програм­мой или целью функционирования.

В приведенных определениях содержатся два дополнительных понятия — система и процесс.

Система—это целенаправленная совокупность элементов, взаимосодействующих достижению заданного полезного резуль­тата. Существует много определений этого термина ввиду огром­ного многообразия существующих систем (система уравнений, солнечная система, системы питания, транспорта, образования, вычисления и др.). Рекомендуется каждый раз использовать то определение, которое наиболее близко к изучаемым объектам.

В энциклопедии «Инженерное оборудование зданий и соору­жений», выпущенной Стройиздатом в 1994г., читаем: «Система водоснабжения—комплекс взаимосвязанных сооружений, обес­печивающий подачу воды потребителям, включающий водоза­борные сооружения, насосные станции, сооружения по улучшению обработанного потока воды, биогаза или осадков. Так, например, целью процесса анаэробного сбраживания осадков качества воды, регулирующие и запасные емкости, водо­воды, водопроводящую сеть труб и охладители воды». Далее там же: «Система канализации (водоотведения) населенных пунктов и промышленных предприятий — комплекс взаимосвязанных сооружений, обеспечивающий отведение и очистку сточных вод от потребителей воды, включающий канализационную сеть труб, насосные станции по перекачке, сооружения по очистке сточных вод и выпуски очищенных стоков в реки и водоемы».

Из приведенных определений отчетливо видно, что любая СВВ может быть расчленена на ряд производственных и технологи­ческих процессов,под которыми понимают такую транспорти­ровку и обработку исходных потоков воды, которые приводят к изменению их физических и химических свойств, а также к пре­вращению в очищенную воду и побочные продукты очистки.

Под производственным процессомпонимают временную по­следовательность в СВВ, при которой происходят перемещение и преобразование вещества (воды, реагентов, энергии) и (или) ин­формации. Практически все современные производственные процессы в СВВ должны выполняться в соответствии с опреде­ленными инструкциями, строительными нормами и правилами (СНиП).

Под технологическим процессомпонимают такую обработку воды и полуфабрикатов (промежуточных потоков, осадков), ко­торая приводит к изменению их физических и химических свойств и превращению в конечную продукцию. Иными словами, техно­логический процесс в СВВ — эта совокупность механических, физико-химических, биологических и других процессов целена­правленной обработки воды и ее побочных продуктов.

Любой технологический процесс характеризуется определен­ными технологическими параметрами,которые могут изменяться во времени. В СВВ такими параметрами являются расходы мате­риальных и энергетических потоков, химический состав, темпе­ратура, давление, уровень в емкостях и др. Совокупность техноло­гических параметров, полностью характеризующих конкретный технологический процесс, называется технологическим режимом.

Каждый технологический процесс в СВВ имеет свое целевое назначение, в соответствии с которым к нему предъявляют опре­деленные требования: обеспечение заданной или максимальной производительности, заданного или наилучшего качества обра­ботки воды, заданных или минимальных затрат реагентов и энер­гии на единицу

сточных вод является увеличение концентрации метана в образу­ющемся биогазе. Поэтому к процессу сбраживания можно предъ­явить требование обеспечения заданного количества и концен­трации биогаза (производительность и качество побочного про­дукта) при минимальном расходе греющего пара (энергии) или заданного количества и максимальной концентрации метана при заданном расходе греющего пара.

Обобщенная схема технологического процесса показана на рис. 1. Функция управления представлена как соотношение между входами и теми преобразованиями, которые необходимы для по­лучения целевой продукции. Выполнение требований, предъяв­ляемых к технологическому процессу, возможно лишь при целенаправленном воздействии на его технологический режим.

 

 

 

Рис.1. Обобщенная схема технологического процесса

Любой технологический процесс в СВВ подвержен действию различных факторов, которые нельзя предусмотреть заранее. Такие факторы называются возмущениями.К ним относятся, например, случайные изменения состава обрабатываемой воды, темпера­туры, характеристик оборудования и др. Возмущающие воздей­ствия на технологический процесс вызывают изменения техноло­гического режима, что, в свою очередь, приводит к изменению таких ТЭП процесса, как производительность, качество обра­ботки, расход реагентов и энергии и т. п. Поэтому для обеспечения требуемых (заданных) ТЭП необходимо компенсировать колеба­ния технологического режима, вызванные действием возмущений. Такое целенаправленное воздействие на технологический про­цесс представляет собой процесс управления.Совокупность требо­ваний, осуществляемых в процессе управления, называется целью управления.Наконец, сам управляемый технологический процесс вместе с оборудованием, в котором он реализуется, является объ­ектом управления.Объект управления и устройства, необходимые для осуществления процесса управления, называются системой управления.Таким образом, система управления — это совокупность технологического процесса, оборудования, средств конт­роля и управления.

В качестве примера рассмотрим управление температурой сбраживания осадков в метантенке, которая поддерживается с по­мощью «острого» пара (рис. 2). При случайных (заранее неиз­вестных) колебаниях теплового режима сбраживания, например за счет изменения температуры осадков, пара или окружающей среды, для управления температурой в метантенке 1 она контро­лируется измерителем 2, выходной сигнал которого поступает в усилитель 3, затем в преобразователь 4 и далее в управляющее устройство 5. В этом устройстве сигнал о текущем значении тем­пературы 7₃ сравнивается с требуемым 1_Т, поступающим от задатчика 6. В зависимости от величины и знака разности сравнивае­мых сигналов АГ = Г_т - /₃ исполнительный механизм 7, управляя регулирующим органом 8, увеличивает или уменьшает подачу пара в метантенк.

 

1.2. Иерархия управления системами

Водообработки

Современные СВВ весьма сложны и характеризу­ются большим числом технологических параметров, прямо или косвенно влияющих на их технико-экономические показатели. Поэтому управление транспортом и обработкой как природных, так и сточных вод организуют по так называемому иерархиче­скому принципу.

Иерархический принцип управления заключается в многосту­пенчатой организации процесса управления, где каждая ступень имеет свои объекты и цели управления. Рассмотрим сущность этого принципа управления технологическим процессом. Чаще всего целью управления является достижение заданных ТЭП процесса, которые зависят от технологического режима. Режим,

при котором достигаются заданные показатели, называется опти­мальным. Но, как уже указывалось, технологический режим из­меняется под действием случайных возмущений и поэтому может существенно отклоняться от оптимального. Поскольку эти от­клонения всегда ухудшают ТЭП, необходимо поддерживать технологические параметры процесса как можно ближе к их опти­мальным значениям.

Управление технологическим процессом можно организовать в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления со­стоит в поиске оптимального режима, и объектами управления при этом являются весь технологический процесс и его оборудо­вание. На нижней ступени цель управления — это обеспечение минимальных отклонений технологических параметров от их оп­тимальных значений. Эта цель достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров. В этом случае часто вместо термина «управление» применяют термин «регулирование».

При подобной организации процесса управления найденные на верхней ступени оптимальные значения технологических па­раметров можно рассматривать как «руководящие указания» для нижней, т. е. в общем процессе управления нижняя ступень под­чинена верхней. Поэтому такие ступени обычно называют иерар­хическими уровнями управления.

При управлении современными СВВ в целом, т.е. рассматри­вая их как производственные предприятия, возникают другие цели и задачи управления, которые нельзя отнести к отдельным технологическим процессам. Это, например, задачи оперативного управления водообрабатывающими станциями и цехами, органи­зацией водоснабжения и водоотведения, планированием запасов реагентов, хранением побочных продуктов и т. п. Поэтому про­цесс управления СВВ должен включать еще один уровень, на ко­тором решаются организационные задачи. Он является высшим иерархическим уровнем.

Таким образом, структура управления современными СВВ ха­рактеризуется тремя уровнями иерархии (рис. 3). Нижний уро­вень (I) представлен так называемыми локальными системами регулирования, функции которых сводятся к стабилизации от­дельных технологических параметров. Такие задачи решаются ав­томатическими устройствами без участия человека, и поэтому системы нижнего иерархического уровня называются автомати­ческими системами регулирования (АСР). Объекты регулирования на этом уровне — элементарные процессы с соответствующим технологическим оборудованием.

 

 

Рис. 3. Иерархия управления СВВ (предприятием водообработки)

 

Следующий иерархический уровень (II) образуют системы управления технологическими процессами. Объектами управ­ления на этом уровне являются технологические установки или участки вместе с оборудованием и локальными АСР. Здесь реша­ются задачи оптимизации технологических режимов процессов. Кроме того, в функции управления на этом уровне входит выявле­ние и устранение ненормальных (аварийных) режимов, переклю­чение оборудования, вычисление ТЭП и т. п. Указанные функции достаточно сложны и не могут быть целиком возложены на авто­матические устройства. Поэтому здесь в системах управления применяют УВМ, а в процессах управления участвует оператор УВМ. Такие системы управления получили название автоматизиро­ванных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

На высшем иерархическом уровне (III) осуществляется управ­ление всей системой транспортирования и обработки воды, т. е. всем предприятием. Например, объектами управления здесь могут быть производство и потребление питьевой воды, система транспорти­рования и очистки сточных вод, цех механического обезвожива­ния осадков (включая вспомогательные службы: снабжения, сбыта, ремонтные, конструкторские, АСУ ТП предыдущего уровня и т. п.). На этом уровне задачи управления всей производ­ственной системой решаются с применением УВМ и обслужива­ющего персонала. Система этого уровня получила название авто­матизированной системы управления предприятием (АСУП).

Из сказанного видна роль локальных АСР нижнего иерархи­ческого уровня в общем процессе управления современными СВВ: они являются периферийными органами управления, через кото­рые реализуются решения, принимаемые в процессе управления на более высоких иерархических уровнях.

 

Основные понятия регулирования

Все процессы управления, в том числе и регулирова­ния, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных объектов и целей управления.

Рассмотрим в качестве первого примера, поясняющего эти общие принципы, процесс регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении (стоке) жидкости (рис. 4). Стабилизировать уровень на заданном значении можно изменением притока жидкости в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Предположим, что вначале уро­вень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное умень­шение стока вызовет отклонение уровня выше заданного. Тогда необходимо прикрывать клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, следует при­открывать.

Рис. 4. Ручное регулирование уровня с притоком и стоком жидкости:

1 — клапан; 2 — емкость

Таким образом, этот процесс регулирования состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это задание известно заранее. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого зна­чения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В приведенном примере процесс управления неавтоматиче­ский, так как в нем принимает участие человек. Такое управление называется ручным. В АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости можно с по­мощью АСР, показанной на рис. 5. В этой системе поплавок пе­ремещается вместе с уровнем, а клапан изменяет расход жидкости на притоке. Поплавок связан с клапаном через рычаг и шток.

В такой АСР любое отклонение уровня от заданного вызвано колебаниями стока, что приводит к перемещению поплавка и свя­занного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет сте­пень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому из­менению притока.

Рис. 5. Автоматическое регулирование уровняс притокоми стоком жидкости:

1 — клапан; 2 — емкость; 3 — поплавок; 4 — шток; 5 — рычаг

Теми же пятью составляющими обладают и все другие АСР, например показанная на рис. 2 система управления температурой в метантенке. Из приведенных примеров видно, что для управ­ления любой СВВ необходимо получить информацию о заданном и фактическом ее состоянии, определить отклонение фактиче­ского состояния от заданного, на основе этого выработать целе­направленное воздействие на объект и осуществить его.

Несмотря на большое разнообразие встречающихся в СВВ объектов, отмеченный общий характер процессов управления не зависит от природы объектов и технических средств управления. Так, рассмотренные выше системы регулирования уровня и тем­пературы, как и все другие АСР, носят в принципе одинаковый характер. Это позволяет изучать закономерности управления в общем виде, независимо от природы объектов и протекающих в них технологических процессов. Такие общие закономерности изучает теория автоматического управления (ТАУ). Рассмотрим ее основные термины и понятия.

Как уже отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий, которые в АСР выполняют техниче­ские устройства. Устройство для получения информации о со­стоянии объекта управления называется измерительным. Устрой­ство, определяющее отклонение измеренного значения пара метра от заданного, называется сумматором. Он производит алгебраическое суммирование — вычитание измеренного значе­ния из заданного. Устройство, вырабатывающее воздействие на объект, называется регулятором. Для передачи этого воздействия , на объект служит регулирующий орган, для перемещения кото­рого применяется отдельное устройство — исполнительный меха­низм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР (в ряде систем некоторые из устройств могут быть совмещены, например сумматор может быть частью регулятора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим органом). Так, в примере, приведенном на рис. 5, объектом регу­лирования уровня является емкость с притоком и стоком; изме­рительным устройством — поплавок; рычаг выполняет роль сум­матора и регулятора, а клапан — регулирующего органа.

Из структурной схемы этой АСР (рис. 6) видно, что все ее эле­менты связаны между собой и воздействуют друг на друга: изме­рительное устройство воздействует через сумматор на регулятор; регулятор — на регулирующий орган; регулирующий орган — на объект регулирования. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов, физическая природа которых может быть различной: механической, пневматической, электрической. Так, в АСР уровня использована механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирующим органом. Общее свойство всех сигналов — передача воздействия от одного элемента системы к другому. Например, в АСР уровня регулирующий орган воздействует на объект изменением при­тока, а сигналом служит расход жидкости на притоке. При этом передача воздействия всегда происходит в одном направлении — от предыдущего элемента к последующему. С учетом такой на­правленности в каждом элементе АСР различают входные и вы­ходные сигналы. Выходной сигнал является реакцией элемента на входной, т.е. выход элемента всегда зависит от его входа.

Элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня входной сигнал — степень открытия клапана, а выходной — рас­ход жидкости через него. Для емкости (объекта регулирования) входные сигналы — это расходы на притоке и стоке, а выходной сигнал — уровень жидкости. Особое место среди элементов АСР занимает объект регулирования, поскольку характер преобразо­вания в нем сигналов предопределен назначением объекта и, со­ответственно, сигналы не могут быть изменены. Например,

на­значение емкости с притоком и стоком — создание запаса жидкости, поэтому в АСР уровня объект рассматривается как элемент с заранее заданными свойствами. Свойства же всех других эле­ментов системы и способы их соединения между собой можно изменять.

Рис. 6. Структурная схема АСР уровня в емкости

Управлять объектом — значит управлять его выходными сигна­лами, в частности стабилизировать их. Стабилизируемые системы объекта называются управляемыми (регулируемыми) параметрами. В СВВ типовыми управляемыми параметрами являются уровень, давление, расход, температура, плотность, концентрация. Заданное значение параметра при его стабилизации называется просто заданием, а разность между заданным и измеренным значениями — рассогласованием, которое характеризует качество стабилизации.

Для воздействия на выходные сигналы целенаправленно изме­няют входные сигналы, которые получили название управляющих (регулирующих) параметров, а их целенаправленное изменение — управляющим (регулирующим) воздействием. Так, регулируемым пара­метром емкости является уровень жидкости, а регулирующим — расход на притоке. Наиболее распространенными управляющими параметрами в СВВ являются расходы веществ (жидкостей, паров, суспензий, осадков) и энергии (тепловой, электрической и т.п.).

Реальные объекты всегда подвергаются действию возмуще­ний, которые нарушают нормальный технологический режим в СВВ. Так, при регулировании уровня жидкости основные возму­щения — это колебания стока, которые приводят к отклонению Уровня от заданного значения. Другой пример: для метантенка, в котором температура стабилизируется подачей пара, возмуще­ниями являются колебания температуры наружного воздуха, пара и т. п. Общее свойство любых возмущений — воздействие на элементы АСР, что вызывает случайные изменения их выходных: сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сигналами элементов.

 

Виды автоматических систем

Регулирования

Как уже отмечалось, отклонение фактического тех­нологического режима от заданного происходит под действием возмущений, для компенсации которых предназначены АСР тех­нологических параметров. Процесс регулирования в АСР может осуществляться двумя способами или их комбинацией.

В основе первого способа лежит идея компенсации возмуще­ний на входе объекта, поэтому он и получил название способа ре­гулирования по возмущению. Структурная схема такой АСР приве­дена на рис. 7, а. В этой системе регулирующий параметр Y изме­няется в зависимости от возмущения Z таким образом, что регулирующее воздействие компенсирует действие возмущений на объект. Например, этим способом можно стабилизировать уровень в емкости, для чего расход жидкости на притоке следует поддерживать равным ее расходу на стоке. В этом случае возмущающее действие колебаний стока будет устраняться и уровень не изменится.

В СВВ системы регулирования по возмущению, которые иногда называют разомкнутыми, применяют крайне редко. Это связано с тем, что в таких АСР нет контроля за рассогласованием, и поэтому оно может бесконтрольно увеличиваться под действием неучтенных возмущений. Так, отклонение уровня в емкости от заданного с течением времени может возрасти вследствие неточ­ного измерения расхода, испарения жидкости с поверхности и т.д. В то же время регулирование по возмущению позволяет уст­ранить возмущающие воздействия на входе объекта до возникно­вения рассогласования, что является достоинством этого способа регулирования.

Сущность второго способа регулирования состоит в том, что регулирующий параметр изменяют в зависимости от отклонения регулируемого параметра от задания. По этому способу, назван­ному регулированием по отклонению, при любом рассогласовании, вызванном возмущающими воздействиями, регулирующее воздействие всегда стремится уменьшить рассогласование.

Регулирование по отклонению иллюстрируется схемой (рис. 7, б), в соответствии с которой регулируемая величина X

Рис. 7. Схемы регулирования по возмущению (а), отклонению (б), комбинированная (в)

заданным значением Y: разность этих двух величин е = Y — X после усиления воздействует на объект регулирования ОУ. Вели­чина е, называемая отклонением или ошибкой АСР, должна быть мала. Тогда между регулируемой величиной Х и ее заданным зна­чением Y устанавливается вполне определенное соответствие: из­менение величины Y сопровождается соответствующим измене­нием регулируемой величины X. Из схемы этой АСР видно, что сигналы в ней проходят по замкнутому контуру: от регулятора на вход объекта — в прямом направлении, а с выхода — в обратном. Такая связь, называемая обратной, замыкает выход (регулируемый параметр) с ее входом (заданием), и поэтому АСР с обратной свя­зью является замкнутой. В таких системах регулирующее воздей­ствие — реакция на рассогласование, возникающая после появле­ния рассогласования, что является серьезным недостатком спо­соба регулирования по отклонению. В то же время регулирование с использованием обратной связи уменьшает возникающее рассогласование и тем самым компенсирует результат действия возмущений (но не сами возмущения). При таком регулировании не требуется информации об источнике, характере и величине воз­мущений. Благодаря этому важному свойству обратной связи можно управлять любыми реальными процессами в СВВ при неизвестных возмущениях, т. е. АСР по отклонению имеет большое преимущество перед АСР по возмущению.

Возможно одновременное применение способов регулирова­ния по отклонению и возмущению. Схема такой комбинирован­ной АСР (рис. 7, в) отличается от АСР по отклонению тем, что в регулятор кроме сигнала рассогласования вводится значение воз­мущения Z. В этой системе основные возмущения компенсиру­ются регулирующим воздействием, как и в АСР по возмущению. Рассогласование же возникает под действием оставшихся (не ос­новных) возмущений, а также ошибок измерения и неточной компенсации основных возмущений. Следовательно, в комбини­рованной АСР рассогласование будет меньше, чем в АСР по от­клонению. Поэтому такие АСР обеспечивают большую точность регулирования, но они более сложны.

Сравнивая описанные способы регулирования, можно сделать следующие выводы. Регулирование по возмущению в принципе может полностью устранить рассогласование, т.е. сд